アンプの性能指数

エレクトロニクスにおいて、アンプの性能指数は、アンプの特性とパフォーマンスを特徴付ける数値的な尺度です。性能指数は、ゲイン、帯域幅、ノイズ、直線性など、この記事で挙げた特性を含む仕様のリストとして与えられます。性能指数は、特定のアンプが意図した用途に適しているかどうかを判断するために重要です。

アンプのゲインは、出力と入力電力または振幅の比であり、通常はデシベルで測定されます。デシベルで測定すると、電力比と対数的に関連します。G (dB)=10 log( P _out / P _in ) 。RFアンプは、得られる最大電力ゲインで指定されることが多く、オーディオ アンプや計装アンプでは電圧ゲインで指定されることが多いです。たとえば、ゲインが 20 dB のオーディオ アンプの電圧ゲインは 10 になります。

電圧ゲイン数値の使用は、アンプ入力インピーダンスがソースインピーダンスよりもはるかに高く、負荷インピーダンスがアンプ出力インピーダンスよりも高い場合に適切です。

2つの同等のアンプを比較する場合、ゲイン設定が高いアンプの方が、一定量の電力を生成するのに必要な入力信号が少ないため、より感度が高くなります。^{[1] [信頼できない情報源? ]}

アンプの帯域幅とは、アンプが「満足のいくパフォーマンス」を発揮する周波数の範囲です。「満足のいくパフォーマンス」の定義は、アプリケーションによって異なります。ただし、一般的で広く受け入れられている測定基準は、出力対周波数曲線上の半電力点 (つまり、電力がピーク値の半分に低下する周波数) です。したがって、帯域幅は、下半電​​力点と上半電力点の差として定義できます。したがって、これは-3 dB帯域幅とも呼ばれます。他の応答許容範囲の帯域幅 (「周波数応答」とも呼ばれます) は、( -1 dB、-6 dBなど) または「プラスマイナス 1 dB」(人が通常検出できる大まかな音圧レベル差) と表記されることがあります。

高品質のフルレンジ オーディオ アンプのゲインは、20 Hz から約 20 kHz (通常の人間の可聴範囲) の間で基本的にフラットです。超高忠実度アンプの設計では、アンプの周波数応答はこれよりかなり広く (両側に1オクターブ以上)、 10 Hz 未満および65 kHz を超える範囲に-3 dBポイントを持つ場合があります。プロのツアー用アンプには、20 Hz ～ 20 kHz を超える周波数応答を大幅に制限する入力フィルタリングや出力フィルタリングが付いていることがよくあります。そうしないと、アンプの潜在的な出力電力の多くが超低周波および超音波周波数で無駄になり、AMラジオ干渉の危険性が高まります。最新のスイッチング アンプでは、高周波スイッチング ノイズと高調波を取り除くために、出力に急峻なローパス フィルタリングが必要です。

利得が最大利得の70.7%以上となる周波数範囲を帯域幅と呼びます。^[2]

効率とは、電源のどれだけがアンプの出力に有効に適用されるかを示す尺度です。クラス Aアンプは非常に効率が悪く、出力を直接結合した場合の効率は 10 ～ 20% で、最大でも 25% です。出力を誘導結合すると、効率を最大 50% まで上げることができます。

ドレイン効率は、一次入力 DC 電力が電界効果トランジスタのドレインに供給されたときの、出力 RF 電力と入力 DC 電力の比率です。この定義に基づくと、抵抗器を介してドレイン バイアス電流が供給されるクラス A アンプの場合、ドレイン効率は 25% を超えることはできません (RF 信号のゼロ レベルが入力 DC の約 50% であるため)。メーカーははるかに高いドレイン効率を指定しており、設計者はインダクタまたはトランス巻線を介してトランジスタのドレインに電流を供給することで、より高い効率を得ることができます。この場合、RF ゼロ レベルは DC レールに近く、動作中にレールの上下に変動します。電圧レベルが DC レールを超えている間、電流はインダクタによって供給されます。

クラス B アンプは効率が非常に高いのですが、歪みレベルが高いためオーディオ用途には実用的ではありません (クロスオーバー歪みを参照)。実際の設計では、トレードオフの結果がクラス AB 設計です。現代のクラス AB アンプのピーク効率は、オーディオ システムでは一般に 30 ～ 55%、無線周波数システムでは 50 ～ 70% で、理論上の最大値は 78.5% です。

市販のクラス Dスイッチング アンプは、90% にも達する効率が報告されています。クラス CF のアンプは、通常、非常に効率の高いアンプとして知られています。RCA は、RF 効率が 90% 程度の単一のクラス C 低 mu 三極管を採用した AM 放送送信機を製造しました。

