高品質な低電圧ヘッドホンアンプ(単3×2本)

はてブ数 2008/09/04 電子::HPA

進化したVer3はこちら

※2012/12/22 基板のみ委託しました

※2012/10/03 キット頒布終了しました。

※2011/12/14 以前のコメント・TBを別の場所に移動しました

※2009/07/04 低電圧(SBD)回路の一部変更(詳細情報

※2009/05/21 SBD使用回路への差し替え

※2009/02/16 リンク1件追加

はじめに

FETヘッドホンバッファアンプの部品ディスコン問題を解決すべく開発した新型のヘッドホンアンプです。単3電池2本で前作を越える音質というところに拘ってみました。電池が少ないので小型化も可能です。*1

基本的はオペアンプ+ダイアモンドバッファというシンプルな回路です。音質を妥協せずに可能な限り汎用的な部品で構成でき、しかも様々な種類のヘッドホンで使用できるよう配慮しました。

今回もバッファアンプ(+1倍)になっていますが、ちょっと改造すれば利得をかけることもできます。

*1 : 例えば単4電池2本で計算上24時間動作するので(コメントによると音量などの条件で10時間程度のようです)、最も場所を取るバッテリィーを小さくできます。

回路図

op-dbuf2.png

  • この回路図は電源が±1.5V以下の場合です。電圧を上げる場合は、回路を変更する必要があります
    • つまり電池としてエネループ2本や、アルカリ電池2本等を想定しています。
  • LEDの部分はお好みで。
  • 全消費電流20mA(±1.2V)前後。*2
  • R9~R12は付けなくても(0Ωでも)構いません。詳しい解説はアイドル電流の解説を参照。
  • R1/R2はセオリーとしては100Ω程度を付けることになってますが、この回路においては省略しても問題がなかったため0Ω(ジャンパ)としてあります。*3
  • D5~D8は低電圧動作特有の工夫で、必ずショットキーバリアダイオードを使用してください詳細はこちら)。SBDが手元にない場合は、ダイオード2個に代わり1Ωを1つ付けてください。
  • R7/R8はSBDの有無により値が異なります。詳しい情報はこちら。日本インターのSBD使用時は2.2Ωにしてください。
±2V以上のとき(解説旧回路図簡易型
op-dbuf2_4v.png
op-dbuf.png
op-buf.png

簡易型はバッファを省略したオペアンプ1発です。低音の再現力以外、音質はほぼ変わりません。小型化向き。簡易型は駆動力の関係からLME49721の使用を強く推奨します

±2V以上のときはR9の抵抗値を適時変更してください。1k~4.7kぐらい、±9Vを超えるようなら10k~ぐらいでしょうか。

*2 : 電圧や負荷インピーダンス、音量、オペアンプの種類により若干前後します。

*3 : 実装時、この部分の配線がやたら長かったり、全体の実装に問題があるときは、100Ωを付けると安定性が増すことがあります。

部品表

部品記号部品名(±2V未満以下)部品名(±2V以上)備考、入手先
R1, R20Ω(ジャンパ)0-
R3~R64-
R7, R83.3Ω(又は2.2Ω)10Ω2-
R9~R12220Ω100~150Ω4-
D5~D8SBD付けない(切断)4秋月(1S3, 1S4)等
U1LME49721, AD8656
AD8646,LMP7732
LME49723, LT13641マルツなど
VR12連ボリューム1ボリューム試聴を参照
D1~D41mA 定電流ダイオード4秋月など
Q1~Q42SA1015(Q5~Q8とコンプリ)4コンプリならば
なんでも可
Q5~Q82SC1815(Q1~Q4とコンプリ)4
C1, C22.5V 1000uF以上の電解コンデンサ2OS-CONや音響用等
C3, C40.1uF フィルムコンデンサ2-
6P-SW2回路スイッチ1-
-汎用基板1-
-入力端子(ステレオ分)--
-出力端子(ステレオ分)--
-電池ボックス(単3×2個分)-単4でも可
  • 選択するボリュームやケースによりますが、部品総額3000~5000円くらいでしょうか。
  • まともなボリュームC1,C2にまともな電解コンデンサを守れば、あとはどんな部品でもそこまで変わりません。安物カーボン抵抗でも問題なし。もっとも220ΩにREYやREX、1ΩにMPC78、もしくはすべてOHMITEの無誘導巻線抵抗(これが一番良い)を使うともっと音が良くなりますが。
  • C1,C2にはOS-CON 2.5V/2700uFか6.3V/1500uFか16V/470uF。もしくは適当な低ESR電解コンデンサ(470uF以上)を使うと良いと思います。
  • 電池2本駆動限定になりますが、1mA定電流ダイオードの代わりに100Ωで代用できると思います。確認はしていません。
  • トランジスタはローノイズ版の2SC1815(L)/2SA1015(L)(マルツやビスパで売ってます)の方が音が良くなります。YランクとGRランクではGRの方が音が良くなりますが、実装によっては発振しやすいのでYランクの方が無難です。
  • 音質への影響。徹底的に試聴したわけではありませんが、目安として。

