無帰還　12SN7GTA　5パラ　A級差動PPアンプの実験
2004/7/12　Ver.　１．006

変更履歴
2004/6/19　新規作成
2004/6/19　1.000→1.001　結論にてドライバの歪みの平行移動とありましたが間違い｡部品の入手先の正式名称とリンクを張る｡
2004/6/25　1001→1002　周波数特性のグラフに罫線を入れる｡
2004/6/26　1002→1003　基準電圧回路訂正｡+B266Vから305V　Ip=9.7mAから11mAへの変更データ追加｡【Vpアップ変更】
2004/7/3 　1003→1004　【測定データ追加】を追加
2004/7/10 1004→1005　注意事項追加赤字
2004/7/12 1005→1006　ドライバーの正相、逆相特性データ追加

【始まり】
　このアンプの始まりは、オークションで12SN7GTA　7本　7?0円　というのをみて競り落としたら1本　7?0円だったという落ちから始まります｡
基本的なアイデアははじめからあり、それでは12AX７A　100パラアンプでした｡シミュレーションでも結構いいできだったので、球を捜すと1本1?00円であり、とても現実味はありません｡目標は、無帰還アンプです｡

　本機は、6BQ7A　20パラの無帰還アンプを作る（いつできることやら．．．）準備としての実験機です｡

【無帰還アンプの特長】
１．NFBアンプは容量性の負荷によって不安定になることがある｡無帰還アンプはこのようなことは起きない｡
２．NFBアンプのようにスピーカの逆起電力のフィードバックがないのでスピーカからの影響を受けにくい｡

【無帰還アンプの欠点】
　無帰還アンプの欠点は、

１．DFが悪い。
２．ｆ特が狭い｡
３．歪みが大きい。

となるのではないでしょうか｡

【欠点は解消される】
　１．は管の内部抵抗を下げればよいことから多数パラにすれば克服できます｡２．はアンプの内部抵抗が出力トランスのｆ特を決めるので結局は１と同じ対策で、よくなります｡

３．は管のバランスがよければ、A級PPで十分下げられます｡管のバランスを良くするには完全なmatched　Pairを探せばよいのですが、これは無理でしょう｡

　ここで、ばらつきについて考えると、正規分布では中心に対して左右のばらつきは等しいことがわかります｡つまり、+5%のものがあれば、-5%のものも 同数あるわけで、多数パラにするとばらつきが打ち消されることに気づきます｡つまり、完全なmatched　Pairができるわけです｡

　ここまで、まとめると多数パラにすれば、いいことがわかりましたが、一体いくつ必要でしょうか｡

　真空管のばらつきの誤差範囲を±30%(オーディオ用真空管マニュアル　一木吉典著　ラジオ技術社による）として、20パラでmax/min10%に収 まることが、1000回のモンテカルロ法のシミュレーションでわかりました｡3σが99.9%含むのですから、1000回は±3σに相当する｡ max/minが10%なので、標準偏差は3.3%以下であることがわかります。以上から、20本前後を目標にすればよいことがわかります。

【設計構想】
　以上からすると、5本では足りないのです｡しかし、トランスは、ノグチのPMC-100M、PMF-15Pがありますので、これで進めると手持ちの本数から5本-7本が限度になります｡最終的には、シャーシサイズの関係で、5本となりました｡

　5本で、8KΩPPなら、ロードラインは20KΩになります｡Vp=250Vとすると　Ip=10mAで、バイアスが-7.7V位になります｡したがって、約16Vppのドライブでよいことになります｡

　三極管は、負荷抵抗が軽いほど歪みが減るので、5KPPでなく8KPPで使います｡PP=3.75WもあるのにPP=2.5Wにした理由は、電源によ り、Ip Total=100mAと抑えられているので、こうなります｡もちろんVpをあげることはできます｡Vp=300V　Ip=10mA　PP=3Wで設計し たほうが350Vから450V付近の詰まった領域を避けることができそうです｡Vg=-10V、20Vppでドライブします｡なんかかなり直線性もよさそ うだな．．．

