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カテゴリー ‘Ｚバランス回路’ のアーカイブ

店長が日々感じたことを、オーディオエッセイ風に綴ります。開発日誌、コラムなど、様々な内容を情報発信しています。

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コロナ禍とオーディオ

東京オリ・パラ五輪が終わって、ようやく感染者のピークを越えました。
そして、予測を超えるペースで感染者が激減しています。
その理由は医療関係者、有識者の方も説明できません。
もちろん、ワクチン接種が進んだとしても、それだけでは説明できないです。
そして、第６波が１１月頃から発生するかも知れません。

それはそれとして、オーディオは引きこもり趣味・道楽であるので、それほど変化はないようですが、さあどうなるのでしょうか？

マスターズアンプ

つい先日、特別ご提供品プリメインアンプ“ＭＡＳＴＥＲＳ　ＡＵ－６００／ＪＢＬ・Ｌｉｍｉｔｅｄ”の１台目が売り上げとなりました。
とても良いお買い物をされたとひそかに思っています。

画面では良くわかりませんが、２ｍｍ厚のアクリルプレートでフロントパネルを仕上げた姿はとても美しく、美しいサウンドです。

ご希望があれば、あと２台分のキーパーツがあります。

山水のＸバランス増幅回路

山水在籍当時、私が提唱したバランス増幅回路ですが、αシリーズ以降は山水を退いて、私は会社を設立、そちらのほうに没頭していたので、実態は故横手さんに時たま聞く程度でした。
それから２０数年の時が流れ、山水は消滅してしまいました。

けれども、オークション、中古市場では人気があり、その関係もあって、マスターズに修理依頼が少なくありません。
多くは、スイッチ・ボリューム関係の接触不良です。次は、プロテクションが誤動作して使えないという不具合です。

山水のＸバランス増幅回路は２組の差動プッシュプル回路でバランス出力を作り出しています。そして、ファイナル段に供給する電源は、グランドに関係ないフローティングとなっていますから、パワーアンプの場合、その出力はグランドには関係なく、出力のホット／コールド間がスピーカーを動作させるようになっています。
したがって、対グランド電位は特に決まりませんが、差動プッシュプルのエミッタ抵抗を可変することによって、グランド電位に近づけることができます。
一旦、製造時に設定すれば安定し、スピーカーをドライブします。

ところが、２０年以上の年月を経ると、バランス増幅変換回路のＤＣ電位が返送して、プロテクションが動作して、音が出なくなるトラブルが出ることがあります。
ＸバランスはＤＣ電位がいかに変動しようと、アンプ出力のＨＯＴ／ＣＯＬＤ間で±３０ｍＶ以内であれば、まったく問題なく動作します。
そこで、対グランド電位が±４Ｖ以上くらいで、プロテクションが動作するようになっています。これが、このトラブルの原因の一つです。

このプロテクション回路をはずせば、直るはずです。
そうはしなくとも、３０年以上の経年変化した半固定ボリューム（２個）を交換したら、周囲のプリント基板のハンダが劣化しているので、これらを修復して直ることがあります。

なお、マスターズのＺバランス回路は原理的には似ておりますが、２段差動バランス増幅（Ｘシリーズは３段バランス増幅）構成ですので、ＤＣ電位的にも安定し、ＮＦＢ量も少なく、位相補償コンデンサーはわずか３ＰＦ１個だけで超安定、かつ、電源ＯＮ時のショックノイズも発生せず、ＳＰリレーが削除でき、より高音質です。

アナログレコードとコンサートサウンド

少なくともセッション録音では、マイクは楽器に近接していますから、リスナーがコンサートホールで聴くより、より近接（生々しい）音が録れています。
このようなサウンドをアナログレコード時代は夢中になって聴いていたのです。

良く言えば、コンサートサウンドを超えたサウンドを楽しんでいたのです。そのあたりで、ああだ、こうだという面白さで、オーディオ評論家が誕生したともいえます。

かつて、究極のアナログ録音として、ダイレクトカット録音がシェフィールド等のレーベルで評判になりました。
近接マイクで取ったジャズ“テルマ・ヒューストン”は売り切れ完売になりましたが、コンサートホールで２マイクロホン（２０ｍくらいの距離）で録ったダイレクトサウンドレコードは、あまり売れませんでした。
要は、オーディオファンはコンサートホールでは聴けないサウンドを聴きたがっていたのです。

したがって、デジタルサウンドのＣＤはＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換過程で、このフレッシュさを失っていました（但し７５分の収録時間は便利）。
だから、アナログレコードが復活してきたのです。

もちろん、ＳＡＣＤのような高品位ＣＤサウンドは良いだろうと思えますが、採算的にセッション録音はできないのが残念です。
過去のカラヤン、バーンステイン等の名盤はすべてセッション録音です。

