２ＳＫ１５７５
| リニアアンプの実験 ② 2020.1.13 |
ふとしたきっかけで、古（いにしえ）のFETでアンプを作りたくなりました。
いままで、FETのパワーアンプと言えば、2SK408/9、VN66AFD、RD16HHF1、2SK410、MRF150、VRF150、LEMOSでは小さなAFT05MS031N（それでもPd＝294W！）、MRFE6V2150/2300、MRFE6VP6300、BLF188と、改めて並べてみると、ずいぶんとたくさんいじってきました。もう、いい加減、食傷気味ではあるのですが、実は部品ストックの中に手付かずの石が残っていることに気が付きました。それは、2SK1575といって、ほぼ2SK410を２イン１のジェミニパッケージとしたものです。これは、もともと、ここでMRF150を購入したことがある販売店で、当時交流のあったY様が驚くべき廉価で仕入れたものを、たしか物物交換（笑）で譲っていただいたものです。無理を言ってお譲りいただいた覚えがあって、なんと４個も頂いてストックしてありました。Ｙ様には感謝感謝でございます。
これだけFETをいじっていると、もう2０W以下はRD16HHF1、２００WまでならVRF150で「決まり！」という感じに思っているのですが、RedpitayaでPure Signalをいじるうちに「高電圧小電流」のアンプで遊んでみたくなったのです。このタイプは日立の2SK317/318/408/409/410が有名で、最大Vdssが180Vと高めです（VRF150も180Vなので、実は電圧アップ時の特性の興味はこちらにもありますが）。今回の2SK1575もこの系列なので、供給電圧を80～90Vとしてアンプを作ることにしました。当然、Pure Signal適応時の動作を期待してしまいます。
おっと、以下は余談です。この「いにしえ」のFETである2SK1575ですが、またまたどこかで「そんな手に入らないブツでリニアなんか作っても、だれも見ねーよ」なんて悪態をつかれそうです（笑）。それはその通りなので、見たくなければご勝手にどうぞ！と思っていたのですが、なんとこのFETは簡単に手に入ります。アマゾンで検索してみてください。５８００円で入手できるじゃないですか。ドレイン損失を考えるとかなり高めの値段ではありますが、ま、これで現実にアンプを組むことができます。雑情報でしたが、念のため。
ということで、さっそく試作に移っていきましょう。まずは、FETのクローズアップです。出力が２００Wクラスの石（MRF150とか）に比べると、ちょっとひ弱そうに見えますね。規格表からは、Pd合計がちょうど２００W(2CH合計）ということで、決して無理な動作をさせてはいけないようです。もちろん、出力のVSWRが６５でフルパワーにトライ！なんていう、LDMOSだから許容されるような動作は絶対にさせてはいけません。すぐに「鎮魂」になってしまいます（笑）。
２ＳＫ１５７５
なので、以前の2SK410の動作を参考に、PEP100Wくらいで留めるような使い方をしてみますか。まずは回路構成を決めないといけませんが、おおむね、前回の2SK410の回路を踏襲しようと思います。というのも、入力側は4：1のコンベンショナルトランス、出力が伝送線路型バイファイラトランス+同ソータバランによる1：4出力変換というのが、効率と作りやすさ＆特性のバランスが取れていると思っているからです。ということで、回路図は以下の通りです。
回路図
とりたてて記述するようなところはありません。いままで、作ってきたものとほぼ同様です。ということで、実装に移りましょう。いろいろアンプを作ってきたので、ベースとなるヒートシンクの手持ちが枯渇しつつあります。なので、ちょっと小ぶりなヒートシンクで我慢して、ナマ基板の「イクステンション＝拡張基板」をつけてみました。
基板とフィンの様子
これは、実はヒートシンクが「段差」のあるものなので、ええいままよと高い部分の基板を延長して、全体の長さ（横幅）を稼いでいるのです。もしかすると、アルミの「嵩」が少なくて放熱効果に問題がでるようでしたら、ファンの横づけも考えないといけないかもしれなせん。これは作ってのお楽しみです。とは言っても、PEP１００Wならば、効率５割とすれば最大損失は２５W程度ですから、なんとか持ちこたえるのじゃないかとは思っています。あと、いつもの「カッティングランド工法」を採用してありますが、出力側は、念のためにコンベンショナルトランスにも換装できるように考慮して、ランドをカットしてあります。
