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2015年6月16日火曜日

オペアンプとエミッタフォロアのいいとこ取り、実装編(イマイチ)

前々回の記事で構想したヘッドホンアンプを実装してみた。
最終的な回路図は次の通り。
オペアンプはちょっと高価なOPA2604を奢ってみた。秋月で1個300円は高級品の部類に入るだろうw

片Chのみ

ゲインは1.5倍。0dB(1倍)でも十分な音量が取れることが分かったため、ゲインは低めだ。ヘッドホンのインピーダンスは30~40Ωを想定している。


実装中1

入力部やジャンパ、オペアンプの電源部が済んだところ。


実装中2

オペアンプのソケットと、負帰還、定電流回路の一部を実装したところ。
シムシティみたいで楽しい。残りはトランジスタと電源用コンデンサ、出力Cを残すのみ。

実装完了後の絵を撮り忘れてケースへ入れてしまった。。。

予想に反して、オペアンプよりトランジスタが支配的な音のような気がする。
JJの主観で、トランジスタとMOS-FETの違いは、

 MOS-FET:ダイナミックで綺麗な音
 トランジスタ:野太くて迫力がある音

ではないだろうか。
このアンプも野太い音がする。野太い音が迫ってくる感じだ。
ロックもいいし、オーケストラを聴いても合っている。ライブ感と言うのだろうか。
当分メインのヘッドホンアンプになりそうだ。

なんだか聴き込んでくるうちにイマイチ感が出てきた。
音声信号がオペアンプを通るとダメだ。やっぱり平面的な、広がりが無い音になってしまっている。1石MOS-FETのソースフォロワーのアンプに戻そう。

※もし作ってみたい人は、コメントを入れてもらえればパーツレイアウトを公開します。できれば、しっかりした電源を用意できて、アルミケースへ入れてケースへGNDを落とせる人で!


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2015年6月8日月曜日

オペアンプとエミッタフォロアのいいとこ取り、構想。

最近は、1石のソースフォロワやエミッタフォロアのダイナミックな音に魅了されている。しかし、オペアンプで負帰還を掛けた時の歪率の低さも捨てがたい。
ということで、オペアンプで低歪率と高精度定電流、トランジスタのエミッタフォロアのダイナミックさをいいとこ取りしてみよう。


こんな形だろう

オペアンプの負帰還を使った高精度な定電流源でトランジスタをドライブし、歪率もオペアンプの負帰還で一網打尽。
シミュレーション結果では、2Vp-p時の歪率は、

Total Harmonic Distortion: 0.000068%

小数点以下にゼロが4つも並んでいる。
はたして、いいとこ取りしたヘッドホンアンプが出来るのだろうか。
オペアンプが支配的な音になるとイマイチ平面的な感じがする傾向だが。


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2015年5月31日日曜日

高精度定電流回路を用いた、MOS-FETヘッドホンアンプ

オペアンプを使った(無駄に)高精度な定電流回路を使ったMOS-FETのソースフォロワーなヘッドホンアンプ。

もはやSimpleではない


実装後

全体像
※全体像は、まだ片方を断熱処理してない状態。

MOS-FETとトランジスタ自体の熱は、十分に素子の許容範囲内だが、近くのコンデンサへの悪影響を考慮して百均の保温袋?を切り出してコンデンサへ貼り付けてみた。


実装図

(無駄に)高精度定電流であることがプラシーボ効果を呼び、とても良い音だw


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2015年5月27日水曜日

Simple is Best! なヘッドホンアンプの特性改善

前回のヘッドホンアンプをシミュレーションで特性を見てみた。


評価回路

定電流源はトランジスタ1石の簡単なものである。
2Vpp出力時の歪率は、Total Harmonic Distortion: 0.008997%だった。
この10Ωに流れている電流を観察すると、


電流の揺らぎ

その幅は小さいものの出力に応じて電流が揺らいでいた。
定電流じゃないじゃんw

そこでオペアンプの登場。


高精度定電流回路

エミッタ抵抗が半端なのは、前回の回路と条件(定電流値)を合わせるため。
この28.7Ωに流れている電流を観察すると、


揺るぎない電流値

素晴らしい。これぞ定電流回路だ。オペアンプのフィードバック最強!
2Vpp出力時の歪率は、Total Harmonic Distortion: 0.008670%。
ちょっと改善。ちょっと残念。。。定電流の揺らぎは歪率に効果大と思っていたのだが。
MOS-FETは、電源電圧付近で動作させると特性が良いと聞いたことがあるような…初段のバイアス抵抗180kを150kに変更してみる。


