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高効率ホーンドライバー用パワーアンプについて

パワーアンプとスピーカーとの関係

パワーアンプとスピーカーとの関係をシンボルに使って、【図1】に示します。パワーアンプは一般的な半導体パワーと仮定します。仮に、接続するスピーカーのインピーダンスを8Ω、効率90dBとします。効率90dBとは、スピーカーに1Wの入力(2.83V/8Ω)を加えたとき、1m離れた時点に発生する音の大きさを音の単位をデシベル(デシベルとは、電話発明のベルのあたまにデシ(1/10の意味))を付けて表します。

音の単位は、フォンということがかつて一般的でしたが、現在ではデシベルで表します。静かな部屋の暗騒音は30dBくらいなら、大変良好なリスニングコンディションと言えます。ちなみにスピーカーの特性を測定する無響室の暗騒音レベルは20dBがやっとです。(厳重な防音設備が施されます。)イシノラボのリスニングスペースの暗騒音レベルを測定してみました。48dBでした。一般的にエアコンをつけると暗騒音レベルは10dB以上、上昇します。夏のオーディオリスニングは不利な条件です。
ところで、90dBの音はかなりうるさい大きな音です。連続音ですと、5秒も続けば近所迷惑になります。
このとき、アンプに必要な入力電圧は、このパワーアンプの増幅率を10倍(20dB)とすると、2.83Vの1/10の0.283Vになります。プリアンプから、0.283Vをパワーアンプに加えればそうなります。
そこで、高効率ホーンドライバーをこのアンプに接続したら、どうなるでしょうか?ホーンドライバーは非常に高効率です。ここでは110dBとします。110dBの音はジェット機離陸を近距離で聴いたことに相当するくらいの大音量です。長時間聴くと、難聴になります。ちなみにオーケストラのFFFでも指揮者の位置で110dBを超えることはありません。例外として、グランカッサの一撃では110dBを超えることはあるでしょう。
“ちょっと待って!”という声がかかりました。“私は1mという近距離で聴くことはないです!”、“スピーカーから4mくらいの距離で聴きます。
110dBという音量は2mと倍の距離で聴くと、6dB下がり、104dBになります。4mとなると、さらに6dB下がって、音量は98dBになります。これくらいの大音量では、少なくとも、難聴になることはありません。それなら、ホーンドライバーから出る音量はもう少し大きくでるようなマージンがあっても良いとなると、1m距離で6dBアップさせると110dB+6dB=116dBの音量になります。ホーンドライバーに入る電圧は2倍になり、電力に換算すると4倍の4Wになります。ちなみにホーンドライバーの耐入力は4~5Wに作られています。パワーアンプの最大出力は4Wもあれば充分過ぎることになります。私は、ホーンドライバー用アンプの最大パワーは2W~3Wが最適と思っています。
ところが、オーディオアンプメーカーからは小出力のパワーは販売されていません。例えば100Wアンプで、ホーンドライバーを動作させることは、ホーンドライバーを破壊させるかも知れない恐ろしく乱暴なことだと思います。

パワーアンプのゲインと残留ノイズの関係

前述の事項をパワーアンプの性能面で記します。10倍(20dB)のゲインを持つアンプに110dBのホーンドライバーを接続すると、少しの入力で、大きな音が出てしまいます。プリアンプのボリウムを少し上げただけでそうなってしまう現象が発生します。それは我慢するとして、アンプのノイズ成分は90dBのスピーカーを接続したときより、10倍(20dB)も大きなノイズが再生されます。これでは、音楽成分にノイズ成分が相対的に大きく聴こえてしまいます。せっかくの高効率もノイズが大きく聴こえてしまっては困りものです。
その解決法は、パワーアンプの増幅度を上がった分だけ下げれば、ノイズ成分は下がってきます。簡単で多くの場合、なされる方法はNFB量を増やすことです。NFB量を増やせば、ゲインは下がります。けれども、パワーアンプのS/N比はノイズ成分が下がった分だけ増幅度が下がるので、S/N比(ノイズ/再生信号レベル)は変わりません。
NFB量を増やすことは、アンプ自体(オープンループと言う)の周波数レンジを広げないとアンプとしても発振安定度を悪化させます。具体的には電圧フィードバック方式のパワーアンプでは必要な再生帯域のゲインを維持して、超高域の周波数特性を落とす(位相補償)ことでかろうじて、実用化できています。真空管アンプではNFBループにコンデンサー時定数、出力トランスが入っているので、発振安定度は悪化し、位相補償することでそのアンプの音質が劣化してしまいます。故、上杉氏はNFB量14dBくらい限度という持論で、私も支持します。