さて、これに各部品をマウントしていきます。といっても、基板のカットとランドのカットが終われば、あとは楽勝です。ちょいちょいとマウントして完成？？？になります。 実装図に関しては出力トランスのコアが変遷しているので、最初のトライはこれと同じコアを使ったと思ってください。その後、巻きなおしたりして、この状態のコアは無くなってしまったので、写真を残すことができませんでした。
これ以降は特性を見てみましょう。実は、いきなりががーんとぶちのめされる結果しか得られませんでした。
（１） 送信IM ２５ｄB ＠ ５０Wｐｅｐ これ以上は意味がないので実験は止め！
（２） 動作条件（効率＆利得） ５０Ｗｐｅｐ時 ７８Ｖ １．１Ａ 効率 ２８％
（３） 利得 １３ｄＢ＠７ＭＨｚ
と、すべての項目で惨憺たる状態で、なんともさえない状況になっています。効率が悪いのは出力整合回路が出来損ないであるケースがほとんどなので、「では」ということで、ここで使ったコンベンショナルトランスを取り出して実装するも、もっとひどい状況に陥りました。パワーが全く出てこないのです。これは口あんぐりですね。
もしかして、このＦＥＴはパチモノなのか？とさえ思えてきます。ただ、ベースカレントの安定度はかなり高く、温度補償なとまったくやっていませんが、温度上昇とともに、「じわ～～とベースカレントが増加していって、熱平衡点で増加が止まる」というような、ＬＤＭＯＳみたいな動作にはならないのか救いではありますね（もっとも、そんなに電流を流していませんから）。では、ということで、２００Ｗアンプで使っていた、若干比透磁率の高い素材の伝送線路トランスを持ち出してみることにします。
実装の様子-１
この伝送線路トランスによる出力整合回路は２００Ｗｐｅｐまでは実績があるので、これでだめだとすると、かなり考え込んでしまいますね。
しかし、まぁ若干改善されましたがPEP100Wまでは届きません。８０W＠IMD=25ｄBが限界でした。少しは改善しているのですが、やっぱり、なんだか出力整合回路がアンマッチのようです。ゲインは１５ｄB、効率は３８％なので、これじゃ「ダメダメ」でしょう。
どうも、古えのFETは、出力整合回路をいい加減にすると、思ったような出力が出てこないようです（古えでなくてもそれは当たり前ですが、古えのほうが「許容度」が狭い？）。ということで、少し昔の文献を読み返してみると、不思議なことに気が付きました。２SK３１７ｐｐで１００Wの記事と２SK２２１ｐｐで１００Wの記事があったのですが、いずれも、バイファイラチョークとソータバランの組み合わせにも関わらず、透磁率がまるで異なるのです。以下に、オリジナル原稿から引用します。
２ＳＫ２２１ｐｐによる１００Ｗアンプ回路図
ＨＪ誌Ｎｏ３４ Ｐ１４～ ＪＥ６ＨＩＣさんの記事より
出力の伝送線路トランスの材質は＃６１材とある
２ＳＫ３１７ｐｐによ１００Ｗアンプ回路図
ＨＪ誌Ｎｏ３４ Ｐ２１～ ＪＬ１ＧＰＯさんの記事より
出力の伝送線路トランスの材質は＃４３材とある
どちらも、HFでの動作を企図していますが、１：４のインピーダンスを実現するバイファイラ巻き伝送線路トランスのスペックがまったく異なります。方や＃４３材を使った、インダクタンスたっぷりのもの（たぶん１００μH以上）、方や＃６１材を使ったインダクタンスが少ないもの（想定では１８μHくらい）です（いずれもドレインードレイン間）。FETのK317はK410と同じ系列と考えるので、こっちの回路のトランスがいいのかな？と思うも、いままで使っていた同じようなトランスのインダクタンスを図ってみると、１００μHを超えています。なので、同じことをやっても益がないと思ったので、巻き線を減らして＃６１材で巻いてみました。これだと実測１９μHとなっています。
これを実装して、測定してみると
、
＃６１材で巻きなおした出力編成回路
1:4の伝送線路トランスはＦＴ114＃61コアに１ｍｍφバイフィラー巻きで６ｔ
このトランスには直流は打ち消しあうので、コア容量は大きくする必要はない
