Push pull amplifiers
Experiment of many types of phase sifters

I am a treaker. On the Enterprise, Jody tunes his phase sifter on every days. I tried to make some types of phase sifter of push pull amplifier. In this gear , all the FET's are 2SK193A-Y. It's Idss is only 3mA. Therefore these amplifiers can not product so many output powers. But it was enough to examine about the phase sifter.

1.Old fashion fhase invertor: Fig1
Q1 acts as a normal source grounded amplifier. The output signal of it is injected on the gate of Q2 after divided by 5k ohms potentiometer. Q2 workes also as a normal source grounded amplifier. Source grounded amplifier sifts the phase of the signal. Therefore the output signal of Q2 has the inverted phase from the output signal of Q1. I had to tune the potentiometer in order to chancel the amplitude by Q2 with the dividing factor of the potentiometer. I adjusted the potentiometer to minimize the strain factor of the output signal of the amplifier ,useing the handmad strain meter indicated on the another page of my homepage. After tuning, I examine the performance of this amplifier. See the following data! Not "Jody", but "Data".
ppamp1.gif----Right side of (A) and (B) point of Fig1 is the common of all this pages.


input siganl output siognal gain strain power
mVc-p mVc-p dB % mW
40 50 1.9 0 0.16
70 100 3.1 0 0.63
130 200 3.7 0 2.5
220 300 2.7 2.5 5.6
200 400 2.5 5 10


2.Automatic balanced circuit : Fig2
This circuit is same as the last circuit, as the output signal of Q1 is injected on the gate of Q2 after divided by the R1 and R2 divider. But , in this circuit, the output signal of Q2 is also divided by the R3 and R2. And it was injected on the gate of Q2. Therefore the Q2 acts as a highly negative feed back inverting amplifier. Therefore the gain of Q2 amplifier becomes odB automatically. This is the theory of this " automatic balanced circuit". But the actual performance was far from the name of it. See the data!
ppamp2.gif


input output gain strain power
mVc-p mVc-p dB % mW
35 50 3.1 0 0.16
70 100 3.1 1 0.63
150 200 2.5 7.5 2.5
280 300 0.6 17 5.6
500 400 -1.9 50 10




3.Source connected phase inverter:Fig3
On this circuit, the source of Q2 is connected on the source of the Q1. The gate of Q2 is grounded by the capacitor,1 micro farad. Q2 acts as the gate grounded amplifier. The gate grounded amplifier inverts the phase of the signal. Therefore the Q2 acts as the phase inverter. See the performance data! This type of amplifier has the very big strain factor,because the Q2 has minus gain. And the level of a pair of signals is not the same. I changed the R2,the load resister of the Q2 from the 1.2k to 5k ohms potentiometer. And I adjusted to minimize the strain of the amplifier. See the improved performance of this type of amplifier!
ppamp3.gif -----SAUCE is spell miss of source,.
Prformance of Fig3:
Performance of an
Original Source connected Fhase invertor

imput output gain strain power
mVc-p mVc-p dB % mW
60 50 -1.6 0 0.16
120 100 -1.5 3.5 0.63
260 200 -2.3 10 2.5
500 300 -4.4 25 5.6
800 400 -6 50 10


Performance of Fig4 : Performance of the improved type

imput output gain strain power
mVc-p mVc-p dB % mW
45 50 0.9 0 0.16
90 100 0.9 0 0.63
180 200 0.9 1.5 2.5
270 300 0.9 2.5 5.6
400 400 0 5 10

4.P-K divider circuit:Fig5
Q1 acts as a normal source grounded amplifier. Q2 acts as a source grounded amplifier , when it is seen from the load resistor on the drain of it. And ,on the same time, Q2 acts as a source follower amplifier , when it is seen from the load resistor on the source of it. A source grounded amplifier inverts the signal. A source follower do not change the phase of the signal. Therefore the pair of signals has opposite phase from each other. See the performance data! This type of amplifier has a good performance, low strain. I will give you a home work. Connect the Q1 and Q2 direct without any capacitor! I had shown the type of circuit on the Japanese CQ magazine on 1993 September.




performance of Fig5

imput output gain strain power
mVc-p mVc-p dB % mW
40 50 1.9 0 0.16
80 100 1.9 0 0.63
160 200 1.9 0 2.5
250 300 1.9 1.5 5.6
400 400 0 15 10



ppamps.gif-----comparison of the strain charactor of some phase inverter

1.Source connected phase invertor "without tuning"
2.Automatic balanced inverter "without tuning"
3.P-K divider
4.Source connected phase invertor "with tuning"
5.OLd fashion phase invertor "with tuning"

In any type of invertor, tuning must be done!!














