高音質ラズパイ用DACの設計と製作

デジタル信号を正しく再生するには? ~サンプリング定理の意味

Twitterで以下のように発言をしたら、案の定、あまり理解されなかったので頑張って説明してみます。

サンプリング定理は「信号の最大周波数」の2倍より早い速度でサンプリングすれば元信号の情報は完全に再現できる(一意に決まる)、とは言ってるけども、サンプリングしたデータをそのまま再生したとき元波形が再現できるとは一言も言ってない。

https://twitter.com/nabe_abk/status/777874934424940544

なおこの記事では、フーリエ変換が存在する連続信号(関数)のみを考えることにします。

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2016/07/06(水)Fusion PCBが微妙だったので、Elecrowを使ってみた

プリント基板の製作に、普段P板を使っていて最近Fusion PCBに移行してたのですが、色々と問題があってElecrowを使ってみることにしました。

Fusion PCBの問題

  • 製造は速いけども、早く発送する気がまるでない。
  • 一度登録したクレジットカード情報を削除する方法がない。
  • キャンセル品*1の返金を忘れられて、1ヶ月待たされた。

*1 : 注文後即キャンセル

Elecrowのルール

Fusion PCBと同じ機械なのか非常によく似ています。

項目P板Fusion PCBElecrow
最小パターン幅0.127mm0.1524mm0.1524mm
最小パターン間隔0.127mm0.1524mm0.1524mm
最小パッド間隔0.127mm0.1524mm0.2032mm
最小シルク高さ1.0mm1.0mm0.8128mm
最小シルク線幅0.127mm0.1524mm0.15mm
最小ホール経0.3mm0.3mm0.3mm
最小ランド経(PTH)0.6mmHole+0.3048mmHole+0.1524mm
銅箔厚18um/35um35um/70um35um/70um*2

細かい違い

Fusionはガーバーをアップロードするとweb上でサイズが確認できたり、枚数の融通が効きますが、Elecrowはその辺の融通が効きません。

あと量産製造だと、銅箔厚みを2oz(75um)に設定できなかったり、色の制限があったり、異種面付けができなかったりします。*3

*2 : 20枚以下のみ

*3 : 2ozは特注すればやってくれそうですので、いずれ試してみようと思います。

面付けルール

PCB Panelize is Available nowに説明があります。

  • 同一基板の面付け
    • 面付け代がかかる(Fusionは無料)
    • すべての面付け基板は同じ方向を向ける。
  • 異種基板の面付けは、種類数に関わらず5面付けまでで有料。
    • 製造枚数は20枚まで
  • 面付けはV-cut処理。

その他の条件。

  • Vcut線は外形線に書き込む。
  • 最小基板サイズ : 8cm×8cm
  • Vcutとパターンの間は0.7-0.8mm程度離す(板厚1.2mm以下は0.6-0.7mm)

「5cm×5cm未満はシルクに書き込んで分けろ。その場合の料金は無料」と書かれているので(Vcutはしてくれないと思われる)、5cm×5cm以上ならば特注対応でカットしてくれると思われます。

ガーバーデータの形式

Fusion PCBと一緒です。

  • 部品面パターン : .GTL
  • 部品面レジスト : .GTS
  • 部品面シルク : .GTO
  • 半田面パターン : .GBL
  • 半田面レジスト : .GBS
  • 半田面シルク : .GBO
  • 外形線データ : .GML
  • ドリルデータ : .TXT

ステンシル(メタルマスク)製造時。

  • 部品面マスク : .GTP
  • 半田面マスク : .GBP

注文から届くまで

送料$20だったので、OCS/ANA Expressで注文しました。

  • 6/30 注文
  • 7/04 Traceable
  • 7/05 国内着
  • 7/06 基板到着(佐川)

注文から6日後に到着してしまいました。早い。2週間かかるFusionはもとより、P板頼むより早いんですけど(苦笑)

2回目

  • 7/15 注文
  • 7/20 Traceable
  • 7/21 国内着
  • 7/26 基板到着(佐川)

