LTspice XVII on macで真空管のシミュレーション(6) - Plate-Grid帰還と増幅率の調整，周波数特性の計測

PG帰還と増幅率の調整

最終的には，低電圧で真空管を一段だけ使用し，出力バッファには半導体を用いるようなハイブリッドアンプの製作を目指しているため．真空管は一段しか使いません．すると，プレートからの出力はグリッドへの入力と位相が反転している(正弦波を入力したとき180度ずれている)ので，これを縮小して入力信号と混ぜると，グリッドへの入力信号の振幅が小さくなります．これによって，増幅率を簡単に調節することができます．

もうひとつ，出力信号をカソードへ帰還する方法も考えられますが，これは真空管の増幅段を2段使う回路のような，帰還する信号の位相が入力信号と同じ場合にしか使えません．

以上の理由で，ここでは真空管アンプの帰還としてPG帰還を使い，ここでは周波数特性を計測してみます．

周波数特性のプロット

周波数特性をプロットするためのSPICE Directiveは以下のとおりです．

.ac oct 20 10 10meg

10Hzから10MHzまでAC特性(周波数特性)をプロットします．20という数は1オクターブ内の点の数です．これ以外のSPICE Directiveを;でコメントアウトして，この1行だけ残してあります．

元の回路が以下のものです．

この状態で左上のRunボタンをクリックすると，周波数特性がプロットできます．周波数特性は以下のとおりです．プロット後に，縦軸を右クリックして最大値と最小値を調整しました．

次に，PG帰還を掛けた回路を示します．

この回路の周波数特性は以下のとおりです．

低域特性が大幅に悪化しています．入出力で信号線とグラウンドの間に抵抗が挟んであり，信号線にコンデンサーが入っている(これをカップリングコンデンサーと呼びます)ので，これらの組み合わせで信号に対してハイパスフィルターの働きを持ちます．0.1μFでは足りないことになるので，周波数の低域のカットオフ周波数を100倍下げるため，コンデンサーの容量を100倍大きくして10μFにしてみたのが以下の回路です．

この回路の周波数特性が以下のとおりです．

周波数特性は若干だけ悪化しています．低域で-3dB下がる周波数が20Hzから30Hzに上がっています．

また，増幅率が下がります．この2つの回路では17dBから12dBに増幅率が下がっており，負帰還によって-5dBだけ増幅率が下がっています．これは，負帰還抵抗10kΩを増減することで自由に変えることができます．

真空管アンプでは真空管1個の回路に対する増幅率を制御するのに，電源電圧とプレート抵抗の値を用いるか，このPG帰還を用いることが考えられますが，電源電圧を自由に選ぶのは難しいです．よって，このPG帰還を，真空管増幅段の増幅率の調整に用いることができそうです．特に，電圧増幅段のみ真空管を用いて，電力増幅段は半導体を用いる際に，電力増幅段の増幅率を1とするような回路や部品を用いる場合には，電圧増幅段で自由に増幅率を変更できることはメリットと言えるでしょう．

LTspice XVII on macで真空管のシミュレーション(5) - NFBとFFT，全高調波歪率

定電流回路なしの負帰還(NFB)

前の投稿は，定電流バイアスにコンデンサーを入れて，それを負帰還で綺麗な波形に補正していたので，部品点数が多くなってしまいました．そこで，元に戻り，最初の回路にNFBを掛けてみることにしました．

最初の回路が以下のとおりです． 

この回路の出力波形は以下のようになってサチっています．上下ともサチっているので，このくらいが限界かと思われます．

これにNFBをかけると，以下のような回路になります．

この回路の出力波形は以下のようになりました．

出力電圧が減る代わりに，歪みは小さくなっています．

FFTと全高調波歪率

これら二つの回路のFFTを計算し，全高調波歪率を求めてみます．

まず，最初の回路図に，以下のように「Draft」→「Net Name」からvinとvoutを付けます．「Port Type」はそれぞれ「Input」と「Output」に設定し，信号入力の場所と信号出力の場所にひっつけます．

次に，SPICE Directiveを右クリックして以下のように書き換えます．改行はctrl-returnで入力します．

;.step param VSIN list 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
.option pointwinsize=0
.param VSIN 0.6
.tran 0 5m 0 100n
.plot V(vin) V(vout)
.Four 1k V(vout)

