D級パワーアンプ TPA3122D2 使用レポート
D級アンプとは
最終出力段の違い
図1 a ) は従来からあるプッシュプル(AB級）方式のアンプ最終出力の構成例です。入力される信号はアナログ信号で、スピーカへの出力信号もアナログ信号です。これに対しD級アンプは図1 b ) のように最終出力段は「ON/OFF」のスイッチング動作をしています。従来からのアナログアンプはA級、B級、AB級などに分類されますが、D級アンプとは最終出力段でデジタル的にスイッチング動作をするものを言います。つまり、D級アンプは最終出力段の分類の1つで、以下のような特徴があります。
①スイッチング動作するので他の方式(A級、B級等）と比較して変換（電力）効率が良い。
②効率が良いので放熱器が小さくて済む。場合によっては放熱器不要。
D級アンプの動作原理
図2のように単純にアナログ信号で最終出力段でスイッチングしてもこのままではアナログ情報(信号)を含んでいないないデジタル信号です
そこでD級アンプではアナログ情報を伝える方法の１つとしてPWM（パルス幅変調pulse width modulation)が用いられています。PWMとは図3のように出力のパルス幅（周期）は一定ですが、入力される信号の大きさに応じて「H」、「L」の時間（幅）が異なります。
つまり、
アナログ信号の大きさ → パルス幅に変換
このように、アナログをデジタルに変換し、これによりアナログ情報をデジタルに伝えます。
PWMの発生原理を図4に示します。
アナログ信号と三角波をコンパレータで比較するとコンパレータ出力はPWM信号になります。コンパレータは図4 b ) のように＋端子と－端子に入力された信号の大きさを比較し、その大小関係により出力がVcc(+)またはVee(-)のどちらかにデジタル的に変化します。
図5にコンパレータの入出力波形を示します。
（アナログ信号が0V)「H」、「L」の幅が同じ
（アナログ信号がプラスの区間）必ず「H」の幅が多く、信号レベルが大きいほど「H」の幅が大きい
（アナログ信号がマイナスの区間）必ず「L」の幅が多く、信号レベルが大きいほど「L」の幅が大きい
このままではアナログ信号で変調したPWM信号ですから、これを図6のようにローパスフィルタ(LPF)に通すと、極性および大きさに比例したアナログ信号に変換されます。
（アナログ信号が0V) 電圧がゼロ
（アナログ信号がプラスの区間）プラスの極性で大きさは「H」の幅に比例
（アナログ信号がマイナスの区間）マイナスの極性で大きさは「L」の幅に比例
図6では再現されたアナログ信号は直流ですが、PWMに変換するための三角波の周波数をアナログ信号に対して十分高い周波数で行うことによりオーディオ信号が再現されます。
D級アンプの構成例
図5、図6のように得られたPWMをLPFに通せば良いのですが、このままではスピーカを鳴らすだけの力がありません。
そこで、一般的には図7のようにコンパレータからのPWM信号でスイッチング回路を駆動し、スイッチング出力をLPFに通すことによりアナログ信号に変換しています。
TPA3122D2の概要
TI社のD級オーディオパワーアンプ「TPA3122D2」は図7のような構成になっており、LPF部を外部にて組むことにより簡単にD級アンプを製作することができます。
15W、ステレオ、Class-D オーディオ・パワー・アンプ
http://www.marutsu.co.jp/pc/i/65920/
なお、三角波の発振周波数はTPA3122D2の場合「250KHz」です。
以下、主な仕様を記します。
動作電圧10V～30V 出力（ステレオ動作）
Vcc = 12V
RL = 4Ω THD+N = 1% 4W THD+N = 10% 5W
Vcc = 24V
RL = 8ΩTHD+N = 1% 8WTHD+N = 10% 10W
GAIN
以下の4つから選択
20dB、26dB、32dB、36dB、
MuteおよびShutdown機能詳細はTPA3122D2のデータシートを参照願います。
15W、ステレオ、Class-D オーディオ・パワー・アンプ
http://www.marutsu.co.jp/pc/i/65920/
TPA3122D2を用いた設計例
回路
GAIN設定
TPA3122D2はアンプのGAINを設定することが出来ます。図9のように「GAIN0」と「GAIN1」の状態により4通り設定出来、表1に組み合わせを示します。論理はジャンパーすれば「0」、ジャンパー無しで「1」です。また、GAINの値によりアンプの入力インピーダンスは表1のように異なります。
表1 GAIN設定
| GAIN1 |
GAIN0 |
AMP GAIN |
AMP Zi |
| 0 |
0 |
20db |
60KΩ |
| 0 |
1 |
26db |
30KΩ |
| 1 |
0 |
32db |
15KΩ |
| 1 |
1 |
36db |
9KΩ |