国内の輸入申請で4日止まるという珍事。「Prototyping Board」の意味がわからなかったらしいんだけども、OCS/ANAさんはもうちょっとしつこく電話してくるか、そのままPrototyping Boardでググるなりしてほしい。

3コールぐらいで切れる電話なんて出られないよ。

UPSとかFedexとかなら、そんな凡ミスはしない気がしてきた。

基板の品質

elecrow_pcb.jpg

上がElecrowで、下がFusion PCBです。高解像度の画像置いておきましたので、クリックすると拡大します。

シルクが断然綺麗ですね。シルク位置は若干ずれてますが、個人的には許容範囲です。そしてP板でハズレ工場引いたときよりも綺麗です(笑)

2回目 2016/07/26

elecrow_pcb2.jpg

シルクがずれてパッドの上に完全に乗ってる。そして前回よりもシルクの印刷が汚くなってる。どうしよ……。

→サポートに問い合わせたら再製造してくれました。

量産製造 2016/09/14

200枚ほど製造してみました。

elecrow_pcb_batch.jpg

  1. レジスト不良
  2. 基板にキズ
  3. ホール潰れ(ただしP板でもパッドが小さいと言われ製造拒否られた幅*4
  4. シルク汚れ

その他、ホール潰れ(ハンダ埋まり)が1つ、細かいキズや汚れは数えられないぐらいありました。+10%ぐらい余分に製造して検品しないとダメな感じです。

*4 : ホール経1.8mm、ランド経2.4mm。推奨ランド経は満たさないけど、製造基準書は満たしているのでなんで拒否られたのか謎。しかも以前は結構な数を問題なく製造してもらっていて、再製造の度にルールの厳しくなるP板の謎。

まとめ

  • 値段やデザインルールはFusionと同じぐらい。
  • Fusionよりもオーダーの融通は効かない。
  • 7日ぐらいで届けてくれる。*5
  • シルクが綺麗。
  • 注文枚数より1,2枚余分に入ってる。
  • 1割ぐらい多めに製造して検品した方が良い。

今後はElecrowメインで使っていこうと思いました。この品質なら、よっぽどのことがない限りP板使わなくていいや。

品質最優先のときはP板は揺るがないかな、という感じです。

最近のElecrow 2017/02/01

2016年末頃から、繁盛しているのか、ひどい製造失敗報告をTwitterで頻繁に見かけるようになり、自分自身も裏表を逆に切り込み入れてあるひどい製造物を受け取ったので、現状はっきり言っておすすめしないです。

他探そう……。

*5 : Fusionは何を選んでもシンガポール経由で送ったりして、早く届ける気がない。

ボリュームの音質改善。L型とT型アッテネータ

はてブ数 2016/06/22 電子::アンプ

はじめに

onshitsu-r01.png

抵抗の場所と音質の謎で述べたとおり、抵抗には「音質への影響が大きい要素」と「音質への影響が比較的小さい要素」があります。

  • 直列要素は影響が大きい(図のR1)
  • 並列要素は影響が小さい(図のR2)

ボリュームは、可変抵抗という物理的制約上音質が良いものを利用しても固定抵抗に比べたら大きく劣ります。擬似Lアッテネーターはこの特性を利用して、ボリュームの音質を改善する方法です。

不思議な現象

volume-T_01.png

今回の実験回路です。VRは10KΩに固定して話を進めます。

R1とVRは擬似L型アッテネーターを構成しています。R1は2K~4.7KΩぐらいの抵抗を利用します(入力の大きさによる)。

R2は入力抵抗です。直列要素ですので抵抗があればあるだけ音質が劣化するはずでした。実際、今まで製作してきたアンプでは、R2は接続せず、常に0Ωにしています。

しかしこれだけでは理解できない現象に出くわしました。この回路では、R2を接続したほうが音が良かったのです

最初は2KΩぐらいで試したのですが、抵抗値をあげるとより音が良くなります。具体的には、R2として10KΩぐらいを接続すると一番音質が良くなりました。22KΩでは、オペアンプ入力端子のインピーダンスが上昇しすぎるのか、音質が低下し始めました。

つまり擬似Lアッテネータよりも、擬似Tアッテネーターのほうが音が良かったのです。

本当に音質を改善しているのか?

