真空管アンプ

バルブアンプまたは真空管アンプは、真空管を使用して信号の振幅または電力を増大させる タイプの電子アンプです。マイクロ波以下の周波数用の低～中電力バルブ アンプは、1960 年代から 1970 年代にかけて、主にソリッド ステートアンプに置き換えられました。バルブ アンプは、ギター アンプ、DirecTVやGPSなどの衛星トランスポンダー、高品質ステレオ アンプ、軍事用途 (レーダーなど)、超高出力ラジオおよびUHFテレビ送信機などの用途に使用できます。

1947年にトランジスタが発明されるまで、実用的な高周波電子増幅器のほとんどは熱電子管を使って作られていました。^[1]最も単純な管（ 2つの電極があるためダイオードと名付けられました）は、 1904年にロンドンのマルコーニ社に勤務していたジョン・アンブローズ・フレミングによって発明されました。ダイオードは電気を一方向にのみ伝導し、無線検出器や整流器として使用されました。

1906 年、リー・ド・フォレストは3 つ目の電極を追加し、最初の電子増幅装置である三極管を発明し、オーディオンと名付けました。この追加の制御グリッドは、カソードとアノードの間を流れる電流を調整します。電流の流れとプレートおよびグリッド電圧の関係は、多くの場合、図表上で一連の「特性曲線」として表されます。回路内の他のコンポーネントに応じて、この調整された電流の流れを使用して、電流または電圧ゲインを提供できます。

真空管増幅の最初の応用は、長距離電話信号の再生でした。その後、真空管増幅は 30 年代初頭に始まった「ワイヤレス」市場に適用されました。やがて、音楽用、そして後にはテレビ用のアンプも真空管を使用して作られました。

この時期に圧倒的に優勢だった回路トポロジーは、クラス A で動作するシングルエンドの三極管ゲイン ステージで、非常に少ない部品で非常にシンプルな回路にもかかわらず、非常に優れたサウンド (および妥当な測定歪み性能) を実現しました。これは、部品が手作りで非常に高価だった時代には重要なことでした。第二次世界大戦以前は、ほぼすべての真空管アンプはゲインが低く、直線性は真空管自体の固有の直線性に完全に依存しており、通常、最大出力で 5% の歪みでした。

ネガティブ フィードバック(NFB) は 1927 年にHarold Stephen Blackによって発明されましたが、当時はゲインが重要視されていたため、当初はほとんど使用されていませんでした。この技術により、アンプはゲインを犠牲にして歪みレベルを下げることができます (また、出力インピーダンスの低減など、他の利点もあります)。1947年にウィリアムソン アンプが導入されたことは、NFB の非常に効果的な使用など、多くの点で非常に進歩しており、オーディオ パワー アンプの設計における転換点となりました。このアンプは、プッシュ プル出力回路を AB1 クラスで動作させて、同時代のアンプを上回るパフォーマンスを実現しました。

第二次世界大戦は、劇的な技術進歩と工業規模の生産経済を刺激しました。戦後の豊かさの増加は、実質的で拡大する消費者市場につながりました。これにより、電子機器メーカーは、より高度な真空管設計を手頃な価格で製造および販売できるようになり、その結果、1960年代には電子蓄音機プレーヤーがますます普及し、最終的にはハイファイの始まりとなりました。ハイファイは、フル周波数範囲のスピーカー（多くの場合、異なる周波数帯域用の複数のドライバーを使用して初めて）をかなりの音量レベルで駆動できるようになりました。これは、テレビの普及と相まって、真空管開発と真空管アンプ回路設計の開発における「黄金時代」をもたらしました。

わずかな違いしかないさまざまなトポロジー (特に、異なる位相スプリッターの配置と、四極管用の「超線形」トランス接続) が急速に普及しました。この設計ファミリーは、今日でも音楽用途の高出力アンプ トポロジーとして主流です。この時期には、送信機と受信機の両方に真空管が使用され、民間ラジオも継続的に成長しました。

1970 年代から、シリコントランジスタがますます普及しました。真空管の生産は、ブラウン管(CRT) の顕著な例外を除いて急激に減少し、アンプ用途の真空管の種類も減少しました。人気の低出力真空管は、デュアル トリオード (ECCnn、12Ax7 シリーズ) と EF86 ペントードで、パワー バルブは主にビーム テトロードとペントード (EL84、EL34、KT88/6550、6L6) で、どちらも間接加熱式でした。この種類の減少したセットは、今日でも真空管生産の中核となっています。

