JP2009194872A - 同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】解決しようとする課題は、静電誘導トランジスタを最終段に用いたオーディオ用パワーアンプにおいて、スピーカをドライブするチョークコイルを不要とし、且つ、出力用静電誘導トランジスタの特性選別も容易になり、正負のバランスのよいアンプを提供することである。
【解決手段】本発明では、同一導電型、特に特性の揃ったＮチャネル静電誘導トランジスタ２つを出力段としてシリーズに重ねて、両者をシリーズ接続した電圧の同じ電源で各々バイアスし、両Ｎチャネル静電誘導トランジスタの中間端子と電源の中間端子からスピーカを駆動するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一導電型で特性のそろった静電誘導トランジスタ（ＳＩＴと略称）を出力段に用いたオーディオ用パワーアンプ回路に関するものである。

従来、スピーカを代表する低インピーダンス負荷を駆動するオーディオ用パワーアンプの出力段は、二つのトランジスタの直列接続で構成されていて、オーディオ信号の正の部分と負の部分を各々受け持っようになっている。

図２は、出力段にＰチャネル静電誘導トランジスタとＮチャネル静電誘導トランジスタを用いた従来のオーディオ用パワーアンプ回路の例を示す図である。先ず、これを説明し、不都合点を述べる。パワーアンプの入力段（初段）２０００は、二つのＰＮＰトランジスタ２００１、２００２のエミッタを結合した差動増幅器構成になっていて、エミッタには定電流源２００３により２Ｉの電流が流れている。各々のトランジスタのコレクタ側には定電流源２００４、２００５が低電位電源ライン２００６との間で接続されている。ＰＮＰトランジスタ２００１、２００２のベースには、正転オーディオ信号２００７と反転オーディオ信号２００８が入力している。ＰＮＰトランジスタ２００１、２００２の各コレクタからは初段出力ライン２００９、２０１０が出ていて、Ｐチャネル静電誘導トランジスタ，２０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタ２０１２のゲートに接続されている。Ｐチャネル静電誘導トランジスタ２０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタ２０１２はシリーズに接続され、これに二つの電源Ｅ１、２０１３、電源Ｅ２、２０１４が図のように接続されている。Ｐチャネル静電誘導トランジスタ２０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタ２０１２のゲート・ソースの間にはバイアス抵抗Ｒ４ｐ，２０１５、Ｒ４ｎ，２０１６があって、この抵抗に流れる電流によってゲート・ソース間電圧が設定され、ドレイン・ソース間電流が決定される。Ｐチャネル静電誘導トランジスタ２０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタ２０１２の間の出力端子２０１８と電源中間端子２０１９は、スピーカを接続する端子となっている。以上がパワーアンプ部の主要構成である。尚、通常は、電源Ｅ１、２０１３、電源Ｅ２、２０１４は、同一電圧で用いられる。

次にバイアス抵抗Ｒ４ｐ，２０１５、Ｒ４ｎ，２０１６にバイアス電流を安定に供給する回路、動作が同じなので、特に、Ｒ４ｎ，２０１６へのバイアス電流供給回路について述べる。抵抗Ｒ１ｎ、２０２０とＰＮＰトランジスタ２０２１が直列に接続され、抵抗Ｒ１ｎ、２０２０の他端は電源端子Ａ、２０２２に、ＰＮＰトランジスタ２０２１のベースが電源端子Ｂ、２０２３に接続されている。尚、電源端子Ａ、２０２２と電源端子Ｂ、２０２３は、各々電源Ｅ１、２０１３と電源Ｅ２、２０１４に図示のように繋がっている。従って、抵抗Ｒ１ｎ、２０２０、従って、ＰＮＰトランジスタ２０２１のエミッタを流れる電流は、抵抗Ｒ２ｎ、２０２４を流れて、電圧降下を生じ、ＮＰＮトランジスタ２０２５のベースをバイアスして、抵抗Ｒ３ｎ，２０２６により決まった電流が、ＮＰＮトランジスタ２０２５のコレクタ２０２７からバイアス抵抗Ｒ４ｎ，２０１６に流れることで電圧降下が起こり、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＢ，２０１２のゲート・ソース間電圧を決める。従って、この電圧に依存して、ドレイン・ソース間電流が決まりバイアス電流を与える。

