プッシュプル出力

プッシュプルアンプは、接続された負荷に交互に電流を供給したり、接続された負荷から電流を吸収したりする 1 組のアクティブ デバイスを使用する電子回路の一種です。この種類のアンプは、負荷容量とスイッチング速度の両方を向上させることができます。

プッシュプル出力は、TTLおよびCMOSデジタルロジック回路や一部のタイプのアンプに存在し、通常はトランジスタの相補ペアによって実現されます。一方のトランジスタは負荷からグランドまたは負の電源に電流を消費またはシンクし、もう一方のトランジスタは正の電源から負荷に電流を 供給またはソースします。

プッシュプル アンプは、シングルエンドの「クラス A」アンプよりも効率的です。達成可能な出力電力は、単独で使用されるトランジスタまたは真空管の連続消費電力定格よりも高く、特定の電源電圧で使用可能な電力が増加します。アンプの両側が対称構造になっているため、偶数次の高調波がキャンセルされ、歪みが低減されます。^[1]出力で DC 電流がキャンセルされるため、シングルエンド アンプよりも小型の出力トランスを使用することができます。ただし、プッシュプル アンプには位相分割コンポーネントが必要であり、システムの複雑さとコストが増加します。入力と出力にセンタータップトランスを使用するのは一般的な手法ですが、重量が増加し、パフォーマンスが制限されます。アンプの 2 つの部分の特性が同一でない場合、入力波形の 2 つの半分が不均等に増幅されるため、歪みが発生する可能性があります。1 つのデバイスがカットオフされ、もう 1 つのデバイスがアクティブ領域に入ると、各サイクルのゼロ ポイント付近でクロスオーバー歪みが発生する可能性があります。

プッシュプル回路は、多くのアンプの出力段で広く使用されています。プッシュプル接続された一対のオーディオン管は、1915年に付与されたエドウィン H. コルピッツの米国特許 1137384 に記載されていますが、この特許ではプッシュプル接続について具体的には主張されていません。^[2]この技術は当時よく知られており^[3]、その原理は電子アンプより前の 1895 年の特許で主張されていました。^[4]プッシュプルアンプを使用した最初の商用製品は、おそらく1924 年にリリースされたRCA バランスアンプで、Radiola III 再生放送受信機で使用されました。^[5] プッシュプル構成の低電力真空管のペアを使用することで、このアンプではヘッドフォンの代わりにスピーカーを使用でき、スタンバイ時の消費電力を抑えて許容できるバッテリー寿命を実現しました。^[6]この技術は、今日でもオーディオ、無線周波数、デジタル、パワーエレクトロニクスのシステムで使用されています。

プッシュプル構成のデジタル用途は、TTL および関連ファミリの出力です。上側のトランジスタはアクティブ プルアップとして線形モードで機能し、下側のトランジスタはデジタルで動作します。このため、シンクできる電流と同じ量の電流をソースすることはできません(通常は 20 分の 1 未満)。これらの回路は、通常レベル シフト ダイオードを間に挟んで 2 つのトランジスタが垂直に積み重ねられた図式で描かれているため、「トーテム ポール」出力と呼ばれます。

単純なプッシュプル出力の欠点は、2 つ以上の出力を一緒に接続できないことです。1 つの出力がプルを試みているときに別の出力がプッシュを試みた場合、トランジスタが損傷する可能性があります。この制限を回避するために、一部のプッシュプル出力には、両方のトランジスタがオフになる 3 番目の状態があります。この状態では、出力はフローティング状態(または、独自の用語でトライステート状態) と呼ばれます。

プッシュプル出力の代替として、負荷を接地に接続または切断する単一のスイッチ(オープン コレクタまたはオープン ドレイン出力と呼ばれる)、または負荷を電源に接続または切断する単一のスイッチ (オープン エミッタまたはオープン ソース出力と呼ばれる) があります。

プッシュプルではない従来の増幅段は、プッシュプル回路と区別するために シングルエンドと呼ばれることがあります。

アナログ プッシュプル パワー アンプでは、2 つの出力デバイスが逆位相(つまり 180° 離れている) で動作します。2 つの逆位相出力は、信号出力が加算され、出力デバイスの非線形性による歪み成分が互いに減算されるように負荷に接続されます。両方の出力デバイスの非線形性が同等であれば、歪みは大幅に低減されます。対称プッシュプル回路は、非線形範囲に駆動されると、2f、4f、6f などの偶数次高調波をキャンセルし、したがって f、3f、5f などの奇数次高調波を増幅する必要があります。

