低ひずみ率トランジスタ増幅器

U.D.C.d21.375.4:d81.84.08占.7

低ひずみ率トランジスタ増幅器

Low

DistortiollTransistor

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Setsuo Yamamoto

要

旨

今日,経摘如こ二子ゴいて数多くの刊,･∴(をもつ半導体素子を利口】Lた増幅器が各方面の枚器に応悶されている｡ ここでは主として構域価格対性能という測更により日進月歩するトランジースタの一断面をとらえ,空た社会的 安]∼を満足するi鼠7i仲間発するに当たって,ごしつような考え方によりステレオ増幅器を設計し,製品化してい るかについて述べる｡ まず,増幅器しっ基本的能動素子として､一般iこは真空管およびトランノジスメが考えられるが,線形増幅素子 として真ニノ巨背こ比べ性能上幾多の欠′｢∴ミを保有するトランジスタが,半導体産業の発達にともない,真空管を駆 逐L,ステレす七､ソトなごに組入込まれ商品化さjtてきたことに関Lて説明し,次いでより低価格のトランジ スヌを肘一日し,またエり簡単な電子原部を用いて,目漂とする低価格高性能の増幅器を設計しているかという点 に主取を置き記述する√つまi)ゲル｢アニュームトランジスタを軌､て直流的な員帰還と交流的な貞婦還を同時 に印加し,B純増幅器の大ノミミである無信号特と出力時の電流変動がおよぼす増幅器への影響を排除し,低価格 の電帽回路ニュる設計を可能こLた二,また大出力増幅器を鞘成するに当たJ)ブリッジ形の出力回路を採用する ことによr_)一道将ど■;二i;より混入するハム博吉その他の影響をなく二:し,低電.し亡｢ニセよ.ti力を得ることに攻功した｡ l.緒 口 一触にス.テレすJ削白器し1河岸み掛Jに∴三回lこ示すように,レコード みぞの辞を首≒も庁ミ'ぢ′として取こ)だすう-トトソジのとl_与力を電熱三】′りこ 増陳L,スピーカをし､しネうぷノ⊥駆動するここ足りる電気的信ぢせ得る ようにな･1ているユ _{うートJ･りジレ′_1汁｢わこま2nlV＼10nlV程吐㌔_｢′+､} 信号であり,!ムく使呵されている∴-ビン デマグネ､ソト形のカート リッジはマブネ､ソトの樺帆杓振動をコトニに感応させて電臣を発tヒ させる続稿にな-｢ているため､カートトソジし7〕出力rンピーダンス ほ誘導的であ､〕て､岡持数ニュー〕て川カーrンヒーブンスが変動する｡ Lたが-1て第1の電旺増幅詩話上して,入力一ナンピーダンスは50krユ ∼100kiュ必要となるこ√ また現在阜1【i+いら二妻Lているてピーか?入 力として8W程度は必要だから.､くどーうでンピーダ､ンスを8nと し,カート1ト､′ジ出力を4111Vと寸′きtこだ8Wの出力を供給するここま 66∂B(2,000f吉)LT)電圧利得が要求される｡, また,前述のエーピンブてブネ､リト形のカートり､ソジの性質とし コードの原音特性の開拓から図lの電圧増幅器甘の周波数特性は図 2ノ)ようこ低域のブーストされた節分形の増幅昔凱こなる｡こ一れは1 k‡izのンベ′-こに対Lて50HzJl利得が18dB程度大きいことが必要 でもる｡言いかえjlば,50Hz近辺の信号の大きさほ約0.2皿Ⅴで, これをS4dB(1万倍以上)増幅Lな汁ればならない｡以上の条件を 考覆する主力ートてJッジの出力をまず増幅する回路ほ1′ゾ雑音が小 さく,ノfズ特性の良好な素子が陣門されねばならない｡ 以上のこ上から明らかなようこ,丁くテレオの増幅器とLて,と､二 に問題になるのこま,小伝ぢせ増幅する低雑音増幅凹路と,スピーカ に電力をひずあ少な(供給する電力増幅回路が設計上の焦点とな る.〕従来,真空管を使用して低静吉昭幅器を構成していたが,ヒー タを必要とLないトランジスタの進歩により現在では,大部分トラ ンジスタに置き換えらこれている｡L′かL,真空管を直流点火し,ハ ム雑音を除去するとき,性能的にこまヤはF)真空管式のものがすく､､れ ていると考えら謹tるが,初段にFET(電界効果形トランジスタ,以 後FETと苫く)を使用し.じ`ふうぷん配慮Lた設計を行なえば,ト ランジスタの場合でも実用_L差異のない製品を作ることができる｡ 次に出力増幅回路であるが,真空管の場合,経時変化の問題お 日立製作所豊川工場 1= _{ナ･--.′ンナノ■り}

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664 _{昭和幼年7月 日 立}

_評

_論

_{第51巻 第7号} Trl(NPN) Tr｡(PNP) -B Tr】 Dn Rム 一

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Tr｡ 十B 一一+トーーーーーーーーーーーーーーー一寸