    オペアンプ、電解コン、ボリューム > トランジスタ(L版) > 1Ω > 220Ω

  • R1, R2はオペアンプ等によっては100Ω程度を付けたほうが安定することがありますが、通常は必要ないのでジャンパしてください。
  • SBDによる音質の差や日本インター製SBDを考えている場合はこちらを参照

このアンプ回路は、抵抗などの部品で音質劣化が起こりにくいように設計されています。R3~R6やR9~R12については、オペアンプ負帰還により音質への影響は通常よりも小さくなりますが、それでも影響します。トランジスタの方が影響が大きいので、抵抗を変える前にL版(ローノイズ版)に変更してください。

オペアンプの選択(低電圧/5.5V(±2.75V)までの場合) 2011/08/06

低電圧での動作を確認し、使用を推奨するオペアンプはLME49721AD8656です。少し出力電圧範囲が狭くて良いなら、AD8646AD8616LMP7732が使えます。LME49721を定番として推奨しますが、AD8656もなかなか良い音です。

LMP7732はヘッドホンによっては低音をハッキリ聞くことができるかも知れません。ただ駆動力が弱いのでヘッドホンによってはLME49721より劣ります。

オペアンプの選択(±2V以上の場合)

低電圧オペアンプは±3Vが限度なので(電圧あげるとすぐ壊れます)、他のオペアンプを使う方が音が良くなります(もちろん電圧による)。

LT1364よく使うオペアンプ。かなり良いです。
LME49720定番オペアンプ。
LME49723LME49721高耐圧版。電圧かけるなら LME49721 より良い。
LT1363, LT1677Dual変換ゲタ使用。LT1364やLT1678より音が良い。
NJM4580DD音がよくないと言われこのオペアンプをこの回路で使うとびっくりする音質です。ほかのオペアンプより良いというわけではないですが、一度試してほしいかも。

他にも様々なオペアンプで動作します。お好みで色々お試しください。

重要な注意

LT1498など一部のオペアンプを使用する場合はZobelフィルタと呼ばれるC3/R7およびC4/R8を外します。Zobelフィルタは結果的にLPFに似た働きをしており、多くのオペアンプでこれを付けないと発振してしまうことがありますが、一部のオペアンプではこれを付けると逆に発振してしまいます。

コンデンサの選択と実装

  • 電解コンデンサはハンダ付けをすることで確実に性能が劣化します。
  • 劣化した電解コンデンサの性能回復には、耐圧に近い電圧を100時間程度かける必要があると言われています。電圧が低いと、この回復は非常にゆるやかになります。
  • ハンダ付けに自信のない方は2.5V品を使ってください。低電圧動作の場合、性能回復を見込めるのは耐圧6.3Vが限度でしょう。

