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バランスアンプの音質調整をちょこっと [ぺるけ式FET差動バランスアンプ]

2015-02-16 00.10.03.jpg


DACばっかり触っても中々T1で低音が出てこないのでバランスアンプの方も少しだけいじってみた。



E382ADE383A3E38397E38381E383A3.PNG

前に作成した回路から上図の赤部分を変更した。

① デカップリング抵抗をショートする
② ①によって電源電圧が変動しセンター電圧が変わってしまうのでR23を75Ωからちょっと増やして85Ωぐらいにする
③ ダイヤモンドバッファ最終段の発熱がはやり気になるので4つの抵抗をショートする
④ 図には記載していなが大容量コンデンサにはフィルムコン0.1uFをパラで追加する



①は本来L,Rチャンネルできちんと電源を分けたいなら入れておいた方がいいような気がするが、
前回ぺるけ式アンプを作った時に音のくすみがちょこっと減ったので今回も取ってみた。
本当はQ21の後にでっかいコンデンサを一個置いて、そこからLch,Rch分けてさらにその先に
コンデンサを置いたほうがいいような気がするがスペースの関係上ちょっとむずかしいのでやめた。

②は①でデカップリング抵抗を外したおかげで電源電圧がもう少し高くなったのでその分センター電圧
もちょっと上げる改造。電源電圧18.5Vに対してQ3,Q4のベース電圧が10V以上になっていてバランスが
悪いと音がちょっとキツイ感じがしていたが真中付近に持って行くと落ち着いた。

③は蓋を閉めたまま長時間運用すると発熱するQ7,Q8の近くに配置しているC1とかC2が結構熱を
持ってしまいコンデンサの寿命が著しく悪くなっていたのでQ7,Q8等に流していたアイドル電流を
最大限減らした。本当はQ7,Q8は前段のQ3,Q4と熱結合しておかないといけないけどこいつらを
ちょっと離して配置してしまうという素人的な作り方をしてしまっているのでこうなるorz
R6,R7をショートさせても最終段に20mA程度流れており、熱もかなり収まったのでとりあえず良しとする。
どうせT1専用で電流食わないので20mAでも十分だろう。

④は面倒臭がってやってなかったけどノイズ取りのために念のため入れる。容量が大きいコンデンサ
ばかり使っているので電源用のコンデンサにはきちんと入れておくべきだった。今回は音質調整も兼ねて
カップリングにも0.1uFをパラってみた。音質的にはやや落ち着いた方向にシフトし、T1では聴きやすい
音になったと思う。本当は0.01uFとか1000pFとかもパラって音を確認しようと思ったけど面倒だったので
今回はやらなかった。


後やりたいところは差動回路の定電流部分とかQ21周辺のリップルフィルタ辺りをもう少し弄ってみたい。
R24を大きくしたり小さくしたりとか。

なんにせよ1年前に作った時に比べてDAC+バランスアンプの組み合わせで音場も広くなり、音の分離感、
音の実体感、音数も増えたと思う。
T1は繊細な音を出す反面ちょっと音にパワーが足りないのでもう少し低域方向に音を偏らせたい。

24Vアダプタ仕様のぺるけ式バランスアンプを作る(2) ~制作・調整~ [ぺるけ式FET差動バランスアンプ]

前回の記事でLTspiceによる動作確認ができたので今回は製作過程をまとめました。

20140330_095325.jpg





前回のぺるけ式FET作動ヘッドホンアンプ作成の記事ではぺるけ氏のサイトの製作手順に従いラグ板で制作しましたが、バランスアンプとなるとラグ板で作るのも大変そう(リンク参照)でしたので、ユニバーサル基板で作成することにしました。

色々と検索してみるとnariさんのブログがとても参考になるユニバーサル基板の配置図を公開しておられたのでそちらを参考にさせて頂きました。
Nariさんありがとうございます!

