私のアンプ設計マニュアル / 基礎・応用編
負帰還その2 (薬効と副作用)

負帰還の薬効と副作用

負帰還は万能薬みたいなところがあって、じつにいろいろな薬効があります。しかし、入力換算雑音や低負荷時における最大出力電圧(以下で述べる)のように、負帰還によって一見解決したようにみえるだけで、実際には全然改善されないものもあります。

  1. 歪みが減る・・・どれくらい減るかというと、かけられた帰還量にほぼ反比例します。6dB(2倍)の負帰還がかかっていれば、歪みは最大半分まで減少します。では、40dB(100倍)かけたら歪みは1/100になるかというと、確かにそうなることもありえますが、通常は副作用のせいで発振したり、動作が不安定になってしまいます。

    また、どんな増幅回路であっても、各段ごとに発生する歪みが互いに増長あるいは打ち消し合って、アンプ全体の歪みが決定されるので、負帰還をかけてその部分だけの歪みが減少したとしても、アンプ全体としては必ずしも低歪みとなるかどうかはなんともいえません。

  2. 残留雑音が減る・・・負帰還ループ内で発生した雑音については、出力側に現われる雑音電圧は、かけられた帰還量にほぼ反比例して減少します。電源の残留リプルが多くて、ハムが気になっていたメインアンプに10dB程度の負帰還をかけることで、ハムはめっきり減ったりします。

    ただし、この現象は、負帰還によって回路ゲインが減少したために起こったものであって、入力換算雑音は全く改善されていません(入力換算雑音というのは、増幅回路の中で発生した雑音について、あたかも入力されたかのように考えて、入力信号に換算して表現したものです・・・どこか別の章でちゃんと説明するつもりです)。残留雑音が減るだけでなく、ゲインも下がっているのです。負帰還による雑音の減少効果は、メインアンプのような「ボリューム・コントロールの後ろ」では効果的ですが、プリアンプのPHONO入力のような「ボリューム・コントロールの前」ではほとんど効果がありません。

  3. 出力インピーダンスが下がる・・・この効果は、メインアンプでは、ダンピング・ファクタの改善として意味があります。わずかの負帰還によって、ダンピング・ファクタは大きく変化し、出てくる音が激変します。負帰還量とダンピング・ファクタとの関係については「D.F.算出便利帳」で詳しく説明しています。

    また、プリアンプ等の電圧増幅回路では、出力インピーダンスが下がることで一定条件下での高域特性が改善されます。プリ〜メイン間に長いシールド線が使われているようなケースでは、プリアンプの出力インピーダンスの低さが物を言います。しかしほとんどのケースでは、回路の出力インピーダンスが低くなったからといって、低い負荷インピーダンスに耐えられるようにはなっていない、という点に注意しなければなりません。負帰還は、重い負荷に耐えられるようになるという効果はほとんどないのです。

    たとえば、12AX7を使った電圧増幅回路で、12AX7のプレート電流が0.7mAであるとします。無帰還時に100kΩの負荷を与えた時の最大出力電圧が20Vであったとして、5kΩという重い負荷では極端に利得が低下して使い物にならなかったとします。この回路に十分な負帰還をかけて出力インピーダンスを1kΩ以下まで下げることができた場合、この回路は5kΩという負荷ならば、十分な出力特性が得られるのでしょうか。答えは「否」です。どんなに負帰還をかけたとしても、12AX7から見た負荷の重さは変わらないのです。何故ならば、プレート電流が0.7mAである限り、負帰還の有無に関係なく、取り出せる最大出力電圧の理論値は、

    取り出せる最大出力電圧の理論値(r.m.s.)=(0.7mA×負荷インピーダンスの合成値)÷1.414

    のままだからです。ただし、出力インピーダンスが下がったおかげで、極端な利得の低下だけは改善されます。

  4. 周波数特性が良くなる・・・負帰還には、負帰還ループ内のゲインを一定にしようとする性質があります。すなわち、どの周波数帯域でもゲインを一定しようとする(つまり、フラットということですね)わけで、その結果として回路全体が広帯域化されます。たとえば、10Hzで周波数特性が-10dBの低下をきたしている増幅回路でも、10dBの負帰還をかけることでかなりフラットに近いところまで改善できるのです。

    しかし、超低域や超高域にピーク等の周波数特性の不安定要素が存在すると、負帰還をかけることによってそのピークが増長されてしまいます。こればかりは負帰還の神通力は効かず、フラットにはなってくれません。周波数特性にアバレのある出力トランスを使った場合、かけることができる負帰還量は相当に制限されます。プリアンプも同様で、多量の負帰還を安定してかけられるようにするためには、無帰還の状態での周波数特性が素直でなければならないのです。