さらに改善

入力C(1u)を通過した直後の波形を見てみよう。


約10.8Vまでスイング

ヘッドクリアランスも欲しいし、電源電圧は12Vだからこの辺りが限界か。
さらに改善後の歪率は、Total Harmonic Distortion: 0.007791%であった。なかなか良い値だ。無帰還でここまで良く頑張った。作らねばなるまい。


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2015年5月24日日曜日

Simple is Best! なヘッドホンアンプの作成 改(★★★★★お勧め)

前々回で作ったヘッドホンアンプの電源を見直し。
ACアダプタから可変レギュレータで電圧を落として給電してたのを、トランスからの電源へと改善。ボリュームも10kAから50kAへ変更。


電源強化

神レベルの音になった!やっぱり電源は大切だ。


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2015年5月17日日曜日

Simple is Best! なヘッドホンアンプの作成(★★★★お勧め)

※記事の内容に間違いがあったので、一時的に非公開としてました。修正したので公開します。前記事より回路を変更し、特性が改善しています。

前記事のヘッドホンアンプを作ってみた。
今回の主役はこの子。


ご本尊

秋月で1個60円で売ってるIRLB8721である。ごく普通のNchパワーMOSFET。
最終的な回路は、電源系の回路を追加したのみ。


最終形

今回は、抵抗にタクマンREYを、入力Cにオーディオ用途で定評のあるパナソニックのECQVフィルムコン、出力Cにはニチコン自らハイグレードAudio用と謳っているMUSE KZを使ってみた。こんな実装。


パーツレイアウト

MUSE KZでかすぎワロタ。


試聴中


 MUSE KZ。。。

MUSE KZ。。。たかが容量470uなのに、となりのが2200uとか(笑)
耐圧の違いはあるけど、デカ杉。

入力も出力もパワー全開で連続運転しても、トランジスタ/MOSFET共に40度~50度なため放熱器は不要だろう。というか、もう放熱器を付けられるレイアウトじゃないし。

その音は、おそらくMUSE KZが支配的な音である。
回路的にはあまりHiFiでは無い※が、HiFi風な音が出てくる。恐るべしMUSE KZ。。。
アコギのバラードなんかは凄く雰囲気を出してくれて、このアンプに合っている。伊達に大きいだけじゃないようだ、MUSE KZ。

※シミュレーション上での歪みは、「Total Harmonic Distortion: 0.008997%」である(2Vpp/32Ω負荷の値)ので、決して特性が悪いわけではない。
回路規模にしたら、むしろ非常に良いのではないか。

ローコストでピュアオーディオ風味を楽しみたい人は作ってみるといいかも。


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Simple is Best! なヘッドホンアンプ

実質1石なこのヘッドホンアンプ回路。超絶簡単。
負帰還もなく、ただのソースフォロワー。

原始的

入力Cで直流を切って、抵抗でバイアスし、MOS-FETを定電流源を使いソースフォロワーで出力を取り出す。ただそれだけ。定電流源も抵抗とトランジスタを用いた一番シンプルな回路。

以下に、出力2Vpp、負荷32Ωの特性を示す。

周波数特性

今回はムダに低域を出すのを止めた。人間の可聴範囲が十分に出れば良し。


歪率(1kHzで測定)

Total Harmonic Distortion: 0.025373%
無帰還でこの数値はなかなかだと思う。別に帰還回路を否定しないが、多少の高調波歪みなんかは音の味付けになって良い場合もある。

今回は回路がシンプルなだけに、パーツは良いものを買って来よう。
オーディオグレードのパーツなんて、久しぶりかもしれない。
そこにオカルトがあるのかも検証したい。


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2015年3月18日水曜日

1石(MOS-FET) 0dBヘッドホンアンプの測定結果

前回の記事で作った「1石(MOS-FET) 0dBヘッドホンアンプ」をRMAAで測定してみた。

先ずはサマリーから。


例によって、左は測定に使ったUSBオーディオデバイスのループバック結果。
理論的に、これを超えることはできない(誤差で超えることはある)。

歪率以外はほとんど劣化していないのが分かる。
ノイズレベルの値から、このアンプによるノイズはほとんど発生してないと言えるだろう。
左右で電源を独立したのが効いているのか、クロストークの値が良い。

