バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ変換（その２）

（その１）からの続き。
（その１）では、バイポーラ入力オペアンプの扱い難さを書いたが、その解決策として、バイポーラ入力オペアンプの前段に、FET入力回路を付け足してあげることを閃いた。こんな回路。

色んな仲間が加わった！

見れば分かる通り、入力抵抗が220kΩとモリモリ大きい。直列に入っている4.7kΩはFETを使った差動入力の定石みたいなものなので気にしない。
この回路の周波数特性を見てみると、

とても素敵な形

低域はほぼフラットと言って良いだろう。高域も自然な感じで落ちている。
ちなみに出力オフセットは、

マイクロのオーダー！

約213uV！ほぼ無と言っていいだろう。
FETが2SK30なためgmが小さいのと、オペアンプを同相入力で使っているため、歪率はそんなに良くないが、2Vpp出力時で、

Total Harmonic Distortion: 0.000048%

の歪率であった。小数点以下にゼロが４つ並ぶとは、なかなかではないか。

実機で試すしかあるまい。


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バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ変換（その１）

オーディオ用のバイポーラオペアンプが安価で出回ってるが、その入力部分がバイポーラな（トランジスタで構成されている）ため、いつも回路設計が悩ましい。例えば、ごく一般的なChu-Moyタイプのヘッドホンアンプを例にすると。

みんな大好きなChu-Moyアンプ

バイポーラ入力オペアンプ特性より、R1=R2//R3でないと出力のオフセット電圧を最小にできない。
※「//」とは並列の合成抵抗（の演算子）を表す。

ここに入力Cを加えてみる。

C1が仲間に加わった！

ここで問題になるのは、C1とR1がハイパスフィルタを構成していることである。
一般的にR2は熱雑音の関係で10kΩ以内が良いとされている。倍率約3倍のアンプとすると、R2=10kΩ、R3=5.1kΩ、R1=3.3kΩとなる。
このC1に品質の良い、実用的な大きさのフィルムコンデンサを入れたいところであるが、C1=2.2uFとするとそのカットオフ周波数は、

約22Hz

なのだ。人間は20Hzからの音を聞き取れるらしいから、これでは聞こえてるはずの音が聞こえないことになってしまう。22Hzなんて大したことないと思うかもしれないが、カットオフ周波数は上限から3dB下がったとこの値だから、周波数特性のグラフで見ると、

このざま

多少の出力オフセットは目をつむって、R1を10kΩとかにしてるのをよく見かけるが、そうするとカットオフ周波数は約6Hzになる。グラフでみると、

R1=10kΩ

多少改善された。
しかし、本当は低域の減衰は避けたいものである（バランスも大事だが）。
そこで、R1を一気に100kΩまで上げてみると、

R1=100kΩ

おーっ！低域がほぼフラット！しかし、この時の出力オフセットは、

約-54mV！

これヘッドホン挿したら、ブチッ！とかボゴッ！とかポップ音が聞こえるし、ヘッドホンにも悪い影響を与えてしまう。出力オフセット電圧は、一般的に±10mV以内が望ましいと言われている。

そこでJJは考えた。

外付けでFET入力にしてあげればいいんじゃね？

（その２）へ続く。


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ClassAAポータブルヘッドホンアンプの作例（★★★★★お勧め）

「受験はつらいよ」さんより、ClassAAポータブルヘッドホンアンプの作例を頂いた。なかなかカッコよくできている。

黒いボディに青色LEDと、それにまた黒いボリュームつまみが憎い

チョーカッコいい。ちなみに、この黒いボリュームつまみはJJも持っている。
青色LEDを使っているあたり「わかってるなこいつ」みたいな感じだ。ノーベル賞も取ったし。

ポータブルプレイヤーと２ショット

このポータブルプレイヤーは何だろう！？カッコいいぞ！Walkmanかな？
色もサイズも合ってて良い、かなり良い。そしてこのステレオイヤホンがなんだか高価そうだ。受験生のくせに。。。

本人の希望によりモザイク処理

ノーコメントにしておこう。外見良ければ全て良し！

オペアンプに、LME49860とMUSES8820を使ったキメラ構成とのこと。
そのレイアウトからして、初段がLME49860、次段がMUSES8820であろうか。
電源コンデンサにOS-CONを使うとか、なかなかブルジョアである。受験生のくせに。。。

