SW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ

唐木志延夫

LME49830 と SW 電源を使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ
構成

LME49830 + MOS-FETSW レギュレータ電源

Class-AB+-26.4V

出力32W @8Ωx2

周波数特性10-200kHz-1.5dB

THD+N

0.012%

ゲイン

27 倍

大きさ

H44xW320xD230mm

1.まえがきLM49830 というパワ-アンプの初段部をワンチップにまとめたものが 2008 年の 1 月にナショナルセミコンダ
クタ社より発表されました。これは出力段に MOS-FET を追加するだけで高性能なパワーアンプができるという大変便利なものです。THD+N は 0.0006%、動作電源電圧も広く最大 300W までの出力をドライブすることができます。
姉妹品には LME19810 という出力がバイポーラトランジスタ版もあります。これをさっそく応用し、また電源部にはスイッチングレギュレータを使って超薄型のシャーシに納めてみました。SW 電源はいまやあらゆる電子機器の電源の中心となって広く使われていますがオーディオではまだまだ抵抗があるようです。スイッチングノイズが音に影響するのがその理由だと思いますが、なんとなく頼りなさそうというイメージもあるかもしれません。しかしこのアンプを製作してみて、メリットも多くありまたデメリットを十分補うこともできることがわかりましたのでここにまとめてみました。
SW 電源の長所を先にあげますと、1.電源電圧の変動が負荷の変動に対して非常に少ない、2.大音量時に電流を多く流したときにリップルが少ない、3.効率が 80％ありまた保護回路があらかじめ入っている、4.製作が簡単である、5 軽い薄い、6.コストが同容量のトランスに比べて安いなどです。
デメリットであるスイッチングノイズはやはりありますがそれを抑える方策をいろいろ実験で試してみました。簡単な部品だけで激減できまた試聴でも全く問題にならないところまで低減できました。カットアンドトライで試行錯誤を繰り返しましたので再現性があるかどうかはわかりませんが特に特殊な方法はありません。

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唐木志延夫

2.アンプ部回路構成と部品
LME49830 は動作電源範囲が+-20V から+-100V まであり、FET のドライブ電圧が最大で 68Vrms,出力電流が56mA まであっていろいろな MOS-FET が選べます。データシートにはシングルプッシュプルから複数個のパラレルプッシュプルまでカバーでき最大で 300W（8Ω負荷）のパワーアンプも可能であると記されています。また歪率は 0.0006%5(typ)、スルーレートは 39V と大変優れた性能となっています。図 1 にその概要を転記しました。 サンプルはナショナルセミコンダクタ社のホームページから有料で直接入手できます。

[図 1] データシートより

LME49830 はヒートシンクが必要

NS 社のホームページから申し込むと直接送られてきます。

[図 2]

IC の内部回路個人でも購入できるようです。

[図 3]

