ＮＦＢの安定性とＮＦＢ手法について　５

５、　歪みを最小にする手法
NFBアンプでは、基本的にはNFB後の歪は裸の状態の1/NFBになります。しかし、NFB量が多い時には単純にそうはならない場合もあり、注意が必要。【劣化要因の排除】１、NFB回路のメインループに歪を混入させない２、NFBから外れた所に歪要素を作らない３、初段の歪にはNFBは効かないので初段で歪を発生させない４、入力電流の歪成分が信号源抵抗に発生させる歪みにはNFBが掛からない【さらなる改善手段】５、局部帰還を積極的に活用して実質NFB量を稼ぐ（出力段を局部帰還ループ内に入れて歪み低減）６、内部で歪の打消しを行う（効果が限定的なので多用は禁物）以下に、具体例を挙げてその内容を紹介します。 ●NFB回路のメインループに歪を混入させない下の図は２次位相補正で10kHz以下では100dB以上のNFB量を確保し、低歪を実現したアンプの例である。８Ω, 10Vrms出力時に10kHzで-140dB近い歪率が得られる。２次補正なので出力段のクロスオーバー歪みは２次微分されて高域成分が主として残留している。この回路の一部を変更し、NFB回路の位相補償Ｃ (C4=33pF) の接続を変更した場合の歪波形が次の図。 C4の接続先が出力段の手前側になったのでクロスオーバー歪みが初段への主NFBループにC4を通じて流入し、大きく歪率が劣化する。（超高域では出力段がNFBループから外された状態） NFBのゲインクロス周波数を限界まで高く取りたい場合には、出力段のカットオフ周波数が最大のネックになるのでNFBから外したくなるが、これでは歪率が犠牲になってしまう。 C4を２つに分割して中点を出力からＲでﾌﾞｰﾄｽﾄﾗｯﾌﾟするなどのテクニックである程度は改善できるが、基本は素直に出力端から直接NFBを掛けられる裸特性にするのが望ましい。 NFB回路に歪が混入する別の要因として、初段の入力電流の影響がある。上の図では、Q2のベース電流（Cob充電電流含む）がR1に流入するので、その歪成分はそのまま増幅されてしまう。（NFBによる改善は全く効かない）　改善するには、・NFB回路のインピーダンスを下げて電流による歪発生電圧を下げる・初段の電流・電圧の振幅を小さくして歪成分の発生を抑える・入力インピーダンスの高い初段素子（FET等）を用いるさらに別の歪混入要因として磁束による干渉もある。パワーアンプでは大電流の流れる部品や配線があるので、これの発生する磁束がNFB-GNDのループに入るとその誘起電圧はそのまま出力されてしまう。NFB-GNDのループ面積が最小となるように、配線を捩るのも有効な対策。磁束を発生する側（電源トランスから整流・平滑回路までの大電流経路や出力Trの配線）を電流のリターン側とセットにして捩るのも有害な磁束を撒き散らさない為に有効である。意外と見落としやすい点に、NFB回路素子自体の歪がある。「音響用」と能書きがあるカーボン抵抗でも、1/2Wタイプに100mWを印加すると1kHzで-120dB程度の３次歪を発生する。1ppm以下の歪を狙うのであれば、NFBにカーボン抵抗は使えない。位相補正用の100pF程度のＣでも、CHやCOG特性ならｾﾗﾐｯｸでも良いが、B特性のセラミックは歪みだらけで全く使えない。 ●NFBから外れた所に歪要素を作らない実装上の注意点である。どんなに太い線で配線しても、抵抗はゼロにはできない。（1cm当り0.1mΩ程度はある） NFBのリターン電圧やGND基準点を接続するポイントを「汚い電流」が流れているラインに接続すると、μＶ単位の電流に比例した電圧（配線がまずいとmV以上になる場合もある）が最終的な出力に加算されてしまう。出力電流が流れているラインなら出力電圧がμＶ単位で変化するだけで害はないが、電流波形が半波整流波形や電源の充電電流だとそのまま歪みになる。右の図はアンプの出力段と電源、GNDの接続を簡略化して表わしたものであるが、この図で赤い線はAB級出力段の半波整流波形の電流が流れる部分でありこの部分にNFBやGNDを接続してはいけない。（図の接続は陥りやすいＮＧの例） NFBの帰還ポイントは「NFB」、GNDは「GG」の部分に接続しなければならない。何が違うのかと言うと、±の半波整流波形の電流が合成されて正弦波の出力電流になった後なら良いのである。（電圧は同じでも流れている電流波形が違う）電源やGNDの配線にまつわる話は、「ＧＮＤの配線方法について」で別途解説する。 ●初段で歪を発生させない「NFB後の歪は裸の状態の1/NFBになる」は正しいが、初段の入力換算の歪にはNFBは効かない。一見矛盾するようだが、後段でゲインを100倍上げてNFB量を100倍にしても、100倍になった歪が1/100になるだけなので変化しないのは当然である。（ここは勘違いしやすい所。）普通は後段でゲインを２倍に上げると、同じ出力振幅では初段の必要振幅は半分になるので初段の歪は減る。これはNFBで減ったのではなく単純に振幅が減った事による歪発生量そのものの減少である。但し、位相補正の制約でＳＲを得る為に初段の振幅が必要とされたり、入力信号の電圧スイングで初段のVce変調による歪は初段出力振幅と無関係に印加されたりするので、常に初段も歪が減るとは限らない。 NFB後のゲインが小さい場合は入力信号の振幅も大きくなるので初段の電圧振幅も大きくなる。初段電圧スイングの点で最も厳しいのは0dBバッファであり、初段に対しカスコードでブートストラップするのが電圧振幅に対する有効な対策である。