これまでの状況では、単に「オペアンプにとって入力インピーダンスがほどほどにあると音質が良くなる」という可能性を否定できませんので、きちんとしたT型アッテネーター回路を製作して検証しました。

volume-T_02.png

R1=2K(LGMFSA)、R3=1K(秋月カーボン抵抗)として、R2(LGMFS)を0Ωと10KΩで比較してみました。明らかにR2(LGMFS)を付けた方が音質が良くなります。

今度は逆にR3をLGMFSの1Kに変更した上で、R2を秋月カーボン抵抗の0Ωと10KΩで比較してみました。さすがに微妙なところですが、この場合もR2を付けた方が音質が良くなりました。

試しにR3をが切断してみると、R2の種類によらず存在しない(0Ωの)ほうが音質が良くなりました。よってこの現象は「R2とR3の何らかの相互作用によるもの」と考えられます。

また「R2の抵抗の種類によらず音質改善効果があり」、音質の良い抵抗のほうが効果が高い言えます。

オペアンプでない場合

昔、抵抗の音質をチェックしたときは、FETバッファアンプを使用しました。このとき、R2に相当する抵抗は入れない状態が一番良かったのですが、本当にそうなのか再度確認してみました。

volume-T_03.png

結論から言うと、R3にボリューム(2CP601)を付けた状態で、手持ち抵抗でもっとも音質が優れるRT0603をR2につけても音質が劣化しました。

つまり、この現象は「オペアンプの非反転入力に接続したときに改善効果があるが、FETバッファアンプのような構成では効果がない」ということが分かりました。

音質改善能力の差

さらに検証してみると、R2による音質改善はオペアンプによって大きく異ることが分かりました。改善が大きかった順に並べます。

オペアンプ電圧ノイズ電流ノイズ入力バイアス種類
LME497214nV(1K)4fA(10K)40fAbipolar
LMP77165.8nV(1K)10fA(1K)50fACMOS
LT16773.2nV(1K)300fA(1K)2nAbipolar
LMP77323.0nV(1K)1.1pA(1K)1.5nAbipolar
LT18073.5nV(10K)1.5pA(10K)1uAbipolar
LT62032.9nV(10K)0.75pA(10K)1.3uAbipolar
OPA23654.5nV(100K)4fA(10K)0.2pACMOS

データシートより抜粋。値はTypicalです。各オペアンプの測定条件は同一ではありませんので、相互比較としては誤差を含む値と思ってください。

観測した現象

他にも検証したことを含めまとめておきます。

  • 擬似Lよりも、R2を付けて擬似Tにしたほうが音質が良くなる。
  • ただしオペアンプ等の非反転入力であること*1
  • この現象はT型アッテネータのR3へR2が影響することで起こっている。*2
  • R2の抵抗値はR3の2~10倍程度がよい。ただし約20倍を超えると音質が悪化する。
  • オペアンプの種類により、改善能力に差がある。

*1 : 反転入力側も効果はあると思いますが、反転入力の時点で「入力信号と入力端子間」に抵抗が付いているので意味はない。

*2 : R3が存在しなければ、R2がついていない(ジャンパした)ほうが音質が良い。

仮説

volume-T_10.png

経路Aは入力信号の通り道です。入力信号は「R1とR3の分圧で減衰され、R1とR2を直列要素、R3を並列要素」としてオペアンプに入力されます。ですので、入力信号から見たらR2の抵抗が無いほうが良いことになります。

そしてオペアンプには入力換算電圧雑音というものが存在します。入力換算電圧雑音は、オペアンプの音質に深く関わってくるものですが、それは実際にオペアンプ入力端に発生するわけではありません。ただしアンプ回路を計測してきた実感として、オペアンプはオーディオ信号などを入力して動作させるときに、アンプの動作状況によって入力端子に雑音を発生させることがあります。*3

経路Bの電圧はR2とR3に印加されます。R3には「入力信号」と「オペアンプからの雑音」の2つの信号がかかることになります。雑音信号が入力信号に対して影響を与えることで、入力信号を歪ませます。

