６ＡＨ４ＧＴ全段差動アンプ
■はじめに
1997年11月に作った300Bアンプに特に不満があったわけではありません。音質はそれ以前に使っていたVT-52アンプに比べ、あらゆる点ではるかに優れていましたし、今でも充分満足しています。
しかしあれから５年近くが経ち、また何か作りたいとうずうずしてきました。
私は何かモノを作るのが、特に電気工作が好きなのです。
どうせ作るなら今までとは違うアンプを作ってみたいと思いました。
シングルではつまらないです。
自慢じゃありませんが、私はWE300Bアンプを使っているのですから。
300Bは１９３６年、アメリカのウェスタン・エレクトリック社が開発したオーディオ用真空管、WE300Aの改良型で、当初は同社製のＰＡアンプに採用されていました。正式にはWE300Bと言います。 同社のアンプは劇場・ホール専用で、一般に市場に出回ることはありませんでしたが、音がよいとの噂が噂を呼び、1950年ごろになると廃棄となった同社のアンプから抜き取られた300Bがわずかながら一般にも売買されるようになったのです。
WE300Bは1988年に製造中止となるまでオーディオ用真空管の最高峰と賞賛されてきました。
1995年、ウエスタン・エレクトリック社は300Bの限定再生産を発表。1997年に発売を開始しました。私が購入したのはこの1997年製です。プッシュプルにしようか・・・・・・しかしプッシュプルには問題がある（下記のとおりです）・・・・・・。
そんな時、あるホーム・ページで見つけたのがこの回路、差動プッシュプルアンプなのです。
VT-52も、300Bも、いずれも不平衡増幅回路ですが、今回製作したのは平衡（差動）増幅回路です。（トランジスタと違って真空管アンプでは、不平衡増幅回路の方がむしろ一般的です）そのサイトの紹介では・・・・
・目からウロコ
・差動増幅の効果絶大
・もうシングルには戻れない・・・・・ホントか〜っ？ と半信半疑ではありますが、何か作ってみたいと言う思いが強くくなったため検討にはいりました。
■シングルアンプとプッシュプルアンプの問題点
昔から真空管アンプはシングルが良いか、プッシュプルが良いか議論されてきました。
プッシュプルアンプの利点は何と言っても低域の伝送特性がシングルとは比較にならないほど優れていることでしょう。
シングルアンプの出力トランスは、どうしても直流磁化によるインダクタンス低下が避けられず、ひいては低域の伝送特性はどんなに優秀なトランスを使ってもプッシュプルに比べれば知れたものなのです。さらには歪や出力と言った物理的特性では、シングルは到底プッシュプルの敵ではありません。その一方で昔からシングルマニアと言う人達がいます。
プッシュプルアンプからシングルアンプに戻る人も少なくありません。
特性は劣ってもプッシュプルでは味わえない「何かがシングルにはある」と考えている人達です。私は「何かがシングルにはある」と考えるほど両者を比較検討してきたわけではありません。私がプッシュプル・アンプを作らない理由の一つは、位相反転回路に決め手がないことによります。位相反転方式と言えば、次のようなものがあげられます。
●トランス結合 理想的な位相特性、インピーダンス特性が得られますが、その反面、周波数特性の問題、負帰還がかけられない等の問題も抱えます。
配線図を書けば、視覚的にもっとも美しい回路になります。
音質には無関係ですが（笑）●PK分割方式 プレート側とカソード側で位相が逆になることを利用した回路。ゲインないため高感度な出力管用です。
シンプルで良い回路ですが、出力インピーダンスがｅ１とｅ２で異なるという気持ち悪い回路でもあります。
●カソード結合方式 本機の原型にもなっている差動増幅回路です。
ゲインも数ｄＢありますが、高いμの球を使わないと（使っても）出力に上下でバラツキが生じます。視覚上、配線図はこの中でもっとも見苦しい回路です（笑）
■差動増幅回路
これは真空管によるごく一般的な不平衡増幅回路です。
入力信号ｅiは真空管Vによって増幅され、ｅｏの電圧が出力側に発生します。
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この時、出力電流はどのように流れるかと言えば、Ｖの負荷抵抗ＲからデカップリングコンデンサＣを通ってＶのカソードに戻ってきます。（赤い線） また出力電流 i によって負荷抵抗Rの両端に電圧が発生し、出力電圧ｅｏが取り出せるわけです。そちらの流れは青線です。 ここで注意すべきは出力電流 ｉがデカップリングコンデンサＣを通り、さらにはアースからカソードに戻るということです。 （問題その１） |
デカップリングコンデンサＣは単に電源のリップルを取り除くだけではなく、出力電流の通り道になるためアースもモノラル・アンプでは別ですが、ステレオ・アンプになると左右の信号が混ざり合うという不気味なことになります。（問題その２）
この二つの問題を解決するにはどうしたら良いでしょうか？
