パワーアンプの進捗状況 -その4 最終仕様-

パワーアンプ(製品版)の最終仕様・性能は以下の通りです。
(性能改善のため一部数値内容は09年3月23日に改訂しています。)

パワーアンプ電気特性
最大出力:80Wx2(8Ω)
歪率:0.01%以下(20-20KHz最大出力時)
0.0005%(1KHz最大出力時)
0.002%(20-20KHz1W時)
SN比:130dB(IHF-A、75W時)
残留ノイズ: 7uV
DF    : 1500
周波数特性:DC-1MHz(-3dB)
サイズ:250x290x350mm(W,H,D)突起含まず
*数値は実測値です。


上の図はパワーアンプ(製品版)の歪率特性です。試作機よりも改善されて全帯域で最大出力まで歪率が小さくなりました。10KHzの歪率が少し大きく見えてしまっていますが、これでも他のパワーアンプに比較すると数分の1から一桁小さくなっています。
歪率特性が自慢のアンプではありませんが、歪率が小さいということは基本性能がいいことを代表しているようなものです。基本回路をきめてから1年以上プリント基板の配線を改良してきました。その結果高域まで安定にNFBがかかるようになって歪率、DF、周波数特性、過度特性のすべてが1ランク上がりました。

DFも1500と非常に良い値です。

音質の特徴は低音が非常に締まっていることです。この点は他のアンプと比較して明確な差として感じられます。ハイエンドショーで聴いた人からは、国産アンプ(海外製のものと違って)は低音がしまっていないが、お宅のはすごくしまっている、国産がバスレフならお宅のは密閉型の音だとも言われました。

また低音のローエンドが延びた様に聴こえます。これまで50Hzまでしか再生していなかったのが20Hzまできっちり再生するようになった様に聴こえるといったらいいでしょうか。(もちろん実際には他のアンプでも20Hzまで出ているはずなのですが)
中高音の分解能の高さはプリアンプと同じです。とにかく情報量が多くなります。ヘッドホンの音質に近づく感じといったらいいでしょうか?
低歪率特性は実際に聞いてみるとすべての音楽ソースが低歪に聴こえるわけではありません。むしろ他の機器の歪成分が明確にわかるようになります。よく見えるめがねをかけると世の中がきれいに見えるのではなく、むしろ汚れが良く見えて気になったりするのと同じです。もちろん、録音の良いソースを聴いたときに音は絶品で、これまでに聴いたこともない様ないい音を出します。

相性の合うスピーカーはやはり中低域がたっぷりでるスピーカーシステムではないでしょうか?最近はフルレンジでもそういうなりっぷりのSPがあるのでどのタイプと限定できませんが。

こういった方向のアンプをお探しの方は、是非ご検討をお願いします。

パワーアンプの出力素子 −トランジスタとFETの比較 (その3)−

パワーアンプの出力段に使用される素子の基本特性をまとめると以下のようになります。

項目 オーディオ用
トランジスタ
2SC5200
オーディオ用
MOS-FET
2SK1529
一般用
UHC-MOS
2SK2967
備考
最大電流 15A 10A 30A 最大電流の点では1個で十分
内部抵抗(=1/gm)@0.1A 0.25Ω 1.4Ω トランジスタの内部抵抗が一番小さい
内部抵抗(=1/gm)@1A 0.03Ω 0.4Ω 0.17Ω
熱暴走 有り 無し 無し 熱暴走があるということはある程度のエミッタ抵抗が必要になることを意味します
エミッタ(ソース)抵抗Re 0.2-0.5Ω 0-0.5Ω 0-0.5Ω FETではこの抵抗は省くことも可能ですが、製品には付いていることが多い
高調波歪 gmが大きいほうが歪率は小さくなります(トランジスタのほうが有利)
クロスオーバー歪 FETの方がクロスオーバー歪は小さくなります
Cob,Cin Cob:200pF Cin:700pF Cin:8000pF UHC−FETはもうコンデンサをドライブするようなものです高域歪が悪化します
コメント 熱暴走がありますが特性は一番 特徴を生かせば高性能 実は使いにくい素子です
Pchコンプリもありません