効率の高いアンプは低温で動作し、数キロワットの設計でも冷却ファンを必要としないことがよくあります。その理由は、効率の低下により、電力変換中に失われたエネルギーの副産物として熱が発生するためです。効率の高いアンプではエネルギーの損失が少なくなり、結果として熱も少なくなります。

携帯電話基地局や放送送信機などの RF リニア パワー アンプでは、特別な設計手法を使用して効率を向上させることができます。2 番目の出力ステージを「ピーク」アンプとして使用する Doherty 設計では、狭い帯域幅で効率を通常の 15% から 30 ～ 35% まで上げることができます。エンベロープ トラッキング設計では、信号のエンベロープに合わせてアンプへの供給電圧を変調することで、最大 60% の効率を達成できます。

理想的なアンプは完全に線形なデバイスですが、実際のアンプは限られた範囲内でのみ線形です。

アンプへの信号駆動が増加すると、アンプの一部が飽和し、それ以上出力を生成できなくなるまで出力も増加します。これをクリッピングと呼び、歪みが発生します。

ほとんどのアンプでは、ハード クリッピングが発生する前にゲインが低減されます。その結果、圧縮効果が生じ、(アンプがオーディオ アンプの場合) 耳に不快な音がはるかに少なくなります。これらのアンプでは、1 dB 圧縮ポイントは、ゲインが小信号ゲインより 1 dB 低い入力電力 (または出力電力) として定義されます。この非線形性は、過負荷時のハード クリッピングの不快な聴感を軽減するために意図的に設計されている場合があります。

非線形性の悪影響は負のフィードバックによって軽減できます。

線形化は新興分野であり、非線形性の望ましくない影響を回避するために、 フィードフォワード、プリディストーション、ポストディストーションなどの多くの技術があります。

これは、増幅プロセスでどの程度のノイズが発生するかを示す指標です。ノイズは、電子デバイスやコンポーネントから発生する望ましくないが避けられない産物です。また、多くのノイズは、製造や設計時間の節約を意図した結果生じます。回路のノイズ性能の指標は、ノイズ指数またはノイズ係数です。ノイズ指数は、出力信号対ノイズ比と入力信号の熱ノイズとの比較です。

出力ダイナミックレンジは、通常dBで表され、最小有効出力レベルと最大有効出力レベルの間の範囲です。最小有効レベルは出力ノイズによって制限され、最大有効レベルはほとんどの場合歪みによって制限されます。これら2つの比率がアンプのダイナミックレンジと呼ばれます。より正確には、S = 最大許容信号電力、N = ノイズ電力の場合、ダイナミックレンジDRはDR = (S + N ) /Nです。^[3]

多くのスイッチモードアンプでは、ダイナミック レンジは最小出力ステップ サイズによって制限されます。

スルー レートは出力の最大変化率で、通常はボルト/秒 (またはマイクロ秒) で表されます。多くのアンプは最終的にスルー レートによって制限されます (通常は、回路のある時点で容量効果を克服しなければならない駆動電流のインピーダンスによって制限されます)。これにより、フルパワー帯域幅がアンプの小信号周波数応答よりはるかに低い周波数に制限されることがあります。

アンプの立ち上がり時間t r_は、ステップ入力によって駆動されたときに出力が最終レベルの 10% から 90% に変化するのにかかる時間です。ガウス応答システム (または単純な RCロールオフ) の場合、立ち上がり時間は次のように近似されます。

t _r * BW = 0.35、ここでt _rは秒単位の立ち上がり時間、BWはHz単位の帯域幅です。

出力が最終値の特定のパーセンテージ（たとえば 0.1%）以内に安定するまでにかかる時間は、安定時間と呼ばれ、通常、オシロスコープの垂直増幅器および高精度測定システムに対して指定されます。リンギングとは、増幅器の最終値の上下に循環する出力変動を指し、安定した出力に到達するまでの遅延につながります。リンギングは、減衰不足の回路によって発生するオーバーシュートの結果です。

ステップ入力に対する応答として、オーバーシュートは出力が最終的な定常値を超える量です。

安定性は、フィードバックが意図的に追加されたか、意図せずに生じたかに関係なく、フィードバックのあるすべてのアンプで問題となります。特に、複数の増幅段に適用された場合は問題となります。

安定性は、 RFおよびマイクロ波増幅器にとって大きな懸念事項です。増幅器の安定性の程度は、いわゆる安定性係数によって定量化できます。Stern 安定性係数や Linvil 安定性係数など、いくつかの異なる安定性係数があり、これらは2 ポート パラメータの観点から増幅器の絶対的な安定性のために満たす必要のある条件を指定します。

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