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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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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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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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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ヘッドホンアンプに利得は必要なのか？（★★★★お勧め）

JJは大昔はDENONのウッドフレームのレコードプレイヤーで音楽を聴いていたのだが、何回かの引っ越しを経て、住宅事情等もあり手放してしまった。
それからは、PCから制御できるのが便利で据え置き型のネットワークプレイヤーを使っていた。つまり妥協の産物で圧縮音源を聴いていたのだ。

ふとしたご縁から、DENONの据え置き型の巨大なCD/DVD/BDプレイヤー(DVD-3800BD)をいただき、最近はもっぱらこれでCDを聴いている。BDのピックアップが死んでるが、CDを聴くには十二分な音を出してくれる。

ここで気がついたのが、ネットワークプレイヤーとCDプレイヤーのライン出力値の違いである。ネットワークプレイヤーのライン出力は最大1.4Vrmsの出力（実測値）であるが、CDプレイヤーのそれは、2.0Vrms（カタログ値）である。
※プレイヤー側の出力インピーダンスも関係してくるが、ややこしくなるのでここでは触れない。

ネットワークプレイヤーのライン出力値は手元(PC)で音量調整ができるが、CDプレイヤーのライン出力値は固定である。つまり、CDプレイヤーでは、常に最大出力の信号が送出されている。したがって、数倍の利得を持つヘッドホンアンプを繋ぐと、アンプのボリューム位置が時計の針で言うと、もう９時の位置で爆音になってしまうのだ。

0dBなバッファ型のヘッドホンアンプなら問題が少し解決するが、（アンプの作りにもよるが）負帰還が掛からない分、歪率が悪くなったり、（アンプの作りにもよるが）入出力Cによる味付けにも善し悪しが出てくる。

電流も取り出せて、負帰還によって歪率も低く抑えたい…との欲求により、次のような回路を考えてみた。

オペアンプを反転入力で使う

何のことは無い、オペアンプを利得1倍の反転入力で使い、出力段にトランジスタのバッファを追加したもの。ポイントとしては、

・FET入力型のオペアンプを利得1倍の反転入力として使う
・帰還抵抗に位相補償Cを並列に入れ、高域の安定度を図る
・バッファ部の電源は、クロストーク対策としてCRフィルタ（51Ω+1,000u）を介する

巷の作例では、そのほとんどがオペアンプを非反転入力で使っているが、反転入力で使うと高域のガヤガヤした感じが和らぐような傾向があるようだ。これも実際に聴いてみて実感している。高域はスッキリとしているが、各楽器の分離が良い音である。

シミュレーションした周波数特性

入力Cが無いおかげて低域の減衰が無く、高域は位相補償がほどよく効いて素直に落ちている。歪みはどうなっているだろうか？

高調波歪みが少し（1Vp-p出力時）

5次まで高調波歪みが出ているが、3次でも-120dBまで低い。聴覚上で感じることは無いであろう。全高調波歪は、

Total Harmonic Distortion: 0.000127%

であった。

当初の目論見通り、ボリューム位置が２時ぐらいまで回せるようになり、CDプレイヤーの音から、何も足さず何も引かない、とても素直で癖の無い音のように感じる。

オペアンプを使うと作るのが楽でよい。

パーツレイアウト

作って直ぐ、DVD-3800BDをいただいたお礼に送付してしまったので、基板等の写真を撮り忘れてしまった。。。その音の評価を待ってみよう。


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JJ47と本家Fig9.（A47の元祖）の特性比較（シミュレーション）

JJ47式ヘッドホンアンプと、TI本家OPA2604のデータシートに載っている「FIGURE 9」の特性をシミュレーションで比較してみよう。
このFIGURE 9はA47ヘッドホンアンプの元祖となっているようだ。

