JPH0670315U - 電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低内部抵抗の電力増幅素子を用いたプッシュプ
ル電力増幅器において、素子のばらつきや経年変化に対
する安定度を大幅に改善する。 【構成】プッシュプル電力増幅部（Ａ）の平衡出力変成
器（ＴＷ）の１次巻線中点（１）と、直流電源（Ｂ）と
の間に、ペア増幅素子と負荷が交流的に直列ループをつ
くるよう、電流変化に対する高い抵抗性を有する定電流
化ユニット（Ｄ）を挿入する。定電流化ユニットの代り
に交流インピーダンス素子を用いても良い。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の適用範囲】

本考案は、オーディオ信号を増幅し、スピーカや圧電素子など振動素子に電力 を供給する電力増幅器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

オーディオ電力増幅器においては、大きな出力電力と高い忠実度を求められる 用途には、第２高調波歪を除去する為に、終段にはいわゆるプッシュプル増幅回 路が用いられている。真空管を増幅素子として使用するものでは、スピーカなど 低インピーダンスの負荷に対してインピーダンス整合するために、平衡１次巻線 を有する出力変成器を用い、これにペア電力増幅管を逆相に直列接続して、この 出力変成器の１次巻線中点に、低インピーダンスの直流電源を接続する形式のプ ッシュプル電力増幅器が一般に採用されている。

【０００３】 バイポーラトランジスタやＦＥＴなど半導体を増幅素子として使用するもので も、出力変成器のインピーダンス変換効果を積極的の利用する目的で、高い忠実 度を求められる用途でも、同様の回路が採用されることがある。

【０００４】 特に内部抵抗の小さい３極真空管や縦型ジャンクションＦＥＴは、奇数次高調 波歪の発生が少なく、負荷となるスピーカなど振動素子への制動効果が大きいと いう理由で、高い忠実度を求められる音響機器用の電力増幅器に、上記プッシュ プル回路を用いて好んで使用される。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

上に記した、内部抵抗の小さい３極真空管や縦型ジャンクションＦＥＴは、増 幅特性が入力電圧−出力電圧関係すなわち増幅度μで規定される素子である。他 方、上記の通常のプッシュプル電力増幅器は、出力変成器の１次平衡巻線が相互 に結合される為、この結合を考慮すれば、交流的にはペア素子が逆相に並列接続 されるに等価である。従って、増幅度μで規定される素子を、通常のプッシュプ ル電力増幅器に使用した場合、電圧発生源が低い内部抵抗を介して負荷に並列接 続された形になるため、ペア素子同志の相互干渉が非常に大きくなる。２素子の 駆動電圧、増幅度、内部抵抗のいずれかが僅かでも相違すれば、各素子から供給 される出力電流が大幅に相違してしまって、動作平衡が崩れる結果となる。

【０００６】 動作平衡を崩すと、プッシュプル電力合成の主要目的である偶数次高調波歪の 打消効果が薄れるのみならず、出力変成器の直流バランスが狂って直流磁化が発 生し、低周波特性が悪化するなど、様々な弊害を生むことになる。

【０００７】 たとえ十分に平衡度合いを保って製作しても、経年変化によるバランスの狂い は避けられず、長期的な安定性を保証できない。こうして、内部抵抗の小さい３ 極真空管や縦型ジャンクションＦＥＴによるプッシュプル電力増幅器が、理屈の 上で高忠実度の音響機器用電力増幅器として理想的とされながら、実際には安定 な品質をもった製品として生産できないのが実情である。

【０００８】 本考案はこのような状況に鑑みてなされたもので、プッシュプル電力増幅器に おいて、交流的等価回路の上で、負荷に対してペア素子が逆相に直列接続される 形とし、ペア増幅素子を流れる交流出力電流が極性を除いて全く同一波形となり 、各素子の端子出力電圧が負荷に加算合成されるよう動作する電力増幅器を構成 して、上記の弊害を解消するものである。

