| 目次 はじめに 製作方針 初段の追加 主要部品 回路と動作点 電源回路 定電流源 製作と配線 試聴結果 おわりに ちょっと改造 |
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目次
はじめに
製作方針
初段の追加
主要部品
回路と動作点
電源回路
定電流源
製作と配線
試聴結果
おわりに
ちょっと改造
6AH4-GT 全段差動アンプの試作バージョンで、①真空管アンプを作ってみる、②真空管アンプの音を確認する、ということをやってみて、真空管と出力トランスの組み合せが思った以上の音のパーフォーマンスを持っていることと、全段差動がその特性を発揮させる回路であるというようなことが確認できたので、全段差動アンプの本チャンバージョンに取りかかることにしました。
試作アンプは音量調整を考えるとプリアンプを挟んだ使い方になるのですが、私の使用環境ではプリアンプを挟んでメインアンプを左右別置きにする必要性もあまりないので、今回はプリアンプ分のゲインをメインアンプに含めてボリュームコントロールを付け、左右チャンネルを一つのシャーシに納めたツイン・モノラルタイプにすることにしました。
１．試作アンプと同じく、ぺるけさんの回路を見本にした全段差動とする。
２．初段を加えてドライバ段と直結の３段構成にしゲインをあげる。
３．ボリュームコントロール付きツイン・モノラルタイプにする。
４．高域側をもう少し伸ばすように試みる。
５．各段の差動の動作点を調整可能にし、バランスを整えられるようにする。
６．空中配線をなるべく止めて、後で手を加えやすいようにすることを徹底する。
ゲインをあげるには、6922(E88CC)をゲインの得られる球に変更するという手もありますが、6922が気に入っているのと学習のためもあって初段を加えてドライバ段と直結にした３段構成にすることにし、 初段は電位を低くとれる半導体にして6922に直結することにしました。
初段の半導体素子は入力をアース電位にしやすいFETに決め、差動を構成する二つの素子のペア特性を高くするため一つのパッケージに二つの素子が入ったワンチップ・デュアルタイプのFETを候補に、本の製作事例に使われていた中で比較的ｇｍの小さい2N3954のようなFETを考えていたのですが、他に何か入手しやすく、良いモデルがないか捜している途中で、 金田さんのDCアンプシリーズのUHCMOS-FETアンプ（「MJ無線と実験」2000年3月号）で2SK30ATMの音質特性とアンプでの使用実績を絶賛されているのが目にとまり、 まわりまわって結局、初段素子もぺるけさんの見本回路と同じ2SK30ATMになりました。(^^;
真空管とトランス類は試作アンプの時に両チャンネル分を用意していたので、そのまま流用し、初段用は上述の2SK30ATMのGRグレードです。 2SK30ATMはバラで１ヶ50円、ペア選別品が１組250円ぐらいです。 また、初段の+/-両電源用にシャーシの壁面に取り付ける小型トランスを２ヶ追加購入しました。
試作アンプではシャーシ上に縦に立てる放熱器を取りつけて、そこに電源用のトランジスタを付けていたのですが、300V近い電圧のかかった部品がシャーシ外に出ているのは安全上好ましくないのと、調整のためシャーシをひっくり返すときに放熱器が突き出ていて安定させにくかったので、部品屋さんで細長い放熱器を見つけたのでそれを使うことにしました。
追加のボリューム調整器は、スピーカー工作の時にハンズでコピーさせてもらった古いMJに載っていた窪田さんの定電流型のボリュームコントロール回路を試してみることにしました。 そのまま取り付けると入力との距離が離れ過ぎるのでシャフト延長工事をすることにしました。
