トランジスタアンプの製作

はじめに

ぺるけ氏のサイトhttp://www.op316.com/tubes/mw/index.htmに掲載されている、トランジスタ式ミニワッターPart2の作成記事です。部品調達その他の都合で、部品や回路が若干変更されています。

ぺるけ氏は自作真空管アンプの書籍も著されている著名な方で、サイトにも多くの真空管アンプの作例が掲載されていますが、1Wクラスのパワーアンプ（ミニワッター）については真空管だけでなく、トランジスタアンプの製作記事もあります。その中の、ミニワッターPart2というのが、当時のトランジスタラジオに使われていた回路と基本的に同じということもあり、ラジオ修理の勉強もかねて、作りました。

トランジスタラジオの低周波増幅

最近の一般的なラジオはほとんどがICをメインに使っていると思いますが、トランジスタラジオの時代は、廉価なボーイズラジオと呼ばれる、性能が今一つなものを除いては、AMラジオは、6-8石トランジスタを用いたスーパー（ヘテロダイン）というのが基本形でした。このタイプのラジオには、3-4石ぐらいが低周波増幅につかわれており、パターンとしては以下のような感じに分類されます。

前半の電圧増幅は、エミッタ共有の1段もしくは2段。2段の方が十分なゲインが得られるため、フィードバックをかけることで、音質の向上が図れます。
後半の電力増幅は、AB級プッシュプル方式（2石のトランジスタを用いて、効率よく増幅できる回路）を採用しており、以下の3種の回路が主に使われていました。
1. トランジスタは同タイプを用い、入出力共にトランスを使う回路
2. トランジスタは同タイプを用い、入力はトランスを用いるが、出力トランスは使用しないプッシュプル。(OTL, Output TransformerLess)
3. PNPとNPNのペアトランジスタを使い、入力トランスも使用しないトランスを使わないもの。(ITL-OTL)

トランスはサイズも大きく、高価なパーツで、信号のラインにいれると周波数特性が狭まることから、トランスを使わない増幅回路というのは、いろいろな面でメリットがありました。(2)と(3)はスピーカーに繋がる出力ラインが一本となるため、一般にSingle Ended Push Pull(SEPP)と呼ばれています。今回作成したアンプもトランスが排除されたもので、前半が2段増幅、後半は(3)のタイプのラジオと同様の回路になっています。

ソニーラジオの低周波増幅回路

ソニーのトランジスタラジオの電力増幅回路の推移は、以下のような感じではと思います。

SONY初（日本初）のトランジスタラジオTR-55はポケットラジオですが、最終段はプッシュプルではなく、ふつうのエミッタフォロアの回路が使われていました。これでは効率も悪く出力も不十分だったと思います。二台目のTR-72はポケットタイプではありませんが、7石を使用し、(1)のトランスを用いるプッシュプルが採用されました。この方式はスカイセンサーの時代まで使用され続けました。
(2)の回路は、1960年代にTR-717B等、いくつかの機種で採用されています。当時のゲルマニウムトランジスタはNPNタイプが作りにくく、3の回路に必要となる性能の揃ったPNP/NPNペアの製造が困難だったそうで、この回路が採用されたと思います。出力トランスを使わないことで、小型化と高音質化にいくらかメリットがあり、セールスコピーにも使われていましたが、余り広く採用されませんでした。ただ、1970年代になり、この回路は一部の機種で復活しています。ポケットラジオのTR-4100や、TR-4400、「ラジオの王様」と言われるCRF-230でも、このタイプの回路が採用されています。
同タイプのトランジスタの使用する回路で、かつ、入力トランスを使わない回路も、当時は考案されています。しかし、トランジスタが必要で、回路的にも複雑なこともあってか、実際に採用されたラジオは見たことがありません。
(3)の回路は、性能的に十分なPNP/NPNでパラメータの揃ったトランジスタが供給できるようになることで、1970年頃からオーディアの世界では主流になりました。特に大出力の場合、高価でかさばる出力トランスを排除でき、さらに高音質（広い帯域）容易にが得られるメリットが大きかったと思うのですが、一方で、トランジスタラジオでは、出力、音質、価格のバランスなのか、一世を風靡したスカイセンサーシリーズでも、結局、トランス式の回路が採用されています。
トランスレスは、小型化の一助にはなるはずですが、安価なAMラジオについては、コストに重点が置かれたか、生産拠点を海外へと移してコストダウンすることで、結局トランスを使った回路が主に採用されています。TR-4400やTFM-4500等、小型で中価格帯のラジオはSEPP回路を採用している感じです。
1970年代の終わりごろから、小型・廉価のトランジスタラジオは、1-ICラジオへと変わっていきます。このICの中身の最終段、電力増幅回路はSEPPが使われていますので、最終的にはICの形で完全にSEPP回路へと移行されたということになると思います。

