JP2007295502A - Amplifier circuit - Google Patents
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Description
この発明は、主に音声信号増幅を司るあらゆる装置の性能改良に関する。勿論、本発明回路によって有効性のある信号増幅装置、或はインダクタ型駆動装置など他の技術分野においても摘要可能である。 The present invention mainly relates to the improvement of the performance of all apparatuses that control audio signal amplification. Of course, the present invention can be applied to other technical fields such as a signal amplifying device or an inductor type driving device which is effective.
真空管を増幅素子として使う音声信号増幅回路の場合、トランスを負荷として、単電極真空管によるシングルエンド増幅(図7)、或は二電極真空管によるプッシュプル増幅(図6)、更には複数電極によるSEPP(Single Ended Push Pull)増幅のOTL(Output Trasfomer Less)出力(図9)、などが多用されてきた。 In the case of an audio signal amplifying circuit using a vacuum tube as an amplifying element, a transformer is used as a load, single-ended amplification using a single electrode vacuum tube (FIG. 7), push-pull amplification using a two-electrode vacuum tube (FIG. 6), or SEPP using multiple electrodes. An OTL (Output Transformer Less) output (FIG. 9) of (Single Ended Push Pull) amplification has been frequently used.
単電極真空管による従来回路のシングルエンド増幅(図7)の場合、音質性能にはある程度優れているものの、負荷トランス15のコアに生じる直流磁化を遅らせる為のエア・ギャップや、一次側巻線の片側端子のみスイングする動作によって、一般オーディオ真空管では数Wから十数W程度に留まり、更には真空管自身がもつ非直線性から歪率特性に劣るものが殆ど。また、負荷トランスの性能や真空管そのものの動作・性能によっては必ずしも優れた音質性能にならない。 In the case of a single-ended amplification of a conventional circuit using a single electrode vacuum tube (FIG. 7), the sound quality performance is excellent to some extent, but an air gap for delaying the DC magnetization generated in the core of the
二電極真空管によるプッシュプル増幅(図6)や複数電極による真空管SEPP増幅回路(図9)の場合、ある程度大きな出力を取り出せるものの、特性が揃った真空管が複数ペア必要となり、動作上のバランス保守に留意する必要がある。また、トランス負荷の場合、回路構成及び巻線構造から負荷トランス14のコアの直流磁化は打ち消し合う作用で防げるが、同トランスの二次側に出力される電力はあくまでホット側スイングとコールド側スイングの差分のみとなる。これは同トランス内部で生じる打ち消し作用、言わば強度な減算誘導作用に起因する為であり、当然音質性能を劣化させてしまう大きな要因となる。A級プッシュプル動作の場合は特にこの影響を顕著に受け、単電極真空管によるシングルエンド増幅の2倍程度の出力のみ取り出せるに留まる。 In the case of push-pull amplification with a two-electrode vacuum tube (Fig. 6) and a vacuum tube SEPP amplification circuit with multiple electrodes (Fig. 9), although a large output can be obtained to some extent, multiple pairs of vacuum tubes with uniform characteristics are required for balance maintenance in operation. It is necessary to keep in mind. In the case of a transformer load, the direct current magnetization of the core of the
B級プッシュプル動作ではホット側がスイング中はコールド側がカットオフ状態になる、或はその逆の状態になる為、減算誘導作用の影響は殆ど無くなり、ある程度大きな出力を取り出せる。が、その反面、+B高圧電源部のレギュレーション性能に大きく影響され、二電極の動的結合部にゼロクロス歪、或は奇数次歪が現れ易い。よって優れた音質性能を取り出す事は容易に実現できない。 In the class B push-pull operation, the cold side is cut off while the hot side is swinging, or vice versa, so that the influence of the subtraction inducing action is almost eliminated and a somewhat large output can be taken out. On the other hand, however, it is greatly influenced by the regulation performance of the + B high-voltage power supply section, and zero-cross distortion or odd-order distortion tends to appear in the dynamic coupling portion of the two electrodes. Therefore, it is not easy to take out excellent sound quality performance.
