オートバランスの考察
1999/01/19 更新
1. 負荷バランスを考えたオートバランス回路
オートバランス回路は、以下のようにかけます。
---------
| | C1 r1 Eout1 G V2
Vin ---| -A1 |--||--^^^---------------------^^^^
| | | | ----
--------- ↓I1 >R1 >RG1 |K
V1a > Ic >
| → |
| RC |
------------------------^^^-------------
| |Ec | |
| | | |
| | > ---
| ↓I2 >R2 > ///
| V1b > |RG2 V3
| -------- | | |K
| | | C2 r2 | | G ---
----| -A2 |--||--^^^----------------------^^^
| | Eout2
--------
図1 一般的なオートバランス回路
r1,r2は、A1、A2の内部抵抗です。r1,r2,A1,A2,RG1,RG2,C1,C2ともに等しいとします。
Ecは、Eout1と同極性なので、
|Eout2-Ec| > |Eout1-Ec|
である事は、明白です。R1とR2とRCを調整して、|Eout1|=|Eout2|にできたとして、
I1+Ic=I2
I1≠I2
したがって、A1とA2の負荷は、決して同じに成らないので、
動作点の対称動作は、基本的にありません。
そこで、負荷バランスを中心に考えると、以下のようになります。
---------
| | C1 r1 Eout1 G V2
Vin ---| -A1 |--||--^^^---------------------^^^^
| | | | ----
--------- ↓I1 >R1 ↓I3>RG1 |K
V1a > >
| |
| |
----------------------- -----
| |Ec | |
| | | |
| | > ---
| ↓I2 >R2 > ///
| V1a > |RG2 V3
| -------- | ↓I4| |K
| | | C2 r2 | | G ---
----| -A2 |--||--^^^----------------------^^^
| | Eout2
--------
図2 負荷バランスを考えたオートバランス回路
このばあい、必ず
I1=I2
となります。
|Eout2-Ec| > |Eout1-Ec|
であることは、同じですが、R1,R2が等しくなくてもI1=I2ですから、
|Eout2|=|Eout1|
にする事は可能です。すると、I3,I4は等しいので、
Eout2 Eout1
------ = -------
I2 I1
ですから、負荷バランスを取れる事がわかります。
2.対称動作ということ
さて、以上で負荷の対称性は取れる事が判明しましたが、歪みは対称動作で、
打ち消せるでしょうか。
Eout2=Ec*(-A2)
R1
Ec = 2* Eout1*------------
R1+R2
ですから、R1=R2であれば、歪みは、打ち消す事ができますが、R1≠R2なので、
Eout1が正弦波の+に10%の非対称性があるとすると、
Eout2の負のピークEout2_は、
R1
Eout2_=- 2*Vin*1.1*A1 * ------ * 1.0* A2
R1+R2
Eout2の正のピークEout2+は、
R1
Eout2+=- 2*Vin*1.0*A1 * ------ * 1.1* A2
R1+R2
となり、R1≠R2である限り、歪みは打ち消されません。しかし、R1=R2には、
できないので、歪みを小さくできません。では、R1とR2をできるだけ等しく
するには、どうすればよいでしょうか。それは、Ecを小さくする事、すなわち、
A1,A2を大きくすると言う事です。
とすれば、結論として、12AU7などのμの低い球よりむしろ双五極管のほうがよさ
そうに思えます。
このままでは、A2のひずみが打ち消されるだけで、PP動作では、A1とA2の
歪み傾向が等しくないためPP動作として歪みが打ち消されない事になってしまいます。
VB 250V
|15
> RP1 47K
> 3 CP1 Eout1
|-----||----------------
12AT7 | 0.1 |6 |
X1 PPPP ↓I1 >R1 >RL1
VS------------- GGGG >330K >100K
|1 KKKK | |
| --- |2 | |
>RG1 |CK1 >RK1 ------11 -----
>100K=470 >1K | |Ec | |
| | | | | | |
-----|----- | | > ---
| |470 >RK11 |↓I2 >R2 > ///