リンクは下記のURIです。
http://blogs.yahoo.co.jp/ep3_civic2004/31443660.html


今回バランスアンプの24V化を行い、コンデンサの大型化やリップルフィルタの追加、定電流回路の変更をしているので部品配置等が若干ながら変更しています。

また、前回の記事の定数で制作したところやはりトランジスタの発熱が大きかったり、きちんとした対称動作になっていなかったので回路の定数を若干変更しました。

回路図および配置図は下記の通りです。


キャプチャ.PNG
回路図rev.2

初段増幅部のドレイン電圧がセンター電圧よりやや高かったので負荷抵抗の値を若干大きくしました。
また、トランジスタの発熱によりダイヤモンドバッファ最終段のアイドル電流が50mA近く流れ、ケースに入れた際に熱暴走する可能性があったのでアイドル電流を下げる目的で22Ωだったところを3Ωに変更しています。

本当はエミッタ抵抗2.2Ωを5~10Ωまで上げれば解決しそうですがなるべく出力インピーダンスは下げたかったのでエミッタ抵抗の値はそのままにして前段の抵抗の値を下げました。これ以上下げてもアイドル電流が下がらなかったりしたのでエミッタ抵抗が低すぎることにも原因があるように思います。なんにせようまくいかなかった原因は今後の宿題としたいと思います。


タカス基盤レイアウト1.gif
Rチャンネル部+電源部

タカス基盤レイアウト2.gif
Lチャンネル部

(L-ch +やL-ch GNDといった表記は電源基板からLチャンネル基板に電源を供給するために設けているので2枚の基板の同じ表記の部分を配線するための表示です)

Nariさんのブログ記事を見るとわかると思いますがほぼ丸パクリです…
何事も最初は真似から始まるんです!という言い訳をしておきます…

部品配置に関して自分なりに考えて変更したところを強いて挙げるとすれば2つの入力信号の配置を近づけてhotとcoldの線を撚りやすくしたぐらいでしょうか。(出力信号も一応撚りやすいように近づけてます)

後は特に工夫などはなく定電流回路の変更やコンデンサのサイズの変更に伴い若干配置や配線を変えただけになります。



書くのを忘れていましたが今回はタカスのIC-301-72というユニバーサル基板を用いました。ぺるけ氏おすすめの基板でnariさんの配置図もIC-301-72用でしたので私もこのユニバーサル基板を採用しました。この基板は電源やアースラインが基板を分断する形で通っているため実装が楽なんだとか。

それと上記の基板レイアウトを作成するにあたって下記のリンク先の基板のパターン図を使わせて頂きました。
基板レイアウトはこの画像をパワポに貼り付けてゴリ押しで作成してます(汗)

http://homepage2.nifty.com/jr7dut/uni.htm

このレイアウトを基に実際に作成した写真が以下のようになります。



1.jpg
まずは背の低いジャンパからはんだづけしていきます。これが意外と面倒です。


2.jpg
次に抵抗です。


3.jpg
その次に背の高そうなトランジスタやダイオードをハンダ付けし、最後にコンデンサをはんだづけします。コンデンサはケースに入ることを確認してから実装する予定だったのでこの段階ではハンダ付けは行いませんでした。

このようにバイパス線→抵抗→トランジスタやダイオード→コンデンサといった背の低いものから順に実装していくと楽でした。


次に行ったのはケース加工です。
今回使ったケースはタカチのHENシリーズ、HEN110520です。

http://www.takachi-el.co.jp/data/pdf/08-11.pdf

試作機と言いながらも長く愛用することも考慮しまして少し高めのケースを買ってます。

また入力にはバランス入力だけでなくアンバランス入力も付けたかったのでパネルに取り付ける部品は下記のようにしました。


◆フロントパネル
・3ピンXLRメス*2 (ヘッドホンアウト)
・50kAカーブ4連ボリューム
・LED


◆リアパネル
・3.5ステレオミニ (アンバランス入力)
・RCA*2 (アンバランス入力)
・3ピンXLR*2 (バランス入力)
・トグルスイッチ(バランス⇔アンバランス切り替え用)
・DCジャック(24Vfi.Qアダプタ取り付け用)
・トグルスイッチ(電源ONOFF)