プッシュプル アンプは、シングルエンド アンプよりも歪みが少なくなります。これにより、クラス AまたはABプッシュプル アンプは、シングルエンド構成で使用される同じデバイスと同じ電力で歪みが少なくなります。出力が切り替わる瞬間に歪みが発生する場合があります。つまり、「ハンドオフ」が完全ではないのです。これをクロスオーバー歪みと呼びます。クラス ABおよびクラス B は、同じ出力でクラス A よりも電力を消費しません。一般的な歪みは負帰還によって低く抑えられ、クロスオーバー歪みは「バイアス電流」を追加してハンドオフをスムーズにすることで軽減できます。

クラス B プッシュプル アンプは、各出力デバイスが出力波形の半分だけを増幅し、残りの半分ではカットオフされるため、クラス A パワー アンプよりも効率的です。プッシュプル ステージの理論的な全電力効率 (負荷の AC 電力と消費される DC 電力の比較) は約 78.5% であることが示されています。これに対して、クラス A アンプの効率は、負荷を直接駆動する場合は 25%、トランス結合出力の場合は 50% 以下です。^[7]プッシュプル アンプは、一定電力を消費するクラス A アンプと比較して、信号がゼロの場合にはほとんど電力を消費しません。出力デバイスでの電力消費は、アンプの出力電力定格の約 5 分の 1 です。^[7]対照的に、クラス A アンプでは、出力電力の数倍を消費できるデバイスを使用する必要があります。

アンプの出力は、負荷に直接接続することも、トランスを介して接続することも、DCブロッキングコンデンサを介して接続することもできます。正負両方の電源を使用する場合、負荷を電源の中間点（グランド）に戻すことができます。トランスを使用すると、単極性電源を使用できますが、アンプの低周波応答が制限されます。同様に、単電源の場合、コンデンサを使用してアンプの出力のDCレベルをブロックできます。^[8]

バイポーラ接合トランジスタを使用する場合、バイアス ネットワークはトランジスタのベースからエミッタまでの電圧の負の温度係数を補償する必要があります。これは、エミッタと出力の間に小さな値の抵抗を含めることで実現できます。また、駆動回路には、補償を提供するために出力トランジスタと熱的に接触するシリコン ダイオードを取り付けることもできます。

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現在では、トランジスタ アンプで出力トランスを使用することは非常に稀ですが、このようなアンプは出力デバイスをマッチングさせるのに最適な機会を提供します (PNP デバイスのみ、または NPN デバイスのみが必要)。

同じ極性の 2 つのマッチングしたトランジスタを配置して、出力トランスを使用せずに各サイクルの反対半分を供給することができますが、その場合、ドライバ回路は非対称になることが多く、1 つのトランジスタは共通エミッタ構成で使用され、もう 1 つはエミッタ フォロワとして使用されます。この配置は、1970 年代に比べて今日ではあまり使用されていません。少数のトランジスタで実装できますが (今日ではそれほど重要ではありません)、バランスをとって歪みを低く保つのは比較的困難です。

出力ペアの各半分は、一方の半分の NPN (または N チャネルFET ) デバイスがもう一方の半分の PNP (または P チャネルFET )と一致するという点で、もう一方の半分を「ミラーリング」します。このタイプの配置では、対称性が高くなると偶数倍音もより効果的にキャンセルされるため、準対称ステージよりも歪みが少なくなる傾向があります。

過去には、高出力 NPN シリコン トランジスタ用の良質の PNP 補完が限られていたため、回避策として、同一の NPN 出力デバイスを使用し、その組み合わせがほぼ対称になるように補完的な PNP および NPN ドライバ回路から電力を供給するという方法がありました (ただし、全体にわたって対称になるほど優れているわけではありません)。サイクルの各半分のゲインの不一致による歪みは、重大な問題になる可能性があります。

ドライバ回路全体にいくらかの重複を取り入れて対称的な駆動回路を可能にすると、マッチングをさらに改善できますが、ドライバの非対称性は歪み生成プロセスのごく一部にすぎません。ブリッジ接続負荷配置を使用すると、正負の半分の間のマッチングが大幅に向上し、NPN デバイスと PNP デバイス間の避けられない小さな違いを補正できます。

