回路のトポロジーとシンプル化の考察(2):フォロワ型SEPP出力アンプの場合
 
ここでは、最も一般的なコンプリメンタリフォロワ型SEPP出力段を使った場合の初段回路との組合せ例と、十分な性能が得られるまでに最小限必要な素子数を具体的に検討します。


●シングル型初段との組合せ

「最小限度を極める」のが目的のケチケチ作戦なら、初段は1石のみのシングルタイプ。但し、フォロワ型SEPP出力では±40V以上のドライブ電圧を出さなければならないので初段1石のみではDC電位が合わず、電圧増幅段の1石を追加して4石が常識的な設計での最小構成となります。

シングルの初段と、ブートストラップでゲインを稼いだ電圧増幅段で出力段をドライブし、実質3段のエミッタ接地増幅動作。(回路図には位相補正のコンデンサを記入していませんが、付けないと裸ゲインが大きいので必ず発振します。)

バイポーラTrの初段では入力オフセットとドリフトが大きいので、入力バイアス電流は補償回路でキャンセルしても、NFBはDCカットの電解C付き(ACアンプ構成)となってしまう。

DCカットしたACアンプとする事で出力のドリフトはなんとか実用レベルに納まりますが、低域時定数が2つもあるのと、電源ON時のPOP音(NFBの電解C充電が終わるまでの出力DC漏れ)が気になります。
なお、初段PNPのコレクタ出力抵抗が大きくないので、-50V側はドライブ段の電源をリプル除去必要。(図のダイオードと2200uF。これがないと-50V電源のリプルが出力へ数mV漏れる)

初段にJ-FETの自己バイアスを入れると、NFBのDCカットはなくても動作しますが、動作点を厳密にQポイントに設定するのは難しく、ドリフトは出たとこ勝負。さらに電源が±50Vだと、耐圧が持たないので4石で済まなくなる問題も発生。

カスコードを追加し、さらに電圧増幅段に定電流負荷も付けて・・と石数を増やせば性能は上がりますが、シングル初段では限界があるので4石より増やすのは良い選択とは言えないでしょう。

2SK214のようなCrssの小さい高耐圧MOSを初段に使うと耐圧はOKですが、温度ドリフトの小さいQポイントが約20mAなのでDCアンプ構成にしようとすると消費電力が大きくなるのが気になります。

ややトリッキーな設計ですが、次の図のように初段に逆立ち出力を適用(ドレイン側に別トランスで整流平滑したフローティング電源を挿入)すればシングル初段でダイレクトにドライブ可能で、3石のアンプが出来上がり。NFB極性の為、初段ゲートへ帰還する反転型しか作れないのがネックですが、たった3石でも程々の性能のアンプは出来る物です。

この回路のポイントは、初段VgsオフセットをシリコンDiの0.6Vでキャンセルし、Qポイントより小さな電流でのVgs温度変化を打ち消しているところ。これ以上はないと言えるほどシンプルにDCアンプ構成を実現しています。


肝心の性能は、下のグラフ程度。(1kHzでのデータしかありませんが・・・)AC特性だけなら4石ですでに十分で、これ以上の性能を与えるのは「気分次第」でしょう。

赤線が3石の場合の歪み率。
裸ゲインが小さくてNFBが少ないので、歪み成分はほとんどが出力段のクロスオーバー歪み。アイドリングを増やせば、A級動作範囲内で歪みは改善可能だが発熱は大幅増。

残留ノイズが大きい(約0.4mV)のは、+70Vの浮動電源のトランスからの静電誘導ハム成分で、静電シールド付きでも、2次側の巻線とGND間の結合で汚いハムが出てしまう。ドライブ段に逆立ち型を使うには、2次巻線にも静電シールド入れたダブルシールドのトランスを特注する必要がある。

青線の4石構成では歪み率の値は十分な特性。但し、初段がPNPのシングルなので温度ドリフトによる低域ノイズが大きく、わずかな気流の影響で出力はmVレベル以下ではあるが常にふらついている。(DC特性が良くない)
これは、バイポーラTrをシングルで初段に使った場合の宿命であり、ペアでVbeを打ち消す差動タイプにするか、FETを低電圧で使うかしないと改善されません。

DC特性まで含めて考えると、フォロワ型のSEPP出力段では4石以下ではまだ十分な性能レベルに到達できないようです。


●差動型初段との組合せ
 
この組合せは最も一般的な「定番」であり、市販品のほとんどがこのタイプに属し、途中の電圧増幅段周辺の工夫で差別化されているのが現状です。
10石以上使って高性能化を図っている既存回路は面白くないので、最小限度の検討と現行回路の分類のみとします。

1、最小限の構成は、シングル4石構成の初段差動化のみで5石
 (電圧増幅段のブートストラップはそのままだが、DC特性大幅改善)

 シングルで問題になった初段PNPの出力抵抗は、同相成分に対し
 共通エミッタ抵抗22kΩで電流帰還が掛かるので30dB以上改善
 され、余分なリプルフィルタを削除できる。

2、電圧増幅段に定電流負荷追加で6石
 (ブートストラップ低域時定数の削除、右図のカレントミラーなしの構成)