2014/5/6追加写真**************************************************

20140330_094905.jpg
フロントパネル
ヘッドホン出力(バランス出力):3ピンXLRコネクタ


20140330_094853.jpg
リアパネル
ライン入力1(バランス):3ピンXLRコネクタ
ライン入力2(アンバランス):RCAコネクタ
ライン入力3(アンバランス):3.5mmステレオミニ

***************************************************************

入力に関しては上記のように
アンバランス2系統、バランス1系統としました。
試作機と言えど今後様々な機器に接続する、誰かに譲ることも考えまして入力系統は多めにしました。

これだけのコネクタやスイッチを取り付けるとなるとスペースが結構ギリギリになってしまい適当に穴あけをするわけにもいかなそうだったのでフリーのCADで穴あけ用の配置図を作りまして下記のようにパネルに貼り付けて穴あけ作業をしました。

CADに関しては使い方がよくわからなかったので以前少しだけ使ったことがあったフリー版の鍋CADを使いました。

http://www.nabetech.com/ntcad/


4.jpg
パネルに合わせて切って…

5.jpg
マスキングテープで綺麗に貼り付けます。

今回はじめてXLRコネクタ取り付け用の大きな穴あけをするということでどうやって開けるか色々悩みましたが、研究室にそこそこ大きいボール盤があったのでホールソーを買って穴あけすることにしました。

今回は少々高価でしたがぺるけ氏の穴あけ指南ページでオススメされていたユニカ製のメタコアトリプルというホールソーの24mm経をこのためだけに買いました(笑)

http://www.unika.co.jp/products/holesaw/holesaw3.html

今後もXLRコネクタにはお世話になるでしょうしそれを考えるとそこまで高い買い物ではないでしょう。いずれはボール盤も自分で買いたいですね(笑)

実際に使ってみるとバリも少なく、穴あけも非常に楽です。3000円程度と中々高いお値段ですが買う価値はありました。これは私からもおすすめしておきます。


今回は以下の手順で丁寧に穴あけを行いました。

① CADの配置図をパネルにきれいに貼り付ける
② ズレがないことを確認した後、配置図に従いセンターポンチでガイドをつける
③ 1.5mm~2mmの経の小さいドリルで中心点からずれないように慎重に穴あけ
④ 必要経に達するまでドリルの経を1.5mm~2mmずつ大きくしていきながら複数回穴開け
⑤ 穴が空いたら大きい経のドリル(今回は12mm)を使いバリ取り

前回までは面倒だったので最初から大きめの経のドリルで穴あけをしていましたが、今回は穴あけの場所がちょっとでもずれるとパネルの取り付け等ができなくなるおそれがありましたのでかなり丁寧に開けました。

ホールソーに関しては3mm程度の穴あけを行った後に水をかけながら作業を行いました。本当は潤滑油がいいのですがなかったのでしかたなく水です。何もかけないで作業すると歯が痛みそうですし発熱がすごいです。


6.jpg
かなり時間をかけて作業を行ったので今までで一番綺麗に穴を開けることあできました。

仕上がり具合はとても綺麗です。

しかし!仕上がり具合は綺麗ですがXLRコネクタのネジの通し穴の配置を逆にしてしまっていたので穴あけをやり直してます(笑)なので上記のCADの写真の穴あけ配置も実は間違っているのですorz

どっちみちコネクタをつけたときに穴自体は隠れるので無問題です!(おい


さて、ようやく穴あけも終わり後は配線して終了かなと思っていたのですが、この時点でケースの長さがやや足りない、もしくはかなりギリギリであることに気づいたのです…

Nariさんのブログを見てタカスの基板2枚が余裕で入るんだと勘違いしてましたが、nariさんのアンプと違ってこちらは入力もバランス入力していてボリュームが4連になるのでボリュームがかなり長くなることを完全に忘れていました…

7.jpg

8.jpg

9.jpg

ギリギリすぎてケース組みも大変そうだったのでやりたくはなかったのですが致し方なくタカス基板をすこし削り、ボリュームの下のスペースを活用しました。
まあ基板を削ったり、穴あけを間違えても蓋をしてしまえば見えないので全く問題ないですね^^;

