なぜギターアンプは調整が必要な固定バイアス？（２）

（１）では固定バイアスの方が大きな出力が出せることを概念的に説明しました。
（２）ではロードラインとシミュレーションを使って、もう少し定量的に説明します。
　　　演奏家の方はそこまで知る必要はないかと思いますが興味があればご一読いただければと思います。

プッシュプル回路のロードラインと最大出力

　図１に６Ｖ６を使った固定バイアスのプッシュプル出力回路を、図２に自己バイアスのプッシュプル出力回路を示しました。回路の値はＧＥ社規格表内のＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ　ＡＮＤ　ＴＹＰＩＣＡＬ　ＯＰＥＲＡＴＩＯＮに記載されている内容から決めています。表１はその抜粋です。プレート損失（最大定格のひとつ）などに付いても配慮されているため、そのままこの値を使うことができます。グリッド抵抗の値も同じ規格表から決めていますが、バイアスの方式で異なることに付いてはここでは触れません。自己バイアス用の抵抗Ｒｋは、固定バイアスと同じバイアス電圧が発生するように決めています。（説明用のため一部簡略している部分があります）
なお、プッシュプル回路では、固定バイアスと自己バイアスを区別しにくいという方に、図３と図４を用意しました。同じタイトルの（１）と比較しながらご覧ください。なお、反転させた入力で２本目の真空管を動かし、これら上下の真空管をシーソーの様に動作させる回路をプッシュプル回路と呼んでいます。

表１

ロードラインを引くためのポイント

　Ｅｐ：Ｉｐ特性（横軸がプレート電圧、縦軸がプレート電流で表した特性）の上にロードラインを引くのですが、ここで四つのポイントを先に書いておきます。
まず出力トランス（センタータップ付きの場合）の考慮すべきポイントです。
①　一次側の各インピーダンスは、電流が同じ時には公証インピーダンスの半分の値になります（図５）。
②　一次側のどちらか一方の電流が０になると、他方のインピーダンスは交渉インピーダンスの１/４になります（図６）。
次にロードライン作図のポイントを書いてみます。
③　グリッド電圧はＥｐ：Ｉｐ特性図の０Ｖ（＝カソード電圧）より上がらない（図７）。
　　理由は、入力電圧がカソード電圧より高くなると、グリッドから内部へ向かって電流が流れ始めます。グリッド電圧を上げようとすればするほどこの電流は大きくなるため、カップリングコンデンサ（回路図内のＣ）での電圧降下も大きくなり、結果グリッド電圧は０Ｖ付近より上がることができません。この様子をシミュレーション結果で示してみました（図８）。入力電圧Ｖｉｎを大きくしてもグリッド電圧Ｖｇ１は０Ｖを（大きく）超えられません。この時Ｖｇ１の波形はその分だけ下側に伸びていきます。
出力トランスでもう一つのポイントです。
④　一次側の電力は二次側（スピーカー側）の電力に等しくなります（図９）。これは一次側の電力を計算することでスピーカーに入る出力の大きさを算出できることを表します。

