ブリッジおよび並列アンプ

複数の電子アンプを接続して、単一のフローティング負荷 (ブリッジ) または単一の共通負荷 (並列) を駆動することで、さまざまな状況で利用可能な電力量を増やすことができます。これは、オーディオアプリケーション でよく見られます。

ブリッジまたは並列動作モードは、通常オーディオ パワー アンプに関係し、2 つ以上の同一アンプを使用して同じ負荷を同時に駆動する方法です。アンプの出力は負荷ごとに結合されるため、モノラル、ステレオ、およびマルチチャンネル アンプのセットで可能です。個別のアンプをブリッジまたは並列に結合する方法に応じて、さまざまな増幅目標を達成できます。その結果、ブリッジまたは並列結合とさらに結合できるアンプが生まれます。このアプローチは、シングルエンドアンプの使用が不可能、非実用的、またはコスト効率の悪い負荷を駆動する場合に便利です。

ブリッジ接続負荷（BTL）は、ブリッジトランスレスやブリッジモノとも呼ばれ、オーディオアンプの出力構成であり、主にプロオーディオや車載アプリケーションで使用されるインピーダンスブリッジングの一種です。 ^[1]ステレオアンプの2つのチャンネルには、1つのチャンネルの電気極性が反転した同じモノラルオーディオ信号が供給されます。スピーカーは2つのアンプ出力間に接続され、出力端子をブリッジします。これにより、ブリッジなしで使用される同じアンプと比較して、負荷で利用可能な電圧振幅が2倍になります。この構成は、サブウーファーで最もよく使用されます。^[2]

与えられた出力電圧振幅に対して、インピーダンスが低いほど、アンプの負荷は高くなります。ブリッジングは、式 によると、電力はインピーダンスに反比例し、電圧の 2 乗に比例するため、アンプが低負荷を高電力で駆動できるようにするために使用されます。この式は、ブリッジングによってアンプの理論上の電力が 4 倍になることも示していますが、これは負荷が十分に低い場合にのみ当てはまります。たとえば、アンプがシングルエンド モードで最大能力に達する負荷の場合、ブリッジングで得られるゲインはありません。これは、アンプに電流制限がある場合があるためです。実際のアプリケーションでは、発熱と電源が不十分なことも電力の増加を制限しますが、ブリッジされたアンプが個別の電源を使用する場合 (これが一般的)、高負荷に対する制限の増加は電力の 2 倍です。これは、各アンプが総電力の半分しか供給しないためです。 ${\displaystyle P=V^{2}/R}$

例: この図は、ブリッジ モードで接続された 2 つの同一のアンプ A1 と A2 を示しています。システムは、アンプの出力が互いに反転するように配置されています。つまり、一方のアンプの信号が正に振れている場合、もう一方のアンプの信号は負に振れています。一方のアンプの出力が +10 ボルトのとき、もう一方のアンプの出力は -10 ボルトになり、その逆も同様です。負荷は、2 つのアンプの「ホット」(通常は赤) 出力の間に接続され、それらの間の電位差の影響を受けます。一方のアンプの出力の瞬間電位が +10 ボルトの場合、もう一方のアンプの出力は -10 ボルトになり、負荷の両端の電位差は 20 ボルト、つまり単一のアンプから得られる電位の 2 倍になります。

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逆位相オーディオ入力信号の提供はいくつかの方法で行うことができますが、適切な知識とスキルが必要です。

1. https://sound-au.com/project20.htm で Rod Elliot が説明しているような内部変更によって;
2. アンプ外部のシンプルなアクティブ位相スプリッター回路によって;
3. アンプ外部の位相分割オーディオ入力トランスによって。

2つのアンプが同じ電源を使用して反対極性で使用されているため、ブリッジ出力はフローティングです。これにより、アンプと負荷の間にDCブロッキングコンデンサが不要になり、コストとスペースを節約し、コンデンサによる低周波での電力低下を回避できます。^[4]同じ理由で、アンプの出力を接地しないでください。接地するとアンプが損傷する可能性があります。ダンピングファクターが半分に削減されるため、電力供給に有利です。^[5]

