三台目の無帰還アンプを作るぜー、俺ってワイルドだろ~?

いや単に阿保なだけです。

無帰還アンプ三台
 凄い製作速度です、今年の九月から無帰還アンプ(当然の事ながらディスクリート)を作り始めて、11月末で三台目の作製に入りました。
 今年のお寺大会のテーマが、「半導体無帰還アンプ大会」の為、満足出来る一台が出来るまで作り続けています。
 最初は、ヒーターの様に熱くなるディスクリート・アンプを作ってお寺大会に持ち込みたいと思っていました。
 一作目は、触れない程熱いアンプを作ることが出来て、当初の目的は達成できました。しかし、アンプとしては、カップラーメンが作れる程熱いのに、未熟で出力が0.2Wしか得られず、製作後三日で没にしました。二作目は会の無帰還アンプ・プロジェクトのアンプです。さすがによく出来ていて、美しい音が出るのですが、部品の数が多い為か疲労感と未達成感が残りました。
 そこで三作目を作って今年のアンプ作製は終わりにしたいと思っています。
 しかし、今からでは、年末に間に合わない可能性があります。

三代目のアンプ
 手作りアンプ会員K氏の回路設計をI氏が基板を起こしてくれたものです。
 第169回の関東三土会(2015年7月25日)に発表されました無帰還アンプの全段BTLの回路構成の最新版です。
 無帰還アンプながら、歪率0.01%@1kHzと言う事で、音の抜けが良く、三土会で聴いた印象では、今までの無帰還アンプの音とは、一寸違います。
 回路構成はCMOSオペアンプの現代的アーキテクチャとスーパーエミッタフォロアを合体した構造とのことです。
 通常の差動アンプよりも一桁以上歪が低く出来ており、難しい差動アンプの低歪の実現はLTspiceという回路シミュレータの存在が、可能ならしめたとの事です。無帰還アンプの回路をお見せしたいのですが、著作権等、版権の関係で開示できませんが、一寸見た様子では、レガシーなアンプ構成ではなく、オペアンプの様な回路を成しています。

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集めた部品
 基板、半導体、トロイダルトランス(15V/60VA二電源)が揃い、後はCRとシャーシを用意すれば製作開始可能です。
 トランス(写真上部の黒い塊)は、大阪某有名通販店の物で、トロイダルでありながら漏れ磁束が多い為、使用を躊躇しています。

 アレー!アレー! 無帰還アンプ

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その15

いよいよ最終回
 今回の改善は最良の結果が得られました。パワー段の電源ケーブルの取り廻しを芋づる方式から、直結方式に改めました。結果は劇的に改善されて、発振気味の状態も無くなり、音もスッキリして、音像が明確になりました、又、低音の分解能も向上しました。これは、クロストークが大幅に改善された事による結果だと思います。
 電源ケーブルを共有するこことにより、過負荷時に電源ケーブルに信号が重畳され発振していた様です。とても恥ずかしい話ですが良い経験ができました。

問題の芋づる方式の電源供給  - 矢印の様に接続
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動作が安定した直結方式
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音に関係する抵抗の換装
 電流回路部分の抵抗をアメリカ宇宙航空用途に開発されたIRC製メタルフィルム抵抗に交換しました。単に換装するだけではなく、ワッテージを二ランク程大きい物としました。
IRC製メタルフィルム抵抗(R13:中央の赤いモールド抵抗)
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定番のVishay/DALE製金属被膜抵抗(R1~R4:背後に並ぶ薄茶色の抵抗)
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その他の改善点
 基板からスピーカー端子までの電力ケーブルを左右に分離して、シャシーの一番外側に配置しました。
 これらにより、今までの眠たい音が、スッキリしました、未だ少々音が鋭く、耳に突き刺さる感じが残っていますが、時間の経過とともに聴き易く変化している様です。
 ピークtoピークでは、歪感を感じる事が、多々有りますが、録音に問題が有るのかアンプのトラブルか、更に聴き込んで見極めたいと思います。