ところがR2があると、「オペアンプからの雑音」がそのままR3に印加されることはなくなり、雑音がR2/(R2+R3)されます。つまりR2が大きければ大きいほど雑音が減ります。

一方で、経路Bには「オペアンプの入力換算電流雑音」も生じます。この雑音は、信号源のインピーダンス(R2+R3)が大きくなればなるほど大きくなります。

  1. R2が大きいほど、R3で生じる信号歪みは小さくなり、音質が向上する。
  2. R2が大きいほど、入力換算雑音による歪みと、入力信号に対するR2そのものによる歪みが大きくなり、音質が劣化する。

この推察は、R2が大きすぎてもいけないなどの観測現象をよく説明できます。音質改善効果が大きいオペアンプは、入力換算電流雑音が小さいので(一部例外)、R2よる音質劣化が少なく改善効果が大きいと考えられます。

*3 : 例えばアンプの出力が大きく切り替わるときに、電流を急激に吸い取る(吐き出す)などしたり、電源由来のノイズが入力に漏れることもあります。

検証

仮説を検証するため、T型アッテネーターに細工をし次のようにしてみました。検証はR1=2K, R2=1K, R3=3K, U1=LME49721です。

volume-T_11.png

もし仮説が正しい(オペアンプ由来の雑音が音を歪める)のならば、U2を接続したとき音質が劣化し、またその劣化の仕方はオペアンプによって異なるはずです。

まずR9=0Ω(ジャンパ)として検証しました。U2に使用した時、狙い通り音質が劣化しました。劣化が小さかった順にオペアンプを並べます。

  • LT1807
  • OPA2365
  • LME49721
  • LMP7732
  • LT1677
  • LMP7716
  • LT6203

こうして見ると、電流ノイズなどのパラメーターと相関はないことが分かります。

続いてU2を最も影響が大きかった「LT6203」に固定し、R9に抵抗を入れて検証しました。

  • R9の抵抗値が大きければ大きいほど、影響を遮る
  • R9の抵抗の種類は全く影響がない

まとめ

  • オペアンプなどの入力にボリュームがつながっている場合、入力抵抗R2を付けた方が音質が良くなる。*4
  • R2の抵抗値は、T型アッテネーターのR3の2~10倍程度が良い。
  • R2による音質改善は、オペアンプ由来のノイズ(雑音)をR3に対し印加するのを軽減する効果による。
  • オペアンプの入力換算電流雑音が小さいほど、R2の抵抗値を大きくして大きな改善効果を得られる(例外あり)。

その他、信号源インピーダンス(究極的にはR3の値)によって、音質が最適になるオペアンプが異なるということも分かりました。

擬似L型(擬似T型)アッテネーターは音量調整がしにくいのですが、R1を付けずに通常のボリューム接続にR2として抵抗を接続するだけでも音質が劇的に改善することがあります。

実際に試してみたご報告や追試、考察へのご意見、感想、ツッコミなどありましたらコメントいただければ幸いです。*5

*4 : ボリュームが通常接続の場合も、T型のR1=R3=VRとみなせるので同様です。

*5 : そういえば、良い抵抗でT型にすると十分な音質になるので、長年製作中だった電子ボリュームは辞めました。結局最大振幅と電源の問題がつきまとい、汎用性と音質を高めると大型化せざる得なかった電子ボリューム。

D級ヘッドホンアンプ Ver2 / pwm-hpa2

はてブ数 2016/05/28 電子::HPA

D級ヘッドホンアンプを、専用ICを使わずに、超高速(35MHz)に発振させ、電池2本という低電圧で動作させた、画期的かつ高音質のアンプです。

目次

D級ヘッドホンアンプの回路を公開して早4年。ようやくキットにしても良いかなという音質になったので、Ver2として公開します。

はじめに

過去、D級ヘッドホンアンプを実用化した例はほとんどなく、あったとしてもスピーカー用のD級アンプに抵抗を繋いでヘッドホンを鳴らしていた程度でした。

4年前、専用ICを使わないD級ヘッドホンアンプの回路公開して以来、たいへん多くの方に作って頂きましたが、D級の欠点である「高域の再現性」がやや劣る問題がありました。

