3極真空管を使用した増幅回路

■問題

【増幅回路】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，3極真空管(写真1:12AX7)を使用した増幅回路です．電源電圧は250Vで負荷抵抗は200kΩとなっています．この増幅回路のIN端子からOUT端子までの1kHzの信号に対するゲインは，(a)～(d)のどれでしょうか．
　なお，この回路の部品定数の状態(動作点)での真空管の各定数は，g_m(相互コンダクタンス)が1.3mS，r_p(プレート抵抗)が63.7kΩ，μ(増幅率)が83となります．


図1　3極真空管を使用した増幅回路この増幅回路のIN端子からOUT端子までのゲインは？	写真1　3極真空管(Electro-Harmonix 12AX7)の外観⁽¹⁾

(a) 30dB　(b) 36dB　(c) 38.4dB　(d) 42dB

■ヒント

　図1の回路のゲインは，真空管の3つの定数のうちの2つと，負荷抵抗(R_L)の値から計算することができます．3極真空管(12AX7)の特性やシミュレーション・モデルは「LTspiceで学ぶオーディオ回路入門 023 ―― 3極真空管の電圧電流特性」を参照または使用しています．

■解答

(b) 36dB

　図1の回路のゲイン(G)は，g_m(相互コンダクタンス)，r_p(プレート抵抗)，負荷抵抗(R_L)の値から計算することができます．ゲイン(G)は，式1のように，g_mにr_pとR_Lの並列抵抗値を掛けたものになります．この計算で，ゲインは36dBになります．

・・・・・・・・・・・・・・(1)

■解説

●3極真空管増幅回路のバイアス方法
　3極真空管を使用した増幅回路では，グリッドに適切な，動作の基準となるバイアス電圧(カソードに対して負の電圧)を印加する必要があります．そのバイアス方法としては，図2のように「固定バイアス」と「自己バイアス」の2種類の方法があります．

図2　3極真空管を使用した増幅回路のバイアス方法
固定バイアスと自己バイアスの2種類がある

　それぞれの方式の特徴は次になります．

(a)固定バイアス：V_bにより，R_Gを介して負の電圧をグリッドに印加してバイアスを行う

(b)自己バイアス：カソードに接続された抵抗(R_K)に発生する電圧により，グリッドの電圧をカソードに対して負の電圧にバイアスを行う

　図1は，(b)の自己バイアス型の増幅回路となっています．R_Kの値により，無信号時のプレート電流を設定することができます．

●3極真空管幅回路の定数設定方法
　図2(b)の自己バイアス型増幅回路の定数を設定するためには，まず，無信号時のOut端子の電圧(動作点)を決め，次にR_Kの値を求める必要があります．3極真空管のプレート電流は，グリッド電圧とプレート電圧の双方に依存します．そのため，計算が煩雑になることから，図式的に動作点を求めることが行われています．そのときに使用されるのが，3極真空管の静特性に，負荷線と呼ばれる直線を書き込んだグラフです．
　図3は，3極真空管の静特性に，負荷線の直線を書き込んだグラフを出力するシミュレーション用の回路です．3種類の負荷抵抗値の負荷線を重ね書きします．

図3　3極真空管の静特性に負荷線を重ね書きするシミュレーション用回路
3種類の負荷抵抗値の負荷線を重ね書きする．

　図4が，図3の回路を使用して静特性に負荷線を書き込んだシミュレーション結果のグラフです．
　負荷線は，出力端子の電圧とプレート電流の関係を表現したもので，図4の静特性グラフの右下の点(最大プレート電圧)と，左端の(最大プレート電圧／負荷抵抗値)の点を直線で結んだものです．
　電源電圧250Vの増幅回路を想定しており，それぞれの負荷線の右端と，V_g=0Vのプレート電流のラインと交わる点までが，出力振幅範囲となります．

図4　3極真空管の静特性に負荷線を重ね書きしたグラフ
負荷抵抗200kΩで，プレート電圧150Vのポイントを動作点に設定する．

　今回は，負荷抵抗の値を200kΩとし，無信号時の出力電圧(プレート電圧)が，150Vになるように，動作点を定めます．
　200kΩの負荷線が，プレート電圧150Vのポイントで交わるプレート電流の曲線は，グリッド電圧が-1.25Vの曲線です．
　その時のプレート電流は0.5mAとなっています．そのため，図2(b)のRkの値は，プレート電流0.5mAのときに1.25V発生するようにすればよいことになります．
　値を計算すると，式2のように2.5kΩになります．ここではE24シリーズの中から2.4kΩを選択します．