全段差動pp類似Trアンプ(試作)(解体済)

last updated: 2007/11/12(本文), 2008/03/24, 2008/04/19, 2013/01/05

トランジスタで組んだ、差動2段増幅+同相帰還という、ぺるけさん本家の全段差動ppとは一見似て実は全く異なる構成のアンプです。
トランジスタとトランスという現代ではまずありえない組合せ、しかも全段差動へのオマージュ付きとなれば、もはや珍品中の珍品という程度の価値はありそうですが(笑)、本家におおむね準拠した真空管全段差動アンプの完成に伴い、このトランジスタアンプはバラックのまま役割を終え、お蔵入りになっています 解体されました。

注:高度な測定器を私物所有していないため、動作安定度などについての検証が殆どできていません。スピーカーを焼くようなことはまず無いと思いますが、基本的にこのページの内容のトレースは自己責任でお願いいたします。

目次


はじめに

いわゆる全段差動プッシュプル・アンプについては、ぺるけさんのサイト「情熱の真空管」をご覧下さい。私も'05年にここを覗いて真空管というものに魅力をおぼえ、また全段差動という回路設計思想の美しさにあこがれました。

しかし、真空管の高電圧(私の現在の本業からいえば低圧ですが)を扱うにはまともな実装が必要で、最初は何かと面倒に思えました。そこで、全段差動ppというものをもっと安直に体験した後に真空管入門しよう、などという虫の良すぎることを考えて試行錯誤した結果、こんなものができました。使ったのは少年期以来使い慣れているバイポーラトランジスタと、山水のトランジスタ用トランスST-65Bです。


回路


図中2W2x2pは、2W2Ωを2パラ、すなわち全体で4W1Ωの抵抗器という意味です。
BSch3V形式回路図ファイル (BSch3Vは岡田仁史さん作の回路図エディタです。詳しくは→水魚堂 ONLINE

以下の動作原理についてのアナログ電子回路的解析はこちらへどうぞ。[2008/03/24]

基本的には差動2段増幅ですが、真空管による全段差動pp回路とは動作原理が根本的に違います。 この回路の決め手は終段の(合成等価NPNトランジスタの)C-B帰還にあります。初段はV/I、終段はI/Vとして動作しています。
終段からの同相帰還で終段の定電流特性を得るとともに初段コレクタの直流電位を決定しています。この定数で終段の定電流値は0.8A程度になりますがDCバランスも含めて電源電圧変動の影響を受けます。電源に用いた12VスイッチングACアダプタの出力が安定化されているので実用上問題は無く、DCバランスの安定度も一般的な無帰還半導体アンプと同程度のようです。

終段のインバーテッド・ダーリントン接続は、原理的に熱暴走しないこの回路だからこその採用です。低い電源電圧を有効利用でき、合成等価NPNトランジスタのgmが普通の(同極性)ダーリントン接続よりも大きく、C-B帰還の特徴をフルに引き出すことができます。

最大出力は計算では3W程度です。詳細な測定は機材が無いのでできず、オーバーオール負帰還も施していません。

DCバランスが崩れると可聴帯域外でアナログテスターACレンジで針が振れる程度に発振します。容量性負荷に対する安定度なども含め、オシロを持っていないので詳細不明です。正規動作状態では無負荷でも安定です。

[2007/11/12] 後日記:たまに、ごく低いレベル・1MHz程度で発振気味になる場合があるようです。追及したいのですが、測定器らしい測定器を持っていないので真実は闇の中です。憶測ながら、OPTの同相漏れインダクタンス乃至それと浮遊容量との自己共振周波数と、同相帰還回路の周波数特性乃至出力段の微妙なアンバランスが、現象を支配していると考えています。