11.jpg
基板がケースに入ることが確認できたのであとは背の高いコンデンサを実装し、各入出力部品等と基板を配線します。

2014/5/6追加写真**************************************************

ちなみにきちんとケースに入れた時の写真がこれです。かなりギリギリです。
20140330_094745.jpg

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12.jpg
この段階で早速電源を入れてみて各トランジスタやコンデンサの電圧チェックをして動作が正常に行われているかを確認したり、実際に正常な音が出ているかを確認します。


今回は簡易リプルフィルタを追加していてRCの時定数がかなり大きくなってしまっているので電源投入後1分は待ってからテスターで電圧をチェックします。

結果、最終段のアイドル電流値以外は概ねシミュレーション通りとなり動作としては問題なく、T1で試聴してみて音が正常に出ていることが確認できました。


次に帯域30MHzファンクションジェネレータで矩形波を入力に入れてみてきちんと期待通りの増幅が行われているか確認します。

今回のクローズドループゲインは1.12倍程度です。アンバランス入力の場合はその半分になるようなので、そこで回路が安定動作するかも波形をみて確認します。

下記に開放負荷、アンバランス入力時の出力波形を示します。

output sine 1kHz.png
1kHz正弦波入力

1kHz 矩形波 out.png
1kHz矩形波入力


10kHz 矩形波 output.png
10kHz矩形波入力


output 100kHz 矩形波.png
100kHz矩形波入力

これを見ると波形がきちんと出ていることが確認できる一方で矩形波の立ち上がりにリンギングが発生しており可聴域外の周波数特性が少し単調減少していないように見受けられます。ただリンギングも僅かですので安定的に動作していると言えると思います。


次にバランス入力時の入力と出力の波形を示します。

バランス入力はちょっと前に組んでいたhujiwara氏のDAC9018Dからバランス出力しています。
13.jpg

ケース加工が面倒だったので未だにバラックですが、こいつの出力からコネクタなどをスルーして直接基板にはんだづけしてバランス入力での音を確認します。

構成としては
ノートPC(foobar2000)
DIYINHK製USB to I2S基板→I2S接続
Renew DAC9018D→バランス出力
ぺるけ式24V仕様バランスアンプ
バランス仕様に改造したT1(測定時はオシロスコープのみ)

という感じです。DACの詳細はまた後日に書きたいです。



InputOutput.png
バランス入力時の波形を見ると入力が4.8Vppの時に出力が5.52Vppとなっているので仕上がり利得は約1.15と設計に近い値となっていることがわかります。少し利得が低いのでひょっとしたら利得をちょっと上げれば矩形波のリンギングももう少し抑えられるんじゃないかとも思っていますので今後利得もちょこちょこ変えてみようと思います。


20kHz L R out.png
また、20kHzの矩形波を入力した際のLとRの信号を見る限りきちんとHot,Cold信号が出ています。




24Vアダプタ仕様のぺるけ式バランスアンプを作る(1) ~LTspiceによる設計~ [ぺるけ式FET差動バランスアンプ]

久し振りに更新。

秋以降は研究や修士論文で精神的余裕がなく完全にブログを放置しちゃってましたがオーディオネタは色々増えてたので今やっているアンプ設計の記事の合間にちょこちょこ書いて消化していこうと思ってます。



本題は以下から。


研究発表を終えてから社会人になる前のこの1ヶ月弱で

「beyerdynamic T1専用のバランス型ヘッドホンアンプの自作」

をやりたいと思っていたのでブログ更新のリハビリも兼ねてアンプを設計製作しながらちょこちょこ記事にまとめていく予定です。


作成することになった経緯は以下の通りです。(※茶番です)

・研究のストレスで魔が差したのか欲しかったbeyerdynamic T1を買ってしまう
⇒おお!音が素晴らしい!さすがフラッグシップモデル!
⇒ん?ネットで調べてみたらバランス化するともっといい音になるらしい!
⇒バランスアンプ欲しい!金もないし電子工作もしたい!
⇒だったら安価にぺるけ式バランスアンプを作ろう!
⇒なになに?ぺるけ式アンプは68Ω程度のインピーダンスのヘッドホンに最適な設計みたいだぞ・・・
⇒だったら電源電圧を上げて600ΩのT1専用のアンプを作ろう!
⇒とりあえず試作1号だし電源回路まで作るのは金がかかるし面倒そうだなぁ・・・
⇒だったら使ってなかったfi.Q用の24Vアダプタを流用しちゃおう!