【０００９】

【問題を解決する手段】

まず、低内部抵抗増幅素子のプッシュプル電力増幅回路において、ペア素子の 相互干渉を軽減する原理の要点を以下に示す。 図１が通常のプッシュプル電力増幅回路の概略的な構成図であり、出力変成器 の１次平衡巻線が相互に結合される為、その交流等価回路は図２のとうりとなる 。二つの電圧発生源が低い内部抵抗ｒｐ１、ｒｐ２を介して負荷に並列接続され 、各出力電流ｉ１、ｉ２が加算合成されて負荷に供給される形になるため、増幅 度μ１、μ２や励振電圧ｅ１、ｅ２のばらつきがあれば、出力電流ｉ１、ｉ２に 大きな相違が生じることは見やすい。つまりペア素子同志の相互干渉が非常に大 きくなるのである。

【００１０】 図３が、上記の弊害を避け得る直列式プッシュプル電力増幅回路の、直流電源 を無視した概念的な構成図である。出力変成器の１次平衡巻線間の電圧結合が無 いので、その交流等価回路は図４のとうりである。二つの電圧発生源は負荷に直 列接続され、両素子の端子出力電圧ｖ１、ｖ２が加算合成されて負荷に供給され る形になるので、二つの素子を流れる出力電流ｉｏは極性を除き同一である。増 幅度μ１、μ２や励振電圧ｅ１、ｅ２のばらつきは、出力電圧ｖ１、ｖ２の相違 をもたらすが、内部抵抗が小さいのでその差異が相互干渉によって拡大する心配 は無い。従って、ペア素子同志の選別はそれほど厳格である必要がなく、経年変 化に対しても安定である。

【００１１】 以上、概念を示した直列式プッシュプル電力増幅器を構成する手段を、図を参 照しながら説明する。 図５が請求項１のプッシュプル電力増幅回路の基本構成図である。平衡１次巻 線を有する出力変成器（ＴＷ）に平衡接続されたペア増幅素子（Ｕ１／Ｕ２）か ら成る所謂プッシュプル電力増幅部（Ａ）と、直流電源（Ｂ）から構成される点 は、通常のプッシュプル電力増幅器と同様であるが、電流変化に対する高いイン ピーダンスを有する定電流化ユニット（Ｄ）を介して、直流電源Ｂが出力変成器 ＴＷの１次巻線中点（１）に接続される。

【００１２】 定電流化ユニットＤの交流インピーダンスが、出力変成器ＴＷの１次インピー ダンスに較べて十分大きければ、交流的には図３に等価となり、問題が解決され る。

【００１３】 設計によって、定電流化ユニットの端子間直流電圧は２０−３０Ｖで十分に機 能を果すので、これを付加することによる電力損失は実用上問題にならない。ま た交流信号が入力された状態でも、プッシュプル動作平衡が保たれておれば、出 力の基本波形成分は出力変成器ＴＷの１次巻線中点には現れず、偶数次高調波歪 が現れるだけなので、定電流化ユニットの電力負担は軽い。

【００１４】 増幅素子Ｕ１、Ｕ２の非線形性が大きいと、通常のプッシュプル回路に較べて 最終的な奇数次高調波歪がやや大きくなるが、再現性と長期安定性の良好さによ る利点に比して、致命的な短所となるほどではない。

【００１５】 直流電源Ｂと、出力変成器ＴＷの１次巻線中点（１）との間に接続される、電 流変化に対して高いインピーダンスを有する回路ユニットとして、図６のように 、定電流化ユニットＤの代りにインダクター即ち低周波チョーク（Ｃ）を使用す ることも出来る。必要な周波数範囲において、出力変成器ＴＷの１次インピーダ ンスより十分大きなインピーダンスを持っていることが条件となるが、この条件 が満足されなくても、高々通常のプッシュプル電力増幅器に還元されるだけで、 電力増幅器として致命的な不都合を生じるわけではないので、さほど厳格である を要しない。