今までで最高の音との評価をいただき、とてもありがたい。
両面基板を使ってたり、ハンダ付けも丁寧にしてあり、その実装技術は高い。ケーブルの配線をもっと頑張ろう(笑)

勉強もしろよ！


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LME49720（バイポーラ入力型オペアンプ）に最適化したポータブルHPA（★★★お勧め）

LME49720、というかバイポーラ入力型オペアンプに最適化したヘッドホンアンプを作ってみた。結局は入力抵抗と、帰還（接地）抵抗の定数決めだのだが。

両電源はLT1010バッファを使う

どうせやるなら、電源も抵抗分圧でなくLT1010を使ったバッファで作った。
このまま作ると、タカチのプラスチックケースSW-75Bに入らないため、立体的に作るとする。
低域のためには、もう少し入力抵抗を増やしたいところだが、手持ちのSW付き２連ボリュームが10kAしか無かったため、この値で落ち着いた。

左端に９０°立ってるがLT1010を利用した両電源回路

小さな基板に両電源作成回路を作って、垂直に立ててケースへ入れることに。
基板上の土地が限られてるため、パソコンのマザーボード用の超低ESRのやつを使う。これ、容量の割に小さいのよね。

電源回路の拡大写真 

ベースのアンプ基板とはホットボンドで接着している。強度的に心配だが、これだけケースの中がムチムチだから大丈夫だろう。

006P電池も入れた絵

これ以上の回路を増やすなら、根本的にベースのアンプレイアウトを見直すか（ぱっと見、割と空き地があるのだが、裏には電源とアースラインが走ってるのだ…）、アンプ基板の上方に２階建てにするしかない。

まぁ、無理してLT1010で両電源を作らなくても、抵抗分圧で十分な感じがするが、立体構造が今回のテーマの一つだったので(笑)
抵抗分圧よりはグランドが揺れないから、音質面での良い高価はあるだろう。

音は、やっぱりLME49720。
高価だけあってクリアで品のいい素晴らしく良い音だ。


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…OPA2134を試してみたの、シミュレーション結果など

OPA2134を使ったヘッドホンアンプのシミュレーション結果。
先ずは評価回路。

OPA2134のSpiceモデルは、TI社様の謹製

バイアスとアイドルを増やし、歪率と出力インピーダンスの低下を図る。

周波数特性

位相補償も何も無しで、下から上まで素直に出ている。

0.2Vpp出力時の歪率

Total Harmonic Distortion: 0.000099%
なかなかではないか。

2Vpp出力時の歪率

Total Harmonic Distortion: 0.000165%
さすがに増えるが、それでも小数点からゼロが３つ並ぶ。


最後にレイアウト図を公開。

この手の回路には、洋物Trの足の並びがフィットする

ベースのUSB/DACが出来てるから、アンプ部だけ取り替える楽しみができた。
しかし、こいつでかなり満足してるから、当分はこのまま使ってみよう♪


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USB/DACバスパワーHPAへ、OPA2134を試してみた（★★★お勧め）

OPA2134が±2.5Vから動作するのを知って、試しにEMIフィル付きアンプで聴いてみたら、ものすごく良い音がしたから専用で作ってみた。
あと、USBバスパワーで電池残量を気にしなくていいから、バイアス大きめにして出力抵抗は小さくすることに。出力インピーダンスが減って、きっと良い方向にいくだろう。

 OPA2134…とゆーか、FET入力オペアンプ用だな

FET入力だから±入力にはほとんど電流が流れないから、入力抵抗なんてあまり気にしなくてもよい。直流カットのフィルムコンの手持ちが0.68uFのしか無かったから、プラス側の入力抵抗を200kΩと大きくできる。これで計算上は約1.2Hzから低域が出る。

EMIフィルはとても高い（１個２５０円）から、マイクロインダクタを使ったRLCローパスフィルタで代用することに。
100uHのマイクロインダクタ（直流抵抗が4.5Ω）を使って、1500uFの電解コンと組み合わせると、計算上は約410Hzからカットされる。高周波ノイズは十分除去できそうだ。安いし。
電解コンはパソコンのマザーボード用の超低ＥＳＲってやつを使ってみた。これ小さいのに大容量だなぁ。