回路の解説

一箇所を除き、ごくありふれたオペアンプ+ダイアモンドバッファ回路です。

低電圧動作のポイントは、回路図中でD5~D7によるラインの接続です。電池電圧が1.2V×2のとき、ダイアモンドバッファはVbeによる電圧降下(0.7V)から

(1.2-0.7)\times2=1{\rm V_{pp}}

しか出力できません。実際にはもうすこし低い電圧範囲になります。高能率ヘッドホンならば十分な音量を得ることができますし、電源電圧を±2V以上にすれば低能率ヘッドホンでも十分に駆動することができます。しかし単3電池2本で広い駆動範囲を考えるとダイアモンドバッファでは出力電圧が足りません。

LME49721などのオペアンプは「レールtoレールオペアンプ」と呼ばれ電源電圧近くまで電圧を出力することができます。どちらも優秀ですが、特にLME49721の駆動力はすばらしく2.4V電源で2Vpp付近まで出力することができます(50Ω負荷時)。

であるならオペアンプ1発のChuMoyのようなヘッドホンアンプで良い(ダイアモンドバッファは不要)という話になってしまいます。しかし、オペアンプ1発のヘッドホンアンプではどうしても駆動力が劣ります。これは瞬間的にどれだけ大きな電流を出力できるかという意味*4における駆動力で、この駆動力は音の瞬発力(立ち上がり)や音の止まり(立ち下がり)に大きく影響します*5。トランジスタバッファはこの能力おいてオペアンプとケタ違いです。*6

トランジスタの駆動力を持ちながら、一方でオペアンプの持つ広い出力電圧範囲を使いたい。ならば両方の出力を混ぜてしまおう! というアイデアが、このヘッドホンアンプ最大のポイントです。

*4 : 負帰還をかけない状態での出力インピーダンスがどれだけ小さいかとも言える。

*5 : よく勘違いしている人が居ますが音声帯域レベルでスルーレートなんかほとんど関係ありません。電圧が高くなると駆動力不足は電圧(+負帰還)でカバーされるのですが、低電圧では電圧による補助効果は期待できず、純粋な駆動力勝負になります。

*6 : 文字通り桁が違います。オペアンプが低くても20Ω、通常50~100Ωなのに対し、トランジスタバッファは1Ω以下です。

終段アイドル電流の決め方

※この項目は±1.2V以下動作のときです。±2Vのときはこちらを

R9~R12アイドル電流全消費電流稼働時間比稼働時間(単3)稼働時間(単4)
0.4mA7mA100%14日4日
100Ω2.5mA12mA58%8日2.5日
150Ω5.0mA17mA41%5日1.5日
220Ω9.5mA26mA26%3日1日
※連続稼働時間はエネループ使用時の目安時間。音量によっては短くなります。

R9~R12によってトランジスタ終段のアイドル電流を調整できます。アイドル電流を多く流すことで低音(50Hz以下)のしまりが改善されます。220Ωを使用することでほぼA級動作となり、かなり良くなります*7。表の電流値はおよその値です。トランジスタの特性や温度により変化します。

試聴した印象ですが、100Ω程度ではほとんど変化はありません。150Ωでそこそこ改善し、220Ωで完全という印象でした。馴染んだ曲を聴いていると低音で鳴り方が結構違います。迫力があって非常に綺麗な低音が出ていると思います。なお低電圧動作のためあまりアイドル電流を増やしすぎると悪影響が生じます。

ポータブル用途ならばR9~R12を付けず運用しても充分だと思います(付けっぱなしで連続10日ぐらい電池が持ちます)。

*7 : A級動作にすることが利点だと思われてるようなので加筆。アイドル電流がそんなに流れていないとどうなるか。入力電圧と出力電圧差が大きいときには、その電圧差からおおきな駆動力(低インピーダンス)が働きますが、入力と出力差が小さい(たとえば1mV以下)ときには0.4mA程度しか流す力がない=出力インピーダンスが上昇するという現象が発生します。だからある程度アイドル電流が必要というわけで、A級動作を狙いとしたわけではありません。A級動作は副産物。

電圧を上げる場合の諸注意

op-dbuf2_4v.png

±2V超の回路図

この回路をベースに±2Vを超える通常電圧動作をさせるときは、コンデンサの耐圧、オペアンプの耐圧*8の他に、アイドル電流の増大に注意する必要があります。電圧によるアイドル電流の変化をまとめてみました。

