パワーアンプのクラス

電子工学において、電力増幅器のクラスとは、さまざまな種類の電力増幅器に適用される文字記号のことです。このクラスは、増幅器の効率、直線性、その他の特性を大まかに示す指標となります。

大まかに言うと、アルファベット順にアンプの効率は上がるものの、線形性は低下し、その線形性の低下は他の手段で対処される。

最初のクラス、A、AB、B、Cは、アクティブアンプデバイスが電流を流している期間に関連しており、入力に印加される信号波形の周期の分数として表されます。 ^{[ 1 ]}この指標は導通角として知られています（${\displaystyle \theta }$クラスAアンプは信号の全期間にわたって導通します（$\displaystyle \theta =360^{\circ }}$）、入力期間の半分のみクラスB（$\displaystyle \theta =180^{\circ }}$）、そして入力期間の半分よりはるかに短い期間だけクラスC（$\displaystyle \theta \ll 180^{\circ }}$) クラス AB はクラス A とクラス B の間にあります ($\displaystyle 360​​^{\circ }>\theta >180^{\circ }}$);

クラスDおよびクラスEアンプは、出力デバイスをスイッチング方式で動作させます。デバイスが導通している時間の割合を調整することで、パルス幅変調（またはその他の周波数ベースの変調）出力を得ることができます。

追加のアクティブ素子、電源の改良、または出力調整を備えた特殊用途アンプには、追加の文字クラスが定義されています。また、メーカーが独自の設計を宣伝するために新しい文字記号を使用する場合もあります。

2010年12月までに、クラスABとクラスDがオーディオアンプ市場のほぼすべてを席巻し、クラスABチップのコストが低いことから、前者はポータブル音楽プレーヤー、ホームオーディオ、携帯電話で好まれました。 ^{[ 2 ]}

以下の図では、増幅素子としてバイポーラ接合トランジスタが示されています。しかし、同様の特性はMOSFETや真空管でも見られます。

クラスAアンプでは、入力信号の100%が使用されます（導通角${\displaystyle \theta =360}$°)。アクティブ素子は継続的に導通状態を維持します。^{[ 3 ]}出力段のトランジスタはクラスA動作にバイアスされており、継続的なドレイン電流が発生します。これは、クラスAアンプの効率が低く、トランジスタで熱が発生するため、通常は熱管理が必要であることを意味します。

サブクラスA1とA2は、通常のクラスAよりもわずかに高い電力を得るために、信号ピーク時にグリッドをそれぞれわずかに負または正に駆動する真空管クラスAアンプを指すために使用されることがあります。^{[ 4 ] [ 5 ]}ただし、これは信号歪みが大きくなります。

クラスBアンプでは、アクティブデバイスはサイクルの180度の間導通します（導通角θ = 180°）。波形の半分しか増幅されないため、出力信号には大きな高調波歪みが直接存在します。そのため、クラスBアンプは一般的に同調負荷で動作します。同調負荷では、高調波は一連の共振器によって接地されます。特にオーディオ周波数での歪みを低減するもう1つの方法は、プッシュプル構成で2つのトランジスタデバイスを使用することです。それぞれが信号サイクルの半分（180°）の間導通し、デバイス電流が合成されて負荷電流が連続的になります。^{[ 12 ]}

無線周波数では、負荷との結合が同調回路を介して行われる場合、同調回路に蓄積されたエネルギーが波形の「欠落した」半分を供給するため、クラスBで動作する単一のデバイスを使用できます。クラスBで動作するデバイスは、無線周波数出力電力が入力励起電圧の2乗に比例することから、線形増幅器と呼ばれます。これは、「出力電圧は入力電圧に比例し、したがって出力電力は入力電力に比例する」と述べると、より理解しやすくなります。この特性により、増幅器を通過する振幅変調信号または周波数変調信号の歪みが防止されます。このような増幅器の効率は約60%です。^{[ 13 ]}

クラスBアンプは2つのアクティブデバイスで信号を増幅する場合、それぞれが半サイクルにわたって動作します。効率はクラスAアンプよりも大幅に向上します。^{[ 14 ]}クラスBアンプは、トランジスタラジオなどのバッテリー駆動デバイスでも好まれています。クラスBの最大理論効率はπ/4（約78.5%）です。^{[ 15 ]}

クラスB素子を用いた実用的な回路としては、右図に示すような非常に簡略化された相補型ペア構成のプッシュプル段が挙げられます。相補型素子はそれぞれ入力信号の反対側の半分を増幅するために使用され、出力で再び合成されます。この構成は効率が良いものの、通常、クロスオーバー領域、つまり信号の2つの半分の「接合部」でわずかなミスマッチが生じるという欠点があります。これは、一方の出力素子がちょうど他方の出力素子の供給を終えた瞬間に、もう一方の素子が供給を引き継ぐ必要があるためです。これをクロスオーバー歪みと呼びます。これを改善する方法として、素子が使用されていないときに完全にオフにならないようにバイアスをかける方法があります。この方法はクラスAB動作と呼ばれます。 

