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オーディオエレクトロニクスで最も混乱する課題の1つに取り組む
私がオーディオの基礎を学んだとき、把握するのが最も難しい概念の1つは出力インピーダンスでした。 入力インピーダンス私は、スピーカーの例から、本能的に理解しました。 結局のところ、スピーカードライバーにはコイルのコイルが入っており、コイルのコイルが電気の流れに抵抗していることがわかっていました。 しかし、 出力インピーダンス？ なぜアンプやプリアンプの出力にインピーダンスがあるのでしょうか？ それはすべての可能なボルトとアンプは、それが運転しているものに配信したいと思いませんか？
読者と愛好家との長年のチャットで、私は出力インピーダンスの全体的な考え方を得ていない唯一の人ではなかったことに気づきました。 だから、私はその件について下塗りをするのがいいと思った。 この記事では、プリアンプ、アンプ、ヘッドフォンの3つの非常に異なる状況を扱います。
まず、 インピーダンスの概念を簡単に説明しましょう。 抵抗は、何かがDC電気の流れを制限する程度です。 インピーダンスは基本的に同じですが、DCの代わりにACを使用します。 典型的には、電気信号の周波数が変化すると、構成要素のインピーダンスが変化する。 例えば、小さなコイルのコイルは、1Hzではほぼゼロのインピーダンスを有するが、100kHzでは高いインピーダンスを有する。 コンデンサは1Hzではほぼ無限大のインピーダンスを持ちますが、100kHzではほとんどインピーダンスがありません。
出力インピーダンスは、プリアンプまたはアンプの出力デバイス（通常はトランジスター、場合によってはトランスまたはチューブ）とコンポーネントの実際の出力端子間のインピーダンスの量です。 これには、デバイス自体の内部インピーダンスも含まれます。
なぜ出力インピーダンスが必要ですか？
では、なぜコンポーネントに出力インピーダンスがあるのでしょうか？ ほとんどの場合、短絡による損傷から保護することです。
出力デバイスは、処理できる電流の量が制限されています。 デバイスの出力が短絡している場合、大量の電流を供給するよう求められています。 例えば、2.83Vの出力信号は、典型的な8オームスピーカに0.35アンペアおよび1ワットの電流を発生させる。 問題はない。 しかし、0.01オームのインピーダンスを持つワイヤがアンプの出力端子に接続されている場合、同じ2.83ボルトの出力信号は、282.7アンペアと800ワットの電流を生成します。 これまでのところ、ほとんどの出力デバイスが提供できるものよりはるかに多くのことです。 アンプに何らかの保護回路またはデバイスがないかぎり、出力デバイスは過熱し、おそらく永久的な損傷を被ります。 そして、ええ、それは火をつけることさえできる。
いくらかの量のインピーダンスが出力に組み込まれていると、出力インピーダンスが常に回路内にあるため、部品は明らかに短絡保護機能が優れています。 出力インピーダンスが30オームのヘッドフォンアンプを持ち、32オームのヘッドフォンを駆動し、ヘッドフォンコードを誤ってハサミで切断してショートさせたとします。 あなたは62オームの合計システムインピーダンスから、多分30.01オームのトータルインピーダンスまで下がります。これはあまり重要ではありません。 確かに、8オームから0.01オームに下がるよりもはるかに極端ではありません。
どのように出力インピーダンスを下げるべきか？
オーディオの非常に一般的な経験則は、出力インピーダンスを、それが供給する予定の入力インピーダンスより少なくとも10倍低くしたいということです。 このようにして、出力インピーダンスはシステムの性能に大きな影響を与えません。 出力インピーダンスが入力インピーダンスの10倍をはるかに超える場合、いくつかの異なる問題が発生する可能性があります。
オーディオエレクトロニクスでは、出力インピーダンスが高すぎるとフィルタリング効果が発生し、奇妙な周波数応答の異常を引き起こし、電力出力が低下する可能性があります。 これらの現象の詳細については、スピーカーケーブルが音質にどのように影響するかについての第1および第2の記事をご覧ください。