図９　④　一次側と二次側の電力は等しい

ロードラインの引き方

　前置きが長くなりました。それでは図１０をご覧ください。
線Ａ：Ｂから見ていきましょう。
まず、電源電圧２５０Ｖとバイアス電圧－１５Ｖの交点に赤丸印を付けます。入力信号が入ってこない時の動作位置になります。この時は上側の真空管のプレート電流と下側の真空管のプレート電流は等しくなりますから、　①よりインピーダンスは５ＫΩになります。したがって、この赤丸印を通る傾きが５ＫΩ（Ｒ＝Ｅ/Ｉですから例えば２５０Ｖで５０ｍＡ変化する）で右肩下がりの線Ａ：Ｂを引きます。
次に線Ｃ：Ｄを見ていきましょう。
プレート電圧が０Ｖの時には、もう一方の真空管にはプレート電流が流れませんから、②よりインピーダンスは２．５ＫΩになります。この時トランスに流れる電流は２５０Ｖ÷２．５ＫΩですから１００ｍＡとなります。ところで、この電流は言い換えると　｜上の真空管のプレート電流｜ － ｜下の真空管のプレート電流｜　になります。電源電圧が２５０Ｖの時には両方の真空管のバイアス電圧は等しく－１５Ｖとなり、プレート電流も等しくなります。従ってＣ：Ｄの線は２５０Ｖの時にプレート電流＝０を通る直線になります。
これで二本の線が引けました。これらの線からロードラインは直線でない、赤い点を通る曲線であることが想像できます。そしてこの赤い線が求めていたロードラインになります（曲線の曲がり方に付いては略させていただます）。先の③の理由により入力信号が大きくなってもグリッド電圧は０Ｖより上がりません。グリッド電圧の高い側が０Ｖで、バイアス電圧の－１５Ｖを中心に対称の波形が入力されると、グリッド電圧の低い側は－３０Ｖになります。この時プレート電流はＩｍｉｎとなります。そして、これより大きな入力電圧が入った場合では先の③のシミュレーション結果より下側に膨らんだ波形が入力されまることになります。
ここで大事なことをお話しします。
ロードライン上に示した青の破線で、Ｖｍｉｎと書いた電圧です。約３０Ｖを示します。プレート電圧を出来る限り下げようとしてグリッド電圧をいくら上げてもグリッド電圧は０Ｖ以上には出来ませんから、どうしてもこの電圧が残ります。それをこの破線が示しています。

ロードラインを求めた理由

　ロードラインを書いた目的は出力の大きさが固定バイアスと自己バイアスでどう変わるかを考察するためです。出力の大きさに付いて図９に書きましたが、トランスでは一次側の電力と二次側の電力が等しいことから、スピーカーの場所での出力の大きさを考えなくとも一次側、つまりロードラインから算出できます。出力（＝実効出力＝実効電力）は、電圧（実効値） Ｘ　電流（実効値）　になります。
まず固定バイアスから最大の出力を算出してみましょう。電圧振幅は電源２５０Ｖから下側の電圧Ｖｍｉｎを引いた値の２倍になります。実効値では、（２５０Ｖ　－　３０Ｖ）　/　√２　となります。最大の電流はＩｍａｘ Ｘ ２＝９０ｍＡ Ｘ ２＝１８０ｍＡを振幅とする正弦波の実効値になりますから（図１１の右図を参照）　１８０ｍＡ　/　２　/　√２　＝　９０ｍＡ　/　√２になります。
従って出力は　（２２０Ｖ　/　√２）　Ｘ　（９０ｍＡ　/　√２）　＝　（２２０Ｖ　Ｘ　９０ｍＡ）　/　２　＝　９．９Ｗ

同様に自己バイアスの最大の出力を算出してみましょう。違いはバイアス電圧の分だけ電源電圧が減る点です。電圧は（２５０Ｖ　－　３０Ｖ　－１５Ｖ）になります。
従って出力は　（２０５Ｖ　Ｘ　９０ｍＡ）　/　２　＝　９．２Ｗ

自己バイアスでは、固定バイアスより小さな波形しか出力できないことが分かります。実際はプレート：カソード間電圧が１５Ｖ小さくなっていることからプレート電流も減っており、出力は更に小さくなります。

自己バイアスでは、固定バイアスに比べ出力の大きさを取り出し難くなることを分かっていただけましたでしょうか？

　次に理解を深めていただくために、図１１にプッシュプル回路で上下二本の真空管が動いている時の合成ロードラインとその出力電流を示しました。プッシュプルでは真空管が二本ありますから赤い線のロードラインも二本になっています。無信号時のグリッド電圧は二本共に－１５Ｖですからプレート電圧もプレート電流も同じ値になります。この二本のロードラインを加算した（下側プレート電流は逆方向に流れるので－です）紫色の線Ｃ’－Ｄ’を合成ロードラインと呼びます。グラフの右側にはそれぞれのプレート電流と合成のプレート電流（トランスに流れる電流）を図示してみました。

