ヘッドホンアンプの製作 試作品その1 追試



前回製作したヘッドホンアンプ試作品1号機ですが
その後ちょこっといじってみたので報告します。

今回のアンプはNFBなしなのですが、
NFBありにすると聴感上どんな違いが出るのか試してみました。

一般的にNFBといえば、入力段の差動増幅器のマイナス側入力に
アンプ出力を戻してやる方法が多いのですが
今回のアンプは差動増幅器なんていう高級なものは入っていません(^^;

そこで、単純に出力のカップリングコンデンサとFETの入力の間に抵抗を挟んでみました。
こんなんでも一応NFB回路になります。

で、そのときの歪率の測定結果が下図になります。





NFBなしの状態の歪率が悪過ぎないのか?、という論議はとりあえず置いといて(^^;;;
NFBありだと歪率が大幅に改善するのがわかります。


次に実際に音楽を聴いて、聴感上の違いを確認してみました。

ソースはクラッシク代表として前回の試聴でも使ったラヴェルの「ボレロ」と
ジャズ代表として阿川泰子の名盤「jazz ballads」。

以下、NFBなしを聴いたあとにNFBありを聴いたときの感想。

「ボレロ」
ゆっくりしたペースで繰り返される単楽器の響きはすごく綺麗。
逆にトロンボーンの独奏の後の一斉に演奏が始まる部分はもやっと曖昧な感じになる。

「jazz ballads」
NFBなしではリアルに聞こえた弦楽器の弦を弓でゴリゴリ引くような
臨場感が後退してしまった感じ。
同じく金管楽器の金属が共振して響いてくる感じも減った。
木管楽器と金管楽器がそれぞれ持っているの音のツヤの差がなくなった。


総じて、NFBをかけるといい部分もあるけれど
逆に情報が失われてしまった感じがしました。



もともとNFBに対しては原理的に「?」な部分が多いと思っています。



これは教科書にも出てくるオペアンプの非反転増幅回路です。
もともとオペアンプは大きな増幅率を持っていますが
NFBをかけることによってそのゲインを制御することができます。

具体的にはアンプの出力の一部を入力端子のマイナス側に戻してることによって
オペアンプのプラス端子とマイナス端子に入る電圧差を制御し
目的のゲインに収束させるような働きをします。


と、ここまでについてはなんとなく納得しているのですが
実際の回路では入力端子に信号が入ってから出力が現れるまで
非常に短い時間ながら遅延が発生しているはずです。

それを考えると、下の図のようなことが発生しているのではないかと
個人的には思っております。



まず、入力側にVi(t)が入ります。
これが増幅されて出力端に現れるまでτだけ遅延が発生したとすると、
NFBで入力に戻される出力信号も同じ分だけ遅れるはず。
するとその間、アンプの出力はNFBがかかっていないことになるのでは・・・
そうなると入力波と出力波は異なるものになる時間が発生していることになります。

たぶん遅延時間がものすごく短いので問題にならないと思っているのですが
こういうことを考えはじめると出力に接続される負荷によって位相回転が発生するし
となるとその部分での帰還遅延も発生していることになるしで
なんかすっきりとしないのです。

あと、歪率が単調(単一周波数の正弦波)で評価されているのも、どうもモヤモヤ感を増長させています。
正弦波のような周期波形が入力されているならばNFBによる効果もわかる気がするのですが
実際に入力される信号は非周期信号なので、実際どのように歪が抑えられているのか
直感的によくわからないというのがあります。


実際問題としてNFBをかけると特定の周波数で発振することがあります。
これは周波数によって負帰還になったり正帰還になったりしていることを表しています。
ある周波数域ではちゃんとNFBがかかっていても、他の帯域ではかえって悪さをしているのかも・・
と、どんどん悪い妄想が広がっていきます(笑

オーディオ信号は20Hzから20kHzまで3octにも及ぶ広い帯域を持っているので
NFBをかけるともちろんメリットはあると思いますが、デメリットもあるような気がしています。

