まさはる's Weblog

　今回は、「CQ出版社 定本 トランジスタ回路の設計」の第5章に出てくるパワーアンプの低出力版を作ってみようと思っていたのですが、トランジスタを4つ付けられるピッチの合ったヒートシンクが売ってないので、以前作ったアンプと似た、バイアス調整が可能なAB級アンプを作ってみました。

オペアンプはNL8802ANAE1S


2個作ってみました

　このオペアンプ、動作電圧が±3V〜±22Vととても広い、オーディオ向けの製品です。出力段のトランジスタは、これまでTTC004BとTTA004Bを使ってきましたが、さすがに飽きてきたので、大きいやつを購入してみました。

出力段の2SC5200と2SA1943

　...でかいｗ。TO-220用のヒートシンクからはみ出している上に、ブレッドボードに挿さる気がしない...ということで、上の写真のような使い方をしています。

AB級アンプ（その6 1/3）の回路図（PDFはこちら）

AB級アンプ（その6 2/3）の回路図（PDFはこちら）

AB級アンプ（その6 3/3）の回路図（PDFはこちら）

（回路図の1枚目）
　教科書に載っている回路図になるべく似せようとしたのですが、オペアンプの負帰還を出力段の後からかけると発振しちゃって...。負帰還は教科書の後半で出てくるので、とりあえずオペアンプ直下のB点から負帰還をかけています。
　また、教科書では最終段のコレクタ電流を10mAに設定していますが、50mAに変更しています。

（回路図の2枚目）
　計算が長いので、2枚目に記載しています。なお、タイトルは1W+1Wとなっていますが、うちの4Ωのスピーカーで鳴らすことを前提に、2W+2Wで計算しています。

（回路図の3枚目）
　完全にオマケ回路ですが、レベルメーターはホームオーディオ用のパワーアンプに付いている事が多いので付けてみました。

回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


回路図のA点とC点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はC点）

　ちゃんと動作しているので、最終段とその1つ前のトランジスタのコレクタ電流を計ってみました。

電源とコレクタ間の抵抗器

　計測は、1Ωの抵抗器を電源とコレクタの間に入れて、その両端にプローブを当てています。うちのオシロスコープには電圧値から電流値への換算機能があるので、今回はそれを使ってみました。

最終段（Q4）とその1つ前（Q2）のコレクタ電流（CH1（黄色）は最終段、CH2（水色）はその1つ前）

　黄色は最終段（Q4）で縦軸の1マスが1A、水色はその1つ前（Q2）で縦軸の1マスが100mAになっています。これを見ると、コレクタ電流は最終段のピーク時で1.05Aぐらいになっており、これをA級アンプにしようとすると、無信号時に1.05A、ピーク時に2.1Aのコレクタ電流を流さないとダメっぽいですね...まぁ、今の私のレベルではとても無理なので、後々にとっておく事にします。

AB級アンプ（その6）

　右下の2枚のブレッドボードがレベルメーター回路です。レベルメーター回路よりもスピーカープロテクション回路の方が先でしょ、という声が聞こえてきそうですが、あっちはあっちで難しいのでまた今度にします。

回路図のD点とE点（CH1（黄色）はD点、CH2（水色）はE点）

　きれいに全波整流されているようで期待できます。この後、CDプレーヤーのアナログ信号を入れて試験用のスピーカーを鳴らした後、うちのスピーカーに繋げてみました。

CDを鳴らしているところ


レベルメーター部のアップ

　...図太い。低音がかなりしっかり出ていて、押しがとても強いような音に感じます。以前にTTC004BとTTA004Bを最終段に使った音を聴きましたが、こんなに図太くなく、普通に音が出たって感じだったと思います。回路の部品は色々と変更してしまっているので一概には言えませんが、出力段の2SC5200と2SA1943の影響が大きいのかもしれません。

　さて、話変わってレベルメーターの話題ですが、使っているLEDは緑色5つ、オレンジ色3つ、赤色2つがLED1からLED10まで一体となったもので、定格出力の8V_PPでLED9の赤色が点灯するように調整しています。このため、ボリュームを上げると音が大きすぎるのでLED9の赤色の点灯を見たことはありません。ちょっと残念な感じですが、これはこういうものと諦めています。