といった感じで欲望(笑)が抑えきれなくてT1を買ってしまい、バランス駆動の音も聴きたくなってしまったのでぺるけ式ヘッドホンアンプを自分で定数変更にチャレンジしてT1専用のアンプを作ることにしました。

ぺるけ式FET差動バランス型ヘッドホンアンプについては以下のURIを御覧ください。
http://www.op316.com/tubes/balanced/balhpa.htm


半年以上前にぺるけ式FET差動ヘッドホンアンプを作成した際には非オーディオグレード部品で作ったアンプとオーディオ用部品で作ったアンプを比較したりしていましたが、予想以上にお金がかかってしまいました。

今回は回路定数も自分で変更するということで手探りな部分が多々あるため、まずは安価な部品で試作機を作ってみることにしました。うまくいったら後日改めて部品や回路に工夫をこらしたものを作ろうと思います。





では前置きも終わったので回路設計についてです。


回路定数を変えて動作を確認しなければならないのでまずはLTspiceを使ってオリジナルの回路での動作を確認し、ぺるけ氏のアンプ解説ページ等を見ながらあーでもないこーでもないとLTspiceと1週間弱格闘しました。まだまだわからないことが多いのですがやっと試作しても問題なさそう(※根拠の無い自信)な回路が出来上がり、部品の注文までこぎつけました。



キャプチャ2.png
<クリックで拡大します>

今回は試作機ということで回路構成はオリジナルの回路( http://www.op316.com/tubes/balanced/balhpa.htm )からほとんど変更せず、主に定数の変更を行いました。


大きな仕様変更としては

・24Vアダプタを使って電源電圧を24Vまで引き上げる(実測23.8V)
・電源回路にトランジスタによる簡易リプルフィルタを追加する(図の左側)
・初段増幅部のドレイン電流を多めに流す
・定電流回路をカレントミラー回路からNFB回路?に変更する
・仕上がり利得を減らす
・出力インピーダンスを少し下げる

などです。


本当はダイヤモンドバッファのアイドル電流をもっと多めに流そうと思っていましたが電源電圧を24Vまで引き上げたことによりトランジスタの発熱が増えてしまったのでアイドル電流はオリジナルよりもやや増やした30mAとしました。T1のインピーダンスが600Ωもあるのでアイドル電流は30mAあれば実用上の音量でAB級動作になることはなさそうです。

また、電源電圧の引き上げとドレイン電流を多めに流すことで最大出力アップと歪率を改善を試みました。どちらも欲張って引き上げを行っているためトランジスタや抵抗の発熱が増えました・・・どれも定格の1/2~1/3以下ですがやはり発熱が若干不安です・・・静的な動作解析では問題なさそうですが実際に信号を入れた際にどれぐらい発熱するかをあまり考えていないという・・・

仕上がり利得を減らしたのはバランス駆動のアンプが通常のアンプよりも利得が2倍になるためです。接続する予定のDACのバランス出力も2Vrmsを想定しており、ボリューム調整のことを考えて利得を下げました。今回の設計値では利得はおよそ1.15倍です。バランス駆動なのでヘッドホンにはその2倍の電圧がかかるはずなので音量不足になることはないと予想してます。(もしかしたらDX50の1.5Vrmsの出力だと厳しいかも・・・?)




2014年3月13日追記******************************************************************
バランス入力の場合は利得が大きいですが、DX50の出力などのアンバランス入力を入れた場合は利得が2倍にならず1.15倍のままなのでもしかしたら音量不足の可能性あり。