繰り返しになりますが、UHC−MOSと比較してもトランジスタの方が動作抵抗は小さいのです。ただFETの場合はソース抵抗を小さくできますのでトータルで出力インピーダンスを下げられる可能性はあるのですが、市販品では安全上そこそこのソース抵抗をつけていますので必ずしも特徴を活かしていないともいえます。最近MOS−FETを並列接続している製品を見かけますが、MOS-FETはもともと数十Aの電流が流せるので、並列接続の必要がありません。

FETの短所の一つは容量が大きいことです。オーディオ用のFETはまだこの点が改善されていますが、一般向けのUHC0-MOSになると8000pFもありドライブするのも大変です。高域の周波数特性、歪率特性が特に悪くなります。並列接続するとさらにこの短所が強調されるだけでメリットはほとんどありません。
パワーアンプの出力段についてはクロスオーバー歪についても考えなければいけません。パワーアンプの場合、実用的出力を得ようとすると、どうしてもAB級動作になります。+と-信号に振れた際NPN/PNPでスイッチング動 作になりますので、その歪成分はNFBで低減しないと使い物になりません。トランジスタは入力電圧に対して指数関数的に出力電流が変化するのに対して、 FETでは1/2乗に比例した電流が流れるという性質があり、クロスオーバー歪は FETの方が原理的に小さいという性質があります。ただし、FETはgmが小さいのでもともとの歪の絶対値が大きいという短所もあり、結局FETとトラジスタでど ちらが低歪かというのは、素子単体で単純に決まりません。ただ、高調波歪率の比較だけで言えばトランジスタの方が絶対値は小さくなる傾向がある様に思います。

パワーアンプの出力段について説明してきましたが、出力素子だけを考えてもこれだけの要素があり、「出力段がxxだから音が○○だ」というのはあまりにも単純過ぎますし、雑誌などの見出しに書かれている様なMOSだからxxだ見たいな文言も私から見ると「そうかなー」と首をかしげることが多いのです。

もちろんここでの議論はトランジスタとFETでどちらが音がいいとかいっているわけではなく、それぞれの素子の特徴を活かした回路設計をすることが重要ではないでしょうか?といいたいのです。弊社のパワーアンプDCPW-100ではオーディオ用トランジスタを1段で使用して、そのパワー特性を目いっぱい使い切る設計になっています。

ついでにもう一言いうと最近の老舗メーカーの回路構成をみると、原理に逆行した首を傾げたくなる設計のものが多くなってきています。不利を承知でそのほうが売れるのでやっているといえば、メーカーとしては間違っているわけではないと思いますが、そうではなく単に設計者の技量が落ちてきているだけの様にも見えるのです。メーカーだけでなく、それを伝える雑誌や評論家、さらに買い手の方ももう少し理解を深めないと、どんどん変な定説だけが一人歩きしていくようになってきていると心配しています。

セレクターの選び方 -使ってみて初めてわかること その2-

セレクターの<耐久性・耐入力>について
前回に引き続きセレクターのスイッチの耐入力について説明します。
セレクターのスイッチはほとんどがロータリースイッチによるものです。この種のスイッチにおいて耐久性を決める要素は2つあります。
一つは接点の温度上昇、もう一つはアーク放電耐性です。最初に接点の温度上昇について説明します。
下の図はロータリースイッチの接点に小型の熱電対を接着して、使用状況での接点の温度上昇を測定したものです。測定に当たってはパワーアンプに8Ωのダミーロードを接続し、その間にスイッチを挿入して実際にスイッチに電流が流れるようにしています。測定周波数は1KHzのサイン波を用いました。