【００１６】 図７、図８に定電流化ユニットＤの具体的回路例を示す。 図７の定電流化ユニット（Ｄ１）はバイポーラトランジスタで構成した、直流 的にも定電流ユニットとして働くものである。電流検出抵抗（Ｒｉ）とツェナー ダイオード（ＺＤ）がつくる基準電圧とで設定電流値（Ｉｆ）が決る。この設定 電流値Ｉｆと電力増幅素子のアイドリング電流設定値との兼ね合いで、定電流化 ユニットＤ１の端子電圧が決定される。

【００１７】 図８の定電流化ユニット（Ｄ２）はＦＥＴで構成したもので、直流的には定電 圧回路として働き、交流的にのみ定電流ユニットとして働くものである。

【００１８】 以下、請求項１のプッシュプル電力増幅器を具体的に構成した例を示す。 図９は、電力増幅素子として３極真空管（Ｖ１／Ｖ２）を用いた回路構成例で ある。 定電流化ユニット（Ｄ３）は定電流特性を向上させるために、カスコード回路 としている。

【００１９】 電力増幅用３極真空管のグリッドバイアス電圧は、カソードに与えた抵抗（Ｒ Ｋ）によって与えられる、いわゆる自己バイアス回路を採用しているが、定電流 化ユニットの作用の為、オートバランス機能はなく、固定バイアスであることに 注意する必要がある。

【００２０】 図１０は、電力増幅素子として縦型ジャンクションＦＥＴ（Ｗ１／Ｗ２）を用 いた回路構成例である。 定電流化ユニット（Ｄ４）はＦＥＴの共通ソース抵抗（ＲＳ）から電圧を検出 し、これを一定とするよう制御するフィードバック方式を採用している。 以上が、請求項１の手段で直列式プッシュプル電力増幅器を構成し、通常のプ ッシュプル電力増幅器の弊害を解決する方法である。

【００２１】 図１１は請求項２のプッシュプル電力増幅器の基本構成である。 ペア増幅素子（Ｘ１／Ｘ２）による平衡電力増幅回路Ｅと、それぞれの増幅素 子の出力に接続された、独立した二つの非平衡出力変成器（Ｔ１／Ｔ２）とから 構成され、直流電源Ｂとは直接に接続されるが、通常のプッシュプル電力増幅器 のように１次巻線間の電磁結合が行われないので、平衡回路同士が交流的に並列 とはならない。

【００２２】 二つの非平衡出力変成器Ｔ１、Ｔ２の２次巻線を逆極性に直列接続して負荷へ 電力供給することによって、請求項１の電力増幅器と同様に、交流的には図３に 等価となる。

【００２３】

【作用】

図５に即して請求項１になるプッシュプル電力増幅器の作用を説明する。 直流電源Ｂと出力変成器ＴＷの１次巻線中点（１）との間が、電流変化に対し て高い抵抗性を有する定電流化ユニットＤまたはインピーダンス素子Ｃによって 接続される為、交流等価回路の上で、二つの電圧発生源は負荷に直列接続され、 両素子の端子出力電圧ｖ１、ｖ２が加算合成されて負荷に供給される形となる。

【００２４】 各増幅素子の出力電圧ｖ１、ｖ２は、内部抵抗ｒｐ１、ｒｐ２が小さいので相 互干渉が余り無く、各増幅度と入力電圧とでほぼ決る。負荷に供給されたｖ１と ｖ２との加算合成出力値においては偶数次高調波歪が打消される。負荷が定イン ピーダンスであれば、出力電流ｉｏには偶数次高調波歪が含まれず、これがその まま各増幅素子の交流プレート電流ないしドレイン電流となって、直列ループを 一巡する。従って、ペア増幅素子を流れる交流出力電流が極性を除いて全く同一 波形となる。