なんだか珍しく、長々とした記事になりましたな~(笑
といったところで1回目の試作はこれで終了。
次回は別の回路方式を試してみたいと思ってます。
 
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ヘッドホンアンプの製作 試作品その1完成



ヘッドホンアンプの試作品の第一弾を作ってみました。


前回短波ラジオをスピーカーで鳴らすために作った即席アンプを
ヘッドホンアンプとして使ってみてそこそこいい結果が出たので
今回はこれをもう少しオーディオ用っぽくモデファイしてみました。

変更点としては
・初段をトランジスタのS8050からFETの2SK170に変更。
2SK170はVgsがマイナスの領域から動作するので、
これにより入力のカップリングコンデンサを省略することができました。

・2SK170のドレイン電位をそのまま次の電流増幅段のバイアスにできるよう定数を設定。
これにより電力増幅段と電流増幅段の間にあるカップリングコンデンサも省略できました。
但し、この方法だとFETのgmのバラつきがそのままバイアス電圧に影響してしまうので
FETの選別や定数調整が必要になってしまいますが、
音質優先ということでとりあえず今回はこんな方式にしてみました。

・パーツ類をオーディオ用のものに変更。
抵抗はタクマンのREXシリーズ、コンデンサはニ?チ?コ?ンのMUSE KZシリーズに変更。
普通のパーツに比べると価格が数倍以上するのでお財布には優しくないですが
もともと部品点数が少ないので、許容範囲内ということで。



結果的にこんな回路になりました。ものすごくシンプル。
NFBなし&A級増幅の直球勝負です(笑

といったところで早速ipadにつないで試聴してみました。

一言でいうと全体的に音の密度が上がった感じ。
特にしばらくこのアンプを使って聴いたあとに
アンプを外してipad単体で聴いてみると
ぺたっと平坦な感じで立体感に乏しくなるのがはっきりとわかります。


次回はもうちょっといろいろいじってみた結果を報告します。
 

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ヘッドホンアンプの製作 キットを組み立ててみた



ヘッドホンアンプの自作を始める前に、
比較対象となるようなものがあるといいかなと思っていたところ
ヤフオクでヘッドホンアンプのキットがお手ごろ価格で出品されていたので即落札。
早速組み立ててみました。



回路構成はオーディオ界隈では定評のあるMUSESシリーズの8820を使ったもの。
入力信号を8820のみで増幅、そのままヘッドホンをドライブするというシンプルな構成。
ネットで調べてみるとこのICを使った作例も多く評判も良いようです。

ちょっと脱線しますが、このICを製造している新日本無線という会社、
戦前に紡績業で財を成し、最近は不動産売買が収益の柱になっている会社に買収され、
事業の整理・縮小を迫られているようです。
事業所の敷地も半分ほどは既に売却され、ショッピングセンターになる予定とのこと。

ちょっと前には村上ファンドに買収されそうになったこともありましたね。
金さえあれば会社を買収して好きなように出来てしまう今の制度には疑問を感じます。
MUSESシリーズもそのうち消えてしまうのでは。。。




話は戻って組み立ては30分程度で完了。早速電池を繋いで試聴してみます。

今回の試聴に使ったのはラヴェルのボレロ。
この曲はいろんな楽器がソロパートで同じ旋律を演奏するので
聞き比べがしやすく、私が試聴するときの定番になっています。
曲が小太鼓とフルートのみのごく小音量で始まり、
徐々に他の楽器も参加して音量が増してゆき、最後は大音量で終わる、
というのもダイナミックレンジを確認するうえでポイント高いです。

で、試聴結果
繊細で伸びがよくそれぞれのソロパートがとても新鮮に聞こえます。
S/Nも高くさすが定評のある石といった感じです。
ただ、曲後半のいろんな楽器が参加して大音量になるあたりでは
ちょっと表現が曖昧になる感じもしました。

とはいっても、アンプを繋がない場合と比較するとその音質改善効果は絶大。
ヘッドホンアンプの有用性をあらためて実感できました。


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ヘッドホンアンプの製作(試聴用ヘッドホン)