　Vp=250V　Ip=10mAでは、rp=約7.5KΩですから、5本パラで、1.5kΩになります｡したがって、大雑把に見てDF=8K/ (1.5K*2）=2.6つまり、2.4くらいと見込まれます｡Ip=7mAにすると7本でいけて、rp=8.5Kですから、７パラでは、1.2KΩよ り、DF=3.3、つまり、3を狙えます｡やっぱりこうすりゃよかったかなー。

　16Vppのドライブは、真空管でもよいのです。6SL7で十分であることは、シミュレーションで確認取れていますが、ここはトランジスタで、低歪みを狙います｡

　　　　　　　　　　　　　6SL7ドライブ6SN7　4パラのシミュレーション結果例

　NFBは、抵抗負荷では理論どおりに動きますので、十分NFBをかけてやります｡低歪みでドライブしてやらないとPPで打ち消すことはできません｡

　なお、終段の構成は、ぺるけさんの差動アンプ構成です｡TRも含めれば、全段差動アンプです｡しかし、ドライバと終段は疎なる関係です｡

【ドライバー段】
　とにかく安く上げるのが目標なので、2SK30A、2SC1815、2SA1015位になります｡するとVCBO=50Vより、振幅は、40Vppくらいが限度になります｡
2SC1815,2SA1015のHFEの電流依存性は少なく微小電流から100mAまで、優れた直線性があります｡ずっと使われてきただけあって優れた石です｡
回路的には、ありきたりなものです｡電流吐き出しでありますから、10KΩが出力インピーダンスとなります｡

　初段の2SK30AはIDSSをあわせこんだペアを探す必要があります｡手持ちの20個を調べたところかなりの数のペアができました｡秋月電子でまとめ て買えばペアが幾つも取れるはずです｡同じ秋月電子で、2SC1815、2SC1015は200個/袋でまとめて買いました｡抵抗も袋で1/4Wを全種類 かいました｡

上図のようになったのですが、これはあとで、問題を起こします｡ゲインは20dBです。
単体特性は、以下のとおり。

　　　　　　　　　　　　　　　　　ドライバ段のひずみ率特性


10Vrmsですから、28Vppは取れています｡したがって、16Vppに対して余裕はあります｡

【電源】
　電源は、±24Vと258Vです。LM324は周波数特性がよくないですが、後ろに大きなケミコンがつくので、これを使っています｡一応安定化電源です。
それでは、まず±24Vは以下のようになります｡2SC3890は、シャーシで放熱します｡


　B電源は、以下のとおり｡R104はワットの関係で、33Kを3本直列にして99Kを作っています｡基本構想では100Kでしたが｡R106,107 で、基準電圧は、12Vです｡R105,104は約21倍なので合計で、22倍になります｡12V*22=264Vとなり250+7.7Vに対して少し高 めです｡一応安定化電源ですが、後ろに100uFもついているので、ある意味ではリップルフィルタと考えてもらって結構です｡つまり、負荷に対して直列に はいってNFBアンプとして悪さをしないということです｡もっとも、A級PPなので、電流は変化しないのですけれども｡Q101はシャーシで放熱します｡ Q103はほとんど通常熱くならないので、特に気にすることはありません｡
Q103はシャーシにつけて放熱してください。また、R102は酸金抵抗10K5Wパラにしてください。そ うしないとQ103、Q102、ICLM324、Q104の破壊、R102の焼損につながることがあります。また、R108も耐圧がたらないので、 150K5Wの酸金抵抗に変えてください。

　トランス周りは次のようになっています｡24Vライン用のトランスは、豊澄のHT-2403です｡放電抵抗を必ず入れるようにしてください｡

B電圧は、
ダイオードに直列の10Ωならびに放電抵抗470Kは耐圧がたらないので、それぞれ5Wの酸金抵抗に変えてください。470K4パラは、100K5Wの酸金抵抗１本で結構です。


