ダンピングファクターとバイアス

ダンピングファクターを大きくすると、音が良くなるらしい。これは、理屈としては解るような気がします。しかし、ダンピングファクターは、音質云々よりも、負荷耐性の向上に効果があるはずです。これは、疑問の余地がありません。それは、出力インピーダンスが高くなるほど、損失が多くなるからです。

そもそもダンピングファクターとは？

ダンピングファクターは、スピーカーの公称インピーダンスをアンプの出力インピーダンスで割った値です。ダンピングファクターを高めると、音が良くなるという意見があります。しかし、音が良くなる明確な説明を見つけることはできませんでした。逆に、ダンピングファクターが程々の方が音が良いとしている方がいらっしゃいます。そして、実際にダンピングファクターを変えることによる変化を計測されている方もいらっしゃいます。例えば、真空管アンプは比較的ダンピングファクターが小さめです。そして、真空管アンプの音を好む方もいらっしゃいます。これは、ダンピングファクターが小さい方が、音がよいということの証左かも知れません。

ヘッドホンアンプのダンピングファクター

これまで作ってきたヘッドホンアンプはダンピングファクターが低めです。その原因は、電力増幅段に使用したプッシュプル増幅回路で生ずる貫通電流対策です。貫通電流によるトランジスタの焼損を防ぐため、抵抗を設置していました。

上の回路図中のR7とR8が保護用の抵抗です。そして、ヘッドホンの公称インピーダンスが32Ωの時のダンピングファクターは3.2となります。ただし、トランジスタそのもののインピーダンスや、ケーブル類のインピーダンスは考慮していません。

保護用の抵抗を無くしたい

保護用の抵抗を無くすには、＋側のトランジスタと、－側トランジスタが同時にONにならなければよいのです。しかし、実際にはこれがかなり難しいです。バイアスを小さくすればスイッチング歪を生じます。しかし、バイアスが過剰であれば貫通電流が発生します。

理想は、バイアスがトランジスタのVbe(ベース – エミッタ間電圧)と一致することです。そして、ダイオード使用のバイアス回路は、トランジスタのVbeとダイオードのVfが等しいことを利用しています。しかし、ダイオードのVfは、ダイオードに流す電流によって変化します。さらに、温度によっても変化します。この変化がトランジスタと差を生じた場合、歪みや貫通電流を生じます。そのため、安全策として保護抵抗を入れるわけです。

バイアス回路の検討

そこで、バイアス回路の変更を検討してみました。ここでは、電力増幅用のトランジスタと同一のトランジスタをバイアス回路に使います。これで、ダイオードとトランジスタの特性の違いを無くせるはずです。

検討用の回路図は上図の通りです。この回路のシミュレーション結果は、BIAS1の回路が最もよい結果となりました。しかし、バイアスにトランジスタを二つも使うのはもったいない感じです。そこで、先ずは一番右側のBIAS3の回路を採用することにしました。

回路設計

これまでの、ダイオードを使ったバイアス回路を、トランジスタを使った回路に置き換えました。計算上は、貫通電流もスイッチング歪みも発生しないはずです。しかし、特性のばらつきなども考慮して、保険として1Ωの抵抗を出力側に入れています。また、バイアスがプラス側にオフセットします。これによる出力のオフセットは、電力増幅段への負帰還で消し込む構造としました。