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。

2015/08/20(木)D級ヘッドホンアンプ、強化パーツセット

自励式D級ヘッドホンアンプの改良版掲載以来、ずっと要望され続けてましたが、ようやくBispaさんで販売されることになりました。

変換基板を単品で製造すると大赤字になるので、なかなかタイミングが作れず10ヶ月もおまたせしてしまいました。

30MHz25MHz発振する未体験のD級アンプを、よかったら試してみてください。すごく良い音しますよ。

ブログ

adiary開発もようやく一区切りが見えてきてハードいじりを色々していきたい感じの今年後半の目標です。当ブログもadiary Ver3に入れ替わってます。おかげでスマホからも見やすくなり、咄嗟の時にスマホから記事編集が楽々できて大助かりです。

昨日ぐらいに上のドロップダウンメニューを整理して見やすくしました。検索機能も強力なので古い記事をお探しの方は活用してください。

最近の遊び道具

Raspberry Pi 面白いですね。某所から入手した「Pi 2」で遊んでます。何がびっくりって昔家サーバにしていたC3-500MHzマシンより何倍も速いことです(苦笑)

Raspberry Pi Model B+をずいぶん前にAmazonから購入していたのですが、購入直後ぐらいに Pi 2 が登場して、結局使わないままお蔵入りしてます。

こんな小型でこれだけ高性能だと色々作りたくて夢が膨らみます(笑)

低電圧ヘッドホンアンプ Ver3 (op-dbuf3)

2012/03/09(金)D級アンプで電源電圧可変ボリュームに挑戦した

変調と出力とボリュームの話

D-amp-VRV-pcb.jpg

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

D-amp-VRV.png

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

D-amp-VRV01.PNG

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……。

*1 : BSD235Cは、P/Nが1つのパッケージされたMOS-FETアレイの部品名です。

*2 : 電源電圧が±2Vなのはそのためです。±1.2だと、最後の電圧が例えば±0.1Vの時にMOSをonにできない

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。

D-amp-VRV02.PNG

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。

D-amp-VRV03.PNG

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……。

自励式PWMによるシンプルなD級ヘッドホンアンプ

はてブ数 2012/02/01 電子::HPA

※2016/05/29 更に改良を重ねたVer2の回路を公開

※2014/10/13 改良版へのVersion UPキットが販売されてます

※2014/10/13 改良版を掲載。

※2012/12/12 推奨オペアンプを修正・追加

※2012/06/15 回路変更を追記(箇条書き下のほう)

※2012/05/08 プリント基板頒布しました。

※2012/03/05 長ったらしいので、略称「D級HPA」あたりで。

※2012/02/12 回路図を少し変更。補足を修正。


単3(単4)電池2本で動くD級ヘッドホンアンプです。しかもBTLではないので普通のヘッドホンで使用出来ますし、回路が非常にシンプルで作りやすいのが特徴です。

  • 約2MHzで発振する本格的なD級アンプ
  • オペアンプ2つに少しの外付け部品というシンプルな回路構成
  • ±1.2Vで動く低電圧動作
  • D級オーディオアンプではめずらしいDC直結
  • 10mA以下の動作電流(±1.25V電源時。無音なら正電源6.5mA、負電源6.5mA)
    • 電池が異様に持ちます。単3エネループなら連続1週間ぐらい使える
  • 単3電池か単4電池推奨(電池2本)*1

当ブログでは久しぶりの新型ヘッドホンアンプとなります。

*1 : 4本でも動きます。

目次

プリント基板頒布中です。

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