JP2007184918A - 平衡増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】特性改善のために真空管を備えた電力増幅器に使用可能な新規の平衡増幅器を提供する。
【解決手段】第２段と接続されるとともに第２段に信号を出力する第１段を有し、第１段は、平衡入力信号を受信する第１の差動増幅器を含むとともに、２組のフィードバックループを備える。フィードバックループの少なくとも１組は、第２段により出力された信号の一部を第１の差動増幅器にフィードバックする。第２段は、第１段から受信された信号を増幅するための第２の差動増幅器を含むとともに平衡信号を保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は平衡増幅器に関し、特に、複数のフィードバックループを有する平衡増幅器に関する。

半導体を使用したオーディオ電力増幅器は、１９６０年代後期からずっとオーディオ市場で普及してきている。オーディオ信号の増幅に半導体装置を使用する利点としては、コンパクトなサイズであること、コスト的に効率のよい電力操作と高出力の電力が得られることである。しかしながら、半導体オーディオ増幅器の音質は真空管オーディオ増幅器の音質と異なっており、多くのオーディオ消費者は半導体を使用したものよりも真空管を使用した増幅器の音声を好んでいる。高級品領域のオーディオ市場では、真空管を使用したオーディオシステムが、１９８０年代後期におけるその復帰以降は非常に高い市場占有率を得ている。

高級品領域のオーディオの適用形態では、電力及び低レベルの増幅器（即ち、前置増幅器と線路増幅器）のどちらの半導体増幅器においても、平衡型トポロジーが使用されることがよくある。平衡型トポロジーを使用する利点は、同相（コモンモード）ノイズ及びひずみを出力段階で完全に抹消できることである。これにより、平衡型トポロジーを使用していない増幅器の場合と比較して低ノイズでひずみの小さい増幅器が得られる。しかしながら、真空管を使用した形態の平衡電力増幅器の開発は殆どなされていない。真空管増幅器ではシングルエンド（非平衡終端）の入力部が一般に使用されている。

現在では、真空管電力増幅器の設計において平衡型トポロジーが使用されるようになっている。この平衡型トポロジーは３つの異なる増幅段階、即ち、入力段（「第１段」とも呼ぶ）と第２段（「駆動段」とも呼ぶ）と電力出力段（単に「出力段」とも呼ぶ）を有するような電力増幅器であると見なして説明することができる。このようなトポロジーでは、一組のフィードバックループが電力出力段から入力段に接続されている。

例えば図７と図８に、一組のフィードバック経路を備えた従来の平衡増幅器の機能的ブロック図と回路構成図をそれぞれ示す。また、図９と図１０に、プッシュプル構成の従来の完全な平衡オーディオ電力増幅器の機能的ブロック図と回路構成図をそれぞれ示す。

図９と図１０から、一組だけのフィードバックループが出力段と入力段の間に接続されていることが容易に分かる。フィードバックを利用することにより、通常は電力増幅器の性能を改善、即ち、出力インピーダンスより低くし、帯域幅をより広域とし、ひずみをより小さくする。しかしながら、フィードバック量が多すぎると増幅器を不安定にすることが知られている。

フィードバックによりひずみと出力インピーダンスが減少し、電力増幅器全体の帯域幅は増大することは、フィードバック理論からよく知られている。これらは全て望ましい特徴であるが、前述のように、印加するフィードバック量が多すぎると増幅器は不安定となり、その反対に、印加するフィードバック量が少なすぎると、上記望ましい結果は得られない。従って、設計者は、一組だけのフィードバックループを使用して全電力に渡る性能を最適にすることに、常に困難を強いられている。

したがって、本発明の目的は、上記欠点を低減できる平衡増幅器、または少なくとも有用な代替構成を提供することである。特に、本発明は、特性改善のために真空管電力増幅器の適用形態に使用可能な新規の平衡増幅器トポロジーを提供するものである。

本発明による平衡増幅器は、第２段と接続されるとともに該第２段に信号を出力するように構成された少なくとも１つの入力段である第１段を有し、前記第１段は、平衡入力信号を受信する第１の差動増幅器を含むとともに、２組のフィードバックループを備える。該フィードバックループの少なくとも一組は、前記第２段により出力された信号の一部を前記第１の差動増幅器にフィードバックする。前記第２段は、前記第１段から受信された信号を増幅する第２の差動増幅器を含み、前記平衡信号を保持するように構成されたことを特徴とする。

以下、添付の図面を参照して本発明の詳細な説明をする。ただし、本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、本発明の意図する概念から逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