左端にある緑の太った抵抗みたいのがマイクロインダクタ

※写真はOPA2604が乗ってるけど、OPA2134の方が断然良い音

難聴になるぐらい音を大きくするとノイズが聞こえるが、実用範囲内では無音だから試みは成功したようだ。あと、計算通り低域もドッシリ出ている。
とりあえず、これで一端はFIXにしよう♪


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ケーブルの色

JJは、ケーブルの色に一定の決まりを持っている。

• 左右の音声信号の左は青、右は赤
• 電源のプラスは赤、マイナスは黒
• グランドは緑

音声信号の例。ピンぼけすまぬ

電源の例

ここで問題になるのが、７色がセットになってるケーブル。
上記の、青赤緑黒に加えて白と紫と黄が加わる。たまに黄色や白を信号ラインに使うことがあるけど、紫って何に使えばいいんだろう。。。
青赤緑黒の４色セットのケーブルを売ってくれないかなぁ。

まぁ、各色をバラで買えばいんですけどね！
とゆーか、この色の使い分けは一般的なのかなぁ。


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USB/DACバスパワーHPAへ、EMIフィルターを試してみた（★★★お勧め）

USB/DACバスパワーHPAへ、EMIフィルターを試してみたら効果が絶大だった。

ついでにオペアンプをNJM2114からNJM2115へ変更

さらに、終段Trへのバイアスの与え方を変えてみた。
NJM2114の方がオーディオ用を謳っているが、低電圧においてはNJM2115の方が良い音がする気がする。

電源電圧の違い。

• NJM2115：±1～±7V
• NJM2114：±3.0～±22.0V

2115の方が圧倒的に低い。おそらく、快適動作の電圧のスイートスポットが2115の方が低いため、その実力を出せるものと考えている。オペアンプって、定格に近い電圧の方が一番性能が出ると聞いたことがあるし、だいたいのオペアンプって、データシートの性能値って±15Vが条件のことが多いし。


EMIフィルターの効果は絶大で、USBバスパワーのノイズが皆無になり、音のガヤガヤした感じが無くなった。クリアだ。もしかするとフェライトビーズでも同じ効果があるのかもしれないが、あんな小さなパーツを取り付ける自信が無いｗ


回路図を見ると分かると思うが、一般的にオペアンプへの帰還抵抗の抵抗値は10kΩ前後が良いとされている。抵抗値による熱雑音が云々かんぬん。
しかし、CM102-A+のライン出力は、+2.5Vを中心とする波形出力であり、つまり＋側にバイアスが掛かっているため、コンデンサにてカップリングする必要があるのだ。回路図の1uのコンデンサがこれに当たる。これとプラス側の入力抵抗の抵抗値でハイパスフィルタを構成している。

オペアンプは、±入力からみた入力抵抗値が同じでないと出力にオフセットが出てしまう（出ないのもあるが）。マイナス入力側の抵抗値は、100kΩと51kΩの（並列）合成抵抗でその値は約33kΩ。つまりプラス側の入力側の抵抗値と等しくなる。もし負帰還の抵抗値を10kΩなんかにしちゃうと、3.3kΩなんてちっちゃい値になってカップリングコンデンサに大きなのものを使わないと、全然低域が出ないスカスカな音になるのだ。電解コンを使わざるを得なくなる。

• 入力抵抗値＝3.3k、カップリングコン＝1u：カットオフ周波数＝約48Hz
• 入力抵抗値＝33k、カップリングコン＝1u：カットオフ周波数＝約4.8Hz

人間の可聴域って、下は20Hz、人によっては10Hzから聞こえるらしいから、48Hzでカットしてしまうと、本来出ている音が聞こえないことになる。
もし、入力抵抗値を3.3kで4.8Hzを出そうとすると、カップリングコンデンサの値は10uを使わないとダメだ。そんなフィルムコンなんて大きすぎてケースに入らないし、それにとても高価だ！