半導体を増幅素子に使う音声信号増幅回路の場合、一般的にNch素子8とPch素子9を組み合わせたコンプリメンタリ・プッシュプル回路(図8)を構成する。この両素子の中点をゼロ電位出力として直接スピーカーをドライブする為に、大電力素子の複数並列接続とレギュレーション性能に優れる大規模正負両電源が求められる。
また両素子の温度変化による電圧ドリフトを抑える為、或は両素子のゼロクロス歪を抑える為にも各コンプリメンタリ素子には優れたペア性が求められる。更には半導体素子の故障などによって引き起こされる過電流事故からスピーカーを保護する為の保護回路も必要不可欠となる。In the case of an audio signal amplifying circuit using a semiconductor as an amplifying element, a complementary push-pull circuit (FIG. 8) in which an
In addition, in order to suppress voltage drift due to temperature changes of both elements, or to suppress zero cross distortion of both elements, each complementary element is required to have excellent pair characteristics. Furthermore, a protection circuit for protecting the speaker from an overcurrent accident caused by a failure of a semiconductor element is indispensable.
従来の単電極真空管によるシングルエンド増幅(図7)の場合に、一般オーディオ用の真空管素子では近年大勢を占める低能率スピーカーを十分に鳴らしきる為の出力を取り出す事が難しい。仮に感度100dBのスピーカーを出力5Wの電力で鳴らす事を基準にした場合、近年の製品に多い感度90dB以下では10倍の50Wもの出力を必要としてしまう計算になる。この出力値を実現する増幅装置は、単電極真空管によるシングルエンド増幅ではもはや一般的とは言いがたい大規模真空管を求めなければならない。またこの増幅形態では必ず真空管そのものがもつ非直線性の影響から優れた歪率特性にできずらい。 In the case of conventional single-ended amplification with a single electrode vacuum tube (FIG. 7), it is difficult to extract an output for sufficiently playing low-efficiency speakers, which have recently been popular in general vacuum tube elements for audio. Assuming that a speaker with a sensitivity of 100 dB is sounded with a power of 5 W, the calculation will require 10 times as much as 50 W if the sensitivity is 90 dB or less, which is often found in recent products. An amplifying apparatus that realizes this output value must find a large-scale vacuum tube that is no longer common in single-ended amplification with a single-electrode vacuum tube. In this amplification mode, it is difficult to achieve excellent distortion characteristics due to the non-linearity of the vacuum tube itself.
二電極真空管及びトランス負荷によるプッシュプル増幅(図6)の場合に、A級増幅では負荷トランス14内部で生じる減算誘導作用に起因する出力低下が起こってしまう為に低効率の増幅になる。またB級増幅では完全同一動作特性とはなり得ない二素子を逆位相スイングする為に奇数次歪やゼロクロス歪を起こし易く、A級増幅のような減算誘導作用は無くなる代わりに+B高圧電源に優れたレギュレーション性能を求める。更に、この増幅形態では常に動作上のバランス保守に留意する必要があり、バランスが崩れる事で歪率特性悪化や音質性能劣化を招いてしまう。 In the case of push-pull amplification using a two-electrode vacuum tube and a transformer load (FIG. 6), in class A amplification, the output is reduced due to the subtraction induction action that occurs inside the
特に複数素子の回路構成になる真空管SEPP増幅(図9)、或は半導体素子によるコンプリメンタリ・プッシュプル増幅(図8)の場合は、コンプリメンタリ両素子の中点をゼロ電位出力として直接スピーカーをドライブする為、素子のペア性と動作上のバランス保守に最大限の配慮が求められる。同バランスが崩れる事で増幅素子の異常な発熱やスピーカーの破壊という事故を起こしかねない。またレギュレーション性能に極めて優れる大規模正負両電源を必要とする。 Especially in the case of vacuum tube SEPP amplification (FIG. 9) or complementary push-pull amplification (FIG. 8) using a multi-element circuit configuration, the speaker is directly driven using the midpoint of both complementary elements as the zero potential output. Therefore, maximum consideration is required for the maintenance of the balance of the element pairing and operation. If the balance is lost, an accident such as abnormal heat generation of the amplifying element and destruction of the speaker may occur. In addition, it requires a large-scale positive and negative power source with excellent regulation performance.
本発明はこれら従来回路が持つ諸問題を解決する、まったく新しい増幅動作原理を提案するものである。 The present invention proposes a completely new amplifying operation principle that solves the problems of these conventional circuits.
同インダクタンス容量の二巻線を等価的に単一巻線と考え、そのホット側巻線とコールド側巻線を逆位相にスイングする事で損失の少ない極めて良質な大出力を取り出せる作用を、真空管増幅回路と半導体増幅回路に摘要する。 Two tubes with the same inductance capacity are equivalently considered as a single winding, and the action of taking out an extremely high quality output with little loss by swinging its hot side coil and cold side coil in opposite phases is a vacuum tube. This is necessary for amplifier circuits and semiconductor amplifier circuits.