図１０　ロードライン

図１１　合成ロードライン（紫色）と一次側の電流波形

シミュレーションでの確認

　それではシミュレーションの結果を見ながら、各端子の波形を確認してみましょう。
まず固定バイアス回路の図１２からです。－１５Ｖのバイアス電源はひとつにまとめていますがそれ以外は図１の回路と同じです。図１３－ａは入力１に０Ｖ（青の直線）と２０Ｖｐｐ（＋側のピーク電圧　－　－側のピーク電圧の絶対値が２０Ｖの意味です）の信号を入力した時のグリッド電圧Ｖｇ１の波形を示しました。もう一方の入力２には同じ大きさで逆相の電圧を入力しています。ふたつのグリッド電圧は、固定バイアス電圧値である－１５Ｖを中心に振れていることが確認できます。入力が１０Ｖ上がった時にグリッドは－５Ｖ、入力が１０Ｖ下がった時に－２５Ｖの値で図１０のロードライン上を往復しいていることになります。図１３－ｂは見覚えがありますよね。プッシュプル回路の合成ロードライン図１１右側の波形を現しています。線の色合いも先の図に合わせてみました。図１３－ｃはプレート電圧を表します。入力１のグリッド電圧Ｖｇ１が上がるとプレート電流Ｉｐ１が増加し、プレート電圧Ｅｐ１は下がります。中心の電圧は電源電圧の２５０Ｖになっています。図１３－ｄはスピーカーから出力される信号を表しています。その下に出力の大きさ（Ｗ）を求める計算式と結果を示しました。入力が２０Ｖｐｐの場合、出力は５．１Ｗになります。

　図１４は入力を大きくしたものです。入力１を３０Ｖｐｐにしています。この時グリッド電圧Ｖｇ１は０Ｖと－３０Ｖの間を往復しています。ちょうどロードラインの端から端までを行き来している状態です。図１４－ｄのスピーカーの端子波形で出力の大きさを計算すると９．１Ｗとなり、図１３より増加しています。

　図１５は入力をさらに大きくしたものです。入力１を４０Ｖｐｐにしています。入力が大きくなった時にグリッド電圧Ｖｇ１は＋５Ｖになりそうですが、前の図７と図８で説明した通りグリッド電圧は０Ｖを（大きく）超えることはできません。結果、波形は下側に伸びていきます。図１５－ａの緑と青の線が交差している点をご確認ください。これまでは－１５Ｖのバイアス電圧の線上で交差していましたが今回は－１８Ｖ程度のところで交差してます。これはバイアスが－１５Ｖから実質的に－１８Ｖに下がって動作していることを示します。ロードライン図１０でお話しすると赤丸印が下側にずれて、赤い線の右側もさらに下がりプレート電流が０ｍＡになっている状態です。図１５－ｂでＩｐ１が最小の時に０ｍＡとなっていることを確認してください。これは入力１をこれ以上大きくしても出力振幅がもう大きくならないことを指しています。先に計算した時に使った電流の９０ｍＡ（図１５－ｂの波形では８９．２ｍＡ）が最大になることに気が付きます。図１５－ｄ出力のスピーカー端子波形を見ていただいてもこれ以上は歪んでいくだけで大きく出来そうもありません。この時、出力は９．８Ｗです。

自己バイアスの抵抗Ｒｋを計算

　自己バイアスではカソード抵抗Ｒｋを決めなくてはいけません。ここではバイアス電圧を固定バイアスと同じ－１５Ｖにしています。固定バイアス回路のカソード電流を読むと（グラフ中にはありません）と３６．９ｍＡを確認できます。ここから　カソード抵抗　＝　－１５Ｖ　/　（３６．９ｍＡ Ｘ ２）　＝　２０３Ωとなります。ただし、この値はカソード：プレート間電圧が２５０Ｖある場合で、自己バイアス時のカソード：プレート間電圧はこれよりも低い２５０Ｖ－１５Ｖ＝２３５Ｖとなるためプレート電流も減少します。また自己バイアス電圧は入力の大きさよっても変わるため今回は４０Ｖｐｐと決め、入力した状態でカソード抵抗を変化させて固定バイアスと同じバイアス電圧値になる様に抵抗値を調整し２１０Ωとしています。