R9~R12±1.2V±2.4V±3V±4V±9V
0.2mA0.3mA0.4mA0.4mA0.8mA
47Ω0.9mA2.7mA5.5mA6.2mA9.3mA
100Ω2.6mA14.4mA17.8mA26.1mA76.3mA
150Ω4.9mA29.1mA40.3mA49.2mA94.7mA
220Ω9.2mA47.3mA59.9mA68.0mA102.0mA

10~20mA前後になるように調整するほうが望ましいと思いますが、アイドル電流を多くすると音質改善効果があることも確かです。

アイドル電流を簡単に計測したいときは、

(全消費電流 - 5mA) / 2 = アイドル電流

でだいたい分かります。5mAはオペアンプの消費電流で、この値はLME49721使用時です。

また、コレクタ損失と言われる次の値が、トランジスタQ3/Q7, Q4/Q8の許容値(2SC1815/2SA1015ならば400mW)を超えないように注意してください。

駆動電圧 × アイドル電流 < 400mW

この判定は簡易なものですので、ギリギリではなく必ず余裕をみましょう。100mWが限度です。

±9Vで100Ωの場合は

9 × 76.7 = 690.3mW

ですので、トランジスタが壊れると思われます。

R9~R12で調整しきれないとき

R9~R12での調整には限界があります。スピーカーアンプなどでは、この調整を正確にするためアイドル電流調整用の回路を作成し熱結合するのですが、もっとお手軽に調整する方法があります。

R3~R6による調整です。1Ωから2.2Ωに変更すればアイドル電流は約半分、3.3Ωに変更すればアイドル電流は約1/3になります(実際の値は必ず計測してください)。±3Vを超えるときは、R3~R6の変更も検討すると良いでしょう。

利得の変更

元回路は低電圧動作を念頭とした0dBアンプになっていますが、電圧がある程度以上あるのならば(±2V~)音量が足りない場合は適当に帰還をかけて音量を稼ぐことができます。

op-dbuf2_4v-gain.png

増幅率 = 1 + Ra/Rb

ヘッドホンアンプでは2~3倍で十分だと思います。Ra/Rbには音響用抵抗を使用するのを忘れずに。

*8 : LME49721やLMP7732等は絶対低格が6V程度までですので±2.5Vぐらいが限界です。LT1498などはその点余裕があります。

回路の変更(改造)と音質の変化

トランジスタの変更

トランジスタ変更の際は前段含めて4つとも(左右分で8つとも)同じように変更してください。ダイアモンドバッファ回路というのは、特性がコンプリメンタリである4つのトランジスタをうまく配置することでそれぞれの非線形性をうまく打ち消すことが期待されています。

前段と後段でトランジスタの種類が違うと、Vbeが異なりアイドル電流が大きく変わってしまいます。この件について、Buckeyeさんが詳しく書かれていますが、きちんと測らないと上で説明したアイドル電流が分かりません。トランジスタの変更による音色の変化を楽しむつもりが、アイドル電流による差を聞いてただけなんてことも。

手元で、2SA1015/2SC1815、2SA992/2SC1845、2SA872/2SC1775*9です*10。±1.2Vで確認しまいした。*11

  • 2SA1015/2SC1815 … 基準。いつも聞いている音です。
  • 2SA992/2SC1845 … 1015/1815よりややガヤガヤします。
  • 2SA872A/2SC1775A … 高音がややカサ付きます。
  • 2SA1015(L)/2SC1815(L) … 歪みの少なさと明瞭さで1枚上。

音響用としては有名な2SA992/2SC1845や2SA872A/2SC1775Aが意外とよくなかったのと、2SA1015/2SC1815が意外と良かった印象でした。定番品だけあった良い性能してますね。ローノイズ版の(L)はさらに明瞭で歪みがほとんど無くてすばらしいです。

