カスコード差動単段プッシュプルアンプの製作
詳細設計

設計の目標

設計の目標は

• 出力　１５W
• 高安定度・無調整
• EL34、6L6GC、KT66、KT88、6550、EL156まで色々な出力管が使える
• 入手容易な部品の採用
• 製作が容易な加工済みシャーシの採用
• 全Rコアトランスの採用

です。
CR類は一般的な品種、値、容量です。
トランスはソフトン製のRコア出力トランスと電源トランスです。
シャーシはぺるけアンプ標準シャーシを用います。穴あけ加工済みなので製作が容易です。

出力管の動作点

A級PPアンプは＋側と−側のA級シングルアンプが半分づつ出力を担うアンプです。
片側分のシングルアンプの出力は
　Po　=　実効プレート電圧　*　プレート電流　/　２
です。15Wの約半分、８Wを担い、実効プレート電圧を250Vとすれば
　８ = 250 *　プレート電流　/　２
　プレート電流　＝　65mA
動作点が250V、65mAなので負荷となるOPTの片側分インピーダンスは3.8KΩ、PP間では7.6KΩです。

今回は出力トランスにRX-40-5　6.6KΩPP間（8Ω負荷時）を用いますので、動作点を若干低負荷、大電流の
実効電圧　250V、実効電流　70mA、　負荷6.6KPP間　に調整します。

実効プレート電圧を250Vを確保するには
上側５極管・３結動作のグリッド＋領域電圧　＋　下側MOS-FETのドレイン電圧　＋　定電流回路用電圧
が無効電圧となるので、その分高い電源電圧が必要です。
上側５極管を３結動作とした為、グリッド＋領域電圧が大きくなり無効電圧が増えました、それでも３結とした理由は後に記します。
無効電圧の内訳は
　　上側５極管・３結動作のグリッド＋領域電圧　８０V程度
　　下側MOS-FETのドレイン電圧　３５V程度
　　定電流回路用電圧　15V程度
総計で130V程度と見積もります

以上を纏めた動作点は

• 上側５極管プレート電圧　380V
• 上側５極管プレート（ドレイン）電流　70mA（出力管1本分）
• 上側５極管プレート損失　23W
• 負荷インピーダンス　　　6.6KΩPP間

上側５極管プレート損失を23Wに抑えればEL34（プレート損失２５W)より大きな球は自由に差し替えられます。

アンプの利得とMOS-FETの選択

アンプの仕上がり利得を8倍、負帰還を6dBとすれば、アンプに求められる裸利得は16倍です。
基本設計で求めたアンプの利得の式は
　　アンプの利得　＝　gm X ( Rp // Rl )　/ SQRT(　Rl　/ ２次インピーダンスの半分　)
必要な裸利得16倍と上記出力管動作点を代入するとMOS−FETに必要なgmが求まります。
　　16　＝　gm　X　（50KΩ　//　3.3KΩ）　/　SQRT（　3.3KΩ　/　4Ω　）
　　16　＝　gm　X　3.1K　/ 28
　　gm　＝　0.14S

裸利得１６倍を得るにはドレイン電流70mA時にgmが0.14S以上のMOS-FETが必要です。
MOS-FETの動作点は

• ドレイン電圧　50V（静止時）、100V（ピーク時）
• ドレイン電流　70mA
• ドレイン損失　3.5W
• gm 0.14S以上

なので求められる最大定格は、余裕を含め下記の程度となります。

これに加えて
・高域特性を確保する為、入力容量と帰還容量が小さい。
・実装し容易にする為、フルモールドTO-220型パッケージ。
が求められます。
MOS-FETには沢山の製品がありますが、これら条件に合う品種は中々見つかりません。
探し回った結果、NECの2SK3221を選びました。

２SK3221規格
ドレイン・ソース電圧　Vdss	600V
ドレイン電流　Id	2A
許容チャネル損失　Pch	2W Ta=25度 25W　Tc=25度
順方向アドミタンス　Yfs(gm)	1.5S(1A), 0.2S(50mA)
入力容量　Ciss	290pF
帰還容量　Crss	5pF

詳細：2SK3221データシート

増幅部回路

片chの回路図を示します。

• バランス入力とアンバランス入力はスイッチにて切り替えます。
• 30V電源はカスコード接続上側EL３４と下側2SK3221のバイアス電圧用です。
  上側EL34のグリッドには30Vのバイアスが、下側2SK3221には180KΩ2個で分圧された15Vのバイアスが与えられます。
• 2SK3221のゲートの1KΩとEL34のスクリーングリッドの100Ωは寄生発振を防止します。省略しないで下さい。
• EL34のグリッドの100Ωは過駆動時のグリッド損傷を防止します。省略しないで下さい。
• ３端子レギレータLM317の定電流回路が各2SK3221のソースに繋がれます。LM317の2pin（OUT)に繋がれた18Ωにより定電流値は70mAとなります。LM317も実装の容易なJRC製フルモールド型を用います。
• 6800uFの電解コンデンサ4個はソース間を交流的に結合し差動回路を構成します。低インピーダンスにて結合する為に大容量が必要です。
  240Kは電解コンデンサの極性維持用の高抵抗です。
• 出力トランスはソフトンのRX-40-5です。5KΩ：６Ωの出力トランスですが、今回は負荷を8Ωとし6.6KΩ：8Ωのトランスとして用います。
• 10KΩと180KΩにより帰還回路が作られます。
  アンバランス増幅時は上側の180Kの片側が接地され上側は帰還回路としては働きません。下側の180KΩと10KΩのみが帰還回路として有効です。アンバランス増幅時に入力インピーダンスは32KΩです。
  バランス増幅時は上下の帰還回路共に有効です。10KΩと180KΩを帰還回路とした差動反転増幅回路となります。バランス増幅時の入力インピーダンスは＋−間で16KΩです。

電源部回路

• 電源トランスはソフトンのRコア電源トランスPWT280-300です。380V　300mAの直流電源が得られ70mA4本分の電源を賄えます。Rコアトランスは漏洩磁束が少なく、残留雑音の低減に貢献しています。
• 整流ブリッジはAM510です。1000V 1Aの1N4007を4個でも代用できます。
• 34Ω5Wによりリップルを低減と左右分離を行い両チャンネルに供給されます。
• 240KΩ　３Wは安全対策の放電用です。
• AC18V巻線を2個直列にしAC３６Vとします。ブリッジ整流後2SK3221による簡易安定化電源回路で30Vを作ります。
• 6.3V 4A巻線で2本の出力管ヒータを点火します。

全回路図

casppamp01-1.pdf

出力管を3結とする理由

このアンプでは出力管を3結としています。5結の方が電源効率が良く高出力が得られそうですが、差動回路では問題が生じます。
５極管やビーム管は入力信号が加わるとプレート電流に比してスクリーングリッド電流が大きく増加します。通常のPP回路ではスクリーングリッド電流の増加と共にカソード電流も増加し、プレートの動作には影響を与えません。
しかしながら、差動増幅では合計カソード電流値が定電流源によって規定されカソード電流は増えませんので、スクリーングリッド電流が増える分プレート電流が減ってしまい出力が低下します。
このアンプで出力管を５結とすると７Wしか得られませんでした。
別の見方をすれば出力トランスに送られるべき出力がスクリーングリッドから漏れているとも言えます。
漏れる分も出力トランスに廻せば良いと考え、スクリーングリッドを出力トランスに繋ぎ3結として目標の出力を得ました。

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