シャーシは、ツイン・モノラルで面積が必要になるので、あまり大げさな感じにならない背が低いフラットなものを探してタカチのYK-400が安かったので購入しましたが、帰って包装を外してみたら、完全なボックス状の構造ではなく、底板から前後のパネル部分が立ち上がっている本体に、サイド面に相当する両端を折り曲げただけの１枚プレートの上蓋をかぶせる構造のもので、とてもトランス類を４台乗せれるようなものではないことが判明して困ってしまいました。
とはいうものの、大よその費用としては、真空管６本とソケット類で１万円弱、電源トランスと出力トランス各２台と小型トランス２ヶで約２万円、シャーシが３千円ほど、その他諸々を加えても４万円台で真空管プッシュプルアンプ、しかもツイン・モノラルですから超ローコストです。
真空管の動作点は試作アンプと基本的に同じです。
初段；
初段2SK30ATM-GRの差動はペア選別品を再計測して、それぞれ２組づつのペアを組み直して熱結合し、定番のカスコードブートストラップにしました。 また、ソースにはバランス調整用に多回転型の100Ωの可変抵抗器（以下VRと略）を入れ、ブートストラップ用の定電流源のCRD（定電流ダイオード）と抵抗も計測してペア組みしました。
初段の差動回路をカスコードブートストラップにするはもう少し電源電圧（Vdd）に余裕が欲しかったのですが、シャーシ壁面に収まる小型トランスを先に買ってしまっていたので窮屈な電位設定になりました。
ということで、初段の電源電圧が約23V、差動には約1.35mA程度（片側）流し、ドレン抵抗を6.2kΩにして、次段に繋がるドレン電圧を約14.5V程度とし、ブートストラップの定電流源に約1.1mA流れるので、初段の電流は合計約3.8mA（約1.35mA×2＋1.1mA）の設定です。
ドライバ段；
ドライバ段の動作点は試作アンプと同じプレート電流3mA（一本当たり）、プレート抵抗36kΩで3mAのときプレートの電圧降下が108V（36kΩ×3mA）、グリッド電位が前段出力の14.5V前後で6922のバイアスが約3Vでカソード電位が約17.5V（14.5V＋3V）になるので、電源電圧は計算上233.5V（108V×2＋17.5V）ですが切りのいい230Vで計画しました。
このドライバ段の定電流源は、前段と直結になることによりカソードとアース間でのプラス側での動作とし、試作アンプで6922の二つの素子間に若干の差が出ていたので、6922のカソードにも調整用の多回転型の100ΩのVRを入れることにしました。
出力段；
出力段も試作アンプと同じプレート電流34mA（片側）、バイアス約20V、プレートの動作点電圧230Vとし、グリッドのバイアス調整回路の嵩上げ約4Vを加えたカソード電位が約24V、電源のフィルター抵抗10ΩとOPTの直流抵抗の電圧降下を2V程度見込んで電源電圧は約256V（24V＋230V＋2V)になりますが、これも切りのいい260Vで電源を設定しました。
その他；
その他、出力トランス（OPT）一次側の上下の直流抵抗の差を抵抗で補正し、6AH4-GTのプレート電位をターゲットにバイアス調整できるようにし、初段のドレン抵抗やドライバ段のプレート抵抗、ブートストラップの抵抗なども１％精度のものを再計測し上下のペア取りと左右チャンネルに配分し、各段の定電流源の電流量と初段ソース、ドライバ段カソードのバランス調整VRで所定の値に全て揃えられるように計画しました。
回路図；
両真空管用の電源は試作アンプと基本的に同じですが、6922は前段と直結になる分電源電圧を上げています。 図からは省略しましたが、ACラインにはスイッチ、ヒューズ、パイロットランプを入れ、スイッチにはスパークキラーを抱かせ、トランス一次側にはパルスノイズを抑えるための0.1μFのフィルムコンデンサーを並列に入れています。
また、初段FET差動回路用には小型トランスをブリッジ整流した両電源とし、基準電圧ＩＣのTL431Cでシャント・レギュレータ型の定電圧電源にしました（取り出す電流が小さいためか整流後の電圧は定格より高い値になっています。）。 6AH4-GTの定電流源用OPアンプとグリッド・バイアス調整回路の電源もここから取るようにしました。
