自励式PWMによるシンプルなD級ヘッドホンアンプ

はてブ数 2012/02/01電子::HPA

※2016/05/29 更に改良を重ねたVer2の回路を公開

※2014/10/13 改良版へのVersion UPキットが販売されてます

※2014/10/13 改良版を掲載。

※2012/12/12 推奨オペアンプを修正・追加

※2012/06/15 回路変更を追記(箇条書き下のほう)

※2012/05/08 プリント基板頒布しました。

※2012/03/05 長ったらしいので、略称「D級HPA」あたりで。

※2012/02/12 回路図を少し変更。補足を修正。


単3(単4)電池2本で動くD級ヘッドホンアンプです。しかもBTLではないので普通のヘッドホンで使用出来ますし、回路が非常にシンプルで作りやすいのが特徴です。

  • 約2MHzで発振する本格的なD級アンプ
  • オペアンプ2つに少しの外付け部品というシンプルな回路構成
  • ±1.2Vで動く低電圧動作
  • D級オーディオアンプではめずらしいDC直結
  • 10mA以下の動作電流(±1.25V電源時。無音なら正電源6.5mA、負電源6.5mA)
    • 電池が異様に持ちます。単3エネループなら連続1週間ぐらい使える
  • 単3電池か単4電池推奨(電池2本)*1

当ブログでは久しぶりの新型ヘッドホンアンプとなります。

*1 : 4本でも動きます。

目次

プリント基板頒布中です。

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2012/01/14(土)PWMなD級アンプ組み立て

strvさんのDPA01組み立て

dpa01.jpg

strvさんのフルディスクリートD級アンプDPA01を組み立てました。

出力端子を買ってくるのを忘れたのでケーシングは諦めて(=スピーカーにつなぐのは諦めて)、5.2V駆動させてヘッドホンを鳴らして遊んでいました。ヘッドホンだとD級独特の「ジー」ノイズが聞こえてしまうのはご愛嬌ですが、これが結構ちゃんと鳴るんです。

さすがにジー音がひどいのでパワースイッチと、信号段の間に100Ω+100uH+フェライトビーズのいつものフィルタと16V 680uFの電解×2、16V 100uFのOS-CONを入れました。

D級特有の中域の明瞭感があり、その点だけとればどのアナログアンプよりも優位。ただし、D級のジー音がどうにもこうにも……なので、同じようなものを作ってしまえ!と(苦笑)

補足

フィルタが8Ωの純抵抗負荷用に設計されているので*1、「12V駆動して出力を6Ω+2Ω(=8Ω)で終端し、分圧。これの2Ω側と並列にヘッドホンをつなげると良い感じで鳴る」(作者のstrvさん談)とのことです。

*1 : 実際確認したら、でこぼこの通過帯域特性が8Ω負荷のときには通過域平坦になっていた

PWM式D級ヘッドホンアンプ(実験)

pwm-hpa-test.jpg

いつもどおり電池2本です。バカの一つ覚えここに極めたり(苦笑) ……といいたいところですが、D級ヘッドホンアンプを製作する場合、電源電圧が高いと色々と問題があります。

  • 電源電圧が高くなるとゲインがどうしても高くなってしまう。
  • 出力段スイッチが発生する電源ノイズがどんどん強くなってしまい、結果、何も再生してないのに出力がノイズだらけに……。

この点で電池2本というのは悪くない選択です。

pwm-hpa.png

よくある三角波生成回路を使って、バッファを使わずオペアンプで直接出力してみました(笑) そのせいで上のDPA01よりマシですが「ジー音」との戦いになってます。諦めたらバッファ付けます^^;; 回路原理はDPA01とまったく同じなのでstrvさんの同人誌「HPA&Analog Vol.6」を読んでください(苦笑)

使えるオペアンプですが、確認したところで2つです。

  • ADA4891-2(U2だと音声帯域にもホワイトノイズが……)
  • LTC6253(U2だとオーバーシュートが)

スルーレートの高いオペアンプでないと、高周波の三角波がうまく生成できませんし、最後のH/L出力も立ち上がり波形や立下り波形が鈍ったり、三角波の波形が崩れると、音の明瞭感が損なわれ混ざったり、場合によっては歪んだ音になります。またU2はオーバーシュートが少なく、しかもある程度電流が取れる高速オペアンプが必要になります。*2

発信周波数は「C 470pF」を330pF~2200pFぐらいに変更すると色々変わります。積セラではなくフィルムコンを使ってください^^;; 発振周波数を100~200kHzまで下げればAD8656等の他の(レールtoレール)オペアンプで動作します。

オーバーシュートと波形歪みそれなりにうまく動作中
pwm-hpa-osc1.PNG
pwm-hpa-osc2.PNG

色々述べましたが、この回路はあくまで実験回路です。現状、結構良い感じには鳴っていますが、ジー音との戦いとか色々あります。試したらぜひコメントください。


たまにはみんなで公開実験して回路を改良して行きましょう(笑)

