2012/07/25 ※本稿はC81でのstrvさんのサークル同人誌への寄稿原稿を元に書き起こしました。
寄稿原稿のpdf版 : strv-c81-nabe.pdf
C80の寄稿もお願いされたのですが暇はあってもネタがなくて挫折しました。C82は特に依頼されてなかったりというnabeです。
今回は電源とノイズのお話。間に合わないと思っていたデジタルオシロが無事届いたので少し頑張りました。普段何気なく使っている電源ですが実際の動作はどうなっているんでしょうか。スイッチング回路がよくて3端子レギュレーターが良いという話は聞いてるけど実際どこまで違うのか？ そんな話を少し調べてみました。
なお、回路の基礎知識は下記URLを参考にしてください。
2012/04/25 オシロスコープで電源ノイズを測ろうとすると、色々と問題があります。
同相ノイズ対策として「差動プローブ」というものが市販されていますがオシロスコープが買えてしまうぐらい高いため困っていました。
もっと安価に、お手軽に測定するための差動プリアンプを製作しました。
差動プローブと同じものをと考えると結局コストに跳ね返るので、ある程度割りきって作りました。
この割り切りをすることで、コストを抑えたままSNR等の性能をある確保することができます。
100MHzのsin発生器がないため確認はしていませんが、データシートを見ての設計上は確保したつもりです。
| 部品番号 | 部品 | 数 | 備考 |
|---|---|---|---|
| U1 | LTC6405 | 1 | 完全差動オペアンプ(900MHz,1600V/us) |
| U2 | LMH6629 | 1 | ローノイズ高速オペアンプ(800MHz, 690V/us) |
| R1-2,R7-R9 | 高精度金属抵抗 1KΩ 0.5% | 5 | LGMFS25-102D |
| R3-R4 | 高精度金属抵抗 10KΩ 0.5% | 2 | LGMFS25-103D |
| R5-R6 | 高精度金属抵抗 100Ω 0.5% | 2 | LGMFS25-101D |
| C1,C2 | OS-CON SEPC 6.3V/1500uF | 2 | 6SEPC1500M |
| C11,C12 | 無極性電解コンデンサ 22uF(10uF) | 2 | ECE-A1VN220U等 |
| C21-C24 | PSチップフィルム 0.1uF | 4 | ECP-U1C104MA5 |
| C31-C34 | PPSチップフィルム 0.01uF | 4 | ECH-U1C103GX5 |
| C41-C44 | PPSチップフィルム 1nF(1000pF) | 4 | ECH-U1C102GX5 |
| SW1 | 2回路電源スイッチ | 1 | 100DP1T2B4M6QE等 |
| J1 | ターミナルブロック3P（縦） | 1 | 秋月のTB112-2 |
| J2 | BNCコネクタ | 1 | 0731000131 |
思い返すこと昨年夏。自作派ではもっとも有名なD級アンプであろうTA2020アンプのあるところへ、まだ回路調整中だったTPA3110アンプ(D級アンプ)を持ち込みました。そのとき、TPA3110D2アンプは高域の歪み音が顕著に目立って惨敗。
その後、フィルターを何度も何度も調整し、自前フルレンジ(8Ω)だけでなく、マルチウェイスピーカー(Victor SX-300/6Ω)でも確認試聴をしてようやくキットの頒布にこぎつけたわけですが、TA2020との比較試聴はできずじまいでしたので、先日ようやくリベンジマッチをしてきました。
TA2020
TPA3110D2アンプは回路図どおりで、おまけに出力ノイズが多くて有名な安価で入手できる秋月15V/1.2A SW電源。
再生装置はいつものDAC。
TA2020はもう古いチップなのですが、やっぱり聞いてみるとかなりいい音でなっています。優秀です。
負けたらやだなあ……と思ってTPA3110D2アンプに取り替えてみたら、とりあえず負けている感じはなし。全体的にTA2020より明瞭さと定位が改善した感じで軽快に鳴らしていました。
負けてない、多分勝った……というかようやく勝てた（苦笑）
どうだこのブログのアンプすごいだろう！ とはならなかったり（苦笑）
さすがにチップが作られた時代の差がありまして、TPA3110D2は駆動方式が従来のD級アンプとは異なります。新方式のD級アンプは放射ノイズ(EMI)が従来のものより格段に低く（詳しくはTiのサイトを見てください）、出力フィルタにコイルを使う必要がありません。
つまり
といった特徴があります。だから、TiのTPA3110がすごいだけなのですけど、それにしてもTA2020も（作られた時代を考えたら）優秀だなと改めて感心しました。
TA2020はアルプスのミニデテント（RK27）で、TPA3110D2はRD1610Gだったというハンデはあったので、どこまでがアンプの差かは分からない部分もありますが（汗）
最近某所で名前をみかけたTPA3122D2は、TPA3110D2より以前に作られた旧方式のD級アンプです。なんで今頃そっちの旧方式チップをプッシュしてるのかよくわからないのですが（苦笑）