歪率は、負帰還無しの0dBアンプとしては、非常に良い値ではないだろうか。

以下に各種グラフを掲載する。


周波数特性

高域のクネクネは、測定に使ったUSBオーディオデバイスの癖なので気にしない。そして、RMAAは20kHzまでしか測定できないため、20kHzでぶった切られることを考慮して欲しい。
グラフを見てみると、USB(略)の出力から、ほとんどというか全く劣化は見られない。低域から高域まで、フラットである。


ノイズレベル

おおよそ-120dB付近まで低い値だ。入力ショート時は、ボリュームMAXにしても無音であることが数値から証明された。


ダイナミックレンジ

低域と中域に若干の劣化が見られる程度。


歪率

高調波歪みが観測される。しかし、聴覚上で歪みは一切感じることはできない。


クロストーク

全域に渡って優秀な値である。高域に少し劣化が見られる程度。
電源を左右独立にした効果であろうか。

差動入力やら、プッシュプル回路やら、オペアンプやら、負帰還、利得なんて難しいこと考える必要もなく、こんな単純な回路でここまでの特性が出るとは驚きである。

音はとてもダイナミックであり、押しの強さが良い。それでいてノイズは皆無で静寂さや透明感も表現できる。

殿堂入りにふさわしい。


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2015年3月14日土曜日

1石(MOS-FET) 0dBヘッドホンアンプの詳細(★★★★★お勧め)

前記事では、ヘッドホン出力時の遅延回路をはしょってたので、ちゃんと入れたのを載っけることにした。

POP音防止の遅延回路(右下)
※トランスを間違えていたので訂正。12V/0.2A→12V/0.3A
※上記に伴い、パーツ表も訂正。

パーツのレイアウトも載っけてみる。

アンプ部

12V/2回路リレーが大きいため、遅延回路が面積の約1/3を占めている。。。
12k抵抗が斜めってるのは、MOS-FETのヒートシンクと干渉するためw


電源部

二次側2回路で±両電源を作るのは良くあるが、プラス電源×2は珍しいのではないだろうか(笑)
一応パーツ表を載せておく。トランスは秋葉原のラジオデパートかラジオセンターで類似のものがあるはずだ。

パーツ個数購入先備考
IRLB3034PBF2秋月N-Ch MOS-FET
2SC1815(Y)3秋月定電流回路と、遅延回路に利用
2SC39642秋月定電流回路用
NJM78122秋月12V/1A三端子レギュレータ
1N41484秋月汎用シリコンダイオード。色んな箇所で逆流防止用
SDI21002秋月SBDブリッジ
941H-2C-12D1秋月12V/2回路リレー
50F2D104J2秋月ルビコンフィルムコンデンサ 0.1u/50V 104
630MPS104J1秋月メタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサ0.1u/630V 104
トランス一次側スパークキラー構成用
16PB017-010254秋月ヒートシンク。MOS-FETと三端子レギュレータ用
2Pターミナルブロック2秋月トランス一次側入力。[AC,AC]
3Pターミナルブロック1秋月トランス二次側出力。[+,GND,+]
3Pターミナルブロック(小)3秋月アンプ側の入力/出力/電源用
秋月ユニバーサル基板Bタイプ1秋月アンプ実装基板
33Ω-1W 酸化金属被膜抵抗2千石ヘッドホン出力切替前の負荷抵抗
120Ω-1W 酸化金属被膜抵抗1千石トランス一次側スパークキラー構成用
12kΩ-1/2W金属被膜抵抗2千石定電流回路用
10Ω-1/2Wカーボン2千石定電流回路用
33kΩ-1/2Wカーボン1千石LEDのブリーダー抵抗
39kΩ-1/2Wカーボン1千石オンディレイ回路のCR回路のR
200kΩ-1/2Wカーボン2千石入力バイアス用
240kΩ-1/2Wカーボン2千石入力バイアス用
TBM1E105BECB2千石1u/25Vタンタルコン。三端子レギュレータCout
TBM1E335DECB2千石3.3u/25Vタンタルコン。三端子レギュレータCin
1HUTES100M2千石東信UTES 10u/50V。入力C
1EUTES102M2千石東信UTES 1000u/25V。出力C
1EUTES222M2千石東信UTES 2200u/25V。アンプ電源C
1EUTES472M2千石東信UTES 4700u/25V。トランス二次側平滑用C
ノンブランド ユニバーサル基板1千石電源実装基板。24x18ホール ガラスエポキシ
SP-1203W1菅野電機研究所(SEL) 二次側12V/0.3Ax2 トランス
50k Aカーブ2連ボリューム1その他、ケースや3.5mmステレオジャック、RCAジャック等
パーツ表