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囲3 直結2段のNPNトランジスタ を使った増幅回路 スタ 図6 _{一般のSEPP回路} J 】 一十B Trl Tr2 入 力

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図8 高出力形直列接続出力回路 ノ＼ 力 0-+

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トーー勺 図4 直結2段のNPNトラソジスタと PNPトランジスタを使用した増幅回路 ＋B U-岸田ヘヘユ∩ Tl

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Vp-P (c) 図5 _{電圧利用率の説明図} Zo (a) ro ギミ lく _Tr｡ Trご Trご 図9 ブリッジ形出力回路

2.増幅回路の構成方法

図lのブロックダイヤグラムに示すように,ステレオの構成は二 つの電圧増幅器と一つの電力増幅器に分類される｡ 2.1電圧増幅回路 電圧増幅回路としては図3,図4に示す｡直結2段増幅式基本回 路を使用する｡ この特色は,まず図3の場合,負帰還,抵抗尺/および直流的負 帰還抵抗凡の両者により,安定指数5は2以下に設定できる｡また 2段での電圧利得は60dB近くとれるため,尽｢により負帰還を30 dB印加したとしても,なお全体の利得は30dB程度となるため, 卑/に周波数特性を持たして設計すれば,マグネチックカートリッジ の場合の周波数特性の補正を容易に行なうことができる｡ この回路では,ひずみについては負帰還量が大きいため,0.1%以 下となり全く問題ないが,初段に使用するトランジスタには,低雑 音トランジスタを使い,かつ,ノイズについて最良になるようにコ レクタ電流を0.1mA近くに選ばねばならない｡ なお,図4についても同様であって尽/が交直両用の帰還抵抗と なり,供給電源電圧が一定ならば,電圧利用率としてはエミッタの バイアスが不用となり,とくに図3に比較して有利であって,ダイ ナミックレンジを大きく取ることができる｡ 2.2 電力増幅回路 ひずみを抑圧した大出力回路を構成するのに, の利用率について述べる｡ 図5はトランジスタを使用した回路であるが, 負荷はインピーダンスロードになっているため, ここではまず電圧 各トランジスタの コレクタへの供給 電圧Elに対し, E｡ Ro (b) Z｡ R｡=2r｡ E￠=2e｡ 図10 _{ブリッジ出力回路の等価回路} 出力電圧の最大振幅γp_Pほ γp_P=2El.… となり,電圧の利用率としては有効であるが, ‥(1) トランジスタのコレ クタの耐圧ほl仁1だけ必要となることと,トランスが必要となり, ひずみおよびコストの面で不利である｡トランジスタ式の場合,一 般的に多く用いられる出力回路として,図dのSEPP回路がある｡ この場合の電圧利用率は供給電圧がγp_Pに相当する｡ さらに高出力を出す場合,コレクタ損失を分担するため,図7の パラプッシュプル回路,図8の直列プッシュプル回路が考えられる｡ さらに進んで図9のブリッジ形出力回路を検討してみると,その等 価回路ほ図10(a)のようになる｡ここに,γ｡は片側のシングルエン デッド,プッシュプル回路の出力インピーダンスであり,るはスピ ーカのインピーダンス,また,β0はその出力である｡したがって, 図】0の(b)のように,出力Eoは2β｡となり,出力電力fもは

昂=普=晋

roは0.1凸程度であり,る=8Qだから ガ0<<るを適用する .‥(2) であって,出力としては4倍になる｡このブリッジ形出力回路は供 給電源電圧も低く,大出力を発生させることが可能であるため有利 である｡ 以上一般に考えられる回路方式を検討し,比較表にまとめたのが 表1である｡

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幅

_器 665 蓑1 回路方式による特徴の比較表 出力回路方式 使用トランジス_タ の 条 件

(冨買菜箸)】そのほかの特徴一回路図

1 SEPP β1/もガを大きく し,許容コレクタ 壬貝失を大きくする 2 パラプッシュ SEPP β1′七月を大きく する 3 シ _リ ー ス プ ッ シ ュ SEPP んの許容値を検 討する必要あり 4 プリ ッ フ ツ シ ジ トランジスタのグ レードアップの必 要なし 2丘'1 2El 2El El

芸≡冨≡芸言芸冨J国6

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入力 2SC650 2SB75 R3074.7kR30982k

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_(三重 Y 図12 _{ゲルマニュームトランジスタを使用した中出力回路}