アンプでは、さらに問題があります。 アンプがスピーカーコーンを前方または後方に動かすと、スピーカーのサスペンションがコーンを中心位置に戻します。 この動作によって電圧が生成され、アンプに戻されます。 （この現象は「逆起電力」または逆起電力と呼ばれます）。アンプの出力インピーダンスが十分に低い場合は、逆起電力を効果的に短絡し、コーンが跳ね返ってブレーキとして機能します。 アンプの出力インピーダンスが高すぎると、コーンを止めることができず、コーンは摩擦が止まるまで前後に跳ね続けます。 これにより、呼び出し音が鳴り、停止するはずの音符が残ります。
これはアンプの減衰率で見ることができます。 ダンピング係数は、予想平均入力インピーダンス（8オーム）をアンプの出力インピーダンスで割ったものです。 数値が高いほど減衰係数が良好です。
アンプの出力インピーダンス
ここではアンプについて説明していますので、上の図に示す例から始めましょう。 スピーカーのインピーダンスは一般的に6~10オームですが、スピーカーが特定の周波数で3オームのインピーダンスに落としたり、極端な場合には2オームにしたりするのが一般的です。 2つのスピーカーを並行して使用する場合、カスタムインストーラーはマルチルームオーディオシステムを作成する際によく使用されるように、インピーダンスを半分にカットします。つまり、100Hzで2オームにスピーカーをスピーカーとして使用すると、同じタイプの別のスピーカーと対になります。 それはもちろん極端なケースですが、アンプの設計者はこのような極端なケースを考慮する必要があります。また、修理のためにアンプの大きな山が現れる可能性もあります。
1オームの最小スピーカーインピーダンスを計算すると、アンプの出力インピーダンスは0.1オーム以下になります。 明らかに、出力デバイスに実際の保護を与えるために、このアンプの出力に十分な抵抗を追加する余地はありません。
したがって、増幅器は何らかの保護回路を使用しなければならない。 これは、アンプの電流出力を追跡し、電流引き込みが高すぎると出力を切断するものです。 または、入力AC電源ラインまたは電源のレール上のヒューズまたは回路ブレーカと同じくらい簡単にすることもできます。 電流の引き込みがアンプが処理できる以上の電流が流れると、電源が切断されます。
ちなみに、ほぼすべての管のパワーアンプは出力トランスを使用しています。出力トランスは金属フレームに巻きつけた単線コイルなので、0.5オーム以上の大きなインピーダンスがあります。 実際、Sunfireソリッドステート（トランジスタ）アンプのチューブアンプのサウンドをシミュレートするため、有名デザイナーのBob Carver氏は出力デバイスと直列に1オームの抵抗を配置した「電流モード」スイッチを追加しました。 もちろん、これは前述の入力インピーダンスに対する出力インピーダンスの1対10の最小比に違反し、接続されたスピーカーの周波数応答に大きな影響を与えましたが、それは多くのチューブアンプとそれはまさにカーバーがシミュレートしたかったものです。
02/03
プリアンプ/ソースデバイスの出力インピーダンス
上記の図に示すように、プリアンプまたはソースデバイス（CDプレーヤー、ケーブルボックスなど）では、別の状況です。 この場合、電力や電流は気にしません。 オーディオ信号を伝えるために必要なのは電圧だけです。 このように、下流デバイス（プリアンプの場合は電力増幅器、ソースデバイスの場合はプリアンプ）は高い入力インピーダンスを持つことができます。 ラインを流れる電流は、その高い入力インピーダンスによってほとんど完全に阻止されますが、電圧はうまくいきます。
ほとんどのパワーアンプとプリアンプでは、10〜100kΩの入力インピーダンスが一般的です。 エンジニアはより高いレベルに進むことができますが、そのように騒音が増える可能性があります。 ちなみに、ギター・アンプは通常、入力インピーダンスが250キロオーム~1メガ・オームです。エレクトリック・ギター・ピックアップは、通常、3〜10キロオームの出力インピーダンスを持つためです。