1行目は先頭にセミコロン「;」を書いてコメントアウトしています． 2行目は，計算精度を落とさないためのオプションです．これを書かないと歪率が大きくなります． 3行目は，入力の正弦波の最大値を0.6Vのみに設定しています． 4行目は，5msecまでの過渡解析を調べる際の精度をあげています．ここでは100nsec単位にしています． 5行目は，vinとvoutの電圧をプロットするコマンドです． 6行目は，vinとvoutのフーリエ解析を行ない，全高調波歪率をファイルに出力するコマンドです．

この状態で左上の「Run」ボタンをクリックすると，波形ウィンドウが表示され，入力信号と出力信号が表示されます．

このウィンドウの上でマウスで右クリックし，「View」→「FFT」を選択します．以下のようなポップアップウィンドウが表示され，V(vin)とV(vout)が選択されてますので，これからV(vin)の選択を解除し，V(vout)の選択のみを残します．

最後にOKボタンを押すと，次の出力信号のFFTが表示されます．グラフの上に表示されているV(vout)を右クリックすると，グラフの色を変更することができます．以下の図では黄緑色から青色に変更しました．

さらに，ファイルの保存されているディレクトリ(macの場合はホームディレクトリの中のDocuments/LTspice)に，Output10c.logというファイルができています．中身は以下のとおりです．

Circuit: * /Users/arimura/Dropbox/LTspice/Documents/Draft10c.asc

Direct Newton iteration for .op point succeeded.
N-Period=1
Fourier components of V(vin)
DC component:-1.48111e-11

Harmonic Frequency  Fourier  Normalized  Phase   Normalized
 Number    [Hz]    Component  Component [degree] Phase [deg]
    1     1.000e+3  6.000e-1  1.000e+0    -0.00ｰ     0.00ｰ
    2     2.000e+3  4.779e-12  7.964e-12  -103.63ｰ  -103.63ｰ
    3     3.000e+3  1.144e-9  1.907e-9     4.81ｰ     4.81ｰ
    4     4.000e+3  2.785e-11  4.641e-11   169.00ｰ   169.00ｰ
    5     5.000e+3  7.010e-10  1.168e-9     4.09ｰ     4.09ｰ
    6     6.000e+3  6.004e-12  1.001e-11   151.73ｰ   151.73ｰ
    7     7.000e+3  2.033e-9  3.388e-9  -164.34ｰ  -164.34ｰ
    8     8.000e+3  2.707e-11  4.512e-11    69.19ｰ    69.19ｰ
    9     9.000e+3  9.513e-10  1.586e-9    15.88ｰ    15.88ｰ
Total Harmonic Distortion: 0.000000%(0.000091%)

N-Period=1
Fourier components of V(vout)
DC component:-0.0897433

Harmonic Frequency  Fourier  Normalized  Phase   Normalized
 Number    [Hz]    Component  Component [degree] Phase [deg]
    1     1.000e+3  4.248e+0  1.000e+0  -178.80ｰ     0.00ｰ
    2     2.000e+3  3.719e-1  8.753e-2    93.48ｰ   272.28ｰ
    3     3.000e+3  1.280e-2  3.013e-3   167.67ｰ   346.47ｰ
    4     4.000e+3  1.863e-2  4.386e-3    93.57ｰ   272.37ｰ
    5     5.000e+3  1.021e-2  2.404e-3    -1.02ｰ   177.78ｰ
    6     6.000e+3  2.025e-3  4.766e-4  -175.46ｰ     3.34ｰ
    7     7.000e+3  2.212e-3  5.207e-4    30.06ｰ   208.85ｰ
    8     8.000e+3  9.470e-4  2.229e-4  -100.44ｰ    78.36ｰ
    9     9.000e+3  7.237e-4  1.704e-4    -7.85ｰ   170.95ｰ
Total Harmonic Distortion: 8.772933%(8.773301%)



Date: Sun Apr  7 23:09:16 2019
Total elapsed time: 2.348 seconds.

tnom = 27
temp = 27
method = modified trap
totiter = 100628
traniter = 100620
tranpoints = 50019
accept = 50019
rejected = 0
matrix size = 20
fillins = 3
solver = Normal
Matrix Compiler1: 1298 object code size  0.4/0.2/[0.2]
Matrix Compiler2: off