冷戦中、ソ連は西側諸国よりもはるかに多くの真空管を通信や軍事増幅の用途に使用していたが、これは真空管がトランジスタを破壊するような瞬間的な過負荷（特に核爆発によるもの）に耐えられるという理由によるところが大きい。^[2]

トランジスタをベースにした電子製品のサイズ、消費電力、歪みレベル、そして何よりもコストが劇的に減少したため、1970 年代以降、真空管は主流の製品では使われなくなりました。真空管は、高出力 RF 送信機や電子レンジ、特にエレキギター、レコーディング スタジオ、高級ホーム ステレオなどのオーディオ増幅装置などの特定の用途で使用され続けました。

オーディオ用途では、真空管は、特にレコーディング スタジオの機器やギター アンプにおいて、ほとんどのプロ ユーザーから引き続き高い人気を誇っています。家庭でのリスニングに真空管アンプの使用を推奨するオーディオ愛好家のサブグループがあります。彼らは、真空管アンプは「より温かみのある」、またはより「自然な」真空管サウンドを生み出すと主張しています。アジアや東ヨーロッパの企業は、この市場に対応するために真空管を生産し続けています。

多くのプロのギター奏者は、その「音色」に定評があるため、「真空管アンプ」を使用しています。ここでの「音色」は音色、つまり音程の色を指し、定量化するのは非常に主観的な性質です。ほとんどのオーディオ技術者や科学者は、スタイルに関係なく、真空管によって生成される「偶数倍音歪み」はトランジスタよりも耳に心地よい音であると理論づけています。真空管の音色特性により、ギターやスタジオのマイクのプリアンプの業界標準として真空管が維持されてきました。

真空管アンプは、信号レベルがクリッピング点に近づき、クリッピング点に達したときの反応がトランジスタアンプとは異なります。真空管アンプでは、線形増幅からリミッティングへの移行がソリッドステートユニットよりも急激ではないため、クリッピングの開始時に耳障りな歪みが少なくなります。このため、一部のギタリストはオール真空管アンプの音を好みますが、真空管アンプとソリッドステートアンプの美的特性は、ギタリストコミュニティで議論の的となっています。^[3]

パワーバルブは通常、トランジスタよりも高い電圧と低い電流で動作しますが、ソリッドステートの動作電圧は現代のデバイス技術によって着実に増加しています。現在使用されている高出力無線送信機はキロボルトの範囲で動作しますが、これに匹敵する技術はまだ他にありません。([電力 = 電圧 × 電流]、つまり高出力には高電圧、高電流、またはその両方が必要です)

多くのパワー バルブは直線性に優れていますが、ゲインまたはトランスコンダクタンスは中程度です。真空管を使用した信号増幅器は、無線周波数までを含む非常に高い周波数応答範囲に対応でき、多くの直熱シングルエンド トライオード (DH-SET) オーディオ アンプは、メガヘルツ範囲で動作するように設計された無線送信管を使用しています。ただし、実際には、真空管アンプの設計では、通常、容量的にステージを「結合」して低域の帯域幅を制限するか、またはトランスフォーマーを使用して誘導的にステージを「結合」して両端の帯域幅を制限します。

• 本質的に高電圧回路に適しています。
• 大量の熱を放散できる規模で構築できます (一部の極端なデバイスは水冷式です)。このため、ほとんどの他のアプリケーションでトランジスタがバルブに取って代わった時代まで、ラジオやテレビの送信機などの非常に高出力のアプリケーションでは、バルブが唯一の実行可能な技術であり続けました。
• 電気的に非常に堅牢で、バイポーラトランジスタシステムであれば数ミリ秒 で破壊されてしまうような過負荷にも数分間耐えることができます。
• 非常に高い過渡ピーク電圧にも損傷なく耐えられるため、特定の軍事および産業用途に適しています。
• 通常、最大能力よりはるかに低い印加電圧で動作し、長寿命と信頼性を実現します。
• 回路に過負荷がかかったときのクリッピングがソフトになり、多くのオーディオマニアやミュージシャンが主観的に、より心地よく、音楽的に満足のいくサウンドが得られると考えています。