真空管素子を使う場合、一つの共通コアにホット用巻線及びコールド用巻線を同インダクタンス容量でスプリット構造に持つ負荷インダクタ2にて、或は同インダクタに二次側巻線を備えた負荷トランス3にて、単電極真空管1のプレート電極とホット用巻線のホット端子を、同カソード電極とコールド用巻線のコールド端子を接続する回路(図1、図2)を構成する。 In the case of using a vacuum tube element, a load transformer 2 having a hot winding and a cold winding in a common core in a split structure with the same inductance capacity, or a load transformer having a secondary side winding in the same inductor. 3, a circuit (FIGS. 1 and 2) is configured to connect the plate electrode of the single
半導体素子を使う場合、一つの共通コアにホット用巻線及びコールド用巻線を同インダクタンス容量でスプリット構造に持つ負荷トランス16にて、コンプリメンタリNch素子8のドレイン電極とホット用巻線のホット端子を、同Pch素子9のドレイン電極とコールド用巻線のコールド端子を接続する回路(図5)を構成する。 In the case of using a semiconductor element, the drain electrode of the
真空管を増幅素子とする場合、単電極真空管のみで従来の二電極型プッシュプル増幅(図6)同等以上の出力を取り出す事を可能にする。何故なら、単電極真空管1のプレート電極が負荷インダクタ2のホット用巻線のホット端子を、同カソード電極が同インダクタ2のコールド用巻線のコールド端子を、それぞれ逆位相にスイングし、その出力信号にて出力トランスをドライブする(図3、図4)、或は負荷トランス3にて同様にスイングし誘導合成する(図2)事で、BTL(Bridge Tied Load)出力作用(図10)を実現できるからである。 When a vacuum tube is used as an amplifying element, an output equivalent to or higher than that of a conventional two-electrode push-pull amplification (FIG. 6) can be obtained using only a single electrode vacuum tube. This is because the plate electrode of the single
この時、負荷インダクタ或は負荷トランスの1次側巻線にDCアイドル電流が同一方向に流れ、誘導電力も同位相に生じる為、ホット側スイングとコールド側スイングが加算合成的に作用して出力インピーダンスを低下させ、プレート側スイング及びカソード側スイングそれぞれの非直線性が相殺し合うように平均化されて歪率が大幅に改善される。よって音質性能にも多大な改善効果がもたらされる。また従来の真空管プッシュプル増幅(図6)のように二電極間の特性のバラつきや動作上のバランス保守に留意する必要性が無く、顕著な劣化に至るまでの経時変化についても同様。 At this time, the DC idle current flows in the same direction in the primary winding of the load inductor or load transformer, and the induced power is also generated in the same phase. Therefore, the hot side swing and the cold side swing act additively and output. The impedance is lowered and averaged so that the nonlinearities of the plate-side swing and the cathode-side swing cancel each other, thereby greatly improving the distortion rate. Therefore, the sound quality performance is greatly improved. Further, unlike the conventional vacuum tube push-pull amplification (FIG. 6), there is no need to pay attention to the variation in characteristics between the two electrodes and the balance maintenance in operation, and the same applies to the change over time until the significant deterioration.
半導体を増幅素子とする場合、Nch/Pchコンプリメンタリ・シングルペア及び単一電源電圧のみで、通常使われる複数パラレル構成の正負両電源OTL(Output Trasformer Less)増幅回路(図8)同等以上の出力を取り出す事を可能にする。何故なら、Nch/Pchコンプリメンタリ増幅素子をB級増幅に近い動作とする時、Nch素子8のドレイン電極が負荷トランス16の一次側ホット用巻線のホット端子を、Pch素子9のドレイン電極が同トランスの同コールド用巻線のコールド端子を、それぞれ逆位相にスイングし、誘導合成された出力信号を取り出せるからである(図5)。 When a semiconductor is used as an amplifying element, an NTL / Pch complementary single pair and a single power supply voltage are used, and a positive / negative double power supply OTL (Output Transformer Less) amplifier circuit (FIG. 8) with a parallel structure that is normally used is used. It can be taken out. This is because when the Nch / Pch complementary amplifying element is operated close to class B amplification, the drain electrode of the
この時、ホット側がスイング中はコールド側がカット・オフ、或はその逆の状態になる為、及び負荷トランスの1次側巻線にDCアイドル電流が同一方向に流れ、誘導電力も同位相に生じる事から、ホット側スイングとコールド側スイングが加算合成的に作用して、負荷トランス内部に減算誘導作用はまったく起こらない。またコンプリメンタリ二素子間のアイドル電流に多少差異が生じたとしても、信号が磁気的に合成される事でゼロクロス歪が現れたり歪率が悪化する事はない。よって従来の複数パラレル構成(図8)のように各コンプリメンタリ素子への優れたペア性や動作上のバランス保守に最大限の配慮を求めたり、大規模正負両電源を求める必要性は無くなる。更にはコンプリメンタリ二素子の電圧ドリフトに対する配慮や過電流事故からスピーカーを護る保護回路の必要性も皆無となる。 At this time, while the hot side is swinging, the cold side is cut off or vice versa, and the DC idle current flows in the same direction in the primary winding of the load transformer, and the induced power is also generated in the same phase. For this reason, the hot-side swing and the cold-side swing act in an additive manner, and no subtraction induction action occurs in the load transformer. Even if there is a slight difference in the idle current between the complementary two elements, zero cross distortion does not appear or the distortion rate does not deteriorate due to the magnetic synthesis of the signals. Therefore, there is no need to obtain maximum consideration for excellent pairability and operational balance maintenance for each complementary element as in the conventional multiple parallel configuration (FIG. 8), or to obtain a large-scale positive and negative power supply. Furthermore, there is no need for a protection circuit that protects the speaker from overcurrent accidents and consideration of the voltage drift of the complementary two elements.