ダンピング・ファクター
 ダンピング・ファクターの測定を行っていただきました。
 詳しくは町田オフ会のブログ(ここ)を参照して下さい。
 測定方法は、試験用アンプによる電流注入法で、得られた数値は、18で真空管アンプの様です。ダンピング・ファクターが低いと、アンプでスピーカーを制する力が弱く、スピーカーのインピーダンス(箱入りの状態)の変化が浮き彫りとなる動作となります。併せて周波数特性(f特)を測定しましたが、純抵抗ではなく、ティピカルなスピーカー(箱入り)を負荷にして測定しましたが、特性曲線は、スピーカーのインピーダンスにディペンドオンする結果となりました。
 無帰還アンプのダンピング・ファクターが音質を決定付ける最大の要素であり、結果として近代的な Max mech. excursionを大きく取った能率の低いスピーカーより、レガシーな高能率スピーカーに合ったアンプである事が良く解ります。

残された課題
・保護リレーからのノイズ
 SNRが良く無い件は、エリミネータの特性は特に問題無いのですが、唯一交流が流れている部分として、保護(遅延)リレーの回路があります。試しに、パワー段からの29V二電源を乾電池(006P×3個)に置き換えたところ、ノイズ(バズ音)が消えました。
・トランスからのリンケージ・フラックス
 トランスからのリンケージ・フラックスでバズ音(ハム)が生じていると仮定して、トランスとドライバー基板を銅板で遮蔽しましたが、ノイズの量は変化しませんでした。
銅版をシャシーに接触した状態で交流部分とドライバー段の間を遮蔽
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 今後、コイルの無いリレーにするか、この保護回路をドライバー基板から追い出して、電源基板と一体化するのが好ましいと思いますが、基板の改造がともない大掛かりとなるので、今回のプロジェクトは、これにて終了とします。

 ここまで来れたのも、手作りアンプの会メンバー有志の方々の援助お陰です。有難うございました。
 作製開始当初に無帰還(Non-NFB)アンプは、薄化粧で清楚な日本女性と例えましたが、概ね当たっていると思います。

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無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その14

玉林寺 無帰還アンプ大調整会

 昨日は、玉林寺で、無帰還アンプの大調整会が行われ、会場でアンプの点検と調整を行っていただきました。
 三土会で音出しを行いましたが、結果は見るも無残な玉砕状態でしたので、そのまま手を付けずに持ち込みました。

問題点1
 基板を外して調べていただいた結果、ハンダ付けに問題がある様です。
 今回の無帰還アンプの基板は、スルーホールなので理想のハンダは、スルーホールに半田が充填されて、ハンダ面側のリード部(フィレット)が、富士山のすそ野のような状態が必須であるとの事です。しかし、残念な事に、検証していただいた結果、リードワーヤーが短すぎて、綺麗なフィレットが形成されて無いとの事です、例えで言えば深爪の状態で深刻な状況との事です。早速、特に悪い所を重点的に修復していただきました。



スルーホールの良いハンダの状態
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今回のハンダの状態
この状態は良くないが、何とか導通が有るので救われる。
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問題点2
 ハンダイ付けの問題以外に、入力のグラウンドの配線が外れていました、これは、三土会で音出しを行う前日に、グラウンドの取り回しを、良かれとの判断のもとに変更した為にハンダが正しく付いていませんでした。

肝心な音
 早速、ハンダ付けの問題点を修正後、音出しを行いました。
 持参した音源を聴きましたが、ステレオの音源なのですが、クロストークが悪く、まるでモノラール音源の様です。又、音の鮮度が悪く眠たい状態で、全く気に入りません。解決すべき問題が未だ沢山ある様です。

