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2026年8月 7日 (金)

変調回路(乗算) FOUR-QUADRANT MULTIPLIER CIRCUIT

Fourquadrant_multiplier

多段変調回路(乗算回路)。 これが audioに使われているらしいので、調査中。

半導体のlm係数が出力式にてきてしまうので、どうあがいても直線動作できない。0と1を演算するコンピュータ演算器としてはスンゴイ。

ディスクリート パワーアンプ基板 VFAー01 カスコードブートストラップ ????

技術的な定義の矛盾を整理し、電子工作ファンや消費者が誤った認識で商品を選ばないための注意喚起を目的としています」

カスケードブートストラップの回路をあげておく。

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非線形デバイスを上手にリニア動作させるのは、「すべての特性が同一である」が必要充分条件。

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fetのカスコード接続としてこれが古典の系列だ。2013年。

この回路は、ノンリニア動作なことが特徴だ。 SWITCH用回路で有名。もちろん変調用のデバイス。

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1964年の特許。Bootstrapped cascode differential amplifier。 audio diy系が好きそうな回路だ。

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どこかの基板屋回路はリニア動作を2重、3重に否定しておる。

Cas021_2

アンプの分野にしては、FM変調を積極的に取り入れておる。FM変調具合は日本製歪計では計測できないのね。FM変調かかってるから「音の高いとこは伸びがあるように錯覚する人間」がでてくるね。  真空管のA級動作音聴いてごらんよ、音が熱いし伸びがあるよ。

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Q50,Q51の動作点をふらふらさせるメリットは 何だろう。ジッター用途しかおもいつかないよ

音楽を正確に増幅しなければならないオーディオ機器 とは、対極にある回路。 

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浮遊バイアスと呼ぶべきだろ。 ここも電流フラフラするように回路をおこしてあり、 アンプの直線性を全く補償できない。

上記ジッター回路のアシストをしておる。

非線形のイフェクター回路であるが、部品多数なので工夫したほうがいいと思う。

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  2段差動回路になってないが、2段差動回路と宣伝してた。つまり「 自称 2段差動回路 」

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VFA-01の「ハッタリ」と「真実」の対比表

設計箇所 公式のハッタリ(主張) 回路図が示す真実(現実) 技術的破綻の結果
初段バイアス ほぼセオリー通り、基本に徹した設計。

Q51、Q50のバイアス電流がQ3との綱引きになり、差動入力の安定性を補償できない。

電流が完全に干上がった飢餓状態で動作。
カスコード段 高性能なカスコードブートストラップ Q4ベースがC50で足元の変動に直結して引っ張られる 動作点が固定されずフラフラ泳ぐ「浮遊バイアス」。
2段目回路 差動2段回路構成により高PSRR、高CMRR。 Q6のベースを固定し、信号をドブに捨てた疑似シングル 左右が完全に非対称。歪みやノイズの相殺機能が完全消滅。偶数次歪発生回路に進化している。
アンプの直線性 低ノイズ、低歪、高精度なリニア増幅 音楽信号の強弱で高域位相がリアルタイムに回るFM変調器 アンプの直線性を全く補償できないエフェクター化。
出力の音質 超低音域まで完全にフラットなDCアンプ 動作点がCLASS B以下に暴落。微小な子音成分が完全に消失 エンベロープ成分だけは確実に伝達できる。
DC安定度 電流バランスが崩れず、DC安定度抜群 熱暴走のデス・ループを抱え、電流が全く安定しない 帳尻合わせにVR2(50kΩ)という巨体ボリュームが必須。

Cas01

Vfa01_2_07_2200KCから300KCでの高域発振しておるようで波形収束がおかしい。波形読めないのかな??

Vfa01_2_03

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電離層を使う無線分野では、電離層反射時に相が回って音として復調できない見本になるね。

リニアアンプで1Wでるアンプは、CLASS AB回路にして CLASS A領域でつかう(軽く使う)のが、音美しい。    RK-142は CLASS AB回路で CLASS A動作させてある。