自己バイアス電圧は一度上昇する

　ここで入力の大きさとバイアスの関係について少しお話したいと思います。ロードラインの図１０を見ると複数本あるグリッド電圧の間隔が上に行くほど広がっています。グリッド電圧は－１５Ｖを中心に上下に動きますが、入力電圧の振幅が大きくなるほどプレート電流の上下差も大きくなります。プレート電流とカソード電流はほぼ同じですから、この差の電流がカソード抵抗にオフセット電流として流れ、バイアス電圧を上昇させます。
この様子を図２０に示しました。入力の大きさを０Ｖから５０Ｖｐｐまで変えた時の様子です。０Ｖから３０Ｖまではオフセット電流によりバイアス電圧が上昇しているのが確認できます。バイアスの電圧が上昇するとカソード：プレート間電圧が減少し出力振幅が取れない方向に動きます。さらに電圧を上げていくとバイアス電圧は下降を始めます。固定バイアスのところでもお話しした様にロードライン上で赤丸印が下側にずれて、赤い線の右側も下がっていきます。これに伴って動作クラスもＡＢ１級からＢ１級へと移っていきます（級に付いては今回は詳細を略させていただきます）。出力は大きくならずに歪むばかりです。ギターアンプではわざと歪ませることがあるといっても、最大出力振幅はここが限界になります。固定バイアスの回路ではカソードは常に０Ｖに固定されているため、先の様に入力が大きくなってもバイアス電圧の上昇は起こりません。

自己バイアスのシミュレーション結果

　自己バイアスのシミュレーション結果を見てみましょう。図１６が回路です。図１７－ａでは入力電圧がない時にグリッドの電圧は０Ｖになっています。固定バイアスでは－１５Ｖになっていました。ここが両者の大きな違いです。その他の波形に付いては大きな差は見えません。
図１８、図１９を見てみましょう。入力１をそれぞれ３０Ｖｐｐと４０Ｖｐｐにしています。プレート電圧の変化量を良く見ると自己バイアスでは若干小さくなっていることが確認できます。出力の振幅も同様です。ここで、出力の振幅から最大出力を求めて固定バイアスの場合と比較してみましょう。どちらも入力が４０Ｖｐｐの時としました。

　固定バイアス　＝　９．８Ｗ　　（９．９Ｗ・・・先のロードラインから求めた値）
　自己バイアス　＝　８．４Ｗ　　（９．２Ｗ・・・先のロードラインから求めた値）

　固定バイアスの場合は先のロードラインから求めた結果に近い値となっていますが、自己バイアスの方はさらに小さくなっています。主原因はロードラインからの求めた場合ではプレート：カソード間電圧の変化を考慮していなかったためですが、この様子を最後にもう一度シミュレーションで確認してみましょう。図２１を参照願います。プレート電圧（＝スクリーングリッド電圧）が２５０V（コントロールグリッドは０V）ではプレート電流が１１１ｍA流れていますが、２３５Vでは１０１．５ｍAと減っている事が確認できます。最大出力を求めるにはＥｐ：Ｉｐ特性の左肩の部分が重要となりますから、直線部分で見た数値はだいたいの値になりますが計算してみると
９．２Ｗ　Ｘ　１０１．５　/　１１１　＝　８．４Ｗ
とシミュレーションの値８．４Ｗになりました。

　以上より、自己バイアスでは固定バイアスに比べ最大出力を大きく取れないことが分かります。一般的にギターアンプでは高出力が望まれるためプレート電圧を出来るだけ高くしたりと工夫していますが、耐圧や許容損失の面から自己バイアスではどうしても不利になります。
固定バイアスでは出力管を変えるたびバイアス調整が必要ですが、こんなところから固定バイアスが選ばれている訳です。
（ＳＰＩＣＥ ＭＯＤＥＬはAyumi’s Labさんが作られたものを使わせていただきました。）

図２０　自己バイアス　入力の大きさでバイアス電圧が変化

図２１　プレート（サプレッサーグリッド）電圧とプレート電流