IC の入手

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唐木志延夫

図 4 は本アンプの全体の回路図です。データシートの推奨回路をもとに定数を合わせ込んでみました。出力の MOS-FET は入手がしやすくメーカ製のハイエンドアンプにもよく採用されている 2SK1529 と 2SJ200 です。
LME49830 はこの MOS-FET をダイレクトにドライブできる能力があります。FET のバイアス設定回路には定番の2SC3964 を使いました。回路図の中の Rf と Ri でゲインを決めており、LM49830 は安定動作の為に 20 倍を推奨していますのでそれぞれ 33k と 1.3k でゲインは 26.3 倍としました。それに合わせて Rin と Rs はそれぞれ同じ値の 1.3k と 33k にしています。このあたりの定数はオペアンプの非反転増幅回路と同じ考え方です。また
Rs はアンプの入力インピーダンスにもなりますのであまり小さい値はできません。Ci は DC のゲインを 0db にするためのものです。 これを無くすれば低域の次定数が無くなるので低域の位相がまっすぐになりますが DCオフセットが出るので今回は入れました。Ci と Ri で低域の次定数がきまります。カットオフ周波数は 1/(2πRiCi)となり、1.2Hz です。これは 1.2Hz で-3dB ですが実際はその 10 倍の 12Hz から徐々に下がり始めていますのでこれ以上高い Fc にしますと低音の不足が感じられます。よって Ci は 100uF でバイポーラ型を使います。バイポーラ型電解コンデンサは普通の電解コンデンサが 2 つ＋どうしを内部で直列に接続されているらしく ESR（等価直列抵抗値）が高くなります。同じ容量の電解コンデンサであれば電源耐圧が高いほうが ESR が小さくなりますのでできるだけ耐圧電圧の高いものを採用しました。今回はサイズの関係から 25V 耐圧とし高域の特性改善の為に 0.1u のフィルムコンをパラレルにしています。
2PIN は MUTE ピンで、ここには電源電圧からツエーダイオードで 6V を作って電流を流しこんで常時 ON にします。Cc は位相補償用コンデンサでここには 21ｐのマイカコンをつかいました。
MOS－FET は熱に対してドレイン電流が減少する負の性格を持っているのでトランジスタのようにバイアス設定用トランジスタと熱結合による帰還回路は必要はありません。しかし 2SK1529 はドレイン電流が 5Ａ以下の応用では正の特性になるようにデータシートのグラフから読めますがそれほどパワーも取り出しませんので簡略にしました。FET のソース抵抗は普通は電流制限の為に 0.22Ωぐらいを入れますが今回は無しにチャレンジしてみました。スピーカーの容量性負荷対策のコイルと抵抗も無くし、そのかわりに発振防止に 0.1u と10Ωを直列にしてスピーカーの+出力と GND に入れてあります。これで電源からの電流が FET に入ってそのままスピーカに流れて行きます。

3.電源部の回路と部品電源には SW 電源の専門メーカであるイータ電気（本社東京都大田区）のものを使いました。特にオーデ

ィオ用ではありませんが汎用のローコストタイプである BNB24SA-U を選びました。図 5 が仕様です。これは+24Vの単出力で 2.5A が定格電流となっています。また 2 つをシリーズ接続できますので 2 つ使ってプラスとマイナスの電源を作ることができます。イータ電気のホームページから 1 つ 2310 円で直接購入できます。カバーがついていませんがサイズと価格とスペックでこれが気に入りました。半固定抵抗で+-10％の可変ができます
ので今回は+最大の 26.4V にしました。リップルの低減に 4,700uF の電解コンデンサを+/-にそれぞれ 2 つパラレルにし、高域の為に 0.1uF のフィルムコンデンサも付けました。
AC100V のノイズフィルターはこの SW 電源モジュールに内蔵されていますが、2 つの SW レギュレータ共通に外付けにノイズフィルターを増設しました。250V

6A の定格のもので、AC のインレットと一緒になっているタイプです。型番やメーカはジャンク品の為不明です。このノイズフィルタは SW 電源の発するノイズがアンプの外に出て行かないようにする目的のためです。
た。

ヒューズも 2 つの SW 電源共通のものを同様につけましSW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ

唐木志延夫[図 4] 本アンプの全体回路図

AMP BlockR-ch only+Vcc

NOISE FILTEROPEN

BEAD Unknown

OPEN
6V zener D

TDK ZMG2203-M

100u 50V
10k0.1u+22u 50V
15+

2
RCA JACK
20kA+Vcc

20k

47
OSENSE

Mute
Source

LME49830
4BiasP
BiasM
IN+
Sink

10Rs 33k

Comp2SK1529

1121p

10k21p

SPEAKER OUT

12k

130.1u62SJ200470
10 3W+

Ri 1.3k

1.3k 2SC3964

12GND

IN-

1435-Vee

Rin 1.3k

8Cc 21p

47Ci
Rf

100u 45VBP

0.1u

33k0.1u 100u 50V-Vcc

NOISE FILTER

OPENOPEN

BEAD Unknown

TDK ZMG2203-M

Power Block for

L/R

BEAD TDK HF55BTL3.5x4.5B-AG x2
0.1u

4700u 50V x2

Power SW
AC100V PLUGAC IN
GND ACINNOISEFILTER+Vcc•@26.4V+ETA
BNB24SA-U-Sparek
Killer

250V6AAC IN
GND ACIN

4A

FUSEHOLDERETA
BNB24SA-U+-+Vcc•@-26.4V
0.1u
4700u 50V x2
BEAD TDK HF55BTL3.5x4.5B-AG x2[図 5]

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4.

