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超３極管接続(Ver.1) 50BM8 シングル・アンプ ロードラインを引いてみる |
Ver.01 2015/12/7
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試作3号機が完成し、上条さんの記事の追試はこれでおしまいです。追試の〆として、お手本とした超三結Ver.1の回路の、出力管V2、帰還管V1、初段のロードラインを引いてみました。
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♪ 回路とV1＆V2の動作点 トレースした回路は、下記の回路です。初段をFETとした試作3号機（お手本の改造2）をベースにして初段のカスコード回路は省略しています。この回路での動作点ですが、お手本の記事には、動作点が記載されていません。そこで、記事に記載されている電圧値を元にシミュレーションし、動作点を求めました。SG電圧等が実機と若干差がありますが気にしないことにします。 |
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♪ 出力管V2のロードライン 次のような条件でロードラインを引いてみました。 ² 超三結接続回路は、深いP-G帰還により出力信号の歪みが少なくなる回路かと思われます。（試作機の例では最大出力で2%程度）。このことから、ロードライン上の動作点を中心とした正の振幅量と負の振幅量は等しい、とします。 ² 出力信号はOPTの1次側と初段側に流れますが、初段側に流れる出力信号は、OPTの1次側に比較してとても小さいため、出力管V2の負荷は、OPTの1次側インピーダンスの10KΩ、とします。 ² P-G帰還はグリッド電流が流れる領域は苦手なので、最大出力点のバイアスは0V以下、とします。
下図が、この条件下で引いてみた最大出力のときのロードライン（点P2～動作点O～点Q2）です。バイアスが－10V以下の領域は、各EP-IP特性曲線が重なっており、バイアスの値をいくつにしても大差が無いですが、ここは、限界の0Vまで、としてあります。このときのプレート電流の振幅は±20mAで、概算で出力は1.8W（＝20mA*20mA*10KΩ/2000*0.9）となりました。 また、バイアスの変化は、０V～－18.8V～－24.6Vとなっていて、入力信号（グリッド－カソード間電圧）の振幅は、＋18.8V～0V～－5.8Vです。歪の無い初段の出力電圧（＝出力段の入力電圧）にプレートからの多量の帰還電圧が加算されて、このように非常にアンバランスな入力信号が生成されるはず、との想定です。 青点（P1、Q1）は、直線性の良い部分です。振幅は±13mAで、出力は概算で0.8W、このときの出力管V2の入力信号は、正負でバランスの良い（歪みの少ない）＋3.54V～0V～－3.59Vです。 |
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“青点（P1、Q1）は直線性の良い”、と言ってもロードラインでは視覚的には分かり難いですが、動特性図で見ると良く分かります。頑張ってバイアスを０Vになるまで振っても、プレート電流の増加が鈍くなって出力が上がりそうにありませんね。
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☞ とても簡易なやり方で出力管V2のロードラインを引きました。簡易なわりには、いけるのではないかと思います。
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♪ 帰還管V1のロードライン 上條さんの『超3極管接続Ｖｅｒ．1の特性図を描いてみようのコーナー』の解説に沿って、バイアス値（0Vから－7Vまで）とカソード抵抗Rk1（5.6KΩ）から、プレート電流Ip1を求めて、6BM8(T)のEP-IP特性図上にプロットして、各点を結びました。
動作点は、Ep=226V、バイアス=-3.3V、Ip=0.59mAです。 “ V1のプレート電圧＝V2のプレート電圧－V2のバイアス ” の関係が成り立ちますので、先に求めたV2のプレート電圧とバイアス値から、最大出力のときのV1のプレート電圧の振幅は、8V～226V～413Vです。 8Vとずいぶんと低い電圧まで活用しているなぁ、という印象です。また、帰還管V1の部分は、いわゆる真空管抵抗と呼ばれる回路で、“外からみるとほとんど抵抗器とみなせる”“ 、ということがこのロードラインで良く分かりました。 |
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次に、この帰還管V1を抵抗器と見なしたときの抵抗値（ロードラインの傾きの逆数）を計算してみます。 方法は、2ヶあって、 方法① 帰還管の部分を真空管抵抗として3定数から計算すると、404KΩとなります。 Rf=rp1+μ1*Rk1＝404KΩ 方法② ロードラインを、動作点（226V、0.587mA）と原点（0V、0mA）を通る直線と見なすと、385KΩとなります。 Rf＝Ep1/Ip1＝385KΩ |
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下図は、先に引いたロードラインに1/404KΩ、1/385KΩの傾きの直線をそれぞれを重ねた図です。3本とも重なっており大差は無いです。（これは、直線性の良い部分を選んでいるからだと思います）
