nabeの雑記帳

Chu-Moyヘッドホンアンプを使ってオペアンプの安定性を検証してみました。

• 使用した回路
• 実験
  • 電源電圧とクリップ
• 評価
  • NJM4580, NJM2114, NE5532
  • OPA2134, OPA2604
  • LM4562
  • AD8066
• まとめ
  • 追記

※この記事でsin波に対して単に電圧といった場合、0-p（ゼロピーク）電圧を示します。例えば、2Vのsin 1kHzは v(t) = 2sin(2π×1000t)です。

使用した回路

• ゲインは+1倍です。
• 出力には32Ωのイヤホンを付けました。
• Ｌチャンネルだけテストし、Ｒチャンネルの入力はGNDに落としました。

１倍アンプは発振しやすいので実用としては作らないでください。今回はあくまでテストのためです。

実験

「出力電圧が0-p電圧で1Vになるよう」に調整して入力しました。（ボリュームに対しては1.6Vの入力を与えました）。

電源電圧とクリップ

いわゆるオーディオ用オペアンプを用いて、波形がクリップする様子を示します。

opamp	1V/8V電源	1V/12V電源	1.5V/8V電源	1.5V/12V電源
NJM4580
NJM2114
NE5532
OPA2134
OPA2604
LM4562
AD8066

波形が歪まずに（寄生発振を含む）出力できるおよその限界電圧も測定しました。電源電圧は8Vです。ついでにオープンループゲイン等ものせておきます。*1

評価

NJM4580, NJM2114, NE5532

安定したICです。よく使われるのも頷けます。音質を評価されることは少ないようですが、回路の安定という意味では良いICです。

OPA2134, OPA2604

音質が良いと言われさかんに使われるICですが、電源電圧に対する出力の余裕がとても少なくなっています。音楽再生時1Vも出力したら（普通は）うくさくて聞いていられないという感じですから問題ないと言えば問題ないのでしょうが、低能率ヘッドホン駆動時は辛くなります（電圧不足になります）。よく言われるOPA2604は電源電圧が8V（±4V）では足りないの足りないとはこういうことです。

いろいろいじった感じでは、OPA2134の方がやや回路などの影響で発振しやすいものの、共に（クリップさえ起きなければ）安定した（発振しにくい）ICです。

LM4562

ゲインが140dBもあり発振しやすいICです。オシロの写真ですべて発振していますが、これは電源不足などとは関係なく単に帰還のかけすぎです。

Rf=0Ω（１倍アンプ）のままでは発振してしまい、まともに使うことができません。CMoy型でこのICを使用する場合は、最低でも５～６倍（Rf=10kΩ）程度のゲインを設定するべきです。実際、Rf=10k（5.5倍）のとき電源8Vで1.2Vまで出力できました。その先はクリップするだけでしたので、ゲイン設定をきちんと行えば安定して使えるようです。また、負荷インピーダンスを50Ω程度にしても使えるようです。*3

ネット上を見ると回路を調べず（増幅率も調べず）単純にLM4562に載せ替えてる方が居るようですが、本当に使いこなせてるのかとやや疑問を感じます。ループ外出力抵抗なし、＋１倍動作ではまともに動かないでしょう。

AD8066

広帯域、高スルーレートオペアンプですが、思ったほど発振しません。思ったほどというのは、写真のとおり「ゲイン１倍で出力を大きくとっても」という意味ですが、回路の作り（設計）が甘いと発振する印象があります。OPA2604等の電源電圧不足による発振を除けば、それよりも発振しやすくLM4562よりは若干安定という感じです。

このICも１倍で使うのは無理があります。ケーブル程度の容量負荷（56pF程度）で簡単に発振します。最低でも５～６倍で使用すべきです（もしくはきちんとループ外に数～10Ωの抵抗を付ける）。

まとめ

オペアンプの主な発振要因は２つで、電源電圧不足による発振と帰還のかけすぎ（＋容量性負荷）による発振のようです。今回ためした中では、OPA系は前者によって発振しやすく、AD8066/LM4562は後者によって発振しやすいようです*4。ソケットの直下にフィルムコンを付けると一応安定しましたが、どちらにしろ＋１倍動作はお勧めできません。高性能オペアンプでは出力抵抗を付けましょう。

追試をしたときは上のリストに追加しようと思いますが、OPA627とか高すぎですのでその辺は多分しない予定。

少々技術が要りますが、（ヘッドホンアンプではなく信号ラインアンプとして）使いこなせればLM4562は良さそうです。AD8066も好みですが。

追記

LM4562などは「unity gain stable」と書かれていますが、これは出力抵抗をきちんと付けた場合のお話です。安定動作のために出力抵抗はきちんと付けた方が良いです。

※2009/02/15 全面修正。

自作のヘッドホンアンプと比較のため、CMoy式のヘッドホンアンプを作成しました。

• 回路図
• 実装上の注意
• 発振のお話
  • 発振させないために
• 高性能オペアンプの発振防止と出力抵抗
• Zobelフィルタによる発振防止
  • 理屈など

続きを読む

このヘッドホンアンプは当ブログの中で、初代に当たります。こんなんでもヘッドホンアンプになるんだという感じであって音も別段悪くはないのですが、成熟度の面から以下の新しいものを推奨します。

• （改良型）FETヘッドホンバッファアンプ
• （新型）オペアンプを使用した低電圧ヘッドホンアンプ

このアンプはいわゆるダイアモンドバッファのみのアンプで、どこにでもある部品（2SC1815/2SA1015）で作ることができます。出力電圧範囲が狭い問題などもありますが（高能率ヘッドホンならば十分な音量が出せる）、ちょっと試すには面白いと思います。こんな回路なのに、音も決して悪くありません。

