nabeの雑記帳

オシロスコープで電源ノイズを測ろうとすると、色々と問題があります。

• オシロのフロアノイズのために5mVppぐらいまでしか測定できない。
• DCDC回路等を測ろうとすると、パルス性の高周波ノイズ（同相ノイズ）が回りこむためまともに測定できない。

同相ノイズ対策として「差動プローブ」というものが市販されていますがオシロスコープが買えてしまうぐらい高いため困っていました。

もっと安価に、お手軽に測定するための差動プリアンプを製作しました。

• 設計方針
• 回路図と部品
• 性能測定
  • フロアノイズ
  • ゲインと最大入力
  • CMRR
• 主な仕様
• 製作物
• 計測実例
• まとめ

■設計方針

差動プローブと同じものをと考えると結局コストに跳ね返るので、ある程度割りきって作りました。

• 入力インピーダンスは1KΩないしは10KΩにする。
• カップリングコンデンサを置いてAC専用にする。
• 電池駆動（単４×４本）にする。

この割り切りをすることで、コストを抑えたままSNR等の性能をある確保することができます。

• 帯域幅は100MHz以上（下は20Hz以下）
• ゲインは 40dB（100倍）

100MHzのsin発生器がないため確認はしていませんが、データシートを見ての設計上は確保したつもりです。

■回路図と部品

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もう結構作られてる人も居るみたいですが、D級ヘッドホンアンプですが、いくつか部品選定してbispaさんに置いてもらいました。

• AD8028。U1用
• フェライトビーズ MMZ2012R102A
• 出力フィルタ用コイル CBC3225T470MR
• 以下はもとから
  • ADA4891-2。U2用
  • ECPU 0.1uF。フィルムコン 0.1uF

100uHのチップコイル(2012)も来月ぐらいには置いてもらえるみたいです。置いてもらえました。小容量フィルムコンデンサも商品ラインナップにあるようなので*1、0.01uF, 1000pF(1nF)以外は揃うようになると思います。

47uHは3225のチップで少々大きめですが、記事に書いた小型（2012）チップよりこちらの方が音が良く（このチップコイルで動作確認済）、それでいてパワーコイルのRTP8010-470Mより小さく実装できます。

■あまってたPCM2702 DACの行き先

このジッター比較実験で余ってしまった、低ジッタXO実装済のPCM2702 DACですが、余らせてもしょうがないのでビスパさんに提供しました。

今月のキット購入キャンペーンのプレゼント品となっています。

思い返すこと昨年夏。自作派ではもっとも有名なD級アンプであろうTA2020アンプのあるところへ、まだ回路調整中だったTPA3110アンプ(D級アンプ)を持ち込みました。そのとき、TPA3110D2アンプは高域の歪み音が顕著に目立って惨敗。

その後、フィルターを何度も何度も調整し、自前フルレンジ(8Ω)だけでなく、マルチウェイスピーカー(Victor SX-300/6Ω)でも確認試聴をしてようやくキットの頒布にこぎつけたわけですが、TA2020との比較試聴はできずじまいでしたので、先日ようやくリベンジマッチをしてきました。

■比較条件

TA2020

• カマデンのキットベース
• 入力コンデンサはフィルムコン 2.2uF
• 電源はSBD改造済ACアダプタ
• アナログ電源は別載せの3端子レギュレータに改造済（参考記事）

TPA3110D2アンプは回路図どおりで、おまけに出力ノイズが多くて有名な安価で入手できる秋月15V/1.2A SW電源。

再生装置はいつものDAC。

■音質とか

TA2020はもう古いチップなのですが、やっぱり聞いてみるとかなりいい音でなっています。優秀です。

負けたらやだなあ……と思ってTPA3110D2アンプに取り替えてみたら、とりあえず負けている感じはなし。全体的にTA2020より明瞭さと定位が改善した感じで軽快に鳴らしていました。

負けてない、多分勝った……というかようやく勝てた（苦笑）

■TPA3110D2の良いところ

どうだこのブログのアンプすごいだろう！　とはならなかったり（苦笑）

さすがにチップが作られた時代の差がありまして、TPA3110D2は駆動方式が従来のD級アンプとは異なります。新方式のD級アンプは放射ノイズ(EMI)が従来のものより格段に低く（詳しくはTiのサイトを見てください）、出力フィルタにコイルを使う必要がありません。