• 特にフィードバック係数が小さい場合、直線性は悪くなります。^[4]
• 真空管にはカソードヒーターが必要です。ヒーター電力は、かなりの熱損失とエネルギー消費を意味します。
• 真空管では、同様の定格電力のソリッドステート アンプと比較して、アノードに高い電圧が必要です。
• チューブは同等のソリッドステートデバイスよりも大幅に大きくなります。
• 高インピーダンスと低電流出力は、多くの実際の負荷、特にさまざまな形態の電気モーターの直接駆動には適していません。
• バルブは、さまざまな故障メカニズム（熱、陰極中毒、破損、内部短絡など）により、ソリッドステート部品よりも耐用年数が短くなります。
• 真空管は単一の極性でのみ使用できますが、トランジスタは相補極性 (NPN/PNP など) で使用できるため、直接実現できない多くの回路構成が可能になります。
• バルブ回路は、AC ヒーター電源からのノイズの導入を避ける必要があります。
• マイクロフォニック– バルブは音や振動に敏感な場合があり、意図せずマイクロフォンのように動作することがあります。

すべてのアンプ回路は、A、B、AB、C などの「動作クラス」によって分類されます。パワーアンプのクラスを参照してください。トランジスタ設計と比較して、大幅に異なる回路トポロジがいくつかあります。

• グリッド（入力信号が提示される場所）は、カソードに対して実質的に負にバイアスされる必要があります。これにより、トランジスタ設計で通常行われるように、1 つのバルブの出力を次のバルブの入力に直接結合することが非常に困難になります。
• バルブ ステージは、数百ボルトに耐えられる定格のコンポーネント (通常はコンデンサ、場合によってはカップリング トランス) と結合されます。カップリング ネットワークによって導入される位相シフトは、フィードバックのある回路では問題になることがあります。
• シリコン回路の「トーテムポール」出力段で広く使用されている補完デバイスに類似した真空管はありません。したがって、プッシュプル真空管トポロジーには位相スプリッターが必要です。
• 真空管の出力インピーダンスは(トランジスタと比較して) 非常に高いため、通常、スピーカーや切削旋盤ヘッドなどの低インピーダンス負荷を駆動するにはマッチングトランスが必要です。トランスは、小信号およびドライバー段階で通常使用される抵抗器の代わりに、負荷として使用されます。使用周波数でのトランスの一次側の反射インピーダンスは、巻線の DC 抵抗よりもはるかに高く、多くの場合はキロオームです。ただし、高性能トランスは、エンジニアリング上の大きな妥協であり、高価で、動作も理想的とは言えません。出力トランスは、直接結合されたトランジスタの代替品と比較して、真空管アンプ回路のコストを大幅に増加させます。ただし、真空管アンプとソリッドステートアンプの両方で、低損失の高インピーダンス/高電圧ラインを使用して複数の離れたスピーカーを接続する拡声アプリケーションには、マッチング出力トランスが必要です。
• 真空管、特に三極管のオープン ループ直線性により、回路内で負帰還をほとんどまたはまったく使用せずに、許容できる、あるいは優れた歪み性能を維持することが可能となります (特に小信号回路の場合)。

• 線形小信号回路では、出力段を含め、シングルエンド ゲイン段トポロジ (クラス A) でほぼ常に三極管が使用されます。
• 広帯域真空管アンプでは、通常、クラス A1 または AB1 が使用されます。
• 現代の高出力段は通常プッシュプルであり、シングルエンド入力から差動/バランス駆動信号を得るために何らかの位相スプリッタが必要になることが多く、通常は出力管の前にさらにゲイン段 (「ドライバ」) が続きます。たとえば、シャント制御プッシュプルアンプ)
• 非常に大きな真空管を使用したシングルエンドのパワーステージは、無線送信機の用途で主流となっています。補足として、一部のオーディオ愛好家が好むニッチな「DH-SET」トポロジーは非常にシンプルで、通常は無線送信機用に設計された真空管タイプを使用して構築されているという観察があります。
• より複雑なトポロジ（特にアクティブ負荷の使用）では、直線性と周波数応答（ミラー容量効果を除去することによって）を改善できます。

真空管プレート回路の高出力インピーダンスは、スピーカーやアンテナなどの低インピーダンス負荷とはあまり適合しません。効率的な電力伝送にはマッチング ネットワークが必要です。これは、オーディオ周波数ではトランスフォーマー、無線周波数ではさまざまな調整されたネットワークになります。

カソード フォロワまたは共通プレート構成では、出力はカソード抵抗から取得されます。負帰還 (カソード グランド電圧がグリッド グランド電圧をキャンセルする) のため、電圧ゲインは 1 に近くなり、出力電圧はグリッド電圧に従います。カソード抵抗は (バイアス要件に応じて) 数キロオームになる場合がありますが、小信号出力インピーダンスは非常に低くなります (オペアンプを参照)。