ソータバランはＦＴ114＃61コアスタックに３Ｄ２Ｖを7ｔ
１００Ｗｐｅｐ時ＩＭＤ３＝－２５ｄＢ＠７ＭＨｚ帯
ベースカレント＝０．３Ａ×２（Ｖｇｓ＝１．９５Ｖ近辺）
効率が４３％（７８Ｖ １．１３Ａ） 利得１７ｄＢ
と少しはまともな値に近くなってきました。効率やＩＭＤはまだまだ不満足ですが、２ＳＫ３１７ｐｐの文献では（出力整合回路の条件が違うが）２５～３０ｄＢなので、もしかしたら、出力整合回路を変えれば、ＩＭＤを向上できるのか？あるいは、３１７ｐｐのＤｒａｉｎ損失である２４０Ｗに比べて、２ｓＫ１５７５のそれは２００Ｗ（１７％減）なので、数ｄＢはＩＭＤが低いのか？はたまたその他の理由によるものか？（例えば、利得が比較的多いので３ｄＢほどＮＦＢを掛ければ、ＩＭＤ３は－３０ｄＢ近くに上昇する？）は正直よくわかりません。ただし、出力整合トランスが同じ２ＳＫ２２１の例と比べると、１００Ｗ時のＩＭＤはこちらの実験のほうが良好なので、上記の結果が、まぁ当時のＦＥＴの特性の「相場観」なのかもしれません。ただし、プロがやれば、もう少し特性がいいかもしれませんね。
ということで、最後に、上記結果を得たときの波形とＩＭＤの測定値を載せておきます。
ＰＥＰ１００Ｗ時出力波形
若干ひずみっぽい
ＰＥＰ１００Ｗ時出力スペクトラム
いつものごとくハイインピーダンスプローブ使用なので、絶対値は気にしないでください
若干ひずみっぽいですが
このアンプは当面、独立した「リニアアンプ」として使う（ケースインする）予定はなく、軽く使って、真空管リニア（ＧＧ）のドライブ実験に使えればいいかな？ぐらいに考えています。ま、「古えのFETのあまりいい特性ではないことを再確認した」というレベルでしょうか？現代にあえて引っ張り出すようなブツでもなさそうですね。おっと、お約束のｒｅｄｐｉｔａｙａのＰｕｒｅＳｉｇｎａｌも時間があればいじってみることにしましょう。とりあえず、この章はここまでとします。
＜２ＳＫ１５７５リニアのプリディストーション＞ 【2020.4.4】
メモとして残しておくことにします。
２SK1575のパワーアンプですが、必ずしも良好なリニアリティというわけでもなく、当時の半導体としてはこんなものだろうというレベルの特性確認はしていました。ただ、だったらプリディストーションで改善される余地は大きいのじゃないかと思っていたことも確かです。なので、一応その様子を見ていくことにしましょう。
まずは、測定系ですが、ここの測定系と同じです。ま、DUT（ｋ1575アンプ）を低歪にドライブできればいいということになりますね。DUTの出力が５０ｄBm（１００W）の時、入力は３３ｄBm（２W）ですから、この状態でのドライブ系はまったくのリニアなままです。
プリディストーションを掛けないと、以前と同じような、「若干やせ細った感じ」の出力波形が得られます。これにプリディストーションを掛けると以下のような感じに「一見」きれいな２－トーンが得られます。
プリディストーション時の波形（2ＳＫ1575）
これをみて、んーーーん、IMD3=－５０ｄBくらいかなぁと思ってスペアナで確認したのが、以下の様子です。
なんと、これでは－４０ｄBと、真空管アンプならばNFBを掛けることだけで実現できてしまう程度のリニアリティです。この少ない改善効果にはちょっとショックです。高電圧低電流素子で、メモリー効果が少なかろう？とK1575を引っ張り出してきたのに、まさかの悪特性じゃないですか！
なんだか、何かに八つ当たりしたい状況ではありますが、２００WアンプのMRF150ｐｐで実験していたころのデータが残っていたことを思い出してました。比較してみると、なんだか似たような改改善効果（－１５ｄB程度）しか得られていないことがわかります。
ということは、この程度の高電圧化では、メモリー効果の消失はあまり期待できないということなのでしょうかね？昔のプロセスの半導体素子って、やっぱりメモリー効果が大きいのかなぁ？それとも、他の理由によるもの？このあたりの解析を始めると、なんだか延々と時間がかかりそうなので、また、時間のある時にでも実施したいと思います。ということで、冒頭に述べた通り、今回は「メモ」だけ残して、機会があれば、またいつかいじってみたいと思います。簡単ですが以上！
