Problemas com str_replace

Pessoal não estou conseguindo entender o str replace não está me retronando o valor correto, da uma ajuda ai quem puder!

CÓDIGO:

$letra1='A';
 $letra2='B';

 $prox_letra_antiga=array('A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L', 'M','N', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X', 'Y', 'Z');
 $prox_letra_nova=array('B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X', 'Y', 'Z', 'A');
 $letra1=str_replace($prox_letra_antiga, $prox_letra_nova, $letra1);
 $letra2=str_replace($prox_letra_antiga, $prox_letra_nova, $letra2);

 echo $letra1.$letra2;

Esse código me retorna o valor de 'AA', sendo que oq eu queria que ele retornasse fosse 'BC'.

Alguma ideia?