[Power Supply Type]
まず、power ampを制作する際、電源回路をどうするか? 悩ましい所ですが、
G.Randy Slone“The Audiophile’s Project Sourcebook”に以下の様な記述があります。
---Choosing a Power Supply Type for an Audio Power Amplifier Application---
Looking at the facts in a condensed form, the following statements can be made.
(1)Linear regulated power supplies are a bad choice from virtually every perspective. They are more expensive, more prone to failure, and require a larger unregulated DC power supply to start with. They can seriously degrade the performance of the amplifier in the areas of transient processing, slew rate, and high-frequency stability. Their only redeeming feature is the practical elimination of ripple, but this can be effectively accomplished within well-designed amplifier circuitry.
(2)Switch-mode power supplies offer the advantages of lower weight and reduced ripple content in comparison to unregulated designs (also, reduced cost if you happen to be a large manufacturer, or intend on buying OEM versions).Their disadvantages are very high levels of RFI emissions, complexity, reliability, and poor transient current response (in comparison to unregulated designs).
(3)Unregulated DC power supplies have the disadvantages of the weight and cost of the power transformer, and worrisome levels of EMI radiation. In every other respect, their performance (as applicable to audio power amplifiers) is far superior to the other choices, definitely providing the opportunity for the best performance from a conventional audio power amplifier.
[With raw DC supplies]
電圧増幅段、出力段共にunregulated DC supplyで、simpleにpower ampを設計、製作してみたいと思います。電圧増幅段のlinear regulated DC supplyは、設計製作、実装スペース的にも結構負荷が掛かります。そこで、raw DC supply電源に対処するAmp側の構成で留意すべき点について、G.Randy Slone “High-Power Audio Amplifier Construction Manual” では下記の様な記述があります。まず、power ampを制作する際、電源回路をどうするか? 悩ましい所ですが、
G.Randy Slone“The Audiophile’s Project Sourcebook”に以下の様な記述があります。
---Choosing a Power Supply Type for an Audio Power Amplifier Application---
Looking at the facts in a condensed form, the following statements can be made.
(1)Linear regulated power supplies are a bad choice from virtually every perspective. They are more expensive, more prone to failure, and require a larger unregulated DC power supply to start with. They can seriously degrade the performance of the amplifier in the areas of transient processing, slew rate, and high-frequency stability. Their only redeeming feature is the practical elimination of ripple, but this can be effectively accomplished within well-designed amplifier circuitry.
(2)Switch-mode power supplies offer the advantages of lower weight and reduced ripple content in comparison to unregulated designs (also, reduced cost if you happen to be a large manufacturer, or intend on buying OEM versions).Their disadvantages are very high levels of RFI emissions, complexity, reliability, and poor transient current response (in comparison to unregulated designs).
(3)Unregulated DC power supplies have the disadvantages of the weight and cost of the power transformer, and worrisome levels of EMI radiation. In every other respect, their performance (as applicable to audio power amplifiers) is far superior to the other choices, definitely providing the opportunity for the best performance from a conventional audio power amplifier.
[With raw DC supplies]
---Methods of improving the overall performance of power amplifiers provide a definite improvement of PSRR(Power Supply Rejection Ratio) automatically. The primary game players involved for providing excellent PSRR are provided in the following list:
(1)The use of constant current sources to provide tail current for the differential input stage and to act as a load for the AV stage.
(2)The incorporation of substantial rail decoupling capacitors physically located in close proximity to the input and VA stages.
(3)The utilization of a separate ground return line to the HQG point from all rail-decoupling capacitors.
(4)The use of a mirror-image topology and push-pull VA stage.
(5)The incorporation of decoupling capacitors across all voltage references for constant current sources or cascade stage.
If the majority of techniques provided in the previous list have been incorporated into an amplifier design, the PSRR will be very high. Bluntly stated, the ripple and signal injection residuals on the output of the amplifier will most definitely be below the noise floor, even at high volume levels. If you have used the above techniques and still experience hum problems, they are resulting from EMI induction problems. In this case, the physical layout of your amplifier needs some further attention………..