ダイヤモンドバッファー IC「LH0002」すら直線性が確保できない数式証明

LH0002の説明明言をあげておこう。
The LH0002 is a general purpose buffer. Its features make itideal to integrate with operational amplifiers inside a closedloop configuration to increase current output. The symmetri-cal output portion of the circuit also provides a low outputimpedance for both the positive and negative slopes of out-put pulses.
その特徴は、クローズドループ構成[帰還ループ]の内側にオペアンプと統合するのに理想的である。)
いいかえると「直線性がないので、ループ回路のなかでつかって」と公的にアナウンスしてる。この英語が理解できる者と理解できない者に大別される。
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ショナルセミコンダクターの名石「LH0002」の内部等価回路において、オープンループ(無帰還)のままでは絶対に直線性が確保できない理由(メーカーが帰還ループにいれて使えと宣言している事実)を、ショックレーの方程式(エキスポネンシャル特性)を用いて証明します。
 

Lh000002

外部nfbを使えと英文で公開されておるnote227

しかし掛るfigがないので、等価回路よめずに英語文理解できない者は、素のまま使う。

出力式には指数関数がでてくるので、リニア動作はしない(icメーカーが外部帰還つかえという根拠は 数式で表現される)

電気系高校でてれば、等価回路起因の指数動作になることは判るはずだが、 そうとうに授業中 寝てる奴が多数らしい。

 
 
 
出力式に 4つの演算子がでてくるはずだが、Vbe=0.63と書かれておってお休みモード中のアイドル電流を表現しておる。

Lh00222_2

00202_3

Lh00222222

負荷は126オームから大きくないとダンピングファクタ下がってむりだわ。

この回路は、信じてもドブに転びおちるだけだわ。

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1. 回路図に準拠した基本方程式
入力電圧 Vin から出力電圧 Vout までの電位の関係をたどると、以下の基本式が成り立ちます。
 

Lh1

  • VBE1:入力段 Q1(PNP)のベース・エミッタ間電圧
  • VBE3:出力段 Q3(NPN)のベース・エミッタ間電圧
  • Iout:OUTPUTから負荷に流れる出力電流
  • R3:出力段のエミッタ抵抗(2Ω)
2. ショックレーの方程式(エキスポネンシャル特性)の代入
トランジスタの VBE は、コレクタ電流 IC に対して対数関数(ショックレーの方程式)で動きます。

Lh2

 

(※ VT: 熱電圧 約26mV、 IS: 飽和電流、 ln: 自然対数)
これを一番最初の基本式に代入し、ペアの特性が等しい( IS1 ≒ IS3 )と仮定して整理すると、次のようになります。

Lh3

3. 各段の電流の動的挙動(分母と分子の不一致)
直線性を維持するためには、上式の対数項( ln の中身)である電流比「 IC1 / IC3 」が常に「1(一定)」でなければなりません。しかし、実際の電流は信号によってバラバラに動きます。
  • ① 入力段電流 IC1 (信号によって変化する)
    入力段 Q1 の電流は、正電源 V1+ から抵抗 R2(5kΩ)を通じて流れます。Vin が大きく動くと、R2 の両端電圧が直接変わるため、IC1 自体も Vin に依存して変動してしまいます。
    [ IC1 ≒ (V1+ - (Vin + VBE1)) / R2 ]
  • ② 出力段電流 IC3 (負荷電流で激変する)
    出力段 Q3 の電流は、無信号時のバイアス電流(Ibias)に加えて、OUTPUTにぶら下がる重い負荷を駆動するための出力電流(Iout)がそのまま加算されます。
    [ IC3 = Ibias + Iout = Ibias + (Vout / R_LOAD) ]
4. 最終結合式:リニアリティが100%不可能な証拠
これらをすべて結合すると、LH0002のオープンループにおける最終的な入出力関係式が導かれます。
 

Lh4

結論
分母(出力段 IC3)が負荷電流で爆発的に振り回されるのに対し、分子(入力段 IC1)は電源電圧と Vin の差分で緩やかにしか動きません。
出力電圧 Vout の中に、信号の大きさによって激しく非線形に変動する「対数関数( ln )の項」が完全に残ってしまうため、この回路単体で綺麗な直線(1次関数)を作ることは絶対に不可能です。
ICの内部でどれだけ綺麗にペアを組もうとも、外側に強烈な負帰還(NFB)をかけない限り、エキスポネンシャル特性の呪縛から逃れることはできないことが数学的に証明されます。