高効率ホーンドライバー用パワーアンプについて

パワーアンプとスピーカーとの関係

パワーアンプとスピーカーとの関係をシンボルに使って、【図１】に示します。パワーアンプは一般的な半導体パワーと仮定します。仮に、接続するスピーカーのインピーダンスを８Ω、効率９０ｄＢとします。効率９０ｄＢとは、スピーカーに１Ｗの入力（２．８３Ｖ／８Ω）を加えたとき、１ｍ離れた時点に発生する音の大きさを音の単位をデシベル（デシベルとは、電話発明のベルのあたまにデシ（１／１０の意味））を付けて表します。

音の単位は、フォンということがかつて一般的でしたが、現在ではデシベルで表します。静かな部屋の暗騒音は３０ｄＢくらいなら、大変良好なリスニングコンディションと言えます。ちなみにスピーカーの特性を測定する無響室の暗騒音レベルは２０ｄＢがやっとです。（厳重な防音設備が施されます。）イシノラボのリスニングスペースの暗騒音レベルを測定してみました。４８ｄＢでした。一般的にエアコンをつけると暗騒音レベルは１０ｄＢ以上、上昇します。夏のオーディオリスニングは不利な条件です。
ところで、９０ｄＢの音はかなりうるさい大きな音です。連続音ですと、５秒も続けば近所迷惑になります。
このとき、アンプに必要な入力電圧は、このパワーアンプの増幅率を１０倍（２０ｄＢ）とすると、２．８３Ｖの１／１０の０．２８３Ｖになります。プリアンプから、０．２８３Ｖをパワーアンプに加えればそうなります。
そこで、高効率ホーンドライバーをこのアンプに接続したら、どうなるでしょうか？ホーンドライバーは非常に高効率です。ここでは１１０ｄＢとします。１１０ｄＢの音はジェット機離陸を近距離で聴いたことに相当するくらいの大音量です。長時間聴くと、難聴になります。ちなみにオーケストラのＦＦＦでも指揮者の位置で１１０ｄＢを超えることはありません。例外として、グランカッサの一撃では１１０ｄＢを超えることはあるでしょう。
“ちょっと待って！”という声がかかりました。“私は１ｍという近距離で聴くことはないです！”、“スピーカーから４ｍくらいの距離で聴きます。
１１０ｄＢという音量は２ｍと倍の距離で聴くと、６ｄＢ下がり、１０４ｄＢになります。４ｍとなると、さらに６ｄＢ下がって、音量は９８ｄＢになります。これくらいの大音量では、少なくとも、難聴になることはありません。それなら、ホーンドライバーから出る音量はもう少し大きくでるようなマージンがあっても良いとなると、１ｍ距離で６ｄＢアップさせると１１０ｄＢ＋６ｄＢ＝１１６ｄＢの音量になります。ホーンドライバーに入る電圧は２倍になり、電力に換算すると４倍の４Ｗになります。ちなみにホーンドライバーの耐入力は４～５Ｗに作られています。パワーアンプの最大出力は４Ｗもあれば充分過ぎることになります。私は、ホーンドライバー用アンプの最大パワーは２Ｗ～３Ｗが最適と思っています。
ところが、オーディオアンプメーカーからは小出力のパワーは販売されていません。例えば１００Ｗアンプで、ホーンドライバーを動作させることは、ホーンドライバーを破壊させるかも知れない恐ろしく乱暴なことだと思います。

パワーアンプのゲインと残留ノイズの関係

前述の事項をパワーアンプの性能面で記します。１０倍（２０ｄＢ）のゲインを持つアンプに１１０ｄＢのホーンドライバーを接続すると、少しの入力で、大きな音が出てしまいます。プリアンプのボリウムを少し上げただけでそうなってしまう現象が発生します。それは我慢するとして、アンプのノイズ成分は９０ｄＢのスピーカーを接続したときより、１０倍（２０ｄＢ）も大きなノイズが再生されます。これでは、音楽成分にノイズ成分が相対的に大きく聴こえてしまいます。せっかくの高効率もノイズが大きく聴こえてしまっては困りものです。
その解決法は、パワーアンプの増幅度を上がった分だけ下げれば、ノイズ成分は下がってきます。簡単で多くの場合、なされる方法はＮＦＢ量を増やすことです。ＮＦＢ量を増やせば、ゲインは下がります。けれども、パワーアンプのＳ／Ｎ比はノイズ成分が下がった分だけ増幅度が下がるので、Ｓ／Ｎ比（ノイズ／再生信号レベル）は変わりません。
ＮＦＢ量を増やすことは、アンプ自体（オープンループと言う）の周波数レンジを広げないとアンプとしても発振安定度を悪化させます。具体的には電圧フィードバック方式のパワーアンプでは必要な再生帯域のゲインを維持して、超高域の周波数特性を落とす（位相補償）ことでかろうじて、実用化できています。真空管アンプではＮＦＢループにコンデンサー時定数、出力トランスが入っているので、発振安定度は悪化し、位相補償することでそのアンプの音質が劣化してしまいます。故、上杉氏はＮＦＢ量１４ｄＢくらい限度という持論で、私も支持します。