SX-300の所有者様もTA2020の所有者様も好みの音だったらしく少し欲しがってました。ちなみにSX-300所有者様はTPA1517の時はあまり欲しがられなかったので少し悔しくもあるのですが(^^*2
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。
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。
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
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……。
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。
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。
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。
±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、
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……。
2012/03/04 ※新しい記事：ジッターの基礎（XOとTCXOとMEMSを聴き比べ）
最強「PCM2702 USB-DAC」の製作 / PCM2702-v2の頒布を１年ぶりに再開しました*1。すでに申し込み来てますけど、数に限りがありますので確実に欲しい人はお早めに。
１年ぶりだし、回路も変更されてるし部品表が正しいか不安もあったので*2、組み立てて動作と部品表の確認をするついでにジッターの少ないLow Jitter XO（水晶発振器）の音質がどれくらいなのか確認してみました。
「ジッター 音質」とかで検索すると色々と出てきますが、DACなどにおいてクロックの精度が音質に影響することは知られているものの、発振周波数安定度(ppm)が良ければ音が良いと勘違いしている人もかなり多いのではないでしょうか。それは多分、DACのクロックを「TCXOに載せ変えて音が良くなった！」という記事が多数あるせいでしょう。
ジッターというのは１つのクロックと次のクロックの間の時間ゆらぎ（位相雑音）のことで、これが狂ってしまうと再生する波形が歪んでしまいます。次のグラフはどちらも同じ5Hzのクロックですが、ジッター量がまったく異なります。
TCXOというのは「温度補償付水晶発振器」のことで、周囲温度が変わっても発振周波数が変化しにくいように補償された水晶発振器のことです。ある期間（例えば１秒間）のクロックの個数を補償しているだけで、ジッターとは何の関係もありません。ある区間のクロック個数が規定値内に収まるように保証しているだけですので、実際のクロックは上のグラフのどちらの波形でも構いません。
よって、ジッター低減のためにTCXOを使うのはあまり意味のない行為なのです。*3
水晶発振器にはTCXOのような温度補償があるタイプのほか、ジッターを低減したタイプの発振器があります。FXO-HC53シリーズやCB3シリーズがそれです。
内部構造は書かれていませんが、おそらくVCO(PLL)（参考）を使用して低周波のジッターを低減しているのではないかという情報をいただきましたので載せておきます。
最強「PCM2702 USB-DAC」の製作 / PCM2702-v2にFXO-HC53-12MHzを載せて実際に音がどのように変化するか確認してみました。
……しかし、単に乗せ変えただけでは全く動作しません。よくよくデータシートを見てみると消費電流が20mA!! CRフィルタを弱めたり色々と細工をしてようやく動作させることができました……。
特別音がよくなることはなく、TCXOに比べほぼ同等か少し劣る音質となりました。
予想と異なるこの結果はFXO-HC53やCB3等の低ジッタ発振器が20mAを超えるような電流を消費することが原因と考えられます。クロック発生部の電源をフィルタするなどの工夫が一切されていない回路や、PLLが介在せず直接DACの動作クロックを与えているようなケースならば、ジッターの少ない発振器のほうが音が良くなることはあるでしょうが、PCM2702-v2の回路図では消費電流が大きいというデメリットばかりが際立つ残念な結果となりました。
結論だけみると「TCXOバンザイ」みたいに見えて嫌なのですが、消費電流の問題と低ジッタ発振器でなくても回路の工夫次第でジッタ（ノイズ）は低減できる話だと捉えて頂ければ幸いです。*4
逆にTCXOをXO（標準的な水晶発振器）に変えても音は変わらないような気がするので、後日実験してみたいと思います。→（続編）標準XOとTCXOの音質を比較してみる
それにしても、これで部屋に転がってるPCM2702 DACは5台目なのですが（1台はVer1の試作品*5）、どうしたものか（苦笑）