【００２５】 二つの素子を流れる出力電流ｉｏが同一であり、しかも偶数次高調波歪を含ま ないので、直流平均電流の変動が少なく、出力状態が変化しても直流的な平衡度 が安定に保たれる。増幅度μ１、μ２や励振電圧ｅ１、ｅ２のばらつきは、出力 電圧ｖ１、ｖ２の相違をもたらすが、その差異が相互干渉によって拡大すること が無いので、通常のプッシュプル回路に較べて、部品のばらつきや経年変化よる 特性の劣化が最小限に押えられるものである。

【００２６】 請求項２になるプッシュプル電力増幅器も、二つの非平衡出力変成器Ｔ１、Ｔ ２の２次巻線が直列接続されているため、１次２次巻線間の電磁結合を通じて、 ペア増幅素子と負荷インピーダンスが直列ループを構成し、請求項１の電力増幅 器と全く同じ作用を行う。

【００２７】

【実施例】

実施例について、図面を参照して説明する。 図１２に、請求項１の考案を実現する、３極真空管６Ｃ−Ａ１０を用いた実際 に動作可能な電力増幅器の一例を図示する。 回路定数および各部電源電圧値は、６Ｃ−Ａ１０に対する適性値であるが、僅 かな変更で殆どの出力真空管に適用できる。

【００２８】 図１３に、請求項２の実施例を図示する。５極真空管６Ｆ６のスクリーングリ ッドをプレートに接続して３極真空管に等価とした、いわゆる３結真空管を用い たものである。

【００２９】

【考案の効果】

請求項１、請求項２を含め、本考案になるプッシュプル電力増幅器は、交流等 価回路の上でペア電力増幅素子が負荷に直列接続される形となり、二つの素子を 流れる出力電流が極性を除いて同一となり、しかも偶数次高調波歪を含まなくな る。

【００３０】 そのために、内部抵抗の小さいペア電力増幅素子の増幅度μや内部抵抗のばら つき、前段増幅器からの励振電圧のばらつきがあっても、増幅器全体の特性変動 が小さく押えられる。また直流的なバランスを大幅に狂わせて、出力トランスの 直流磁化を引起こすなどの弊害がない。こうして部品のばらつきや経年変化によ っても、特性が著しく悪化するなどの実用上の障害をもたらさないのである。

【００３１】 従って、音響用の高忠実度電力増幅器として理想的である、低内部抵抗の３極 真空管や縦型ジャンクションＦＥＴを用いたプッシュプル電力増幅器の安定度を 、プッシュプル電力増幅器としての機能および性能を全て保持しながら、著しく 向上するものである。電力増幅素子や前段増幅器の構成部品について、一定の事 前選別を経ることによって無調整にも出来るので、量産も可能になるものである 。また素子の交換や経年変化に際しての再現性が向上するので、安定な品質をも った製品として安心して生産できるものである。

【００３２】 請求項１のプッシュプル電力増幅器は、プッシュプル用の平衡出力変成器を１ 個しか必要としないので、通常のプッシュプル電力増幅器に較べて、それほど部 品点数の増加がないが、定電流化ユニットの性能確保に十分留意する必要がある 。

【００３３】 請求項２のプッシュプル電力増幅器は、シングル用の非平衡出力変成器を２個 要し、部品コストの大幅な増加があるが、設計を容易にする利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常のプッシュプル電力増幅回路の概略構成
図。