増幅器を反転型にして、入力を常に0Vに保つのも初段電圧印加に対する有効な対策。初段の差動回路のテール電流を抵抗だけで決めると、入力振幅でテール電流が変調され、動作振幅との掛け算で２次歪が発生する。差動回路の共通エミッタ（又は共通ソース）電流は定電流回路で変調されないように固定することが望ましい。 ●信号源抵抗に発生する歪みにはNFBが掛からない初段の入力電流がNFB回路に及ぼす影響を解説したのと同様に、入力信号側の抵抗（信号源インピーダンス）が高いと入力信号そのものに歪電圧が加算される。これは本来の入力信号と全く区別できないのでNFBも効かず、信号源インピーダンスが高い場合は非常に大きな歪発生要因となる。改善には、・初段の電流・電圧の振幅を小さくして歪成分の発生を抑える・入力インピーダンスの高い初段素子（FET等）を用いる・初段に対しカスコードでブートストラップする等の対策が有効。バイポーラＴｒではアンプの電源電圧変動でIbが変動し、信号源抵抗が大きいとPSRRが劣化する。耐圧の点ではカスコードの必要はなくても、初段をカスコードブートストラップするのは性能向上に効果が大きい。 ●局部帰還を積極的に活用して実質NFB量を稼ぐ（出力段を局部帰還ループ内に入れて歪み低減）普通NFB量と言えば、オーバーオール（メインループ）でのNFB量を指す。しかし、オーバーオールの帰還を掛ける為に内部増幅段の特性を局部帰還で整える事は常用される手法であり、この局部帰還のNFB量も上手く使えば「実質」NFB量に加えることが出来る。下の図は１次補正のパワーアンプの例であるが、10kHzでのNFB量は50dBであるために出力段のクロスオーバー歪みがかなり大きく残っている。１次補正のC2=33pFの接続ポイントを電圧段出力から最終段出力へ変更した時の10kHz10Vrms出力時の歪が次の図。500uVp-p程あったクロスオーバー歪のピークが1/100に減っている。これは、C2による電圧増幅段の局部帰還ループ内に出力段も入れたためであり、非常に大きな改善効果が得られている。１次補正なので初段の必要振幅が大きく、初段の２次歪がまだ大きく残っている。参考として、初段のエミッタテール電流を定電流回路ではなくて単なる抵抗にした場合の歪波形を下に示す。電源+50Vに対し入力電圧振幅は±0.5Vpeakであるが、初段の電流変動１％による掛算動作で出力にはきれいな２次高調波が生成される。なお、２つの回路で位相補正部分の定数が異なるのは出力段の位相回転に対する対策法の違いである。上は出力石のベースにダンピング抵抗を挿入してダーリントンを低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ駆動した時の10MHzのピークを抑制し、出力から直接電圧段入力へ局部帰還を掛けられるように補正している。下の回路では位相補正Ｃを分割して出力端子からブートストラップを掛けることにより低域では出力端子から帰還して歪を抑え、高域では出力段の位相回転から局部NFBを切り離す手法を使っている。限界性能は上の方が優れているが、設定はかなりクリチカルであり、下の補正法の方が安定して汎用に使える。同様に、２次位相補正を使った場合の局部NFBループに出力段を含めない場合と含めた場合の歪波形比較をしたのが次の図。２次補正では初段の電流振幅が低く抑えられるので、初段のテールに定電流を入れなくても２次歪発生は少ない。さらに、オーバーオールでも10kHzで100dB近いNFB量があるので、局部NFBに出力段を入れなくてもかなり良い所まで特性を追い込める。（一番最初に紹介したのと同一。）局部帰還のNFBポイントを低域で出力端から取るように変更すると、このようにクロスオーバー歪みが半減する。周波数10kHzではその差が大きくないが、20kHzになると差はもっと大きくなる。 ●内部で歪の打消しを行う NFB後の歪はNFB前の値の1/NFBになるので、裸の状態で歪を減らすのはNFB量に関係なく効果がある。最終的に２次高調波が歪成分の大半を占めている場合、内部に逆位相の高調波発生要因を意図的に組み込むことで打消しが出来る場合もある。【例】Vce変化に対し２次歪が発生するので、カスコードのﾌﾞｰﾄｽﾄﾗｯﾌﾟ電位を信号で変調すると２次歪の打消し量を微調整できる。但し、このような手法が有効なのは周波数と振幅範囲が限定されている時だけであり、歪の発生量は周波数によって大きく変わり、振幅によっても非線形に変化するので打ち消すはずが逆に歪み注入装置になってしまう。10kHz固定のSpot発振回路等で、最後の微調整手段として活用する位である。広範囲の効果を期待するには、「本質的な直線性」を改善する手段を地道に積み上げるのが良い。・コンプリメンタリのPNP/NPNの特性を合わせて２次歪をキャンセル（Cob, hFE等）・差動回路ではＤＣバランスが崩れると２次歪が出るのでバランス調整を付ける・出力段のアイドリングを３次歪が最小になるポイントに設定シミュレーションで歪を見ながら定数の調整を行う際、アイドリング条件など「たまたま」３次歪が打ち消されてピンポイントで良い所が見つかったりするが、シミュレーションした条件で「たまたま」良かっただけで他の条件を変えると逆に悪くなっている事も多い。打ち消しに多くを期待するのは良くないのである。　　　　　　NFBの目次に戻る　　　　アンプ設計のTOP に戻る