プッシュプル増幅器の位相反転器の比較研究

中学生の頃、ちょうどトランジスターの実用化時期に差し掛かった頃に、まだ大きな電力を扱うアンプの主力は真空管でした。私は雑誌で、プッシュプルアンプ には多くの位相反転回路が実用されている事を学びましたが、道端で拾ってきたラジオは、皆３０Ａ５や４７のシングルの電力増幅器を使っていて、プッシュプ ル増幅器というのは、本でしか見れない「高嶺（たかね）の花」でした。時が流れて、会社に入って、結婚して、子供ができて、会社の後輩が有線テレビの「ス タートレック」という番組（アメリカのＳＦ）をビデオにとって見せてくれる様になると、その中に、”ジョディー”という登場人物が”フェーズシフター”な る機器を調節する場面が頻繁にでてきました。人の話によると、この”スタートレック”の監督はロッデンベリーさんというアマチュア無線家だそうです。そこ で、私は、ちいさい頃のあこがれだった、位相反転回路すなわちフェーズシフターに関して、試作、試験してみる事にしました。ただし、真空管で実験するのは 経済的にも大変なので、真空管と同じ動作原理すなわち「電圧入力ー電流出力」のＦＥＴで作ってみました。
位相反転器には、古典的回路、自動平衡回路、カソード結合回路、ＰーＫ分割回路が代表的な４種類です。この４種類を順番にためしてみました。尚、全ての FETは、 2SK192A-Y, I dss=3mA を使用しました。これは、高周波用のきわめて電流の小さなＦＥＴですので、出力電力は本当に小さいです。私自身が、１９９３年９月のＣＱ誌に紹介した様 に、ここに、低周波増幅用のもっと電流な大きなＦＥＴをもってきて、パラレル接続等すれば、１Ｗ程度の出力が確保可能です。


１．古典的回路：図１（ＦＩＧ１）
Ｑ１は普通のソース接地増幅器として動作します。その出力はＱ３のゲートに加えられると同時に、（Ａ）点とグランドの間に入った５ｋオームの抵抗で分圧さ れて、反転管（石）Ｑ２に入力されます。Ｑ２はやはり普通のソース接地増幅器として動作します。この増幅器は増幅と同時に位相を反転するので、Ｑ２のドレ インには反転された信号が出てきます。ここで、Ｑ２の増幅率と同じ大きさになるように、（増幅を相殺する様に）、先ほど出てきた５ｋのポテンショの分圧比 を調節すれば、（Ａ）点と（Ｂ）点の信号は振幅が同じで、位相が反転した信号になりますので、その後のプッシュプル増幅器であるＱ３とＱ４を逆位相で駆動 できます。これが一番簡単で基本的な位相反転回路なので、古典的回路と呼ばれています。実際には、増幅器の出力自体の歪みが最小になる様に、５ｋオームの ポテンショメーターを、調整しました。
図１の回路における、入力電圧、出力電圧、利得、歪み、出力電力等の実測値を計ってみたのが下の表です。
ppamp1.gif−−−−（Ａ）点と（Ｂ）点から右側はこのページの全ての回路図において共通です。



入力電圧 出力電圧 利得 歪み 出力電力
mVc-p mVc-p dB % mW
40 50 1.9 0 0.16
70 100 3.1 0 0.63
130 200 3.7 0 2.5
220 300 2.7 2.5 5.6
200 400 2.5 5 10