【図２】通常のプッシュプル電力増幅回路の交流等価回
路。

【図３】直列式プッシュプル電力増幅回路の概念的な構
成図。

【図４】直列式プッシュプル電力増幅回路の交流等価回
路。

【図５】請求項１のプッシュプル電力増幅器の基本構成
図。

【図６】対交流インピーダンス素子を用いた請求項１の
プッシュプル電力増幅器。

【図７】バイポーラトランジスタで構成した直交流定電
流化ユニット。

【図８】ＦＥＴで構成した対交流定電流化ユニット。

【図９】３極真空管を用いた請求項１のプッシュプル電
力増幅器。

【図１０】縦型ジャンクションＦＥＴを用いた請求項１
のプッシュプル電力増幅器。

【図１１】請求項２のプッシュプル電力増幅器の基本構
成図。

【図１２】請求項１の実施例。

【図１３】請求項２の実施例。

【符号の説明】

Ａ プッシュプル電力増幅部 Ａ１ ３極真空管を用いたプッシュプル電力増幅部 Ａ２ 縦型ジャンクションＦＥＴを用いたプッシュプ
ル電力増幅部 Ｂ 直流電源 Ｃ 低周波チョーク Ｄ 定電流ユニット Ｄ１ バイポーラトランジスタで構成した直交流定電
流化ユニット Ｄ２ ＦＥＴで構成した対交流定電流化ユニット Ｄ３ カスコード回路を用いた定電流化ユニット Ｄ４ フィードバック制御を用いた定電流化ユニット Ｅ 平衡電力増幅回路 Ｉｆ 定電流化ユニットの設定電流値 ＲＬ 負荷インピーダンス ＲＫ カソード抵抗 ＲＳ ソース抵抗 Ｒｉ 電流検出抵抗 ＴＷ 平衡出力変成器 Ｔ１ 非平衡出力変成器１ Ｔ２ 非平衡出力変成器２ Ｕ１ 電力増幅素子１ Ｕ２ 電力増幅素子２ Ｖ１ ３極真空管１ Ｖ２ ３極真空管２ Ｗ１ 縦型ジャンクションＦＥＴ１ Ｗ２ 縦型ジャンクションＦＥＴ２ Ｘ１ 電力増幅素子１ Ｘ２ 電力増幅素子２ ＺＤ ツェナーダイオード ｅ１ 電力増幅素子１への入力電圧 ｅ２ 電力増幅素子２への入力電圧 ｉ１ 電力増幅素子１の出力電流 ｉ２ 電力増幅素子２の出力電流 ｉｏ 電力増幅素子の共通出力電流 ｒｐ１ 電力増幅素子１の内部抵抗 ｒｐ２ 電力増幅素子２の内部抵抗 ｖ１ 電力増幅素子１の出力電圧 ｖ２ 電力増幅素子２の出力電圧 μ１ 電力増幅素子１の増幅度 μ２ 電力増幅素子２の増幅度 １ １次巻線中点 ２ 電力増幅素子の入力電極 ３ プッシュプル電力増幅器の出力端子 ４ プッシュプル電力増幅器の入力端子

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】平衡１次巻線を有する出力変成器（ＴＷ）
   に平衡接続されたペア増幅素子（Ｕ１／Ｕ２、Ｖ１／Ｖ
   ２、Ｗ１／Ｗ２）から成る、所謂プッシュプル電力増幅
   部（Ａ、Ａ１、Ａ２）と、 直流電源（Ｂ）と、 電流変化に対する高い抵抗性を有するインピーダンス素
   子（Ｃ）、または定電流化ユニット（Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、
   Ｄ３、Ｄ４）から構成され、 直流電源Ｂと、プッシュプル電力増幅器Ａの出力変成器
   ＴＷの１次巻線中点（１）とを、上記インピーダンス素
   子Ｃないし定電流化ユニットＤを介して接続することに
   よって、ペア増幅素子と出力変成器とが交流的に直列ル
   ープをつくり、ペア増幅素子を流れる交流出力電流が極
   性を除いて全く同一波形となるよう動作する電力増幅
   器。
2. 【請求項２】ペア増幅素子（Ｘ１／Ｘ２）による平衡電
   力増幅回路（Ｅ）とそれぞれの増幅素子の出力に接続さ
   れた、独立した二つの非平衡出力変成器（Ｔ１／Ｔ２）
   とから構成され、 二つの非平衡出力変成器Ｔ１、Ｔ２の２次巻線を逆極性
   に直列接続して負荷へ電力供給することによって、請求
   項１の電力増幅器と等価な動作を行う電力増幅器。