その回答の一つが差動増幅回路なのです。
不平衡回路（左）のアースには電源電流はもちろんのこと、音声信号も流れますが、平衡回路（右）では、アースに流れるのは電源電流だけで、音声信号は流れません。
これは例えば放送局やレコーディングスタジオ等の機器にはよく使われている方式です。
その理由の一つに、外部からのノイズ（家庭内で言えば蛍光灯や冷蔵庫から入るバチッというノイズ。電灯線を伝わってくる）混入に大変強いことがあげられます。
左の図が差動増幅回路です。
トランジスタ回路では電圧増幅段に多用されます。二つのつながれたカソードは定電流回路によってアースに落ちています。これによって、二つの真空管に流れる電流の合計値は、いかなる場合にも一定になります。（ｉ = ｉ1+ｉ2）
この時入力信号に応じて片方の出力電圧が増加すると、他方は減少することになります。
差動増幅回路では、二つの入力端子に加わった入力信号ｅ１、ｅ2の電圧差に回路の利得を乗じた出力電圧が発生します。
定電流回路は直流（プレート電流）は流しますが、交流（信号）には無限大の抵抗となって、信号はアースに流れることはありません。出力電流は赤い線のように流れます。これによってデカップリング・コンデンサは純粋にリップルを取り去るためだけに存在するようになります。
差動増幅回路は真空管ではプッシュプル・アンプの位相反転回路で多用されています。
これはすでに紹介したカソード結合方式による位相反転回路ですが、差動増幅回路のバリエーションの一つです。 下側の真空管のグリッドはコンデンサーによって交流的に接地されているため、入力電圧は常に０になります。
カソードにつながれた定電流回路の代わりに抵抗で代用することが多いですが、抵抗値も大きくなれば不充分ながら定電流的になるからです。（ただし実質的なプレート電圧は減少します）
入力信号が加わって片方の出力電圧が増加すると、他方は減少する理屈になります。これは位相反転に他なりません。
■ 定電流回路
オームの法則によれば電流は電圧に比例し、抵抗に反比例します。
しかし、中にはこの法則に従わず、電圧の変化に対してほぼ一定の電流値を保つ素子があります。
代表的なものが五極管で、その特性は左のようになります。
実際、この方式を使ったアンプは存在します。グリッド電圧を変更することで、プレート損失内で任意の電流を流すことができ、プレート電圧の変化に対するプレート電流の変化はごくわずかですから、極めて高い内部抵抗を持つことになります。
ＦＥＴの場合、ゲートとソースを結ぶことで同様の特性を持たせることができます。
真空管とＦＥＴの違いは動作電圧の違いでしょう。
真空管の場合、少なくとも数十Vの電圧がなければまともな定電流動作にはなりませんが、ＦＥＴなら数Ｖでの動作が可能です。定電流ダイオードの基本はＦＥＴで、簡単に言えば定電流ダイオードとは、ＦＥＴのゲートとソースを結んだものです。（左の図）
左の図は半導体メーカー、石塚電子のホームページより拝借したものです。 電圧Ｅが一定で、負荷抵抗ＲＬを変えても流れる電流は一定に保たれます。
もちろん限度があります。無限大の抵抗に対しても電流が流れるわけではありません。定電流ダイオードは0.1mA〜20mA程度のものが作られています。
価格は1本50円程度からあります。■ ツエナーダイオード ツェナーダイオードは定電流ダイオードとは逆に、電流の変化にも関わらず電圧をほぼ一定に保ちます。
ダイオードに順方向に電圧を与えると（左図の右半分）ある電圧（0.5Ｖ前後）を越えた時点で電圧と電流はほぼ比例します。 しかし逆方向に電圧を与えると（左図の右半分）、急激に電流が増えはじめる電圧があります。これなだれ現象と言い、その電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）と言います。
整流用のダイオードにもこの現象がありますが整流用ダイオードの場合、かなりの高圧ですし、この現象を前提として設計・製造されているわけではありません。
ツェナーダイオードは降伏電圧が低電圧になるよう設計・製造されたもので、電圧は1〜200Ｖ程度です。
左の図は今回電力増幅段に使った定電流回路です。 電力増幅段には約60mA（2本分）の電流を流す必要があるため、定電流ダイオードでは使えませんのでトランジスタ、定電流ダイオード、ツェナーダイオードを組み合わせて定電流回路を作ります。
左の図で、ベース・アース間にはツェナーダイオードがつながっているため、ベース電圧は6Ｖで一定です。
トランジスタの特性上、ベース・エミッタ間の電圧は約0.6Ｖですから、エミッタ電圧は自動的に5.4Ｖになります。
ここでエミッタ抵抗を90Ωにすれば、エミッタ電流（コレクタ電流+ベース電流）は60mAになるわけです。ではなぜここで定電流ダイオードが必要かと言えば、強制的にツェナーダイオードとベースに電流を流すためです。（2mAはベース電流だけではなく、ツェナーダイオードにも流れます。）
