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2016年4月

2016/04/30

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(9)

 ここまで半導体を使った電圧増幅段の設計を行ってきましたが、真空管で構成された電圧増幅段の特性はどの様なものか、実験してみました。取り上げたのは黒川達夫氏が設計した6CA7プッシュプルアンプの電圧増幅段です。実験した回路は下記の通りです。



Tube_01


 実験の様子です。




Tube02




 下記は出力1Vrmsにおける周波数特性です。ゲインは43.2dB、カットオフ周波数は164KHzでした。回路の出力はアナログディスカバリーだけを接続しました。オシロやデジボルを一緒につなぐと、アンプの出力インピーダンスが高い為測定器の入力容量で特性が悪くなります。



Tube03




 下記は10KHzにおけるステップ応答波形です。周波数特性の影響で角が丸くなっています。



Tube04





 下記は上記のステップ応答波形を拡大したものです。−50Vから0Vまでの立ち上がりに注目してスルーレートを読み取ると50V/μsでした。LME49810とほぼ同等の性能ということになります。




Tube05





参考文献:
  黒川達夫、デジタル時代の真空管アンプ-6CA7pp 32Wパワーアンプ、誠文堂新光社、1989、p.212-229


2016/04/26

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(8)

NFBについて考えていきます。各増幅段の設計値は下記の通りです。



1段目(AD797)
ゲイン:12.2倍/21.7dB カットオフ:8MHz
2段目(LME49810)
ゲイン:10倍/20dB     カットオフ:2MHz
3段目(KT88)
ゲイン:0.415倍/-7.6dB カットオフ:140kHz
--------------------------------------------------------
ゲイン:50.63倍/34.1dB



β回路に使う抵抗の値を2.4KΩと510Ωにします。
NF量と仕上がりゲインは下記の通りになります。


NF = 1+Aβ
   = 1+50.63X(510/(2400+510))
   = 9.87倍/19.9dB

Gain = A/(1+Aβ)
     = 50.63/(1+50.63X(510/(2400+510)))
     = 5.13倍/14.2dB


安定性はどうなのか、LTSpiceを使ってシミュレーションしてみました。1〜3の各増幅段を電圧制御電圧源とCRフィルタを組み合わせて構成しています。





Nfb01



Nfb02



スタガ比を十分取っていますから高域の盛り上がりは小さいですが、さらに平坦にする為、微分補償を行うことにします。シミュレーション結果を下記に示します。




Nfb03



Nfb04


10〜22pF程度の微分補償で平坦な特性が得られると予想されます。




ここまでは計算上の話です。実際にアンプを組んでNFをかけるとこの様にうまく行くことはありません。今回はかなり苦戦しました。そのお話は後日、ということにしたいと思います。






【参考】
参考文献には、3段構成の非反転増幅回路の安定性について詳しい解説があります。1段目のゲインが可変で、2段目と3段目のゲインが1倍になっています。1段目のゲインが80の時に発振すると計算されていますのでシミュレーションしたいと思います。



Nfb05



Nfb06





参考文献の計算式から、発振周波数は275.66KHzと求められます。シミュレーションでは275.55KHzでした。計算結果が合っているかどうかを確認できるのもシミュレーションの良いところですね。






参考文献:
  黒田徹、負帰還回路の基礎理論と定数設計、CQ出版社「トランジスタ技術」、2004年6月号、p.171−180

2016/04/23

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(7)

 電圧増幅段の電源ですが、AD797は±15V、LME49810は±75Vとします。


 KT88の最大出力を見積もった際、プレート電流を60mAに設定した時のバイアス電圧は約−54Vと読み取れました。電圧増幅段で108Vppスイングできれば最大出力となります。LME49810を電源電圧±75Vで使用した時の最大出力は140Vppとなりますから、KT88のバイアスを調整するマージンまで考えても十分な値です。


 今回は電力増幅段に-55Vのバイアス電圧を加えることにします。電圧増幅段のバーチャルグランドを+1Vシフトすればデータシートから読み取った−54Vになります。バーチャルグランドを設定する回路は下記の通りです。この回路は、KT88毎に必要です。調整範囲は0〜+5.3Vです。



Photo


 実験基板には上記バイアス調整回路も組み込みました。しかし、調整した電圧がLME49810の出力に反映されません。



Photo_2




 原因を探ったところ、AD797の入力に1MHz前後の微小なノイズが見られ、AD797の出力にはオフセット電圧より大きなDC電圧が発生していました。AD797の入力には接続用のケーブルが接続されていたのですが、ATTに接続されておらず解放状態でした。さらに、シールド線ではなくバラ線になっていました。これをBNC to BNCでATTと接続すると正常な値に戻りました。また、AD797をFET入力のオペアンプと交換しても現象は消えます。