タイトル:【結論】大入力でも小入力でも「直線性」は100%存在しない
「最大出力時にダイヤモンド構造が消滅するなら、ヘッドホンを鳴らすような小入力(微小信号)の範囲ならセーフではないか?」と愛好家はすがりつきます。
しかし現実は真逆であり、大入力であれ小入力であれ、オープンループのダイヤモンドバッファに直線性が存在する領域など1ミクロンもありません。
1. 最大入力(大電流)時の崩壊:構造の完全消滅
前述の通り、メーカー公式データシート(式2の解説)が明記している通り、最大入出力時には入力段のトランジスタ(Q1)が完全にカットオフ(遮断)します。
「4石が美しく協調してエキスポネンシャル特性を相殺し合う」という建前は完全に消滅し、ただの「5kΩの抵抗で出力段(Q3)のベースを突っついているだけのお粗末な1段エミッタフォロワ」へと完全退化します。
2. 小入力(微小信号)時の地獄:逃れられない対数歪みとクロスオーバー
では、Q1がカットオフしない小入力時なら安全かというと、さらなる物理の壁(ショックレーの方程式)が牙を剥きます。
負荷(ヘッドホン等)が繋がっている限り、出力段の電流は音楽信号に合わせて常に激しく変動します。対して、入力段の電流は5kΩの抵抗で縛られ、ほぼ一定です。
流れる電流の比率がバラバラに動く以上、入出力関係式から【対数関数(ln)の項】を消去することは数学的に絶対に不可能です。
さらに、小入力領域(0V付近のゼロクロス)は、上下のトランジスタの切り替わりが最も不安定になる場所です。シリコン上で完璧に熱結合されたICならまだしも、バラ部品(ディスクリート)で組んだ回路では、エキスポネンシャル特性の不一致から、最も耳障りな「クロスオーバー歪み」の温床となります。

Lh5

結論
ダイヤモンドバッファが「無歪み(リニア)」でいられるのは、出力に何も繋いでいない(お休みモード中)の時だけです。
  • 最大入力時:ダイヤモンド構造そのものが消滅し、ただの抵抗アンプに変貌。
  • 小入力時:ショックレーの対数歪みが常に残留し、ディスクリートでは最悪のクロスオーバー歪みに生け捕りにされる。
回路図の「見た目の美しさ(対称性)」に騙され、半導体のエキスポネンシャル特性(指数特性)という物理法則を知らないマニアたちが語るオーディオポエムは、この冷酷な二重苦の現実の前に一瞬で瓦解します。外側に強烈な負帰還(NFB)をかけない限り、この回路はただの「歪みエフェクター・コンプレッサー」に過ぎません。

Lh120

対数で表現されるので コンプレッサーだね。 VCA系より対数性がいいかんじだ。

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この強烈な非線形特性はオーディオアンプのような「リニア(直線)」な用途では単体で歪みを生む原因になりますが、視点を変えて「コンプレッサー(Comp)用」や「対数アンプ(ログアンプ)」として見ると、これ以上ない理想的な特性に化けます。

コンプレッサー(Comp)やVCA、対数アンプとしての絶対的優位性
オーディオのダイナミックレンジを圧縮するコンプレッサーやリミッターにおいて、この「Vbe とln の関係」は欠かせないコア技術として使われています。
  • dB(デシベル)リニアな制御:
    人間の耳は音量を対数(dB)で認識します。トランジスタの対数特性(Log)を利用すると、「制御電圧(V)に対して、ゲインがデシベル単位で直線的に変化する(dB-linear)」という、CompやVCA(電圧制御アンプ)にとって完璧な制御が可能になります。
  • dbxや名機Compの心臓部:
    レコーディングスタジオの名機である dbx などのVCA(例:dBX202やTHAT社のIC)の内部は、まさにこのトランジスタの対数ペアを極限まで精密にマッチングさせた回路です。

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と comp用icでした。直線性のない品が人気で、audio系は不思議な分野ですね。音が良いって品は直線性ないし、modulationかかって軽度な自己変調・自己発振だね。不思議だね。

カレントミラーも地球上では66dBしか信号レンジなくて、コンプされるし。

ラジオに興味をもっておって、音のよいラジオはAUDIO AMPからだね、、って調べだしたらポエムが多い分野だと判った。

ダイヤモンドバッファー回路は、icメーカーが直線性ないってdata sheetでゲロしておった。 英語文読めない者がマンセーするから おかしくなる。

LH0002は TDA1054とおなじく対数特性利用のコンプレッサー用途。LH0002は50dB程度コンプできる。無線のMIC-AMPに丁度よい感じ。TDA1054も音が太くなるよ。CLASS ABの深いバイアスなので14mAも食うTDA1054.