図3は、図２のオーディオ用パワーアンプの出力段のＰチャネル静電誘導トランジスタとＮチャネル静電誘導トランジスタの静特性を示す図である。静特性とは、横軸にドレイン・ソース電圧、縦軸にドレイン・ソース電流を、ゲート・ソース電圧をパラメータに描いたものである。出来るだけＰチャネル静電誘導トランジスタ２０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタ２０１２の特性は揃ったものを使用する。信号の正の波形は、Ｐチャネル静電誘導トランジスタ２０１１で、信号の負の波形は、Ｎチャネル静電誘導トランジスタ２０１２で処理するため同じ特性でないと、正負の信号に値のズレが生じ、信号歪を生ずる事になる。特性は揃ったものを使用するといったが、導電型が違うトランジスタの特性をあわせることが非常に難しいだけでなく、特性は揃ったものを選別することは、特性は揃わないものは使えないので不良品となるなど、大変非効率である。このようなことから、同一の導電型の静電誘導トランジスタを使ったオーディオ増幅器の例が、文献１に示されている。
特開２００７−２０８４２８

図４は、従来の同一の導電型の静電誘導トランジスタを使ったオーディオ増幅器の例を示す図であり、文献１に示されるものである。以下、これを説明する。
Ｎチャネル静電誘導トランジスタ４００１、４００２がソース接地のプッシュプル増幅回路を形成している。各々のソースにはソース抵抗Ｒｓ１，４００３、Ｒｓ２，４００４とソース直列抵抗Ｒｓ０，４０００が図のように接続している。Ｎチャネル静電誘導トランジスタ４００１、４００２の各々のドレインは、同一コアに巻回されて中間タップを有するチョークコイル４００５の両端に接続されている。この両端にスピーカのボイスコイル４００６が接続される。チョークコイル４００５の中間タップから電源Ｅ４１，４００７の正側電極に接続されている。その他、電源Ｅ４０、Ｅ４２、Ｅ４３が図のように接続されている。
Ｎチャネル静電誘導トランジスタ４００１、４００２の各々のゲート・ソースの間には、ゲートバイアス抵抗Ｒ４ａ，４００８、Ｒ４ｂ，４００９が接続され、この抵抗に電流を流す電流バイアス部がある。電流バイアス部は以下のようになっている。抵抗４０１０とＰＮＰトランジスタ４０１１、４０１２、ＮＰＮトランジスタ４０１３、４０１４、４０１５、抵抗Ｒ４２，４０１６、Ｒ４３，４０１７が図のように接続されているので、電源Ｅ４１，４００７からベース・エミッタの順方向電圧（約０．６Ｖ）の２個分を差し引いた電圧を抵抗４０１０で割った値の電流が、ＰＮＰトランジスタ４０１１、ＮＰＮトランジスタ４０１３に流れ、その結果、ＮＰＮトランジスタ４０１４、４０１５を通じて、ゲートバイアス抵抗Ｒ４ａ，４００８、Ｒ４ｂ，４００９にバイアス電流が流れる。

この回路は、出力トランジスタが二つともＮチャネル静電誘導トランジスタになったので、図２のものよりトランジスタの特性による選別が容易になっている。ボイスコイル４００６をドライブするチョークコイル４００５が必要になっている。

上記のような事情から、解決しようとする課題は、静電誘導トランジスタを最終段に用いたオーディオ用パワーアンプにおいて、スピーカをドライブするチョークコイルを不要とし、且つ、出力用静電誘導トランジスタの特性選別も容易になり、正負のバランスのよいアンプを提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、本発明による同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路においては、同一導電型、特に特性の揃ったＮチャネル静電誘導トランジスタ２つを出力段としてシリーズに重ねて、両者をシリーズ接続した電圧の同じ電源で各々バイアスし、両Ｎチャネル静電誘導トランジスタの中間端子と電源の中間端子からスピーカを駆動するようにしたものである。
以下、請求項に沿って説明する。

