クロスシャント・プッシュプル回路のシミュレーション

　このページは、素人の私がCSPPを理解するために行ったシミュレーションを綴ってみました。 Webで調べたりベテランの方のお話を伺うと「CSPPは難しい。」という言葉を良く耳にします。ところが私には何が難しいのか解りませんでした。 これは何故か？私にはDEPPの常識が無かったからです。つまり、私にとってCSPPもDEPP・SEPPも同列に皆難しかったという事です。 　私が理解する過程を記述したものなので非論理的なところも多分にあるかもしれません。 論理的な解説は上條さんの CSPP回路の基礎解説を参照して下さい。 　尚、間違いのご指摘・ご感想・ご意見は CSPPとLTSpiceの掲示板に御願いします。

１．プッシュプルって何？
　CSPP（クロスシャント・プッシュプル）は、プッシュプル合成の一方式です。
　プッシュプルとは別々のアンプで増幅されたサイン波の上側と下側を合成して効率よく増幅しようという技術です。

　上図左は真空管のプッシュプルアンプでは、最も一般的に使用されるDEPP（ダブルエンド・プッシュプル）の出力段です。 確かに、２つのシングルアンプを向かい合わせにした形です。 　上図右はその合成の様子で、
　　青：左の回路よりU2・V3を削除して、U1・V2だけを動作させた時のOUTの波形。
　　緑：左の回路よりU1・V2を削除して、U2・V3だけを動作させた時のOUTの波形。
　　赤：両方を動作させた時のOUTの波形。
出力トランスにより上下の波形が合成されている事が良くわかります。

２．CSPPの基本回路

　CSPPの基本回路は、上図左のように電源と負荷が一つの輪のように接続されている回路です。 （これは私の想像ですが ARITOさんが紹介・制作されたCIRCLOTRONは、ここから命名されたのかも知れません。）
　上図右は合成の様子で、
　　青：U1のプレート電流。
　　緑：U2のプレート電流。
　　赤：負荷（RL）に流れる電流。
　DEPPのシミュレーションと異なり何故電流なのかというと、CSPPはSEPPやコンプリメンタリー回路と同じように上下管のP-K間の電圧の合計が等しくなるように動作し、負荷にはその電位差に応じた電流が流れるためU1・U2・RLの電圧変動は等しく、電流の方が合成の様子がイメージしやすいからです。 （RLに流れる電流はその両端の電位差に応じた電流が流れるだけなので、U1・U2のプレート電流が合成されるという意味ではありません。） 　この動作は定電圧型差動回路と言えると思います。（そんな言葉があるかどうかは知りませんが？) 　DEPPとCSPPの大きな違いはこの回路を見れば明らかですがDEPPがプッシュプル合成をトランスに頼っているのに対して、CSPPはトランスを必要としないことです。 このことを利用して、OTL（Output Trans Less）が可能でARITOさんが 6C19P クロスシャントプッシュプルOTLアンプで制作されています。

３．CSPPのバリエーション

　上図左は負荷をカソード側に右はプレート側に配置したCSPP回路、左図はSEPP回路です。 上図の２つの回路はどちらも抵抗（R1・R2）を介して負荷（RL）の中点で接地されていますが、AまたはB点に接地点を移動しても負荷（RL）の両端に発生する電圧は全て等しくなります。
　また、この3つの回路は全てカソード基準で入力を与えているため、左図のSEPP回路の負荷（RL）の両端に発生する電圧も等しくなります。
　つまり、カソード基準で入力を与える限りCSPPの動作はSEPPと同じです。
　CSPPは対となる真空管のプレートとカソードが接続されているため、上図のように五極管のスクリーン・グリッドを互いのプレートに接続する事で安定した電圧を与える事が可能です。 が、左図のようにSEPPは専用の電源が必要になります。

中点接地とKNF

　左図のように中点で接地した回路にアース基準で入力を与えると、50％のKNF（カソード帰還）を掛けることができます。
　そこで確認のためにシミュレーションで1kHzにおける利得と内部抵抗を求めてみました。（内部抵抗はON/OFF法により求めました。）

	KNF無	KNF有
利得	17.7倍	1.8倍
内部抵抗	26kΩ	265Ω

　この結果からみると50％のKNFにより利得は２倍未満になりますが、その分出力インピーダンスが大きく下がっているのが解ります。
　・出力の中点を接地する事で上下を完全に対称にする。
　・50％のKNFにより低出力インピーダンスを得る。
　という使い方が最もCSPPらしい使い方なのかもしれません。

４．マッキントシュタイプCSPP回路
　憧れのマッキントッシュタイプCSPP回路は、交流回路の知識の無かった私にとってかなり難解でした。

上図左の回路は右の回路と等価だと気付いたのは350BCSPPを制作したずっと後です。
　右の回路は、「L1・L4・C2とL2・L3・C1がフローティング電源を構成していてOPTがそれを兼ねている。」など交流回路の常識など持ち合わせていなかった私には解るはずがありませんでした。
　 CSPP回路の基礎解説を後から読み直してみれば、キチンと述べられているのですが、理解できていなかったんですねぇ～！
　何をみて気付いたのかと言うと、 上條さんの超3極管接続Ver.3 EL86 SEPP ステレオパワーアンプのスクリーングリッド電源の回路をみたからです。
　左の回路のバイファイラ巻OPTは、1個でL1～L4・C1・C2と負荷R1・R2を全て兼ねている事になります。（なぁ～んとスマートなんでしょう！！）