最近、試聴用のヘッドホンをゲットしました。
オーディオテクニカ 製のATH-AD900Xというオープンエアタイプのものです。
お値段はこれまで使っていた、同じくオーディオテクニカ 製のヘッドホンの約20倍・・・・。
ちょっとがんばりすぎたかな・・。

余談ですが、もともと私は自作オーディオ派で、
スピーカやアンプを作って楽しんでいたのですが
自宅が集合住宅なもので、あまり大きな音は出せないし
なにより音楽を楽しんでいると家族から「音がでかすぎ」と
度々クレームが入るような状況だったので(^^;
最近はすっかりアクティビティが下がっておりました。


ブックシェルフと化したバックロードホーンスピーカ


単なる物置台と化したDRW型サブ・ウーハー


初代自作アンプ。15年くらい前に作成。
当時最先端だった10万画素のデジカメで撮影したので
えらく画像が悪いです。


さて話を戻して、購入したヘッドホンを早速試聴してみました。

クラッシックとジャズを中心に聴いてみましたが、
高音はすごく伸びやか、低音はポンポンとスピード感を持って飛び出してきます。
そして音の密度がものすごく濃い。
さすが価格が20倍だけのことはあります(笑

が、家族からの評判はいまひとつ。
それはオープンエアタイプであるため音もれがして
それがそれなりの音量で周囲に聞こえるためです。


こんな感じで外側はメッシュ状になっていて中のユニットが見えるような構造
当然、外にも音が出るわけです。

家族に言わせると、
「どんな音楽聴いてるのか分かるくらい音が漏れている」
「高音がシャリシャリ聞こえてきてうるさい」

そして極め付きが

「バリバリ外に音が漏れていてヘッドホンの役目果たしてない。それってほんとにヘッドホンなの?」

・・・いえ、そういう方式のヘッドホンなんですけど・・・。
オーディオの趣味を理解してもらうのは簡単ではないことをあらためて実感しました(^^;

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ヘッドホンアンプの製作(予備実験)


前回の記事では2石のスピーカアンプを組み立てて短波ラジオキット
スピーカで聞こえるようにしてみましたが、
ふと、この回路をヘッドホンアンプにしてみたらどうかなと思い
試してみることにしました。

ヘッドホンアンプとは、携帯型音楽プレーヤのヘッドホン端子とヘッドホンの間に接続する
バッファアンプみたいなもので、最近世の中でそれなりに流行っているようです。


ヘッドホンアンプのメリットとしては以下のようなものがあると考えられます。
※あくまでも個人的な技術妄想なので正しいかどうかは不明(笑

・携帯型音楽プレーヤは小型であるゆえ、内蔵の電池の容量には制限がある。

・ヘッドホンのインピーダンスは数十Ω程度しかないので負荷的にはかなり重いはず。

・他にも携帯型プレーヤにはCPUとかバックライトなど
 電気を食いそうなデバイスが繋がっている。

・なのでオーディオ周りの電源事情はかなり苦しく、
 電圧変動などで音質にも影響出ているのではないか。

・そこで、外部電源ソースつきのハイインピーダンス入力なアンプをつないで
 そいつでヘッドホンをドライブするようにする。

・音楽プレーヤ側は負荷が軽くなってそのぶん余裕が出る。
 ヘッドホン側も十分なドライブ能力を持ったアンプで鳴らせるので実力発揮。

・結果的に音質が向上するのではないか。


といったわけで、前回のアンプをヘッドホン用に定数変更して
ステレオ用に2ch組み込んだものを作ってみました。
電源ソースはNi-MH電池(2100mAh)×4、5V動作としました。


早速自宅にあるiPadに接続して、Youtubeで適当な音楽を聴きながら
アンプの有る無しでの音質の違いをチェック。
ヘッドホンは近所の電気屋で売ってた800円くらいの安いやつ。
一応オーディオテクニカ製ですよ〜。


普段は子供が使っているiPodもちょっと借用して、そっちでも同様に違いを確認。

結果、ヘッドホンアンプを繋ぐとやはり音質が向上するようです。
主観ではありますが以下のような改善が見られました。

・音場の広がりが感じられる。コンサートホールなどのホールトーンがよりリアルに感じられる。
・強い音に潰されていた弱い音の明瞭度が上がる。弱い音は弱い音としてちゃんと聞こえる。