請求項１記載の発明は、同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路であって、同一導電型の２つの静電誘導トランジスタをシリーズに接続して、シリーズに接続した電圧の同じ二つの電源で前記静電誘導トランジスタを各々バイアスし、前記二つの静電誘導トランジスタを接続する接続端子と前記二つの電源間の中間端子とを、スピーカを駆動するためのスピーカ接続端子とし、オーディオ信号の正信号と負信号で動作する差動増幅器の差動出力で前記の静電誘導トランジスタの各々のゲートを駆動するようにしたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路において、前記導電型はＮチャネル型としたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路において、前記静電誘導トランジスタのゲート・ソース間にゲート・ソースバイアス用のバイアス抵抗を有し、前記二つの電源の接続点以外の電源端子１と電源端子２の間に、第１の抵抗と第１の第１のバイポーラトランジスタを有し、第１のバイポーラトランジスタのエミッタと前記第１の抵抗を接続し、第１のバイポーラトランジスタのベースを電源端子２に接続し、前記第１の抵抗の他の端子は電源端子１に接続し、前記電源端子２で第３の電源を接続し、第３の電源の他の端子である電源端子３と前記バイアス抵抗のゲート側端子の間に第２のバイポーラトランジスタと第２の抵抗を有し、第２のバイポーラトランジスタのコレクタが前記バイアス抵抗のゲート側端子に接続し、第２のバイポーラトランジスタのエミッタは前記第２の抵抗を介して電源端子３に接続し、第２のバイポーラトランジスタのベースは第１のバイポーラトランジスタのコレクタに接続し、第１のバイポーラトランジスタのコレクタと電源端子３の間に第３の抵抗を有するゲート・ソースバイアス回路を持つことを特徴とする。

以上のように構成されているので、本発明による同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路では、スピーカをドライブするチョークコイルを不要とし、且つ、出力用静電誘導トランジスタの特性選別も容易になり、正負のバランスのよいアンプの提供が可能となる。

本発明による本発明による同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路では、同一導電型、特に特性の揃ったＮチャネル静電誘導トランジスタ２つを出力段としてシリーズ接続して、両者をシリーズ接続した電圧の同じ電源で各々バイアスし、両Ｎチャネル静電誘導トランジスタの中間端子と電源の中間端子からスピーカを駆動するようにしたものである。以下、実施例で説明する。

図１は、本発明による同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路の一実施態様を示す図である。
パワーアンプの入力段１０００（初段）は、二つのＰＮＰトランジスタ１００１、１００２のエミッタを結合した差動増幅器構成になっていて、エミッタには定電流源１００３により２Ｉの電流が流れている。各々のトランジスタのコレクタ側には定電流源１００４、１００５が低電位電源ライン１００６との間で接続されている。ＰＮＰトランジスタ１００１、１００２のベースには、正転オーディオ信号１００７と反転オーディオ信号１００８が入力している。ＰＮＰトランジスタ１００１、１００２の各コレクタからは初段出力ライン１００９、１０１０が出ていて、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＡ１０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＢ１０１２のゲートに接続されている。Ｎチャネル静電誘導トランジスタＡ１０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＢ１０１２はシリーズに接続され、これに二つの電源Ｅ１，１０１３、電源Ｅ２，１０１４（但し、Ｅ１とＥ２は同一電圧の電源）が図のように接続されている。

Ｎチャネル静電誘導トランジスタＡ１０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＢ１０１２のゲート・ソースの間にはバイアス抵抗Ｒ４、１０１５、１０１６があって、この抵抗に流れる電流によってゲート・ソース間電圧が設定され、ドレイン・ソース間電流（無信号時にはアイドリング電流）が決定される。Ｎチャネル静電誘導トランジスタＡ１０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＢ１０１２の間の出力端子１０１８と電源中間端子１０１９は、スピーカを接続する端子となっている。以上がパワーアンプ部の構成である。

