2021/08/24(火)OPA1622のGNDの扱いと音質比較

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Ti製のSoundPlus高性能オーディオ・オペアンプ「OPA1622」のGNDをどこに接続するか問題について。

OPA1622とは

高性能オーディオ用ICであり、音質も大変優れていることから人気のオペアンプです。SoundPlusシリーズの中でも最高の「Ultimate」を冠しています。

このICは「100mA以上の電流」を取り出せ、ヘッドホンなどを直接駆動することも可能です。もっぱら「いわゆる載せ替えオペアンプ」として人気のようですが、このICは10pin DFNとして提供されており、通常の方法ではオペアンプとして載せ替え使用することはできません。

またこのオペアンプには±電源ピンの他に、GNDピンがありこのピンの処理方法について多少の議論があるようです。

OPA1622のGND処理と音質比較

GND端子の接続方法は３つ考えられます。

  1. V-（マイナス電源）につなぐ（秋月変換基板ほか）
  2. 変換基板上で仮想GNDにつなぐ（Bispa変換基板）
  3. 8pinオペアンプ互換を諦めGNDに直接接続する（Bispa変換基板では可能）

仮想GNDの回路はこんな感じです。*1

OPA1622_VG.png

比較結果

(3)GND接続 > (1)Vee接続 > (2)仮想GND回路付

ある種、当たり前の結果になりました。

*1 : Bispaの基板では10KΩではなく22KΩが使われているようです。

GNDはどこに接続するべきか？

データシートには次のような記述があります。

OPA1622-GND.png

【赤下線】GNDピンはノイズが最小でインピーダンスが最も低い基準に接続しろ

ノイズが少なくインピーダンスが低い基準点というのは、通常はGNDになりますが*2、GNDに接続できない状況でしたら次点でマイナス電源に接続するのは決して悪いことではありません。*3

上に示した仮想GND回路は、電源ピン（V-）に直接接続するよりインピーダンスが高いので、音が悪くなるのは当たり前です。

*2 : 回路全体が仮想GNDで動作している場合は除く。

*3 : 似たようなものだからとプラス電源に接続すると動作しなくなるのでご注意。

一番良い方法は何？

「なんだ仮想GND基板ク○じゃん」という結論は、実はちょっと焦りすぎです。

OPA1622.jpg

左が仮想GND付き変換基板（R/C裏面実装）で、右がGND-Vee接続変換基板です。GND-Vee接続基板は、上ではCを載せずに評価しました。ここには0.1uFのECPUを電源パスコンとして接続することができます。

仮想GND付基板は、GNDを接続するためのPAD（旧Bispa変換基板ならばホール）があります。仮想GND付き基板はGNDを正しく接続すると基板中のC1/C2が電源パスコンとして作用します。

その結果こうなります。

C付き仮想GND基板のGNDを接続 > C付きGND-Vee接続基板 > GND接続 > その他

まとめ

  • 仮想GND付き変換基板をそのまま使うのは愚行。
  • GND-Vee接続のオペアンプ変換基板は、電源パスコン付きのほうが音が良い。
  • 仮想GND付き変換基板は、Cを付けた状態でGND端子を回路中のGNDに接続する。
    • Rはあってもなくてもどちらでも良い。

おまけ

実験に使った基板はBispaで販売されているものです。

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2021/08/14(土)パーツの整理と部品調達の話

はてブ数 戯言::日記

パーツケースを3つ整理

Twitterにも書きましたが、パーツを整理していました。

parts01.jpg
parts02.jpg

左はオーディオコネクタケースで、右が端子類と3端子レギュレーターケースなのですが、種類の違うものが混ざっててわかりにくかったので、左にはオーディオ類のみ、右にはレギュレーター＋スイッチ類として入れ替え。