使用素子について

トランジスタは入手性が良い東芝で揃えてみました。
初段2SA970GRは自作オーディオ界では無名ですがとても良い石だと思います。BLランクでもいいし、試していませんが2SA1015GRやその他の小信号汎用の石で代用も可能でしょう。なお、全体に低電圧動作なので、飽和電圧が高い2SA872Aや2SA992等は不向きだと思います。
初段の定電流は2SA1015Yと2SA950Y、同相帰還と終段のドライバは2SC1815GRで、これらは手持ちの中から適当に拾っただけです。ドライバの2SC1815はhFEの電流依存性が極めて低いことも重要なファクターです。同相帰還は2SC2240のほうが良いかもしれません。
終段2SA1887は低電圧大電流用のトランジスタです。千石電商にあります。飽和電圧が低く、VCE=-1Vという低電圧においてもhFEの低下が極めて少ない特長を有し、今回のような低い電源電圧ではオーディオ用の2SA1941等よりも有利です。逆に、ST-65B(Zp=40Ω、8W)の容量を考えて電源電圧12V・出力段の定電流値を最大1Aと決めたら、東芝製では条件を満たし必要十分なコレクタ損失をもつ石が2SA1451A、2SA1452A、2SA1887の三種類しかなく、この中ではやや低速ですがhFEが大きい2SA1887に決めました。なお、ペア選別はしていません でしたが、解体後に測定したところ偶然にも非常に良く揃っていました。

出力トランスST-65Bはノグチトランスjoint-shop(2F)にありますが、店頭在庫が少ないようなので(そりゃ、こんなトランスを使う人は殆どいないから当然です)、ノグチトランス通販での購入をお勧めします。小音量でよいなら電流を減らしてST-60(Zp=60Ω、3W)と終段2SA1358の組合せ、ヘッドホンアンプ用途にはST-41A(Zp=200Ω、0.7W)あたりが使えそうです。ST-71Aやタムラのマッチングトランスを使ってラインアンプにもできると思います。

電源は秋月の12V4A(STD-1204)スイッチングアダプタです。アンプ側にノイズフィルタ等は何も入れていませんが、特に問題は無いように見えます。


実装

使用開始してからはや1年、まだバラックのままです。 今のところはモノーラルです。部品はステレオ分調達済みですが、本業が忙しすぎて工作する暇が全然ありません。しかたがないので4ΩのSPを直列にしてOPTの8Ω端子へ接続しています。

とても落ち着いた緻密な音がするように思います。小音量でも低音の音階がわかりやすいし、高域も素直です。これを作る前に使っていたミニコンポのアンプ部や安井式2SK1529/2SJ200は、このバラックアンプにすっかり駆逐されてしまいました。


まとめ

何はともあれ安直そして安価に、全段差動と類似したアンプを半導体で組めることが実証でき、音にも満足しています。これで本家の全段差動ppを真面目に作ろうという決心ができました。

トランジスタとトランスという、現代ではまずありえない組合せが痛快です。しかし本家全段差動に準拠した真空管アンプの完成に伴い、このアンプはバラックのまま役割を終え、現在はお蔵入りになっています。いずれ、このアンプもきちんとした箱に入れて、ひとつの造作として完成させたいと思っています。


ついに解体

…と書いたまま、PCL86全段差動ppに主役を譲ってから数年間、この試作機は放置となっていました。
2012年になってから、2個用意していたST-65Bの内、未使用であったほうの励磁インダクタンスがかなり小さいらしい疑惑が浮上。その個体では満足な性能を望めそうになく、かといって元々それほど高性能とはいえないST-65Bをもう1個買い足してまで追試する気にもなれず、他の様々な私事情もあり意欲を喪失。結局これ以上の改良は断念。トランジスタの入手が困難になってきた昨今、片づけと部品捻出を兼ねて、やむをえず解体しました。

類例があまりないオリジナル回路形式であり、試作機の音には可能性を感じていただけに、高性能な出力トランスを特注するなども含めてきちんと研究して完成形まで進めたかったのですが、未了となってしまったことが心残りです。


某所での揶揄「三極管特性であることを知らないのではないか」への反論

出力側だけから見れば(電流注入法の視点で見れば)中くらいに低い出力インピーダンスなので、一見して三極管特性と解釈されるかもしれません。
しかし、この出力インピーダンス特性は単にVBEマルチプライヤの帰還量を増しただけで得られているものであって、三極管のrpとは違います。更に、三極管のグリッドは電圧入力ですが、この出力段は電流源でドライブしないとこの特性にならないので、本質的に三極管特性と呼べません。簡単に行った数学的解析で、VBEの関数としてバイポーラトランジスタならではの指数関数特性(三極管には出てこない)が含まれていることも示しています
当初からこの解釈であったため、あえて、「いわゆる三極管特性」との関連付けをしていないのです。


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