新ヘッドホンアンプの出力インピーダンスを計算

今回のヘッドホンアンプで出力段を2段ダーリントンにしたり3段ダーリントンにしたりと迷走しましたが、なぜか2段の方が良い結果になって不思議に思っていました。出力インピーダンスを計算してみて見えてきた事があります。今日はその報告です。

電子回路（トランジスタ回路）を学習した人はご存じと思いますが、エミッタフォロア回路での出力インピーダンス（エミッタ側からみた抵抗値）は、上の図のように４つのパラメータで決定されます。

詳しくは、こちらを見ていただくとして、早速以下の条件で計算してみましょう。

前段の出力インピーダンスを後段の入力インピーダンスとして使っていくため、段数が多い方が出力インピーダンスは低くなります。

今回の2段ダーリントン構成

ドライバ段
Rs=4.7k//4.7k=2.35kΩ
Ic=5mA
hfe=250
Zo=14.5Ω

最終段
Rs=14.5Ω
Ic=50mA
hfe=80
Zo=0.707Ω

通常の３段ダーリントン構成

プリドライバ段
Rs=100kΩ
Ic=2.5mA
hfe=300
Zo=342Ω

ドライバ段
Rs=342Ω
Ic=10mA
hfe=150
Zo=4.92Ω

最終段
Rs=4.92Ω
Ic=50mA
hfe=80
Zo=0.588Ω

通常の回路の励振段は、コレクタ同士をぶつけていて結構なハイインピーダンスになります。上の計算では100kΩにしました。実際にはもっと高いこともあると思います。

ところが、今回の構成だと2段目に負荷を与えて低ゲイン化しているので、出力バッファの入力インピーダンスが桁違いに低いのです。

　　　< 試作回路 最終段は３ppに変更 >

計算では、最終的に2段構成のZoが0.707Ω、3段では0.588Ωとなりました。トランジスタのhFEに大きなバラつきがある現実を踏まえると、このインピーダンスの差は無いに等しいです。

わかったこと

残念ながら３段ダーリントン構成では発振してしまい、対策としてベース抵抗を入れると音の鮮度が落ちてしまうというデメリットが出てしまいました。

励振段のインピーダンスが低いなら出力バッファは2段ダーリントン構成でも十分。遜色ないみたい。

実際、発振対策した3段よりも、もともと発振しない2段の方が音が良いという結果を体感できたのは個人的に良い経験になりました。励振段のインピーダンスが高い通常のアンプなら２段よりも３段の方が優れているのは間違いないと思います。

実測してみる

せっかく実機があるのですから、計算した数値と実機との差を検証してみましょう。

計算上では0.7Ωだったので、これにエミッタ抵抗分0.47//0.47=0.235Ωを足して３パラ・プッシュプルなので６で割るとでてきます。

（0.707Ω+0.235Ω）÷ 6 = 0.155Ω（計算上）

実測してみると、1kHzで8ΩのON/OFF法のダンピングファクタ＝51.036（20分ほどアイドリングして温まったあとの数値）

つまり、出力インピーダンスは

8Ω÷51.036 ＝ 0.1567Ω（実測）

となりました。hfeのバラツキを考えると偶然の一致という可能性もありますが、ここまで差がでないのには驚きました。

この構成でフィードバックに頼らずに低インピーダンス駆動ができるということがわかって安心しました。

※ ダンピングファクタの測定は配線抵抗の影響を避けるするため基板上で計測しました。実使用時には配線やヘッドホン端子の接触抵抗が含まれてきて低下します。（20～50mΩくらい増えると思います）

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