もう１つ端子類のみのケースも含めて3ケースの入れ替え作業をしていたら、3時間もかかってしまいました。

どうして人類は余計にパーツ類を買ってしまうのだろうか……。


この部品選別と破棄は定期的に行っていて、その結果が、定期的におとずれる記念ヒットプレゼントなのですが、次回分がすでに結構溜まって困っています（苦笑）

部品調達の話

当方で頒布しているキットとかの原価率ですが、もちろんキットにもよりますがそんなに高くはないです。部品の調達価格を下げるのは簡単で、DigikeyやMouserで買い物したことある人ならすぐ分かると思いますが、大量に買うことです。

例えば、キットを50セット作るのにコンデンサが350個必要だったとしてDigikey等の価格を見ます。すると500個を超えると単価が安くなることがわかります。予備も含めてぴったりの数だけ調達というわけにはいきませんし、こういうときは「えいやっ！」と500個買います。

当然、キット製造後に150個あまります。

試作程度では150個も要りませんので、これが余剰在庫になります。部品の種類が増えれば増えるほどこの余剰品は増加します。そして余剰品は最終的に処分されることが多く、そうなると単なる「原価」以外に無駄な「費用」が発生していることになります。

物を製造して売るということは、なかなか難しいものです。

キット頒布中のリスト

「今何を頒布しているのか」自分でもよくわからなくなることがあるので、トップにリストで書くようにしました。そこにこっそり「op-dbuf3のスペシャル完成品」をリンクしたのですが、瞬殺されました。

最近はキットを作るという方は一昔前より減ってるらしいですね。aliexpressとか見れば完成品として様々なものが売られてますし、わからなくもない感はあります。

本題

長々と書いてきましたが、本題はこれ。

carbon_resistor.jpg

秋月のカーボン抵抗が1Ω～1MΩまで、ほぼE6系列で買ってあるのですが、今ではチップ抵抗がメインになり不要になってしまいました。

活用できる方（欲しい人）にセットで差し上げたいと思いますので、希望される方はサイドバーのアドレスにメールください。希望者がありましたので、募集終了しました。

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PCM2704 DAC Ver2 - DC直結・出力オペアンプレス

はてブ数 2021/08/05

PCM2704 DAC(Ver1)キットを再販にあたり、大幅強化してみました。

PCM2704-v2.jpg

概要

委託しているPCM2704DACが2019年2月から在庫切れになっていて悩んでいました。

初期設計（Ver1.0）から10年以上が経過し、ハイレゾが普及しつつあるこの時代にPCM2704はチップの制限上48KHz/16bitまでしか再生できません。再販するにはある程度まとまった数を作る必要がありますが*1、不良在庫を抱えたくありません（苦笑）

しかしながら再販の要望も複数頂いており、どうにか応えたい。

それならばいっそのこと「音質に全振りしたVer2を作ってしまおう」というので作られたのがこのDACです。

*1 : 少数ずつ作っていると原価が全く見合わなくなります

回路図と部品表

pcm2704-v2.png

部品記号部品名使用部品型番数備考
U1,U2低ノイズ３端子レギュレータ(3.3V)ADP150AUJZ-3.32Ver1.4はADP150専用
U3USB DAC 16bit/48kHzPCM27041PCM2704Cでも可（確認済）
U4DCDC反転チャージポンプMAX889RESA1LTC660から変更
Q1, Q2低ノイズPNPトランジスタBC859C, 21522SA1015とかでも可
X112MHz TCXO 2.5ppmFT3HNBPK12.0-T1112MHz-TCXOなら何でも
L1コイル 100uH/40mA-12012チップ使用
R1-R9チップ抵抗各種-11608チップ使用
R51-R54薄膜チップ抵抗 1KΩ-4高音質チップ抵抗
R55-R56薄膜チップ抵抗 5.1KΩ-2高音質チップ抵抗
C1-C8積層セラコン 0.1uF-12012チップ使用(X7R)
C9積層セラコン 10uF-12012チップ使用(X7R)
C10-C18フィルムコン 0.1uF-92012/ECPU使用
C21-C32高分子コンデンサ 6.3V 820uFA750 or PSF12470uF以上
C51-C54PPSフィルムコン 1000pFECH-U1H102JX54高音質フィルムコン
J1USB Bメス基板コネクタ－1-
J24極ステレオミニジャック-1-