※2SA872/2SC1775は30mA程度でコレクタ電流が飽和するため、色々と無理があります。低能率ヘッドホンでは電源電圧に関わらずまともな音量が取れません

その他の変更

  • アイドル電流を変更(増やす)ことで、音が変化します。許容損失を超えてしまう場合、トランジスタを変更するほか、こちらのサイトを参考に終段をパラレルにする方法もありますが……。
  • 抵抗をすべて音響用に置き換えると音が多少代わります。オペアンプ負帰還の影響でそこまでは変わりませんが、R3~R6はそれなりに影響が大きくなります。
  • (2012/02/26)入力であるオペアンプ3pin,5pinとGND間に100pF程度のフィルムコンを入れると音がなめらかになって定位が改善します。

*9 : 現在入手何ですが、何年か前に各100個手元に買ってあって、今まで一度も使ってなかった

*10 : 2SB647/2SD667も頂いたものがあったのですが、数が足りず同列には比較できないので今回は割愛

*11 : アイドル電流は測ってないので、それぞれ若干違うと思います。

定電流ダイオードの使用に関する補足 2013/10/26

普通に製作される方はこの項目は読む必要はありません。昔からですが、試しもしないで難癖を付ける方がいらっしゃるので補足です。

  • 印加電圧が低いために実際には「定電流素子」としての働きはしません。
  • にもかかわらず単に「抵抗」を使った場合と異なり、印加電圧に対して非線形に動作するので、印加電圧が上がった時の電流値を低めに、印加電圧が下がった時の電流を(抵抗とくらべて)高めに取ることができます。
    • 特に電源電圧を変更した際にこの特徴は顕著に現れます。
  • トランジスタによるカレントミラー構成に変更すると低電圧でも十分に定電流素子として働かせることができますが、回路規模が大きくなる一方、音質上の差が認められないため採用していません。

試さないでデータシートと回路図をみただけで「分かった気になっている」方はどうかと思います。

電圧関係なく、そもそもバッファ前段にCRDを使用することに文句がある人はBUF634のデータシートでも見ると幸せになれるんじゃないでしょうか。

まとめ、感想 2009/05/21

FETヘッドホンバッファアンプは退役して、この記事のヘッドホンアンプばかり使用しています。DACと組み合わせて使っていますが、高音から低音まで非常に綺麗に出るので気持ちいいですね。

最初に製作してから約1年、低電圧動作における出力電圧範囲の問題がようやくSBDによって解決されました。ずいぶんと時間がかかりましたが、このアンプは1年を経てようやく完成と言えるのではないかと感じています。

音質については賛否両論あるかと思いますが、個人的には「このヘッドホンアンプを明らかに越える音質」というのは難しいと感じています。電圧を上げて、部品と回路に物量投資し、ディスクリートあたりで組むとどうか…というのはありますが、はてさて。このような状況ですので、当分ヘッドホンアンプは打ち止め。

個人的には、±2V回路を電池4本で駆動しLT1677(single→dual変換下駄使用。R9~12=150Ω、R3~6=2.2Ω→(後日変更)R9~12=100Ω、R3~6=1Ω。OS-CON 6.3V 1500uF)の組み合わせがお気に入りです。*12

*12 : 2011/02現在はもっぱら電池2本版しか使用していません。ちょっとだけ細工してますが(苦笑)

参考

トラックバック頂いた作例が参考になります

ほえーさんに頂いた実体配線図も参考にしてください(ほえーさんに感謝!)。現在掲載の±1.5V以下回路図の実体配線図です。

op-dbuf-jittai.jpg
op-dbuf-jittai2.jpg

その他いろいろ(トラックバック外で)参考になりそうなもの。みなさんに感謝。

Ayumi氏のおかしな検証記事について

  • http://ayumi.cava.jp/audio/HPAmp/node8.html

にて原回路として示されている回路は現在「旧回路」として掲示しているものに類似していますが、当初(初出時)より回路にある発振防止用Zobelフィルタが付いていません。回路が違うので、本回路の検証としては最初から間違っています。

メールにて相異することを書いて頂くようにお願いしたのですが、無視されている状況ですので不本意ながらこのように掲載させて頂きました。

その他

OK キャンセル 確認 その他