    負帰還は、出来の悪いアンプの出来を良くする、という(効果もないわけではないのですが)ものではありません。素肌のきれいな人がお化粧をすればすごい美人になるのに、不摂生で肌がひどく荒れているとお化粧がうまくのらなくて却ってきたなくなってしまう、というのに似ています。

  5. 周波数特性の罠・・・もともと周波数特性の悪い増幅回路に負帰還をかけた場合、周波数特性が悪化している帯域では、十分な帰還量が確保できていません。そういう帯域では、負帰還の効能である「歪みが減る」「出力インピーダンスが下がる」が実現されておらず、ただ単にみかけの周波数特性だけが良くなっています。

    このような状態では、超低域は歪みだらけで(メインアンプであれば)ダンピングは不足したまま、になっています。本来、負帰還によって超低域のダンピングを改善したくても、そのような恩恵に浴することができないのです。ですから、負帰還によって「歪みを減らし」「ダンピング・ファクタを改善したい」場合は、裸の状態での周波数特性を十分すぎるくらいまで良くしておかなければ意味がないことに注意してください。

さて、今度は副作用です。
  1. 高域における安定度が損なわれる・・・信号を伝達する回路では、周波数特性が変化すると位相が進んだり遅れたりする、という性質があります。たとえば、1個のコンデンサと1個の抵抗による高域(あるいは低域)をカットするフィルターでは、減衰してゆくにつれて位相は最大90°まで進んだり遅れたりします。このフィルターが2段になると、位相の進遅は最大180°になります。

    増幅回路では、高域においてフィルターのような特性を持った個所が、増幅段1段あたりすくなくとも1個所生じます。ですから、2段増幅回路では、超高域において位相が最大180°

  2. 低域における安定度が損なわれる・・・。


局部帰還とオーバーオール帰還

アンプの製作記事を読んでいると、よく「局部帰還」とか「オーバーオール帰還」といった言葉が出てきます。

  1. オーバーオール帰還・・・増幅回路全体にわたって、出力側から入力(付近)に大きくぐるっとかける負帰還のことです。ひとつの負帰還だけで、一気に増幅回路全体の特性を改善してしまうため、簡単でわかりやすいのですが、段数が多くなるにつれて(位相回転が大きくなるため)回路の安定度が失われやすいという欠点があります。オーバーオール帰還を生かすためには、アンプ全体の時定数を持つ増幅段数を減らす工夫が必要です。3段以上の増幅段を持つメインアンプでは、最低一個所を直結として段間結合コンデンサを減らさなければなりません。

  2. 局部帰還・・・増幅回路1段あるいは2段程度の範囲で、増幅回路全体からみて部分的にかけられた帰還のことです。1段増幅回路ならば位相回転は通常で90度、最大でも180度を越えることは滅多にないので、どんなに多量の負帰還をかけても回路は安定してくれますが、その効果は回路全体までは及びません。本章で詳しく紹介しますが、P-G帰還、カソード帰還等がその代表例です。
世の多くの真空管アンプ(特にメインアンプ)は、オーバーオール帰還一本でまとめたものが一般的です。それは、局部帰還だけではなかなかアンプ全体の特性をバランス良くまとめるのが難しいからです。逆に、オーバーオール帰還ではアンプ全体のバランスがなかなかまとまらないようなアンプでは、局部帰還をうまく使うことによって、アンプ全体をバランス良くまとめることができたりします。


音の変化

よく「多量の負帰還をかけると/かけたので、音が平板になる/なった。」といった表現に出会います。逆に「音に躍動感を与えたかったので、帰還量を減らした/無帰還にした。」などとも言われます。ほんとうのところはどうなんでしょうか。

私見を述べさせていただくと、良く設計され安定度の良いアンプでは、無帰還であっても多量の負帰還がかかっていても、どちらであるかはわからない、ということです。無帰還回路で実現できるクォリティには限度があります。この壁を破ることができるのは、どうやら負帰還技術しかなさそうなのです。

時々、負帰還を目の敵(メノカタキ)にするような記述に出会いますが、どうか、今一度負帰還のメカニズムをひもといてみてはいかがなものでしょうか。では、何故負帰還が目の敵にされてしまうのでしょうか。それは・・・


