初心者向け：Pythonで学ぶ1Wオーディオアンプ自作と電源設計シミュレーション

オーディオアンプの自作に挑戦したいけど、「どのくらいの電源電圧が必要？」「スピーカーに1W出すにはどう設計すればいい？」といった疑問を持っていませんか？

本記事では、eDIY-fan.comの解説をもとに、Pythonで簡単にアンプ設計をシミュレーションできるツールを作成しました。

Pythonでのシミュレーションコード

以下のコードをGoogle Colabなどで実行すれば、波形と電源設計を一気に確認できます：


import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy import signal

# --- 基本パラメータ（スピーカー出力と電源設計） ---
R_speaker = 8
P_target = 1.0
V_peak = np.sqrt(P_target * R_speaker)
V_pp = 2 * V_peak
A = 5.7
Vin_peak = 0.5
Vout_peak = Vin_peak * A
Vcc_opamp = (Vout_peak + 1.5) * 2
Vcc_output = (Vout_peak + 1.3) * 2
Vcc_required = max(Vcc_opamp, Vcc_output)
V_supply = 12.0
Vcc_set = 9.5
I_rms = 0.2
P_loss_Q7 = (V_supply - Vcc_set) * I_rms

# --- サイン波生成 / Generate sine wave ---
t = np.linspace(0, 0.01, 1000)
input_wave = Vin_peak * np.sin(2 * np.pi * 440 * t)
output_wave = Vout_peak * np.sin(2 * np.pi * 440 * t)

# --- 入力カップリングコンデンサによるハイパスフィルタ設計 ---
C1 = 10e-6  # 10uF
R_parallel = 50e3  # R3 || R4 = 50kΩ
fc_calc = 1 / (2 * np.pi * R_parallel * C1)
hp_system = signal.TransferFunction([R_parallel * C1, 0], [R_parallel * C1, 1])
w = np.logspace(-1, 4, 1000)  # 0.1 Hz ～ 10 kHz
w, mag, phase = signal.bode(hp_system, w)

# --- 統合プロット / Combined Plot ---
fig, axs = plt.subplots(2, 1, figsize=(10, 8))

# サイン波入力・出力
axs[0].plot(t * 1000, input_wave, label="Input (0.5V peak)")
axs[0].plot(t * 1000, output_wave, label=f"Output ({Vout_peak:.2f}V peak)", linestyle='--')
axs[0].axhline(Vout_peak, color='r', linestyle=':', alpha=0.5)
axs[0].axhline(-Vout_peak, color='r', linestyle=':', alpha=0.5)
axs[0].set_title("Input and Amplified Output Sine Wave")
axs[0].set_xlabel("Time [ms]")
axs[0].set_ylabel("Voltage [V]")
axs[0].grid(True)
axs[0].legend()

# ハイパスフィルタ特性
axs[1].semilogx(w, mag, label="High-Pass Filter via C1 and R3||R4", color='red')
axs[1].axvline(fc_calc, color='red', linestyle='--', alpha=0.6, label=f"Cutoff = {fc_calc:.2f} Hz")
axs[1].set_title("High-Pass Filter Frequency Response")
axs[1].set_xlabel("Frequency [Hz]")
axs[1].set_ylabel("Gain [dB]")
axs[1].grid(True, which="both")
axs[1].legend()

plt.tight_layout()
plt.show()

# --- コンソール出力 ---
print("【出力条件の計算結果】\n")
print(f"{'必要な出力電力 [W]':<34}: {P_target}")
print(f"{'スピーカー抵抗 [Ω]':<34}: {R_speaker}")
print(f"{'必要な出力振幅 [V]':<34}: {V_peak:.2f}")
print(f"{'出力電圧 Vpp [V]':<34}: {V_pp:.2f}")
print(f"{'入力電圧 (peak) [V]':<34}: {Vin_peak}")
print(f"{'増幅率':<34}: {A}")
print(f"{'出力電圧 (peak) [V]':<34}: {Vout_peak:.2f}")
print(f"{'オペアンプに必要な最小VCC [V]':<34}: {Vcc_opamp:.2f}")
print(f"{'出力段に必要な最小VCC [V]':<34}: {Vcc_output:.2f}")
print(f"{'必要な電源電圧 [V]':<34}: {Vcc_required:.2f}")
print(f"{'設定電源電圧 [V]':<34}: {Vcc_set}")
print(f"{'トランジスタQ7の損失電力 [W]':<34}: {P_loss_Q7:.2f}")
print(f"{'入力カップリングHPFカットオフ周波数 [Hz]':<34}: {fc_calc:.3f}")

【出力条件の計算結果】

必要な出力電力 [W] : 1.0
スピーカー抵抗 [Ω] : 8
必要な出力振幅 [V] : 2.83
出力電圧 Vpp [V] : 5.66
入力電圧 (peak) [V] : 0.5
増幅率 : 5.7
出力電圧 (peak) [V] : 2.85
オペアンプに必要な最小VCC [V] : 8.70
出力段に必要な最小VCC [V] : 8.30
必要な電源電圧 [V] : 8.70
設定電源電圧 [V] : 9.5
トランジスタQ7の損失電力 [W] : 0.50