| =CK2 > | >363K |RL2
---- -----|12 | | |100K
//// X2 KKKK | | |
12AT7 GGGG-- | |
PPPP CP2 |16 |
13|-----||----------------
>RP2 0.1
> 47K
|15 VB 250V
図2.1負荷バランスを考えたオートバランス回路の例
PSPICEよるシミュレーションの結果。
=========== PSPICE のソース ここから ================
* 12AT7のオートバランス回路
*12AT7 Model Ver 1.01 1997 04 06 T.Yano
* K G P
.SUBCKT T12AT7 K G P
D1 P 1 DLIM1
RP 1 2 18K ;=rp
E1 2 3 POLY (2)(K,G)(3,4)(0,0,-0.99999999,0,1)
R1 3 4 4300
E2 4 5 POLY (2)(K,P)(5,6)(0,0,-0.99999999,0,1)
R2 5 6 33
E3 6 K K 7 30 ;=u
VS G 7 DC .2V
R3 7 K 1E9
Cpg P G 1.5PF
Cin G K 2.2PF
Cout P K 0.5PF
.MODEL DLIM1 D(IS=1E-14 N=.1 XTI=0 EG=0)
.ENDS
.OPT ITL4=100
*歪みとか、波形を見るときは、こちらを生かす
.tran (.001us 1.024ms) ;過渡解析用コマンド
VS 1 0 SIN(0 {VX} 1000) ;過渡解析用信号源
*周波数特性を見るときは、こちらを生かす
*.AC DEC 100 0.1 100KHZ ;周波数特性用コマンド :
*VS 1 0 AC {VX} ;周波数特性用信号源
VB 15 0 DC 250V ;電源電圧
*A1
RG1 1 0 100K
X1 2 1 3 T12AT7
RK1 2 0 1K
CK1 2 0 470UF
RP1 3 15 47K
CP1 3 6 0.1UF
RL1 6 0 100K
*A2
X2 12 11 13 T12AT7
RK2 12 0 1K
CK2 12 0 470UF
RP2 13 15 47K
CP2 13 16 0.1UF
RL2 16 0 100K
*BANCER
R1 6 11 330K
R2 16 11 363K
.PARAM VX=1
.STEP PARAM VX LIST .5 1.0 1.5 2.0
.FOUR 1000 v(6),V(16)
.PROBE
.END
=========== PSPICE のソース ここまで ================
解析結果
電圧配分
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) 0.0000 ( 2) 2.3952 ( 3) 137.4300 ( 6) 134.5E-06
(11) 578.5E-06 (12) 2.3954 (13) 137.4200 (15) 250.0000
(16) 124.9E-06
入力 1KHz 0.5Vp-p
V(6) 10.63V THD=1.62%
V(16)10.64V THD=1.47 %
入力 1KHz 1.0Vp-p
V(6) 21.30V THD=3.24%
V(16)21.31V THD=2.95 %
入力 1KHz 1.5Vp-p
V(6) 32.07V THD=4.86%
V(16)32.05V THD=4.41 %
入力 1KHz 2.0Vp-p
V(6) 42.96V THD=6.48%
V(16)42.86V THD=5.85 %
このばあい、必ず
しかし、PP動作としての歪みの打ち消しを最重要課題とすれば、
以下の構成にする事になるほかありません。
---------
| | C1 r1 Eout1 G V2
Vin ---| -A1 |--||--^^^---------------------^^^^
| | | | ----
| --------- >R1 |K
| >
| V1a |
------- |
|Op amp| -----
|反転 | | |
|アンプ| | |
------- > ---
| > ///
| V1b |R2 V3
| -------- | |K
| | | C2 r2 | G ---
----| -A2 |--||--^^^----------------------^^^
| | Eout2
--------
図3 より現実的なバランス回路
つまり、オートバランスは、そういう方向には向かないと言う事です。
オートバランスでは、A1を極力部分帰還をかけて歪みを下げておくと言う事です。