半導体アンプは直結回路ですから、すぐ感知できる音質劣化はないものの、位相補償を施しても、どこか音質がイマイチということで、NFB量50~60dBくらいが限度と認識している設計者が多いようです。その面からも著しく増幅度の低いアンプは販売されていないことをみても分かります。市販アンプ自体の増幅度は20dBから30dB、大きくても38dB(65倍)くらいに収束します。

マスターズの考えるホーンドライバー用パワーアンプ

ちょうど、現在製作している上記使用目的のパワーアンプについて述べてみます。バランス増幅アンプで実現させると基本回路はZバランス回路を採用します。そして、このパワーアンプ部の増幅度を18dBとわずかに低くしました。NFB量を多量に増やして、増幅度を下げることはしていません。(この時のノイズレベルは80μV(LPF:80kHz)
そうして、トランス式パッシブプリアンプで高音質を得ているスーパーパーマロイコア採用のマッチングトランスを、パワーアンプとホーンドライバー間に設置することにしました。このマッチングトランスの巻線方法は1次/2次巻線を2本同時に巻くバイファイラー巻きを施して、かつ、巻線比は3:1としてあります。(【図4】参照)
ホーンに掛かる電圧は1/3に低下しますから、マッチングトランスによる増幅度の低下は9.5dBになり、このパワーアンプの仕上がり増幅度は18-9.5=8.5dB(2.68倍)となり、高効率ホーンドライバーを動作させるには具合の良い増幅度になります。ですから、プリアンプのボリウム位置は少し回して大音量になることなく使いやすくなります。(0.283÷2.68≒0.11V入力で、90dBの音が出てくる。)そして、ノイズレベルは80μ÷3≒26μV(LPF:80kHz)と超低ノイズのパワーアンプができます。(【図5】参照)
さらに良いことに、ホーンドライバーのインピ―ダンスは8Ωですから、パワーアンプの負荷インピーダンスは8×3×3=72Ωなります。このパワーアンプは負荷抵抗72Ωなりますから、パワーデバイスに流れる電流が同じ分だけ減少し、MOSFETのリニアリティ(ひずみ)がアイドリング電流を増やすことなく改善されるAクラス動作になっています。
最大パワー電圧はトランスなしの直結条件では8Ω/14V出ますから、計算上14V÷3≒4.67Vになりますが、負荷抵抗が大きくなる分、アンプ電源供給電圧の低下が少なくなるので、実際は5V以上(3.12W)出ます。
パワーが下がった分、ホーンドライバーにとって安全になり、さらにマッチングトランスによりDC成分はホーンドライバーには加わりませんのでさらに安全になります。
もちろん、そのサウンドはTANNOYアーデン(93dB効率)で聴いてみました。混濁感は全くなく、澄み切ったサウンドが出てきました。
まだ、実験していませんが、電源をバッテリーにすればさらに素晴らしいサウンドのアンプになるでしょう。
最後に、アンバランス増幅で制作するときは、Xカレントアンプを採用すれば、同等の優れたアンプができると思います。その費用はバランス増幅アンプに比べてお安くなります。
ニア・フィールドで聴きたい方にもお勧めです。(【図6】参照)