アンプ部実装後


電源部実装後

レイアウトを見ると分かる通り、密集度は高くなく、実装部品数も多くないため、そんなに難しくない。実聴の価値はあるから興味ある人は作ってみて欲しい。


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1石(MOS-FET) 0dBヘッドホンアンプ(★★★★★お勧め)

タイトルには1石とあるが、定電流源としてトランジスタを使っている。
利得無し(0dB)のバッファとしてMOS-FET(IRLB3034PBF)を使ったヘッドホンアンプである。


0dBヘッドホンアンプ

特徴としては、2次側2回路のトランスを使い、プラス電源を2つ作っている。
これで、電源に起因するクロストークの悪化を防ぐもくろみ。

実はこのアンプ、特性はあまり良くない(悪くもないが)。
特性が云々とか言うのがバカらしいほど音が良い。
たぶん、今まで作った中で1番か2番ぐらい。
信号ラインに電解コンデンサが入ってるが、全く音の劣化を感じない。
もの凄くダイナミックな音を出してくれる。キレも良い。

利得やら負帰還やら無縁の世界がそこにあった。これは作るべきだ。
ちょっとこのシリーズにハマりそうである。


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2015年3月1日日曜日

たった1石(MOS-FET)ヘッドホンバッファアンプの検証

前回作った「たった1石(MOS-FET)ヘッドホンバッファアンプ」を、負荷の有無でどのくらいの違いがあるのか実機を使いRMAAで検証してみた。
負荷は、負荷無しはUSBオーディオ(UCA222)の入力インピーダンスの27kΩ、負荷有りは33Ωのカーボン抵抗とする(普段使いのヘッドホンを想定)。
※負荷無しとは、出力をオープンにすることではなく、負荷が軽い(入力インピーダンスが27kΩで、ほとんど電流を必要としない)ということである。


サマリー

左から測定に使ったUCA222のループバック、負荷無し、負荷有りの結果である。やはり33Ωの負荷だと歪率、IMD特性(混変調歪み)、クロストーク値の低下が顕著に現れている。しかし、UCA222の悪い下駄を履かせた状態であるので、少し大目に見て欲しい。


周波数特性

負荷有りだとほんの少し低域が下がるが、ほとんど劣化していない。高域のクネクネはUCA222のクセなので気にしないで欲しい。そして、RMAAは20kHzまでしか測定できないため、20kHzでぶった切られる。


ノイズレベル

ノイズレベルはほとんど劣化せず。最大1.3dBの差しか無い。
概ね-120dB付近と低い値である。


ダイナミックレンジ

ダイナミックレンジもあまり劣化してない。たった1石のMOS-FETで利得無しで88.9dBは立派ではないだろうか。
微妙に周波数がずれているのが気になるが。


全高調波歪

負荷有りは、特に高域の歪みが悪化している。
しかし、負荷の有無で約0.05%の違いでしかない。そして約0.1%の歪みは聴感上で分かる人はいないのではないか。さらにこの歪みが良い味を出すことも考えられる。
微妙に周波数がずれているのが気になるが。。。


IMD特性(混変調歪み)

よく分からないが、全高調波歪と数値的にあまり変わらないから、色んな音が混ざってもそれほど特性が劣化しない…とポジティブにとらえよう。
微妙に周波数がずれているのが気になるが。。。。なんでだ!?


クロストーク

さすがに負荷が33Ωだとクロストークが劣化する。一番劣化が激しい項目である。元々低域は指向性が無いから問題視してないが、高域でも-66dBは確保してるからまぁまぁではなかろうか。たぶん、-66dBで音が漏れても糞耳なJJには聞こえない。

このアンプは0dBアンプである。つまり利得が無いのだ。
そのため、測定時はフルパワー状態で稼働している(そうしないとRMAAが測定モードに入らない)。
したがって、通常のリスニングでは、もっと特性が良い状態で聴いていることになる。これらの測定結果は参考値と考えて欲しい。

実聴するとこんな数値がバカらしく感じる。


最後に、このアンプは発熱が多いため、ケースの蓋に穴を空けて放熱対策を施した。この状態で、プリアンプの出力ボリュームを最大、このアンプのボリュームを最大(つまりフルパワー)で数時間稼働後、MOS FETの温度が90度、コンデンサ付近の温度が63度であった。
データシートの許容範囲に余裕で収まる温度と分かり、これで連続稼働も安心である。
もし、自分でも作ってみたい…と思った人は、放熱対策を十分して欲しい。


