KT88プッシュプルアンプ 考察

今回のアンプ製作を通し、トランスを使った真空管アンプはNFBに関し特別な注意が必要である、ということに改めて気付かされました。

(Ⅰ)出力トランスの特性からNFBを考察する

アンプにNFBをかける時は、スタガ比を適正に取るために各段の周波数特性に差をつけるということが行われます。NFBがオーディオアンプに導入された初期の頃は、出力段から初段の方向に周波数特性が悪くなる、すなわち出力トランスの周波数特性が最もよく初段の周波数特性が最も悪い、という構成を取っていました。


下図は、初段のゲインが30dBでカットオフ8KHz、次段のゲインが15dBでカットオフ40KHz、終段のゲインが−5dBでカットオフ200KHzの周波数特性グラフです。実際のアンプ特性ではなくイメージです。

これに対して黒川達夫氏や氏家高明氏は、出力段から初段の方向に周波数特性がよくなる、すなわち出力トランスの周波数特性が最も悪く初段の周波数特性が最もよい、という構成を提唱されました。

下図は上図と逆、初段のゲインが30dBでカットオフ200KHzKHz、次段のゲインが15dBでカットオフ40KHz、終段のゲインが−5dBでカットオフ8KHzの周波数特性グラフです。

出力トランスの周波数特性は上図のように8KHzということはなく、一般的に100KHz前後あります。従って、スタガ比を考えると電圧増幅段の周波数特性は1MHz以上欲しいのですが、真空管で構成しようとするとかなりの工夫が必要になるのが実情です。

黒川氏の対応は下記だと理解しています（参考文献(1)）。
電圧増幅段には内部抵抗の低い真空管を使い、出力インピーダンスを下げて周波数特性を向上させます。それでも出力段とのスタガ比は数倍しか取れませんから、結果としてNFB量は10dB以下（多くの製作例では6dB）と少なめで、裸特性のよいアンプ設計が必要となります。ダンピングファクタは5前後で、欲張っていません。位相補償は微分補償が中心ですが、初期の製作例では積分補償も使われていました。

一方、氏家氏は出力トランスの特性に着目しています（参考文献(2),(3)）。減衰特性を理想（−6dB/oct）に近づけ高域特性を落としたトランスをタンゴ（ISO）に特注して問題を解決しています。300Bプッシュプルアンプでは、NFBを20dBかけ24.4のダンピングファクタを得ています。この製作記事では、出力にRCのダンパーを付加した上で微分補償が行われていました。

私はというと、電圧増幅段を半導体（オペアンプ）で構成し、1MHz以上の帯域を持たせてスタガ比の問題を解決しようとしました。しかし、スタガ比は取れているはずなのにNFBをかけると不安定で使い物になりませんでした。なぜでしょう？NFBをかける前の周波数特性を見て原因がどこにあるか考えてみます。

周波数特性を見て気付くのは、200KHz台にあるゲインのピークと位相の変化です。トランスメーカから出ている特性グラフには描かれていないことが多いですが、アンプに組み込むと必ず出てきます。
トランスの等価回路を下図に示します（参考文献(4)）。一般的なものです。

先ほどの200KHz台のピークは、等価回路に示されている漏れインダクタンス（漏洩インダクタンスとも言う）と浮遊容量が原因となっています。

漏れインダクタンスはトランスとして機能しない部分のインダクタンスです。スイッチング回路では、電流／電圧にピークを生じさせて素子破壊の原因になったり、エネルギーをチャージするので損失の原因になったりします。浮遊容量は集中定数ではなく、導体間に存在する分布定数です。

インダクタンタとキャパシタは共振回路を形成します。下図は、10mHのインダクタと50pFのキャパシタを直列接続した時の共振をシミュレーションしたものです。

225KHzで位相が180度変化し、ゲインに大きなピークが生じています。実際のトランスでは浮遊容量が分布定数であるため、上記の共振回路がアンプとスピーカー間にシリーズ接続されるというわけでありません。共振回路がトランス特性の一部を変化させるように働くという風に考えた方が良いと思います。

次に、先ほどのNFをかける前の周波数特性に10dBのNFBと20dBのNFBをかけるとどうなるか、線を追加してみたのが下図です。引かれた直線より上の部分が入力に帰還されます。カットオフから先は、周波数が高くなるに従い帰還量が減っていくことになります。

20dBの赤い線に着目すると、トランスのピーク部分が遥か上にあることに気づきます。これは、トランスのピーク（＝漏れインダクタンスと浮遊容量の共振現象）がβ回路を介して入力に帰還されるということを意味しています。これはNFBの一般的理論の想定外の現象であると言え、解析が難しいことからアンプ製作では避けるべきであると考えます。

どこまでのNF量が許されるかですが、理想的には6dB以内でしょうが位相補償を行ってゲインのピークをつぶせば12dB〜14dBまではなんとかなると思います。

今回のアンプ製作における発振トラブルは、トランスの特性を十分に理解していなかったことが原因と言えます。

参考文献：
(1) 黒川達夫、現代真空管アンプ25選、誠文堂新光社、1998、p.89-110
(2) 氏家高明、300B−PPモノーラル・アンプの製作、アイエー出版「ラジオ技術」、2008年1月号、p.71−74
(3) 氏家高明、300B−PPモノーラル・アンプの製作(2)、アイエー出版「ラジオ技術」、2008年3月号、p.33−41
(4) 遠坂俊昭、電子回路シミュレータSIMetrix/SIMPLISによる高性能電源回路の設計、CQ出版社、2013、p.61−69