3.実用回路の構成とそのデータ

ここでほ低雑音増幅回路について簡単にふれて置く｡図11は初段 にLTP形(Low Temperature Passivation)トランジスタ2SC-650を使用し,動作点としてコレクタ電流を0.1mAに設定し,1kHz の利得を26dBに設計したイコライザである｡ひずみは0.1%(1kH去) でダイナミックレンジも4V以上のノンクリップ出力を得ることが できる｡ 図12はアロイ形ゲルマニュームトランジスタ2SB337を出力段 に使用した申出力回路である｡この回路の特長は最終段の出力端子 から初段のトランジスタ2SC-650のエミックに交直両用の負帰還 が印加され,この負帰還回路に帰還形トーンコントロール回路がそ う入され,低音と高音の調整が容易にできることである｡ Rout Lout 出力 18V) なお,本実用回路はノンクリッビング出力として7W/チャンネル であり,ひずみ率は0.2%(1kHz,7W)以下で,キャッスルシリーズ の第2弾に使用し,好評を得て現行の機種にもまだ使用されている 回路である｡上記回路ではDC電源電圧が-28Vから-22Vまでそ の出力に応じて変動するがひずみとしてほ非常に小さな値となる｡ 最後に高級形プリメインアンプとLて発売している1A-1200の 出力回路ほ図】3に示すように二つの増幅器が1チャンネルを構成 している｡また図14の説明図は,図13の回路をどのようにして結 合,または切換を行なって,4チャンネルアンプまたはセンターウ ーファー方式(3Dシステイム)を構成しているかを示したもので, スピーカの結線方法として図】5のような多用途性アンプを構成す ることが可能であり,実用面およびセールスフィーチュアに貢献し ている｡

666 _{昭和舶年7月 日 立 評}

_論

_{第51巻 第7号}

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図14 _{チャンネルセレクタスイッチによる機能変更説明図} 図13の回路は二つの基本的な出力回路から成立っている｡今そ の一つの基本回路について,基本データを列挙すると図1d､柑のよ うになる｡ 次に上記基本回路を2チャンネル使用した図13のブリッジ回路 について入,出力特性を取ったのが図19であって,出力とLて一応 100W近くが得られ,(2)式の理論値よりほ少ないが,60V程度 のDC供給電圧により,非常に大きな出力が得られることを示して いる｡ また図20ほ出力対ひずみ特性であるが,30Wの基本出力回路よ りもひずみが少なく実際上,3倍の出力が得られている｡ JH力1 出力2

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日 まず,アロイ形ゲルマニューム出力トランジスタを使用した4段 直結アンプにおいて,動作点補正のための直流帰還とひずみ改善の ための交流帰還を同時印加し,カ､ソトオフ周波数が5kHz程度のロ

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3 2 1 【/ 5 仇 ∩り 図16 _{パワーアンプ再三問波数特性} 1＼･二･三三f=｢†…:≡二J Noise Lel･ell.51nV S′※手180dB リー･ 1kHz(100HzユOkHz) 一25-28-15-1り一5 0十5十10 ノ､〉･し-￣＼∴′(dB皿) 図17 _{入力対出力特性} ー 1kHz 一一一一一101汁iz 一一-1眺Hz 3 5 1q 20 _30+m 】 叩■: 図18 出力対高調波 ひずみ率特性 (芭 併任ナノ+ 【+ ｢コ 〔■J nん -+コ ヘ∧J 2 1 〔り JrU ､U 〔〓) ーコストトランジスクをHi-Fiセットに使用可能にし,これを製品 化した｡なお,アロイ形トランジスタの欠点は上記手法により,改 ; ■論 文 〉 _室壁温度 ) 〉 〉 〉 )

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On7050 訓湖 1075 りりり】 1【″■) qむ (+ヒ 〔れ一 ト1L(10k)Hz /て3佃z (dB 回19IA-1200入JJl力 -=---10川ズ ーーーIkr†z -30Hz 0_5 1 2 5 川 2(Iこi】〕 Jノ(lり.･′〔l-岡201A-1200出力対 蘇お 7 5 3 ∩り ハリ nU 0.1 _Jけ.07 ioo (望 碕ト/.､蝉虚位 特性 _{ひずみ率特性} 善されると同時に,その堅牢(けんろう)さほ,一般市場に発売する 製品として有利な条件である｡またセールスフィーチェア的には ITL-OTLとして市場にアピールする効果が大きかった｡ 次いで多用途性プリメーンアンプとして,巷皇品化した,ブリッジ 形出力回路ほ,62Vの低い供給電圧で連続出力,90W(1クgひずみ) を可能にし,また切換方式によりチャンネルアンプ,およぴ3D方 式をも可能にし,業界の注目をあびることになった｡しかるに,半 導体素子の進歩が非常に早い今日,オーディオ用のFET,またほ高 直線性を誇るパワートランジスタなどの開発量産化が行なわれよう としている現状では,さらに回路的な検討を加え,出力用トランジ スタの平衡を取ると同時iこ,出力用結合コンサンサの除去により低 域性能の改善を図ることが必要となろう｡これにほ出力回路構成上 の信板性向上の研究が要求される｡. Vol.30 日 立 造 船

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･四サイグ′げイーゼル棟関における過結幾の汚･れと燃焼 ･低Cr-Mo鋳鋼 ･14Cr-13Nト2W ‥本誌に関する照会は下記に願います…‥･ 〟 立折 目 大 〉 プこ 〉

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造 船株 式 会 社技 術 研 究 所 此花区桜島北之町60 郵便番号554

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