　今回は、前回紹介した技術本の「CQ出版社 定本 トランジスタ回路の設計」の第4章に出てくるバイアスの調整が可能なAB級アンプを作ってみました。

AB級アンプ（その5）

　左側は正弦波発生回路で、右側がアンプの部分です。このアンプを作るに当たって、トランジスタを熱結合するために3つ付けられるヒートシンクを探したのですが、ネットでは売ってなかったので、バイアス回路のトランジスタは終段のトランジスタの上にM3ネジでくっつけています。

TTC004Bの上に2SC3423を付けています


AB級アンプ（その5）の回路図（PDFはこちら）

　この回路、最初のエミッタ接地増幅回路で逆相になってそのままなので、アンプとしてはどうかと思いますが、今回はバイアスの調整がメインなので、そこは考えない事にします。

回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


回路図のA点とC点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はC点）


回路図のB点とC点（CH1（黄色）はB点、CH2（水色）はC点）

　入力は教科書どおり1V_PPにしていたのですが、なぜか出力を上げると振幅が小さくなってしまいました。出力の振幅に合わせて電源電圧も変動していると思うので、そのせいかもしれません。まぁ、とりあえず出力が0.5Wになる5.66V_PPが出せたので、バイアスの調整をしてみたいと思います。

　バイアスを調整するに当たって、最終段のコレクタ電流はQ4とQ5のコレクタに1Ωの抵抗を入れて、その両端の電圧をオシロスコープで計測するのと、Q3のV_CEはデジタルマルチメータで計測してみました。

Q4のI_Cを計測中...

　最初、オシロスコープは2チャンネルあるので、CH1はQ4のコレクタ電流を、CH2はQ5のコレクタ電流を計測してみたところ、とんでもない値（1.2Aぐらい）になってしまいました。よく考えたら、オシロスコープの各チャンネルのグランドは内部で接続されているので、グランド電位の違うものを同時には計測できない事に気付いたため、Q4のコレクタ電流のみ計測しています。
　また、出力はトランジスタの発熱が大きそうなので、定格の1/2の0.25Wでやってみました。

出力は0.25Wの4V_PP


Q3のV_CEが1.3Vの時のQ4のI_C


Q3のV_CEが1.5Vの時のQ4のI_C


Q3のV_CEが1.7Vの時のQ4のI_C

　コレクタ電流は1Ωの両端の電圧を計測しているので、画面の電圧値はそのまま電流値に置き換えられます。Q3のV_CEが1.3Vの時は半分ぐらいが0Aで、AB級動作になっている事が分かります。V_CEが1.5Vの時は最低が100mAぐらいでA級動作になっており、V_CEが1.7Vの時は最低が250mAぐらいでA級動作になっていますが、コレクタ電流を流しすぎな感じです。ちなみに、ヒートシンクは触ることができますが、かなり熱くなっています。

　今回、バイアスを調整してA級動作を試してみましたが、所有のヒートシンクが小さいため当面はAB級アンプで作った上で、気持ち少しだけコレクタ電流を流すような設定にしたいと思います。

何やら回路を測定中...

　前回、自作したアンプの出力をうちのスピーカーに繋げて、意外にも普通に音が出たーで終わったのですが、前回まではネット等の情報を元に見よう見まねで回路図を作っていたため、次の本を購入して一から勉強してみる事にしました。

CQ出版社 定本 トランジスタ回路の設計

　この本と似たような本をかなり以前に購入しているのですが、この手の回路の学習に最低限必要な信号発生器とオシロスコープは当時非常に高価で、持っていたのはアナログテスターだけだったので、数ページ読んだだけで終わってしまった記憶があります。
　今は、正弦波発生回路（自作）、100MHz 2chのオシロスコープ、デジタルマルチメータ、30V 5Aの安定化電源があるので、この本の内容に合わせて実習しているところです。

AB級アンプ（その4）の回路図（PDFはこちら）

　これは教科書の第2章に出てくるエミッタ接地増幅回路です。左側の赤と緑の部分は正弦波発生回路なのでアンプ自体とは直接関係ありません。アンプのそれぞれの抵抗値は、電流値を定めた後、オームの法則を使って計算して求めていきます。

