金田式もどき改ヘッドホンアンプ（★★お勧め）

前回の金田式もどきヘッドホンアンプあるが、初段以外はろくにトランジスタを選別しなかったため、片側だけ終段トランジスタが熱を持つことが分かった。
RMAAの結果では左右大差無いから、回路やハンダミスでは無い（と思いたい）から、パーツ性能のバラツキが原因と断定。左右の終段トランジスタの温度差が精神的に気持ち悪いため、解決策を打つことに。

要は、バイアスを作っている抵抗値を下げればいいのだが、そうすると歪率も下がると思いきや、シュミレーションではむしろ歪率が良くなる傾向であった。
なので、迷わず240Ωのバイアス抵抗を220Ωへ変更。

240Ω⇒220Ωへ変更

この変更により、放熱器が不要なぐらい終段トランジスタの温度が下がるが、音は変化なく変更前と同じぐらい良い。
これで、より再現性が高い回路となったのではないかと、自己満足。

RMAA結果

240⇒220変更後もほとんど値が変わらず。金田式は不思議な回路だ。

それにしても金田式アンプ、実質たった６石でシンプルな回路なのに、これだけ良い音が出せるとは、先人の知恵と偉業に感謝。
パーツ自体がオリジナルと全然違うから金田式とは言えないが、この基本形を考えたのは凄いと思う。

もし、作ってみたい奇特な人がいれば、コメントをいただければパーツ表とレイアウト図を公開する（いやこれまじ良いよ）。


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金田式もどきヘッドホンアンプの作成。

「金田式もどき」のヘッドホンアンプを作成してみた。
たぶんオリジナルは入力がFETであるが、オリジナルを尊重しつつ、ここはトランジスタで組んでみることにした。

 金田式もどき？

終段Trにコレクタ抵抗もエミッタ抵抗も無い、危険な回路である。
その分、出力インピーダンスは低いだろう。

終段Trとボリューム（ミニデテント）がギリギリ

Zobelフィルターは、普段使いのK550のインピーダンスに合わせて計算した値のつもり。

RMAA結果

なかなか良い値を出している。ちょっと聴き込んでみよう♪


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RAMM用ダミーロードの作成

負荷付きでもヘッドホンアンプの測定が簡単にできるように、ダミーロードを作ってみた。

こんなやつ。

足が長過ぎた

負荷として33Ωの抵抗を左右１個づつ取り付けた。

配線

見ての通りの配線だ。
アンプから見ると、出力は33Ω抵抗を通ってGNDへ戻り、USB入力側から見ると33Ω抵抗が並列に繋がってることになる。

早速、FET入力化したバイポーラOPAMPヘッドホンで試してみた。

一番左はUSBオーディオIF（この性能を超えることはない…） 

はっきり変化が現れるのはやっぱりクロストークだった。
10dBも悪化している。出力先のインピーダンスが下がった分、流れる電流が増えて左右で漏れ合ってるのだろうか。ヘッドホンだから共通グランドだし。

クロストークのグラフ

不思議なことに、高域では負荷ありの方が値が良い。
なぜなのかさっぱり理由が分からない。
高域の方が指向性が高いから、耳で聞く分にはあまり左右の相互干渉は感じないかもしれない。

というか、もっと正確に測れる性能が良いUSBオーディオIFが欲しくなった。
万単位するけど。。。


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（一部訂正＆追加情報あり）UCA222にてポータブルヘッドホンアンプの測定

前回の記事と同様に、今度はポータブルヘッドホンアンプの性能測定もしてみた。

先ずは、ClassAAポータブルヘッドホンアンプから。LME49740を使用。

大人気のClassAA

006P電池１個駆動でなかなか健闘しているのではないか。
ちなみに、LM324を使用したバージョンはこちら。

LM324バージョン

５つのPoorと１つのVery poorをいただきました。RAMMさん、チィーッス！
全く同じ回路で、オペアンプ交換でここまで差が出るとは、LME49740さん、恐るべしヤツ。
ちなみに、参考として同族のLME49720を使用したポータブルヘッドホンアンプは、
※ボリュームへの結線を左右逆にしてました。修正後の結果を表示します。。。
※ご指摘くださったgin_liquorさん、ありがとうございます。

よくあるオペアンプ＋バッファ回路（修正後）

めっちゃ性能いいやん。据え置き型よりいいとか。負荷が繋がってないからだろうけど。
ClassAAとあまり変わらない気がするが、クロストークが絶望的に悪い。
これ、左右双方向でダダ漏れじゃね？あと、ダイナミックレンジが同じ90.0dBでもClassAAはVery good、これはGood。単項目だけじゃなくて、色々総合的な判断なのだろうか？それとも、もっと小数点以下で違いがあるのか、RAMM…謎だ。

