ブリッジ接続および並列接続のアンプ

複数の電子アンプを、単一のフローティング負荷（ブリッジ）または単一の共通負荷（並列）を駆動するように接続することで、様々な状況で利用可能な電力量を増やすことができます。これはオーディオアプリケーション でよく見られます。

概要

ブリッジ接続または並列接続の動作モードは、通常オーディオパワーアンプに用いられ、2台以上の同一アンプを用いて同じ負荷を同時に駆動する方法です。アンプの出力は負荷ごとに結合されるため、モノラル、ステレオ、マルチチャンネルアンプのセットで可能です。個別のアンプをブリッジ接続または並列接続する方法に応じて、異なる増幅目的を達成できます。その結果、ブリッジ接続または並列接続とさらに組み合わせることができるアンプが完成します。このアプローチは、シングルエンドアンプの使用が不可能、非現実的、またはコスト効率が低い負荷を駆動するのに効果的です。

ブリッジアンプ

ブリッジ接続負荷（BTL）は、ブリッジトランスレスやブリッジモノとも呼ばれ、オーディオアンプの出力構成の一種で、主にプロオーディオや車載用途で使用されるインピーダンスブリッジ方式です。 ^[1]ステレオアンプの2つのチャンネルには、片方のチャンネルの電気極性を反転させたモノラルオーディオ信号が供給されます。2つのアンプ出力の間にスピーカーが接続され、出力端子をブリッジします。これにより、ブリッジなしの同じアンプと比較して、負荷における利用可能な電圧振幅が2倍になります。この構成は、サブウーファーで最もよく使用されます。^[2]

与えられた出力電圧振幅に対して、インピーダンスが低いほど、アンプの負荷は高くなります。ブリッジングは、アンプが低負荷を高電力で駆動できるようにするために使用されます。これは、式 によると、電力はインピーダンスに反比例し、電圧の2乗に比例するためです。この式では、ブリッジングによってアンプの理論上の電力が4倍になることも示されていますが、これは負荷が十分に低い場合にのみ当てはまります。たとえば、アンプがシングルエンドモードで最大能力に達する負荷の場合、ブリッジングで得られるゲインはありません。これは、アンプに電流制限がある可能性があるためです。実際のアプリケーションでは、不適切な発熱と電源によっても電力の増加が制限されますが、ブリッジされたアンプが個別の電源を使用する場合（これが一般的です）、高負荷に対する増加の制限は電力の2倍です。これは、各アンプが総電力の半分しか供給しないためです。 ${\displaystyle P=V^{2}/R}$

標準回路

ブリッジ アンプ構成の代表的な回路図。

例：この図は、ブリッジモードで接続された2つの同一アンプA1とA2を示しています。このシステムは、アンプの出力が互いに反転するように構成されています。つまり、一方のアンプの信号が正方向に振れると、もう一方のアンプの信号は負方向に振れます。一方のアンプの出力が+10ボルトのとき、もう一方のアンプの出力は-10ボルトになり、その逆も同様です。負荷は2つのアンプの「ホット」（通常は赤色）出力間に接続され、両者間の電位差の影響を受けます。一方のアンプの出力の瞬間電位が+10ボルトの場合、もう一方のアンプの出力は-10ボルトになり、負荷両端の電位差は20ボルト、つまり単一のアンプから得られる電位の2倍になります。

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逆位相オーディオ入力信号の提供はいくつかの方法で行うことができますが、適切な知識とスキルが必要です。

1. https://sound-au.com/project20.htm で Rod Elliot が説明しているような内部変更によって;
2. アンプ外部のシンプルなアクティブ位相スプリッター回路によって;
3. アンプ外部の位相分割オーディオ入力トランスによって。

利点と欠点

2つのアンプを同じ電源で逆極性で使用するため、ブリッジ出力はフローティング状態になります。これにより、アンプと負荷間のDCブロッキングコンデンサが不要になり、コストとスペースを節約できるだけでなく、コンデンサによる低周波時の電力低下も回避できます。^[4]同じ理由から、アンプの出力は絶対に接地しないでください。接地するとアンプが損傷する可能性があります。ダンピングファクターが半分に減少するため、電力供給に有利です。^[5]

