カスコード単段９Wシングルパワーアンプ
詳細設計

設計の目標

設計の目標は

出力　１０W
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

です。
電源トランスはノグチ、出力トランスはソフトンです。その他CR部品も通販や秋葉原で入手し易い物を選びました。
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。

動作点

A級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。今実効プレート電圧を300Vとして１０Wを目標とすれば
　10 = 300 *　プレート電流　/　２
　プレート電流　＝　67mA　＝　約70mA
動作点が300V、67mAなので負荷となるOPTのインピーダンスは4.5KΩ、ここでは5KΩとします。
実効プレート電圧を300Vを確保するには上側５極管のグリッド＋領域電圧と下側MOS-FETのドレイン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。ここでは３７０Vとします。
纏めると

上側５極管プレート電圧　370V
上側５極管プレート（ドレイン）電流　67mA（約７０ｍA)
上側５極管プレート損失　22W
負荷インピーダンス　　　５KΩ

上側５極管プレート損失を22W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。

増幅部回路

片ch分の増幅部回路図を示します。

100KΩA型ボリュームにより音量調節を行います。
R101　510Kはボリュームのガリノイズを防ぎます。
C101　1uFはU102　MOSFETのゲートバイアス電圧の入力端子への漏れを遮断します。
D101　HZ18は18Vのツエナーダイオードです、V101真空管のグリッド電位を決定すると共に、この電圧をR103　270KとR102　270Kで分割しU102　MOSFETのゲートバイアス電位を作ります。
R104　5.6KとR109　100は発振防止用抵抗です。
U102　MOSFETのゲートは９Vです。MOSFETの動作には3～4Vのプラスバイアスが必要なので、MOSFETのソースは6～5Vとなります。
U102　MOSFETのソース電圧を5.5Vとすると、ソースには74.8Ω(68+6.8)の抵抗が繋がれていますので、
ソース電流は　5.5V / 74.8Ω = 73mA　となります。 74.8Ω(68+6.8)はソース電流を決定し安定させる抵抗です。
ソース電流はそのままV101上側真空管のカソード電流となります。
バイパスコンデンサC103,C104の合計は13600uFと大きな値となっています。音声帯域においてR106　6.8Ωに対して十分低いインピーダンスとする為です。
V101上側真空管は高内部抵抗とする為、5極管接続です。
V101上側真空管のカソード電流　73mAの内、約3mAはスクリーングリッド電流となりますので、プレート電流は約70mAとなります。
T101　出力トランスは１次と２次を反転接続で用い、スピーカ端子は入力と同相となります。
目標出力が１０WですのでT101　出力トランスには容量１０W以上、1次5KΩのシングル出力トランスを選びます。

電源部回路

電源トランスはノグチのPMC-170です。
AC290Vを両波整流して385Vを得ています。
チョークコイルは用いず200Ω5W抵抗と合計150uFのコンデンサで構成するフィルタにより平滑し各チャンネルに給電します。

全回路図ダウンロード

全回路図　Casc-amp.JPG

負帰還

高い増幅度を得るには出力段の内部抵抗が高い必要がある為、そのままではスピーカに対するダンピングファクタが不十分となります。そこで負帰還を用いてダンピングファクタを改善します。
負帰還はR120　120Ω　と　R106　6.8Ωによりスピーカ出力からMOS FETのソースに信号を戻して行います。
ここでR106の抵抗値が大きいと自己帰還が掛かってしまい出力段の増幅度が下がってしまいます。R106は出力トランスの負荷抵抗　５KΩの1/1000から1/500としなくてはなりません。
しかしR106をあまり低くするとR120の値も低くなり、今度はスピーカ出力がR120で消費されてしまう事になります。
自己帰還の低減とスピーカ出力の消費のバランスを見ながらR120とR106の値を決めました。

MOSFETの選定

U102　MOSFET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 0.1S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。

耐圧	200V以上
ドレイン電流	200mA以上
ドレイン損失	10W以上
gm	0.2S以上（ドレイン電流70mA時）

この条件に合うMOSFETは多数あります。
しかし、本機ではMOSFETが入力段でもある為にさらに入力に対する容量の制限が加わります。
入力の容量が大きいとプリアンプやCDプレーヤに対し過負荷になり、ボリュームで音量を絞ると高域が落ちてしまいます。
MOSFETは入力容量Cissと帰還容量Crss X 増幅度からなる入力の容量が数１０００pFの品種が多く、これらは本機には使用できません。入力に100KΩのボリュームを持つ本機では入力の容量が300pF以下が望まれます。
MOSFETに求められる容量の規格は下記程度となります。

入力容量Ciss	２００ｐF以下
帰還容量Crss	10pF以下

さらに、規格表やメーカホームページに掲載されていても小売されていない品種も多く、秋葉原や通販で少量購入可能の条件が付きます。
結果として日立(RENESAS)の2SK1152を選びました。　古い品種ではありますが広く使われ入手が容易です。

２SK1152規格
ドレイン・ソース電圧　Vdss	500V
ドレイン電流　Id	1.5A
許容チャネル損失　Pch	20W　要放熱器
順方向アドミタンス　Yfs(gm)	1.1S(1A), 0.2S(50mA)
入力容量　Ciss	160pF
帰還容量　Crss	5pF

詳細：２SK1152データシート

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