概要

• 単３電池２本で動く、とてもシンプルなヘッドホンアンプです。
• トランジスタ式ですが、オペアンプ式＋少々の手間で製作できます。
• 解像度が非常に高く、立ち上がり立ち下がりの大変良い音です。
• 低音から超高域まで綺麗に再生するNO-NFB型DCアンプです。
• LM4880よりいい音がします。
• 大音量は出せません。出力レベルが低い再生機器とは接続できません。また低能率ヘッドホンでは駆動力不足になります。
• 歪み率が（音量によりますが）最大1%程度あります。

回路と解説

回路図は片チャンネル分です。電源以外はもう１つ製作してください。

• 単３電池２個、特にニッケル水素電池でも動作できるように回路定数を決めています。
• R1は発振防止用です。当然無い方が歪み率がよいのですが、外したり（短絡したり）これ以上小さくすると入力ボリュームの位置によって発振することがあります（特にGNDに落としたとき）。*1
• コンデンサはOSコンだと音質か良いと思いますが、動かすだけなら何でも構いません。音響用コンデンサ(Muse,UTSJ等)でも構いませんが、コンデンサは音質に直結します。
• ボリュームは専用の記事を参照。
• 回路の抵抗値や電源電圧は安易に変更しないでください。無闇に電圧をあげるとトランジスタが熱暴走する（壊れる）可能性があります。
• 部品点数が少ないので好みに応じて音響用抵抗を使うと良いと思います。特にNO-NFBなので抵抗が与える音質への影響は大きめです。1Ωの抵抗がない場合は少し大きく（～4.7Ω）しても構いません。適当な１Ω抵抗は今のところMPC78 1Ωです。無誘導巻線抵抗の方が音がいいのですが（OHMITEとかDALEとか）。
• R2/R3の100Ωは1mA程度のCRD（定電流ダイオード）でも構いません（こちらを参考に）。

再生について

• このアンプはAB級動作ですが無音時の消費電流は大きめです。電源電圧やトランジスタにもよりますが、片チャンネルで常時10～15mA、両チャンネルで20～30mA消費します。
• OSコンを使用した場合、エージング（電池をつないで放置する）は１００時間程度必要なことがあります。
• 電池の電圧が下がってくると音が歪みます。音が歪んだら電池を交換してください。ニッケル水素に比べ非経済的ですが、オキシライド乾電池やアルカリ電池を使う方が歪みは少なくなります。
• 2500mAhのニッケル水素２本で（音量によりますが）連続２４時間以上再生できます。

詳しい解説

詳しい方はすぐわかると思いますが、ただのダイアモンドバッファ回路です。

ヘッドホンで音楽を再生しているとき、その信号（電圧レベル）は通常入力電圧よりも小さくなります。オペアンプの利得は少なくとも80dB程度あり、オペアンプ入力端子ではピーク0.1mV程度の信号（電圧差）を扱っています（小さい音ならば1uV以下）。回路中に小さな信号が存在するということは、それだけ電源や外来ノイズに弱くなることを意味しています。

最近の再生装置（ラインアウト）は+4dBuと言われ、ヘッドホン直結時には（電流不足は別として）音割れして聴けないぐらいの信号が出ています。ほとんどのケースで、再生装置出力側の最終段にオペアンプが付いていてバッファしています。

あまり意味のない*2再生装置側のオペアンプを排除してしまうという割り切った考えでこの回路は作られています。

• デメリット
  • 負帰還回路が存在せず最大1%程度の歪み率が代償となっている。
  • 出力インピーダンスがオペアンプ帰還使用時ほど下がらない（0.1Ω未満か、0.5Ωかの差）。
• メリット
  • （負帰還回路がないので）超高域まで優れた立ち上がり特性を得られる。

メリットについて解説します。オペアンプではその高い利得から周波数追従性を優先すれば回路が不安定になります。発振しないように収めこまれていても、位相特性の変化は避けて通れません。オーバーシュートもその１つで（これは顕著な例であるだけで他にもある）波形の乱れによる音質劣化が避けて通れません。

NO-NFBといわれるオーバーオール帰還のない回路では、波形くずれのない優れた高周波特性を得ることができます。

また、一般に両電源を作るため006P（9V乾電池）から生成する回路がよく使われますが、この回路は両電源回路です。中点からGNDを生成する回路では、電流を流したときに（大きな音が鳴ったときに）GNDの電位がゆらいでしまい音がぼやけます。*3

音質評価

以下の部品は当時のもので、今もって推奨しているわけではありません（特に上２つ）。

• ボリューム　アルプス製ミニデテント10kΩ
• 抵抗　タイヨーム音響用抵抗（30円/本）
• トランジスタ　2SA1015/2SC1815
• 電源　SANYOニッケル水素 2500mAh

大変にクリアな音です。ノイズは皆無。再生装置の音が如実にヘッドホンから出てきます。音の立ち上がり、立ち下がりが非常によく超高域まで綺麗に再生され、それでいて刺々しさは微塵もなく非常になめらかな音がなります。DCアンプだけあり、超低音まできちんと再生され、またその低音がきちんと止まります。ビートを打つような曲で変にもわもわすることはありません。

LM4880と比べると、LM4880の再生音が雑に感じます。そしてLM4880の高域がまるい（スライドガラス越しに聞いている）印象です。（LM4880は決して悪い音ではないのですが……）

（音量によって）歪み率が最大1%程度ありますが、通常再生時に歪みを感じることはありません。ただし、電池の電圧が下がると歪みます（このときは電池を交換します）。電源を入れて１時間ぐらいで鳴り方が変わり、より良くなります。

NO-NFBですので、NO-NFBアンプの製作について（マイナーオーディオの部屋さん）の解説はそのまま当てはまります。