上の数値が入力波形のもの，下の数値が出力波形のものです．全高調波歪率は以下の2行に書かれています．

Total Harmonic Distortion: 0.000000%(0.000087%)
Total Harmonic Distortion: 8.772933%(8.773301%) 

最初の回路の全高調波歪率は8.77%になりました．
NFBつきの回路図に対しても同様の解析を行ってみます．回路のSPICE Directiveを同じように書き換えます．

左上のRunボタンをマウスクリックすると，以下の波形ウィンドウが表示されます．

このウィンドウの上でマウスで右クリックし，「View」→「FFT」を選択すると，以下のFFTウィンドウが表示されます．3kHz以上の高調波成分が，NFBをかける前と比較するとだいぶ小さくなっていることがわかります．

同じディレクトリにファイルDraft10d.logができています．中身は以下のとおりです．

Circuit: * /Users/arimura/Dropbox/LTspice/Documents/Draft10d.asc

Direct Newton iteration for .op point succeeded.
N-Period=1
Fourier components of V(vin)
DC component:1.98825e-11

Harmonic Frequency  Fourier  Normalized  Phase   Normalized
 Number    [Hz]    Component  Component [degree] Phase [deg]
    1     1.000e+3  6.000e-1  1.000e+0     0.00ｰ     0.00ｰ
    2     2.000e+3  4.309e-11  7.182e-11  -171.03ｰ  -171.03ｰ
    3     3.000e+3  1.366e-9  2.277e-9    -0.28ｰ    -0.28ｰ
    4     4.000e+3  2.356e-11  3.927e-11   -47.20ｰ   -47.20ｰ
    5     5.000e+3  9.200e-10  1.533e-9     7.82ｰ     7.82ｰ
    6     6.000e+3  1.708e-11  2.846e-11    41.70ｰ    41.70ｰ
    7     7.000e+3  1.921e-9  3.202e-9  -178.42ｰ  -178.42ｰ
    8     8.000e+3  1.327e-11  2.211e-11  -119.37ｰ  -119.37ｰ
    9     9.000e+3  2.865e-10  4.776e-10   -24.22ｰ   -24.22ｰ
Total Harmonic Distortion: 0.000000%(0.000087%)

N-Period=1
Fourier components of V(vout)
DC component:-0.0119763

Harmonic Frequency  Fourier  Normalized  Phase   Normalized
 Number    [Hz]    Component  Component [degree] Phase [deg]
    1     1.000e+3  2.813e+0  1.000e+0   176.31ｰ     0.00ｰ
    2     2.000e+3  1.402e-1  4.984e-2    70.99ｰ  -105.33ｰ
    3     3.000e+3  3.065e-3  1.090e-3  -134.35ｰ  -310.66ｰ
    4     4.000e+3  2.903e-3  1.032e-3    34.69ｰ  -141.62ｰ
    5     5.000e+3  2.574e-3  9.152e-4   -48.85ｰ  -225.17ｰ
    6     6.000e+3  4.181e-4  1.486e-4  -148.73ｰ  -325.04ｰ
    7     7.000e+3  3.621e-4  1.287e-4   -17.60ｰ  -193.91ｰ
    8     8.000e+3  1.082e-4  3.847e-5  -140.55ｰ  -316.86ｰ
    9     9.000e+3  2.952e-4  1.049e-4    46.24ｰ  -130.07ｰ
Total Harmonic Distortion: 4.987153%(4.987208%)



Date: Mon Apr  8 05:36:44 2019
Total elapsed time: 2.553 seconds.

tnom = 27
temp = 27
method = modified trap
totiter = 100043
traniter = 100035
tranpoints = 50018
accept = 50018
rejected = 0
matrix size = 21
fillins = 4
solver = Normal
Matrix Compiler1: 1446 object code size  0.3/0.2/[0.1]
Matrix Compiler2: off

上の数値が入力波形のもの，下の数値が出力波形のものです．全高調波歪率は以下の2行に書かれています．

Total Harmonic Distortion: 0.000000%(0.000087%)
Total Harmonic Distortion: 4.987153%(4.987208%)

NFBを掛けた回路の全高調波歪率は4.99%になりました．NFBをかける前の8.77%と比較すると歪みが減っていることが分かります．

「LTspice XVIIで真空管のシミュレーション(6)」へ続く．