昔のラジオの増幅回路と違うところ

高音質を目指すオーディオアンプは、初段の電圧増幅の部分には、普通のエミッタコモンではなく、差動増幅と呼ばれる回路を使うのが一般的だそうです。更にその差動増幅の部分には、入力のインピーダンスが高いFETを使うことが多いみたいです。ぺるけ氏のミニワッターはPart5まであり、Part3からはその部分は差動増幅回路になっています。（更にPart4からは、初段の作動増幅にはFETが使用されています）。これに対しPart2は、昔のラジオ同様、通常のエミッタコモンの電圧増幅回路が使われています。ただ、一般的なラジオよりも音質重視な設計で、主な点として以下のようなところが工夫されているとのことです。

電力増幅は十分な出力のある、特性の安定したトランジスタを使い、いいところだけ贅沢に使う。
低電圧電源で出力を上げるためのブートストラップ回路は使わない。
電力増幅のバイアスの工夫。トランジスタは熱により特性の変化が大きい素子ですが、特に、消費電力の大きい電力増幅のトランジスタは、温度変化に対応させる必要があります。トランジスタラジオには、温度で抵抗が変化するサーミスターが使われてることが多いように思いますが、このアンプは、トランジスタと同じように温度で特性が変化するダイオードから相性のいいものを探して採用されており、部品の縛りがあります。
負帰還の工夫。

オリジナルからの変更部分

一部の電子部品が変更されています。表面実装が主流になって、単体のトランジスタも足の生えているタイプは、年々生産中止の品番が増えているようです。記事に使用されているパーツは、当時は入手容易という面も考慮して選択されたそうですが、本機を制作した2015年時点でも、量販店で簡単に買えなくなっているものもありました。

オリジナルは、最低限の構成でそこそこの音質を求めたもののようですが、あんまり音の良し悪しがわかる方でもないので、簡単・手軽さを重視して、基本的には、秋月電子等で安く買えるもので進めました。それに伴い、多少回路を変更しています。

半導体類
- 初段トランジスタ 2SA970BL　→　2SA970GR
  トランジスタのhfe増幅率はばらつきが大きく、このトランジスタではBL(350-700)とGR(200-400)で分類されています。秋月でGRは10本200円で売っていましたので、それから、なるべくhfeが高くて揃っているものを選ぼうと思いましたが、解説を見ましたら、ここのhfeはそれほど気にしなくてもよく、ふつうの小電力、低雑音のトランジスタで差支えないようです。結果的には、10個を測定したらどれもhfeは350以上ありました。
- 2段目トランジスタ 2SC4408 →2SC3422
  　入手が難しいようです。hfe180以上推奨(150はほしい)、Vce(sat)、コレクタ損失が同程度ということで、容量的にはだいぶ大きくなりますが、2SC3422を最終段用と合わせて10個ほど買ってhfeの高いものをピックアップすることにしました。結果的にはどれも170以上はありました。
- 電力増幅　 2SC4881 / 2SA1931　→　2SC3422 / 2SA1359
  入手はできますが結構高額になっています。同程度の電力増幅用のペアのトランジスタとしました。選定条件としては、コレクタ損失は十分余裕があること、hfeが140以上あり対Icで十分フラットであるとなっていますが、おおむね満たしてそうで、価格も安いため、このペアにしました。秋月電子ではYグレードが販売されており、データシート上はhfe=120-240となっていますが、前述のとおり低いもので170ぐらいでした。
  オリジナルのトランジスタ選択のもう一つの理由に、特定のダイオードでのバイアスのマッチマッチング選ばれている面がありますので、バイアスについては別途、回路を変更することで対応としました。このアンプを作成した2015年頃はこのトランジスタは普通に製造・販売されていましたが、2020年時点で、2SC3422,2SA1359は東芝のサイトでは生産終了予定となっています。ただ、秋月での購入に支障はないようです。
- 電力増幅用トランジスタのバイアス
  電力増幅部のバイアスについて、ダイオードUF2010と、2SC4881/2SA1931の相性が良いところが肝であるようです。今回トランジスタを変更しましたので、バイアスを変更する必要がありますが、安いトランジスタを選びましたので、ここでは同型番のトランジスタをダイオード使いしています。電力増幅部でトランジスタ8個を使うことになりますが、一つ40円と安価です。同型番のトランジスタから、Vbeの近いものをセットにして、しっかり熱結合して使ってました。熱暴走対応の温度補償の安定性についてはオリジナルよりも、理屈上は良いような気がします。
放熱板