それから2年後に、VerUpとして高速コンパレーターとロジックICを使った高速発振回路により、高域の問題を解決。それにより本格的なヘッドホンアンプへと進化しました。

本回路はそれを更に改良したものになります。

Ver2の特徴

  • 音を歪ませることなく35MHz発振させている
  • 出力バッファが6パラになり、低インピーダンス出力になった。

D級アンプは発振周波数が速ければ速いほど音も性能も格段に良くなるのですが、一般的なMOS-FET素子はそこまでの高速動作に追従できません。例えば、かの有名な「TA2020」の発振周波数は300KHz程度(本アンプの100分の1)しかありませんし、市販されているほとんどのD級アンプ素子は1MHz以下の発振周波数です。*1

このヘッドホンアンプは超高速ロジックIC(中身はMOS-FET)をパラレル使用することで、高速性と低出力インピーダンスを実現しています。ちょうど、バイポーラトランジスタのLAPT素子と同じ思想で、遅くて大きいMOSを使わずに、速くて小さいMOSを複数使用することで高速性と低インピーダンス化を同時に実現しています。

また発振周波数が速くできても、周波数が速くなればなるほど左右チャンネルが互いに干渉して音が歪むという現象も発生します。この問題を解決するため、左右のコンパレーター電源を分離するなど回路上の工夫をし、プリント基板のレイアウトも色々と工夫しています。

*1 : 最新のものでようやく1.5MHzとかそういうレベルです。

回路図

pwm-hpa2.png

  • 回路原理は元の記事を参照してください。
  • 電池は2本専用です。4本だと音が歪みます。
  • R1/R2は結合や誘導による信号の回りこみを軽減するフィルタを構成しています。とても重要です。
  • 全消費電流:約55mA(単3ニッケル水素で40時間程度)

音質

おそらく言われなければ誰もD級アンプだと気づかないと思います(苦笑)

手元の環境では、低電圧ヘッドホンアンプVer3(op-dbuf3)の回路と、双璧のような感じになっていまして、音質的に抜きつ抜かれつデットヒートを繰り返しています。

op-dbuf3と比べると、好みもあると思いますが、こちらのほうが音は良いかと思います*2。更に改造したい人は、配線が大変ですけどもチップ抵抗に載せ替えてみても良いかもしれません。

*2 : op-dbuf3も改良すると今より音が良くなる模様で、その際の比較は難しい。今までの基板でも簡単に再現可能なのでキットの説明書に改良方法を書いてあります。検証が終わったら記事にも反映させます。

キット化

pwm-hpa2.jpg

低電圧HPA(op-dbuf3)と同じTB-56ケースに入るようにレイアウトしてキット化しました。高速ロジックICの、NC7WZ16がとても小さいのでハンダ付け難易度は高めです。

また入出力端子には4極ジャック(GND分離対応)を使用しました。3極でもそのまま使用できますし、4極仕様のヘッドホンをお持ちの方は、一味違った音質を楽しめます。*3

*3 : 4極のピンアサインはプラグ先端からL/R/LG/RGです

購入はこちらから

関連の頒布物もリンクしておきます。

販売元(メーカー)がBispaになっている商品については、品切れの際はBispa様にお問い合わせください。ついでに、op-dbuf3もGND分離対応になりました。

その他

  • 手元の環境では十分にテストしていますが、きちんとハンダ付けされ、かつ、ちゃんと電池が残っている状態で音が歪むなどの問題がありましたら、具体的にコメントにてお知らせいただければ幸いです。*4
  • オシロで観測すると出力にスイッチノイズが若干残っているのは仕様です。再生音には影響はありません。むしろ、スイッチノイズを完全に消そうとすると音質が悪化します。
  • ユニバーサル基板で再現するのはかなり大変だとは思いますが、絶対に不可能というわけでもないとも思いますので(この辺使えば)、興味ある方の挑戦をお待ちしています。

*4 : その場合、基本的にはR3/R4/C3/C4のいずれかの値を大きくする(3Kや330pF)他解決法はありません。ご了承ください。

作例ほか

感想・作例、心待ちにしています。

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