JJはここにフィルムコンを使うため、負帰還抵抗の抵抗値を大きくして、カップリングコンデンサに1uのフィルムコンを使っているのだ。
抵抗値による熱雑音？よりも、電解コンを通した方がよっぽど音が悪くなる気がする。とゆーか、抵抗値による熱雑音を感じたことがない、糞耳だから。

前作ったのとアンプ部を入れ替え

裏にゴム足を貼り付けて

快適動作中

これにて、USB/DACバスパワーHPAはFIXとする。

余談だが、USBケーブルのタイプA♂～タイプＡ♂が普通の家電量販店に置いて無くて愕然とした。もう秋葉原に行かないと無いかもしれないと店員が言っていた。幸い、通勤途中のビックカメラに置いてあったけど、他のタイプより明らかにバリエーションが少なくてまた愕然とした。
もし、これから作る人がいるなら、USBジャック部分はタイプＢかミニタイプＢかマイクロタイプＢが良い。今はスマホ時代だからマイクロタイプＢが一番いいかもしれない。品数が圧倒的に多い。


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USB/DACバスパワーHPAへ、EMIフィルターを試す

前回作ったこのヘッドホンアンプ、なんとなくUSBバスパワーのノイズが乗ってるような気がして、muRataのEMIフィルターを試してみることにした。
アンプ部の電源用の電解コンの手前に入れてみた。

電解コンの手前の黒四角のヤツがEMIフィルター

両電源の場合、正負で２つ必要とデータシートに書いてあったから２つ並べてある。効果はあるだろうか。もう眠い、完成は明日かな。。。


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玄人志向「KURO-DAC-KIT」

玄人志向からUSB DACヘッドホンアンプ、「KURO-DAC-KIT」が出たようだ。
回路図が公開されてるから見たところ。。。

これってただのA47アンプじゃね？入力コンデンサも電解コンだし。

うーん、なんか微妙。。。


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USB/DACバスパワーHPAの作成（★★お勧め）

CM102-A+を使ったバスパワーのヘッドホンアンプを作ってみた。
CM102-A+はDACのみとして使い、0dB固定のLINE出力をヘッドホンアンプへ繋げることに。

回路図。上がDACと電源、下がヘッドホンアンプ部

負電源の作成にLT1054を使ってみた。外付けコンデンサ３つで負電源が作れるなんて、とってもすばらしい！

DACと正負電源基板が完成！

電源ラインにコイルとOS-CONでパソコンノイズを除去。その他の電解コンはタンタルコンデンサを使ってみた。データラインには100pの積セラで高周波ノイズ除去。積セラってちっちゃいのね。

ヘッドホンアンプ部の完成！

入力コンデンサは2.2uのフィルム。大きいけど、音質と低音重視でしょうがない。なので、定電流源は2mAのCRDで簡単に済ませることに。FET置く場所が無いし。

箱入り＆音出し♪

USB/DACのリンクアップLEDを正面パネルに引っ張り出してインディケーターに。

フタをして完成！

これでパソコンのヘッドホンジャックから出るノイズから解放され、バスパワーだから電池の心配もいらない。

音はフツーに良い感じ。DACが安物だし、バスパワーだし。
でも、狙い通り低域のボリュームがあって、いい感じだ。

ただ、USBを抜き差しする時のノイズが酷い。何か対策できるんかなぁ。


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NJM2115にて、ポータブルヘッドホンアンプ、「えくぼ」バージョン

BC3X7なんて、そんな舶来のトランジスタなんて持ってないよ！って方のために、日本で一般的なECB配列のトランジスタでレイアウトしてみた。

定電流源は、ちょっとサボってCRDで済ますことに。

※一部間違を修正

トランジスタは、2SA1015/2SC1815、2SA950/2SC2120とか、150mA以上流せるお気に入りのを使ってください。もちろん足の順番はECBで。
これは本当にコスパ抜群で、作る価値あり。ちゃんと箱も作ってあげてね。