データシートからちょっと拝借

R1とR2の値が分からないから、ここは一般的に利得３倍のヘッドホンアンプを想定して5.1kと10kにする。

評価回路はこんな感じ。

Fig9.の評価回路

なるべくデータシートに忠実に再現することにする。

JJ47の評価回路

Fig9.は（たぶん）データシート通り±15V、JJ47はクロストーク対策で電源とシリアルに33Ωが入ってるから約1V低下して±14Vとする。

評価は全て32Ω負荷で、2Vpp出力時の結果である。

先ずは、歪率から。JJ47は出力抵抗の47Ωが負帰還の外にあるから歪率は不利なはずだ。

Fig9.の歪率

0.000028%とさすがに低い。TIが堂々とデータシートに載っけてるだけはある。

JJ47の歪率

0.000033%。予想通りFig9.より悪いが、そこまでの差は無い。僅か0.000005%の違いだ。

周波数特性も見てみよう。

Fig9.の周波数特性

おやおや、なんだか高域が暴れてる。2MHz付近にピークもある。

JJ47の周波数特性

少々急だが1MHz付近からストンと落ちてる。高域の暴れもピークも無く、素直な特性だ。

JJ47は、特性的にはFig9.と同じか上回っている部分もある。
なかなか良いではないか！

最後にZobelフィルタの効果を、これは実測値で比較してみる。測定はRAMMを使った。

Zobelなし

高域のクネクネは、測定に使っているUSBオーディオUCA222の癖だからしょうがない。おそらくクネクネがなければ低域から高域までフラットだろう。

Zobelあり

10KHz付近から落ち込んでるのがハッキリわかる。
普段使いのAKG K550は、10kHz付近からインピーダンスがグングン上がるのだ。その影響で高域がイガイガ…よく言われる女性ボーカルの「サ行」が不快に感じたり、高域が刺さる感じがするのを、このZobelフィルタが抑え込んで、結果としてフラットになっている（と思いたい）。
実際、Zobelありの方が上から下まで素直な音で、イガイガ感が完全に無くなる。これは実聴して感じたことだ。

Zobelフィルタの定数は、各ヘッドホンに合わせた値じゃないと意味がないが、なんとなく対象のヘッドホンの公称インピーダンス+0～5Ωの抵抗と、0.1uのフィルムコンデンサでなんとかなる気がする。
よく、10Ω抵抗と0.1uのを見かけるが、あれはスピーカー向けの定数ではないかと思う。スピーカーのインピーダンスって、4～8Ωが多いし。


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JJ47式ヘッドホンアンプ（★★★お勧め）

ありそうで無かったこんな回路。

 A47オマージュ

A47式ヘッドホンアンプの回路を見て閃いたこの回路。
シミュレーションしてみると、これがなかなか良かった。作らねば。
シミュレーション時はZobelフィルタは外してある。実際作って聴いてみたら高域がイガイガしたから、今はAKG K550向けの定数で入れてある。
負荷と直列に47Ωが入ってるから利得は2.4倍ぐらい。この47Ωがムダに電力を食うが、これがないと特性が暴れるからしょうがない。

周波数特性

入力Cが無いから低域はフラット。高域は若干急だが素直に落ちている。

2Vpp出力時の歪率

Total Harmonic Distortion: 0.000033%
これは期待できる。

いつか作った電源部

可変電源を持ってると楽である。色んな回路で使い回しができる。
まぁ、これじゃなくても±15Vで0.2Aぐらい流せる電源を持っていれば何でもOKだ。±12Vでも良いよ！

完成

オペアンプと抵抗とコンデンサで作れる簡単な回路だ。

RMAA結果

Excellentを２つもらって、総合評価がVery goodをもらって嬉しい。
RMAA計測のため間にUCA222が入ってるから本当はもっといいはずなのだ…
もっと高性能なUSBオーディオが欲しい。

Zobelフィルタを入れて、高域の刺さりが無くなり素直になった。
音はオペアンプなのにディスクリートで作ったみたいな感じでJJ好みのサウンドだ。これは横綱級といっていいだろう。こんなに簡単な回路なのに！


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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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