ヘッドホンアンプ備忘録: MOS FET

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2016年5月9日月曜日

外部電源で動作するUSB-DACの作成

USBからの+5V給電をトリガーにして、DACへは外部電源を供給することに成功した。原理は超絶簡単なMOS-FETを使ったスイッチ回路。

超絶簡単な原理

実装後

左側のUSB/Micro-Bコネクタからの+5V給電で隣のMOS-FETがスイッチして、手前左2Pターミナルからの電源をDACへ供給することができた。
使ったMOS-FETはIRLB8721PBF。秋月で60円だった。

ノイズが皆無な綺麗な音が出るようになったのであった。

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2016年5月7日土曜日

フォトリレーじゃなく、MOS-FETでの実験

もっと単純な方法をコメントでご指摘いただき、確かにわざわざフォトリレーを使うまでもないかなーとMOS-FETを使った電源切り替えも実験してみますた。
こっちの方が、USB電源の消費電力が少なくていいかもしれない。

MOS-FETバージョン

実験風景

フォトリレーと違いGNDは共有することになるけど、GND共有によるノイズの混入は良く分からないです。GNDはブラックホールのようなものとイメージしてるJJだからたぶん大丈夫かな(笑)

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2015年12月29日火曜日

非コンプリメンタリなMOS-FETでヘッドホンアンプを作る２（★★★★お勧め）

以前に作った非コンプリMOS-FET出力段のヘッドホンアンプが、初段にオペアンプを使っていたためディスクリートで作ってみた。差動入力はJJお気に入りの2SC2240である。基本に忠実を心がけ、再現性が高い回路を組んだつもり。「定本」を読めば直ぐに理解できる回路であろう。

基本に忠実

※VR2は、調整前に抵抗値が1kΩぐらいにセットしておくこと。

やっぱり2SC2240は良い音である。
全体的に非常にクリアかつクリーンな音、解像度が高い。そして、低域～高域までのバランスも良い。

完成形

ディスクリートは作るのが楽しい。シムシティをやってるような(笑)

音出し＆調整中

定電流回路にLEDを使うと可愛く光って楽しい。
入力Cは、奮発してニッセイMMTの3.3u。基板上で一番高価なパーツだ(笑)

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2015年11月24日火曜日

前々記事のヘッドホンアンプの特性を測定してみる（その２）

前々記事で作ったヘッドホンアンプ（以下HPA）の終段アイドル電流を30mAから60mAへ増やしてみた。

比較表

クロストーク値以外は、特性が向上か横ばいとなった。
frequency responseが一桁良くなっているのは、終段のMOS-FETが線形動作領域で動いているということか。
また、50Hz付近で特性が悪かったため、
　
・電源トランス－電源回路（整流＋平滑化＋定電圧化）
・電源回路－HPA回路

間の配線を最短にしたところ、

50Hzのノイズが減少

50Hzのノイズが-100dBを超えなくなった。
こうやって検証して改善した部分が、実際の測定結果として現れるのはとても嬉しい。

アイドル電流を60mAとしたところ、終段MOS-FETの温度が（放熱器付きで）50度に満たないぐらいだった。まったく問題無い範囲だろう。
ちなみに、30mAの時は40度前半だった。

これ以上流しても、そう劇的な変化は見られないため、アイドル電流は60mAでFIXとした。

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2015年11月17日火曜日

前記事のヘッドホンアンプの特性を測定してみる（★★★★★お勧め）

前記事で作ったヘッドホンアンプ（以下HPA）の特性をRMAAを使って測定してみた。

先ずはSummary

これだけ見ると平凡な特性である。
しかし、この特性を測定するためには、PCとHPAの間にUSBオーディオデバイス（ベリンガー）があるのだが、このデバイスの性能が良くないのだ。
並べて比較してみよう。

ベリンガーとの比較

この左列のベリンガーの数値は、自分自身をループバックして測定したものである。したがって、理論上この数値が表現上の上限となってしまう。
この表を見て分かる通り、frequency response（周波数応答？）以外は、誤差範囲と言って良いほど数値に変化が無い。つまり、ベリンガーのせいで本当の特性が隠されているのだ。
ノイズレベルの比較グラフを見てみよう。

ノイズレベル比較

白がベリンガー、緑が前記事のHPAである。
緑から白を除算してみると、ほとんどノイズが残らないであろう。
50Hzにあるノイズは、HPAがトランスから電源を取っているための、AC100Vラインからのノイズである（JJは関東圏住まいなので）。それでも-100dBを少し超えるくらいだから、聴感上は全く問題にならない値である。
おそらく生の特性では、ノイズレベルは-100dBを下回り、ダイナミックレンジは100dBを上回っているのではないか。

この傾向は歪率も同じである。終段にMOS-FETを使っているが、アイドル電流は30mA（現在は60mA）程度である。MOS-FETの線形領域に達してないはず※であるが、そこはオペアンプのNFBに任せて、歪みはバッサリ補正してくれる。
本当の歪率は、上記の比較表で単純に引き算した値、0.050-0.045=0.005に近いのではないだろうか。
※もしかすると達しているかもしれないが、MOS-FETのデータシートのグラフのオーダーが大きすぎて、立ち上がりから線形領域までの電流が読み取れない(笑)