アンプの体力測定
 当日、アナログ・ディスカバリーでアンプの体力測定を行っていただきました。
 以下の様な結果が得られました。
 出力は30W程度で、歪率は0.2%くらいですが、左右の歪率が異なります。歪率の左右アンバランスについては、アイドル電流を300mAに揃えたのに拘わらず、想定以上の差が生じています。これは、徹底的に調べる必要があります。
 周波数特性は、10Hz~200kHzまでほぼフラットな状態で、この規模の無帰還アンプ数値としては標準的な結果が得られました。
 矩形波(1000Hz)を入力して、オシロで出力波形を見ると、立ち上がりがなまっています。入力にファースト・オーダーのLPFがあり、最終出力にゾベル・フィルターがあります、それらが作用するのは数百キロHzですが、バイパスして測定と試聴を試みたいと思います。

その他
 現時点での最大の問題点は、音に鮮度が無く、SNRが悪いことです。
 音量を最低にして、スピーカーに耳を近づけると、ハムらしきノイズが聞えます、未だフレーム・グラウンドの取り方に改善が必要な様です。
 唯一、AC29Vを引き回している回路として、遅延リレーの電源ケーブルがあります。この部分の改善を試みたいと思います。

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その13

放熱穴

 熱の三要素として、伝導、放射、対流がありますが、放射については、ヒートシンク、伝導については、熱伝導シート、プレッシング・プレートで対策を取りましたが、筐体内の熱のこもりに対して無策でした。そこで、筐体内で熱が対流して、外に抜ける様にシャシーにクーリングの放熱穴を設けました。

丸い穴が放熱穴です。
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内部構造
 前方下から冷気を吸い込み、後方の放熱穴から熱気が抜ける構造です。
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 これにより、ドライバー回路の冷却が可能となり、熱のこもりを減少する事ができました。 クーリング・システムが上手く稼動出来たので、思い切って、アイドル電流を300mAにアップして、ケースの蓋を閉めました。

クーリング・ファン
 強制空冷ファンの強力な冷却能力に魅力を感じて、何度か採用を考えました。しかし、今度はその電源ノイズの問題、モータからのノイズ等、又々ラビリンス入りになることが、想定できましたので、ファンを採用しないで、敢て自然空冷に拘りました。

今後の予定
 三土会で音を聴いていただき、耳の肥えた手作りアンプ会員の忌憚のない意見をいただく予定です。
 その後、23日に催される無帰還アンプの大調整会にて、ファインチューニングを行う予定です。
 但し、メインシステムへ投入するには、もう少しSNRを良化したいと思います。

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その12

アイドリング電流の調整

 MOS-FETは近年、スイッチング素子として使われる機会が多いのですが、電力増幅用としても使われています。
 アンプの素子として利用する場合、ゲートとソース間に、MOSFETの仕様に基づいた電圧(2SK3497のゲートしきい値電圧 Vth:1.1V~2.1V)を与えないと、信号が完全にカットオフされます。
 また、ゲートが開き始め部分の特性は非直線の動作を行います。その非直線部分を電力増幅用として使いたくない為に、バイアスを与えて、直線的な動作点までオフセットする為に流すのがアイドリング電流です。

調整方法
 調整は片チャネルにつき一個所、アイドリング電流を決定します。
 ポテンショメータの抵抗値が最大になるよういっぱいに回しきってから電源を投入します。
 2SK3497のソース~2SJ618のソース間電圧を測定することにより終段アイドリング電流を知ることができます。
 一般的にMOSFETの場合はアイドリング電流を多く流す必要があるとのこと、電源の容量の限界値よりヒートシンクの放熱能力に限界があるので、カットアンドトライで200mA(40mV)丁度にしておきました。
 
計算式
 アイドル電流(A)=ソース間電圧÷ソースの抵抗÷2
 アイドル電流(A)=0.040÷0.1÷2=0.2

 試しに400mAにしましたがヒートシンクの熱が下がらず、無理の様です、
 現在のヒートシンクの容量では、300mAが限界の様です。

ゾベルフィルターの追加
 可聴周波数外で発振を起こすと、発振の存在を知らずして、スピーカーのボイスコイルを焼き切ってしまいます。
 超高域(数MHz)発振や超高域ピークを防ぐ為の予防回路で、このCR回路が超高域に対して負荷を与え安定させる役目をします。
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 0.1u/400Vと10オームを直列にして、スピーカーの出力端子に繋ぎます。