オーディオ チャット フォーラムでは、一部の愛好家が、アンプのステレオ ペアをブリッジ モードで動作させると、ペアのチャンネルの 1 つの 4 倍の電力が供給されると主張しています。同等の負荷の場合、供給される電力は電圧の 2 乗に比例し、ブリッジ モードの動作では、提供される電圧が 2 倍になります。これに基づくと、ブリッジ モードで動作するアンプのチャンネル ペアは、同じ負荷を駆動する単一のアンプの 4 倍の電力を供給するはずです。ただし、これは、負荷での電位差が 2 倍になるため、負荷 (およびアンプの各出力) を通過する電流も 2 倍になるという重要な考慮事項を無視しています。

アンプ回路は通常、望ましいパフォーマンス特性を提供するために必要な最も低コストのコンポーネントを使用して設計されます。アンプからの出力電流を運ぶコンポーネントは、設計された動作モードでアンプが最大電力で動作しているときにピーク電流の引き込みを満たす、最も小さい (最も安価な) コンポーネントになる傾向があります。単独動作用に設計されたアンプをブリッジ モードで動作させると、出力を駆動するコンポーネントの電流が、当初設計された値の 2 倍のピークに達する可能性があります。

コンポーネントが、単独動作で予想されるピーク電流を超える追加電流に対応できる場合は、より大きな電力供給を実現できます。ただし、一般的なケースでは、アンプは仕様どおりに動作することしか期待できず、仕様を超えて動作させると、アンプ回路に永久的な損傷が発生するリスクが高まります。

そのため、単独動作用に設計されたアンプをブリッジ モード動作用に再利用する場合、負荷インピーダンスを 2 倍にする必要があります。これは、電流消費がアンプ設計の制限内に留まることを意味します。このシナリオでは、ブリッジ アンプ ペアによって供給される電力は、単一のアンプ チャネルによって供給される電力の 2 倍になります。

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ただし、状況によっては、アンプがブリッジ モードで動作するように特別に設計されていることがあります。このようなアンプは、必要な電流を供給できるように特別に設計されています。このようなシステムでは、ブリッジ ペアは、単一のアンプ チャネルが供給できる電力の 4 倍を供給できます。ブリッジ モード オプションは、PA システム、特にカー オーディオ アプリケーションで、高出力で低音スピーカーに電力を供給するためによく使用されます。

カーオーディオアンプは一般に名目上の 13.8 ボルト電源しか備えておらず、出力で利用できる電圧振幅は通常 + および - 6.9 ボルトに制限されます。電源電圧のDC から DC への変換などの手段でより高い電圧振幅を実現することは可能ですが、ブリッジモード設計を使用すると、よりシンプルで低コストの設計で 2 倍の電圧振幅を実現できます。この設計では、コンバータの電力損失を回避することで効率も向上します。

並列アンプ構成では、複数のアンプを並列に使用します。つまり、2 つ以上のアンプが共通の負荷に対して同相で動作します。

このモードでは、利用可能な出力電流は2 倍になりますが、出力電圧は同じままです。ペアの出力インピーダンスは半分になります。

この図は、並列構成で接続された 2 つの同一アンプ A1 と A2 を示しています。この構成は、1 つのアンプを低インピーダンス負荷で動作させることができないときや、負荷インピーダンスの増加や負荷への電力供給の減少なしにアンプ 1 台あたりの消費電力を削減するときによく使用されます。たとえば、2 つの同一アンプ (それぞれ 4 オームでの動作定格) を 4 オーム負荷に並列接続すると、出力電流が両方のアンプで共有されるため、各アンプは 8 オームに相当します。つまり、各アンプは負荷電流の半分を供給し、アンプ 1 台あたりの消費電力は半分になります。この構成 (理想的または理論上) では、各アンプが他のアンプと完全に同一である必要があります。そうでない場合、アンプは互いに負荷として認識されます。実際には、各アンプは次の条件を満たす必要があります。