図１は本発明の実施形態１に係る真空管平衡増幅器の機能的ブロック図を示し、その詳細な回路構成を図２Ａに示す。

図１に示すように、第１段の構成は特有の形態の差動増幅器を形成し、増幅装置７及び８と、抵抗１〜４と、電流源１１を備える。第１段は平衡入力信号（＋ＩＮＰＵＴと−ＩＮＰＵＴ）を受信し、次段における信号用として２組のフィードバック信号を、この第１段へ出力される信号のフィードバック部に供給している。

第２段の構成はまた別の特有の形態の差動増幅器を形成し、増幅装置９と１０、抵抗５と６、電流源１２を備える。第２段は第１段からの平衡信号を増幅し、次工程の単数または必要に応じ複数の増幅段のための平衡信号を保持する。

その詳細を図２Ａに示す。平衡増幅器は４組のデュアル真空管３６と３７，３８と３９，４９と５０，５１と５２を備える。これらの真空管としては、１２ＡＴ７，１２ＡＵ７，１２ＡＸ７，６ＤＪ８，６ＳＮ７，６ＳＬ７等々、任意の汎用の小信号真空管が使用できる。

入力段は真空管３６と３７及び３８と３９で構成された特有の差動増幅器である。抵抗３４と３５は、電圧利得を低減させ、この入力段での無歪性（線形性）を高めるための局所的フィードバック抵抗である。これらの抵抗は、また、ＤＣバイアス時における真空管３８と３９のミスマッチを最小限にしている。負のＤＣ電源電圧ＶＳ２に接続された定電流源４０が、入力段のためのＤＣバイアス電流全体を設定するために使用されている。定電流源４０は、相補的要素のツェナーダイオードと抵抗とともに、接合ゲート電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を使用することで、容易に実現できる。実際の場面では、電流源は簡単な抵抗で置き換えられる。抵抗３０と３１，３２と３３は、真空管３６と３７のグリッドにそれぞれ正確なＤＣバイアス電圧を設定する分圧器を形成している。入力段の出力端は抵抗４３と４４を介して第２段に直接接続されている。

第２段は、真空管４９〜５２により形成される別の差動増幅器を備える。この差動増幅器は低出力インピーダンスを有し、電力増幅器の電力出力段を駆動する。第２の定電流源５３が第２段のＤＣバイアス電流を設定するために使用されている。

２組のフィードバック経路が入力段に形成されていることが図１及び図２Ａから容易に分かる。電力出力段がこの平衡増幅器に接続されて完全な平衡オーディオ電力増幅器を形成する場合、これら２組のフィードバックループを接続する２通りの方法がある。

図２Ｂに示す平衡増幅器は図２Ａに示す平衡増幅器の簡略化した形態である。図２Ｂの構成は図２Ａの構成に基づくものであるが、第２段における一組の真空管４９と５０は削除されている。図２Ｂの平衡増幅器は、図２Ａのものと同様の電気的特徴を有し、即ち、第１と第２の２組のフィードバック経路が設けられている。主な相違点は、図２Ｂの回路構成の駆動能力は図２Ａのものより低いことである。殆どの適用例では、この相違点は重大ではない。

図３及び図４は、２個のオーディオ電力増幅器が２個のフィードバック接続構成を備えた新規の平衡増幅器回路を使用可能とする方法を示す機能的ブロック図を示す。図５Ａ及び図６Ａは、それぞれ図３及び図４に示す機能的ブロック図による２個の完全な平衡オーディオ電力増幅器を示す。

図１の平衡増幅器と更に付加された電力出力段を使用した平衡オーディオ電力増幅器を図３に示している。電力出力段はコンデンサ１３と１４を介して第２段により駆動される。一旦信号が出力段に供給されると、信号の電圧と電流は、（電力三極管、四極管、五極管等の）パワーデバイス（電力増幅器）１５と１６で更に増幅され、最終的には、増幅された信号は出力整合トランス１７によって出力側負荷に供給される。

図４に示す平衡オーディオ電力増幅器は、２組のフィードバックループが図３の構成とは異なった仕方で接続されていること以外は、図３の構成と全く同じである。

図５Ａ及び６Ａに示すように、電力出力段は公知のプッシュプル「超線形」状に接続された一組の電力管７１と７２を備える。これらの電力管としては、６Ｌ６，６Ｖ６，ＥＬ３４，ＥＬ８４，ＫＴ８８，ＫＴ９０，６５５０等々の任意の汎用電力管が使用できる。電力管７１と７２は、カソード抵抗６９と７０及びバイパスコンデンサ６７と６８を介してカソード・バイアスされている。このようなバイアス技術のことを「セルフバイアス」と呼んでいる。または、セルフバイアスの代わりに固定バイアス方式も使用可能である。電力管からの出力は出力トランス７５を介して出力側負荷に整合される。図５Ａ及び６Ａは、それぞれ図３及び図４に示す構成による２組のフィードバックループを接続する２通りの異なる方法を示している。