５、　歪みを最小にする手法

　

NFBアンプでは、基本的にはNFB後の歪は裸の状態の1/NFBになります。
しかし、NFB量が多い時には単純にそうはならない場合もあり、注意が必要。

【劣化要因の排除】
１、NFB回路のメインループに歪を混入させない
２、NFBから外れた所に歪要素を作らない
３、初段の歪にはNFBは効かないので初段で歪を発生させない
４、入力電流の歪成分が信号源抵抗に発生させる歪みにはNFBが掛からない

【さらなる改善手段】
５、局部帰還を積極的に活用して実質NFB量を稼ぐ（出力段を局部帰還ループ内に入れて歪み低減）
６、内部で歪の打消しを行う（効果が限定的なので多用は禁物）

以下に、具体例を挙げてその内容を紹介します。

●NFB回路のメインループに歪を混入させない

下の図は２次位相補正で10kHz以下では100dB以上のNFB量を確保し、低歪を実現したアンプの例である。
８Ω, 10Vrms出力時に10kHzで-140dB近い歪率が得られる。２次補正なので出力段のクロスオーバー歪みは２次微分されて高域成分が主として残留している。

この回路の一部を変更し、NFB回路の位相補償Ｃ (C4=33pF) の接続を変更した場合の歪波形が次の図。
C4の接続先が出力段の手前側になったのでクロスオーバー歪みが初段への主NFBループにC4を通じて流入し、大きく歪率が劣化する。（超高域では出力段がNFBループから外された状態）

NFBのゲインクロス周波数を限界まで高く取りたい場合には、出力段のカットオフ周波数が最大のネックになるのでNFBから外したくなるが、これでは歪率が犠牲になってしまう。
C4を２つに分割して中点を出力からＲでﾌﾞｰﾄｽﾄﾗｯﾌﾟするなどのテクニックである程度は改善できるが、基本は素直に出力端から直接NFBを掛けられる裸特性にするのが望ましい。

NFB回路に歪が混入する別の要因として、初段の入力電流の影響がある。
上の図では、Q2のベース電流（Cob充電電流含む）がR1に流入するので、その歪成分はそのまま増幅されてしまう。（NFBによる改善は全く効かない）　改善するには、
・NFB回路のインピーダンスを下げて電流による歪発生電圧を下げる
・初段の電流・電圧の振幅を小さくして歪成分の発生を抑える
・入力インピーダンスの高い初段素子（FET等）を用いる