唐木志延夫

初SW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ

唐木志延夫

段の基板の製作
アンプの初段は図 6 のようにユニバーサル基板を使いました。

サンハヤトの ICB-886

72mmx48mm という一番小さいものです。この基板は四隅には穴が開いていません、部品が詰まっていますのでそれぞれの四隅にも小さいドリルで穴を開けます。赤丸のランドは新しくあける穴です。
GND ラインは基板のランドの外側を通ります。かなりきっちりと部品が配列されますのでよく図と写真をご覧になって部品を挿入してください。また LME49830 は PIN が特殊な配列となっていますがラジオペンチでそろえなおして写真のように挿入します。半田付けは注意深くし他のランドとブリッジなどで接触しないようにしてください。1 か所だけジャンパー線として配線をまたぐところがあります。また位相補償用の Cc は基板の裏から IC の PIN に直接半田つけします。基板のスペースが無いのと最短距離での配線したかったのでこのようにしました。また 2SK と 2SJ のゲート間の 12ｋの抵抗も基板の裏に取り付けています。 LME4983 はヒートシンクを必要とします、3 端子レギュレータなどの汎用のヒートシンクを横向きにし、穴をあけタッピングねじで取り付けました。
TOP VIEW
33k

100u+0.1u-100u BP

OUT
33k

120k

470

GND456BCE

789Gate P

1011121.3k

GND10k

IN

1.3k

21p

21p

21p+47

1510k
22u

12k

Gate N

1314+

1547+

1230.1u
100u
123456[図 6]

789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

配線パターン、トップビュー

部品の配置の様子

IC の PIN をこのように基板にさす

裏に 21ｐ、GATE の 12ｋはまだつけていません

5.その他の部品と製作
ケースは薄型でスマートで高級感のあるタカチの WO-44-32-23 (H44mmxW320mmxD230mm),放熱用に底板と天板に 3.5mm の穴をあけます。FET のヒートシンクはジャンクで買ったものですので型番は不明です。これをSW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ

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2 つ使い 2SK と 2SJ をサンドイッチにして放熱効果を高め、同時にスペースの削減をしています。なお、ゲートの配線との出力のフィードバックの配線の 3 本はヒートシンクに穴をあけて LME49830 まで最短距離となるようにしました。2 本のビスとナットを使いヒートシンクで FET をサンドイッチにします。絶縁用の放熱シー
トは忘れずに。FET の足にも絶縁チューブをかぶせてヒートシンクとの接触を防ぎます。あまり強く挟みますと中のチップにストレスがかかりますのでほどほどにしてください。

2SK と 2SJ はこのように取り付ける

スピーカ出力端子と発振防止の CR

SW 電源は絶縁スペーサを介してシャーシにねじ止め
電荷コンデンサは接着剤でシャシーに取り付けますゲートと OUT のフィードバックは穴をあけて出す

ヒートシンクはシャーシに直接ねじ止めする

入力ボリューム付近
網のあるシールド線で配線しますSW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ

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リアパネルはこういう感じです
現物合わせでレイアウトをしました

6.ノイズ低減対策
ノイズ対策は主にコンデンサとビーズとモジュールになった AC 電源用ノイズフィルターだけです。ダイオードのような形をしたビーズは TDK の HF55BTL3.5X4.5B-AG という型番です。マイラコンデンサのような形のビーズはジャンク品の為メーカと型番わかりません。ビーズは SW 電源から電解コンデンサの間と LME49830 へ行く電源ラインに 2 か所入れました。2 種類のビーズを使いましたので回路図と写真をご参照ください。回路
図の中には“BEAD”と書いてあります。AC 電源のノイズフィルターは TDK の ZMG2203-M です、中には 1mH の Lと 0.1uF の C が組み合わさっています。LME49830 の+と-の電源ラインにそれぞれホット側をディファレンシャルモードノイズ用としてひとつづつ入れました。コールド側は 2 つのノイズフィルターの入力側だけをコモンにしています。試しに GND を出力側のコールドを通してみましたがグランドに L 成分を入れたのと同じことになり LME49830 がきれいに発振しました。このノイズフィルターモジュールの GND 端子はシャーシにアースしています。