パワーの投入と同時に温度が上昇し始めますが、10分もすると飽和し始めます。30Wを連続して出力した場合の温度上昇は約1度、150W時でも3-4度でしかありません。接点で発生する熱量はI^2・Rですから接触抵抗に比例します。スイッチ単体の接触抵抗は4mΩ程度ですからスピーカー(ダミーロード)の2000分の1でしかありません。30W入力時にたった15mWの熱量しか発生しないのです。したがってスイッチ自体の耐久性は、30℃の温度上昇を許容するとして、単純計算すると1000W以上になってしまいます。さすがに1000Wと表示するのは気が引けるので、実際にテストした「耐入力150W以上」という表示をしていました。
 断っておきますが、150Wというのは連続入力でいわゆるMUSICパワーではありません。1000Wのアンプでフルパワーで音楽を聴いている状態といっていいでしょう。150Wの連続出力というのは生易しいものではなく、パワーアンプとダミーロードを扇風機とうちわで必死に冷やしてやっていても、ものすごく熱くなってしまい、まるでアンプの耐久テストをしている様なものです(なので5分でやめています)。
おかしいと思うのは他社のセレクターで同種のスイッチを使用したものが耐入力160Wと表示しているものがあることです。160Wという数値はI^2・Rの式にどんな数値をいれても出てこない値ですので、おそらく弊社の150W以上という記述をみて真似したものと思いますが、そうだとすると、まったくとんちんかんもいいところです。
また、ほかのセレクターで、スイッチの接触抵抗が3倍くらいあるもので200数十Wと表示しているものがあります。確かに上記の結果から考えれば、ある程度は耐えられるとは思いますが、寿命も考えるとどうかと思います。そこまでいくと仕様というより宣伝文句になってしまっていますし、数値が一人歩きしている感じです。

以上は温度上昇の観点からの説明でしたが、スイッチにとってもう一つ重要な評価指標はアーク耐性です。よる電灯の壁にあるスイッチを入れるときに「バチッ」と火花が飛ぶのが見えるときがありますが、それです。接点が接触する瞬間に放電するのです。この場合、スイッチの接点が最悪の場合、溶けてどんどん劣化していきます。困るのはこのアーク放電に関しては定量的な評価方法が見当たらないことです。少なくと温度上昇よりも耐入力を制限することは確かで、もともとのスイッチの保証値はアーク耐性を考慮してかなり小さい数値になっています。それでは標準セレクターで使用しているセイデン社の43NEGの場合は実際どうかと言うと、弊社で低能率(88dB程度)も含めた切り替えに3年は使用しているものもありますが、現在一切問題はありませんし、これまでに劣化したなどの声をいただいたことはありません。したがって実用上問題ないといえるのですが、心配なら切り換え時には多少音量を絞るくらいの配慮をした方がいいのかもしれません。

セレクターの「耐入力xxW」という数値を鵜呑みにして、それが性能を表しているなどと考えないほうがいいことだけは確かです。

セレクターの選び方 -使ってみて初めてわかること-

セレクターを作り始めて4年がたとうとしています。これまでにラインナップも増え、セレクターとしてはほぼ全体をカバーできていると思います。全体昨年に一度モデルチェンジをしましたが、セレクターの出来としてはかなり良く、購入いただいたお客様には大変ご満足いただいているのが自慢です。セレクターは回路的には簡単ですが、実際に作ったり、使ったりして初めてわかることもあります。弊社ではこれまでに延べ数百台は販売してまいりましたので、そういった意味ではそれなりのノウハウの蓄積があります。セレクター選びの参考にもなると思いますので、いくつかご紹介させていただきます。

<セレクターにとって重要なこと>

<切り替えスイッチ>
セレクターにおいて一番重要な要素はスイッチといっていいでしょう。弊社のセレクターにはすべてセイデン社のスイッチを使用しています。このスイッチは接触抵抗が低く、長寿命(無負荷で5万回を保証)です。スピーカーセレクターの接触抵抗は端子間の実測値で4mΩ(Pro仕様)と6mΩ(標準仕様)と、他社のスイッチを使用したものに比較して数分の一になります。これだけ接触抵抗が小さいとスピーカーの切り換えに使用しても音質劣化は検知できません。パワーアンプで使用されるリレーの抵抗は10-30mΩ、ネットワークのコイルの抵抗は50mΩ以上ありますから、それらと比較しても十分小さいのです。
ただこのセイデン社のスイッチには気をつけることがあります。
一つ目は配線がしにくいことです。ロータリースイッチの配線材を接続する部分がデリケートで、かつ他の機構部分と近かったりするので、場所によっては配線方法に気を使い、絶縁するなどして十分な配慮が必要なのです。
2つ目は特にスピーカー切り換えようのスイッチは回転トルクが大きいのです。これは接点を相当な圧力をかけながら動かすメカニズムなので、操作感が硬くなってしまうのです。弊社のセレクターで40mmΦという大型のツマミをつけているのはそのためです。
またスイッチの取り付け部分の剛性がないとまわしたときの感触が悪くなります。そういうことも考慮し1.6mm厚の鋼板を底板に用い、またアニール処理した3mm厚のアルミ板に直接スイッチを取り付けています。
<配線材>
弊社セレクターの配線材にはモデルによって3種類のOFC配線材を使い分けています。よくxxケーブル使用とか歌っているものがありますが、そもそもこういった外部配線用のOFC配線材は硬いので(曲がりにくいので)内部配線材には向きません。応力がかかった状態になりますので長年の間にロータリースイッチの取り付け部が曲がって接触したりしてトラブルの原因になります。装置の内部に使用するにはどういった事が重要か、わかった上で線材を選ぶ必要があると思うのです。