RCAプラグの2本の裸の導体を短絡する金属に対して擦ってしまうので、短絡はラインレベルの回路と共通する場合があります。 したがって、プリアンプとソース・デバイスでは100オーム以上の出力インピーダンスが一般的です。 私は2オームほど低いラインレベルの出力インピーダンスを持つエキゾチックでハイエンドなコンポーネントをいくつか見てきましたが、これらは非常に高出力の出力トランジスタまたは短絡による損傷を防ぐ保護回路を備えています。 場合によっては、DC電圧をブロックして出力デバイスのバーンアウトを防止するために、出力に結合コンデンサを使用することがあります。
Phonoプリアンプはまったく異なるテーマです。 通常、CDプレーヤと同様の出力インピーダンスを備えていますが、入力インピーダンスはラインステージプリアンプのインピーダンスと大きく異なります。 それはあまりにもここに入ることです。 多分私は別の記事でその主題を掘り下げます。
03/03
ヘッドフォンアンプの出力インピーダンス
ヘッドフォンの人気が高まったことで、典型的なヘッドフォン・アンプのシステム・インピーダンスの配置が奇妙で非標準的なものになりました。 従来のアンプとは異なり、ヘッドフォンアンプはさまざまな出力インピーダンスを持っています。 ほとんどのラップトップコンピュータに内蔵されているもののように、実際には安いヘッドフォンアンプは、通常、ヘッドフォンインピーダンスが約16〜70オームの範囲であっても、75または100オームの出力インピーダンスを持つことがあります。
アンプが動作しているときに消費者がスピーカーを切断して再接続することはまれであり、アンプが動作しているときにはスピーカーケーブルが損傷することは稀です。 しかし、ヘッドフォンでは、これらのことが常に起こります。 ヘッドフォンアンプが動作しているときは、通常、ヘッドフォンを接続または切断します。 ヘッドフォンケーブルは、しばしば使用中に損傷を受け、短絡が発生することがあります。 もちろん、ほとんどのヘッドフォンアンプは安価なデバイスなので、費用のかかる保護回路を追加することができます。 ほとんどのメーカーは、より簡単な方法を採用しています。抵抗（または時にはコンデンサ）を追加してアンプの出力インピーダンスを上げます。
私のヘッドフォンの測定結果（2番目のグラフに行く）からわかるように、高出力インピーダンスはヘッドホンの周波数応答に大きな影響を与えます。 私は5オームの出力インピーダンスを持つMusical Fidelityヘッドフォンアンプでヘッドホンの周波数応答を測定し、さらに75オームの合計出力インピーダンスを生成するために余分な70オームの抵抗を追加して測定します。
高い出力インピーダンスがもたらす影響は、接続されたヘッドフォンのインピーダンス、特に異なる周波数でのヘッドホンのインピーダンスの変化によって異なります。 バランスの取れたアーマチュアドライバを備えたほとんどのインイヤーモデルのように、大きなインピーダンススイングを持つヘッドフォンは、通常、出力インピーダンスの低いアンプから高出力インピーダンスのアンプに切り替えると、周波数応答が大きく変化します。 低インピーダンスの音源で使用すると、自然な音色のバランスを持つヘッドホンは、高音域の音源で使用すると、しなやかで鈍いバランスをとることがあります。
幸いにも、低出力インピーダンスは多くのハイエンドヘッドフォンアンプ（特にソリッドステートモデル）、さらにはiPhoneなどのデバイスに内蔵されている小さなヘッドフォンアンプチップでさえも利用できます。 ヘッドフォンが高いか低い出力インピーダンスで使用するために発音されているかどうかを確かに知る方法はありませんが、私はこの記事の前半で述べた理由で低出力インピーダンスにこだわりたいと思っています。
私は、出力インピーダンスが高いヘッドフォンアンプ（これをタイプしているノートパソコンのものなど）で使用すると、周波数応答の変化を引き起こす巨大なインピーダンススイングを持つヘッドフォンを使用しないことをお勧めします。 残念ながら、私は一般に、ダイナミックドライバを使用するヘッドフォンとヘッドフォンのバランスのとれたアーマチュアのサウンドを好むので、ノートパソコンでこれらのヘッドフォンを使用するときは、通常、外部アンプまたはUSBヘッドフォンアンプ/ DACを接続します。
私はこれが長らく説明されていることを知っていますが、出力インピーダンスは複雑なトピックです。 私と一緒にお越しいただきありがとうございます。ご不明な点がありましたら、私にメールをお送りください。