さらに、iPadよりもiPodのほうが音質の改善度が高くなることも確認。
それぞれのバッテリ容量をネットで調べてみると

iPad
電圧:3.8V 容量:6580mAh

iPod touch
電圧:3.7V 容量:930mAh

と、iPodのほうは容量がかなり少ないためその差が出ているのかもしれません。

またiPad/iPodとも電圧が3.7〜3.8Vなのに対しヘッドホンアンプは5Vで動作しているので
同じ出力レベルで動作させた場合、歪率特性でも有利になると予測されます。

それにしても iPadってでかいバッテリが入っているんですね~。
その分画面もでかいし重いですが(^^;


ヘッドホンアンプの効果が実感できたので、ちょっと本腰を入れて作ってみることにします。


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SGの製作まとめ




今回製作したSGのまとめです。

概要
・信号発生部には秋月の「MAX038精密波形発生キット」を使用
・周波数発振範囲はキットの仕様で610kHz〜9.2MHz
・波形発生キットで必要な±5V電源は自作 詳細はこちら
・周波数カウント部はPIC16F1823で自作 詳細はこちら

結果と今後の課題
・周波数カウント部がPICのTIMER0の仕様で分解能がいまひとつ 詳細はこちら
・現状のPICでは性能向上は難しいため、別の品番への交換を検討する
・RFプリアンプについては今回の仕様を満たす回路となった
・周波数カウント部はもう少し高い周波数にも対応できるようにそのうち回路を見直す


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SGの製作その9(PIC TIMER0の罠)



前回までの製作でSGから出力される正弦波を
マイコンが認識可能なロジックレベルのパルスに変換するところまで完成しました。
回路図としては上の図のようになりました。

あとはマイコンで周波数をカウントして、結果をLCDに出力してやれば完成です。
カウント方法としては

・マイコンのTIMER2を使って1秒のゲートタイムを生成
・TIMER0のクロックとしてSG出力パルスを入力してやり、
ゲートタイム期間に何パルス入ってくるかをカウント

というような方法で試してみました。

で、やってみたところ、低い周波数はカウントできるものの
高い周波数になると正確にカウントできなくなるようです。
あちこち調べまわったところ、どうやらTIMER0の仕様によるものが
原因であるらしいことがわかりました。


これが今回使用したPICマイコン 16F1823のTIMER0のブロック図です。
図の左側のT0CKIからSGからのパルスを入れてカウントしようという目論見だったのですが
TMR0の手前で「Sync2Tcy」と書かれたブロックがあり、
別途入ってくるシステムクロック(Fosc)でなにかしらの処理をしているように見えます。

この図の説明書きを読んでみると「TMR0にアクセスすると2システムクロック間、
タイマのカウントを中断する」などということが書かれており、さらに
「この間の遅延を調整するためTMR0の値が変更される」とも書かれています。

つまるところT0CKIでTimer0を使うと、これとは非同期のシステムクロックによって
動作タイミングが変化します、ということのようです。
また、いろいろいじってみた感じだとこれ以外にもシステムクロックが
動作に絡んでいるような雰囲気。

T0CKIのクロック速度がシステムクロックに対して十分に遅ければ恐らく問題ないのでしょうが
今回の回路構成だと、T0CKI=10MHz(Max) 、システムクロック=6.25MHz(25MHz÷4)なので
問題あり!ということになってしまいそうです。
とりあえずの対策として前段にあるプリスケーラでT0CKIを分周して、
システムクロックよりも遅くなるようにしてからからTMR0に入れてあげると
高い周波数でも安定しい周波数測定ができます。但しこれだと分解能が落ちてしまいます。

PICマイコンはTimer0以外にもTimer1というタイマを持っており、
こちらは外部入力のクロックのみで動作するためこのような問題は発生しないのですが
悲しいことに今回使った16F1823は、外部端子にシステムクロック用の水晶を接続すると
Timer1はシステムクロックでしか動作しないという仕様になってしまっているため
こちらタイマは使えません。。