 ケーブルに乗ったノイズがAD797の入力で検波され、さらにインスツルメンテーションアンプでゲイン倍されて出力に現れたのではないか、と想像しています。ノイズは入力ケーブルがアンテナとなって受信したAM放送かもしれません。諸先輩方の製作記事を見ると、高周波ノイズをカットする為にフィルタ回路を設けている例があります(参考文献参照)。


 さらに、電圧増幅段はDCアンプとなっている為、入力に加わるDC成分はKT88のバイアス電流を変化させ、最悪の場合破壊に至ります。


 これらの対策として、入力段にローパスフィルタとハイパスフィルタを設けることにしました。回路は下記の通りです。カットオフ周波数は、154KHzと0.33Hzとなります。



Photo_3


Photo_4



 使用するオペアンプは、入力段がFETになっている高入力インピーダンスタイプを使用します。ハイパスフィルタに使用しているコンデンサは0.22μF以上であれば問題ないと思います。官能評価?で何にするか決めるつもりです。





参考文献:
  黒川達夫、デジタル時代の真空管アンプ-6550App UL接続55Wパワーアンプ、誠文堂新光社、1989、p.207




2016/04/19

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(6)

 今日はAD707の特性を実験で見ていきます。

 プラス片側の出力を100mVrmsとし、位相補償22pFにおける周波数特性を下記に示します。



Ad797_fr




 カットオフ周波数は、22pFの位相補償を行った時に5.3MHzと測定されました。シミュレーションで5MHzという結果を得ていますから、これと非常に近い値です。

 ステップ応答の波形を下記に示します。



Ad797_22pf
                         位相補償 22pF



Ad797_47pf
                         位相補償 47pF



Ad797_100pf
                         位相補償 100pF




位相補償22pF、47pF、100pFを比較すると、100pFが滑らかで良いように思えます。しかし、22pFに対して高域周波数特性が約1/3悪くなります。今回は22pFを採用することにします。





2016/04/16

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(5)

 LME49810の前段にはAnalog DevicesのAD797を使います。この石は15年ほど前までは入手性が悪いこともあって、幻の?オペアンプでした。どんな音がするのだろうかいつか使ってみたい、とず〜っと考えていました。オーディオ用途で使うのは今回が初めてです。




 参考文献として紹介した「作りながら学ぶエレクトロニクス測定器」は、オーディオを含めアナログ電子回路愛好家の間でバイブルとなっている名著です。AD797は、第7章「ノイズの少ない信号増幅に重点を置いた低雑音ヘッド・アンプの設計と製作」で使われています。構想から始まり設計、製作、測定と順序立てて解説されています。多くの方に読んでいただきたいのですが、すでに絶版となっていて入手困難なようです。掲載内容は、「トランジスタ技術」誌の1998年10月号から2000年9月号までの連載記事がもとになっていますので、バックナンバーを入手するのも手かもしれません。





 AD797はとても発振しやすくて、私の腕では外部位相補償なしで安定に動作させることは難しいです...。その辺りのところをシミュレーションと実験で確かめていきたいと思います。


 回路定数は前回のブログで紹介した通りです。計算上のゲインは、差動で23.2dB、プラス片側で17.8dBです。シミュレーション結果を下記に示します。



Ad797_01


Ad797_02


Ad797_03



 カットオフ周波数ですが、差動で7.3MHz、プラス片側で7MHzとなりました。データシートにはゲイン10倍における帯域幅が8MHzと記載されていますから、妥当な値と言えます。しかし、高域の盛り上がりが大きいようです。データシートに掲載されているステップ応答写真からも同様の結果が予想できます。位相余裕は十分ありそうですが、この暴れ?が発振しやすいことの原因と思われます。


 

 外部位相補償を行うこととし、その効果をシミュレーションで確認します。



Ad797_04


Ad797_05


Ad797_06



 シミュレーション結果を見ると、22pFを追加することで平坦な周波数特性が得られるようです。22pFを追加した時のカットオフ周波数は、差動で5.2MHz、プラス片側で5MHzとなりました。


 次回は実験結果を掲載したいと思います。

 



参考文献:
  本多平八郎、作りながら学ぶエレクトロニクス測定器、CQ出版社、2001、p.129−139


2016/04/12

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(4)

 今日はTIのLME49810の特性を実験で見ていきましょう。実験回路は下記の通りです。



Lme49810_07




初段のAD797と合わせ実験しました。アリババのヒートシンクは間に合いませんでした。




Lme49810_04



 手持ちの汎用電源装置は±58Vなので、これで実験しています。




Lme49810_05




まずスルーレートですが、オシロスコープの観測結果を下記に示します。100V立ち上がるのに1.8μsかかっていますから、スルーレートは100/1.8=55.6V/μsと計算されます。データシートに近い値が得られています。