オリジナルには放熱板はなく、バイアス用のダイオードとの熱結合は接着剤になっています。オリジナルの設計では放熱板は不要で、むしろあったまってhfeに高くなってもらったほうがいいようです。トランジスタの容量的にも今回用途では放熱板はなくていいのですが、トランジスタの熱結合ついでに、将来の出力アップ、見た目もアンプっぽいので、小さい放熱板を付けています。
ラグ板→ユニバーサル基板

オリジナルはラグ板に組み立てるのがベースになっていますが、回路が少し変更されたこともあってそのまま作れなくなっていますので、ユニバーサル基板に変更しました。氏は、ラグ板を使わないケースでは、普通のユニバーサル基板ではなく、タカス電子という会社のIC用の一部パターン面がくっついている基板を推奨しています。部品の交換がやりやすく、はんだ面の信頼性も高いとのことですが、今回はそれほどこまめに変更することもなさそうでしたので、経験のある普通のユニバーサル基板を使いました。
ケース

かっこいいケースを使いたいところですが、結構高額です。加工をしくじるとお財布に痛いので、見た目はぱっとしませんが、シンプルな箱型のアルミケースとしました。

製作、その他

プッシュプルのバイアスは左のように変更しました。半導体会社から無償で提供されているLT SPICEという回路シミュレータを使ってみました。中学生の頃、工作していた時代からの隔世の進歩を感じます。トランジスタのデータが不十分なので、きちんとした結果はでないとは思いますが、参考と勉強になります。

バイアス調整用の抵抗R13ですが、トランジスタ等のデータが不足で絶対値は当てにならないのかもしれませんが、最適値というものはありそうです。シミュレーションの結果から3～5Ωあたりが歪率がよさそうな感じです。オリジナルのバイアス電流の設定値は60-70mAということも鑑みて、5Ωとしました。実際の回路のバイアス電流については実測値は60mAで、ほぼシミュレーション(63mA)通りの値でした。

基板上の配置です。ケースは基板に合わせてジャストフィットのものを購入しましたが、結果的にはやや窮屈でした。コンデンサーは音質面で普通品推奨とありましたが、あんまり価格も変わりませんし、高さ的なスペースも余裕がありましたので、なんとなくの見た目と気分を優先で、オーディオ用とされているものを使いました。

ANALOG DISCOVERY-2を買いました。シグナルジェネレータ、オシロ等、いろんな機能があります。周波数特性等の各種測定で活用されました。

コンパクトなものですが放熱板を付けています。昔のトランジスタラジオもちょっとしたものがよく取り付けられています。スペースが狭くて普通のプラスねじとかが使いにくいので、六角頭のねじを使用しています。

周波数特性は、おおむねオリジナルの値を再現していますが、1MHzにかけての減衰がやや大きくなっています。オーディオ再生には全く問題のない特性かと思います。測定に際してきちんとしたプローブを使っていませんので、その影響でしょうか。

評価

1CHあたり四石しか使っておらず、部品もかなり少ないこともあってか、一番感じられたのは、雑音の少なさです。よくあるパワーICを使った装置ですと、基板設計とかの問題もあるのかもしれませんが、無音時に結構な雑音が感じられることが多いように思いますが、このアンプは静かです。
申し分ない音だと思うのですが、アンプ評価に使っているスピーカー自体が自作品で微妙なこと、私自身があまり違いが判るほうでもないことから、音質という意味ではなかなか違いが感じられない面もあります。雑誌の付録のD級アンプと聞き比べましたが、今一つピンときません。聞く人が聞くと、初段が差動増幅のアンプとエミッタのコモンディスクリートアンプの差がわかるそうですが。。。
数値をいろいろ見てみたいと思い、ANALOG DISCOVERYで歪率を測定してみましたが、特に小出力のところで記事の価とのかい離が大きく、うまく測定できませんでした。いろいろ調べましたら、この装置では、発振器、測定器の精度上、0.1%程度がいいとこみたいです。
いいスピーカーは高額ですので少しいいヘッドホンを奮発して、各アンプとのて聞き比べにトライしようと思っておりますが、やはりアンプの良否（違い）は、スピーカーに比べるとなかなか微妙なではと思います。

2017/11/19
Last update: 2021/12/04