また、ヒーター電源を直流化しているのは試作アンプと同じです。
メイン電源回路；
初段電源回路（6AH4-GTの定電流源OPアンプとバイアス回路用電源兼用）；
出力管6AH4-GTとドライバ管6922の定電流源も試作アンプと基本的に同じですが、上述のように6922の定電流源はアースに接続しプラス側での動作になります。
当初、初段FET差動の定電流源は、選別で余った2SK30を利用し、動作抵抗が高くなるように２ヶをカスコード接続し電流調整VRを挟んだものを付けたのですが、電流設定がやりにくいのとFETの温度特性がモロに出そうなので、結局、ドライバ段と同様に設定の自由度が大きいTL431Cとトランジスタを使った定電流源に変更し、電流調整用の200Ωの多回転型VRを挟みました。
いずれも、TL431がRef端子とアノード端子間の電圧を2.5Vに維持するように動作することを利用したもので、定電流源１と２はその間に挟んだ抵抗値をVRで調整してトランジスタに流れる電流量（2.5V/R)を決め、定電流源３(オリジナルはKimcoさん設計）は4.3kと4.7kの分圧回路のVRでTL431のアノード・Ref端子間2.5Vに対する分圧比からオペアンプ4558の非反転入力端子への入力電圧（この場合5.1V）を決め、オペアンプの非反転入力端子と反転入力端子が同電位に強力に維持されることを利用してトランジスタの電流量を決めています（5.1V/75Ω）。
前述のような理由で、シャーシを補強しないとどうにもならないので、まずは上蓋がたわまないように電源トランスを乗せる部分に1.5mm厚のアルミ板を裏打ちし、重量を支える下部本体の前後パネル部分にはＬ字のスチール金具とアルミアングル材で補強を入れました。
主要部品の配置は、電源トランスと入力関係を離すために、電源トランスをシャーシ前面の左右に配置し、中央手前に6922、その後ろに6AH4-GTを並べ、一番後ろに出力トランスを乗せる構成にし、放熱器はシャーシ両サイドに配置しました。 また、ボリューム調整用VRは真鍮パイプとアルミ丸棒を使ってシャフト延長し、フロントパネルの貫通部分は小型のピローブロックを使いました。
そんなこんなで、前半は切ったり・削ったりの金属工作がやたら多い工程になってしまいました。
配線は試作アンプと同様に機能ブロックごとに穴開き基板に組み、今度は空中配線はなるべく避けて配線はできるだけシャーシ面に這わせることを徹底することにしました。
6AH4-GTと6922用の定電流源をそれぞれのソケットの近くに配置し、ヒーター用電源各２枚と小型トランスはシャーシの側壁面に、初段用の定電圧電源はフロントパネルの裏面に取り付け、初段の基板は中央に配置しましたが、スペースの都合上、細長い基板になってボリューム調整VRからのシールド線が長くなってしまい、せっかくシャフト延長した距離をロスしてしまいました。
面積的には余裕のあるシャーシサイズを選択したつもりでしたが、初段も別電源のモノラル構成、ヒーターも直流点火なので電源基板の数が多く、実際取り付ける段になって配線の曲がり代や基板の端子間のクリアランスが足らないことが判明したりして結構タイトなことになりました。 また、シャーシ補強と数多い基板を取り付けたためシャーシ表面にビスの頭がたくさんでてしまいました。
アースライン・イメージ；
まず、出力段、ドライバ段、初段の順に定電流源の電流量を設定した上で、初段、次いでドライバ段の電位バランスを決めて、出力段のバイアスを調整。
ＣＤプレイヤーとスピーカーを繋いでみます。 聞えるようなノイズがなく、今回も一安心です。 よかった！
音を入れてみましたが、おおっ！ ちゃんと鳴ります。 ボリューム調整もちゃんと効きますＯＫです。