半導体アンプは直結回路ですから、すぐ感知できる音質劣化はないものの、位相補償を施しても、どこか音質がイマイチということで、ＮＦＢ量５０～６０ｄＢくらいが限度と認識している設計者が多いようです。その面からも著しく増幅度の低いアンプは販売されていないことをみても分かります。市販アンプ自体の増幅度は２０ｄＢから３０ｄＢ、大きくても３８ｄＢ（６５倍）くらいに収束します。

マスターズの考えるホーンドライバー用パワーアンプ

ちょうど、現在製作している上記使用目的のパワーアンプについて述べてみます。バランス増幅アンプで実現させると基本回路はＺバランス回路を採用します。そして、このパワーアンプ部の増幅度を１８ｄＢとわずかに低くしました。ＮＦＢ量を多量に増やして、増幅度を下げることはしていません。（この時のノイズレベルは８０μＶ（ＬＰＦ：８０ｋＨｚ）
そうして、トランス式パッシブプリアンプで高音質を得ているスーパーパーマロイコア採用のマッチングトランスを、パワーアンプとホーンドライバー間に設置することにしました。このマッチングトランスの巻線方法は１次／２次巻線を２本同時に巻くバイファイラー巻きを施して、かつ、巻線比は３：１としてあります。（【図４】参照）
ホーンに掛かる電圧は１／３に低下しますから、マッチングトランスによる増幅度の低下は９．５ｄＢになり、このパワーアンプの仕上がり増幅度は１８－９．５＝８．５ｄＢ（２．６８倍）となり、高効率ホーンドライバーを動作させるには具合の良い増幅度になります。ですから、プリアンプのボリウム位置は少し回して大音量になることなく使いやすくなります。（０．２８３÷２．６８≒０．１１Ｖ入力で、９０ｄＢの音が出てくる。）そして、ノイズレベルは８０μ÷３≒２６μＶ（ＬＰＦ：８０ｋＨｚ）と超低ノイズのパワーアンプができます。（【図５】参照）
さらに良いことに、ホーンドライバーのインピ―ダンスは８Ωですから、パワーアンプの負荷インピーダンスは８×３×３＝７２Ωなります。このパワーアンプは負荷抵抗７２Ωなりますから、パワーデバイスに流れる電流が同じ分だけ減少し、ＭＯＳＦＥＴのリニアリティ（ひずみ）がアイドリング電流を増やすことなく改善されるＡクラス動作になっています。
最大パワー電圧はトランスなしの直結条件では８Ω／１４Ｖ出ますから、計算上１４Ｖ÷３≒４．６７Ｖになりますが、負荷抵抗が大きくなる分、アンプ電源供給電圧の低下が少なくなるので、実際は５Ｖ以上（３．１２Ｗ）出ます。
パワーが下がった分、ホーンドライバーにとって安全になり、さらにマッチングトランスによりＤＣ成分はホーンドライバーには加わりませんのでさらに安全になります。
もちろん、そのサウンドはＴＡＮＮＯＹアーデン（９３ｄＢ効率）で聴いてみました。混濁感は全くなく、澄み切ったサウンドが出てきました。
まだ、実験していませんが、電源をバッテリーにすればさらに素晴らしいサウンドのアンプになるでしょう。
最後に、アンバランス増幅で制作するときは、Ｘカレントアンプを採用すれば、同等の優れたアンプができると思います。その費用はバランス増幅アンプに比べてお安くなります。
ニア・フィールドで聴きたい方にもお勧めです。（【図６】参照）

【図１】パワーアンプとＳＰの接続

【図２】パワーアンプ、ホーンドライバ、リスナーとの関係

【図３】Ｚバランス増幅アンプとスピーカの関係

【図４】Ｚバランス増幅アンプとホーンドライバとの間に挿入されるマッチングトランス

【図５】ホーン、ドライバとリスナー位置による音圧との関連

【図６】Ｘカレントアンプによるホーンドライバを構成する方式

カレント・フィードバック（電流帰還）回路

ここ１０年くらい前から、アナログアンプ回路について、カレント・フィードバックという回路方式が紹介されるようになってきました。
浅学ながら、自分なりに調べてみると、カレント・フィードバックは、過去のトランジスタアンプ、また、真空管アンプのＮＦＢの掛け方と共通性があることが分かってきました。

