超低歪プリアンプ (LTspice シミュレーション)
Takayuki HOSODA

バイポーラトランジスタの動作点が変化しないように注意深く設計すると低歪が得られるのではないかという考えのもとに設計したオーディオ用プリアンプです。
シミュレーション結果では、THD = 0.000186 % @freq = 20 kHz が Av = 50, Vout(p-p) = 10 V, Rload = 300 Ω の条件で得られています。

シミュレーション回路

Ultra low distortion pre-amplifier

Download lowthd224.asc, the schematic file for the LTspice XVII.

注記: LTspice XVII で精密な歪み率解析をするには

フーリエ解析結果

条件 : lowthd224, frequency = 20 kHz, Av = 50, Vout(p-p) = 10 V, Rload=300 Ω, Tj = 27 ℃
N-Period=5
Fourier components of V(out)
DC component:-0.018191

Harmonic	Frequency	 Fourier 	Normalized	 Phase  	Normalized
 Number 	  [Hz]   	Component	 Component	[degree]	Phase [deg]
    1   	2.000e+04	5.001e+00	1.000e+00	   -0.49−	    0.00−
    2   	4.000e+04	4.629e-06	9.257e-07	   43.61−	   44.10−
    3   	6.000e+04	7.857e-06	1.571e-06	   70.90−	   71.38−
    4   	8.000e+04	1.833e-06	3.666e-07	   84.53−	   85.02−
    5   	1.000e+05	5.536e-07	1.107e-07	 -100.76−	 -100.27−
    6   	1.200e+05	1.158e-07	2.316e-08	 -100.43−	  -99.95−
    7   	1.400e+05	3.941e-08	7.881e-09	  103.43−	  103.92−
    8   	1.600e+05	1.227e-08	2.453e-09	  -42.16−	  -41.68−
    9   	1.800e+05	4.179e-09	8.356e-10	  -13.82−	  -13.34−
   10   	2.000e+05	3.839e-09	7.676e-10	  122.65−	  123.13−
Total Harmonic Distortion: 0.000186%(0.000000%)

FFT スペクトラム (.tran 0 10.5m 0 25n)

周波数特性

Frequency V.S. Gain and Phase
Gain and phase
f-3dB ≃ 2.9 MHz

Frequency V.S. Gain and Group delay
Group delay

Frequency V.S Loop gain and Phase
Loop gain

過渡特性

Transient response
tr ≈ 130 ns, tf ≈ 180 ns

結論

バイポーラ・トランジスタの動作点を合わせることによって、そうでないアンプより1桁低い歪み率を実現できることが分かりました。 実は、1996年当時、調べているうちに Analog devices 社の AD797 がほぼ同じ考えで電圧増幅段を出力からブートストラップするようになっていて、所々違うけれど内部構成がそっくりで利点もあれば欠点もあるけど大同小異な感じで新規性に乏しくがっかりした覚えがあります。 しかも AD797 の SPICE モデルが公開されたのをみたら 1992 年にシミュレーションモデルが書かれていて、筆者がこのシミュレーションをしてたのが 1996 年、出遅れも良いところでした。

履歴

Rev.2.0 (Apr. 17, 1996) simulation by SPICE 2g6
Rev.2.1 (Jul. 25, 1996) rewritten for PSPICE — Schematic wallpaper (Low distortion pre-amplifier)
Rev.2.2 (Jun. 19, 2021) rewritten for LTspice XVII 
Rev.2.22 (Jun. 22, 2022) bias opimization
Rev.2.24 (Jun. 24, 2022) group delay opimization

See also

External link



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