オーディオパワーアンプ

オーディオパワー アンプ(またはパワー アンプ)は、ラジオ受信機やエレキ ギターのピックアップからの信号などの低出力の電子オーディオ信号を、スピーカーやヘッドフォンを駆動するのに十分なレベルまで増幅します。オーディオ パワー アンプは、音響強化、拡声、ホームオーディオシステム、ギター アンプなどの楽器用アンプなど、あらゆる種類のサウンド システムに使用されています。これは、信号がスピーカーに送信される前の、 一般的なオーディオ再生チェーンの最終電子ステージです。

このようなチェーンの前段は、信号のプリアンプ、イコライゼーション、さまざまな入力信号のミキシングなどのタスクを実行する低電力オーディオアンプです。入力には、レコードプレーヤー、CDプレーヤー、デジタルオーディオプレーヤー、カセットプレーヤーなど、任意の数のオーディオソースを使用することもできます。ほとんどのオーディオパワーアンプには、ラインレベルのこれらの低レベル入力が必要です。

オーディオパワーアンプへの入力信号（エレキギターからの信号など）は数百マイクロワット程度ですが、その出力はクロックラジオなどの小型の民生用電子機器では数ワット、家庭用ステレオシステムでは数十から数百ワット、ナイトクラブのサウンドシステムでは数千ワット、大規模なロックコンサートの音響強化システムでは数万ワットにもなります。パワーアンプはスタンドアロンユニットで販売されており、通常はオーディオ愛好家や音響強化システムの専門家のHi-Fiオーディオマニア市場（ニッチ市場）を対象としていますが、統合アンプ、レシーバー、クロックラジオ、ラジカセ、テレビなどの多くの民生用電子機器オーディオ製品には、プリアンプとパワーアンプの両方が1つのシャーシに収められています。

オーディオアンプは、1912年頃にリー・ド・フォレストによって発明されました。これは、1907年に彼が最初の実用的な増幅電気部品である三極 真空管（イギリス英語では「バルブ」）を発明したことによって可能になりました。三極管は、フィラメントからプレートへの電子の流れを調整できる制御グリッドを備えた3端子デバイスでした。三極真空管アンプは、最初のAMラジオを作るために使用されました。^[2]初期のオーディオパワーアンプは真空管に基づいており、これらのいくつかは特に高いオーディオ品質を実現しました（例： 1947年から1949年のウィリアムソンアンプ）。

トランジスタをベースにしたオーディオパワーアンプは、1960年代後半に安価なトランジスタが広く入手できるようになり、実用的になりました。1970年代以降、現代のオーディオアンプのほとんどは、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）と金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）などのソリッドステートトランジスタをベースにしています。トランジスタベースのアンプは、真空管アンプよりも軽量で信頼性が高く、メンテナンスの必要性も少なくなります。

MOSFETは1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。 ^{[3] [4] [5] [6] [7] [8]}は1974年に東北大学の西澤潤一によってオーディオ用のパワーMOSFETに採用されました。 ^[9]パワーMOSFETはすぐにヤマハによってHi-Fiオーディオアンプ用に製造されました。日本ビクター、パイオニア株式会社、ソニー、東芝も1974年にパワーMOSFETを使用したアンプの製造を開始しました。 ^[9] 1977年に日立はパワーMOSFETの一種であるLDMOS （横方向拡散MOS）を発表しました。日立は1977年から1983年の間唯一のLDMOS製造業者であり、この間LDMOSはHHエレクトロニクス（Vシリーズ）やアシュリーオーディオなどのメーカーのオーディオパワーアンプに使用され、音楽や拡声システムに使用されました。^[9]クラスDアンプは、低コストで高速スイッチングのMOSFETが利用可能になった1980年代半ばに成功しました。^{[10]多くのトランジスタアンプは、}歪み曲線がより真空管に似ているため、電源部にMOSFETデバイスを使用しています。^[11]

2010 年代になっても、真空管アンプや、いわゆる「温かみのある」真空管サウンドを好むオーディオ愛好家、ミュージシャン (特にエレキギタリスト、エレキベーシスト、ハモンドオルガン奏者、フェンダーローズ・ エレクトリックピアノ奏者など)、オーディオエンジニア、音楽プロデューサーはいまだに存在します。

オーディオ パワー アンプの主な設計パラメータは、周波数応答、ゲイン、ノイズ、歪みです。これらは相互に依存しており、ゲインが増加すると、多くの場合、ノイズと歪みが望ましくないほど増加します。負帰還は実際にはゲインを低下させますが、歪みも低下させます。ほとんどのオーディオ アンプは、クラス ABで動作するリニア アンプです。

1970 年代まで、ほとんどのアンプは真空管を使用していました。1970 年代には、真空管アンプは、より軽量で信頼性が高く、メンテナンスの手間が少ないトランジスタベースのアンプにますます置き換えられました。それでも、真空管プリアンプは、ホームハイファイ愛好家、オーディオ エンジニア、音楽プロデューサー(スタジオ録音でマイクの信号を「温める」ために真空管プリアンプを使用する)、エレキ ギタリスト、エレキ ベーシスト、ハモンド オルガン奏者などのニッチな市場で今でも販売されており、これらの少数派は真空管プリアンプ、真空管パワー アンプ、真空管エフェクト ユニットを使い続けています。ライブ サウンドやスタジオでのトラックのモニタリングを行うハイファイ愛好家やオーディオ エンジニアは、通常、歪みが最も少ないアンプを探しますが、ブルース、ロック ミュージック、ヘビーメタル ミュージックなどのジャンルの電気楽器奏者は、真空管アンプを強く押し込んだときに発生する自然なオーバードライブを好むため、真空管アンプを使用します。