次いで、負帰還を少しずつかけてみます。 片側問題無し、やっぱり負帰還をかけた方が良いです。
反対側も少しずつかけてみます・・・。 おや、音が大きくなるみたい？と思った途端にやっぱり、ビ～ッと発振しました。 ということで、片チャンネルの出力トランス一次側コードをひっくり返して6AH4-GTのプレートへ繋ぎかえです。
今度は、問題無く負帰還がかかります。 両チャネルの帰還量と左右の音量バランスを微調整。
低音はちょっと軽い感じですが、中域がはっきりしていて、音が前に出てくるところが真空管アンプらしく、ドラムやシンバルの叩く系の音や弦の弾ける音がいい感じです。 試作アンプよりも高域と低域のバランスがいいみたいです。
何より、ちゃんとステレオなのが嬉しい！(^o^)
今回は、真空管アンプには適さないともいえるシャーシを選んでしまったために、その補強にかなり悩んでしまいました。
また、初めて一つのシャーシに左右チャンネルを納めるツイン・モノラルにしたのですが、トランスと電源基板の数が多いのに加えて、上述のようにシャーシが変則的な構造で、しかもそこに補強金具やアングル、プレートの裏打ちをしたため非常に取り付けにくいことになってしまいました。
真空管部分の回路はほぼ試作バージョンの流用なので、どちらかというとシャーシへの組み込みと、追加したFETの初段がメインのような感じでした。 むりやり個別のFETで差動をカスコードブートストラップ化したのですが、これを通じてFETというものを少し実感を持って知ることができたような気がします。 なかなか個性的なヤツだというのが感想です。
それと、今回は、試作アンプでの定電流源の精度向上に引き続き、できるだけ差動の動作バランスを整えようとして、FETやCRD、抵抗をかたっぱしから測ってペア組しましたが、それを通じて今までかなり大雑把な作り方をしていたことに気づきました。 ちょっとポイントを掴んだ感じです。
あと、負帰還を少し強めにかけられるように計画して、音の違いを試してみたのですが、
負帰還量が少ないほど上述の真空管アンプらしい特徴が顕著なようですが、ソースによってはちょっとうるさい感じになったりするので、私的には、負帰還量を増やしてダンピングを強めた方が好ましい方向になります。 ただ、負帰還を目一杯かけると高域にやや詰まった感じがでてくるので、ちょっと手前でストップです。
まあ、それは、それとして、しばらく聴いてみての自己評価としては、なかなかいい音がでてるように思います。 (^o^)/
高域を伸ばすことを狙ったはずのアンプですが、上述のように高域の音質を重視すると負帰還量に制約がでてしまうのが気になっていたので、ちょっと改造してみることにしました。 と言っても、シャーシ内は結構タイトな状態なのでちょっと改造というわけにはいかず、あまり面倒なことはしたくないので、お手軽手法の採用です。(^^;
当初の計画では高域を伸ばすために各段のポール（カットオフ周波数位置）をできるだけ高い側に持って行ったのですが、今度は逆に１ｓｔポールを大きく下げて、ＯＰＴのカットオフ周波数の手前で帰還を完結させてしまう計画です。
具体的には、出力管６ＡＨ４-ＧＴのグリッドとプレートのピン間をコンデンサ（以下Ｃと略）で繋ぐだけですが、Ｃだけでは発振するので直列の抵抗を入れてＣＲ直列のハイカット・ステップフィルターの構成にし、遅れた位相を途中から戻すようにします。
ざっと計算です。
６ＡＨ４-ＧＴ全段差動アンプの３段分のトータルゲインは大よそ２０００倍。
８ｋΩ：８ΩのＯＰＴの減衰比は１／３１．６
従って、ＯＰＴを介した出力ゲインは２０００倍÷３１．６の約６０倍。
負帰還抵抗は１．６ｋΩと２００Ω可変抵抗の組み合わせですが、仮に帰還定数βを１／１０とすると可変抵抗が１７８Ω。
そのときの負帰還後のファイナルゲインは、６０倍÷（１＋（６０倍×１／１０）＝約８．６倍（約－１７ｄＢ）。
前段６９９２（６ＤＪ８）のカソード抵抗を考慮した出力インピーダンスは約７ｋΩ。
