無駄に筐体が頑丈なパワーアンプの製作

日付：2020/01/14

１：前回の電源回路設計に引き続き

前回までで電源回路を~~適当に~~設計・製作しましたが、今回は実際にアンプ回路の設計・製作を行っていきます。

２：基本設計

基本設計は、以下のようにします。
１：セパレート型は面倒なのでプリメインアンプとする。
２：プリアンプ部はオペアンプを用いて簡略化する。
３：筐体もアルミ板を削り出して自作する。
オペアンプを用いる理由は、以前に高級オペアンプのOPA637を購入していたからです。まあ単にディスクリートで作るのが面倒ということもあるのですが。

３：回路設計

電流増幅段の設計にはこの本を参考にしました。丁寧に解説してあってかなりタメになりました。

定本トランジスタ回路の設計―増幅回路技術を実験を通してやさしく解析

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回路はまずこんな感じにしました。およそ前途の本からパクっただけですが。

オペアンプは反転増幅回路として機能させ、ゲインはその辺に転がっていた抵抗を用いて18倍にしました。ゲインは固定として入力にアッテネーターを挿入することでボリューム調節を実現します。
電力増幅段は2段構成で、実際は前段：東芝2SC1815/A1015ペア、終段及びバイアス部：サンケン電子C3519A/A1386Aペアを用いました。最近は3本足トランジスタが続々ディスコンになっているので手はんだ派には厳しいです。

バイアス部の設計

バイアス部と終段は熱結合することでバイアス電流の安定化を図っています。具体的にはバイアス用トランジスタを終段トランジスタの上にねじ止めし、更に同じ放熱器に設置しています。即ち、実際の部品配置が回路図と逆になっているわけです。その結果、この基板の裏側は結構凄いことになっています。

４：とりあえず組んでみた結果…

この回路をブレッドボード上に作るのも面倒なのでいきなりユニバーサル基板で組んでみました。その結果、盛大に発振しました。OPA637は発振しやすいオペアンプではありますが、それにしてもっていう位発振しました。

５：発振の原因

2日ほどあれこれ実験した結果、回路設計に欠陥を発見しました。初めは反転増幅器にして更に入力部に可変抵抗式アッテネーターを入れていたのですが、これだとゲイン設定用抵抗R1とかぶってしまってゲインが下がってしまいます。初歩的なミスですが、シミュレーターでアッテネーターを再現していなかったので意外と気づきませんでした。

また、帰還部に何となく位相補正用100pFを入れていたのですが、これが補正しすぎて逆に発振していたみたいです。この値は後にステップ入力応答を見て6pFに変更しました。

６：発振は止まったが…

これらの改善でとりあえず発振は止まりました。しかし、次はハムノイズ(電源系からのノイズ)が出始めました。「ブーン」というノイズですね。これを解決し、意地でも年内に制作を終わらせよう(この日はクリスマス4日前)とした結果、自宅の学習机が実験ベンチ化しました。これが自宅とは思えない…

その結果、元々入力部を横切るように電源ラインが引かれていたのが原因と判明。また、シャシーアースも忘れていました。若干無理矢理に電源ラインを移設すると解決しました。

７：筐体を作る

筐体も同時に設計・製作します。初めてのCADで設計に相当な時間が掛かり、更に何を思ったか底面と前後面の３面を全て10mmの極厚アルミ板にした結果加工が想像以上に大変でした。ドリルを１本へし折りながらも日夜アルミ板をフライス加工し続けた結果、意外と完成しました。
これなら本当にゾウが踏んでも破損しなさそう。

８：そして完成へ