クラスABアンプでは、導通角はクラスAとクラスBの中間（導通角θ > 180°）であり、2つのアクティブ素子のそれぞれが時間の半分以上導通します。クラスABは、多くの種類の入力信号が名目上「クラスA」領域にとどまるのに十分なほど静かで、その領域内で忠実に増幅されるため、アンプにとって優れた妥協点であると広く考えられています。また、定義上、この領域から外れると、クラスB特有の歪み成分が比較的小さくなるほど信号が大きくなるためです。クロスオーバー歪みは、負帰還を使用することでさらに低減できます。

クラス AB 動作では、各デバイスは波形の半分以上でクラス B と同じように動作しますが、残りの半分でもわずかに導通します。^{[ 16 ]}その結果、両方のデバイスが同時にほぼオフになる領域 (「デッド ゾーン」) が縮小されます。その結果、2 つのデバイスからの波形が合成されると、クロスオーバーが大幅に最小化されるか、完全に解消されます。静止電流(信号がないときに両方のデバイスを流れる定常電流)の正確な選択は、歪みのレベル(およびデバイスを損傷する可能性のある熱暴走のリスク) に大きな違いをもたらします。多くの場合、この静止電流を設定するために印加されるバイアス電圧は、出力トランジスタの温度に合わせて調整する必要があります。(たとえば、右図の回路では、ダイオードは出力トランジスタの物理的近くに実装され、温度係数が一致するように指定されます。) 別のアプローチ (熱追跡バイアス電圧でよく使用される) は、エミッタと直列に小さな値の抵抗を含めることです。

クラスABは、直線性を優先するあまり、クラスBに比べて効率を若干犠牲にしているため、効率は低くなります（トランジスタアンプでは、通常、全振幅正弦波で78.5%未満。クラスAB真空管アンプでは、さらに低い効率が一般的です）。しかし、クラスAに比べると、効率ははるかに優れています。

真空管アンプの設計では、クラスを表す追加のサフィックス番号が付けられることがあります。たとえば、クラスB1などです。サフィックス1は、入力波形のどの部分においてもグリッド電流が流れないことを示し、サフィックス2は、入力波形の一部でグリッド電流が流れることを示します。この区別は、アンプのドライバ段の設計に影響します。半導体アンプではサフィックス番号は使用されません。^{[ 17 ]}

クラスCアンプでは、入力信号の50%未満しか使用されません（導通角θ < 180°）。歪みが大きく、実用上は負荷として同調回路が必要です。無線周波数アプリケーションでは効率が80%に達することがあります。^{[ 13 ]}

クラスCアンプの一般的な用途は、単一の固定搬送周波数で動作するRF送信機であり、歪みはアンプ上の同調負荷によって制御されます。入力信号はアクティブデバイスを切り替えるために使用され、負荷の一部を構成する同調回路に電流パルスが流れます。 ^{[ 18 ]}

クラスCアンプには、同調モードと非同調モードの2つの動作モードがあります。^{[ 19 ]}図は、同調負荷のない単純なクラスC回路の波形を示しています。これは非同調動作と呼ばれ、波形の解析から、信号に大きな歪みが生じることがわかります。適切な負荷（例えば、誘導性・容量性フィルタと負荷抵抗）を使用すると、2つのことが起こります。1つ目は、出力のバイアスレベルが、平均出力電圧が電源電圧と等しくなるようにクランプされることです。これが、同調動作がクランパーと呼ばれることがある理由です。これにより、アンプが単極性電源しか持っていないにもかかわらず、波形が正しい形状に戻ります。これは、2番目の現象に直接関係しています。中心周波数の波形の歪みが少なくなるのです。残留歪みは同調負荷の帯域幅に依存し、中心周波数では歪みが非常に少ないですが、信号が同調周波数から離れるほど減衰が大きくなります。

同調回路は固定搬送波周波数で共振するため、不要な周波数は抑制され、目的の信号（正弦波）のみが同調負荷によって抽出されます。増幅器の信号帯域幅は同調回路のQ値によって制限されますが、これは深刻な制限ではありません。残留高調波は、さらにフィルタを用いることで除去できます。

実用的なクラスCアンプでは、必ず同調負荷が使用されます。一般的な構成では、上記の回路図に示す抵抗器が、入力信号の周波数で共振するように選択されたインダクタとコンデンサを並列接続した並列同調回路に置き換えられます。インダクタに巻かれた二次コイルによるトランス作用によって、負荷に電力を結合できます。コレクタにおける平均電圧は電源電圧と等しくなり、同調回路の両端に現れる信号電圧は、RFサイクル中にほぼゼロから電源電圧のほぼ2倍まで変化します。入力回路は、アクティブ素子（例えばトランジスタ）がRFサイクルのごく一部、通常は3分の1（120度）以下だけ導通するようにバイアスされます。^{[ 20 ]}