3、差動初段をカレントミラーで受けて7石
 (2段目ドリフトと差動CMRRの改善:右図回路の構成)
 電源変動をカレントミラーで受けでキャンセルできるので、初段の
 電流安定化24V ZDiが省略可能。

4、電圧段の前にバッファ入れて8石
 (さらにゲインUPで超低歪率を実現)

PNP初段ではバイアス電流があるので、これを嫌ってFET初段にすると
耐圧の関係でカスコードが必要となり、さらに2石増加。

初段共通ソースに定電流回路を追加すると合計11石。
一般的なアンプはこの程度の回路規模が普通のようです。


赤線がカレントミラーなし6石の場合の歪み率。シングル初段の4石と較べて、AC特性は改善されていません(初段ゲインがやや減った分歪みは増加)が、DC安定度はしっかりしています。
歪み率の値はこの程度でも必要十分で、コンプリメンタリの高耐圧半導体が入手可能になって以来、ローコストなアンプの定番回路です。

青線は差動初段をカレントミラー受けした時の値で、差動出力を残さず利用し、さらに同相ノイズの除去効果もあり残留ノイズと歪みの両方で改善が見られます。

(注)上の回路図では位相補正のコンデンサは記入していないが、高NFBなのでしっかり補正をしないと必ず発振します。(静止状態では安定しているように見えても、負荷を繋ぐと特定振幅で部分的に発振することも良くある。)

これに2段目電圧増幅段をダーリントンにしてゲインUPしたのが複合ダーリントン(SAP)を使用したシンプルアンプの実験で、さらに20dB程度の改善が得られますが、必要は値は0.01%以下ですから10kHzで悪化するのを差し引いても7石の特性ですでに十分なので、そこまで低歪みを追及するかどうかはお好み次第。


 
以上の例は電圧増幅段をE接地のシングルで構成した場合ですが、電圧増幅段のバリエーションとしては以下のような形式も良く使われています。
 
5、差動出力を2段目の差動で受け、カレントミラーで電圧増幅段の定電流回路を置き換え。(右の回路図の差動2段目バランス回路削除した状態。初段カレントミラー受けの7石と同じ石数で、電圧増幅段の出力電流の±対称性が改善される)

6、差動2段の7石回路にコレクタ電圧バランス回路を追加し8石構成。
 (右の回路図そのまま)

これはラ技1983/1月号に黒田さんが「強制バランス型差動回路」として発表した方式ですが、シンプルで非常に良好な特性が得られます。設計に無理なところがなく、完成度が高い回路です。初段シングルの4石構成と比較して、全体の部品数は増えていないのに注目。

実際に試作して特性を見てみると、電圧増幅の2段目にNPNを使えばコレクタ出力抵抗は2段ダーリントンの入力インピーダンスより高いので、強制バランスを付けない7石でも特性はほとんど同じです。

3段ダーリントンにして出力段の入力インピーダンスをもっと上げればその差がはっきり出て来ますが、-110dBレベルの話ですので、実用回路としてはバランス用の1石を削除(代わりに8.2kΩの抵抗に置き換えて2段目のコレクタ損失のバランスを取る)した差動2段7石で不足はありません。

赤線が7石の単純な2段差動回路。
(グラフの歪率スケールは1/10)

歪みは0.001%を切り、その成分はほとんどが出力段のベース電流不揃いによるクロスオーバー歪み。(測定系の残留ハムが入力換算で0.7uV程度あるので出力1V時の歪は0.002%となっているが、ハムを除いた実力は1V時0.001%)

青線は負荷をOPENにして、出力段のクロスオーバー歪みを除去し、電圧増幅段の特性を見たもの。
コレクタ電圧振幅による非直線性が0.0003%程度現われている。

黒線が1石追加した強制バランス型差動回路での負荷OPEN時の特性。
クリップ寸前まで電圧スイングによる歪みが抑えられている。

つまり、必要十分な性能の点で言えば、2段ダーリントンでカスコードなしでも全く問題ないと言うのが結論。
(これは差動2段で十分ゲインを取った上でNPNの2段目を使った場合で、2段目にPNPを使うとコレクタ出力抵抗が低いので性能は悪くなります。)

この設計例では初段と2段目のエミッタ抵抗を削除し、非常に大きなゲインを得ているので、発振を止めるのにテクニックが必要。図に記入した定数の他に、出力段の石のftによってはB-C間に22p-47pFのCが必要な場合もある。
 

電圧増幅段の別のバリエーションとしては、

7、初段差動のカレントミラー受けを電流折返し型にし、初段電流のみで出力段を駆動する「単段増幅型」
も良く使われます。

出力段の入力インピーダンスを高くしないといけないので、出力段の入力バッファ追加(バイポーラなら3段ダーリントン)が必要となり+2石。初段電流のDレンジが要求されるのでFET使うとカスコードでさらに2石と、必要な性能を出すのに石数はかなり増加してしまう。

沢山の石数を使って性能を出すのはシンプル化とは別の方向ですから、ここでは検討を省きます。
●SEPP型初段との組合せ

初段をSEPPタイプで構成する場合、上下に別れた出力をそれぞれ折り返して再び合成する必要があるので、最小構成は6石(初段FETにカスコード付きでは8石)からとなります。