真空管は、その音質の良さからギターや高級オーディオアンプで広く使用されています。トランジスタに比べて消費電力、歪み、コスト、信頼性、重量が大きいため、他の分野ではほとんど使われていません。

電話はオーディオ増幅の元々の用途であり、長年にわたって主な用途として残っていました。電気通信業界特有の問題は、多数の (最大 1,000 個) 音声回線を 1 本のケーブルに異なる周波数で多重化する技術でした。1 本の真空管「リピーター」増幅器で一度に多数の通話を増幅できるため、コスト効率が非常に高くなりました。

問題は、増幅器が極めて線形である必要があることです。そうでないと、「相互変調歪み」(IMD) により、多重化されたチャネル間で「クロストーク」が発生します。これにより、単一の音声チャネルの公称ニーズをはるかに超える低歪みの開発が促進されました。

現在、真空管の主な用途は、エレキギター、エレキベース、ハモンドオルガンなどのハイエンドHi-Fiおよび音楽パフォーマンス用のオーディオアンプです。これらの用途では歪みに関する要件が異なり、設計上の妥協点も異なりますが、基本的な設計手法は汎用的で、オーディオだけでなく、あらゆる広帯域増幅用途に広く適用できます。

第二次世界大戦後、真空管パワーアンプの大半はクラス AB-1「プッシュプル」超線形トポロジー、または低コストのシングルエンド、つまり 6BQ5/EL84 パワーチューブですが、DH-SET や OTL トポロジーを使用するニッチな製品も少数ながら存在しています。

基本的な可動コイル型電圧計と電流計自体は小さな電流を流すため、接続先の回路に負荷がかかります。これにより、測定対象回路の動作条件が大幅に変化することがあります。真空管電圧計 (VTVM) は、バルブの高入力インピーダンスを使用して、測定対象回路を電流計の負荷からバッファリングします。

真空管オシロスコープは、この非常に高い入力インピーダンスを共有しているため、非常に高いインピーダンスの回路でも電圧を測定することができます。通常、表示チャネルごとに 3 段階または 4 段階の増幅があります。後のオシロスコープでは、伝送線に沿って等距離で接続された一連の真空管を使用する分散型増幅器と呼ばれるタイプの増幅器が採用され、表示管に印加される前に非常に高い周波数の垂直信号を増幅しました。現在では、真空管オシロスコープは廃止されています。

真空管時代の終盤には、真空管は「オペアンプ」の製造にも使用されました。これは、現代のリニア エレクトロニクスの構成要素の 1 つです。オペアンプには通常、差動入力段とトーテム ポール出力があり、回路には通常、最低 5 つのアクティブ デバイスがあります。このような回路 (通常は 2 つ以上のガラス エンベロープを使用) を 1 つのモジュールに統合し、より大きな回路 (アナログ コンピュータなど) に接続できる「パッケージ」が多数製造されました。このような真空管オペアンプは理想からは程遠く、すぐに時代遅れになり、ソリッド ステート タイプに置き換えられました。

歴史的に、第二次世界大戦前の「送信管」は入手可能な最も強力な管の 1 つでした。これらには通常、電球のように輝く直接加熱されたトリウムフィラメント陰極がありました。一部の管は、非常に強く駆動できるため、陽極自体が真っ赤に輝きました。陽極は、熱に耐え、変形しないように、薄いシートから製造するのではなく、固体材料から機械加工されていました。このタイプの有名な管は、845 と 211 です。その後の 817 や (直接加熱された) 813 などの四極管と五極管も、(特に軍用) 無線送信機で大量に使用されました。

RF 回路は、ブロードバンド アンプ回路とは大きく異なります。アンテナまたは後続の回路ステージには通常、1 つ以上の調整可能な容量性または誘導性コンポーネントが含まれており、ステージの共振を使用中の搬送周波数と正確に一致させて、バルブからの電力転送とバルブへの負荷を最適化します。これは、いわゆる「同調回路」です。

広帯域回路は、広範囲の周波数にわたって平坦な応答を必要とします。対照的に、RF回路は通常、高周波数で動作する必要がありますが、多くの場合、非常に狭い周波数範囲で動作します。たとえば、RFデバイスは、144～146MHz（わずか1.4%）の範囲で動作する必要があります。

現在、無線送信機はマイクロ波周波数でも圧倒的にシリコンベースになっています。しかし、高出力無線周波数増幅器の少数ではありますが、真空管構造が採用され続けています。

• 無線通信ハンドブック（第5版）、英国無線協会、1976年、ISBN  0-900612-28-2

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