2021/07/26(月)D級ヘッドホンアンプと出力フィルタと負帰還

Twitterにも書きましたが、D級ヘッドホンアンプ Ver2 / pwm-hpa2をいじっていました。

出力フィルタの意味と役割

pwm-hpa2_1ch.png

D級である限り、出力フィルタは避けて通れないものです。この出力フィルタ(L5/C5)は、高周波のスイッチノイズを除去するために入れていますが、再生音を良くするためというよりは、余計なノイズ(電波)を巻き散らかさないためという意味合いが大きくあります。

第2世代と呼ばれるD級アンプは、原理的に「LCフィルタを入れなくても十分に放射ノイズ(EMI)が少ない」ことが利点として挙げられています。TPA3110D2なんかもそれです。

ノイズの問題を一旦おいておけば、L5があったほうが良いか、無いほうがよいかは難しい問題ですが、うまく動作させられるならばL5は無いほうが良さそうです。実際、TPA3110D2アンプの音が良いのは、そういう点も影響しています。

出力フィルタの影響をなくしたい!

フィルタを無くすというわけにはいかないものの、フィルタの後ろからフィードバック(負帰還)をかけて出力フィルタの影響を少なくするということは可能です。*1

D級アンプICですと、フィルタ前のフィードバックをやめることはできませんが(ミックスした負帰還になる)、自作回路ならL5の後ろからのみフィードバックすることは可能ですので、試してみました。

まず通常動作時です。(1)がL5の手前で、(2)がL5の後の波形になります。32MHzでスイッチしており、出力ではこのスイッチノイズが減っています。

pwm-hpa2_lpf1.png

次にL5の後ろからフィードバックをかけた波形です。

pwm-hpa2_lpf2.png

発振周波数が下がり、出力に±5Vのsin波が出ていますが(おそらく共振と思われる)、音質はこのほうが良い感じでした。

まとめ

AB級アンプで同じことをすると発振します。(自励式)D級アンプは元々発振させるものですので、どうせ発振させるのならフィルタの後ろから負帰還かけても良いんじゃない? という実験でした。

このまま使うのは躊躇しますが、もうひと工夫すれば pwm-hpa2 を更に進化させる可能性もありそうです。

D級ヘッドホンアンプ Ver2 / pwm-hpa2

はてブ数 2016/05/28 電子::HPA

D級ヘッドホンアンプを、専用ICを使わずに、超高速(35MHz)に発振させ、電池2本という低電圧で動作させた、画期的かつ高音質のアンプです。

目次

D級ヘッドホンアンプの回路を公開して早4年。ようやくキットにしても良いかなという音質になったので、Ver2として公開します。

はじめに

過去、D級ヘッドホンアンプを実用化した例はほとんどなく、あったとしてもスピーカー用のD級アンプに抵抗を繋いでヘッドホンを鳴らしていた程度でした。

4年前、専用ICを使わないD級ヘッドホンアンプの回路公開して以来、たいへん多くの方に作って頂きましたが、D級の欠点である「高域の再現性」がやや劣る問題がありました。

それから2年後に、VerUpとして高速コンパレーターとロジックICを使った高速発振回路により、高域の問題を解決。それにより本格的なヘッドホンアンプへと進化しました。

本回路はそれを更に改良したものになります。

Ver2の特徴

  • 音を歪ませることなく35MHz発振させている
  • 出力バッファが6パラになり、低インピーダンス出力になった。

D級アンプは発振周波数が速ければ速いほど音も性能も格段に良くなるのですが、一般的なMOS-FET素子はそこまでの高速動作に追従できません。例えば、かの有名な「TA2020」の発振周波数は300KHz程度(本アンプの100分の1)しかありませんし、市販されているほとんどのD級アンプ素子は1MHz以下の発振周波数です。*1

このヘッドホンアンプは超高速ロジックIC(中身はMOS-FET)をパラレル使用することで、高速性と低出力インピーダンスを実現しています。ちょうど、バイポーラトランジスタのLAPT素子と同じ思想で、遅くて大きいMOSを使わずに、速くて小さいMOSを複数使用することで高速性と低インピーダンス化を同時に実現しています。

また発振周波数が速くできても、周波数が速くなればなるほど左右チャンネルが互いに干渉して音が歪むという現象も発生します。この問題を解決するため、左右のコンパレーター電源を分離するなど回路上の工夫をし、プリント基板のレイアウトも色々と工夫しています。