２．自動平衡回路：図２（ＦＩＧ２）
次に作ってみたのが、自動平衡回路です。この回路も、Ｑ１で増幅した信号をＲ１＝１９０ｋとＲ２＝１００ｋで分圧して、Ｑ２のゲートに入力する所までは、 先ほどの古典的回路と同じなのですが、Ｑ２の出力であるドレインの信号が、もう一度Ｒ３＝１９０ｋとＲ２＝１００ｋで分圧されて、Ｑ２の入力に入るように なっています。ここで、Ｑ２は反転増幅器であり、その入出力がつながっているという事は、すなわち、Ｑ２には、強力な負帰還がかかっていて、Ｑ２の増幅率 は自動的に１倍に保たれています。このため、この回路はＱ１とＱ２の振幅が同じ大きさにそろうので、自動平衡回路と呼ばれています。
図２の回路における、入力電圧、出力電圧、利得、歪み、出力電力等の実測値を計ってみたのが下の表です。
自動平衡回路という割りには全然自動的に低歪みになっていません。先ほどの、古典的回路では出力自体の歪みが最小になる様に、調整した結果ですので、「調 整した古典的回路の方が、調整しない自動平衡回路よりマシ」である事がわかります。これは単に位相反転回路だけの問題では無く、先ほど古典的回路の調整の 際には、プシュプル回路のＱ３とＱ４のアンバランスを含めて、歪み最小に調節されている事が原因であろうとおもいます。

ppamp2.gif


入力電圧 出力電圧 利得 歪み 出力電力
mVc-p mVc-p dB % mW
35 50 3.1 0 0.16
70 100 3.1 1 0.63
150 200 2.5 7.5 2.5
280 300 0.6 17 5.6
500 400 -1.9 50 10



３．ソース結合反転回路：図３（ＦＩＧ３）
次に、真空管のカソード結合に相当するソース結合を作ってみました。Ｑ１のソースとＱ２のソースは直接つながっています。またＱ２は、ゲートが１μのコン デンサーで交流的に接地されているので、Ｑ２はゲート接地増幅器として動作します。ゲート接地増幅器は、位相を反転するので、Ｑ２は位相反転回路として動 作します。
図３の回路における、入力電圧、出力電圧、利得、歪み、出力電力等の実測値を計ってみたのが下の表です。
ppamp3.gif



入力電圧 出力電圧 利得 歪み 出力電力
mVc-p mVc-p dB % mW
60 50 -1.6 0 0.16
120 100 -1.5 3.5 0.63
260 200 -2.3 10 2.5
500 300 -4.4 25 5.6
800 400 -6 50 10

という、具合で、何と出力電力で１ｍＷいかない内から、歪みが発生してしまいます。オシロスコープでＱ１とＱ２の出力を観察してみると、Ｑ２の出力のほう が半分くらいになっています。ゲート接地は、作りっぱなしでは、決して振幅が１倍になりません。そこで、図４のように、Ｑ２の負荷抵抗を５ｋオームのポテ ンショメーターに変えて、Ｑ１とＱ２の出力を観察しながら、Ｑ２の出力がー１倍になるように調整したのが下の表です。歪みは、これでだいぶ改善されまし た。歪みと出力の関係を、見やすくグラフにしたのが、図５（ＦＩＧ５）に示しましたので、下の表を見てください。

入力電圧 出力電圧 利得 歪み 出力電力
mVc-p mVc-p dB % mW
45 50 0.9 0 0.16
90 100 0.9 0 0.63
180 200 0.9 1.5 2.5
270 300 0.9 2.5 5.6
400 400 0 5 10

４．Ｐ−Ｋ分割方式位相反転回路：図５
図５において、Ｑ１はただのソース接地増幅器です。Ｑ２はドレインとソースに同じ負荷抵抗がつながっているので、ドレイン側の出力としてはソース接地とし て動作し、ソース側の出力としてはドレイン接地として動作するという事になっています。ドレイン側の出力はゲートからの入力信号を反転出力し、ソース側の 出力は非反転出力なので、Ｑ２の二つの出力は互いに位相が逆になります。この回路の成績を下の表に示します。
ppamp5.gif




入力電圧 出力電圧 利得 歪み 出力電力
mVc-p mVc-p dB % mW
40 50 1.9 0 0.16
80 100 1.9 0 0.63
160 200 1.9 0 2.5
250 300 1.9 1.5 5.6
400 400 0 15 10






図５、ＦＩＧ５，：各回路の、歪みー出力の比較ーーーーーppamps.gif

１：ソース結合（無調整）
２：自動平衡（無調整）
３：Ｐ−Ｋ分割
４：ソース結合（調整後）
５：古典的回路（調整後）

いかなる回路であろうとも、調整無しでは歪みは大きい。
逆に、古典的回路でも、ちゃんと調整した後は歪みが少ない。













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