エミッタ抵抗レスなアンプを簡単に実現する方法？

先日の記事でエミッタ抵抗などを取り除いたアンプを紹介しましたが、エミッタ抵抗を取り除きつつ熱暴走しないアンプが簡単に実現できるかもと思ったので、ちょっと基板を作って実験してみました。

いわゆるダイアモンドバッファです。

教科書に載っている、どこにでもある回路です。Q1,Q2を回転してVbeの繋がりを分かりやすくしてみると以下のようになります。

Vbeの和が等しい回路のコレクタ電流Icの積が等しくなるというギルバート氏のトランスリニア原理になっていることがわかります。（R1,R2を簡易的な定電流源として考える）

トランスリニア原理とは

故 上條信一氏がトランスリニア・バイアス回路について、分かりやすく説明していらっしゃいます。

トランス・リニア・バイアスによるパワーアンプ

トランスリニア回路とはバイポーラトランジスタの指数特性を利用した回路です。

トランスリニアとは transconductance linear with current の意、ギルバートセルで有名なバリー・ギルバート氏 の発明です。

トランスリニア原理によると、下図のようにVbeの和が等しい回路のIcの積は等しい。この原理から乗算、除算、諸々の回路に応用されてます。

以下の回路例は非常に分かりやすい。

上のダイアモンドバッファで説明するとIc1・Ic2＝Ic3・Ic4が成り立つのでQ1,Q2にIcが流れ続ければQ3,Q4にも流れ続けるということ。積なのでIc3およびIc4がゼロになることは無いってことです。

シミュレーションしてみると以下のような電流波形となり、コレクタ電流Icが枯れないトランスリニアバイアスのアンプとして動作しているのが解ります。

Icが枯れないSEPP回路はNPN/PNPトランジスタの切替りによるスイッチング歪が原理的に発生しないというメリットがあります。ただし、

トランジスタの発熱による熱暴走が起きる可能性

を考えなければいけません。

なので、通常はエミッタに抵抗を入れて動作電流が走っていかないようブレーキを掛けます。ところがエミッタ抵抗を入れるとトランスリニア原理が成り立たなくなります。

熱暴走とはVbeの温度特性により、デバイスの温度が上昇するとIcが増え、その増えたIcにより更に発熱が増えていくというアレです。でも電源電圧が低かったり動作電流が極端に小さかったりして、そもそもの「発熱」が少なければ熱暴走しません。

電源電圧が±5V以下、かつ動作電流が5mA以下なら大丈夫な可能性が高いです。

コレクタ損失Pcは 5V x 5mA = 25mWで、TO-92の熱抵抗は150～350℃/Wですので、仮に250℃/Wで計算すると、250℃ x 25mW = 6.25℃ ほど上昇することになります。

この発熱によりVbeが-2mV/℃ほど低下しIcが増える・・・とまあ、計算してもよいのですが、出力振幅による負荷電流も計算していくとややこしくなるので、

ざっくり

許容コレクタ損失 300mWのTO-92トランジスタでは定常状態において30mW以下なら熱暴走しにくい領域と考えてよいかと思います。（周囲の空気が入れ替わる。負荷はインピーダンス30Ω程度のヘッドホンという特定条件であれば）

トランスリニアバイアス回路

以下の回路は、黒田徹氏が考案されたシンプルなトランスリニアバイアスのアンプを極力単純化してヘッドホンアンプに転用したものです。SoundRABBITという基板を頒布していました。BlueSnowDACのポストアンプも基本は同じ回路です。これらもIcが枯れないバッファです。動作電流と電源電圧を抑えているため温度補償なしで熱暴走しません。

オペアンプの出力を強化するバッファ回路です。最大コレクタ電流＝2Aというトランジスタを使っているのでオペアンプ単体では到底到達できない高出力電流の駆動回路になり、音もとても気に入っています。

ただ、問題は

オペアンプの種類によって発振してしまう

ところです。

SoundRABBITの電源は±5VでBlueSnowDACは約±9V。電源電圧が高くなるとより発振しやすくなるようです。特に高速・低ひずみを謳っている高性能なオペアンプで発振してしまうのが心残りになっていました。

また、変形として以下のような接続でもトランスリニアバイアスになりますが、

Q21とQ24、Q22とQ25の発熱量が異なるため同じVbe電圧を得るには熱平衡をとる必要があります。簡単にいうと終段の熱暴走に注意です。（おそらく極小電流でしか安定しません）

とはいえ、ダイオード接続しているトランジスタがないので、すべてのトランジスタが仕事しているって所は気分いいですよね。

前置きが長すぎました・・・

ようやく本題です。

カスコード武装したダイアモンドバッファ

という訳で、電源電圧を高くしても熱暴走しないダイアモンドバッファの基板を試作してみました。 とは言っても出力側のトランジスタにカスコードのトランジスタを設けただけです。 この考え方はデンオンのPMAシリーズUHC-MOSアンプでソース抵抗レスを実現しているのと同じです。（回路は違いますが、終段デバイスを発熱させない＝熱暴走しないという手法）

出力段（Q14,Q15）の発熱が抑えられるため高いアイドリング電流に設定することが可能になります。 D1、D2はカスコードTRのバイアス分の嵩上げです。0.6vで足りない場合はLEDでも良いかもしれません。

ここのブログを定期的に読んでくださっている皆さんは、アイドリング電流で音が大きく変化することはご存知かと思います。 例えばヘッドホンアンプHPA-12の純A級バージョンは30～40mAほどのアイドリング電流を流しています。

熱暴走させないために電流を絞ってしまうのは我慢できませんよね。私もです（笑）

Icが枯れないといってもアイドリング電流の増減にちゃんと応えてくれます。不思議ですが増やすほど魅力が増す音になるのです。

ということで、基板はこんな感じになりました。 大きめなトランジスタがカスコードTRで発熱分を受け持っています。ダイヤモンドバッファを構成する４個のトランジスタの発熱はほんのり暖かい程度。

終段におおよそ30mA流してみました。

という訳でボチボチ実験を開始していますが、NJM2114DDを±12V電源でも発振せずに使えているところを見ると少し期待できるかもしれません。

トランスリニア云々よりも「エミッタ抵抗がないという所が魅力」かと思っているのですが、本当の所はどうなのでしょう。

この方式(カスコードブートストラップ)は、ヘッドホンアンプやラインバッファだけでなくパワーアンプにも使えるのはデンオンが30年も前に市販していることで証明されています。

アンプを設計する時に覚えておくと良いかもしれません。