B級プッシュプル増幅回路とAB級アンプの特徴と動作原理

B級アンプ

B級増幅回路とは、入力信号の上半分と下半分を別々のトランジスタで増幅して出力する方式です。
A級増幅回路より効率は良くなりますが、歪みが大きくなるのがデメリットです。

AB級増幅回路とは、A級とB級の中間の動作をし、高効率で歪みのない増幅回路です。

本稿では、B級、AB級の回路と動作原理について解説していきます。

A級、B級、C級、D級アンプの違い

B級増幅回路(B級アンプ)

B級増幅回路は、NPNトランジスタとPNPトランジスタをエミッタフォロワで組み合わせて使います。

B級プッシュプル増幅回路

この回路方式をプッシュプルと呼びます。
上側のNPNトランジスタがオンした時は電流を流しだすためプッシュ(Push)動作、下側のPNPトランジスタがオンした時は電流を吸い込むためプル(pull)動作となることから名付けられています。

プッシュプル

コンプリメンタリ(相互補完)回路と呼ばれることもあり、動作が逆でほぼ同じ特性を持ったNPNトランジスタとPNPトランジスタのペアのことをコンプリメンタリトランジスタと呼びます。
ロームでは2SC4081と2SA1576がコンプリメンタリとして設定されています。

動作原理

B級増幅回路の動作波形は以下のようになります。

B級アンプの動作波形

入力電圧が0.6V以上になると、NPNトランジスタがオンし、VIN – VBEの電圧が出力されます。

B級アンプの動作波形

逆に、-0.6V以下の領域ではPNPトランジスタがオンし、VIN + VBEの電圧が出力されます。

B級アンプの動作波形

VIN=-0.6V~+0.6Vの範囲では、両方のトランジスタがオフしている状態となるため、出力に歪みが発生します。
これをクロスオーバー歪みと呼びます。

クロスオーバー歪み

A級アンプでは全領域でバイアス電流が流れているため歪みはありませんが効率が悪くありますが、B級アンプではバイアス電流が無いため効率が良い代わりに歪みが発生してしまうのです。

AB級増幅回路(AB級アンプ)

A級アンプの効率の悪さ、B級アンプで発生するクロスオーバー歪みを改善したものがAB級増幅回路(AB級アンプ)です。
基本構成はB級アンプですが、トランジスタにバイアスを掛け、両方のトランジスタがオフしている領域を無くすことでクロスオーバー歪みが発生しなくなります。

AB級アンプ回路

AB級増幅回路

AB級アンプ動作波形

AB級増幅回路入出力波形

動作原理

2つのトランジスタのベースの間にダイオードがあるため、NPNトランジスタのベース電圧はVIN + VF、PNPトランジスタのベース電圧はVIN – VFとなります。
そのため、VIN=0Vでも両方のトランジスタのベース-エミッタ間にバイアスがかかるため、両方とも動作している領域ができます。

AB級アンプの動作原理

このバイアスによりB級アンプで発生していたクロスオーバー歪みを無くすことができますが、両方のトランジスタが動作するため消費電流が増え、効率はB級アンプよりは悪化します。

電力効率の求め方

B級増幅回路の最大電力効率は78%です。

出力のピークが上下の電源電圧まで振り切った理想条件で考えます。

B級アンプの効率検討

最大負荷電流:Imaxは、

B級アンプの電力効率計算

サイン波の平均電流は最大電流の2/π倍なので、

B級アンプの電力効率計算

よって直流電力は、

B級アンプの電力効率計算

となります。
交流電力は、電流と電圧の実効値の積なので、

B級アンプの電力効率計算

したがって効率は、

B級アンプの電力効率計算

となり、効率が78%であることが分かります。

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