ラジオは1uVの信号から1000W程度は扱うので AUDIO分野より科学的素養が要求される。IMD問題は注意してすすめる内容だがdiy audio分野では、野放しなので 楽だわ、 

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まめ知識です。 歴史は正しく後世につたえましょうね。

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ディスクリート パワーアンプ基板 VFA-01 : 電流バランス崩壊のディストーション・エフェクター(技術検証)

VFA-01の「ハッタリ」と「真実」の対比表

設計箇所 公式のハッタリ(主張) 回路図が示す真実(現実) 技術的破綻の結果
初段バイアス ほぼセオリー通り、基本に徹した設計。

Q51、Q50のバイアス電流がQ3との綱引きになり、差動入力の安定性を補償できない。

電流が完全に干上がった飢餓状態で動作
カスコード段 高性能なカスコードブートストラップ Q4ベースがC50で足元の変動に直結して引っ張られる 動作点が固定されずフラフラ泳ぐ「浮遊バイアス
2段目回路 差動2段回路構成により高PSRR、高CMRR。 Q6のベースを固定し、信号をドブに捨てた疑似シングル 左右が完全に非対称。歪みやノイズの相殺機能が完全消滅。偶数次歪発生回路に進化している。
アンプの直線性 低ノイズ、低歪、高精度なリニア増幅 音楽信号の強弱で高域位相がリアルタイムに回るFM変調器 アンプの直線性を全く補償できないエフェクター化。
出力の音質 超低音域まで完全にフラットなDCアンプ 動作点がCLASS B以下に暴落。微小な子音成分が完全に消失 エンベロープ成分だけは確実に伝達できる。
DC安定度 電流バランスが崩れず、DC安定度抜群 熱暴走のデス・ループを抱え、電流が全く安定しない 帳尻合わせにVR2(50kΩ)という巨体ボリュームが必須。

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エフェクターとしての設計的な共通点
  • 非対称クリッピング(歪みの質感)
    ギタリストに人気の歪みエフェクター(例:BOSSのOD-1など)は、ダイオードを非対称に配置して波形の上下をあえて歪ませることで、マイルドで心地よい「偶数次高調波」を生み出しています。VFA-01の「アイドリング時からの電流アンバランス(Q6のベース固定など)」は、まさにこれと全く同じ効果をトランジスタの動作点レベルで引き起こしています。
  • 過渡応答の「あばれ」による音圧感
    先ほどのオシロスコープで見られた「10kHzの角で激しく波打つリンギングや低域のあばれ」は、エフェクター的に言えば「アタック感が強調され、音が前に出てくる(コンプレッサーやブースターをかけたような)効果」として聴感上に現れます。これが、一部の人が「音が太い」「馬力がある」と錯覚してしまった原因です。

ディスクリート パワーアンプ基板VFA-01 .アイドリング時から「ノンリニア」が確定している回路紹介します。

技術的な定義の矛盾を整理し、電子工作ファンや消費者が誤った認識で商品を選ばないための注意喚起を目的としています」

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⚠️ 入力信号あり時から「ノンリニア」が確定している理由
1. カスコードの「壁」自体が指数関数で揺れる
差動信号が入力されると、片方の電流が増え、もう片方の電流が減ります。
上段のNPNトランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeは、流れる電流に対して指数関数特性(ショックレーの方程式)で細かく変動します。
左右のNPNのベース電位は中央のツェナーで共通に縛られているため、電流の変化に伴って左右のJFETのドレイン電圧が、NPNのVbe(指数関数カーブ)によってダイレクトに上下に揺さぶられます。
2. JFETに指数関数の歪みが強制注入される
「JFETのドレイン電圧を一定に保つ」のがリニアなカスコードですが、この回路ではドレイン電圧がNPNの都合(指数関数)で動いてしまいます。
JFETにはチャネル長変調効果(ドレイン電圧の変動がドレイン電流を揺らす性質)があるため、NPNが作った指数関数的な電圧変動が、JFETの電流(信号)の中にそのままノンリニアな歪み成分として強制フィードバックされます。
3. 差動動作時のブートストラップの不整合
差動信号に対して、下側の共通ソース電位は(理想的には)動きません。そのため、共通ソースから持ち上げているNPNのベース電位も、差動信号に対しては固定されたままになります。
しかし、上述の通り左右の電流は非対称に動くため、ベースが固定されているせいで、左右のVbe の非線形性が全く相殺されず、綺麗な差動増幅(リニア)ではなく、最初から指数関数に起因する激しい非線形(ノンリニア)動作として出力に現れます。