<端子の配置>
セレクターではどうしても端子の数が増えます。製作者側からみると、小さめのケースに収めるために端子間距離は小さくなりがちです。そういったモデルに実際に配線してみると非常に配線しにくいのです。弊社の最初のモデルはそれなりの端子間距離がありましたが、それでも時々配線がしにくいといった声をいただきました。現在にHASモデルではその辺も改善し、そういった声をいただくことはなくなりました。

<重量>
また、特にスピーカーケーブルをたくさんつないではじめてわかるのですが、最近のケーブルは太く重いものもあるので、セレクター自体がかなり引っ張られたりします。ある程度の重量がないと使いづらいのです。そういったこともあり1.6mm厚の底板を使用しています。

<耐久性・耐入力>
これも重要な要素かもしれません。
長くなりましたので、この項目は次回で説明させていただきます。

パワーアンプの出力素子 −FETとトランジスタの比較(その2)−

パワーアンプの出力段について、半導体の内部抵抗という観点から説明してきましたが、実際に使用される回路においてはもう少し考察が必要です。次の図はパワーアンプの最終出力段の回路を書いたものです。トランジスタのところはFETに置き換えても同じです。
power-sepp-cir.gif

実際の回路においてはトランジスタのエミッタ(FETのソース)の部分に抵抗を挿入します。これは大電流が流れたときに電圧を発生させ、結果的にトランジ スタの入力電圧Vbeを減少させるもので、電流帰還の一種です。トランジスタの場合流れる電流が大きくなると発熱しさらに電流が流れるということを繰り返 し熱暴走して破損する恐れがあるので必須です。通常0.47Ω位の抵抗が用いられます。トランジスタの動作抵抗(1/Gm)は電流値にもよりますが、 50mΩから数百mΩですから実はこのエミッタ抵抗の方が大きいのです。もちろんNFBによって数百から数千分の1に減少しますから問題にはならないのですが、半導体素子よりもむしろ、直列に挿入する抵抗の方がどちらかというと邪魔になるということです。

出力段が熱暴走を起こさない必要十分条件は

Re+(1/Gm)>θjc・Vcc/500

で与えられます。(*1)

ここでθjcはトランジスタの内部熱抵抗です。要するにReと1/Gmの和(出力段の内部抵抗)は上式の右辺以下には下げられないのです。出力段を並列接続にするとRe+(1/Gm)の値も減りますが、トランジスタのばらつきによる電流集中を抑制する必要があるのと、熱結合が弱くなる影響を考慮してReを大きくしなければならないので、効果はさほど大きくはありません。むしろ出力段の帰還容量が増えて高域の歪が大きくなる弊害の方が怖いのです。

FETの場合はどうかというと、温度係数が負の場合が多いので、Reを小さくまたは省略できます。アマチュアの製作するアンプにはReを省略したものがありますが、メーカーの製品では小さ目のReを入れてる場合が多いようです。内部抵抗という観点から見ると、UHC-MOSを使用し、Reを省略した場合でも、注意深く設計されたトランジスタアンプとせいぜいどっこいどっこいといったところです。

FETを使用する聴感状のメリットもあると思いますし、他にもクロスオーバー歪など考慮すべき項目はあるのですが、「FETはダンピングが良い音がする」などとは単純に定説化しない方が(むやみに信じないほうが)いいと思います。

*1 基礎トランジスタアンプ設計法 黒田徹著 ラジオ技術社