本発明に共通する課題は、負荷インダクタ或は負荷トランスに専用の構成を求める事にある。つまり、負荷インダクタも負荷トランスも同等インダクタンス容量の二巻線を必要とし、負荷トランスには更に二次側巻線を必要とする。更に負荷トランスの場合は一次側巻線に流れるDCアイドル電流によるコアの直流磁化が生じてしまうため、コアにはシングルエンド増幅用トランス同様にエア・ギャップを設ける必要がある。が、これらは一般的に用いられるトランス製造技術の範囲内であり、他に特殊な構造や素材・技術を求めるものではない。 A problem common to the present invention is to obtain a dedicated configuration for a load inductor or a load transformer. That is, both the load inductor and the load transformer require two windings having the same inductance capacity, and the load transformer further requires a secondary winding. Furthermore, in the case of a load transformer, direct current magnetization of the core is caused by a DC idle current flowing in the primary side winding, so that it is necessary to provide an air gap in the core as in the case of the single-end amplification transformer. However, these are within the scope of commonly used transformer manufacturing techniques, and no other special structures, materials, or technologies are required.
真空管を増幅素子に使う場合、ホット側スイングとコールド側スイングを負荷トランス3にて誘導合成して出力を取り出す増幅回路(図2)と、共通コアにある2つの同容量インダクタ2を負荷として取り出した信号出力をコンデンサー結合にて出力トランス6をドライブする増幅回路(図3、図4)が考えられる。両回路とも単電極真空管のみを増幅素子として使い、出力或は負荷トランスのホット/コールド両スイングによるBTL動作(図10)をさせる処に本発明の最大の特長がある。また本発明回路は出力段に限らずあらゆる音声信号増幅段に使用可能である。 When a vacuum tube is used as an amplifying element, an amplifier circuit (FIG. 2) that extracts the output by inductively synthesizing the hot-side swing and the cold-side swing with the load transformer 3 and two equal-capacity inductors 2 in the common core are extracted as loads. An amplifying circuit (FIGS. 3 and 4) for driving the
半導体を増幅素子に使う場合、ホット側スイングとコールド側スイングを負荷トランス16にて誘導合成して取り出す増幅回路(図5)が考えられる。半導体素子を真空管に置き換えて考える事も可能であるが、その際はA級増幅にすべき事、及び片側反転位相の入力信号を用意する事が求められる。 When a semiconductor is used for an amplifying element, an amplifying circuit (FIG. 5) is conceivable in which a hot side swing and a cold side swing are inductively synthesized by a load transformer 16. It is possible to replace the semiconductor element with a vacuum tube, but in that case, it is required to perform class A amplification and to prepare an input signal of one side inversion phase.
真空管を増幅素子に使う場合、単電極真空管のみで従来のシングルエンド増幅(図7)の十数倍、二電極型プッシュプル増幅(図6)の数倍もの出力を取り出す事が可能になる。しかもA級増幅である為もあって従来回路より出力インピーダンスが低く、諸特性に優れ、遥かに優れる音質性能が期待できる。 When a vacuum tube is used as an amplifying element, it is possible to take out an output several times that of a conventional single-end amplification (FIG. 7) and several times that of a two-electrode push-pull amplification (FIG. 6) using only a single electrode vacuum tube. Moreover, because of class A amplification, the output impedance is lower than that of the conventional circuit, excellent in various characteristics, and far superior sound quality performance can be expected.