次の工程
 いよいよ最後の作業です。
 自然の放熱で冷却を期待していますが、筐体内の放熱処理が漏れていました。シャシーに対流の為の空気穴を空けることにします。

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その11

いよいよ最終段階
 無帰還アンプの回路図、部品をいただいてから、早一ヶ月半が過ぎようとしています。
 事前に回路の設計、基板の作製、部品の調達を、早くから着手され周到な準備を行って来られた方には、大変感謝の気持ちでいっぱいです。
 回路図を見たとき、部品の点数が多く、作り切れるか大いに悩みました。
 しかし、手厚い援助をいただきまして、やっとここに完成する事ができました。
 ディスクリート部品を使って、半導体アンプを作成するのが初めてで、基板への半田付けの方法から、バイアスの調整方法まで多義に渡り教えていただきました。

アンプの外観
 前面です、正直言ってカッコ悪いです。
 これは、安定期に入ったらケースを作り直す予定です。
 大きさは、190mm×300mm×80mmで小型です。
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裏面のヒートシンク
 ここは、一寸良い様な気がします。
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内部構造
 エリミネータとドライバー段(L/R)が二階建てで、結構狭隘です。トランスは、パワー段:160VAトロイダル ドライバー段:カットコアーの特注品で構成しました。配線は二階建てが効いてシンプルです。
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肝心な音
 バイアスを三十年前のフルーク製テスターを用い、めのこで調整したので、正しい評価はできませんが、今までに所有してきた既製品のアンプと音が明らかに異なります。
 凄く開放的で、聴きやすい音です。録音時のエコーが自然に聞えます。

今後の予定
 11月23日に無帰還アンプの大調整会を行います。
 そこでは、各自作製したアンプを持ち寄り、設計者の方にバイアス調整と最終検証を行っていただきまして、完成となります。
 同じ回路でも、人により電源トランス、受動部品が異なるので、出る音が異なるそうです。皆さんの成功談、苦労話を聞かせていただいて、完成の喜びを分かち合いたいです。

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その10

発振止めの抵抗
 電力増幅段のトランジスターのベースに、発振止めの抵抗をつけました。
 もし、組み上げた後に発振現象(コルピッツ発振:Colpitts oscillation)が生じた場合、その対処に改造が必要となり大幅な手戻りとなるので、その予防対策として摘要しました。
 コルピッツ発振については、ここ

ベースのシュリンク・チューブが膨らんでいる内部に発振止めの抵抗があります。
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 この抵抗値により、高域の周波数特性が制限されるとの事ですが、発振止めの抵抗値は680オームで、これによる高域減衰のカットオフ周波数が200kHz付近ですので、高域の限界値を追う微調整を行う事無く、迷わずこの値としました。
 「急がば廻れ」と言ったところで、これで安心です。
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真ん中のトランジスタが、温度補償に特化したC4495です。

グラウンドの落とし方
 今回はグラウンド・プレーン(シグナル・グラウンド)をフレーム・グラウンドに落としました。
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 製作中のアンプの電源が、左チャンネル・右チャンネル共通ですので、入力端子部分(左右)で落とす事によりグラウンド回路がループとなりノイズのアンテナとなってしまいます。そこで、電源供給部分のシグナル・グラウンド(必然的にコモンとなる)から、0.1u/200Vのフィルムコンデンサー経由でフレーム・グラウンドに落としました。
 この基板はグランド・プレーンが、大きく三分割されおり、六個の円状のビアで繋いでいるため、既にグランド・プレーン自体がループ状で、ノイズ対策上心配です。
 フレーム・グラウンドは、アルミ・シャーシーの中央に菊座金タイプのラグで強く螺子止めを行い取り付けました。