出力段６ＡＨ４のゲインは約５．９倍
出力管グリッドとプレート間のＣＲ直列ハイカット・ステップフィルターの特性は、前段出力インピーダンスをＲ１、直列抵抗をＲ２、コンデンサをＣとして、減衰が始まる－３ｄＢのカットオフ周波数をｆ１、減衰が止まるステップ周波数をｆ２、ステップ周波数以降の減衰比をＤとすると。
ｆ１＝１／（２π（Ｒ１＋Ｒ２）Ｃ）
ｆ２＝１／（２πＲ２・Ｃ）
Ｄ＝Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
このステップフィルターの位相特性はカットオフ周波数ｆ１の１桁下から位相は遅れ始めてｆ１で４５°遅れ、遅れた位相は途中から戻りｆ２で再び４５°に戻る特性となり、ｆ１とｆ２のステップ比により位相変化の大きさは変りますが、ｆ１：ｆ２＝１：１０では遅れは大よそ６０°位迄に収まりそうなので、ＯＰＴの位相回転を含めても十分安定な位相余裕（６０°以上）がキープできるのではないかというところです。
そこで、帰還後のカットオフ周波数を可聴域２０ｋＨｚのオクターブ上（２倍）、ＯＰＴのカットオフ周波数＝約１００ｋＨｚのオクターブ下あたりを目処として４０ｋＨｚにおいてＣの値を求めます。
一次ハイカットフィルターの－６ｄＢ／Ｏｃｔ．の減衰域でのゲイン×帯域幅の積（ＧＢ積）が一定とし、Ａβ＝１となるゲインを１／βである１０倍、そのときのカットオフ周波数を４０ｋＨｚとすれば、ＧＢ積は４０ｋＨｚ×１０倍＝４００ｋＨｚ、出力ゲインのカットオフ周波数はＧＢ積４００ｋＨｚ÷６０倍＝６．７ｋＨｚ。
ｆ１＝６．７ｋＨｚにするためのＣは、Ｒ１を前段出力インピーダンスの７ｋΩ、ｆ１とｆ２の間隔を１桁としてＲ２はＲ１の１／１０程度の６８０Ωとすると、１／（２π（７ｋ＋０．６８ｋΩ）×６．７ｋＨｚ）＝約３０９０ｐｆ。
６ＡＨ４のミラー効果５．９倍＋１＝６．９で割ると、３０９０ｐｆ÷６．９＝４４８ｐｆ。 これより、Ｃは４７０ｐｆを採用。
Ｃを４７０ｐｆとした場合の再計算。
４７０ｐｆ×ミラー効果６．９倍＝３２４３ｐｆ、６ＡＨ４のミラー効果込みの容量約５０ｐｆを加えると約３３００ｐｆ
オープンのカットオフ周波数 ｆ１＝１／（２π（７ｋΩ＋０．６８ｋΩ）×３３００ｐｆ）＝６．３ｋＨｚ
ＧＢ積＝６．３ｋＨｚ×６０倍＝３７８ｋＨｚ
負帰還後のゲイン８．６倍のカットオフ周波数は、３７８ｋＨｚ÷８．６倍＝４４ｋＨｚｋ
減衰が止まり位相遅れが４５°に戻るステップ周波数ｆ２＝１／（２π（０．６８ｋΩ×３３００ｐｆ）＝７１ｋＨｚとなります。
この出力管のｐ－ｇ間のコンデンサＣが入った回路の動作は、低域の信号に対してはＣのインピーダンスは非常に大きく無視することができ、Ｃを入れない元の回路と同じです。 高い周波数に対しては、Ｃのインピーダンスは低下するため周波数が高いほど前段プレートの変化電流のほとんどがＣに流れることになり、電圧ゲインは周波数に応じて－６ｄＢ／ｏｃｔ．で低下することになります。 出力がこのｐ－ｇ間のＣのインピーダンスで決まることはｐ－ｇ帰還とも言え、高域をＯＰＴの一次側でｐ－ｇ帰還し、二次側からは低域を帰還するかたちとも言えます。
ちなみに、これは、何万倍と言う高ゲインを前提に広範囲にわたって－６ｄＢ／ｏｃｔ．のロールオフを実現するＯＰアンプでお馴染みのいわゆるワイドラー（Ｗｉｄｌｅｒ）とは異なるものであり、帯域を狭めたナロラー（Ｎａｒｒｏｗｌｅｒ）が近いのかも？(^^;
で、改造結果ですが、
激変というようなことはなく、元の負帰還抵抗の設定では変化はよくわからないというところですが、負帰還を以前より増しても高域がかすれた印象にはならない、少なくとも悪くなった感じはしないので、まあ、お手軽な応急処置としては一応成立のようです。(^^;
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