アンプ設計の考慮事項

オーディオチャットフォーラムでは、アンプのステレオペアをブリッジモードで動作させると、片方のチャンネルの4倍の電力が供給されると主張する愛好家もいます。等価負荷の場合、供給される電力は電圧の2乗に比例し、ブリッジモードでは供給される電圧が2倍になります。このことから、ブリッジモードで動作するアンプの2チャンネルは、同じ負荷を駆動するアンプ1チャンネルの4倍の電力を供給するはずです。しかし、これは重要な考慮事項を無視しています。負荷における電位差が2倍になるため、負荷（およびアンプの各出力）を流れる電流も2倍になるということです。

アンプ回路は通常、所望の性能特性を実現するために必要な最も低コストの部品で設計されます。アンプからの出力電流を供給する部品は、設計された動作モードにおいて、アンプが最大出力で動作しているときのピーク電流消費量を満たす、最も小型（最も安価）なものになる傾向があります。単独動作用に設計されたアンプをブリッジモードで動作させると、出力を駆動する部品のピーク電流が、当初の設計値の2倍に達する可能性があります。

部品が単独動作時に予想されるピーク電流を超える追加電流に耐えられる場合、より大きな電力供給が可能になります。しかし、一般的にアンプは仕様通りに動作することしか期待できず、仕様を超えて動作させるとアンプ回路に恒久的な損傷を与えるリスクが高まります。

そのため、単独動作用に設計されたアンプをブリッジモード動作用に再利用する場合は、負荷インピーダンスを2倍にする必要があります。これにより、消費電流はアンプ設計の制限内に収まります。この場合、ブリッジ接続されたアンプペアから供給される電力は、単一のアンプチャンネルから供給される電力の2倍になります。

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しかし、状況によっては、アンプはブリッジモードで動作するように特別に設計されています。このようなアンプは、必要な電流を供給できるように特別に設計されています。このようなシステムでは、ブリッジ接続されたペアは、単一のアンプチャンネルで供給できる電力の4倍を供給できます。ブリッジモードのオプションは、PAシステム、特にカーオーディオアプリケーションで、低音スピーカーに高出力を供給するためによく使用されます。

カーオーディオアンプは一般的に13.8ボルトの電源しか持たないため、出力で得られる電圧振幅は通常、+/- 6.9ボルトに制限されます。電源電圧のDC/DC変換などの手段でより高い電圧振幅を実現することも可能ですが、ブリッジモード設計を用いることで、よりシンプルで低コストな設計で2倍の電圧振幅を実現できます。この設計は、コンバータによる電力損失を回避することで効率も向上させます。

並列アンプ

並列アンプ構成の代表的な回路図。

並列アンプ構成では、複数のアンプを並列に使用します。つまり、2 つ以上のアンプが共通の負荷に対して同相で動作します。

このモードでは、利用可能な出力電流は2倍になりますが、出力電圧は同じままです。ペアの 出力インピーダンスは半分になります。

この図は、並列構成で接続された 2 つの同一アンプ A1 および A2 を示しています。この構成は、1 つのアンプを低インピーダンス負荷で動作させることができない場合や、負荷インピーダンスの増加や負荷への供給電力の減少なしにアンプあたりの消費電力を削減する必要がある場合によく使用されます。たとえば、2 つの同一アンプ (それぞれ 4 オームでの動作定格) を 4 オーム負荷に並列接続すると、出力電流が両方のアンプで共有されるため、各アンプは 8 オームに相当します。つまり、各アンプは負荷電流の半分を供給し、アンプあたりの消費電力は半分になります。この構成では (理想的または理論上)、各アンプが他のアンプと完全に同一である必要があります。そうでない場合、アンプは互いの負荷として認識されます。実際には、各アンプは次の条件を満たす必要があります。

• 各アンプは、無信号時の出力DCオフセットを可能な限り小さく（理想的にはゼロオフセット）する必要があります。そうでないと、オフセットが大きいアンプがオフセットが小さいアンプに電流を流そうとし、消費電力が増加します。また、オフセットが等しい場合も、負荷に不要な電流（および消費電力）が発生するため、許容されません。これらの問題は、各アンプにオフセットゼロ調整回路を追加することで解決できます。
• 信号が存在する際に出力が互いに駆動し合わないよう、アンプのゲインは可能な限り一致させる必要があります。シンプルで堅牢な解決策は、設計上ゲインが正確に1である並列電圧フォロワを共通の電圧増幅段で駆動することです。