*1 : 最新のものでようやく1.5MHzとかそういうレベルです。

回路図

pwm-hpa2.png

  • 回路原理は元の記事を参照してください。
  • 電池は2本専用です。4本だと音が歪みます。
  • R1/R2は結合や誘導による信号の回りこみを軽減するフィルタを構成しています。とても重要です。
  • 全消費電流:約55mA(単3ニッケル水素で40時間程度)

音質

おそらく言われなければ誰もD級アンプだと気づかないと思います(苦笑)

手元の環境では、低電圧ヘッドホンアンプVer3(op-dbuf3)の回路と、双璧のような感じになっていまして、音質的に抜きつ抜かれつデットヒートを繰り返しています。

op-dbuf3と比べると、好みもあると思いますが、こちらのほうが音は良いかと思います*2。更に改造したい人は、配線が大変ですけどもチップ抵抗に載せ替えてみても良いかもしれません。

*2 : op-dbuf3も改良すると今より音が良くなる模様で、その際の比較は難しい。今までの基板でも簡単に再現可能なのでキットの説明書に改良方法を書いてあります。検証が終わったら記事にも反映させます。

キット化

pwm-hpa2.jpg

低電圧HPA(op-dbuf3)と同じTB-56ケースに入るようにレイアウトしてキット化しました。高速ロジックICの、NC7WZ16がとても小さいのでハンダ付け難易度は高めです。

また入出力端子には4極ジャック(GND分離対応)を使用しました。3極でもそのまま使用できますし、4極仕様のヘッドホンをお持ちの方は、一味違った音質を楽しめます。*3

*3 : 4極のピンアサインはプラグ先端からL/R/LG/RGです

購入はこちらから

関連の頒布物もリンクしておきます。

販売元(メーカー)がBispaになっている商品については、品切れの際はBispa様にお問い合わせください。ついでに、op-dbuf3もGND分離対応になりました。

その他

  • 手元の環境では十分にテストしていますが、きちんとハンダ付けされ、かつ、ちゃんと電池が残っている状態で音が歪むなどの問題がありましたら、具体的にコメントにてお知らせいただければ幸いです。*4
  • オシロで観測すると出力にスイッチノイズが若干残っているのは仕様です。再生音には影響はありません。むしろ、スイッチノイズを完全に消そうとすると音質が悪化します。
  • ユニバーサル基板で再現するのはかなり大変だとは思いますが、絶対に不可能というわけでもないとも思いますので(この辺使えば)、興味ある方の挑戦をお待ちしています。

*4 : その場合、基本的にはR3/R4/C3/C4のいずれかの値を大きくする(3Kや330pF)他解決法はありません。ご了承ください。

作例ほか

感想・作例、心待ちにしています。

2015/08/20(木)D級ヘッドホンアンプ、強化パーツセット

自励式D級ヘッドホンアンプの改良版掲載以来、ずっと要望され続けてましたが、ようやくBispaさんで販売されることになりました。

変換基板を単品で製造すると大赤字になるので、なかなかタイミングが作れず10ヶ月もおまたせしてしまいました。

30MHz25MHz発振する未体験のD級アンプを、よかったら試してみてください。すごく良い音しますよ。

ブログ

adiary開発もようやく一区切りが見えてきてハードいじりを色々していきたい感じの今年後半の目標です。当ブログもadiary Ver3に入れ替わってます。おかげでスマホからも見やすくなり、咄嗟の時にスマホから記事編集が楽々できて大助かりです。

昨日ぐらいに上のドロップダウンメニューを整理して見やすくしました。検索機能も強力なので古い記事をお探しの方は活用してください。

最近の遊び道具

Raspberry Pi 面白いですね。某所から入手した「Pi 2」で遊んでます。何がびっくりって昔家サーバにしていたC3-500MHzマシンより何倍も速いことです(苦笑)

Raspberry Pi Model B+をずいぶん前にAmazonから購入していたのですが、購入直後ぐらいに Pi 2 が登場して、結局使わないままお蔵入りしてます。

こんな小型でこれだけ高性能だと色々作りたくて夢が膨らみます(笑)

低電圧ヘッドホンアンプ Ver3 (op-dbuf3)