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アナログ対応のプリアンプを作ろう・・・フォノイコライザー

アナログ対応プリアンプなので、フォノイコライザーも必要だ。 スペースファクタの問題から、ディスクリートは無理なので、オペアンプによる回路にならざるを得ない。 使用するカートリッジも、Denon DL-103、Shure V15-TypeIV、Philips GP-422Z/II、GP-922ZとMC型もMM型もあってさまざまだ。 気楽に楽しむという点からは、MM型を常用する可能性も高い。 MM型にしておいて、MCヘッドアンプ・トランスを利用するのも良いが、スペースファクタを考えると内蔵がありがたい。

フォノイコライザでは、RIAA特性を得るために、50Hz(3180μS)から 500Hz(318μS)まで +6dB/oct の低域ブーストを行ったうえで、2.12kHz(75μS)から上の周波数では -6dB/oct の減衰を必要とする。CRによるハイカットフィルターを用いる場合は、フィルターを低インピータンスドライブかつ高インピータンス受けが必要なため、2段の増幅器を重ねる必要があり、S/N比の悪化が問題となる。 その一方で、上記の時定数をNF回路で行う場合には、低域と高域でNF量が数十dB異なる上に、そのインピータンスが低いため、その対応が必要という面倒くさいことになる。 もちろん、そういううるさいことを言わなければ、オペアンプ1本に適当な時定数のNFをかければ、音は出るのだが・・・。

今回の目的には、さらに、MC/MMの両対応が望ましい。 検索エンジンで調べてみると、MC/MM 切り換え機能付きのCR型イコライザーアンプが結構多い。 Linkman(マルツ)の LV3-PE はサブソニックフィルターもついており、仕様も悪くない。 欠点は単電源であることなので、改造すれば使えなくはない。 さらに調べてみると Analog Device 社の超低ノイズ、低歪み、オーディオ・オペアンプ(とメーカーが称している) LT1115 のデータシートには、今回の目的にぴったりの使用例が掲載されていた。

出典: https://www.analog.com/jp/products/lt1115.html

これはよい。 上記の回路が今回の目的に合致するうえに、高速±150mAパワー・バッファ LT1010CT でNFB回路を強力にドライブしており、オペアンプ1本のNF型とは段違いの制動能力が期待できそうだ。 実際、この回路を試した方が、色気があって情報量が多く、かかったコストの低さからは信じられない音と評している。

作成する上での困難さは中途半端な値の抵抗を要することだが、GOOGLE で検索をかけたら、ありがたいことに完成基板として売っていた~!

さっそく取り寄せて、バラックで聴いてみると、本当に低ノイズで音質的にもいい感じだ。 問題点はサブソニックフィルターをどうするかと、unbalance – balance 変換をどうするかだ。

to be continued….

アナログ対応のプリアンプを作ろう・・・妄想編

気軽に使えるLPプレーヤーが欲しいの記事にあるように、新たにKENWOOD KP-9010 を手に入れた。 これに使えるカートリッジとしては、いまさらながら Audio Craft AC-3000 用ストレートアームパイプを入手 の記事で示した Philips GP922Z (このカートリッジは未使用品も含めて数本ある)だけではなく、Denon DL-103、Shure V15-TypeIV、Philips 422Z/II がある。

ところが、現在手元にある動作可能フォノイコライザーアンプは、メインシステム用の Soulnote ph1.0 しかない。 すなわち、新たなフォノイコライザーアンプを作る必要がある。 バラックとしては、過去に使用していた2SK-117 MCヘッドアンプ真空管式CR型 SRPPイコライザがあるが、現時点で聞いてみると明らかにS/N比の点でも音の鮮度の点でも見劣りする。 当時使用していたのは、6G-A4 single アンプなどで、6R-HH2全段差動アンプ6G-A4全段差動アンプのように残留雑音 0.数mV なんて低雑音のアンプではなかったのだ。 すなわち、6R-HH2全段差動アンプに組み合わせられる新しいプリアンプ、それもMC/MM対応フォノイコライザー内蔵のアンプが欲しい。
(最初から、そのつもりだったんでしょ・・・・)

電気工作の作業部屋には、現在、6R-HH2全段差動アンプ と音源の MOTU M2 オーディオインターフェースがある。 スピーカーは、Tangent EVO4である。 メインシステムを置いているリビング兼用15畳と異なり、たかだか4畳半の狭い部屋であり置くスペースもあまりない。 しかしながら満足できない音のプリアンプでも困ると思ったときに、バランス型プリアンプに用いた、たかじんさんの MUSES72320ボリューム基板(VOL-12/VOL-01/SEL-12)のことがふと浮かんだ。 これらの基板は自分が作成に失敗したときのことを考えて配布終了になる前に予備を購入しておいた。 もう手に入らないので非常に貴重な基板だ。 非常に貴重な基板ではあるが、このまま死蔵するのはあまりにもったいないのではないか。 私には貴重な基板だが、その価値がわからない人にはただのゴミだ。 そもそも主要なパーツである MUSES72320 でさえも、後継品の MUSES72323 が発売された以上、いつ手に入らなくなってもおかしくない。 よって、アナログ対応のプリアンプにもこの基板を使おうと決めた。 実を言うと、デスクトップオーディオでの使用なので、すぐ手の届くところだから、普通のロータリースイッチ+アルプス RK27ボリュームでいいじゃないかとも思ったのだが。