出力デバイス（通常はMOSFETまたは真空管）は、その二乗則伝達特性（シングルエンド回路で使用すると2次高調波歪みを生成）が歪みを大幅に打ち消すように構成されている。つまり、1つのトランジスタのゲート-ソース電圧が増加すると、他のデバイスへの駆動が同じ量だけ減少し、2番目のデバイスのドレイン（またはプレート）電流の変化が最初のデバイスの非線形性の増加をほぼ補正する。^[9]

真空管は相補型では利用できない (PNP/NPN トランジスタのように) ため、真空管プッシュプル アンプには、制御グリッドが逆位相で駆動される 1 組の同一の出力管または管のグループがあります。これらの管は、センタータップ出力トランスの 1 次巻線の 2 つの半分に電流を流します。信号電流が加算され、管の非線形特性曲線による歪み信号が減算されます。これらのアンプは、ソリッド ステート電子デバイスが開発されるずっと前に最初に設計されましたが、音質が良いと考える オーディオ愛好家やミュージシャンによって今でも使用されています。

真空管プッシュプルアンプは通常出力トランスを使用しますが、出力トランスレス (OTL)真空管ステージも存在します (下記の SEPP/SRPP や White Cathode Follower など)。^[要出典]位相スプリッターステージは通常別の真空管ですが、一部の設計ではセンタータップ付き二次巻線を備えたトランスが使用されることがありました。これらは基本的に二乗則デバイスであるため、上記の歪みキャンセルに関するコメントは、クラス Aで動作する場合(つまり、どちらのデバイスも非伝導状態に駆動されない場合)、ほとんどのプッシュプル真空管設計に当てはまります。

シングルエンドプッシュプル（SEPP、SRPP、またはμフォロワー^[10]）出力段は、もともとシリーズバランスアンプ（米国特許2,310,342、1943年2月）と呼ばれていました。これは、2つのデバイスが電源レールの間に直列に接続されている点でトランジスタのトーテムポール配置に似ていますが、入力駆動はデバイスのうちの1つ、ペアの下側だけに送られます。そのため、（一見矛盾しているように見えますが）シングルエンドという説明になっています。出力は上側の（直接駆動されていない）デバイスのカソードから取得され、定電流源とカソードフォロワーの中間として機能しますが、下側のデバイスのプレート（アノード）回路からいくらかの駆動を受け取ります。したがって、各真空管への駆動は均等ではない可能性がありますが、回路は信号全体にわたって下側のデバイスを流れる電流をある程度一定に保つ傾向があり、真のシングル真空管シングルエンド出力段と比較して、電力ゲインが増加し、歪みが減少します。

2 本の四極管を使用したトランスレス回路は 1933 年に遡ります。「真空管をプレート フィード インピーダンスとして使用する」JWHorton 著、フランクリン研究所ジャーナル 1933 年第 216 巻第 6 号

ホワイトカソード フォロワー(特許 2,358,428、1944 年 9 月、ELC ホワイト) は、上記の SEPP 設計に似ていますが、信号入力は上部のチューブに行われ、カソード フォロワーとして機能しますが、下部のチューブ (共通カソード構成) には上部デバイスのプレート (アノード) の電流が (通常は昇圧トランスを介して) 供給されます。これは基本的に、SEPP の 2 つのデバイスの役割を逆にします。下部のチューブは、定電流シンクとプッシュプル ワークロードの同等のパートナーの中間の役割を果たします。この場合も、各チューブへの駆動は等しくない可能性があります。

SEPP とホワイトフォロワーのトランジスタバージョンは存在しますが、まれです。

いわゆる超線形プッシュプル アンプは、出力トランスの一次電圧の一定割合からスクリーン グリッドに電力が供給される五極管または四極管を使用します。これにより、三極管 (または三極管ストラップ) パワー アンプ回路と、スクリーンに比較的一定の電圧源から電力が供給される従来の五極管または四極管出力回路との間の、適切な妥協点である効率と歪みが得られます。

• シングルエンド三極管
• 実装の詳細についてはプッシュプルコンバータを参照してください
• オープンコレクタ