クロストークのグラフ（修正後）

かなりな上空飛行だ。オペアンプ自体のクロストーク（データシートでは"ISO CH-CH"と表現されている）は112dB～118dBみたいだから問題無し。バッファ部分で漏れてるのだろう。これは小さく作ったからローパスフィルタを入れられないし、しょうがないかな。今後の研究課題にしよう。
クロストーク以外は、そんなに遜色ないのではなかろうか。

修正したらメチャメチャ良くなった。何も対策してないのに。。。電源は電解コンのみなんだけど。。。それも、LT1010を使ったレイルスプリッタ。

JJ理論が崩壊した。

まぁ、これだからアナログは面白いんだが(笑)
電圧が低くて左右の干渉が少ないのか、オペアンプの性能が良くて結局バッファはオペアンプの出力を増幅してるだけだから出ないのか。。。対策してる据え置きヘッドホンアンプより良い理由が見当たらない。電池ってのがいいのかもしれない。
やっぱり電池最強伝説なのか？

ちなみにダミーロードを繋げて測定した結果。

32Ωの抵抗を並列に入れて測定

クロストークとIMDが低下した。
特にIMDが劇的に悪化している。IMDって何だ？
でも、予想よりも性能低下は少なかった。これは驚きだ。電池１個なのに。

最後に、大昔に作ったTPA6120A2を使ったポータブルヘッドホンアンプで測定してみた。

こっこれは…

据え置き型と遜色ないレベルだ。Excellentを２つもらっている。
さすがメーカー製ハイエンドなヘッドホンアンプに採用されるだけはある。
ただ、上のとくらべると006P電池２個使用とか、微妙なアドバンテージもあるが。

クロストークがここまで良いのは、回路の電源部にローパスフィルタを構成したのと、このIC自体の中身が左右で真っ二つに分かれているからである。１つのICなのに、VccとVeeが左右で２つずつあるのだ。徹底している。
でも、このICと抵抗とコンデンサでデータシート通り作れちゃって、あんまり考える余地もなく、つまんないのだ。音も無味無臭で特徴がないし…それが最大の特徴なのかもしれないが。なので、ずっとお蔵入りしていた。

最後に比較表を。

オペアンプ＋バッファのは表に入れ忘れた

ポータブル機だと、色んな違いがハッキリ出て面白い。
限られた制約（電圧、サイズ）の中で作るから、その時のポリシーや使うパーツで回路が決まってしまうからだろう。
でも、ネガティブな結果が出てるアンプも、聴覚上は全然問題無く良い音で聞こえたり、そのネガティブ部分が味わいになって良く感じることもある。なので、いちいち測定した結果を気にしてもしょうがないのだ。

それにしてもLM324(笑)　The汎用オペアンプ！


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UCA222にて据え置きヘッドホンアンプの測定

インフルエンザで仕事行けないし、ほとんど治って元気なので、最近作った据え置き型ヘッドホンアンプの測定をしてみた。
測定方法は次のような構成。

測定時の接続方法

パワーアンプじゃないし、負荷は与えずアンプの素性を知りたいから直結。
パワーアンプで直結しちゃダメだ。ちゃんと負荷を与えて、可変抵抗で減衰してから入力しないと、たぶん何かがぶっ壊れる。
測定にはRMAAを使った。
※RMAAはとても綺麗なレポートを出力してくれるが、それを上手く貼り付けられないからキャプチャ画像にて。

先ずは、一番最近作ったバイポーラオペアンプをFET入力にしたやつから。

LME49860(LME49720)をFET入力で使ったやつ

Excellentを２つもらって嬉しい。しかし、Poorが１つある。。。
ここでUCA222と比較してみよう。

測定のベースになってるUCA222との比較

UCA222は前記事で書いたが、UCA222の測定は自分の出力を自分の入力へ直結するループバックにて行った。
クロストーク以外はほとんど変わらない。上回っている項目もあるが、理論的にありえないから誤差なのだろう。
逆に言うと、UCA222の悪い点が下駄として履かされてるから、本来の性能はすごく良いのではないだろうか。