また、このHPAは入力Cに、0.22uFのフィルムコンデンサを並列に5つ入れてある。最初は異種コンデンサ（電解コン＋フィルムコン等）の組み合わせを考えたが、組み合わせのチューニングが面倒なのと、もしかするとクロスオーバー歪みが出るかもしれないため、まったく同じ特性のフィルムコンデンサを並列にする試みをしたのである。

入力C(笑)

いくつかの抵抗は立体配線だ(笑)

この試みは大成功と言える。
特性は良いが、低容量なため安価な、どこでも売ってる積層フィルムコンデンサを使えるメリットがある。そして並列接続なため、応答速度に寄与している可能性もある。

とにかく、左右の分離と音の分離が良く、ノイズと歪みも皆無な、ダイナミックレンジと音場の広がりが良い、とても良いHAPに仕上がった。

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2015年11月9日月曜日

非コンプリメンタリなMOS-FETでヘッドホンアンプを作る（★★★★★お勧め）

コンプリメンタリなMOS-FETの入手が困難になってきている。
若松なんかでコンプリを売りにしたMOS-FETのペアなんて、１ペアで千数百円以上はする。。。辛うじてチップだといくつかあるが、実装が面倒だし、あまり電流を流せなくてミスるとすぐ燃えるｗ

ということで、非コンプリメンタリなMOS-FETのペアを終段として、ヘッドホンアンプを作ってみた。要するに、同じような特性のNchとPchの安価なMOS-FETを見つければ出来たも同然だ！

非コンプリ終段

電力増幅段に、2SK2232と2SJ334を使ったプッシュプル回路だ。
この2SK2232と2SJ334、コンプリメンタリと言って良いぐらい同じような特性だ。
それに秋月に置いてあって、１個１００～１５０円と安価である。
アイドルは、30mA（現在は60mA）ほど流れるように10kBの可変抵抗を設定してある。

実装後

オペアンプ以外は全て一般品。一部、手持ちで同一種で抵抗値が揃わず、無駄に金属被膜抵抗を使っているｗ
この中で一番高価なのは、3.3pのマイカコンだろう。

その音は、久々のホームラン級である。神レベル（当人比）
このオペアンプの音は好きだ。

入力Cと終段FETのおかげで、恐ろしくクロストーク性能が良い。
左右の分離と音の分離が良く、解像度が高くダイナミックレンジが広いヘッドホンアンプとなった。

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2015年10月25日日曜日

MOS-FET複合チップ(Si6544DQ)を使ったヘッドホンアンプ（★★★お勧め）

ずーっと以前から気になっていた、秋月に置いてあるSi6544DQ。N-ChとP-ChのMOS-FETが１つのパッケージに収まっている。
気になっているだけで使わなかったのは、その大きさ。

真ん中のチップがSi6544DQ

左隣はお決まりの2SC1815。およそ2mm幅内に４本のピンが…
これをDIP化するのが面倒で、使わなかったのだ。

DIP化＆Trと熱結合

DIP化ついでに、バイアス生成用の2SC1815と熱結合。
ここまでくれば、もう出来たも同然！

回路図忘れてた

オペアンプを反転入力で使って、利得無しのバッファアンプだ。

完成！

Si6544DQのDIP化さえ出来てしまえば、割と単純・簡単な実装だ。
Si6544DQのアイドル電流は20mA流すように10kBのボリュームで調整してある。この10kB、実装前に抵抗値が最小値となるように回し切っておこう。そうしないと、実装後の電源オンでいきなりSi6544DQが燃えてしまうであろう(笑)

その音は、ダイナミックレンジが広く、ノイズレベルが低い、とてもクリアな音である♪
調整ミスると燃えるから★は３つで(笑)

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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
IRLB3034PBF	2	秋月	N-Ch MOS-FET
2SC1815(Y)	3	秋月	定電流回路と、遅延回路に利用
2SC3964	2	秋月	定電流回路用
NJM7812	2	秋月	12V/1A三端子レギュレータ
1N4148	4	秋月	汎用シリコンダイオード。色んな箇所で逆流防止用
SDI2100	2	秋月	SBDブリッジ

941H-2C-12D	1	秋月	12V/2回路リレー
50F2D104J	2	秋月	ルビコンフィルムコンデンサ 0.1u/50V 104
630MPS104J	1	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
16PB017-01025	4	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

TBM1E105BECB	2	千石	1u/25Vタンタルコン。三端子レギュレータCout
TBM1E335DECB	2	千石	3.3u/25Vタンタルコン。三端子レギュレータCin
1HUTES100M	2	千石	東信UTES 10u/50V。入力C
1EUTES102M	2	千石	東信UTES 1000u/25V。出力C
1EUTES222M	2	千石	東信UTES 2200u/25V。アンプ電源C
1EUTES472M	2	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-1203W	1		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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