あまり綺麗な穴ではない。。。

ドリルの切れ味が劣化していた(笑)


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2015年2月28日土曜日

1石FETソースフォロワーの検証

修理おじさんのリクエストにより、実機では無いがシミュレーションで、1石FETソースフォロワーを検証してみた。電流源を抵抗にするか、定電流にするかで違いが出るのだろうか。電圧、Nch/Pchとイコールコンディションでは無いが、傾向は分かる…かもしれない。
また、シミュレーションのパーツライブラリの都合で、修理おじさんの回路とはFETが異なるのは悪しからず。一応、似たような特性のを使っている。


評価回路その1 

Pch-MOS FETのソースに抵抗を入れただけの簡単な回路。


その1の周波数特性

高域の伸びが素晴らしい。カーブも綺麗で素性の良さを感じる。


その1の歪率

Total Harmonic Distotion: 0.040119%
これは、32Ω負荷で2Vpp出力時である。利得無し、負帰還無しで0.1%を切ってるのはなかなかではないだろうか。

次に、Nch-MOS FETを利用し、ソースに定電流源を使った回路を検証してみる。


評価回路その2

Nch-MOS FETのソースに定電流源を入れただけの簡単な回路。


その2の周波数特性

どこまでも伸びる高域。。。
その1とは全然違う高域のカーブである。これはシミュレーションで使った素子の違いが出ているのだろうか。


その2の歪率

Total Harmonic Distotion: 0.047866%
これも、32Ω負荷で2Vpp出力時である。その1より電圧が低く不利なはずなのに、その1とほとんど変わらない値である。
修理おじさんも書いてあるが、パワー感以外の違いを感じられないのは、シミュレーション結果でも現れている。

修理おじさんのおかげで、1石 MOS FETのソースフォロワーの奥深さを知ることができた。感謝。


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2015年2月27日金曜日

たった1石(MOS-FET)ヘッドホンバッファアンプ(★★★お勧め)

たった1石(MOS-FET)、それも単電源で想像を絶する音の良さ。
バッファアンプなため、利得は0dBである。あまり音量は取れないが、爆音にできないだけであって、必要十分な音量は取れる。
こちらに実機の検証記事をアップしました。


アクティブ素子は片Chで1つだけ

たったこれだけの回路である。超絶簡単。


レイアウト図

とにかく大食らいなため、抵抗が大きい。A級だからしょうがない。
RMAAで計測してみた。


1石とは思えない結果

オペアンプを使ってもなかなかここまでは出ないのではないか?
計測に使っているベリンガー(UCA222)のループバック結果と比較してみよう。


UCA222との比較

ほとんど劣化してないことが分かるだろう。
オペアンプやディスクリートで作るのがバカらしく感じる…こともないが。
欠点としては、大きな電源が必要なことと、かなり熱を持つことである。
ACアダプタは、+15~+20Vで少なくとも1Aは流せるものが必要だ。
元々+19Vで設計してるため+19~20V/2A以上を推奨する。


巨大な酸化金属被膜抵抗

ソース抵抗は熱対策のため、高く浮かせてある。
ポップノイズ防止に、前回作った出力遅延回路を使用。


パーツ個数購入先備考
3Ω/1W酸化金属被膜抵抗2千石など電源ローパスフィルタと突入電流防止用
68Ω/5W酸化金属被膜抵抗4千石などMOS-FETのソース抵抗
100kΩカーボン2千石などバイアス用
300kΩカーボン2千石などバイアス用
IRFB4410PBF2秋月などMOS-FET
10u/50Vバイポーラ電解コン2マルツなど入力C。日本ケミコンSMEなどの一般品
1000u/25V電解コン2千石など出力C。東信UTESなどの一般品
2200u/25V電解コン2千石など電源C。東信UTESなどの一般品
放熱器2秋月などMOS-FET用
10kΩ Aカーブ2連ボリューム1マルツなど
ユニバーサル基板1秋月秋月ユニバーサル基板タイプB
ACアダプタ1秋月など+15~+20Vで1.5A以上の出力があるもの
パーツ表

ジャンク品を漁れば千円以内で揃うのではないだろうか。
電解コンは、オーディオ用を謳ってるやつより一般品の方が色が付かなくて良い気がする。
高域の伸びが素晴らしい。かと言って、刺さる感じでは無い。低域もズシンと出てくる。
消費電流が多いのと、かなり発熱するため、★は3つにしておこう。音的には4つ★である。

殿堂入りしてもいいかもしれない。もう少し聴き込んでみよう。


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