【図1】パワーアンプとSPの接続

【図1】パワーアンプとSPの接続

【図2】パワーアンプ、ホーンドライバ、リスナーとの関係

【図2】パワーアンプ、ホーンドライバ、リスナーとの関係

【図3】Zバランス増幅アンプとスピーカの関係

【図3】Zバランス増幅アンプとスピーカの関係

【図4】Zバランス増幅アンプとホーンドライバとの間に挿入されるマッチングトランス

【図4】Zバランス増幅アンプとホーンドライバとの間に挿入されるマッチングトランス

【図5】ホーン、ドライバとリスナー位置による音圧との関連

【図5】ホーン、ドライバとリスナー位置による音圧との関連

【図6】Xカレントアンプによるホーンドライバを構成する方式

【図6】Xカレントアンプによるホーンドライバを構成する方式


フルバランス増幅ステレオプリメインアンプ“MASTERS AU-999ZB/AC”の電気的性能とパフォーマンス

経緯と概要

これまで、アドバンストZバランス回路搭載アンプは、フルバランス増幅ステレオパワーアンプ“MASTERS BA-999ZB/A”,フルバランス増幅モノラルパワーアンプ“MASTERS BA-999ZB/MA”で好評をいただいております。
新製品として、この回路を搭載したプリメインアンプを発売致しました。
ご承知のようにフルバランス増幅ステレオプリメインアンプ“MASTERS AU-999ZB/AC”は完全バランス増幅アンプ、パワーも30WとMASTERSアンプとして、それなりにハイパワーです。
電源部はメイン電源がL/R、2トランスによるバランス電源となって、パワーステージに電力を供給しています。プリドライブ(電圧増幅)段は専用の別電源、トータル3電源トランス方式となっています。
内部は大型ヒートシンク2個、3トランス、ケミコン、ダイオード、4連ボリウム等でぎっしり詰まった充実の内容です。
また、形状はセットしやすいように幅の狭いスリムタイプ形状のスタイルになっています。

電気的性能

周波数特性、ひずみ特性、共に素晴らしく、ワイドレンジ、低ひずみとなっております。また、残留ノイズは増幅率が23dBあるにもかかわらず、120μV(LPF:80kHzフィルターのみで測定)と低く、さらに、DC安定度は抜群で変動しません。(サンスイXバランスでは、3段増幅回路であるので、どうしても、3段目のDC変動は少しあります。)
スルーレートとは高域周波数において、どこまで再生できるか、高域パワーバンドを示すもので、むやみに高くする必要はありません。但し、スルーレートがものすごく高くても安定にNFBが掛かるというのは優れたアンプ回路ということができます。電気回路ではNFBを深くするとスルーレートを高くすると発振安定度が低下します。
AU-999ZB/ACは、半導体アンプとしては少量NFB(30dB程度:通常の半導体アンプでは50-60dBもかける)、比較的高いスルーレートを得ることができています。
結果的にモノラルアンプのBA-999ZB/MAと同等な性能を得ています。

そのパフォーマンス

最近、出来上がったAU-999ZB/ACを、エージング兼ねて聴き始めました。まず、気が付くのがサウンドの分解能の高さです。オーディオ/音楽信号が多量にインプットされても、まったく混濁せず、それぞれの音楽情報が聴き分けられます。また、改めて、音楽情報が持つパワフルさを感じ取ることができます。また、少しだけ寒色系と感じられるのは、MOSFETがこれまで採用していた東芝2SK5405/J115からルネサス(旧日立)2SK1059/J160になったこともあるのでしょう。
東芝、ルネサスのMOSFETは電気的性能にはほとんど同様ですが、製法、ペレット構造が異なるので、微妙にサウンドは頃なるようです。ちなみに、私の感じ方では、東芝は華やかなサウンドに聴こえます。

AU-999ZB/ACはジャス、ロック系音楽ではパワフルに、クラシックでは細部の音を聴きとりながら、パワフルに聴けます。バロック、ギター等に歯切れと清澄感が重要な小編成音楽も充分すぎるほど楽しめます。

BA-225MOSy等のバランス増幅アンプのアップグレード

アドバンストZバランス増幅回路へのアップグレードも受け付けております。
是非お試しください。さらにフレッシュサウンドが楽しめます。


アドバンストZバランス回路アップグレードユーザー様のご感想

フルバランス増幅モノラルパワーアンプ“MASTERS BA-999ZB/M”から、アドバンストZバランス回路へアップグレードされたユーザー様のKさんから感想をいただきました。

匿名での掲載許可をいただきましたのでご紹介いたします。

アドバンスト型に改良して頂いたBA-999ZB/Mですが、目を見張るほどの絶好調となりました。
低音から高音まで緻密でスムーズ、高解像度ですが変な強調感はありません。もともと弦楽器は苦手と思っていたスピーカですが、弦楽四重奏が普通に落ち着いて聞けます。20年弱使ってますが、初めての感じです。歌もしっとりと良い感じです。でもやっぱりジャズ系の音楽がぴったりです。
使うこつとしては、変に凝った装置と組み合わせない方が良いと思いました。他の装置の癖をあからさまに出すような気がします。

Kさん!ユーザーレポートをいただき、ありがとうございます。
開発者たる私からのコメントは、自己陶酔的にならないように規律を持って記述しておりますが、ユーザー様から、率直な感想を頂き自分では気がつかなかったサウンド要素を発見した感じがあります。

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