黒いダイオードのようなものがビーズです

TDK の ZMG2203-M

黒いマイラコンデンサのようなものもビーズです

ビーズは電源ラインや信号ラインに直接挿入でき、L と R が直列になったような働きをし、高周波領域ではL が大きな R 成分になってノイズを取り除きます。また AC ラインフィルターは L と C と R が組み合わさり ACラインのディファレンシャルモードとコモンモードの両方のノイズを取り除きますが DC の電源ラインにも応用できます。今回の使い方はディファレンシャルモードだけを使っています。[図 7]に HF55BTL3.5X4.5B-AGSW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ

唐木志延夫と[図 8]に ZMG2203-M の等価回路とスペックを TDK のホームページより引用しました。

[図 7] ビーズ

[図 8] AC ラインフィルター

SW 電源から電解コンの間の+と-のラインに黒い四角いものは TDK のノイズフィルタ

ビーズをそれぞれ 2 つずつ入れました

手前の黒い小さい四角い薄いものはビーズです
LME49830 の電源ラインに入れましたSW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ[図 9]CH1 は SW 電源の出力の AC 成分
CH2 は LME49830 の電源端子の AC 成分

唐木志延夫[図 10]信号キャプチャをアベレージモードに変えて測定
CH1,CH2 は図 9 と同じ、ただし縦軸を 5 倍に拡大
これほどまでにノイズを低減させることができた[図 11]SW 電源の出力の FFT 解析[図 12]LME49830 の電源端子の FFT 解析
大幅に高調波が低減しているのが分かる

7.調整
調整箇所は半固定ボリュームだけです。これは FET のバイアス電圧の設定です。ソース抵抗を省きました
ので FET のドレイン電流がどれくらい流れているかを測定できません。そのかわりに+26.4V の電源の電流を見ます。SW 電源から回路全体に行く+26.4V のラインの間に電流計を入れます。そして入力ボリュームをゼロにして無音時の電源電流が 260ｍA 流れるように半固定抵抗を回します。 LME49830 のクイッシェント電流（無音時の定常電流）はデータシートからだいたい 24ｍA ですのでステレオで 48ｍA です。よって FET には260mA-48mA の約 212ｍA がステレオで流れている計算になります。片 CH で一つの 2SK に 106ｍA です。その時の 2SK と 2SJ のゲート間の電圧は 3.5-3.6V のはずですのでダブルで確認してください。

これで無音時でヒートシンクがほんのりと暖かくなり、大音量で 2 時間以上聴いてもシャーシの裏が少し熱い程度です。SW レ
ギュレータはほんのりと暖かい程度です。この電流値を上げて行きますと A 級での動作範囲が広がりますがかなり熱くなります。電流計で見て、耳で聴いてみて、触ってみてお試しください。

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唐木志延夫

スピーカ出力の DC オフセット電圧漏れは R,L とも約 2ｍV でしたので全く問題ありませんでした。
これが 50mV-100ｍV ですとどこかに配線間違いか、部品の定数間違いがありますので確認してください。
5V-9V であればおそらく+か-の電源がショートしていますので確認してください。

回路全体の電流値から LME48930 のクイシェント電流を差引いて FET のドレイン電流を推測する。
半固定ボリュームを右に回すとこの電流が増える。
約 260ｍA で安定するように調整する。

8.測定
各種測定結果を図 13,14,15,16 に記しました。予想どうりのとても良い結果です。
8-1.方形波応答波形[図 13]入力

20kHz

443mVrms８Ω負荷[図 14]

8Ω+0.1uF

負荷

入力は CH-1,出力は CH-28-2.周波数特性[図 15]

