nabeの雑記帳

計測用、差動プリアンプの製作

2012/04/25電子::その他

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

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

部品番号	部品	数	備考
U1	LTC6405	1	完全差動オペアンプ(900MHz,1600V/us)
U2	LMH6629	1	ローノイズ高速オペアンプ(800MHz, 690V/us)
R1-2,R7-R9	高精度金属抵抗 1KΩ 0.5%	5	LGMFS25-102D
R3-R4	高精度金属抵抗 10KΩ 0.5%	2	LGMFS25-103D
R5-R6	高精度金属抵抗 100Ω 0.5%	2	LGMFS25-101D
C1,C2	OS-CON SEPC 6.3V/1500uF	2	6SEPC1500M
C11,C12	無極性電解コンデンサ 22uF(10uF)	2	ECE-A1VN220U等
C21-C24	PSチップフィルム 0.1uF	4	ECP-U1C104MA5
C31-C34	PPSチップフィルム 0.01uF	4	ECH-U1C103GX5
C41-C44	PPSチップフィルム 1nF(1000pF)	4	ECH-U1C102GX5
SW1	2回路電源スイッチ	1	100DP1T2B4M6QE等
J1	ターミナルブロック3P（縦）	1	秋月のTB112-2
J2	BNCコネクタ	1	0731000131

R3,R4は0.1%高精度抵抗（MFP-25BRD52-10K）に変更するとCMRRが上昇します。

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2012/03/21(水)TPA3110D2アンプでTA2020にリベンジしてきた

電子::アンプ

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

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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

電子::HPA

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。

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。
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……。

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Low Jitter XO（低ジッターXO）とTCXOの音質を比べてみる

2012/03/04電子::DAC/ADC

※新しい記事：ジッターの基礎（XOとTCXOとMEMSを聴き比べ）

最強「PCM2702　USB-DAC」の製作 / PCM2702-v2の頒布を１年ぶりに再開しました*1。すでに申し込み来てますけど、数に限りがありますので確実に欲しい人はお早めに。

１年ぶりだし、回路も変更されてるし部品表が正しいか不安もあったので*2、組み立てて動作と部品表の確認をするついでにジッターの少ないLow Jitter XO（水晶発振器）の音質がどれくらいなのか確認してみました。

ジッターとは？

「ジッター音質」とかで検索すると色々と出てきますが、DACなどにおいてクロックの精度が音質に影響することは知られているものの、発振周波数安定度(ppm)が良ければ音が良いと勘違いしている人もかなり多いのではないでしょうか。それは多分、DACのクロックを「TCXOに載せ変えて音が良くなった！」という記事が多数あるせいでしょう。

ジッターというのは１つのクロックと次のクロックの間の時間ゆらぎ（位相雑音）のことで、これが狂ってしまうと再生する波形が歪んでしまいます。次のグラフはどちらも同じ5Hzのクロックですが、ジッター量がまったく異なります。

TCXOというのは「温度補償付水晶発振器」のことで、周囲温度が変わっても発振周波数が変化しにくいように補償された水晶発振器のことです。ある期間（例えば１秒間）のクロックの個数を補償しているだけで、ジッターとは何の関係もありません。ある区間のクロック個数が規定値内に収まるように保証しているだけですので、実際のクロックは上のグラフのどちらの波形でも構いません。

よって、ジッター低減のためにTCXOを使うのはあまり意味のない行為なのです。*3

ロージッター発振器とは？

水晶発振器にはTCXOのような温度補償があるタイプのほか、ジッターを低減したタイプの発振器があります。FXO-HC53シリーズやCB3シリーズがそれです。

内部構造は書かれていませんが、おそらくVCO(PLL)（参考）を使用して低周波のジッターを低減しているのではないかという情報をいただきましたので載せておきます。

効果を確認してみる

最強「PCM2702　USB-DAC」の製作 / PCM2702-v2にFXO-HC53-12MHzを載せて実際に音がどのように変化するか確認してみました。

……しかし、単に乗せ変えただけでは全く動作しません。よくよくデータシートを見てみると消費電流が20mA!!　CRフィルタを弱めたり色々と細工をしてようやく動作させることができました……。

FXO-HC53のクロック部回路図

3.3Vレギュレータ出力を直接発振器に与え、消費電流が大きい発振器側ではなくPCM2702-PLL電源側をCRフィルタしました。
フェライトビーズが入ってます。
PVccからでは電源能力が不足したので、DCDC出力の+12Vから直接電源を引き込みました。

予想と異なるこの結果はFXO-HC53やCB3等の低ジッタ発振器が20mAを超えるような電流を消費することが原因と考えられます。クロック発生部の電源をフィルタするなどの工夫が一切されていない回路や、PLLが介在せず直接DACの動作クロックを与えているようなケースならば、ジッターの少ない発振器のほうが音が良くなることはあるでしょうが、PCM2702-v2の回路図では消費電流が大きいというデメリットばかりが際立つ残念な結果となりました。

まとめ

結論だけみると「TCXOバンザイ」みたいに見えて嫌なのですが、消費電流の問題と低ジッタ発振器でなくても回路の工夫次第でジッタ（ノイズ）は低減できる話だと捉えて頂ければ幸いです。*4

逆にTCXOをXO（標準的な水晶発振器）に変えても音は変わらないような気がするので、後日実験してみたいと思います。→（続編）標準XOとTCXOの音質を比較してみる

それにしても、これで部屋に転がってるPCM2702 DACは5台目なのですが（1台はVer1の試作品*5）、どうしたものか（苦笑）

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自励式PWMによるシンプルなD級ヘッドホンアンプ

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。