次にClassAAヘッドホンアンプの結果。

ClassAAヘッドホンアンプの結果

なんだかバイポーラオペアンプをFET入力…とほとんど同じだ。
ノイズレベルは-90dBからVery goodみたいだから、これも誤差範囲だろう。
歪率系の値がほんの少し良い。これも誤差だと思うが、ClassAAの原理から歪率は低いはずだから、誤差だとしてもほんの少しだけ嬉しい。

次に低歪ディスクリートヘッドホンアンプの結果。

ディスクリヘッドホンアンプの結果

これもレスポンスとクロストークを除いてはほとんど同じ。
レスポンスは、流石にオペアンプには敵わないと言ったところか。それが聴覚上感じるかは別であるが。
クロストークの値が良くて嬉しい。このアンプが一番クロストーク対策をしているからだ（電源部に82Ω＋3300uのローパスフィルタ－を構成してある）。そうなるよう設計して、実際に数字として出てくると嬉しさと納得感がある。
そして、ディスクリートで名だたるオーディオ用のオペアンプを使ったヘッドホンアンプと遜色ない結果が出ていることに少しの驚きと、やっぱりディスクリは良いと思わせる。苦労が報われた感じだ。
レスポンスは劣るがVery goodらしいから放置しとこう(笑)

最後に三つ巴の比較を（＋UCA222。一番左の列）。

比較表

以下、各種グラフを掲載。

周波数特性

RMAAが20Hz～20kHzの範囲でしか測定してくれないから、高域は20kHzでぶった切られる。10kHzを過ぎてからのウニョウニョは、UCA222が持ってる癖だからみんな同じように出てる。ディスクリアンプは、少し低域が減衰してるが、後は重ねたようにピッタリだ。

ノイズレベル

これもみんなほぼ同じ。

ダイナミックレンジ

これもみ（略）

THD + Noise (at -3 dB FS)

ディスクリアンプが一番目立つ色で描画されていて不利だ(笑)
数字からも分かる通り、これもみ（略）。
その証拠に、UCA222単体の測定結果を示す。

このざま

って、かこれってわざとノイズを混ぜてるのか。。。
この波形が正しいんだな、きっと。

最後にクロストーク。

クロストーク

ディスクリアンプは、低域が悪くて高域が良い傾向にある。
低域は指向性があまり無いから、高域のクロストークが良ければ○だ。
でも比較表の数字と合わない気がする。。。比較表の数字は、単に1kHz時の値じゃね(笑)


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BEHRINGER U-CONTROL UCA222を試す

BEHRINGER U-CONTROL UCA222が近所の島村楽器に置いてたので買ってみた。アナログIN/OUTが付いてて約４千円とか、とても安い。

こんなやつ

メタリックなレッドが若干の高級感を醸し出している。
性能はどうなのだろうか？RMAAを使って調べてみよう。

Summary

Frequency response (from 40 Hz to 15 kHz), dB	+0.08, -0.04	Excellent
Noise level, dB (A)	-90.0	Good
Dynamic range, dB (A)	90.1	Very good
THD, %	0.047	Good
THD + Noise, dB (A)	-63.3	Poor
IMD + Noise, %	0.059	Good
Stereo crosstalk, dB	-90.9	Excellent
IMD at 10 kHz, %	0.057	Good
General performance		Very good

UCA222をループバックした結果

１つPoorがあるが、なかなかの性能ではないか。Excellentが２つもあるし。
こいつを使ってヘッドホンアンプの性能測定をしてみようと思う。ループの中に測定したいアンプを挟めば可能だろう。

ただし、こいつの基本性能が上表だから、この性能を超えることがないのが悲しい。。。まぁ、安物だから仕方ないか。相対評価はできるし。


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LT1115を使った10W級パワーアンプの作成（★★★★★このままお勧めはしない）

下記一連のシリーズの延長でパワーアンプも作ってみた。

• バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ変換（その１）
• バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ変換（その２）
• バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ、作成編（★★★★お勧め）
• バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ、電源部
• バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ、パーツレイアウト等

LT1115の扱いや、FET入力化が上手くいったのもあり、次のような回路となった。

最近のスキルを総導入
※アンプ電源部の4.7Ω抵抗を削除
※トランス二次側の12Vタップから給電へ変更

最終段はサンケンTrを使ったインバーテッドダーリントン構成。

バイアスの作成が楽だから、インバーテッドダーリントンは好きだ。

当初、クロストーク（チャネルセパレーション？）対策として、4.7Ωの抵抗を直列に入れていたが、ヘッドホンアンプじゃないし、定格2Wじゃ不安だし、2200uの電解コンが青息吐息になってるし、外すことにした。
所詮パワーアンプはスピーカーと耳の間に空間があるから、クロストーク（チャネルセパレーション？）は重視しないと割り切り(笑)
あと、LT1115の定格ギリギリだったので、トランスの12Vタップから給電することに変更。