負帰還に向くアンプ向かないアンプ

負帰還の是非についての議論は、古今東西未だに絶えることがありません。真空管アンプ・ビルダーひとりひとりについて注意深く観察してみると、誰もが負帰還の肯定派と否定派のどちらかの側に寄っているということがわかります。

アンプには、負帰還に向くアンプと向かないアンプとがあります。そして、否定派の人の設計を見てみると負帰還に向かない設計であることが多いのです。そして、肯定派の人の設計はたいていその反対なのです。負帰還に向かないアンプに負帰還を施すと、負帰還本来の効果が出ないばかりか副作用ばかりが出てきてしまいます。もしかすると、負帰還否定派の人は、過去に何度も負帰還で痛い目に遭ったか、負帰還の恩恵を実感していない可能性があります。逆もまた真なりで、負帰還をかけて得をした人は間違いなく肯定派となるでしょう。

まず、段間にトランスを使用したアンプでは、ほとんどの場合負帰還をかけると副作用に悩まされます。トランスによる位相のずれはそれほどに複雑で厄介です。負帰還ループ内で許されるトランス(チョークも含む)の数は1個(普通は出力トランスだけでおしまい)が限界です。トランス・ドライブが好きな人に、負帰還をかけてみろ、と言う方が無茶というものです。

古典回路では、電源のパスコンも段間コンデンサの容量も極端に少ない回路に出会います。このような回路では、電源・段間の低域時定数はかなり高い周波数(5Hz以上)になっています。こういう状態で負帰還をかけても、低域のダンピングや歪みは改善されません。むしろ、段間コンデンサと電源のパスコンの時定数全体を巻き込んだ複雑な帰還ループとなってしまう可能性があります。負帰還の効果を十分発揮させるためには、低域時定数は十分低く(0.1Hz〜数Hz)なければなりません。

2A3や300Bといった感度の鈍い出力管をドライブしようとすると、ドライバ段に高い利得が要求されます。12AU7や5687といった低rp低利得管の2段構成とするか、3極管では12AX7、5極管では6AU6や6SJ7といった高rp高利得管1段で済ますか、悩むところです。ところで、後者を選択すると高域特性は相当に悪くなります。なぜなら、2A3や300Bの入力容量は相当に大きく、これを高rp管でドライブするわけですから仕方ありません。こういう状態で負帰還をかけると、超高域特性は荒れたままになってしまいます。超高域特性に問題を抱えたアンプでは、中域での音の品位まで損ねてしまいますから困ったものです。そうなるくらいなら、無帰還の方がはるかにましというものです。

上にあげた3つのケースでは、悪くすると負帰還をかけたことでそのアンプの音は破綻します。破綻するというのは、無帰還の時よりも悪くなってしまう、良くなるところもあるが失われるものもあってそれが我慢できなくなる、という意味です。

その人がどんな回路構成を好むかどうかで負帰還の肯定派か否定派かだいたいわかる、というのはそういうことなのです。


無帰還の方が音がいいか

これまで述べてきたことを総合すれば、無帰還が理想であるかどうか、無帰還の方が音がいいかどうか、はおのずとご理解いただけたと思います。いかに上質の部品を投入したとしても、無帰還で得られるパフォーマンスにはあまりに制限が多いのです。それなのに、無帰還における弊害について述べられたレポートというのをいまだ見たことがありません。どの記事も、判を押したように無帰還(あるいは浅い負帰還)礼賛が目立ちます。

このホームページをご覧になって、私のところにお寄せいただいたご相談の多くは、「2A3(あるいは300B)シングルアンプを製作したが、どう工夫をしても音に納得できません。」というもので、そのアンプのほとんどすべてが無帰還でした。そこで、若干の負帰還をおすすめすると、例外なく、音が改善された、というご報告をいただいています。

そのとき、「騙されたと思って、負帰還をかけてごらんなさい。」と申し上げると「良い音のためには負帰還をかけてはいけないのではありませんか。」というお返事が返ってきます。「どうしてそのように思われるのですか。」と聞けば「記事にそう書いてあります。」というお返事。

ところが、実際に記事を読んでみれば、「無帰還で設計したが、結果が思わしくないので、最終的には若干の負帰還をかけた。」というのがほとんどなのです。余計なことを書くから、多くのアンプビルダーが迷ってしまうのではないだろうか、と思います。それとも、負帰還は必要悪だと思われているのでしょうか。

安易な「無帰還礼賛」だけは謹んでもらいたいな、と思います。潜在的被害者は(私も含めて)たくさんいらっしゃることと思います。

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