さらに、アンプ間の適切な電流分配を可能にするため、各アンプの出力に直列に小さな抵抗（負荷インピーダンスよりもはるかに小さい抵抗。回路図には示されていません）が追加されています。これらの抵抗は、製造ばらつきにより2つのアンプの出力インピーダンスが完全に同一にならないため必要です。出力抵抗の導入により、この不均衡が分離され、2つのアンプ間の問題となる相互作用が防止されます。

アンプを並列接続するもう​​一つの方法は、電流駆動を使用することです。この方法では、厳密なマッチングや抵抗は必要ありません。

ブリッジ並列増幅器

ブリッジ並列アンプトポロジーは、ブリッジアンプトポロジーと並列アンプトポロジーを階層的に組み合わせたもので、1 つのブリッジ並列チャンネルを生成するには少なくとも 4 つのシングルエンドチャンネルが必要です。 2 つのトポロジーは、ブリッジにより高電圧出力が可能になり、並列化によりサブウーファーアプリケーションで一般的な低インピーダンスを駆動するために必要な電流処理能力が得られるという点で、互いに補完し合います。 これは、ブリッジモードで動作するステレオ出力の IC パワーアンプでより一般的に使用されます。^[6]前のセクションから、2 つのアンプチャンネルのブリッジ構成では、電力が 4 倍になり、消費電力が 2 倍になることがわかります。2 つのアンプチャンネルの並列構成では、電力は同じで、消費電力は半分になります。 そのため、4 つのシングルエンドアンプのセットで両方の構成を組み合わせると、出力は 4 倍になりますが、各構成アンプの消費電力は増加せず、熱の問題への対処が容易になります。

実用的な応用

ステレオアンプ

2台の同一アンプは、共通のケースに共通の電源で接続され、通常はステレオアンプとして扱われます。従来のステレオアンプは、共通のスピーカー端子（通常は黒色）をアンプ内部のグランドレールに接続すれば、ブリッジモードまたはパラレルモードで動作させることができます。これにより、ステレオアンプはモノラルアンプとして動作します。

一部の2チャンネルアンプ、またはステレオアンプには、スイッチを操作し、背面パネルまたはマニュアルに記載されている入出力接続を確認することでブリッジモードで動作させる機能が組み込まれています。このオプションは、高出力PA機器やカーオーディオ用に設計されたアンプに最も多く見られます。パラレルモードでの動作には特別な設備は必要なく、適切な外部接続を接続するだけで実現できます。

ステレオアンプは通常、ゲインとベース/トレブルのコントロールが共通で、ブリッジモードに切り替えると各チャンネルの音量を同じように自動的に調整します。2チャンネルアンプに個別のコントロールがあり、ブリッジモードに切り替えられる場合は、片方のチャンネルのコントロールのみが操作可能となります。

ユーザーがブリッジ モードまたはパラレル モードのいずれかに独自の接続を実装し、アンプに個別のコントロールがある場合、両方のコントロール セットが同一に設定されるよう注意する必要があります。

参照

• 増幅器
• オーディオアンプ
• シングルエンド信号

参考文献

1. Eiche, Jon F. (1990). 礼拝のための音響システムガイド. 録音とオーディオ技術. Hal Leonard Corporation. p. 87. ISBN 0-7935-0029-X。
2. 「ステレオ、パラレル、ブリッジモノ」アンプガイド、DirectProAudio 、 2011年9月28日閲覧。
3. Roberts, Joe (2007). 「オーディオパワーアンプの基礎」. Joe's Tech Notes . 2011年9月28日閲覧。
4. セルフ、ダグラス（2009年）『オーディオパワーアンプ設計ハンドブック（第5版）』Focal Press、367ページ、ISBN 978-0-240-52162-6。
5. Bartlett, Bruce (2010年5月1日). 「アンプ出力マスタークラス：すべての評価が同じではない」. ProSoundWeb . 2011年9月28日閲覧。
6. 「TPA3255 315Wステレオ、600Wモノラル、18～53.5V電源、アナログ入力クラスDオーディオアンプ」Texas Instruments.

さらに読む

• パワーオペアンプのブリッジモード動作 Apex Microtechnology - アプリケーションノート AN20、2012年10月
• ブリッジ/並列アンプ (BPA-200) ドキュメント、National Semiconductorアプリケーション ノート、1997 年 9 月 19 日。
• オーディオ ブリッジ接続負荷アンプの最適化、Maxim Integrated Products、Inc. アプリケーション ノート 1122、2002 年 6 月 24 日。