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バランス入力 15W 全段差動アンプ・・・発振判明とその対策

これで完成だと思って、WaveGene/WaveSpectra を使って雑音歪み率特性を測定すると、1%以下に下がることはなかった。 これは発振だと思って、オシロでしっかり調べてみると・・・・やっぱり発振していた。 左右チャンネルとも、260kHz 2Vp-p 程度の発振が認められた。 6G-A4全段差動アンプのときも、発振で苦しめられたが、カスコードブートストラップ回路の宿命なのだろうか。

6G-A4全段差動アンプで苦戦したときの私と、今の私は同じではない。 フルバランス・フルディスクリートアンプの経験がある。 自分で対策を考えられそうだ。

今回採用した Arito’s Audio Lab の出力トランスは、周波数特性の実測データが公開されている。 下図は私のロットのデータである。 これをみると、発振周波数近くでは、位相特性が -130° 程度となっていることがわかる。 

Arito’s Lab より拝借した、私のシリアルナンバーのトランスの周波数特性(クリックで拡大)

ドライバ段の周波数特性は下図の通りであり、発振周波数近くでは、位相特性が -70° 程度になっていることがわかる。 これらが組み合わされれば、位相特性が -180°を超えることから、発振するのは当たり前といえる。

ドライバ段の周波数特性(クリックで拡大)

よって、この周波数でのドライバ段での利得を下げれば良い。 具体的には、2SK117 カスコードブートストラップ段の両プレート抵抗間に補正の CR をいれればよい。 この CR の決定方法については、VFA-01基板によるフルディスクリート・フルバランスアンプの作成の時にコメントしていただいた。 それには次のようにある。

たかじんさん Wrote:
個人的な感覚では、大雑把に負荷抵抗の1/10くらいの抵抗値を使っている場合は、たくさん補償していると思います。 1/2~1/3程度でしたら、わずかに味付けしているって感じです。 仕上がりゲインが低い場合はNFB量が多めになりますので、どうしても位相補償を沢山しなければいけなくなりますので、補償の大小がアンプ設計の優劣を決定するわけでもありません。

まずは実験。 両プレート抵抗間に負荷抵抗の1/10 である 4.7kΩ – 220pF(fc=153kHz)をいれてみた。 発振はきれいに止まるが、トータルの周波数特性はがたがた。 この手法で止まることさえわかれば、あとは、オシロをみながら、コンデンサを減らしてみるのみ。 68pF まで発振が止まっていた。 56pF ではときおり発振波形がみえており、47pF では発振が止まらない。

よって、4.7kΩ – 68pF(fc=497kHz)で周波数特性をとってみたところ、高域の -3dB は 100kHz とまずまずで、周波数特性上の暴れもない。 補正を少なくする意味で、10kΩ- 33pF(fc=482kHz)と比較したのが下図。 4.7kΩ – 68pF(fc=497kHz)のほうが、高域は素直だが、10kΩ- 33pF(fc=482kHz)のほうが、低域、高域ともに伸びている。 この傾向は左右チャンネルとも同じであった。

ブートストラップカスコード回路の両プレート間の 補正CR の検討(クリックで拡大)

上記のデータをみて、位相特性の変動周波数が高く、トランスそのものの周波数特性に近い 10kΩ- 33pF(fc=482kHz)の補正値を採用することとした。 わずかなピークが 100kHz にあるが、これは NFB抵抗に抱かせるコンデンサで補正していける。 たかじんさんのご教示に心から感謝申し上げたい。

左チャンネル: C-NFB の検討 (クリックで拡大)

さて、周波数特性をみながら、メインループNFBに抱かせるコンデンサ容量を検討したのが上図。 Cなしでは、100kHz にわずかなこぶがある。 C = 3.3pF では、わずかなこぶがなくなる。 C = 10pF では、より素直になるが、位相特性のあばれがひどくなる。 よって、3.3pF に決定した。 右チャンネルも同様であった(下図)。 両チャンネルとも、-3dB 落ちは 120kHz 程度であった。

右チャンネル: C-NFBの検討(クリックで拡大)

to be continued….

バランス入力 15W 全段差動アンプ・・・設計やりなおし

 今回は、Arito’s Lab のトランスを使っており、周波数特性が公開されている。 高域の伸びが悪いのは、もともとの設計の悪さに決まっている。

 まず、ドライバの周波数特性をはかってみたら・・・。 下のように、-3dB点が、20kHz 未満という悲惨な状況であることがわかった。 ぺるけ師匠も私も、周波数特性が一番狭いのが終段になるようにしている。 これは絶対にだめだ。

最初の設計におけるドライバ段の周波数特性(クリックで拡大)

ドライバ段の負荷抵抗が 47kΩなのに対して、後段のグリッド抵抗が 100kΩで負荷が重すぎるのであろう。 よく考えれば、カスコードブートストラップ回路での出力インピータンスは負荷抵抗と同じと考えて良いのだから、この結果は当然(^^;)

対策は 6G-A4全段差動アンプと同様にエミッタフォロワで受けて後段に渡すことだ。 すでに平ラグはいっぱいなので、平ラグをとめるネジ穴に 7P の立てラグをたてて利用することにした。 エミッタフォロワには 1mA 流した。 年末でパーツ屋が休みなので、200kΩ 1/4W を2本並列とした。 対策は効果があって、下のように、-3dB 点が 300KHz超のところになった。

エミッタフォロワ追加後の周波数特性(クリックで拡大)

後は負帰還抵抗を配線して、抵抗に抱かせるコンデンサの量を調節すればできあがりだろう。 無帰還で聞いても、結構いい感じ・・・

to be continued….

6G-A4全段差動アンプ・・・再度検討してみたら(続)

カスコードブートストラップ回路は、いろいろな利点と欠点があると、Raspberry Pi の DAC 製作でお世話になっているたかじんさんのページにもある。 欠点は部品点数が増えることと定電圧ダイオードを用いた場合に雑音が増えることがあげられていた。雑音が増えることについては、定電流ダイオード+抵抗にすることで逃げられるとのことで、私もやってみることにした。

たかじんさんの記事では、E101を用いていたが、当方の場合は、この回路が電源OFFのときに電解コンデンサの電荷を積極的に逃がす働きも兼ねているので、電流量は変えなかった。 E102の定電流ダイオードは、上下で 差が0.01mA以内の選別を行っている。 抵抗に並列するコンデンサは気持ちの問題との記載があり、私は付けなかった。

以上の対策で、周波数特性は改良されたが、下記の通りで理想からはほど遠い。

クリックで拡大

どこが原因になっているかを探るために、Analog Discovery(FRAplus & measure)による計測を止めて、ファンクションジェネレータとオシロスコープで確認してみる。 カスコードブートストラップ回路の前段は、ハイカットフィルタ通りの周波数特性で問題なし。 さては、トランスの特性が悪い?
FX40-8 じゃだめなのかと思いつつ、スピーカー出力にて確認したら、あれっ・・・ 100kHz までほとんどフラットではないか。

何かの操作ミスで、FRAmeasure の測定器校正がおかしくなっていたらしい。 なんてこったい。 自動校正をして再度測定したら、とても良い特性で驚いた。 無帰還での周波数特性は、若干の波打ちがあるが、両チャンネルとも 1.5-200kHz(-3dB)程度であった。 残留雑音は、左チャンネルで 0.16mV、右チャンネルで 0.45mV と右チャンネルで少し多い。 まだ改良の余地があるようだ。