両オーディオ信号が零即ち無信号では、ＰＮＰトランジスタ１００１、１００２のベースは同じ電位となるので、各ＰＮＰトランジスタのコレクタには同じ電流が流れる。即ち２Ｉの電流が２分されて、Ｉの電流が流れるので、初段出力ライン１００９、１０１０から流れ出す電流は零となって、バイアス抵抗１０１５、１０１６には、この出力電流による電圧降下は零なので、アイドリング電流をバイアスする回路による電圧降下分のみになっている。

以上のようなパワーアンプにおいて、一点鎖線で囲まれた部分はドレイン・ソース間電流（アイドリング電流）のバイアス電流設定回路１０２０であり、以下の構成となっている。先ず、点線で囲まれた電源電圧比例回路１０２１は、以下のようになっている。
抵抗Ｒ１、１０２２とＰＮＰトランジスタ１０２３が直列に接続され、抵抗Ｒ１、１０２２の他端は電源の高電位端子１０２４に、ＰＮＰトランジスタ１０２３のベースが電源の低電位端子１０２５に接続されている。従って、抵抗Ｒ１、１０２２を流れる電流Ｉ１は、
Ｉ１＝｛２Ｅ１−Ｖｂｅ｝／Ｒ１ （１）
となる。Ｖｂｅは、ＰＮＰトランジスタ１０２３のベース・エミッタ間順方向電圧で、約０．６Ｖ程度なので、無視することも可能である。

エミッタに流れる電流は、ほぼ同じ量でコレクタに流れるので、ＰＮＰトランジスタ１０２３のコレクタから同じ電流Ｉ１が流れ出て、コレクタと低電位電源ライン１００６の間に接続した抵抗Ｒ２、１０２６に流れ、抵抗Ｒ２、１０２６の両端の電圧が電源に比例した電圧を出力する。この電圧ＶＡは、（１）式から、
ＶＡ＝Ｒ２×Ｉ１＝｛２Ｅ１−Ｖｂｅ｝・Ｒ２／Ｒ１ （２）
となる。電源の低電位端子１０２５と低電位電源ライン１００６の間には、電源Ｅ４が接続されている。尚、Ｒ２は、調整抵抗を含む方が好都合である。

ＶＡの電圧がベースに入力しているので、ＮＰＮトランジスタ１０３０Ａ、１０３０Ｂのコレクタに流れる電流Ｉ４を求めると、
Ｉ４＝（ＶＡ−Ｖｂｅ）／Ｒ３＝ＶＡ／Ｒ３＝（２Ｅ１・Ｒ２／Ｒ１）／Ｒ３ （５）

となり、これが、バイアス抵抗Ｒ４、１０１５、１０１６に流れることで電圧降下が起こり、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＡ１０１１、Ｎチャネル静電誘導トランジスタＢ１０１２のゲート・ソース間電圧を決める。従って、この電圧に依存して、ドレイン・ソース間電流が決まる。

以上説明したパワーアンプ回路では、出力端子１０１８と電源中間端子１０１９にスピーカを接続することができ、チョークコイルを不要としている。出力に２つのＮチャネル静電誘導トランジスタをシリーズに接続していて、特性が揃ったもの、特に、両トランジスタを同一チップ内に隣接して内蔵したものを切り離して使用することで特性合わせの選別を容易にすることができ、製造を容易に出来る。

尚、図１では、パワーアンプの入力段１０００は、１段の差動増幅器で代表したが、ここは、複数段の構成、又はＰＮＰトランジスタ以外の他の素子を使用しても同様である。

以上、本発明による同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路では、チョークコイルを不要し、特性選別も簡易にできるので、産業上大きな利用性を有している。

本発明による同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路の一実施態様を示す図である。 出力段にＰチャネル静電誘導トランジスタとＮチャネル静電誘導トランジスタを用いた従来のオーディオ用パワーアンプ回路の例を示す図である。 図２のオーディオ用パワーアンプの出力段のＰチャネル静電誘導トランジスタとＮチャネル静電誘導トランジスタの静特性を示す図である。 従来の同一の導電型の静電誘導トランジスタを使ったオーディオ増幅器の例を示す図である。