【出力段】
　出力段は、12SN7GTA５パラです｡グリッドの1Kは必ず入れてください｡12SN7GTAが発振してグリッド電圧が-5Vくらいになりドライバー 段もおかしくなります｡35MHzのオシロでも見えないくらいの高周波です｡球ごとにカソードのコンデンサーはマイナス同士をつないでください｡
270Ωは2.63Vになりました｡10mAより幾分低めにしてあります｡2.7V近辺になるように基準電圧を調整します｡

コンデンサーの-側を100KでGNDに落としてくさい。

カソード電圧と抵抗電圧は次のようになっています｡電流の標準偏差が0.017mAであり、定電流の特性は十分です｡カソード電圧のばらつきの標準 偏差は、3.1%と3.2%です。10個の3極管としては、平均7.56V　σ=0.289V　（3.8%)です。　単管で見るとばらつきがV1はかなり あり、V2はかなり揃っています。

基準電圧は、22Kと39Kのバランスで決めます｡回路がすべて正常に動いているときは、22Kの電圧と12SN7GTAのカソードの270Ωの電圧は等しくなります｡したがって、22Kを微調することで、カソード電流は決まります｡


ツェナーダイオードはRD6.2Eです｡

　さて回路は、以上です｡特に指定のない抵抗は1/4Wです｡以上でわかるように+24Vがすべての基準になっています｡作るときは、24VラインができてからDRIVERの調整をやり、B電圧の整流ダイオードは全部できてからつけ各部の電圧を確認します｡

【トラブルシューティング】
１．まず、最初に作るのは、±24V電源です｡-24Vが-36Vになってしまいます｡原因は、電流を流さないと電圧が安定しないのです｡-24VとGND間に2.2Kをつけると-24Vでました。

２．次にDRIVERをつないで調整します｡ボリュームが3つあります｡一番大きい影響力をもっているのがVR202です｡2SA1015のエ ミッタ同士のボリュームVR204は一番最後にします｡DRIVE＋、-の電圧見ながら2SK30AのボリュームVR202をまわしてDCレベルを合わせ ます｡DCレベルは２SA1015の共通ボリュームVR203で移動します｡すると先ほどのバランスが崩れますからこれを繰り返してDC０Vが重なるよう にあわせこみます。そのあとで、入力をいれて出力が同じになるように２SA1015のエミッタボリュームVR204をあわせこみます｡

３．出力を上げてゆくと突然ドライブの波形が崩れるという現象があります｡これはNFBのかかっている側のドライバ出力が大きくなって、グリッド電流が流 れると、ドライバアンプが電流吐き出しのため、グリッドに流れた分１０KΩの電流が減り電圧波形が崩れます｡すると、NFBはさらに電流を流そうとします ので、出力を大きくします｡このため、NFBのかかってない反対側では、位相が逆のため、深くマイナスに飛び出した波形になります｡
また、ミラー効果による容量負荷のため、同様なことがおき、NFBのかかってないほうの方形波にオーバーシュートが盛大におきます｡
この対策として、ドライバーと終段の間に2SC1815のエミッタフォロア-をおくことにしました。これで、上記の不具合はすべて解消されました｡

なお、エミッタフォロアは発振しやすいので、最短でコレクタとエミッタ抵抗の-側に0.01uFくらいのコンデンサを入れることを忘れないでください｡そうしないとバズ音が発生します｡

4.260V電源のドライバのQ103 2SC3890がしばらく熱くなる｡これは、ヒータが冷えているとプレート電流が流れず、安定化のQ101 2SC3890の電流が流れない。このため、そのベース電流約4mAをドライバーのQ103 2SC3890が吸い取ることになる｡そのため260V4mAの0.82Wを負担することになります｡プレート電流が流れるとほとんど負担しなくなるので、起動時だけの現象です｡気になるようなら、これもシャーシに貼り付けておくと精神的にいいかもしれません｡