　そこでバイファイラ巻OPTを使用したマッキントッシュタイプCSPP回路のバリエーションを試してみました。
　次の４つの回路は全て初段はJ-FETと高耐圧Trによるカスケード接続による２段増幅回路です。
　初段のJ-FET及びNF回路（R1・R7）の定数は本来それぞれの方式で調整すべきなのでしょうが、比較の為に全て同じにしています。位相補正のC1は、NFを掛けた場合の周波数特性がフラットになるように値を入れていますがこの値はシミュレーション上の値です。
　また、全段直結にすると電源変動や温度変化による出力段のプレート電流の変動を制御する必要があるのですが、シミュレーションを楽にするために考慮していません。
　別段、全段直結に拘っているわけでは有りませんが、AC結合にするとシミュレータの収束が遅くなって時間がかかるので直結にしています。（何か定常状態を保持する方法があると思うのですが、残念ながらそれ程LTSpiceを熟知していません。） 　２～４の回路で200kHz以上のゲインを減少させるためにC3（10pF）で初段のTrのコレクタを結合していますが、これは私の作成したOPTのSpiceモデルの問題かも知れません。

１．グリッド抵抗の直接ドライブ（クリックで拡大できます）
　左の回路は初段の負荷（R3・R4）を出力管のカソードに接続しているので出力段への入力はカソード基準となり、KNFは無効になります。
　裸の利得：37.4倍
　裸のD.F：0.04
　オーバーオールのNF無しでは実用にはなりそうにありませんが、利得が足りなさそうです。

２．ブートストラップ回路（クリックで拡大できます）
　左の回路は初段の負荷（R3・R4）を対抗する真空管のプレートに接続されており、そのプレートはカソードと同じ振幅をするので入力はカソード基準となり、KNFは無効になります。
　グリッド抵抗の直接ドライブに比べ大きな値の負荷抵抗を使用することが出来ます。
　裸の利得：232.6倍
　裸のD.F：0.07
　こちらもオーバーオールのNF無しでは実用にはなりそうにありませんが、グリッド抵抗の直接ドライブに比べ不可抵抗の値が４倍になったので利得が充分にありそうです。

３．KNFを有効にした回路（クリックで拡大できます）
　左の回路は初段の負荷（R3・R4）がB+に接続されているので出力段への入力はアース基準となり、50％のKNFが有効になります。
　裸の利得：54.8倍
　裸のD.F：2.6
　充分とはいえないかもしれませんが、オーバーオールのNF無しでも実用にはなりそうです。

４．KNF＋PG帰還を利用した回路（クリックで拡大できます）
　左の回路は初段の負荷（R3・R4）が出力管のプレートに接続されているので出力段への入力はアース基準となり更にプレートからグリッドへの負帰還がかかります。
　裸の利得：30.0倍
　裸のD.F：3.75
　充分とはいえないかもしれませんが、オーバーオールのNF無しでも実用にはなりそうです。

５．比較
　オーバーオールのNFを掛けた状態を比較してみました。

	利得	D.F	NF量
Grid Drv.	14.21倍	1.73	8.40dB
Boot Strap	20.83倍	10.23	20.96dB
KNF	16.20倍	11.54	10.58dB
KNF+PGNF	13.01倍	10.01	7.25dB

　どの方式でも、初段の素子の選択と定数次第で楽しめそうです。（※HOMEで紹介した方々の回路を参考にさせて頂くと全ての方式を勉強できます。）

　並列給電型SEPPは上下管のどちらかのカソード（or プレート）を接地しそれぞれのカソード基準で信号を入力する必要があるためKNFの効果はありません。
　つまりドライブ方法としては、
　　１．グリッド抵抗の直接ドライブ
　　２．ブートストラップ回路
　　３．PG帰還を利用した回路
　の３種類しか思いつきません。（私の場合です。）

１．グリッド抵抗の直接ドライブ（クリックで拡大できます）
　左の回路は初段の負荷（R3・R4）を出力管のカソードに接続しているので出力段への入力はカソード基準になります。

２．ブートストラップ回路（クリックで拡大できます）
　左の回路は初段の負荷（R3・R4）を対抗する真空管のプレートに接続しているので出力段への入力はカソード基準になります。

３．PG帰還を利用した回路（クリックで拡大できます）
　左の回路は初段の負荷（R3・R4）が出力管のプレートに接続されているので出力段への入力はカソード基準とですが出力管のプレートからの帰還が掛かります。

４．フローティング電源を排除したPG帰還を利用した回路（クリックで拡大できます）
　左の回路は３の回路と等価ですが、OPTをプレートとカソード側に分離して接続しキャパシタ（C1）で相対するプレートとカソードを結合する事でフローティング電源の代わりをさせています。（バイファイラ巻のOPTならばC1は不要です）
　この方法だとフローティング電源不要かつ一般のDEPP用のOPTが使用可能（スプリットタイプで無い場合は改造が必要）です。
　同様の方法で１のグリッド抵抗の直接ドライブも可能ですが、２のブートストラップ回路はOPTの直流抵抗分だけ上下管のプレート・カソード電位がずれるためにすのままでは直結は無理で何か工夫が必要です。

５．比較
　比較してみました。

	利得	利得/NF	D.F	NF量
Grid Drv.	56.32倍	12.70倍	4.14	13.15dB
Boot Strap	412.70倍	15.82倍	10.23	28.33dB
PG	29.86倍	10.59倍	14.69	9.00dB
PG電源無	29.63倍	10.56倍	14.81	8.96dB