10Hz から 300KHｚ（測定限界）まで-1.5dB

R/L ともきれいにそろっていますSW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ

唐木志延夫

8-3.歪率（THD+N）[図 16]
100Hz, 1kHz, 10kHz ともよくそろっています

特に高域の歪率がよいのは LME49830 が MOS-FET のゲートの容量負荷のドライブが優れていることを示しているようです。

30kHz

Filter 入りで測定

THD+N は 0.012％
32W@8Ω出力で 1％8-4.電源の安定度
図 17 に入力の R/L 両方に 1kHz のサイン波を入れてボリュームを上げて行き、クリップする寸前までの消費電流と電源電圧の変動をプロットしてみました。スピーカーの負荷は 8Ωと 4Ωのダミーロードを切り替えてみました。グラフの横軸は出力の電圧 Vrms、これは 8Ωでも 4Ωでも同じスケールになるようにしたからです。
W 換算は Vrms x Vrms /Ωです。左の縦軸はステレオ動作時の消費電流ｍA、右の縦軸は電源の電圧 V です。8Ωと 4Ωの時の電圧はグラフが重なりますのでずらしました。
8Ωでは最大出力 16Vrms(=32W@8Ω)で 1800ｍA の消費電流ですが電源電圧はほとんど変化がありません。SW
レギュレータのスペックは 2.5A ですのでまだ余裕があります。普通のトランスを使ったアンレギュレーション電源では 3V-4V は下がります。これが SW レギュレータの長所でしょう。4Ω負荷に変えてみますと 8Ωの時の 2 倍の電流が流れますのでスペックの 2500ｍA で 12.6Vrms(=40W@4Ω)まで大丈夫です。さらに上げて行き12.9Vrms(=42W@4Ω)まで行きますと電流は 2900ｍA まで流れ電圧は 21V に急に下がります。これはこの SW レギュレータの過電流保護回路が働いたようです。しかし通常のリスニングレベルである 5-30W までは 4Ω負荷でも 8Ωのきっちり 2 倍の出力 W となっています。

26.4V/8Ω

26.4V/4Ω
21V[図 17]

SW レギュレータを使った超薄型 MOS-FET パワーアンプ
さらに電源のリップル波形を見てみました。

唐木志延夫

図 18 は RL 両方の入力に 1kHz のサイン波を入れて負荷は 8

Ωで最大出力にしたときの電源のリップル成分です。信号に逆にシンクロした 21.3mVrms が CH-2 に見られます。図 19 は同じ条件で電源を 250VA のトロイダルトランス＋3,900uFx6 のアンレギュレーテッド電源に変えてみました。そのトランス電源の回路図は図 20 です。最大出力時には電圧が約 8％下がり、また整流時の 100Hzのリップルが大きく表れています。SW レギュレータの優秀さがここにも表れていると思います。
また最大出力時でも FET の熱とドレイン電流の問題は無いようでした。

[図 18]

最大出力時の SW 電源のリップル[図 19]250VA トロイダルトランス+3,900uFx6
図 18 と同様の条件

Shotky Barrier Diode3,900uF x3+25V

250VA Troidal
Trans++++++

0.1u

AC100V

0.1u-25V
3,900uF x3[図 20] 比較したトロイダルトランス電源

9.試聴
とてもなめらかな音です。普通のトロイダルトランスのアンプと比べてみましたが全く遜色ありません。
むしろ電圧が安定しているので 32Wｘ2 しかありませんが 86dB の能率のスピ-カーでも 100Wx2 のアンプに比べて聴感上のパワー不足は感じられません。女性ボーカルのエバキャシディははつらつとシャウトします、ディキシーチックスの 3 人組はつややかな声で歌います。バイポーラトランジスタアンプに比べますと乾いた感じのサウンドです、これは FET の特長なのでしょうか。特にウエストコーストや南部系の音楽にぴったりのようです。クラシックの室内楽はもうちょっと湿り気があったほうがいいかもしれませんが木管楽器やギターなど木製の楽器は好ましい響きがしました。能率 100dB の ALTEC-604G に変えて、ボリューム最大にしても残留ノイズは全く聞こえませんし、電源 ON-OFF 時のポップノイズもほとんどありません。製作がしやすく高音質でまた環境にやさしいのでぜひとも皆様もお試しください。私はこれに気を良くしましたので次は 48V の SW レ
ギュレータを使ってもっとハイパワーに挑戦してみたいと思います。

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唐木志延夫