過去の半導体アンプと真空管アンプのＮＦＢ

【図１】に示すように、初段に差動アンプを採用していないアンプ（１９７０年代前半）においては、アンプ出力ステージより、初段のエミッタ、ないし、ソースにＮＦＢ抵抗を介したＮＦＢが成立していました。具体的には、初段の電流帰還抵抗にＮＦＢ抵抗が接続されるかたちです。
同じように、真空管アンプでは、アンプの出力トランス２次側から、ＮＦＢ抵抗を介して、初段のカソードにＮＦＢが掛けられています。（【図２】参照）

カレント・フィードバックの考え方

カレント・フィードバックに基本的な概念は【図３】に示すように、初段にバッファーが設置され、充分インピーダンスを低くして、その回路の電流感知回路部にアンプ出力部からＮＦＢ抵抗を介してＮＦＢが掛けられます。抵抗値は比較的に低く（１ｋΩ程度）しておけば、ＮＦＢは電流感知して、その変動分はＩ／Ｖ変換回路を経て電圧になり、出力バッファーで構成されます。これがカレント・フォードバックアンプといわれる基本的な考え方です。

カレント・フィードバック回路は、これまで、初段に必ず設置された差動回路（【図４】参照）を採用していないです。“ＪＢＬ　ＳＡ－６００”から始まったとされる差動構成回路は現在でもほとんどのアナログ半導体アンプに採用されています。ある意味、先祖帰りともいえる方式です。

そもそも、カレント・フィードバックはスルーレートを高くしたい（ワイドバンドアンプ：高周波領域まで増幅できる）ＯＰアンプＩＣメーカーがこの回路に行き着いたとされ、市販されているハイスルーレート・ＩＣアンプのスル―レートは１０００Ｖ／μＶを超えています。繰り返しますが、スルーレートが高いことは高周波増幅能力が高いことを意味します。１００ＭＨｚ近辺のビデオ回路に使われています。
差動回路に代表されるボルテージ・フィードバック回路（【図５】参照）は超高域、高周波帯域ではオープンループ特性が落ちて、ＮＦＢを掛けることにより、アンプの位相偏移が大きくなり、うまく位相補償回路を駆使しても位相偏移は１３５度くらいになってしまいます。１８０度になると発振します。オーディオアンプの常識としては、連続波での応答では発振しないので、問題ないとされています。

ところが一部の音質に敏感な方々から、どうも、ボルテージ・フィードバックアンプを聴くと、どこか違和感、混濁感があると指摘されることもあります。そのことをオーディオを電気的に検証しようとしても検証できず、今なお、このようなアンプ談義に終わりがありません。なぜなら、音楽のような過渡信号に対する解析は進んでいないからです。おそらく、過渡信号に対して位相偏移が大きいとＮＦＢが理論どおり掛からず、結果的に満足するサウンドと感じられないのでしょう。
発振回路的なアプローチでは、負性抵抗の発生により、サウンド的に劣化する可能性があるという見方もあります。

上記のような現象により、いまだに、フィードバック量の少ない無帰還の真空管アンプに根強い人気がありますし、エレキギターアンプにトランジスタアンプが採用されない根拠にもなっているのではないでしょうか。
そうこうしているうちに、１９９０年代、差動回路によるボルテージ・フィードバックに限界を感じた一部のエンジニアは、２０００年あたり、カレント・フィードバック回路をオーディオアンプに採り入れ始めました。
理論的には、アンプ位相偏移は極限に抑えられることで、ＮＦＢが音楽のような動的成分であってもＮＦＢ演算が正確におこなわれるとされています。負性抵抗成分も発生しないとされています。
【図６】にシンプルなカレント・フィードバック回路例を示します。このカレント・フィードバックアンプ回路初段はバッファーで構成されるので、初段は出力からフィードバックを掛けられないことになります。また、アンプ全体にフィードバックが掛けられないので、ＤＣ安定度はボルテージ・フィードバックに比べて少し不利なようです。
具体的には、代表的なアンプブランドではあるＡ社では、全面的にカレント・フィードバック回路が採用されています。今から考えると、それ以前とその後ではＡ社のサウンド傾向は微妙に変化したという指摘される方もおられます。

最近では、カレント・フィードバック回路部をモジュール化して、オーディオアンプ回路に採用するオーディオブランドもあるようです。オーディオクラフト誌や、オーディオ誌において、モジュール搭載アンプのサウンドが高い評価を得ているとは言えず、さらに、上記に具体的にカレント・フィードバックについて言及されていることはあまりないようです。