符号の説明

１０００、２０００ パワーアンプの入力段
１００１、１００２、１０２３、２００１、２００２、２０２１、４０１１、４０１２
ＰＮＰトランジスタ
１００３、１００４、１００５、２００３、２００４、２００５ 定電流源
１００６、２００６ 低電位電源ライン
１００７、２００７ 正転オーディオ信号
１００８、２００８ 反転オーディオ信号
１００９、１０１０、２００９、２０１０ 初段出力ライン
１０１１ Ｎチャネル静電誘導トランジスタＡ
１０１２ Ｎチャネル静電誘導トランジスタＢ
１０１３、２０１３ 電源Ｅ１
１０１４、２０１４ 電源Ｅ２
１０１５、１０１６ バイアス抵抗
１０１８、２０１８ 出力端子
１０１９、２０１９ 電源中間端子
１０２０ バイアス電流設定回路
１０２１ 電源電圧比例回路
１０２２ 抵抗Ｒ１
１０２４ 電源の高電位端子
１０２５ 電源の低電位端子
１０２６ 抵抗Ｒ２
１０３０Ａ、１０３０Ｂ、２０２５、４０１３、４０１４、４０１５
ＮＰＮトランジスタ
２０１１ Ｐチャネル静電誘導トランジスタ
２０１２、４００１、４００２ Ｎチャネル静電誘導トランジスタ
２０１５ バイアス抵抗Ｒ４ｐ
２０１６ バイアス抵抗Ｒ４ｎ
２０２０ 抵抗Ｒ１ｎ
２０２２ 電源端子Ａ
２０２３ 電源端子Ｂ
２０２４ 抵抗Ｒ２ｎ
２０２６ 抵抗Ｒ３ｎ
２０２７ コレクタ
４０００ ソース直列抵抗Ｒｓ０
４００３ ソース抵抗Ｒｓ１
４００４ ソース抵抗Ｒｓ２
４００５ チョークコイル
４００６ ボイスコイル
４００７ 電源Ｅ４１
４００８ ゲートバイアス抵抗Ｒ４ａ
４００９ ゲートバイアス抵抗Ｒ４ｂ
４０１０ 抵抗
４０１６ 抵抗Ｒ４２
４０１７ 抵抗Ｒ４３

Claims (3)

1. 同一導電型の２つの静電誘導トランジスタをシリーズに接続して、シリーズに接続した電圧の同じ二つの電源で前記静電誘導トランジスタを各々バイアスし、前記二つの静電誘導トランジスタを接続する接続端子と前記二つの電源の中間端子とを、スピーカを駆動するためのスピーカ接続端子とし、オーディオ信号の正信号と負信号で動作する差動増幅器の差動出力で前記の静電誘導トランジスタの各々のゲートを駆動するようにしたことを特徴とする同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路。
2. 前記導電型はＮチャネル型としたことを特徴とする請求項１記載の同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路。
3. 前記静電誘導トランジスタのゲート・ソース間にゲート・ソースバイアス用のバイアス抵抗を有し、前記二つの電源の接続点以外の電源端子１と電源端子２の間に、第１の抵抗と第１の第１のバイポーラトランジスタを有し、第１のバイポーラトランジスタのエミッタと前記第１の抵抗を接続し、第１のバイポーラトランジスタのベースを電源端子２に接続し、前記第１の抵抗の他の端子は電源端子１に接続し、前記電源端子２で第３の電源を接続し、第３の電源の他の端子である電源端子３と前記バイアス抵抗のゲート側端子の間に第２のバイポーラトランジスタと第２の抵抗を有し、第２のバイポーラトランジスタのコレクタが前記バイアス抵抗のゲート側端子に接続し、第２のバイポーラトランジスタのエミッタは前記第２の抵抗を介して電源端子３に接続し、第２のバイポーラトランジスタのベースは第１のバイポーラトランジスタのコレクタに接続し、第１のバイポーラトランジスタのコレクタと電源端子３の間に第３の抵抗を有するゲート・ソースバイアス回路を持つことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の同一導電型静電誘導トランジスタを用いたプッシュプルパワーアンプ回路。

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