つまり

• スピーカーインピーダンスによって出力フィルタを調整する必要がない
• 元々の放射ノイズが少ないので、フィルタを限界まで強くしなくても音に影響のある高域ノイズを除去できる*1

といった特徴があります。だから、TiのTPA3110がすごいだけなのですけど、それにしてもTA2020も（作られた時代を考えたら）優秀だなと改めて感心しました。

TA2020はアルプスのミニデテント（RK27）で、TPA3110D2はRD1610Gだったというハンデはあったので、どこまでがアンプの差かは分からない部分もありますが（汗）

■蛇足

最近某所で名前をみかけたTPA3122D2は、TPA3110D2より以前に作られた旧方式のD級アンプです。なんで今頃そっちの旧方式チップをプッシュしてるのかよくわからないのですが（苦笑）

SX-300の所有者様もTA2020の所有者様も好みの音だったらしく少し欲しがってました。ちなみにSX-300所有者様はTPA1517の時はあまり欲しがられなかったので少し悔しくもあるのですが(^^*2

■変調と出力とボリュームの話

D級アンプって一度PWM等に変調してしまえば、出力段はon/offだけっていう結構面白い動きをするのですが、変調回路と出力回路を切り離して、例えば変調回路を1Vで動かして最後のスイッチ出力を10Vで動かすと利得が10倍(20dB)になったりします。

つまり、D級アンプというのは（フィードバックの要素を除けば）変調回路で基準とした電圧と、出力回路でスイッチする電圧の比で音量が変えられます。通常、ボリュームで音量を変更するほうが楽なのでこんな方法は使わないのですが、これはこれで利点があります。

1. 出力電源電圧を高効率なDCDC等で可変させれば、D級アンプの効率を（理論上）更にあげることができる。
2. 音声信号をボリュームに通さないので、ボリュームによる音質劣化の影響をうけない。

2つ目を狙ってヘッドホンアンプ回路を作ってみました。

■D級アンプで電圧可変ボリューム

電源電圧からVRで分圧し、その電圧をオペアンプで生成するシンプルな回路です。PWM変調信号をVgs=1.5Vで動くP-ch/N-chのコンプリMOS-FET*1でスイッチさせます。*2

上がPWM信号、下が出力信号です。MOSスイッチの関係で位相反転していますが、狙い通りうまく動きました。音声信号をボリュームに通さないため、音質もこれより優れてる感じがあるのですが……。

■大きな問題が……

ボリューム（出力基準電圧）を絞ったときの出力波形が以下になります。

これは無音時のものですが、PWMのスイッチ波形と同期して振動が見えます。

何が起きているのかと言うと、MOS-FETのゲート・ドレイン間容量およびゲートソース間容量（Ciss/今回は37pF）があるために、PWMのスイッチ信号が出力に漏れ出しているのです。そのため大きな振動が出てしまっています……。

ここで音声入力があると次にようになります。

スイッチ入力による振動が漏れて、そのスイッチ振動のタイミングがPWM変調されているため（PWM信号と同期しているため）、たとえ出力用電圧が0Vであってもその音がヘッドホンに漏れ出してしまいます……。

実際何が起こったかというと、低音量時（VRによる電圧が±0.2Vや0V（無音設定））時に、音が駄々漏れし、おまけに振動による雑音が大きく聞こえます。

■まとめ

±2V程度の低電圧スイッチ回路、しかもヘッドホンアンプという能率の高い再生機器では、思った以上に無謀な挑戦だったようです……。

改善策としては、

• pMOS/nMOSの配置を逆にして、ソース接地ではなくドレイン接地に変更する。
• 出力用基準電圧の生成を、高周波まで安定度の高いものに変える
• 入力容量の影響を受けない工夫をする

などが考えられますが、いつもどおり回路規模をあまり大きくしたくないので、今のところ打つ手なしの状態です（汗）

世の中に電源電圧可変によるボリュームを実現したD級アンプをみかけないのは、それなりに理由があったんですね……。