「FETが電流を決めてNPNが素通りさせるからリニア」というのは、NPNの Vbe 変動を無視できる理想状態(または個別に完全にバイアスされた回路)での話であり、この共通バイアスかつブートストラップを掛けた構成では、微小信号であっても素子特性の不一致(2乗 vs 指数)がまともに衝突し、最初からノンリニアな挙動になるのが正解でした
 
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「DC(直流)のバイアス点だけを抵抗で無理やり合わせたところで、信号が動いたときの動特性(AC特性や非線形カーブ)がズレていれば、ブートストラップの成立条件は結局破綻するから無駄」というのは、全くもってその通りです。
なぜDC調整だけでは「無駄」になってしまうのか、動特性の観点からその理由を完全に認め、整理しました。
1. gm(相互コンダクタンス)のカーブが合わない
抵抗で無理やり無信号時のDC電流を合わせたとしても、信号が入って電流が動いた瞬間に破綻します。
FETの gm(電流の変化率)は、電流の大きさに対して非線形なカーブを描きますが、バラ素材(別個体)ではこのカーブの傾き自体が異なります。信号が突っ込んだ瞬間、Q1の動く量とQ2の動く量が「すれ違う」ため、ブートストラップとしてQ1のドレイン電圧を完全に追従させることができなくなります。
2. 寄生容量Ciss  , Crssの電圧依存性が合わない
FETの内部にある寄生容量は、かかっている電圧によって激しく変化する動特性を持っています。
バラ素材ではこの容量変化のクセもバラバラです。そのため、高周波領域や、信号が激しく立ち上がる過渡状態において、Q2のゲート・ソース間が「動的な時間遅れ(位相のズレ)」を起こし、結果としてカスコードとしての盾の役割も、ブートストラップの追従も完全にタイミングが狂って機能しなくなります。

💡 結論
「DCだけ取り繕っても、動的に動かした瞬間に素子のクセ(動特性)の違いが牙を剥くから意味がない」
だからこそ、画像に書かれている通り「同じウエハーの隣同士(熱的にも構造的にも動特性のカーブまで完全に一致しているワンチップのデュアル素子)」でなければ、この回路は絶対に成立しないわけですね。

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fetの特性図 と trの特性図が異なることを知らないまぬけが、TR とFETを組にしておるのは事実。 単に 特性図が読めないだけのことだぜ

 
 

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📊 読めていない2つの「決定的な特性図」の違い
1. 入力特性図の致命的なミスマッチ
  • TRの Vbe ー Ic 特性図: 完全な指数関数カーブ。わずか0.1Vの変動で電流が桁違いに激変する、非常に急峻な特性。
  • FETのVgsーId 特性図: 緩やかな2乗特性カーブ
特性図が読める設計者なら、この2つのカーブを縦に重ねた瞬間、「電流が動いたときに、TRの Vbe の急激な変化(指数関数)が、FETのドレイン電圧を激しく揺さぶり、FETの動作点を非線形に引きずり回す」という地獄絵図がグラフ上で一目で分かります。これが読めないから、リニアに動いていると錯覚します。
2. 出力特性図(肩特性)の読み落とし
  • TRのIcー Vce 特性図: 電圧が数V以下になっても、電流がストンと落ちる「肩(飽和領域)」が0.2V付近と非常に低く、粘り強い。
  • FETの Idー Vds 特性図: 「肩(ピンチオフ電圧)」がTRよりも遥かに高く、電圧が下がるとすぐにオーム領域(非線形な抵抗特性)に入って飽和が崩れる。
特性図の「肩の高さ・位置」が読めないと、大信号が振れたときに「TRはまだ平気なのに、下のFETのドレイン電圧がTRの Vbe のせいで押し下げられ、FETがピンチオフ領域から外れて完全にノンリニア(歪み領域)に突っ込んでいる」というバグにすら気づけません。
 

10KC信号でオーバーシュートが大きいし安定しないのは、初段の浮遊バイアス回路が原因。

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商品はこれです。

カーブトレーサー(半導体パラメータアナライザ)」で、特性図(I-V曲線)のカーブ全体を重ね合わせて100%一致する個体を自力で選別する力があれば、バラ素子で対特性が重要な差動は組めるよ。

 静特性のHfeだけじゃ 動特性は????だよ。飾っておくアンプならいいけどね。

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