設計方針と改良点

Ver1.4の問題点

Ver1.4の回路はある種の完成系で、これを改良するとなると大きな決断をせざる得ません。大きな決断というのは、何かを犠牲にしてでも音質を一番良くするということです。

Ver1.4の出力LPFにはいくつかの欠点がありました。

pcm2704-Ver1.4-LPF.png

  1. 出力抵抗がないため、使用できるオペアンプが限られる。
  2. 電源電圧が±4V程度しかないため、使用できるオペアンプが限られる。
  3. ベッセルフィルタ構成が良くない。*2

他にもオペアンプ電源が安定化されていないとか色々あるのですが、とにかくすべての原因は半ば強引にオペアンプでLPFを動作させていることにあります。ここは設計当時の「価格（回路規模）を抑えて音質を狙う」ために妥協した部分です。

Ver2.0での改良点

抵抗とコンデンサだけのシンプルなパッシブLPFのほうが（ほとんどのケースで）音質は良くなります。これは当たり前のことなのですが、なぜオペアンプが必要だったのでしょうか。

それはPCM2704の出力に含まれる出力オフセット（+1.64V）をキャンセルするためです。オフセットがなくなれば、音質低下の最大要因である出力カップリングコンを排除できます。このために多くのことが犠牲になっていました。

これをどうにか解決できないかと検討と試行錯誤を繰り返し、オペアンプを使わずに出力オフセットをキャンセルする方法を思いつきました。

pcm2704-v2-LPF.png

オフセット分をマイナス電圧で引き下げる作戦です。オフセットを+1.64V、マイナス電源を-4.2Vとすると、R56は次のように求められます。

{\rm R56} = \frac{{\rm R52}+{\rm R54}}{1.64} \times 4.2 = \frac{4.2(1+1)}{1.64} \fallingdotseq 5.12{\rm K\Omega}

この5.1KΩは音質に関わるので（RT0603等を持っていないと）簡単には変更できません。よって、出力オフセットはR3の値で調整するのですが（50Ω増やすと出力電圧が+20mVぐらい変化する）、左右同時にしか調整できません。

とはいえ、USB電源電圧が5.00～5.05V付近ならば、コンデンサのエージング後にオフセットは20mV程度に収まるかと思います。

Ver2の特徴

Ver2の欠点

音質は最大限進化させてものの、これはこれで欠点があります。

  • 出力電圧レベルが小さく、約1.3Vppしか出せない。

これが音質のために犠牲になった部分です。PCM2704は出力電圧範囲が元々小さめなところに、パッシブLPF＆オフセットキャンセルの回路を詰め込んだことが原因です。これは諦めるしかありません。

1Vppあれば最低限問題は起こらないと思いますが、そういうものだとご理解ください。

音質比較

手持ちのDACと比べてみました。

セルフ魔改造PCM2702 DACとの比較

常用している魔改造PCM2702ですが、今回のPCM2704-v2の圧勝という悲しい結末になりました……。

慌ててPCM2702を再改造するものの、再改造してもこのPCM2704-v2のほうが良いようです。*3

msBerryDACとの比較

去年まで頒布していたラズパイ用 384kHz/32bit DACです。PCM2704-v2の勝ちでした……。

「それはさすがにまずい」ので、msBerryDACを改造して C1/C2 を 10nF→1nF に変更しました。

C1/C2改造msBereyDAC > PCM2704-v2 > ノーマルmsBerryDAC

というわけで、DACはチップの性能もさることながら回路設計が重要というのがよく分かる結果になりました。

*3 : 完全に余談ですが、PCM2702は出力インピーダンスが高いため、出力オペアンプレスは少々難しくなってます。そのため出力オペアンプLPFを簡単には除去できませんでした。

まとめ

  • PCM2704 DACの出力電圧範囲を妥協して、音質を進化させた。
  • 使用している部品も進化させた。

キットの購入は委託先から。このDACは再販しない可能性があります。

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