つまりは、電源電圧変動を受け難い回路構成にすれば良いと言う事ですが。
[Power MOS FET]
Power MOS FETの温度特性は、IDQ (温度係数「0」)より大きい電流値領域では温度係数は「負」、IDQ (温度係数「0」)より小さい電流値領域では温度係数が「正」の傾向があります。日立(2SK133,134,135 / J48,49,50), (2SK1056,1057,1058 / 2SJ160,161,162)系統の特性は、IDQ = 0.08A 程度の位置にあり、IDQをアイドル電流として設定すれば温度依存性が無く、これ以上の電流値で動作させた場合は温度補償回路が不要となり、simpleなPower Amp回路が可能になりそうです。
また、日立(2SK133,134,135 / J48,49,50), (2SK1056,1057,1058 / 2SJ160,161,162)系統は、Ciss (入力容量)が600pF / 900pFと低く、ゲート入力電荷量を充放電するドライブ回路を省いた下記回路設計例も見られます。
しかし、日立(2SK133,134,135 / J48,49,50), (2SK1056,1057,1058 / 2SJ160,161,162)系統は非常に優れていますが、入手難か非常に高価で現実的ではありません。そこで以前試作した東芝2SK2232 / J334(ローコスト・汎用スイッチング用途)でSimple Power MOS FET Amp を構想してみたいと思いますが、上図の様にIDQ値が高い位置にあり、従ってそれ以下の電流値、温度特性が「正」の領域で使用する事となり、それらの温度係数に応じた温度補償対策を施す必要があります。
また、K2232 (Ciss-1000pF、Qg-38nC) / J334(Ciss-3300pF、Qg-110nC) は入力容量・電荷が高いので、それらを充放電するドライバー回路を設置します。
[2SK2232 / J334 Simple Power MOS FET Amp の設計]
(2SK2232 / J334 温度係数とバイアス電圧)
データ・シートID-VGS 曲線では、アイドル電流(50～100mA程度)の詳細は読み取り不可能なので、ドレイン電流1Aで作図して、⊿VGS / ⊿T(25℃－100℃)で見てみると、大きく概数、ザックリとK2232 (－～3.6mV/℃), J334 (－～2.6mV/℃)程度と読み取り、ドライバーTrの(－2mV/℃ x 2)と合わせて、－10.2mV/℃程度の温度補償が必要か?
そして、アイドル電流(50～100mA程度)のバイアス電圧はK2232 VGS(～1.68V), J334 VGS(～1.79V)程度として、ドライバーTrのVBE(0.63Vx2)と合わせて、4.73Vのバイアス電圧が必要になります。これをTrの定電圧回路で作成すると、4.73V/0.62V=7.629倍、7.629 x－2mV/℃=－15.258mV/℃ となり、温度補償が過剰となる。そこで、必要な温度補償を担保しながらバイアス電圧を確保する事に苦悩が始まります。
(2SK2232 / J334 ゲート・ドライブ電流)
K2232 (Ciss-1000pF、Qg-38nC) / J334(Ciss-3300pF、Qg-110nC) 入力容量・電荷を充放電するには、どの程度のドライブ電流が必要か、「ゲート電流peak=(CL・VGS)/dt」 として概算してみると、(*Audio は可聴周波数で低周波領域であり、高周波帯は不要と割り切り、スイッチング周波数を最大100kHzとして試算)
・K2232、(1000pFx1.68V)/10us=0.168mA
・J 334、(3,300pFx1.79V)/10us=0.561mA 程度のゲート電流が必要になると思われます。
そこで、ドライブ回路には上記電流を充放電するに充分なドライブ電力を持たせる必要があります。
従って、下図の様な回路定数で作成してみました。
概ね室温20℃で、アイドル電流60～70mA程度に設定し、ドライヤーによる加熱テストを行う。アイドル電流値の変動を見ながらVR(1),VR(2)により、温度変化による安定を図るべく調整を繰り返すが、加熱により～40mA前後までドンドン下がって行くので、年間四季を通してラニング・テストしてみないと安定して使用できるかどうか不明。結果的にsimpleとは言い難いPower Amp になってしまいました。MOS FET自体の温度係数が不明な上に、異なる温度係数のTrで温度補償をしようとする事に難しいものが有ります。使用実績や前例の無い素子を採用する場合は、押しなべて困難が伴いそうです。