図５Ｂと図６Ｂに示す構成はそれぞれ図５Ａと図６Ａに示す回路構成の簡略化した形態であるが、第２段における一組の真空管４９と５０は削除されている。図５Ａ及び図５Ｂから明らかなように、バイアス抵抗３０と３３は回路から削除してもよい。その場合、図５Ａのフィードバック抵抗７６と８０及び図５Ｂの抵抗８４と８８は、バイアス抵抗とフィードバック抵抗の両方の機能を有する。

本発明に係る新規の真空管平衡増幅器では、２組のフィードバックループが設けられていることが明らかである。第１の組のフィードバックループは入力段（第１段）と第２段間に適用され、第２の組のフィードバックループは入力段（第１段）と電力出力段間に適用される。２組のフィードバックループが使用されているので、フィードバック信号の総量は、複数の異なる仕方で該２組のフィードバックループにおいて配分することができる。従って、各組のフィードバックループは小量のフィードバック信号量のみを搬送することができる。各組のフィードバックループに正確な量のフィードバック信号を印加することにより、設計者は最適な特性を有する平衡増幅器を得ることが可能となる。

２組のフィードバックループを用いた本発明に係る新規の平衡増幅器は下記の利点を有する。即ち：
（ａ）第１の組のフィードバックループが入力段と第２段間に接続されているので、線形性（無歪み性）と帯域幅が増大し、これらの入力段と第２段に対する出力インピーダンスは低減される。このことは、特に、信号が電力出力段で増幅される前の段階では非常に望ましい効果を奏するものである。
（ｂ）各組のフィードバックループは小量のフィードバック信号のみを搬送するので、増幅器全体の安定性を容易に制御することができる。２組のフィードバックループを備えることで、設計者は電力増幅器全体の特性の最適化において遙かに大きな自由度を有し、増幅器の安定性を脅かすことなく、望ましい特性を得ることができる。

以上説明した本発明の特徴に関しては、本発明を明瞭にするために各実施形態で別々に記載した特徴を、１つの実施形態の特徴として組み合わせてもよいし、また反対に、簡略化のために１つの実施形態で記載した種々の特徴を各々別々の実施形態として分離してもよいし、または、任意の好ましい組合せの形態としてもよいことに留意すべきである。

本発明の第１の実施形態に係る真空管平衡増幅器の機能的ブロック図である。 図１に示す真空管平衡増幅器の詳細な回路構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る真空管平衡増幅器の詳細な回路構成を示し、図２Ａに示す構成の簡略版である。 本発明の第３の実施形態に係るプッシュプル構成の平衡オーディオ電力増幅器の機能的ブロック図である。 本発明の第４の実施形態に係る平衡増幅器の機能的ブロック図である。 図３に示す真空管平衡電力増幅器の詳細な回路構成図である。 図３に係る真空管平衡電力増幅器の詳細な回路構成を示し、図２Ｂと同じ原理で簡略化された構成を示す図である。 図４に示す真空管平衡電力増幅器の詳細な回路構成図である。 図４に係る真空管平衡電力増幅器の詳細な回路構成を示し、図２Ｂと同じ原理で簡略化された構成を示す図である。 １組のフィードバック経路を用いた従来の平衡増幅器の機能的ブロック図である。 図７に示す従来の平衡増幅器の詳細な回路構成図である。 最初の２段用に従来の平衡増幅器トポロジーを使用したプッシュプル構成の従来の平衡オーディオ電力増幅器の機能的ブロック図である。 図９に示す従来の平衡増幅器の詳細な回路構成図である。

Claims (20)

