2012/03/09(金)D級アンプで電源電圧可変ボリュームに挑戦した

変調と出力とボリュームの話

D-amp-VRV-pcb.jpg

D級アンプって一度PWM等に変調してしまえば、出力段はon/offだけっていう結構面白い動きをするのですが、変調回路と出力回路を切り離して、例えば変調回路を1Vで動かして最後のスイッチ出力を10Vで動かすと利得が10倍(20dB)になったりします。

つまり、D級アンプというのは(フィードバックの要素を除けば)変調回路で基準とした電圧と、出力回路でスイッチする電圧の比で音量が変えられます。通常、ボリュームで音量を変更するほうが楽なのでこんな方法は使わないのですが、これはこれで利点があります。

  1. 出力電源電圧を高効率なDCDC等で可変させれば、D級アンプの効率を(理論上)更にあげることができる。
  2. 音声信号をボリュームに通さないので、ボリュームによる音質劣化の影響をうけない。

2つ目を狙ってヘッドホンアンプ回路を作ってみました。

D級アンプで電圧可変ボリューム

D-amp-VRV.png

電源電圧からVRで分圧し、その電圧をオペアンプで生成するシンプルな回路です。PWM変調信号をVgs=1.5Vで動くP-ch/N-chのコンプリMOS-FET*1でスイッチさせます。*2

D-amp-VRV01.PNG

上がPWM信号、下が出力信号です。MOSスイッチの関係で位相反転していますが、狙い通りうまく動きました。音声信号をボリュームに通さないため、音質もこれより優れてる感じがあるのですが……。

*1 : BSD235Cは、P/Nが1つのパッケージされたMOS-FETアレイの部品名です。

*2 : 電源電圧が±2Vなのはそのためです。±1.2だと、最後の電圧が例えば±0.1Vの時にMOSをonにできない

大きな問題が……

ボリューム(出力基準電圧)を絞ったときの出力波形が以下になります。

D-amp-VRV02.PNG

これは無音時のものですが、PWMのスイッチ波形と同期して振動が見えます。

何が起きているのかと言うと、MOS-FETのゲート・ドレイン間容量およびゲートソース間容量(Ciss/今回は37pF)があるために、PWMのスイッチ信号が出力に漏れ出しているのです。そのため大きな振動が出てしまっています……。

ここで音声入力があると次にようになります。

D-amp-VRV03.PNG

スイッチ入力による振動が漏れて、そのスイッチ振動のタイミングがPWM変調されているため(PWM信号と同期しているため)、たとえ出力用電圧が0Vであってもその音がヘッドホンに漏れ出してしまいます……。


実際何が起こったかというと、低音量時(VRによる電圧が±0.2Vや0V(無音設定))時に、音が駄々漏れし、おまけに振動による雑音が大きく聞こえます。

まとめ

±2V程度の低電圧スイッチ回路、しかもヘッドホンアンプという能率の高い再生機器では、思った以上に無謀な挑戦だったようです……。

改善策としては、

  • pMOS/nMOSの配置を逆にして、ソース接地ではなくドレイン接地に変更する。
  • 出力用基準電圧の生成を、高周波まで安定度の高いものに変える
  • 入力容量の影響を受けない工夫をする

などが考えられますが、いつもどおり回路規模をあまり大きくしたくないので、今のところ打つ手なしの状態です(汗)


世の中に電源電圧可変によるボリュームを実現したD級アンプをみかけないのは、それなりに理由があったんですね……。

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