V_BとV_C（CH1（黄色）はV_B、CH2（水色）はV_C）


V_BとV_E（CH1（黄色）はV_B、CH2（水色）はV_E）

　この回路は+15Vの単電源なのでオシロスコープの画面では、0Vは2マス下げた位置で1マスは2Vです。V_EはV_Bの0.6V下がりになって教科書どおりですが、出力のV_Cの下側がクリップしているので、V_Cを上げてみました。

AB級アンプ（その4.1）の回路図（PDFはこちら）

　6Vでもクリップは解消するのですが、+15Vの単電源でだいぶ余裕があるのでV_Cを中点付近の7.5Vに上げてみました。

V_BとV_C（CH1（黄色）はV_B、CH2（水色）はV_C）


V_BとV_E（CH1（黄色）はV_B、CH2（水色）はV_E）

　V_Cがだいぶ上に上がって下側のクリップは解消されていますが、V_CEが3Vから5.5Vに大きくなったことから、コレクタ損失P_Cも3mWから5.5mWに大きくなりました。この損失は熱になるだけなので、必要以上にV_Cを上げることは無駄だと分かりました。

　続いて、第3章のエミッタ・フォロワ回路も追加してみました。

AB級アンプ（その4.2）の回路図（PDFはこちら）

　教科書だとエミッタ・フォロワ単独回路なのですが、作ったエミッタ接地増幅回路の後ろに繋げたため、入力側のカップリングコンデンサやバイアスを掛ける抵抗を省略した回路になっています。

Q3のV_BとV_E（CH1（黄色）はV_B、CH2（水色）はV_E）

　教科書を見ながら自ら計算していくことで、計算する順序や抵抗値の計算方法が分かってきました。これはこのまま地道に行くしかないと思いつつ、教科書は「続 ...」の2冊目も購入してあり、FETが出てくるのは遙か先...ｗ。
　この後の第4章は、出力段トランジスタのバイアス調整が可能なパワーアンプの実習なので楽しみです。

続きを読む... "オーディオアンプ回路をブレッドボードで作ってみました（その５）"

　前回、DCラインフィルターを作ったのですがパッとしなかったので、再度作り直してみました。

作り直したDCラインフィルター

　コモンモードのコイルは前回の流用ですが、ノーマルモードのコイルは普通巻きで巻き直して、最終段はフェライトビーズを入れてみました。測定条件は前回と同じで、DC12Vで100kΩの負荷抵抗にプローブをあてています。

測定中...


スイッチング電源の出力で無対策

　CH1（黄色）とCH2（水色）が表示されていますがどちらも同じで、上のCH1は縦軸の1マスが1V、下のCH2は縦軸の1マスが50mVで、20倍に拡大して表示しています。

自作DCラインフィルター使用


（参考）FX-AUDIO- Petit Susie使用

　まぁ、これなら及第点とれるかも。ちなみに、上のノイズ測定の3つの画面は同日の同時間帯に測定したものです。私の測定環境が大きく影響していると思いますが、何度も測定していると日や時間帯が違うと外来ノイズが大きく変わり、測定結果も大きく変わる事が分かりました。裏返すと測定結果は良くも悪くも見せる事が可能なので、この手の製品を購入する場合は信頼できるメーカーの製品を選ぶのが良いと思います。

AB級アンプ（その3.6）


AB級アンプ（その3.6）の回路図（PDFはこちら）

　またもやバージョンナンバーが飛んでいるのは電源回路の作り直しによるものですが、この電源回路なら良いかもという事で、DCラインフィルターをアンプ本体に組み込みました。