 グラウンド(アース)の落とし方は、一つの学問になる程、難しい問題です。
 今回の一点アースの考え方は、EMIの場合は、ダイポール(逆L)アンテナとなり逆効果になる可能性があります。「これが正解」というものが無い様なので、現場処理型(田中角栄方式)で、何種類かの対策を経て、実際に測定しながら良い対策を施していくしかないのがノイズ対策の様です。

余談です
 アンプのシャシーは、グラウンド(ground):大地」が正解であり、グランド (grand)大きい、偉大は、誤りだと思います。

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その9

無帰還アンプに用いる半導体
 電力増幅段の半導体は、東芝のJ618とK3497です。
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 このコンプリメンタリ(complementary)は、一世を風靡した半導体です。
 コンプリメンタリ・トランジスタとは、相補半導体という意味で、同じ特性で、極性が異なるPNP型、NPN型のツインの半導体だそうです。 勝手ではありますが、この様な意味の場合、コンプリメンタリよりダイアディック(dyadic)の方が相応しく思います。

温度補償用の半導体
 真ん中の半導体は、温度補償に特化した高hFE, 低VCE(sat)のトランジスタのC4495です。この様なTO220Fの型式だと、ヒートシンクにステディーに取りつけることが出来て綺麗にまとまります。
 そのC4495のベース線を保護しているシュリンク・チューブの一部が太くなっていますが、この中には1000オームの発振止めの抵抗が隠れています。

リード線の仕様
 電力部分は、Thermax製18AWGのテフロン・ケーブルを用い、小信号部分は22AWGのテフロン・ケーブルを用いました。

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その8

待ちに待ったトランスが納品されました。
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未だニスの一部が生乾きです。

トランスの外観
 注文時に仕様が提示されいて、大きさは解っていましたが、実際に手に取ると、とても小振りに感じます。
 恐らく36V×2電源のEIコアートランス二個と比べると、カットコアートランスは、体積で四分一に満たないと思います。
 想定はしていましたが、確保していたトランスのスペースが余って、スカスカです。SNRの為には、良い結果になりそうです。

カットコアーの特徴
 方向性けい素鋼帯を巻き、ひずみ取焼きなまし後、接着、切断したものを使います。従来のEI型のトランスと比較して、70%以下の体積で同じ容量の性能を確保できます。最大の利点は、漏れ磁束が少ないのが特徴で、主に測定器、医療機器につかわれる事が多く、小電力で良品な電源が求められる、アンプのドライバー段に最適なトランスと言えます。

トランスの仕様
 周波数 :50Hz
 一次  :100V
 二次  :35V×2回路
 静電シールド:有り
 容量  :15.2VA
 大きさ :W:53×D:46×H:70
 重量  :550g

 これで、総ての部品が揃いましたので、こころおきなくアンプの製作できます。
 アンプの性能を計る重要なファクターとしてSNRが有りますが、このトランスで間違いなく良い値が、確保できそうですね。

無帰還(Non-NFB)アンプ作製 プロジェクト その7

 ヒートシンクを改善しました

 無帰還アンプの調整会で、ヒートシンクの熱容量が足りないとのアドバイスをいただきました。
 アイドリング電流を限界まで流すのでは無く、このヒートシンクの規模に合わせて、電流値を決めることにしました。
 FETを取り付ける際、シリコン・ブッシュを取り付けて絶縁シートを挟むと、固定が心もとなく、ステディーに取り付けることが出来ません。 そこで、以下の様に5㎜厚のプレッシング・プレートで締め上げる事にしました。

未だ絶縁シートを貼る前です。
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 固定は三個所の螺子を微調節して、各半導体に均等に圧力が掛かるように調整します。
 この方法は、欧州の銘アンプで良く用いる方法で、ジュリアン・ベーカー(ここ)が設計したNaimのアンプ等、英国のアンプに広く用いられています。
以下のNaim NAIT XSで矢印の部分が、FETをヒートシンクに押さえつけている黒いアルミ・ブロックです。
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 半導体を押し付けると、「息苦しい音」がすると、非科学的なことを言う方がいますが、私には理解できません。

 明日からは、電源部分と入力部分の配線で、いよいよ最終工程です。