上下出力を折り返して合成すると初段同相成分の変動に対しNFBは掛からず、2段目で高い電流ゲインを取ると初段の温度変化で2段目のアイドリングが不安定となるので2段目ゲインは大きく出来ません。(基本は1倍=ゲイン0で、せいぜい5倍まで)つまり、「単段増幅型」の構成が普通です。

この事から裸ゲインを上げるには出力段の入力インピーダンスを上げるしかなく、出力段の入力バッファ追加(バイポーラなら3段ダーリントン)が必要。

歪み率-120dB以下と言った高性能を狙うには、電圧増幅段の出力インピーダンスがネックになるのでここにもカスコードを入れたくなり、合計12石以上に。

右の参考試作回路は、初段FETに耐圧65Vの特殊品を使ってカスコードを使わずに作ってみました。たまたま使った石のIdssが1mA以下でしかもゼロバイアスでの動作点がQポイントに近い品種だったので、2段目のゲインを4.5倍と大きめに取っています。
(注:回路中の Vb=4.1V x2 は出力MOSのゲートバイアス電圧源で、
 1MHz帯域高速アンプの実験と同様)
 
性能比較のため、図の8石MOS出力アンプと、ドライブバッファK214/J77を削除して6石とした場合、さらに同じ6石で出力石をこれまでと同じバイポーラTrダーリントン(SAP15N/SAP15P)とした場合の3種類の特性を比較しました。

バイポーラTrダーリントンのドライブバッファなしでは、初段カレントミラー出力でいきなり出力段のベース電流を振らなければならないので、NPN/PNPのHFE差によるクロスオーバー歪みが0.2%ほど残ります。
MOS出力にすると、1kHzでのデータは有利に出ますが、10kHzにもなるとMOSはドライブが重いのでドライブバッファ段なしの6石では苦しい。

6石最小構成での特性は、参考回路の定数でこの程度(十分とは言えない)ですが、ドライブ段追加して8石なら十分な性能が出ます。(普通は初段FETにカスコード必要なので、電圧増幅段のカスコードがなくても10石が標準的。)

石数は、前に出た差動2段強制バランス型を初段FETでカスコード付けた10石と同じですが、温度ドリフトに対する安定性は差動が上。最大スルーレート(高速性)は、最大電流がアイドリングに制約されないSEPP型初段が優れます。

市販のアンプでは10石どころではなくて、もっと沢山の回路を付けて「性能」を上げていることをアピールしていますが、カタログの能書きを謳うための言い訳か、本当に音質向上のために必要な回路なのか、はたまた設計者の自己満足か、本当の所は分かりません。

 

●コンプリメンタリ差動型初段との組合せ

コンプリメンタリ差動型初段では出力電流が4つ出ているので、SEPPフォロワの出力段と繋ぐには電流を折り返して再び中央へ集めなければなりません。方法としては、上側と下側の差動出力を共にカレントミラーで折返し、単段増幅とするのが一般的です。

上下共に出力電流の片方を捨てて、単なるSEPP初段と同じ回路で折り返す方法や、上側または下側の差動出力のみを使い差動初段と同じ回路とする方法もありますが、片方を無駄にするのが少し残念。

2段目でゲインを稼ぐ為に、片側は差動初段と同じカレントミラー受けで2段目電圧増幅段をダーリントンとし、反対側はゲインなしで単に電流を折り返したのが右の参考回路です。
差動初段の場合は、電圧増幅段の定電流受けのアイドリングが無駄になるのと比較し、反対側からも駆動できるので上側の高ゲイン2段目がカットオフした後も下側から初段の出力を送ることが出来ます。

上側のダーリントンにした2段目電圧増幅段は非常にハイゲインですが、局部的に2次の位相補正を掛けてNFBで進み補償を追加することで素直な過度特性を実現できます。なお、初段の電流制限がないのでそのままでは大入力時に50mA近い電流が流れて壊れる恐れがあるので、何らかの保護手段の追加が必要。

2段目をどのような回路にするにしても、初段でたくさんの石数を使うので「シンプル」と言えなくなるのはやむを得ません。すでにもっと簡単な構成で十分な性能が出ているのですから、ここまで複雑にするのであれば何らかの見返りが欲しい所です。

「原理的に初段の直線性は優れているのだ」と納得できるなら採用する意味はあるでしょう。(現実的には初段がいくら無歪みでも、出力段が歪みを含んだドライブ電流を要求する限りは初段の1/gmで歪みが発生するので、効果はない)

性能的には、2段目を電流折返しのみの単段増幅構成では出力段の前に電流バッファ(ドライバ)を入れて上のSEPP8石と同程度。右図の回路では、差動初段カレントミラー受けの8石構成と同程度になります。石数の割りには性能への効果が小さく、フォロワ型の出力段と組み合わせるにはシンプル化の点では相性がマッチしないようです。

他の形式との組合せで、出力が沢山出ている点を活用するのが望ましいのではないでしょうか。 (以上、2011.9.17 記載完、2011.9.24 修正加筆)


 
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