Lチャンネルの電流増幅回路の入力と出力（CH1（黄色）は入力のB点、CH2（水色）は出力のC点）


Rチャンネルの電流増幅回路の入力と出力（CH1（黄色）は入力のB点、CH2（水色）は出力のC点）

　左右チャンネルとも出力は8V_PPが出ており、1W+1Wは出す事ができます。

電源電圧（CH1（黄色）は+8V、CH2（水色）は-8V）


正負の三端子レギュレータによる電源回路

　これまで、電源回路を強化しようと何度も作り直してみましたが、どれも消費電力が大きくて熱くなり過ぎるためボツにしてきました。今回は正負の三端子レギュレータを使った回路で、他の回路より消費電力が小さく発熱もそれなりなので採用しています。1W+1Wの正弦波の出力時は上のグラフのように電源電圧が揺れますが、これはこういう物と思っておく事にします。
　ちなみに、この電源回路は1つの電圧を正負の三端子レギュレータが奪い合うので、一方の電圧を上げると他方は下がります。なので、未調整の半固定抵抗ではいつまで経っても正負の電圧が合いません。回路図に抵抗値の計算式を載せてあるので、予め抵抗値を調整してから回路上で微調整をするのが良いと思います。

　その後、負荷抵抗を4Ωに変えて出力がクリップしないことをオシロスコープで確認してから、しばらくテスト用のスピーカーで鳴らした後、うちのインピーダンス4Ωのスピーカーに繋げてCDを再生してみました。

うちのメインスピーカーに繋げてCD再生中


近傍から撮影


オーディオとの接続状況

　あまり期待はしていなかったのですが、意外にもかなり普通の音です。少し、音と音が混ざっていて、ごちゃごちゃしている感はありますが、スピーカーがしっかりしているからか普通に聴けます。
　ボリュームは、50%にするとだいぶ音が大きいので、20%〜30%ぐらいにしています。方チャンネル当たりオペアンプ1つとトランジスタ6つの簡単な回路ですが、まともに音が出て驚きです。

　これでようやくこのアンプを解体できるので、次からはバイアスを調整できるアンプ回路を目指していこうと思っています。

　前回の「続きを読む...」からの続きですが、うちの安定化電源はスイッチング電源のため、電源ラインには次のようなノイズが出ています。

スイッチング電源の出力（縦軸の1マスは1V）

　そこで、これを何とかできないかと思い、DCラインフィルターを作ってみることにしました。

チョークコイルの材料

　コモンモードチョークコイル用コアと、それっぽいコアを購入して、自前でコイルを巻いてみることにしました。なお、コイルの巻き方は、月刊FBニュースのHW Lab／第2回 DCラインフィルターの製作を参考にしました。

DCラインフィルターで使用する部品

　上がコモンモードノイズ対策用で、下の2つがノーマルモードノイズ対策用のチョークコイルです。出来栄えはあまり良くないのですが、とりあえず組み立ててみたところ効果があったので、部品を1つづつ追加してオシロスコープでノイズの状況を見てみました。なお、条件は前回と同じで、DC12Vで100kΩの負荷抵抗にプローブをあてています。

コモンモードチョークコイルのみ

　コモンモードチョークコイルを入力側に入れた状態です。CH1（黄色）とCH2（水色）が表示されていますがどちらも同じで、上のCH1は縦軸の1マスが1V、下のCH2は縦軸の1マスが50mVで、20倍に拡大して表示しています。
　上のCH1を見ると、1Vを超える振幅のノイズは無くなっています。

ノーマルモードチョークコイルを追加

　あまり変わり映えしませんが、横のラインがギザギザになっているようです。

1μFのフィルムコンデンサを追加

　トゲトゲは無くなりましたが、電圧が±15mVぐらいで揺れています。

測定状況


1000μFの電解コンデンサを追加

　縦軸の1マスが1VのCH1だけ見ている分には、ノイズが取れたって感じでしょうか。対策しない場合のトゲトゲ状態よりだいぶ良くなっています。

FX-AUDIO- Petit Susieでの測定状況


FX-AUDIO- Petit Susieの場合

　FX-AUDIO-（North Flat Japanのサイトが開きます）のPetit Susieは、スイッチング電源のノイズフィルターとして以前から売られているので、今回のお手本として購入したものです。
　見よう見まねで適当に作った自作と比べると、ノイズの振幅が低く抑えられているようです。自作の方はブレッドボードで組んでいるので、回路の変更は自由に出来るのですが、知識が乏しい中で変更しても大きな効果は期待できなさそうです。
　という事で、とりあえずFX-AUDIO-のPetit Susieを安定化電源の出力に使うことにして、自作のDCラインフィルターは何か思いついたら改良して使ってみる事にしたいと思います。

続きを読む... "DCラインフィルターを作ってみました"