５．１KHｚ８Wを出すとトランスが鳴る｡これはトランスのばらつきによりその差が大きいのでなんともしようがありません｡

【測定結果】

　測定は、酸金抵抗8.2Ω5Wをつないで行いました｡特にグリッド電流の流れる2.6W以上は、測定準備のわずかな時間でも-20dBにレベルダウンするよう心がけています｡

周波数特性　測定器の関係で、150KHZまでしか測れません｡


歪み率特性

高調波特性

波形観測　若干オーバーシュートが見受けられますが、オシロのプローブの問題と、ドライバーではなく終段と出力トランスに原因があります｡
　　　　　　　　　　　
100Hz

　　　　　　　　　　　　1kHz

　　　　　　　　　　　10KHz

　　　　　　　　　　　100KHz

　　　　　　　　　　　20Hz 1W
　　トランスが飽和して20Hzは１Wでも波形が崩れていると思われます｡30Hzでは問題ありません｡

　　　　　　1KHz　８W
　上下で、つぶれています｡クリップしません｡

【測定器】

１．デジタルマルチメータ　METEX　M-3860D
２．オシロ　HITACHI　V302　
３．日本オーディオ　オーディオ総合測定器　UA-1S

【結論】

　ｆ特と４Wで歪み率１％は下手なNFBアンプよりいい値だと思います｡しかし、DFは悪いです｡やはり7本全部使ってやればよかったような気がします｡

さて、100Hz、１KHｚ、１０KHｚの歪みの特性は、ドライバのひずみ率と最終歪では100Hzと10KHzが入れ替わっています｡そのひずみの成分 は、ほとんど3次歪であり2次ひずみは、さらに１桁小さくなっています｡これは、ドライバーの特性ではなく、終段の特性です｡ドライバーでは、終段とは2 次3次の差はまったく異なります｡ぺるけさんの差動アンプは出力のクリップが明確にならないそうで、確かに8Wでもそうでした｡このことが、3次ひずみが 支配的である理由を暗示しているのかもしれません｡

以上を総括すると、当初の目的である無帰還で、低ひずみ、広帯域は達成されました｡DFは当初の予測どおりよくはありません｡これは、数が足りないことによることは最初からわかっていたことです｡したがって、多数パラにするという手法はかなり効果的と思われます｡


【部品の入手先】

１．トランジスタ、ダイオード、1/4W抵抗、蛇の目基盤　秋月電子通商（通販）
２．高耐圧ケミコン　サトー電気（通販）
３．トランス　ノグチトランス販売（通販）
４．その他（シャーシ、コネクタ、スイッチ、ケミコン、ラグ端子、酸金抵抗など）　マルツ電波金沢西インター店（地元の部品屋）
５．真空管　yahoo　オークション

【注意】

本機をコピーされる場合、24Vラインを正確にすることです｡
また、DC300Vを扱いますので、感電事故には十分注意してください｡自己責任でお願いします｡
ここに書かれていることは、私の場合こうなったということであり、こうなると保証するものではありません｡

以上ご理解の上、参考とするのはいっこうに構いません｡

【Vpアップ変更】

Vpを266から305に増やし、Ipも9.7mAから11mAに変更しました｡そのデータを示します｡

各管の電流とバイアスを示します｡

ひずみ率は、幾分出力UPにともない改善されました｡


DF特性は、

となりました｡
基準電圧回路は、

ツェナーダイオードはRD6.2Eです｡
電源回路は、

トランス周りは、

と直しました｡トランスは100mADCに対して、110mAと過負荷になっています｡

【測定データ追加】
ドライブ電圧歪み率特性


出力電力との関係

【ドライブの正相と逆相のデータ】

正相側からNFBがかかっています。アンプの非対称性のひずみが逆送側に現れています。


５V出力では、150KHzで両方とも落ちています。１Vでは逆相がはねています。対称動作が幾分崩れています。

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