具体的には、電流帰還をかけると言う事です。
VB 250V
|15
> RP1 47K
> 3 CP1 Eout1
|-----||----------------
12AT7 | 0.1 |6 |
1 CC 0.1 X1 PPPP ↓I1 >R1 >RL1
VS--||--------- GGGG >330K >100K
| |14 KKKK | |
| | --- |2 | |
Ri > >RG1 |CK1 >RK1 | |
> >100K=470 >1K | |
100| | | | | |
K --- ---------|10 | |
/// >RF -----|11 |---
>2.2K | | | |
| | | | |
| | | | |
----------| | | > ---
| |470 >RK11 |↓I2 >R2 > ///
| =CK2 > | >363K |RL2
---- -----|12 | | |100K
//// X2 KKKK | | |
12AT7 GGGG-- | |
PPPP CP2 |16 |
13|-----||----------------
>RP2 0.1
> 47K
|15 VB 250V
図2.1負荷バランスを考えたオートバランス回路の例
PSPICEよるシミュレーションの結果。
=========== PSPICE のソース ここから ================
* 12AT7のオートバランス回路
*12AT7 Model Ver 1.01 1997 04 06 T.Yano
* K G P
.SUBCKT T12AT7 K G P
D1 P 1 DLIM1
RP 1 2 18K ;=rp
E1 2 3 POLY (2)(K,G)(3,4)(0,0,-0.99999999,0,1)
R1 3 4 4300
E2 4 5 POLY (2)(K,P)(5,6)(0,0,-0.99999999,0,1)
R2 5 6 33
E3 6 K K 7 30 ;=u
VS G 7 DC .2V
R3 7 K 1E9
Cpg P G 1.5PF
Cin G K 2.2PF
Cout P K 0.5PF
.MODEL DLIM1 D(IS=1E-14 N=.1 XTI=0 EG=0)
.ENDS
.OPT ITL4=100
*歪みとか、波形を見るときは、こちらを生かす
.tran (.001us 1.024ms) ;過渡解析用コマンド
VS 1 0 SIN(0 {VX} 1000) ;過渡解析用信号源
*周波数特性を見るときは、こちらを生かす
*.AC DEC 100 0.1 100KHZ ;周波数特性用コマンド :
*VS 1 0 AC {VX} ;周波数特性用信号源
VB 15 0 DC 250V ;電源電圧
*A1
CC 1 14 0.1UF
RG1 14 10 100K
X1 2 14 3 T12AT7
RK1 2 10 1K
CK1 2 10 470UF
RP1 3 15 47K
CP1 3 6 0.1UF
RF 10 0 2.2K
RL1 6 0 100K
*A2
X2 12 11 13 T12AT7
RK2 12 0 1K
CK2 12 0 470UF
RP2 13 15 47K
CP2 13 16 0.1UF
RL2 16 0 100K
*BANCER
R1 6 11 330K
R2 16 11 363K
.PARAM VX=1
.STEP PARAM VX LIST 1.5 2.0 3.0 4.0
.FOUR 1000 v(6),V(16)
.PROBE
.END
=========== PSPICE のソース ここまで ================
解析結果
電圧配分
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) 0.0000 ( 2) 7.5109 ( 3) 139.6800 ( 6) 134.5E-06
(11) 578.5E-06 (12) 2.3954 (13) 137.4200 (15) 250.0000
(16) 124.9E-06
入力 1KHz 1.5Vp-p
V(6) 11.93V THD=0.73%
V(16)11.94V THD=0.563%
入力 1KHz 2.0Vp-p
V(6) 15.91V THD=0.97%
V(16)15.92V THD=0.752%
入力 1KHz 3.0Vp-p
V(6) 23.85V THD=1.46%
V(16)23.87V THD=1.131%
入力 1KHz 4.0Vp-p
V(6) 31.79V THD=1.95%
V(16)31.79V THD=1.509%
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