 後ろのビールのせいで。。。

飲みながらいい気分で作っていたら、バイアス作成のダイオードのハンダ付けが中途半端でバイアス∞大！終段Trが２つ逝ってしまった。。。煙出ましたよっと(笑)

かなりトリッキーなレイアウト

小さい基板で作ってしまい、かなり窮屈でトリッキーなレイアウトになった。

もし作るならもっと大きな基板で放熱器をもっと大きくした方が良い。または、Trをアルミケースへ取り付けるか。

今のところ、バイアスを小さめにして、かつ、バイアス用のダイオードと熱結合した状態で均衡を保っている。大音量で聞いてる時、放熱器が触れる程度にアチチになるぐらい。ずっと触ってはいられないが。

こんな熱結合でも効果が！

無入力時のバイアス電流は、35mAぐらい流している。無入力時は発熱しない。

また、無流力時のバイアス電圧は1.1Vぐらいで、大音量時は0.9Vまで下がっているから温度補償が効いているようだ。Trの表面との結合なのでちょっと心配していたが、結果オーライ(笑)

----------その後
どうも位相温度補償が効きすぎて、音がイマイチな感じ。上手く表現できないが。
さすがにバイアスが0.9Vまで下がったらTrのON/OFFの切り替えが激しそうだし、その辺りが原因だろう。

と、いうことで、

そびえ立つ巨大放熱器(笑)

1Trにつき、小さい放熱器4つをエポキシ接着剤と銅箔テープで合体。巨大放熱器として、温度補償のダイオードとの結合を止めてみた。
良い、非常に良い。6Ωのダミーロードで20Vppを出力しても放熱器は触れるぐらいの熱さ。これは成功したようだ。

今までで一番良いアンプとなった。当分パワーアンプは作らなくて済みそうだ。

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バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ、パーツレイアウト等

『バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ』シリーズの最終的なパーツレイアウトはこうなった。現在は、電源電圧を±18VにしてLME49720をセットしてある。

ちょっとめんどい
※120pフィルムコンが窮屈なため１穴ずらす。

初段のFET(2SK30)は、選別して特性が（なるべく）等しいもの同士を向かい合わせで熱結合して取り付けること。
終段のトランジスタは、表面を入力側から見て反対向きに取り付けて、放熱面をバイアス作成用のダイオードと熱結合すること。
終段トランジスタは、今のお気に入りのサンケン製。一応、hFEを測って値を揃えてみた。
オペアンプにちょい足しどころか、マシマシで足してるから、部品点数が多くてめんどいが、それに見合った音は出る。

発掘したミニデテント

ミニデテント(20kA)が転がってたから使ってみた。
回すとクリック感があって、高級感があってよろしい。が、軸が長すぎて切るのが超絶めんどい。金鋸で地道に切り落とした。
手前にケースとネジ止めしてある緑のケーブルはアースである。ケースがアルミだからケースへアースしてある。

冬休み最後のチャレンジにいいのではないだろうか。
※詳細（でもないが）は、前々回の記事に書いてあるから参照のこと。

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バイポーラ入力オペアンプをFET入力へ、電源部

電源部に可変型レギュレータを追加して、一般的なオペアンプの電源電圧である±15V～±18Vを生成できるようにした。
LM337のデータシートに載っている"Adjustable Lab Voltage Regulator"のまんまコピーであるが（保護用のダイオードを追加してある）。

電圧可変電源

両電源回路の何にでも使えるから１つあると便利だ。
LM3x7には放熱器を取り付けること。特に、電圧を下げる場合は必要だ。下げた分の電圧は全て熱に変わるからね。
上記の場合は、トランスからは約±21V（15×√2）が出力されるため、実質的にはそこから3V引いて、～±18Vぐらいが実用範囲かな。

実装後

トランス

トランスは、東栄変成器さんのJ15022。センタータップ付きで、30V/0.2A流せるタイプだ。全体で6Wの出力だからヘッドホンアンプには十分すぎるぐらい。
一次側に取り付いてる黒い物体はスパークキラーである。入手できなければ、フィルムコンと抵抗で簡単に実装できる（回路図はそっちで描いてある）。

これのおかげで色んなバイポーラ入力オペアンプを試すことができて楽しい。


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