LCフィルタ
LCフィルタの定数は用いるスピーカのインピーダンスで異なります。筆者はスピーカインピーダンス8ΩでLCの定数を決めています。(4Ωなどのインピーダンス時はTPA3122D2のデータシートを参照願います）
データシートでは
L = 47μH
C = 0.39μF
が推奨されていますが、図10のように C = 0.22μF としています。この理由は C = 0.39μF では筆者の1次試作において高域周波数で特性が少し「あばれた」ことで、0.22μFのほうが「すなおな特性」になったためです。周波数特性の実測結果については後述します。
用いる部品は
インダクタ → ひずみの発生が少ない
コンデンサ → フィルム系
が望まれます。
入力カップリングコンデンサ C1,C2C1,C2は直流阻止用コンデンサ（カップリングコンデンサ）で周波数特性の低域に影響します。図11のようにコンデンサ定数とアンプ(TPA3122D2)の入力インピーダンスZiで特性が決定され、計算式を以下に示します。
Ziの値はアンプのGAIN設定で異なります。（表1参照）
①式から同じコンデンサ容量であればZiの値が小さきほどカットオフ周波数は高くなり、AMP GAIN 36dB時のZi = 9KΩ で計算してみます。
1μF以上のコンデンサを用いれば、さらにカットオフ周波数は低くなりますが、ここでは 1μFとします。
注意
厳密には前に接続されるボリュームおよび信号源インピーダンス模型さんに含まれますが、この成分を無視して①式で計算しています。
出力カップリングコンデンサ
C12,C15これも直流阻止用で、同じように低域特性に影響します。この場合の計算式を②式に示します。
以下、C12 = C15 = 470μF、スピーカのインピーダンスを8Ωとして計算してみます。
ミューティング回路
電源ON時にスピーカから「ボッ、プツ・・」などの「ポップ音」が気になりました。これを防止する目的でTR1,TR2,RL1による「ミューティング回路」を設けています。
図13のように電源ON直後ではIC出力が不安定で、これが「ポップ音」です。そこで、IC出力が安定（ポップ音が無い）したところでIC出力をスピーカに接続することによりポップ音を防止することが出来ます。つまり、電源ONから一定時間経過後にスピーカを接続すれば良いわけです。
一定時間(DELAY)は図14のようにR7,C19による「充電」を利用し、C19の両端電圧は電源ON直後から徐〃に上昇します。
このトランジスタがONするまでの時間がDELAY時間で、R7 = 150KΩ、C19 = 100μFの場合、約5秒となっています。
C19の両端電圧が徐々に上昇し、トランジスタがONとなる電圧でトランジスタがONし、これによりリレーもONする
IC2の3端子レギュレータ(5V)はリレー駆動用の電源です。セット自体の電源を12V～24Vの間で任意に選択できるようにしたかったので、リレーは内部で5V駆動です。
電源が24V固定であれば3端子レギュレータは不要で、リレーの動作電流も少なくなりますから、定数によってはトランジスタも1個で済むかもしれません。
電源電圧15V固定の場合は、12Vリレーを用い、リレーへの駆動電源を若干下げても良いと思います。
なお、電源OFF時にもポップ音が発生します。
この場合の防止は「電源OFF」を検出し、これによりすばやくC19の電荷を「放電」すればリレーがOFFし、ポップ音発生前にリレーをOFFします。筆者の場合、検出回路を設けて対応しましたが、TPA3122Dでは特に気になるレベルの
部品表
| 部品番号 |
品名 |
型番 |
メーカー |
数量 |
| C1,C2 |
セキセラ 1μF |
CT4-0805Y105M*10 |
Linkman |
2 |
| C3,C4 |
セキセラ 1μF |
CT4-0805Y105M*10 |
Linkman |
2 |
| C5,C8 |
ケミコン470μF/35V |
ELXZ350ELL471MJ20S*10 |
日本ケミコン |
2 |
| C6,C7 |
セキセラ 0.1μF |
CT4-0805B104K*10 |
Linkman |
2 |
| C9,C14 |
セキセラ 0.22μF |
CT4-0805Y224M*10 |
Linkman |
2 |
| C10 |
セキセラ 4.7μF |
CT4-0805Y475M |
Linkman |
1 |
| C11,C18 |
セキセラ 0.1μF |
CT4-0805B104K*10 |
Linkman |
2 |
| C12,C15 |
ケミコン470μF/35V |
ELXZ350ELL471MJ20S*10 |
日本ケミコン |
2 |
| C13,C16 |
フィルムコン 0.22μF |
EOL100P22J0-9 |
FARAD |
2 |
| C17 |
セキセラ 0.22μF |
CT4-0805Y224M*10 |