仮に最大スイング電圧幅が200V、負荷インピーダンス2kΩ(×2):8Ωであるとした場合、((200V÷√2)×2)×0.06(昇圧比)≒17Vrms(36W)の最大出力を取り出せる。この値は従来のシングルエンド増幅回路(図7)の十数倍にもなる。また二電極型プッシュプル増幅回路(図6)の数倍にもなり、これと同等出力を同増幅回路(図6)にて得るには約400Vもの最大スイング電圧幅と大規模高圧電源が必要になる。更に、本発明回路(図1〜図4)の動作はすべてA級増幅である為、B電圧×アイドル電流のDC電力を安定的に供給するレギュレーション性能の単一電源があればよい。 Assuming that the maximum swing voltage width is 200 V and the load impedance is 2 kΩ (× 2): 8Ω, the maximum output of ((200 V ÷ √2) × 2) × 0.06 (step-up ratio) ≈17 Vrms (36 W) is obtained. I can take it out. This value is more than ten times that of the conventional single-ended amplifier circuit (FIG. 7). In addition, it is several times as large as the two-electrode push-pull amplifier circuit (Fig. 6), and a maximum swing voltage width of about 400V and a large-scale high-voltage power supply are required to obtain the same output with this amplifier circuit (Fig. 6). become. Further, since all the operations of the circuit of the present invention (FIGS. 1 to 4) are class A amplification, a single power supply having a regulation performance that stably supplies DC power of B voltage × idle current is sufficient.
半導体を増幅素子に使う場合、Nch/Pchコンプリメンタリ・シングルペア及び単一電源電圧のみで、通常使われる複数パラレル構成の正負両電源OTL(Output Trasfomer Less)増幅回路(図8)同等以上の出力を取り出す事が可能となる。更には、従来回路のように各コンプリメンタリ素子への優れたペア性や電圧ドリフトに対するバランス保守に最大限の配慮、及び大規模正負両電源を必要とせず、過電流事故からスピーカーを護る保護回路の必要性も無くなる。 When a semiconductor is used for an amplifying element, an NTL / Pch complementary single pair and a single power supply voltage are used, and a multi-parallel positive / negative power supply OTL (Output Transformer Less) amplifier circuit (Figure 8) with an output equivalent to or higher than that normally used It can be taken out. Furthermore, as in the conventional circuit, excellent pairing for each complementary element and balance maintenance for voltage drift are considered, and a protection circuit that protects the speaker from overcurrent accidents without requiring a large-scale positive and negative power supply is required. There is no need.
仮に最大スイング電圧幅が100V、負荷インピーダンス30Ω(×2):8Ωであるとした場合、((100V÷√2)×2)×0.5(昇圧比)≒71Vrms(628W)の最大出力を取り出せる。この場合、電源には最大出力時に必要な電流約3.3Aを余裕をもって供給するレギュレーション性能の単一電源があればよい。これと同等出力を従来増幅回路(図8)にて得るには、最低でもNch/Pchコンプリメンタリ素子を5組以上、及び700〜800VA級の大規模正負両電源が求められる。 Assuming that the maximum swing voltage width is 100 V and the load impedance is 30Ω (× 2): 8Ω, the maximum output of ((100V ÷ √2) × 2) × 0.5 (step-up ratio) ≈71 Vrms (628 W) is obtained. I can take it out. In this case, the power source only needs to have a single power source with a regulation performance for supplying about 3.3 A of current necessary for maximum output with a margin. In order to obtain an output equivalent to this with the conventional amplifier circuit (FIG. 8), at least five sets of Nch / Pch complementary elements and a large-scale positive and negative power source of 700 to 800 VA class are required.
1 真空管素子
2 負荷インダクタ
3 真空管用負荷トランス
4 ホット側巻線
5 コールド側巻線
6 出力トランス
7 二次側巻線
8 Nch半導体素子
9 Pch半導体素子
10 信号源(入力信号)
11 結合コンデンサー
12 有効信号波形及び位相
13 従来型真空管用プッシュプル負荷トランス
14 従来型真空管用シングルエンド負荷トランス
15 半導体用負荷トランス
+B/−B 電源電圧
+C/−C バイアス電圧DESCRIPTION OF
11
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2013140915A (en) * | 2012-01-06 | 2013-07-18 | Isao Osato | Transformer for amplifier circuit, power amplifier |
JP2015192300A (en) * | 2014-03-28 | 2015-11-02 | 株式会社オーディオテクニカ | Sound quality adjustment circuit |
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2006
- 2006-04-25 JP JP2006144626A patent/JP2007295502A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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