さらに別の歪混入要因として磁束による干渉もある。パワーアンプでは大電流の流れる部品や配線があるので、これの発生する磁束がNFB-GNDのループに入るとその誘起電圧はそのまま出力されてしまう。NFB-GNDのループ面積が最小となるように、配線を捩るのも有効な対策。
磁束を発生する側（電源トランスから整流・平滑回路までの大電流経路や出力Trの配線）を電流のリターン側とセットにして捩るのも有害な磁束を撒き散らさない為に有効である。

意外と見落としやすい点に、NFB回路素子自体の歪がある。「音響用」と能書きがあるカーボン抵抗でも、1/2Wタイプに100mWを印加すると1kHzで-120dB程度の３次歪を発生する。1ppm以下の歪を狙うのであれば、NFBにカーボン抵抗は使えない。
位相補正用の100pF程度のＣでも、CHやCOG特性ならｾﾗﾐｯｸでも良いが、B特性のセラミックは歪みだらけで全く使えない。

●NFBから外れた所に歪要素を作らない

実装上の注意点である。
どんなに太い線で配線しても、抵抗はゼロにはできない。（1cm当り0.1mΩ程度はある）
NFBのリターン電圧やGND基準点を接続するポイントを「汚い電流」が流れているラインに接続すると、μＶ単位の電流に比例した電圧（配線がまずいとmV以上になる場合もある）が最終的な出力に加算されてしまう。

出力電流が流れているラインなら出力電圧がμＶ単位で変化するだけで害はないが、電流波形が半波整流波形や電源の充電電流だとそのまま歪みになる。

右の図はアンプの出力段と電源、GNDの接続を簡略化して表わしたものであるが、この図で赤い線はAB級出力段の半波整流波形の電流が流れる部分でありこの部分にNFBやGNDを接続してはいけない。
（図の接続は陥りやすいＮＧの例）

NFBの帰還ポイントは「NFB」、GNDは「GG」の部分に接続しなければならない。
何が違うのかと言うと、±の半波整流波形の電流が合成されて正弦波の出力電流になった後なら良いのである。（電圧は同じでも流れている電流波形が違う）

電源やGNDの配線にまつわる話は、「ＧＮＤの配線方法について」で別途解説する。

●初段で歪を発生させない

「NFB後の歪は裸の状態の1/NFBになる」は正しいが、初段の入力換算の歪にはNFBは効かない。
一見矛盾するようだが、後段でゲインを100倍上げてNFB量を100倍にしても、100倍になった歪が1/100になるだけなので変化しないのは当然である。（ここは勘違いしやすい所。）

普通は後段でゲインを２倍に上げると、同じ出力振幅では初段の必要振幅は半分になるので初段の歪は減る。これはNFBで減ったのではなく単純に振幅が減った事による歪発生量そのものの減少である。
但し、位相補正の制約でＳＲを得る為に初段の振幅が必要とされたり、入力信号の電圧スイングで初段のVce変調による歪は初段出力振幅と無関係に印加されたりするので、常に初段も歪が減るとは限らない。

NFB後のゲインが小さい場合は入力信号の振幅も大きくなるので初段の電圧振幅も大きくなる。
初段電圧スイングの点で最も厳しいのは0dBバッファであり、初段に対しカスコードでブートストラップするのが電圧振幅に対する有効な対策である。
増幅器を反転型にして、入力を常に0Vに保つのも初段電圧印加に対する有効な対策。

初段の差動回路のテール電流を抵抗だけで決めると、入力振幅でテール電流が変調され、動作振幅との掛け算で２次歪が発生する。差動回路の共通エミッタ（又は共通ソース）電流は定電流回路で変調されないように固定することが望ましい。

●信号源抵抗に発生する歪みにはNFBが掛からない

初段の入力電流がNFB回路に及ぼす影響を解説したのと同様に、入力信号側の抵抗（信号源インピーダンス）が高いと入力信号そのものに歪電圧が加算される。これは本来の入力信号と全く区別できないのでNFBも効かず、信号源インピーダンスが高い場合は非常に大きな歪発生要因となる。

改善には、
・初段の電流・電圧の振幅を小さくして歪成分の発生を抑える
・入力インピーダンスの高い初段素子（FET等）を用いる
・初段に対しカスコードでブートストラップする
等の対策が有効。