能動素子は、コレクタ電圧が最小値を通過する間だけ導通します。この方法により、能動素子の電力損失が最小限に抑えられ、効率が向上します。理想的には、能動素子は、両端の電圧がゼロのときに瞬間的な電流パルスのみを流します。この場合、電力は消費されず、100%の効率が達成されます。しかし、実際のデバイスには流せるピーク電流に制限があるため、適切な量の電力を得るには、パルスを約120度まで広げる必要があり、その場合の効率は60～70%になります。^{[ 20 ]}

クラスDアンプは、出力素子を制御するために何らかのパルス幅変調方式を用いる。各素子の導通角は入力信号に直接関係するのではなく、パルス幅によって変化する。

クラスDアンプでは、アクティブデバイス（トランジスタ）は線形ゲインデバイスではなく電子スイッチとして機能し、オンまたはオフのいずれかの状態になります。アナログ信号は、アンプに入力される前に、パルス幅変調、パルス密度変調、デルタシグマ変調、または関連する変調技術によって信号を表すパルス列に変換されます。パルスの時間平均電力値はアナログ信号に直接比例するため、増幅後、信号は受動ローパスフィルタによってアナログ信号に変換できます。出力フィルタの目的は、パルス列をアナログ信号に平滑化し、パルスの高周波スペクトル成分を除去することです。出力パルスの周波数は、通常、増幅する入力信号の最高周波数の10倍以上であるため、フィルタは不要な高調波を適切に低減し、入力を正確に再現できます。^{[ 21 ]}

クラスDアンプの主な利点は電力効率の高さです。MOSFETを使用すれば90%以上の効率を達成でき、80%以上は比較的一般的です。出力パルスの振幅が固定されているため、スイッチング素子（通常はMOSFETですが、真空管やバイポーラトランジスタも使用されています）は、線形モードで動作するのではなく、完全にオンまたは完全にオフに切り替わります。MOSFETは一般的に、完全にオンのときにオン抵抗が最も低くなり、したがって（完全にオフのときを除いて）その状態での消費電力が最も低くなります。同等のクラスABデバイスと比較して、クラスDアンプは損失が少ないため、 MOSFET用のヒートシンクを小型化でき、必要な入力電力も削減できるため、より低容量の電源設計が可能になります。したがって、クラスDアンプは通常、同等のクラスABアンプよりも小型です。

クラスDアンプのもう一つの利点は、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル-アナログ変換器（DAC）を必要とせずに、デジタル信号源から直接動作できることです。デジタルメディアプレーヤーやコンピュータのサウンドカードのように、信号源がデジタル形式の場合、デジタル回路はバイナリデジタル信号を直接パルス幅変調信号に変換してアンプに入力できるため、回路が大幅に簡素化され、ノイズの混入リスクも低減されます。

中程度の出力電力を持つクラスDアンプは、通常のCMOSロジックプロセスを用いて構築できるため、他の種類のデジタル回路との統合に適しています。そのため、アンプがメインプロセッサやDSPと同じダイ上に搭載されているオーディオ統合型システムオンチップ（SoC）によく見られます。

クラスDアンプはモーター制御に広く用いられているが、電力増幅器としても使用される。ただし、増幅前に信号がパルス変調されていない場合は、まず変換する必要があり、そのためには追加の回路が必要になる場合がある。スイッチング電源を改造して簡易的なクラスDアンプとして利用する例もある（ただし、通常、これらは低周波数しか許容できる精度で再生できない）。

高品質のクラスDオーディオパワーアンプは市場で容易に入手可能です。 2009年にはハイエンドの民生用製品で118 dBのダイナミックレンジが見られました。しかし、 実用的なコスト面を考慮すると、現在[2022年]ではほとんどの製品が100 dBのダイナミックレンジに近いままです。これらの設計は、品質の点で従来のクラスAおよびABアンプに匹敵すると言われています。クラスDアンプの初期の用途は、自動車の高出力サブウーファーアンプでした。サブウーファーは一般的に150 Hz以下の帯域幅に制限されているため 、アンプのスイッチング速度はフルレンジアンプほど速くする必要がなく、よりシンプルな設計が可能になります。サブウーファーを駆動するためのクラスDアンプは、クラスABアンプと比較して比較的安価です。

このアンプクラスを示す文字Dは、単にCの次の文字であり、時折そのように使われることもありますが、 「デジタル」を意味するものではありません。クラスDおよびクラスEアンプは、出力波形が表面上デジタルシンボルのパルス列に似ているため、「デジタル」と誤って説明されることがありますが、クラスDアンプは入力波形を連続パルス幅変調されたアナログ信号に変換するだけです。（デジタル波形はパルス符号変調されます。）