追記

高域ノイズみたいのは対策して消せたのですが、ホワイトノイズが消せない……。

バッファオペアンプ兼コンパレーターが、負帰還をかけないと電源以上にノイズを出してしまうことが分かったので(しかも音声帯域のホワイトノイズ(苦笑) ……出力に直接乗ってるのか、スイッチ動作のゆらぎに混ざってるのかは不明)、諦めてMOS-FETで出力バッファを組む予定。

*2 : どうして市販のD級アンプICのスイッチ周波数がせいぜい200~300kHzか謎だったのですが、周波数を低くするとフィルタで取り除きにくくなり、周波数を高くすると周波数に応じたコンパレーターや出力スイッチの高速動作(素早い立ち上がり、立下り)が要求されるからみたいです。もし、スイッチ周波数に対して十分な立下り・立ち上がり特性を実現しないと矩形波が歪み、結果として再生音が歪みます。搬送波を1MHz程度にして、U2にAD8656等の遅いオペアンプを持ってくるとで実感できました。

ちゃんと鳴った

pwm-hpa-beta.png
*3

ホワイトノイズ発生源を調査していたら、基準となる三角波が原因だったので(ファンクションジェネレーターで三角波を入れたらホワイトノイズが激減した)、カプリングコンデンサC6を入れ、R4とあわせてカットオフ34kHzのHPFを構成し音声帯域のノイズを三角波から消したら見事に解消。*4

C7は「キー音」ノイズ対策で、前から入れたあったけど秘密にしておくのも何なので公開。オペアンプ側から漏れ出すスイッチノイズを逃す役割があります。ボリュームを10KΩ以外にする場合は値を変えてください。*5

動作確認オペアンプは次のとおり。

  • ADA4891-2 220MHz 170V/us(推奨、でもU1には向かないみたい……)
  • LTC6253 400MHz 280V/us
  • LTC6247 120MHz 90V/us
  • LT1807 325MHz 140V/us(U1のみ。U2では音が歪む)

上にあるとおり高速オペアンプ以外では動作しません。電圧は電池2本~オペアンプの耐圧が許せば高くても大丈夫みたいですが*6、せいぜい電池4本ぐらいで。抵抗はカーボン抵抗で充分(笑)

フェライトビーズがなければ省略してください。出力フィルタの47uHのコイルは直列等価抵抗が2.4Ωあるものを使いましたが、パワーコイルを使うと100kHzぐらいの共振が強く出るので、直列に2.2Ωぐらい入れたほうがよいかも知れません。コンデンサは言うまでもなくフィルムコン。

ヘッドホンによるかもしれませんが、あのヘッドホンアンプより音良かった(苦笑) 色々研究して後日記事にまとめますが、速報としておいておきます。

ちなみに、あのヘッドホンアンプの改良型回路も考え中なんだけど、どうしたものか(苦笑)


特殊な部品は何も使ってませんし、オペアンプも国内通販で手に入りますし、誰か作りませんか?*7

*3 : (1/17)回路図修正しました。ご迷惑おかけしました(汗) >ひよひよさん

*4 : 発振周波数は約1MHzなのでカットオフはもっと高めでもいいかもしれない。

*5 : ボリュームを倍にすればコンデンサの値は1/2ですが、10KΩでも20KΩでも100pFぐらいがよさそうです。50KΩ以上のボリュームは非推奨。

*6 : 電圧が増えるとそれに比例して三角波が大きくなるので音量は変わらない

*7 : 昔よりこういうの公開しても作る人減った気がする。半ば感想聞きたくて公開してるんだけど(苦笑) キットが10個頒布されるのもうれしいけど、それより1つの感想が聞けたらもっと嬉しい。

補足と随時追記

あくまで実験中の回路です。不具合等々は覚悟の上で作ってください^^ これをベースに色々いじりたい人向け。

  • オペアンプによって波形が崩れたりヘッドホンで相性でたり、なかなか大変です(苦笑)
  • D級の難点、ヘッドホンによって高域が綺麗にでないことも……。
  • Zobel(スナバ)つけるといいかも。今のところ、0.1uF+1Ω。
  • C5を1000pFぐらいにしたほうが音がガサガサがしなくて(なめらかで)良い感じ。
    • U1=LT6253(書き間違え)LT6247, R2=22k, R3=15k, C5=1000pF, U2=ADA4891-2
    • R2,R3は値が小さいほうが外来ノイズを拾わなくて良いのですが(手を近づけるとU1の3pinが拾いやすいことが分かる)、R2=2.2k, R3=1.5kよりもこの値のほうが音がいいという謎。
    • 振周波数が330kHzぐらいになり、除去しきれないスイッチノイズ漏れが……。
    • 特にHDDレコーダーをつなぐと謎のホワイトノイズが……。レコーダーのDACに330kHz付近の残量ノイズがあると予想するけどまだ不明。
  • (1/28)自励式(別回路)を調整中。こっちの方が楽で良いかもしれない。