バイポーラＴｒではアンプの電源電圧変動でIbが変動し、信号源抵抗が大きいとPSRRが劣化する。
耐圧の点ではカスコードの必要はなくても、初段をカスコードブートストラップするのは性能向上に効果が大きい。

●局部帰還を積極的に活用して実質NFB量を稼ぐ（出力段を局部帰還ループ内に入れて歪み低減）

普通NFB量と言えば、オーバーオール（メインループ）でのNFB量を指す。
しかし、オーバーオールの帰還を掛ける為に内部増幅段の特性を局部帰還で整える事は常用される手法であり、この局部帰還のNFB量も上手く使えば「実質」NFB量に加えることが出来る。

下の図は１次補正のパワーアンプの例であるが、10kHzでのNFB量は50dBであるために出力段のクロスオーバー歪みがかなり大きく残っている。

１次補正のC2=33pFの接続ポイントを電圧段出力から最終段出力へ変更した時の10kHz10Vrms出力時の歪が次の図。500uVp-p程あったクロスオーバー歪のピークが1/100に減っている。これは、C2による電圧増幅段の局部帰還ループ内に出力段も入れたためであり、非常に大きな改善効果が得られている。

１次補正なので初段の必要振幅が大きく、初段の２次歪がまだ大きく残っている。
参考として、初段のエミッタテール電流を定電流回路ではなくて単なる抵抗にした場合の歪波形を下に示す。電源+50Vに対し入力電圧振幅は±0.5Vpeakであるが、初段の電流変動１％による掛算動作で出力にはきれいな２次高調波が生成される。

なお、２つの回路で位相補正部分の定数が異なるのは出力段の位相回転に対する対策法の違いである。
上は出力石のベースにダンピング抵抗を挿入してダーリントンを低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ駆動した時の10MHzのピークを抑制し、出力から直接電圧段入力へ局部帰還を掛けられるように補正している。

下の回路では位相補正Ｃを分割して出力端子からブートストラップを掛けることにより低域では出力端子から帰還して歪を抑え、高域では出力段の位相回転から局部NFBを切り離す手法を使っている。
限界性能は上の方が優れているが、設定はかなりクリチカルであり、下の補正法の方が安定して汎用に使える。

同様に、２次位相補正を使った場合の局部NFBループに出力段を含めない場合と含めた場合の歪波形比較をしたのが次の図。２次補正では初段の電流振幅が低く抑えられるので、初段のテールに定電流を入れなくても２次歪発生は少ない。さらに、オーバーオールでも10kHzで100dB近いNFB量があるので、局部NFBに出力段を入れなくてもかなり良い所まで特性を追い込める。（一番最初に紹介したのと同一。）

局部帰還のNFBポイントを低域で出力端から取るように変更すると、このようにクロスオーバー歪みが半減する。周波数10kHzではその差が大きくないが、20kHzになると差はもっと大きくなる。

●内部で歪の打消しを行う

NFB後の歪はNFB前の値の1/NFBになるので、裸の状態で歪を減らすのはNFB量に関係なく効果がある。
最終的に２次高調波が歪成分の大半を占めている場合、内部に逆位相の高調波発生要因を意図的に組み込むことで打消しが出来る場合もある。

【例】Vce変化に対し２次歪が発生するので、カスコードのﾌﾞｰﾄｽﾄﾗｯﾌﾟ電位を信号で変調すると２次歪の打消し量を微調整できる。

但し、このような手法が有効なのは周波数と振幅範囲が限定されている時だけであり、歪の発生量は周波数によって大きく変わり、振幅によっても非線形に変化するので打ち消すはずが逆に歪み注入装置になってしまう。10kHz固定のSpot発振回路等で、最後の微調整手段として活用する位である。

広範囲の効果を期待するには、「本質的な直線性」を改善する手段を地道に積み上げるのが良い。
・コンプリメンタリのPNP/NPNの特性を合わせて２次歪をキャンセル（Cob, hFE等）
・差動回路ではＤＣバランスが崩れると２次歪が出るのでバランス調整を付ける
・出力段のアイドリングを３次歪が最小になるポイントに設定

シミュレーションで歪を見ながら定数の調整を行う際、アイドリング条件など「たまたま」３次歪が打ち消されてピンポイントで良い所が見つかったりするが、シミュレーションした条件で「たまたま」良かっただけで他の条件を変えると逆に悪くなっている事も多い。

打ち消しに多くを期待するのは良くないのである。

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