片側入力の差動回路－数式を眺めながら

Ver.01　2014/12/08

ロードラインや増幅率を求める数式を眺めながら、V1側の負荷を小さくしてみたらどうなるんだろうとか、V1とV2が違った真空管だったらなど、素人なりに考えて（妄想して）みました。

 

V1側の負荷を小さくしてみる

１）出力インピーダンスは、　

となりました。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

この式から、V1側のプレート抵抗RL1の値が小さいほど、出力インピーダンスは小さくなり改善されることが分かります。

 

２）また、増幅率も、V1側のプレート抵抗RL1の値が小さいほど大きくなることが算出式から分かります。

これは、プレートとプレート間に現れる出力をグランドを基点としてV1側とV2側とで負荷の大きさに比例して分配しており、V1側の負荷RL1を小さくすると相対的にV2側の出力が増える、と考えることができるかと思います。

 

３）ロードライン上の動きをトレースした際、入力信号がプラス側に振れたときとマイナス側に振れたときとで、プレート電流の大きさに差異が生じていました。この差異は、高調波歪みの要因であり、作図的にはV1とV2のロードライン傾きが異なっているため生じる。従い、V1とV2のロードラインの傾きの差が小さくなるほど歪み率が改善されるはず、と想定しました。

 

 

これら3ケの改善を実験する回路として、図Cを考えました。

図Cの回路は、基本回路（図A）のV1側にダミーの負荷Raを追加した回路です。直流動作を基本回路（図A）と等しくするためコンデンサーで直流分をカットしています。Raを追加しても等価回路は基本回路（図A）と等価です。そして、Raの値を変更することで、RL1とRp1の値を調整する（小さくする）ことができます。

 

 

 

RL1の値

Rp1の値

回路図A

RL

RL+Zi2

回路図C

RL//Ra

RL//Ra+Zi2

 

 

A1)　出力インピーダンス

基本回路(図A)の出力インピーダンスは、6DJ6を使ったときは2.27KΩで、内部抵抗が大きな12AU7を使ったときは4.26KΩです（表1の定数）。このときのV1のプレート抵抗RL1は20KΩです。図Cの回路で、Raの値を1000KΩから0.1KΩまで徐々に小さくして出力インピーダンスを計算したところ、１MKΩから100KΩではさほどの変化は無かったのですが、100KΩ以下からインピーダンスが下がり始め、1KΩでは12AU7で6割、6DJ8で4割の改善が見られました。また、1KΩ以下ではあまり変化はありませんでした。

 

 

 

 

 

A2)　増幅率

基本回路(図A)の増幅率は、6DJ6を使ったときは2.1倍で、μが小さい12AU7を使ったときは1.7倍です（表1の定数）。図Cの回路で、Raを付加しRL1を小さくするとどの程度増幅率が大きくなるのか、計算してグラフ化してみたところ、以下のようになりました。（ただし、この基本回路(図A)は高い増幅率をもとめているわけではないので、増幅率の改善は、おまけのようなものかも知れません。）

 

 

 

A3)　歪み率

基本回路(図A)の歪み率（1KHz・1V出力時）は、表1の定数で6DJ6を使ったときは0.0098%、12AU7を使ったときは0.0451%ですした。図Cの回路でRaを1000KΩから1Ωまで変化させていったところ、歪み率は、想定していたとおりV1とV2両管の負荷が等しくなったとき（2本のロードラインが重なり1本になったとき）に最低となり、6DJ8が0.00035%、12AU7が0.00084%となりました。そして、見事な直線が得られました。何か気持ちいい。（TINA7-BOOK3 でのシミュレート結果）

 

 

 

 

注　歪み率が最低となったRp1の値は、Rp2の値と一致した値では無く、0.1%ほど多い値でした。下図、黄色点がRp1=Rp2の歪み率点、赤点が最低歪み率点です。

 

 

V1とV2は異なる真空管でも大丈夫？

これまでの検討から、基本回路（図A）はトランスを使っていないこともあり、通常のプッシュプル回路のようにV1とV2のペアを求めなくても良いように思えます。

極端な例ですが、V1を6DJ8としV2を12AU7とした基本回路（図A）を表1の回路定数でシミュレーションしてみました。

下表の①がV1を6DJ8、V2を12AU7としたシミュレーション結果です。参考で②がV1=V2=6DJ8、③がV1=V2=12AU7としたシミュレーション結果です。①から③は、同じ回路定数のままV1とV2を6DJ8と12AU7とで差し替えるイメージです。また、出力インピーダンスは、入力をショートしてメインアンプのかわりに電圧源をつないだ回路で測定しました。

 

歪み率を含め、6DJ8ペアと12AU7ペアの中間の値となりました。周波数特性も問題なさそうです。

 

 

周波数特性（シミュレーション結果）

　　

シミュレーション回路

 

注）実機での検証はしていません。どんな音がするのでしょうか？

 

垂直のロードライン

メインアンプの入力インピーダンスZinが低くなると、V2の負荷が重くなり（小さくなり）ます。そして、基本回路（図A）のV2の負荷Rp2を得る数式は、面白いことに、引き算でした。ということは、もしかして、負荷Rp2がゼロΩとなり垂直のロードラインが現れるかもしれないと思いました。そして、負荷Rp2がゼロでも出力電圧はあるはずです。

計算（12AU7・表1の定数）したところ、メインアンプの入力インピーダンスZinが、974Ωのときに、V1の負荷Rp2がゼロになりました。（有効桁相当のゼロです）さっそくZin=974Ωとして実験(シミレーション)してみます。結果、マクロで見るとほぼ垂直なロードラインが現れました。負荷はゼロΩなのですが、このときの出力はゼロでは無く 6.36Vp-p！（入力は20Vp-p（1KHz））もありました。

 

974Ω

 

おまけ

負荷ゼロ（赤線）のロードラインをミクロで見ると、不思議なことに、楕円になっています。直流カットの結合コンデンサーの容量に依存性がありそうなので、容量を0.68μFから1000μFに増やすと、逆くの字になりました。下段は、波形です。

   　　

　

Ep-Ip曲線の非直線性も関連していると思えるので、コンデンサー無しで理想真空管で試したところ、以下のように垂直線になりました。結合コンデンサーはどのような動作をしているのでしょうか？

　

 

 

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