1. 少なくとも１つの入力段である第１段と第２段を有し、該第１段は第２段と接続されて該第２段に信号を出力し、
   前記第１段は、平衡入力信号を受信する第１の差動増幅器を含むとともに、２組のフィードバックループを備え、
   該フィードバックループの少なくとも一組は、前記第２段により出力された信号の一部を前記第１の差動増幅器にフィードバックするように構成され、
   前記第２段は、前記第１段から受信された平衡信号を増幅する第２の差動増幅器を含むとともに、前記平衡信号を保持するように構成されたことを特徴とする平衡増幅器。
2. 前記第１段は前記第１の差動増幅器を構成する第１及び第２の組の真空管を含み、前記第１の組の真空管は前記入力信号を増幅し、前記第１の組の真空管はそれぞれのカソード間が２個の抵抗を介して互いに接続され、抵抗または実質定電流源が前記２個の抵抗の接合点から負のＤＣ電源に接続されている請求項１に記載の平衡増幅器。
3. 前記電流源は、ジャンクション電界効果トランジスタと、ＭＯＳ電界効果トランジスタと、バイポーラ接合トランジスタと、相補形ツェナーダイオードを備えた真空管デバイスと、１つ又は複数の抵抗を備える請求項２に記載の平衡増幅器。
4. 前記第１段の前記第２の組の真空管はそれぞれ前記第１の組の真空管のプレートに接続され、分圧器が正のＤＣ電源と接地間に接続された請求項２に記載の平衡増幅器。
5. 前記分圧器は４つの抵抗を有する請求項４に記載の平衡増幅器。
6. 前記分圧器は、前記第２の組の真空管のグリッドにＤＣバイアス電圧を設定するように構成された請求項４に記載の平衡増幅器。
7. 前記第１段の出力は、前記第２の組の真空管のプレートと正のＤＣ電源間に接続された２個の負荷抵抗を介して供給される請求項２に記載の平衡増幅器。
8. 前記第１段の出力信号は、前記第１段の前記第２の組の真空管のプレートと前記第２段の一組の真空管との間に接続された２個の抵抗を介して前記第２段に直接供給される請求項７に記載の平衡増幅器。
9. 前記第２段は第１及び第２の組の真空管を備えた差動増幅器を有し、該第２段の前記第１の組の真空管は前記第１段からの入力を増幅し、該第２段の前記第１の組の真空管は、それぞれのカソード間が２個の抵抗を介して互いに接続され、実質定電流源が前記２個の抵抗の接合点から接地側に接続された請求項１に記載の平衡増幅器。
10. 前記電流源は、ジャンクション電界効果トランジスタと、ＭＯＳ電界効果トランジスタと、バイポーラ接合トランジスタと、相補形要素のツェナーダイオードを備えた真空管デバイスと、１つ又は複数の抵抗とを備える請求項９に記載の平衡増幅器。
11. 前記第２段の前記第２の組の真空管のカソードはそれぞれ前記第２段の前記第１の組の真空管のプレートに接続され、前記第２段の前記第２の組の真空管のグリッドは前記第２段の前記第１の組の真空管のプレートに接続された請求項９に記載の平衡増幅器。
12. 正のＤＣ電源の出力が前記第２段の前記第２の組の真空管のプレートに供給される請求項１１に記載の平衡増幅器。
13. 平衡増幅器の全出力が前記第２段の前記第２の組の真空管のカソードを介して供給されるように構成された請求項１１に記載の平衡増幅器。
14. 前記第２段は、それぞれのカソード間が２個の抵抗を介して互いに接続された一組の真空管を含み、抵抗または実質定電流源が前記２個の抵抗の接合点から接地側に接続された請求項１に記載の平衡増幅器。
15. 前記電流源は、ジャンクション電界効果トランジスタと、ＭＯＳ電界効果トランジスタと、バイポーラ接合トランジスタと、相補形要素のツェナーダイオードを備えた真空管デバイスと、１つ又は複数の抵抗とを備える請求項１４に記載の平衡増幅器。
16. 正のＤＣ電源が２個の負荷抵抗を介して前記第２段の前記一組の真空管のプレートに供給される請求項１４に記載の平衡増幅器。
17. 電力出力段を更に含む平衡型オーディオ電力増幅器を有する請求項１に記載の平衡増幅器。
18. 前記２組のうちの第１の組のフィードバックループは前記第２段の出力端を前記第１段の前記第２の組のフィードバックループに接続し、前記２組のうちの第２の組のフィードバックループは前記電力出力段の出力端を前記第１段のフィードバックループに接続する請求項１７に記載の平衡増幅器。
19. 前記２組のうちの第１の組のフィードバックループは前記第２段の交差出力を前記入力段の前記第１の組のフィードバックループに接続し、前記２組のうちの第２の組のフィードバックループは前記電力出力段の交差出力を前記第１段の第２の組のフィードバックループに接続する請求項１７に記載の平衡増幅器。
20. 前記電力出力段は、セルフバイアスまたは固定バイアスにおける一組の電力用三極管、四極管又は五極管を備え、出力整合トランスを駆動する請求項１７に記載の平衡増幅器。

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