これでジャンク箱の整理ができるかもしれないしｗ

※この回路、実は色々と問題を抱えてることが分かり、もし作るならこちらを抵抗分圧で作ってみてください。


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NJM2115にて、ポータブルヘッドホンアンプが完成！

入出力も実装し、基板とその周辺が完成した。

チェック＆音出し中

出力オフセットは、左右ともコンマ数mAレベルで優秀。
音はとても良い。びっくりするぐらい良い。据え置き型と比べても遜色ない。
NJM2115は掘り出し物である。出力が小さいからChu-Moyなんかには全く使えないからあまり有名？じゃないけど、出力バッファを付けるだけでこんなにクリアでパワフルな音が出るとは！
NJM2115自体は秋月で１個１００円、その他諸々購入しても千円でおつりがくるぐらいのコスト。

ポタアンにする場合、ケースに入れなきゃいけないから、基板切ったり削ったりがめんどうだが、それを補って余りある音がでる。
小さい割に簡単なので、作ってみてもいいかもしれない。

以下に部品表を示す。

パーツ	個数	購入先	備考
22Ωカーボン抵抗	4	千石など
4.7kΩ金属被膜抵抗	2	千石など	負帰還の接地抵抗。誤差1%以内のもの
10kΩ金属被膜抵抗	4	千石など	負帰還＆分圧用の抵抗。誤差1%以内のもの
ごく普通の赤色LED	2	秋月など	高輝度タイプはVfが大きいからＮＧ
2SK30 or 2SK246	4	秋月など	定電流生成用FET。2mA流すものを選別すること
E-202(CRD)	4	千石など	FETの選別が面倒ならCRDでも代用可能
BC337-25	2	秋月など	100mA以上流せるなら何でもいいが、足の並びが重要
BC327-25	2	秋月など	100mA以上流せるなら何でもいいが、足の並びが重要
NJM2115	1	秋月など	NJM2114の方がもっといいかも（未確認）
0.1uフィルムコン（小さいのがいい）	2	秋月、千石など	オペアンプの高周波ノイズ取り。積層フィルムなど
1000u/16V電解コン	2	千石など	一般品でよい
3.5mmステレオジャック	2	千石など	ケース取り付け型。マル信無線電機のMJ-074Nがお勧め
SW付き20kΩ Aカーブ2連ボリューム	1	若松、マルツなど
006Pスナップ	1	秋月、千石など	ケーブルがＴの字に出てるやつ
ユニバーサル基板	1	秋月、千石など	紙エポキシの方が切りやすく削りやすい
ケース	1	千石など	タカチのプラケース「SW-75B」

基板に色んな種類のパーツが乗っかってると、後から見ても楽しい。
TrとFETって区別つかないから、CRDの方がさらに実装簡単で見た目も変化があっていいかも。

 ケースへ入れる

今回はちゃんとＴ字型の006Pスナップを使ったからフタへの干渉なし。
ピッタリ収まっていて気持ちがいい。

利用シーン

ボリュームのノブに、アルミ削り出しのカッコいいやつ使ってみた。
高級感がぱない。LEDが半分だけ顔を出してて控えめなやつ。。。

うん、これはビジュアルも大成功だ。音もいいし★は４つで！

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NJM2115にて、ポータブルヘッドホンアンプの作成その２

入出力以外は実装完了！

今日はここまで。

バイアス作成用のLEDが片側無いのは、電線で引っ張り出して、電源ON時のインディケーターにするため。
出力抵抗をカーボン（許容差5%）、負帰還とその接地抵抗は金被（1%）、分圧用には精密抵抗（0.5%）と使い分けてみた。
とゆーか、同じ種類で揃わなかったのが主たる原因だけどｗ

パーツレイアウト

※一部間違いを修正

細かな作業だけど、部品点数が少ないから見た目ほど難しくなかった。
さぁ、明日は完成するかな？

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NJM2115にて、ポータブルヘッドホンアンプの作成

小物入れの引き出しの中から発掘した新日本無線(JRC)のNJM2115が、低電圧において意外と性能が良いことがわかったので、ポータブルヘッドホンアンプを作ってみる。いわゆる、オペアンプちょい足し回路。

LTspiceによる評価回路

NJM2115のSpiceモデルは、JRC謹製をダウンロートして使っている。
非反転入力側にバイアスを流さなくても（抵抗を介して接地しなくても）、シミュレーションでは出力にオフセットがほとんど出ない（数mVレベル）。