他のアンプクラスは、主に前述のクラスのバリエーションです。例えば、クラスGおよびクラスHアンプは、入力信号に応じて電源レールが（それぞれ離散的または連続的に）変化するという特徴があります。過剰電圧を最小限に抑えることで、出力デバイスでの無駄な熱を低減できます。これらのレールで駆動されるアンプ自体は、どのクラスでも構いません。これらのアンプはより複雑で、主に超高出力ユニットなどの特殊な用途に使用されます。また、クラスEおよびクラスFアンプは、従来のクラスの効率が重要でありながら、いくつかの側面が理想値から大きく逸脱している無線周波数アプリケーション向けに文献でよく説明されています。これらのクラスは、出力ネットワークの高調波チューニングを使用して効率を高めており、導通角特性からクラスCのサブセットとみなすことができます。

GクラスとHクラス

AB級アンプの出力段をより効率的な技術で強化し、低歪みで高効率を実現する様々なアンプ設計が存在する。これらの設計は、効率向上なしではヒートシンクや電源トランスが巨大化し（そして高価になり）てしまうため、大型オーディオアンプでよく見られる。「クラスG」と「クラスH」という用語は、異なる設計を指す際に互換的に使用され、その定義はメーカーや論文によって異なる。

クラスGアンプ（消費電力の削減と効率向上に「電源レール切り替え」を用いる）は、クラスABアンプよりも効率が高い。これらのアンプは、異なる電圧の複数の電源レールを用意し、信号出力が各レベルに近づくにつれてそれらを切り替えていく。そのため、出力トランジスタでの無駄な電力消費を削減することで効率が向上する。クラスGアンプはクラスABアンプよりも効率が高いが、クラスDアンプと比較すると効率は劣る。しかし、クラスDアンプのような電磁干渉の影響は受けない。

クラスHアンプは、無限に可変な（アナログ）電源レールを生成します。レールトラッカーと呼ばれることもあります。これは、電源レールを変調して、任意の時点で出力信号を「追跡」する出力レールよりも数ボルトだけ大きいようにすることで実現されます。出力段は常に最大効率で動作します。これは、音楽電圧のピークが+80Vと-80Vの電源からの追加電圧を必要とするのに十分な大きさになるまで、レールトランジスタ（T2とT4）をカットオフ状態に維持する回路の能力によるものです。回路図を参照してください。クラスHアンプは、実際には2つのアンプが直列に接続されていると考えることができます。図に示されている回路図の例では、+/-40Vレールアンプは、8Ω負荷に対して約100ワットの連続出力を生成できます。出力信号が40ボルト未満で動作している場合、アンプは100Wアンプに関連する損失のみを持ちます。これは、クラスHの上位デバイスT2とT4が、音楽信号の出力が100～400ワットのときにのみ使用されるためです。実際の数値をいじらずにこの効率を理解する鍵は、400ワットの出力が可能なアンプでありながら、効率は100ワットのアンプと同じであるということです。これは、音楽の波形には100ワット以下の長い期間と、最大400ワットの短いバーストしか含まれていないためです。つまり、400ワットでの損失は短い期間に限られます。この例を40V電源の代わりに80V電源のみを使用したクラスABとして描いた場合、T1とT3トランジスタは0Vから80Vまでの信号全体にわたって導通する必要があり、対応する損失は短い高エネルギーのバーストだけでなく、波形の周期全体にわたって発生します。このレールトラッキング制御を実現するために、T2とT4は電流アンプとして機能し、それぞれが低電圧側のT1とT3と直列に接続されています。 T2とT3の目的は、アンプ出力が正のピーク（39.3V以上）にあるときにダイオードD2を逆バイアスし、出力が-39.3V未満の負のピークにあるときにD4を逆バイアスすることです。100～400ワットの音楽ピークの間、すべての電流が+/-80Vレールから供給されるため、+/-40Vレールからは電流が流れません。ただし、この図は単純化しすぎており、実際にはT2とT4トランジスタを全く制御しません。これは、出力電圧を上位デバイスに戻す経路を提供するように意図されたD1とD3ダイオードが常に逆バイアスされているためです。これらは逆方向に引き込まれます。実際の設計では、これらのダイオードの代わりに、入力としてvoutを使用するゲイン付き電圧アンプが必要になります。実際のクラスH設計において、voutとT2ベース間のゲイン要件にはもう1つの理由があります。それは、T2に印加される信号が常にVout信号よりも「先行」していることを保証し、レールトラッカーに「追いつく」ことがないようにするためです。これを保証するため、レールトラッカーアンプは50V/μsのスルーレートを持つ一方、クラスABアンプは30V/μsのスルーレートしか持たない可能性がある。

• クラスTアンプ
• クラスXDアンプ