ベース電流はトランジスタの電流増幅率(hfe)に従ってコレクタ電流を流します。今回作った回路ではエミッタ電圧の実測値は5.5Ｖ、エミッタ抵抗は91Ωでしたから、60.4mAの電流が流れることになります。まずまずの結果でした。
（90Ωという値の抵抗は実際には販売されていません）
■差動増幅回路の長所・短所
今回の製作で知ったことを書くとつぎのようになります。
長所 短所 1． アースラインに信号電流が流れない。
このためステレオアンプでも左右の信号がアースで混ざり合うことがない1． 理論上A級動作しかできず、大出力が望めない。 2． 電源回路の平滑コンデンサーに信号電流が流れないため、電源のインピーダンスが高くてもかまわない。左右のクロストークは理論上無限大になる
また平滑コンデンサーは音質に影響を与えない。2． 定電流方式になっているため、片方の真空管が不良になると他方には倍のプレート電流が流れることになる。 3． バイアスはプレート電圧、電流に応じて自動的に定まるため、C電源を必要としない。 3． 回路が多少複雑になる。 4． プレート電流が一定のため暴走が起こりにくく、グリッド抵抗を大きくできる。
■本機の回路
差動増幅回路は位相反転回路ではポピュラーな回路ですが、電力増幅段にはまず使われません。それは理論上Ａ級増幅しかできず、出力面のメリット（素人受けするメリットですね）がないからです。でも今回は先に書いた二つの問題を解決すべく、あえて小出力を承知で作りました。
右側の太い方が今回の中心となる真空管、6AH4GTと言うものです。
本来テレビ用の発振管で、似た特性のものには6BX7があり、さらそれから独立した6GA4があります。
プレート損失は7.5W。rp=1.7KΩ、gm=4500、μ=8 のようです。バラツキも多く、直線性は悪く、オーディオ用途としては、決して優れた真空管ではありません。
今回の参考サイトを見なければ、その存在すら知らずにいたことでしょう。価格は１本1100円でした。左側の小型管は12AX7です。
これが今回製作したアンプの基本になった回路です。電圧増幅段は12AX7です。
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このようにモトの回路は、電圧増幅段が抵抗負荷によるごく普通の差動増幅回路でした。しかし12AX7はμは100と充分大きい値ですが、その反面、内部抵抗が80K〜100KΩと高いため、出力インピーダンスが高くなり、6AH7でのミラー効果により高域の減衰が気になるところです。
そのためここをSRPP回路にする人もいるようです。私もSRPP回路に変更し、出力インピーダンスの低減を図りました。
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SRPP回路は直流的には直列、交流（音声信号）的には並列動作となります。上の段の真空管はあたかも普通の抵抗のように下の段の真空管の負荷となりますが、出力インピーダンスは抵抗負荷に比べて数分の一になります。
簡単に言えばこの回路は差動増幅２段のアンプです。
カソード結合方式の位相反転回路を基本として、カソード抵抗の代わりに定電流回路とした２段増幅回路です。
そして電力増幅段は、変形プッシュプル回路とでも言いましょうか。定電流回路を組み込んだ差動増幅回路になっています。
初段で位相反転と同時に30倍程度のゲインを稼ぎ、続く電力増幅段は Ep=250V、Ip=30mA×2 程度の動作をさせています。真空管のバイアス電圧はプレート電圧と電流から自動的に定まりますので、あらためてマイナス電源を用意する必要はありません。通常の増幅回路のプレート電流は、プレート電圧とバイアス電圧で決まりますが、差動増幅回路では順序が違っています。
ここで変わっているのはグリッドにプラスの電圧（4V）を与えているところです。
これは6AH4のDCバランス調整のためです。考えてみればバイアス電圧は相対的なものですから何もマイナス電源でなくともかまわないのです。
初段の電流は1mA程度ですので定電流ダイオードを使いました。出力の一部を初段の入力に戻していますので、入力電圧との差が増幅されます。その差が負帰還量になります。
電源回路はとりたてて言うような回路ではありませんが、B電圧が少々低かったので抵抗・コンデンサーによる平滑はやめて、1H150mAのチョーク・トランスを使いました。直流抵抗は27Ωですが、リップルに対しては628Ωの抵抗として働きます。シリコン・ダイオードによる整流後2個のチョーク・トランスで左右に分けています。
デカップリングコンデンサ（差動増幅では、これはもはやデカップリングではありませんが）には音声信号は流れないため、クロストークを考慮する必要はないのですが、一応念のためです。またSRPP回路ですので、上の段のヒーターにはバイアスとして約100Vをかけています。《お断り》 各パーツの定数はあえて書きません。