シミュレーション結果を以下に示す。

周波数特性

入力直結なので、低域の減衰は無し。高域は1MHzまで伸びている。

出力0.2Vpp時の歪率

「Total Harmonic Distortion: 0.000011%」はなかなかではないか。

出力2.0Vpp時の歪率

「Total Harmonic Distortion: 0.003435%」もなかなか頑張っている。

最終的な回路図

※PNPトランジスタの向きが変でした…訂正済み

めんどうなので、正負電源は抵抗分圧＋コンデンサで済ましてしまおう。
ポタアンだから、色々凝ると土地を使って大変になってしまう。
しょせんポタアンだし(笑)

抵抗は一般的な値だから手持ちにあった。FETとTrも転がっていた。
FETとTrの選別から始めよう！


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【リスペクト】改訂版：かんたんヘッドホンアンプ、ケース入り

前回作ったぺるけさんちの「かんたんヘッドホンアンプ」の改訂版をケースに入れたので、これにて作業完了…と思いきや。

フタが締まらない。。。

006Pのスナップがケーブルが片側から出るタイプを使ったため、フタが締まらない事態に！Ｔ字型のに取り替えなきゃ。
とりあえず、家の中ではフタ無しで使うことにしよう。トイレで使うか(笑)

さすがぺるけさんちのアンプだけあって、Tr３石とはとてもとても思えない、すごく素直で聴きやすい音だ。それでいて押し出しの強さもあって、聴いていて飽きが来ない。
小さいから部品点数の割に作るのはめんどいけど、この音を聴くと報われる。


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重低音ベンチマーク

JJはアンプを作った後に、低音域のチェックをしますが、そのベンチマークになるのが、2CELLOSのThunderstruckです。
楽器のチェロ演奏者２人組ですが、チェロと聞くとクラシックを想像しますが、彼らはロックバンド？です。むしろハードロックです(笑)
そもそもThunderstruckはハードロックバンドAC/DCがオリジナルですし。
むしろ、このカバーの方がヘビーです。
この曲の重低音が下痢便のような音になってないかチェックするんですよ(笑)
試しに自分のアンプで聴いてみてください。。。


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【お詫び】当ブログへアクセスできない障害がありました

当ブログはGoogleのBloggerを使っております。
11/8に大規模なBloggerの障害が発生しまして、当ブログへアクセスできない状況が11/9まで続いていた模様。

Googleは絶対謝らないと思いますので、Googleに代わってJJが謝ります(笑)

当日、当ブログへ遊びに来てくださった方全員に、大変申し訳なく思い、お詫び申し上げます。

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【リスペクト】改訂版：かんたんヘッドホンアンプ完成（★★★お勧め）

ぺるけさんちの「かんたんヘッドホンアンプ」の実装完了！

入出力も繋げて調整中。

JJの環境では、どうしても100ΩVRじゃ1.5kΩ抵抗の電位差が2.9Vに調整できず、シリアルに68Ωの抵抗を取り付けた。
また、橙色LEDだとバイアスが高すぎる（1.8V超）ため、赤色LEDに変更。赤色LEDだと1.72Vぐらいのバイアスになった。

改訂版の回路図。

レイアウトはムチムチになった。このレイアウトは、日本ケミコンのKZHシリーズの電解コンデンサに依存している。大容量でも径は太くならず長身スリムなやつだ。

ムチムチレイアウト

ゴチャゴチャするので配線は全部描いてない。
右中央上寄りの長方形は、SW付き2連ボリューム（20kΩAカーブ）である。
これまた、この基板サイズや形はタカチのプラケース「SW-75B」に依存したものである。

その音は3石／片Chとは思えない、さすがぺるけさんって感じの音だった。
前回もポタアン、今回もポタアン、毎日とっかえひっかえ使う楽しみが増えた。
ちょっとムチムチで実装がめんどいので★は3つと控えめにしたが、決して音のせいではない。
まだ目が見えるうち(笑)に次もディスクリートでポタアンを作成予定。もっとムチムチになりそうな悪寒…

嗚呼、ケースに穴開けしなきゃ。


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