自励式の完成回路図(記事)はこちらに。

レールスプリッタ入門 ~ 仮想グランドのあれこれ

Ti製TPA3110D2でLCフィルタレスD級アンプの製作

はてブ数 2011/07/17電子::アンプ

※2012/12/28 回路図Ver1.4を掲載。全面的に修正。

※2012/02/07 サポート情報に内容追加


音がいいらしいと評判の TPA3110D2 を使ってD級アンプを製作してみました。

キット委託中です。

回路図と部品表

ゲイン20dB(10倍)。

tpa3110d2-amp.png

Version 1.00の回路図はこちら

部品番号部品備考
U1NJM780913端子レギュレータ9V
U2NJM781213端子レギュレータ12V
U3TPA3110D21D級アンプIC
FB1,3-6電力用フェライトビーズ5MI1206K601R-10。3216サイズ/1.5A/600Ω
FB2フェライトビーズ1MMZ2012R102A。2012サイズ/500mA
L1パワーコイル 100uH/1.4A112RS104C
L2チップコイル 100uH/40mA1GLCR2012T101M-HC
R1100kΩ1カーボン抵抗、チップ抵抗
R2--未実装
R310kΩ1カーボン抵抗、チップ抵抗
R4--未実装
R9220Ω1ノイズ除去用抵抗(何でも)
C1-C4OS-CON SEPC 16V/470uF4固体コンデンサ
C7,C8OS-CON SEPC 16V/100uF2固体コンデンサ
C9-C12PSチップフィルム 0.22uF4ECP-U1C224MA5
C13-C16PPSチップフィルム 2200pF4ECH-U1C222GX5
C21-C24PSチップフィルム 1uF4ECP-U1C105MA5
C31-C37PSチップフィルム 0.1uF7ECP-U1C104MA5
C41-C47PPSチップフィルム 0.01uF7ECH-U1C103GX5
C51-C57PPSチップフィルム 1000pF7ECH-U1C102GX5
C61,C62積セラ 0.01uF/X8R/50V2チップ積セラ
C63,C64積セラ 0.1uF/X8R/25V2チップ積セラ
C5, C6積セラ 1uF/X7R/25V2チップ積セラ
D1-D16ショットキーバリアダイオード1620V以上、1A程度流せるもの
  • フィルタのフェライトビーズ(FB3-FB6)は代替品ではなく必ずこの部品を使用してください。この部品の使用を前提とした回路設計になっています。
  • SBDによって音が変わります。外したり電流の少ないものをつけると歪んだりします。
  • 現回路のアイドル電流 : 55mA

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2011/04/20(水)LT3582を使った正負電源ミニDCDCボード

LT3582.jpg

LT3582は2.55V~5.5Vの単電源から正負電源を生成できるICで、出力電圧はプログラミングできます。予め12Vに設定されたICを使って±12VのDCDCコンバータを製作しました。

前作ったやつと基本的には同じですが、基板を起こし直しました。PCM2702-v2 DACのDCDC部分を取り出したような感じですが、多少調整しています。

概要

入力電圧2.55~5.5V
出力電圧±12V
出力直流等価抵抗約5Ω
大きさ縦横 約20.5mm / 厚み 約4.3mm
出力電流50mAぐらいまで / 絶対定格130mA(L3,L4の制限)

このボードは出力にLフィルタが付いているため、直流等価抵抗を持ちます。出力電流に応じて電圧降下が発生します。

回路図と部品表

LT3582.png

番号概要型番
U1DCDC ICLT3582-12
C1,C2積セラ 10uF/16V/X5REMK212BJ106KG-T
C3,C4積セラ 10nF/25/X7R-
C5,C8,C9積セラ 1uF/16V/X7REMK107B7105KA-T
C6,C7積セラ 47uF/16V/X5RC1210C476M4PACTU
D1,D2SBD 30V/2A/0.37V@2ACMS06(TE12L,Q,M)
L1,L2パワーコイル 10uHNR6028T100M
L3,L4チップコイル 100uH/4.5ΩGLCR2012T101M-HC
F1,F2フェライトビーズ 1kRMMZ2012R102A

入力に大きめのコンデンサと出力フィルタつけてある以外、ほぼデータシード通りです。*1

*1 : もっとも、DCDCはボードデザインが命なわけですけど。

定数設定とか

元々C6/C7も10uF、L3/L4に10uHや47uHを使っていたのですが、いざアンプにつないで試聴テストをすると音がガヤガヤするので、47uF/100uHに変更。DC安定度は少し悪くなるのですが、簡単にみた感じでは電池とそんなに変わらないかという感じでした。

いつものヘッドホンアンプを熱暴走しないよう定数変更*2して使いましたが、両チャンネルで50mAぐらい消費して、このとき入力は4V前後で400mAぐらいになります。

実際100mA程度までは動作しないこともないのですが、電池(エネループ)では電流不足のとなるため50mAぐらいが限界の模様。また電流を多め(100mA~)に取ったとき、5Vを超えると動作が不安定になることがあります。入力側のコンデンサを増やすことで改善するかもしれませんが未テストです。

*2 : R9~R12を50Ω

その他

追加情報があれば随時掲載します。委託頒布はこちら