• 各アンプは、信号がないときに出力 DC オフセットをできるだけ小さくする必要があります (理想的にはゼロ オフセット)。そうしないと、オフセットが大きいアンプがオフセットが小さいアンプに電流を流そうとするため、消費電力が増加します。オフセットが等しい場合も、負荷に不要な電流 (および消費電力) が発生するため、許容されません。これらの問題は、各アンプにオフセット ゼロ化回路を追加することで解決されます。
• 信号が存在するときに出力が互いに駆動しないように、アンプのゲインは可能な限り一致させる必要があります。シンプルで堅牢なソリューションは、共通の電圧増幅段によって駆動される、設計上正確にユニティ ゲインを持つ並列電圧フォロワを使用することです。

さらに、アンプ間の適切な電流共有を可能にするために、各アンプの出力に直列に小さな抵抗器 (負荷インピーダンスよりはるかに小さい、回路図には示されていません) が追加されます。これらの抵抗器が必要なのは、製造上のばらつきにより、2 つのアンプの出力インピーダンスが完全に同一にならないためです。出力抵抗器を導入すると、この不均衡が分離され、2 つのアンプ間の問題のある相互作用が防止されます。

アンプを並列接続する別の方法は、電流駆動を使用することです。このアプローチでは、厳密なマッチングや抵抗は必要ありません。

ブリッジ並列アンプトポロジは、ブリッジ アンプ トポロジと並列アンプ トポロジを階層的に組み合わせたものであり、1 つのブリッジ並列チャンネルを生成するには、少なくとも 4 つのシングルエンド チャンネルが必要です。2 つのトポロジは、ブリッジにより高電圧出力が可能になり、並列によりサブウーファー アプリケーションで一般的な低インピーダンスを駆動するために必要な電流処理能力が得られるという点で、互いに補完し合っています。ブリッジ モードで動作するステレオ出力を備えた IC パワー アンプでより一般的に使用されています。^[6]前のセクションから、2 つのアンプ チャンネルのブリッジ構成では、電力が 4 倍になり、消費電力が 2 倍になることがわかります。2 つのアンプ チャンネルの並列構成では、電力は同じで、消費電力は半分になります。したがって、両方の構成を 4 つのシングルエンド アンプのセットで組み合わせると、電力出力は 4 倍になりますが、各構成アンプの電力消費は増加せず、熱の問題も処理しやすくなります。

2 つの同一アンプは、共通のケースに共通の電源を備えて収められていることが多く、通常はステレオ アンプとして扱われます。従来のステレオ アンプは、共通のスピーカー端子 (通常は黒) がアンプ内の接地レールに接続され、共通になっている限り、ブリッジ モードまたは並列モードで動作させることができます。これにより、ステレオ アンプがモノラル アンプになります。

一部の 2 チャンネル アンプまたはステレオ アンプには、スイッチを操作し、背面パネルまたはマニュアルに記載されている入力と出力の接続を確認することでブリッジ モードで動作できる機能が組み込まれています。このオプションは、高出力 PA 機器またはカー オーディオ アプリケーション用に設計されたアンプで最もよく見られます。パラレル モードでの動作には特別な機能は必要なく、適切な外部接続だけで実装されます。

ステレオ アンプには通常、ゲインと低音/高音用の共通コントロールがあり、ブリッジ モードに切り替えると、各チャンネルを自動的に同じように追跡します。2 つのチャンネル アンプに個別のコントロールがあり、ブリッジ モードに切り替え可能な場合は、1 つのチャンネルのコントロールのみが機能します。

ユーザーがブリッジ モードまたはパラレル モードのいずれかに独自の接続を実装し、アンプに個別のコントロールがある場合は、両方のコントロール セットが同一に設定されるよう注意する必要があります。

• 増幅器
• オーディオアンプ
• シングルエンド信号

• パワーオペアンプのブリッジモード動作 Apex Microtechnology - アプリケーションノート AN20、2012 年 10 月
• ブリッジ/パラレル アンプ (BPA-200) ドキュメント、National Semiconductorアプリケーション ノート、1997 年 9 月 19 日。
• オーディオ ブリッジ接続負荷アンプの最適化、Maxim Integrated Products, Inc. アプリケーション ノート 1122、2002 年 6 月 24 日。