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♪ 初段回路の動作 右図は、帰還管V1を404KΩの抵抗に置き換えた等価回路です。 今、信号が入力されて、出力管V2が動作点のO点から最大出力点のP2点に移動したとします。 このときの、回路上の各部位の電圧、電流の変化量をトレースすると、 まず、出力管V2のバイアスの変化量⊿Ec2とプレート電圧の変化量⊿Ep2は、O点とP2点のバイアスとプレート電圧が、それぞれ、-18.8Vと208V、０Vと８Vだったので、（ロードラインから読み取った値） ・⊿Ec2：V2のバイアスは、18.8V増加 ・⊿Ep2：V2のプレート電圧は、199V減少
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このことから、
したはずです。 従って、信号が入力されて、出力管V2がO点からP2点に移動したとき、初段の動作は、ドレイン電流が0.54mA減少し、ドレイン電圧（対アース）が21.9V増加したはずです。
同様に、残りのP1点、Q1点、Q2点について、変化量をトレースし、結果を下表に整理しました。
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♬ 初段回路全体のロードライン 電流帰還が施された初段回路を等価的にひとつのFETと見立てたとき、このFETの ² ドレイン電流ID＝V1のプレート電流Ip1 ² ドレイン電圧Vd＝C点の電圧（対アース） です。 動作点での（入力信号が無いときの）IDとVdは、0.59mAと49Vだったので、上記表から、各点のVdとIDをプロットしロードラインを引いてみると、下図のようになりました。 面白いことに、直線ではありません！！ P1点から傾きが寝てP2点に至ります。
注意；Q1単体のロードラインではなく、初段回路全体のロードラインです。
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♪ 初段回路全体のロードラインの傾き 初段面白いことに、初段回路のロードラインは、曲線でした。何故、曲線になるのでしょうか？ この曲線の正体は、何者でしょうか？
ロードラインの傾きは、ドレイン電流の変化量⊿ID／ドレイン電圧（対グランド）⊿Vd なので、その逆数は、初段回路の負荷（＝⊿Vd/⊿Ip1）です。そして、初段回路の負荷は、出力段の入力インピーダンスそのものです。（ただし、電流の流れる向きが反対なので、正負が逆になります。） なので、初段回路のロードラインが曲線ということは、超三極管接続回路の出力段の入力インピーダンスは一定では無い、ということを示しています。 ホントでしょうか？
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下図（右側）は、初段回路から見た出力段の回路です。（帰還管V1を抵抗Rfに置き換えています。） 良く見ると、単純なP-G帰還の回路です。この回路の入力インピーダンスは、以下のようになります。（詳しくは、「P-G 帰還回路の入力インピーダンス」をご参照下さい。）
出力段の回路の入力インピーダンスは、出力管V2の相互コンダクタンスをgm2とすれば、V2の負荷RLに対してV2の内部抵抗rp2が十分に大きく、また、帰還抵抗RfがV2の負荷RLに対して十分大きければ、Ap2≒gm2＊RLですから、
となります。 ①式から、出力段の回路の入力インピーダンスは、相互コンダクタスgm2の逆数に依存することが分かりました。出力管V2の相互コンダクタンスgm2は、ロードライン上の位置によりその値は変化します。従って、①式から超三極管接続回路の出力段の入力インピーダンスは一定にはならない、と理解しました。
①式を検算してみます。表の左側は①式から求めた値、表の右側は先に求めたドレイン電流とドレイン電圧から計算した値です（O点を起点とした値です）。良く一致しています。
最後に、本項の発端は、下の２つの特性を見て、何か似ているなぁ、と思ったことです。動特性曲線の傾きの逆数は、1/（RL*gm2）に近似されます。曲線の曲がり具合は似ているはずでした。 |
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♪ 初段回路に歪みが無いとしたら 動作点からP2点のドレイン電流の変化量は－0.54mA、Q2点では0.51mAとなりました。初段回路に歪みが無いとすれば、入力信号と矛盾が生じます。 これは、V2のロードラインをひいたときの条件『超三結接続回路は、深いP-G帰還により出力信号の歪みがとても低くなります。このことから、ロードラインの振る舞いは、動作点を中心とした正の振幅量と負の振幅量は等しい、とします。』に起因しているかと考えられます。 仮に、初段回路全体の相互コンダクタンスが0.54mSで歪みが無ければ、入力信号が±1Vのときのドレイン電流の振幅は±0.54mAですから、P2点はそのままで、Q2点のドレイン電流は、1.09mAより多くなって、Q2点はV2のロードライン上ではもう少し右下に移動するのではないでしょうか？（帰還管V1に歪みが無ければ） また、初段回路の出力電流に歪みがあって、入力信号が±1Vのときのドレイン電流の振幅が－0.54mA～0.51mAで、（帰還管V1に歪みが無ければ）、スピーカ端子には歪みの無い信号が出力される、ということかと思います。
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