Linkman |
1 |
| C19 |
ケミコン100μF/25V |
25YK100 |
Ruby-con |
1 |
| D1 |
ダイオード |
1N4007 |
レクトロン |
1 |
| IC1 |
D級アンプIC |
TPA3122D2N |
TI |
1 |
| IC2 |
5V 3端子レギュレータ |
NJM7805FA |
NJRC |
1 |
| J1 |
RCAジャック 白 （絶縁型） |
RJ-2003/W |
Linkman |
1 |
| J2 |
RCAジャック 赤 （絶縁型） |
RJ-2003/R |
Linkman |
1 |
| J3 |
DCジャック |
MJ14ROHS |
マル信 |
1 |
| J4 |
絶縁ターミナル 白 |
TM505シロ |
MSK |
2 |
| J5,J7 |
絶縁ターミナル 黒 |
TM505クロ |
MSK |
2 |
| J6 |
絶縁ターミナル 赤 |
TM505アカ |
MSK |
1 |
| JP1,JP2 |
ピンヘッダー 4P |
|
|
1 |
| L1,L2 |
インダクタ 47μH |
RTP8010-470M |
サガミ |
2 |
| LED1 |
LED 青 |
DB2NBBL |
サトー |
1 |
| R1,R5,R8 |
カーボン抵抗 4.7K |
|
|
3 |
| R2,R6 |
カーボン抵抗 1K |
|
|
2 |
| R3,R4 |
カーボン抵抗 10K |
|
|
2 |
| R7 |
カーボン抵抗 150K |
|
|
1 |
| RL1 |
DC5V リレー (2C) |
G5V2DC5V |
OMRON |
1 |
| TR1,TR2 |
トランジスタ |
2SC1815Y(F) |
東芝 |
2 |
| VR1 |
2連ボリューム 10K.A |
R1610G-QB1-A103 |
Linkman |
1 |
| XJP1,XJP2 |
ジャンパーピン（ショートプラグ） |
|
|
2 |
| XIC2 |
放熱器 |
16PB16L25 |
LSIクーラー |
1 |
| |
ユニバーサル基板 95×72mm |
LUPCB-9572-NS |
Linkman |
1 |
| |
ケース |
KC5-13-10BS |
タカチ |
1 |
| |
ボリューム用ツマミ |
25X15JXS-7 |
Linkman |
1 |
| |
ゴム足 |
BP42 |
タカチ |
1 |
| |
金属スペーサ、ネジ類 |
|
1式 |
4 |
| |
配線材 AWG24 各色 |
|
1式 |
|
は型番と数量に注意
（フィルムコン 0.22μF)他の候補としてPILKOR-224/63V Linkman
（ダイオード）50V/1A以上の定格で可。他の候補として1N4001
製作
基板
ユニバーサル基板を用いました。筆者はD級アンプの製作は初めてです。特にGND配線をどのように行って良いのか分かりません。TPA3122D2はメーカーにて「User's Guide」が公開されていて、基板パターン例も掲載されています。ただし、多層基板の例ですので、そのままユニバーサル基板へは応用（まね）出来ません。そこで、筆者の勝手な解釈で次のように行うことにしました。①L/RのGNDは独立させる。
②アナログGNDとデジタルGNDの接続ポイントは任意に設定できるようにしておく。
③L/Rの部品配置は対称L/RのGND独立に関しては分かり易いように回路図にてGNDシンボルにL,Rなどの添え字を付けています。（少し、おかしな回路図になっている）部品配置に関しては「User's Guide」が参考になると思います。電源が24V時は3端子レギュレータに放熱器を付けてください。
内部配線と組込み
余計なGNDループを作らないようにジャック（端子）類はすべて「絶縁タイプ」を用いています。
用いたケースはタカチの「KC5-13-10BS」です。ケースと組込み要領はパーツまめ知識「ステレオパワーアンプキット LAPA4755-KIT使用レポート」を参照願います。
https://www.marutsu.co.jp/contents/shop/marutsu/mame/173.html
| 周波数 |
2次試作 |
| 20 |
-7.00 |
| 30 |
-4.60 |
| 40 |
-3.20 |
| 50 |
-2.30 |
| 60 |
-1.78 |
| 70 |
-1.40 |
| 80 |
-1.10 |
| 90 |
-0.93 |
| 100 |
-0.78 |
| 200 |
-0.24 |
| 300 |
-0.100 |
| 400 |
0.00 |
| 500 |
0.00 |
| 600 |
0.00 |
| 700 |
0.00 |
| 800 |
0.00 |
| 900 |
0.00 |
| 1000 |
0.00 |
| 10000 |
0.00 |