Lme49810_06_2




出力電圧1Vrmsにした時の周波数特性を下記に示します。−3dBとなるカットオフ周波数は2.5MHzと読み取れます。実験回路のゲインは20dBですから、GB積は25MHzと計算されます。これもデータシートに近い値となっています。




Lme49810_08




 出力電圧を10Vrmsにすると下記の特性になります。スルーレートの影響を受けてカットオフ周波数が下がっています。




Lme49810_09




2016/04/08

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(3)

 LME49810の動作はシミュレーションできます。TIのサイトに下記のページがあります。


Tina_03



 PSpice用のモデルが用意されていますが、これは暗号化されていてLTSpiceでは使用できません。
 残念!
 しかし、TIはSPiceベースの回路シミュレータTINAの無償版を提供していて、これに使うLME49810モデルが用意されています。モデルをダウンロードしてインクルードすることもできますが、簡単なシミュレーションであれば、Reference Designを使って簡単にシミュレーションが開始できます。

早速、ゲイン20dBの増幅器をシミュレーションしてみました。


Tina_01



 カットオフ周波数は910KHzで、GB積は9.1MHzでした。データシートに示されている値とは異なる結果が出てきました。原因はよくわかりません。




Tina_02




P.S.
 久しぶりにTIのサイトに入ったのですが、LME49810はEOL(End of Life)のようです。がっかりです。



2016/04/05

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計(2)

 KT88をドライブするのはTIのLME49810です。
この石はプッシュプルのエミッターフォロアーが出力段になっていて、コンプリメンタリーのパワートランジスタを接続することでパワーアンプが完成します。半導体パワーアンプに使用すると下記の回路図になります。私はこのTrアンプを製作してここ数年使ってきましたが、高性能で安定したアンプが容易に製作できるのでオススメの石です。音質も満足できるものでしたが、少し暗めに感じるかもしれません。



Lme49810_01



 この石はNDN0015Aという15ピンのパッケージで、ピンピッチが0.965mmという特殊なものです。発熱もそこそこありますからヒートシンクは必須です。


 以前半導体アンプを製作した時には、ピンピッチについてはプリント基板を設計してなんとかしましたが、ヒートシンクはTO220用の小型のものを追加工して使いました。


 今回の製作でもプリント基板を使用しますからピンピッチはなんとかなります。ヒートシンクをどうしようかと思いネットで検索していたところ、AliExpressで専用のヒートシンクを見つけました。中国恐るべし、です。




Lme49810_02





 LME49810の主な仕様を下記に示します。真空管電力段のドライブにピッタリだと思いませんか?欲を言えば、スルーレートが100以上あればな〜と思います。




Lme49810_03



参考文献:
  栗原信義、AB級30WX2パワーアンプ、誠文堂新光社「無線と実験」、2008年5月号、p.146−158





2016/04/02

KT88プッシュプルアンプ 電圧増幅段の設計

 電圧増幅段は、EL84の時と同様にインスツルメンテーションアンプ(Instrumentation Amplifier)で構成します。


 差動増幅器は同相信号除去比(Common Mode Rejection Ratio、CMR)が大きいということを特長にしていますが、その値は使う抵抗の影響を受けてしまいます。また、入力インピーダンスも同様に使う抵抗の影響を受けてしまいます。この課題を解決するのがインスツルメンテーションアンプです。さらに、抵抗1本でゲインを変えることができて設計が容易なことも特徴の一つです。インスツルメンテーションアンプは計装アンプとして使われることが多く、専用のICも多く製品化されています。オーディオ分野では、以前からマイクアンプによく使われていました。アキュフェーズがパワーアンプに使っていることをご存知の方も多いと思います。



 真空管パワーアンプの初段には音声信号入力のプラス端子とNFB信号入力のマイナス端子が必要ですが、それら端子はともに高い入力インピーダンスを持っていることが理想です。さらに、プシュプルアンプでは電力増幅段に対して位相が180度異なる2つの信号を用意する必要があります。これら求められる要件は全てインスツルメンテーションアンプが解決してくれます。



 EL84プッシュの時と構成は同じです。計算式を再掲載します。



Photo


Photo_2


 電力増幅段の設計において、電圧増幅段に求められるゲインは41.6dBであると計算されています。1段目にはAnalog DevicesのAD797を2段目にはTIのLME49810を使用し、ゲイン配分を下記の通りとします。
  1段目:R1=100Ω、R2=R3=560Ω → ゲイン:21.7dB(12.2倍)
  2段目:Ra=1.5kΩ、Rb=15KΩ    → ゲイン:20dB(10倍)


参考文献:
  岡村廸夫、定本 OPアンプ回路の設計、CQ出版、p.226−229


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