また、帰還抵抗を120kΩから56kΩ(図のR19,R20)に下げるとアンバランス信号を入力した際の歪率が結構上昇しました。このことからバランス入力オンリーで使うなら利得は下げてもいいがアンバランス入力オンリーで使う場合は利得を上げる必要があることがわかりました。とは言っても1V出力未満ではそこまで歪率が大きいわけではないので実用上はそこまで問題にはならないと思います。
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定電流回路をカレントミラーからNFBに変えたのは単にシミュレーションしてみてNFBの方が歪率が少し低かったからという理由です。カレントミラーの方が低電圧で駆動するようですが初段JFETの共通ソース電位の変動もほぼないようですし定電流特性はNFBの方がよさそうだったので変更しています。この辺はまだ自分でもよくわかっておりませんorzきちんと勉強が必要です・・・

出力インピーダンスに関しては正直エミッタ抵抗を2.2Ωまで下げる必要はないと思いましたが今後このアンプをカスタムIEMで使用することもあるかもしれないので2.2Ωまで下げることにしました。



以下実際にシミュレーションしてみた時の波形です。

キャプチャ5.PNG
赤:Hot入力、水色:Cold入力、緑色:Cold出力、青色:Hot出力

動作時の入出力波形で1kHzの正弦波を入力しています。

利得が1.15倍程度なのでほとんど増幅はしていません。オペアンプだと利得が少なすぎても高すぎても回路が不安定になるとか聞いたことがありますが、この回路だと利得が少なくてもシミュレーション上では安定した動作をしています。実際に作って不安定になって利得を上げることになっても抵抗を2本変えるだけですのでまずはこれで作ってみようと思います。

また、この回路は反転増幅回路になっているので作成する際に接続を逆にしてしまわないように注意する必要がありそうです。


キャプチャ4.PNG

これは上記のCold出力の波形をFFTにかけてみたものです。FFTの方法や条件によって傾向が色々変わってしまうようで適切なFFTができているかはわかりませんがこの結果によると1V出力時の高調波は4次ぐらいまで出ているようです。


シミュレーションの際に別に.fourコマンドを用いてこの回路のTHD(THD+Nではない)を計測して結果が以下のログです。条件は上記と同様1V出力です。

N-Period=1
Fourier components of V(coldout)
DC component:-9.21406e-005

Harmonic Frequency Fourier Normalized Phase Normalized
Number [Hz] Component Component [degree] Phase [deg]
1 1.000e+03 9.946e-01 1.000e+00 179.86° 0.00°
2 2.000e+03 5.689e-05 5.719e-05 82.38° -97.48°
3 3.000e+03 1.134e-05 1.140e-05 -169.32° -349.17°
4 4.000e+03 3.725e-07 3.746e-07 11.17° -168.69°
5 5.000e+03 3.222e-07 3.240e-07 0.76° -179.09°
6 6.000e+03 2.535e-07 2.549e-07 -0.31° -180.16°
7 7.000e+03 2.153e-07 2.165e-07 0.19° -179.66°
8 8.000e+03 1.894e-07 1.905e-07 0.22° -179.64°
9 9.000e+03 1.703e-07 1.712e-07 -0.07° -179.92°
Total Harmonic Distortion: 0.005832%

この結果はノイズを考慮していないのでぺるけ氏が実測した数値と単純比較はできませんが電源電圧を24Vまで引き上げたおかげで出力を上げた際の歪率がオリジナルよりも下がっているようです。これならハイインピーダンスのT1でボリュームをかなり回しても音が歪みにくいと思います。

また、THDが0.1%に達した際の出力電圧が6.4Vでした。これならT1で爆音レベルの音量を出しても余裕だと思います。


キャプチャ6.PNG

最後に周波数特性です。
ゲインをオリジナルの2.3倍から半分以下の1.15倍にしたことで周波数帯域が伸び、100kHzから400kHzになりました。これによる音質変化があるかは謎ですがどちらにしても十分な特性だと思います。


上記の通り電源電圧を上げたことによる素子の発熱が若干不安ですが、一応この回路で試作1号を作ろうと思います。
今は足りない部品を注文して部品待ちなので来週末ぐらいには作り終えたいところですね。

使用した部品やかかった費用などは次回の制作後の記事で書こうと思います。


それと、T1購入のみならず、ES9018搭載のDAC基板も組み上げて音出しまでできているのでそちらの記事もT1のレビュー記事同様近日中に書こうと思います。3DDは・・・ちょっと気に入らなかったので多分書きません(汗)
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