クラスD アンプはクラス AB アンプよりもはるかに効率が高く、重量がはるかに軽く、発熱もはるかに少ないため、現在では民生用電子機器のオーディオ製品、ベースアンプ、音響強化システム機器に広く使用されています。

CD プレーヤーや DVD プレーヤー、ラジオ受信機、テープ デッキなどの最新のデジタル デバイスは、すでにライン レベルで「フラット」な信号を提供しているため、ボリューム コントロールとソース セレクター以外の用途ではプリアンプは必要ありません。独立したプリアンプの代わりに、パッシブ ボリューム コントロールとスイッチング コントロールを使用する方法があります。これらのコントロールは、パワー アンプに統合されて統合アンプを形成することもあります。

プリアンプに続く増幅の最終段階は出力段であり、ここではトランジスタや真空管に最も高い要求が課せられます。このため、出力デバイス (シングルエンド出力段、たとえばシングルエンドトライオード アンプ) またはデバイス (プッシュプル出力段) に関する設計上の選択 (出力デバイスの動作クラスなど) は、多くの場合、パワー アンプ全体の説明として扱われます。たとえば、クラス B アンプでは、高出力デバイスのみが各サイクルの半分で動作が遮断され、その他のデバイス (差動アンプ、電圧アンプ、場合によってはドライバ トランジスタなど) はクラス A で動作します。トランスレス出力段では、デバイスは基本的に、おそらく大容量コンデンサや小さな抵抗を介して、電源および出力負荷(スピーカーなど) と直列になります。

ソリッドステートアンプの導入後数年間、その音は最高の真空管アンプ（真空管オーディオアンプを参照）ほど優れた音質ではなかった。このため、オーディオ愛好家は「真空管サウンド」または真空管サウンドは真空管技術自体による固有の品質を持っていると信じるようになった。1970年、マッティ・オタラは、それまで観測されていなかった歪みの形態である過渡相互変調歪み（TIM）^[12]の起源に関する論文を発表した。[13] これは後に、他の人によってスルー誘導歪み（SID）とも呼ばれるようになった。^{[14 ]} TIM歪みは、アンプの出力電圧が非常に急速に上昇したときに発生することが判明した。

TIMは定常正弦波測定では現れなかったため、1970年以前は設計技術者の目から隠すことができました。TIM歪みの問題は、ソリッドステートアンプの開ループ周波数応答の低下に起因します。オタラと他の著者らのさらなる研究により、スルーレートの増加、プリアンプ周波数帯域幅の減少、アンプの入力段への遅延補償回路の挿入など、TIM歪みの解決策が見つかりました。^{[15] [16] [17]}高品質の最新のアンプでは、開ループ応答は少なくとも20kHzであり、TIM歪みをキャンセルします。

高度な設計の次のステップは、イギリスのピーター・バクサンドールが考案したバクサンドール定理でした。^[18]この定理は、アンプの入力歪みと出力歪みの比率を比較するという概念を導入しました。この新しいアイデアは、オーディオ設計エンジニアがアンプ内の歪みプロセスをより適切に評価するのに役立ちました。

重要な用途としては、拡声システム、劇場やコンサートの音響強化システム、ステレオやホームシアターシステムなどの家庭用システムなどがあります。ギターアンプや電子キーボードアンプなどの楽器アンプでも、オーディオパワーアンプが使用されています。楽器アンプのパワーアンプは、プリアンプ、トーンコントロール、電子効果を備えた単一のアンプ「ヘッド」に統合されている場合もあります。これらのコンポーネントを木製のスピーカーキャビネットに取り付けて、「コンボアンプ」を作成することもできます。独自のパフォーマンスニーズや非常に強力な増幅を必要とするミュージシャンは、個別のラックマウントプリアンプ、イコライザー、および19インチのロードケースに取り付けられたパワーアンプを使用してカスタムセットアップを作成することもできます。

パワーアンプはスタンドアロンユニットで提供されており、ハイファイオーディオ愛好家や拡声システム(PA システム) および音響強化システムの設計者によって使用されています。ハイファイのパワーアンプのユーザーは、左右のスピーカーを駆動するステレオパワーアンプと、サブウーファーを駆動するシングルチャンネル (モノラル) パワーアンプを持っている場合があります。音響強化設定で使用されるパワーアンプの数は、会場の規模によって異なります。小さなコーヒーハウスでは、2 つの PA スピーカーを駆動する 1 つのパワーアンプがある場合があります。ナイトクラブでは、メインスピーカー用に複数のパワーアンプ、モニタースピーカー(バンドに向けられている)用に 1 台以上のパワーアンプ、サブウーファー用の追加パワーアンプがある場合があります。スタジアムコンサートでは、ラックに多数のパワーアンプが取り付けられている場合があります。テレビ、ラジカセ、ホームシネマサウンドシステム、カシオやヤマハの電子キーボード、「コンボ」ギターアンプ、カーステレオなど、ほとんどの民生用電子機器のサウンド製品には、メイン製品のシャーシ内にパワーアンプが組み込まれています。

• FETアンプ
• 楽器用アンプ – 楽器に使用するスピーカー付きアンプ
• OCLアンプ
• プッシュプル出力
• シングルエンド三極管
• トーンコントロール回路

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