仕方ないので分解能を確保するため、ゲートタイムを1s以外に10sも用意して
両方を表示させることにしました。

上段がゲートタイム1s,下段が10sの測定結果です。
SGの発振周波数を下限に設定したときの表示。



SGの発振周波数を上限まで上げたときの表示。



まあなんとか実用にはなりそうです。
構成上、これ以上はどうにもならなさそうなので
とりあえず開発は完了とすることにします。

次回、今回の製作のまとめをします。

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SGの製作その8(プローブの罠)

前回の記事で作ったFETアンプが思ったような周波数特性にならず
その原因が意外なところにあったと書きましたが、その原因とは

オシロスコープのプローブの倍率設定をX1にしていたことでした。



実際に測定した回路を示します。これの出力にあたるFETのドレイン端子に
オシロスコープをつないで波形観測をしていました。

みなさんご存知のようにオシロのプローブには寄生容量があります。
これを含めて上の回路のAC等価回路を書いてみました。



点線内がFET(FET内の寄生容量を含みます)で、右端のCdbがプローブの寄生容量です。
ドレイン抵抗R3に並列に接続される形になっていることがわかります。
Cdbが大きくなると高周波成分がCdbに流れるようになり、
回路としてゲインがとれなくなることになります。

実はこのCdb、プローブの倍率設定スイッチ(X1とかX10とか切り替えるスイッチ)によって
大きく値が異なっていたのです。

うちのプローブの場合、X10のときは5pF程度なのですがX1のとはき60pFにもなります。
X1のときのゲインの-3dB点を計算してみると2.65MHzになってしまうことになり
当然、前回測定して9MHz付近では「なにを測ってるのかわからん状態」になっていたのです。

といったところで、倍率をX10に切り替えて改めて測定してみました。



予定通り、動作していることが確認できました。
このプローブの倍率による寄生容量問題は、どのプローブも同様の現象があるそうです。
私のように低価格で帯域が狭いプローブをお持ちの方は一度確認しておくのも良いかもしれません(笑


いろいろ測定したついでに、2SK241Yのゲート電圧-ドレイン電流特性も測ってみました。



スペックシートなどでお馴染みのグラフですが、実際に測定してみると
「おー、本当にこんなふうになるんだー」とちょっと感動したのでした。

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SGの製作その7(RFプリアンプ部の製作2)



SG出力信号をマイコンが認識可能なレベルに変換する、RFプリアンプ部分の製作のつづきです。
前回ブレッドボードに仮組みした回路を、今回はユニバーサル基板に組みなおして動作の確認をしました。
FETとトランジスタの2段で増幅する構成になっています。



ところがうまくいきません。
上の図は初段のFETの入力波形(赤い波形)と出力波形(黄色い波形)を観測したときのものですが
周波数が低いとき(上のウインドウ:1MHzくらい)はうまく動いているのですが
周波数が高くなってくると満足にゲインが得られなくなってきます(下のウインドウ:9MHzくらい)。

回路自体はWEB上でもいろいろな方が紹介されているものと
ほとんど違いは無いのでそれ自身になにか間違いがあるとは思えません。
実装方法が悪いのかなぁと思ってベタアースの基板を作って組みなおしてみましたが
結果は同じ。。。



原因は意外なところにありました。

長くなりそうなので次回に続きます。

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SGの製作その6(RFプリアンプ部の製作)



今回から入力されたSGの出力をCPUが認識可能なレベルに変換する部分の製作を開始します。
FET1段、TR1段の2段で増幅する方向で、とりあえずブレッドボードに回路を組んでみました。

ブレッドボードを使うのは今回初めてなのですが、
構造上寄生容量が大きいらしく、入力信号の周波数が高くなってくると
だんだん動作が怪しくなってきます(笑

いじってみた感じだと1MHzくらいまではなんとかなりそうですが
それ以上だとあまり信頼性がなくなってくるようです。

追記:原因はブレッドボード以外にもあったようなので、周波数特性については改めて検証します。

低い周波数で動作をある程度確認したところで
ちゃんとした基板に実装して動かしてみる予定です。

次回に続く。

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