| 20000 |
0.00 |
| 30000 |
0.00 |
| 40000 |
-0.20 |
| 50000 |
-1.00 |
| 60000 |
-2.93 |
| 70000 |
-6.15 |
| 80000 |
-9.50 |
| 90000 |
-12.4 |
| 100000 |
-14.9 |
電気的特性測定
測定はデータシートと比較する意味で以下の条件で行っています。
GAIN = 20dB8Ω負荷なお、電源電圧はことわりのないかぎり15Vです。
周波数特性
低域は入出力のカップリングコンデンサで、高域はLCフィルタで特性が決まります。
グラフ1のように「素直な特性」です。
-3dB以内での帯域はおおよそ40Hz～60KHzです。
低域はC12(C15)の定数が支配的で、40Hzよりさらに低域にしたい場合は容量をアップ
（例えば1000μF)します。
最大出力
表4
| 電源電圧 |
ひずみ率1％ |
ひずみ率10％ |
| 15V |
3.25W |
4.0W |
| 24V |
8.28W |
10.23W |
条件 8Ω負荷ほぼ、データシートどおり
24V動作で10W出力には驚き！
消費電流
表5
| 電源電圧 |
消費電流 |
備考 |
| 15V 無入力 |
0.115A |
- |
| 15V 3W+3W |
0.55A |
1KHz |
| 24V 8W+8W |
0.775A |
1KHz |
無入力時に消費電流が0.115Aとなっているのはリレーの動作電流(約100mA) とLEDの消費電流を含んでいる 3W+3W （または8W+8W) はL/R同時出力の意味
| 出力 |
1次試作 |
2次試作 |
| 0.01 |
0.398 |
0.330 |
| 0.02 |
0.230 |
0.200 |
| 0.03 |
0.180 |
0.165 |
| 0.04 |
0.154 |
0.135 |
| 0.05 |
0.150 |
0.127 |
| 0.06 |
0.150 |
0.126 |
| 0.07 |
0.150 |
0.122 |
| 0.08 |
0.140 |
0.121 |
| 0.09 |
0.140 |
0.123 |
| 0.10 |
0.140 |
0.130 |
| 0.20 |
0.140 |
0.110 |
| 0.30 |
0.112 |
0.071 |
| 0.40 |
0.117 |
0.065 |
| 0.50 |
0.124 |
0.056 |
| 0.60 |
0.117 |
0.053 |
| 0.70 |
0.130 |
0.053 |
| 0.80 |
0.132 |
0.056 |
| 0.90 |
0.136 |
0.058 |
| 1.00 |
0.139 |
0.061 |
| 2.00 |
0.182 |
0.093 |
| 3.00 |
0.370 |
0.148 |
ひずみ率特性
グラフ2に1次試作品および2次試作品 の特性を示します。
（測定条件）
プリ ローパス フィルタ PRE-LPF
カットオフ周波数 20KHz
減衰量 24.1KHzで約60dB
（1次試作と2次試作の相違点）
2次試作で特性がかなり改善されています。1次試作でひずみ率特性がデータシートと比較して良くなかったので2次試作を行っています。
相違点
①1次試作のIC(TPA3122D2)実装はICソケット（板ばね式）2次試作では基板直付け
②470μFのケミコンは
1次試作 → 一般的なケミコン
2次試作 → 低Z品のELXZ350ELL471MJ20S
両方ともユニバーサル基板で部品配置、配線は、ほぼ同じです。ただし、ユニバーサル基板では同じように配線したつもりでも微妙なはんだ付けで特性に差が出る場合もあります。正確に断定するならば、プリント基板にして部品交換する方法で評価する必要があります。
試聴
消費電流は前記表5のとおりですが、これは正弦波入力の場合です。実際の音楽ソースではこの値より大きなピーク電流が流れます。したがって、用いる電源の電流容量は余裕のあるものを用いたほうが良いようです。ちなみに、15V動作にて安定化電源のCC設定値を1Aにしても、音楽ソースでは時々、電流リミットがかかりました。部品配置およびGNDを含めた配線は「これがベスト」とは思っていません。D級アンプは、たぶん意識しなくても身の回りにあるのかもしれません。筆者は意識してD級アンプの音を聴くのは今回の1次試作が初めてで、軽い衝撃を受けました。音質に関しては個人差がありますので、ここでは表現しませんが、オーディオの楽しみ方が、また1つ増えました。
TPA3122D2は部品点数が少なく、手軽にD級アンプが組めますので、D級とはどのようなものなのか、一度、試されてはいかがでしょうか？
落ち着いたピンジャックの赤と「Class D」の文字が印象的
10W+10Wの出力が得られるとは思えないほどコンパクトに仕上がっている。