電気工作の作業部屋で使うプリアンプなので、これから作成するさまざまな装置につなげることも重要だ。 メインシステムのバランス型プリアンプのようにバランス入力(平衡入力)専用のシステムというわけにはいかない。 アンバランス入力(不平衡入力)でも使えるようにしておきたい。このように考えると、MUSES72320ボリューム基板(VOL-12/VOL-01/SEL-12) を用いる以上、入力は3系統に限られるので、次の3系統の使い方になる。
1: MC/MMフォノイコライザーで平衡出力
2: バランス出力のMOTU M2 or ESI juli@ 用
3: 作成中の機材にも用いるバランス/アンバランス対応入力

ここまで決まると、おのずと決まってくることがある。 バランス型プリアンプのようにフラットアンプにディスクリートの基板(HPA-12)を用いたり、それに対して左右独立したトランスを使ったりということは無理ということだ。 さらにフォノイコライザーアンプを付け加えるとなったら、どれだけ大きなケースが必要になるのか・・・ということだ。 すなわち、フラットアンプにせよ、フォノイコライザーアンプにせよ、オペアンプを使ったタイプで満足できるものを作るという制約でもある。 置き場所の制約から、数多くのトランスを使う(バランス型プリアンプでは3つ)のも難しいだろう。

ここまで妄想がすすむと、何を考えていくべきかがはっきりしてくる。 ひとつは、バランス型プリアンプと似た構成であり、良質のフラットアンプがいるということ。 この点については、たかじんさんのサイトにヒントがあって、禁断のClassAAヘッドホンアンプをフラットアンプとして採用するのが一案。 次に考えるべきは、バランス/アンバランス対応入力を実現するためのアンバランス→バランス変換基板も必要と言うことだ。 これも、たかじんさんののアンバランスTOバランス変換基板 BLA-01 を使えばいいので心配はない。問題は MC/MMフォノイコライザーアンプである。 どんな構成にすべきかたかじんさんのサイトにはヒントがない。 平衡出力を得るために一工夫が必要なことも大きな問題だ。  そして、デスクトップオーディオで用いることから、超低域のカット・・・サブソニックフィルターをいれておくことも音が濁らないようにするために必要というわけで、問題は山積みだ、

to be contined…

発振とサウンドカード

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・また発振 で、次のように記した。

我が家では、歪み率測定・・・WaveSpectraa 覚え書きに示したようにして、歪み率測定をしている。 測定には、サウンドカードの Juli@ xte を利用しているが、これにつないだで、歪み率測定をしようとしたら、1台でDCオフセットがとれない問題が再燃してしまった。 つないだ状態でオシロで確認したところ、50MHz 帯での微小発振が認められた。

DCオフセットがとれない問題が生じたのは、接続機器が MOTU M2 のときと、ESI Juli@xte のときだ。 ぺるけさんのトランス式DAC Soulnote sd2.0 では問題が起きない。 よって、接続機器側の何らかの問題を探っておくべきだと考えた。 もちろん当方のアンプの欠点であることは言うまでもない。

すなおに問題が生じた接続機器をオシロで観測してみた。 高周波帯を調べるので、1チャンネルを測定対象に、2チャンネルはプローブをショートさせて、1チャンネルの測定対象の近くに置いた。

ESI Juli@xte の場合は、50MHz 帯のノイズが、最大で20mV p-p で認められる。 高周波帯だけあって、ショートしたプローブのほうにも結構なノイズが観測される。

MOTU M2 でも同様だ。こちらは、15MHz 程度で10mV p-p 程度である。

このようなノイズは、ぺるけさんのトランス式DAC や Soulnote sd2.0 ではもちろん認められない。

もちろん、この程度の高周波ノイズでオフセット電圧が狂うような柔なアンプでは困るが、Juli@xte は測定器として使用しているので、何らかの対策をとっておかねばと思う。 LCRフィルタだと思うが、バランスの場合はどうなるのだろう? アンバランスのをふたつ重ねるのだろうか。 調べてみよう。

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・はらわた

私としては超弩級のアンプを作ったつもり。

(クリックで拡大)

上中央左には、300VA のトランス。 芯線があまりに太く固いので、端子板にいったん接続してからダイオードにつないでいる。 下の写真を見れば、一目瞭然。 なお、端子台に見える小さなブリッジダイオードは、フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・再度のインラッシュカレント対策への電源用だ。 なお半田付けはとてもじゃないができないので、圧着している。

(クリックで拡大)

シャーシ後面で放熱されているブリッジダイオードだ。SBRT20U100SLP を用いたブリッジダイオードは、IFSMが140Aだ。 それでも、プラス・マイナスともに、4700μF×8 の構成ということもあって、ラッシュカレント対策が必要だ。 VFA-01のアンプのPSRRを考えると、とんでもない過剰品質の電源部といえるが、趣味の世界だから・・・。
なお、右側のダイオードの右に線が写っているが、ゴミで後の除去している。

モノラル構成のBTLアンプだが、タカチHY型の放熱器付きシャーシのため、放熱はケースに直接できる。 この構成は、できあがってしまえばスタイリッシュだが、部品交換などの手間暇ははんぱない。 次に作るときには、独立した放熱器を使うことだろう。

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・測定結果

さて、これまでの経過で、なんとか各種のデータを安定して測定できるようになった。 最終回路図は下図で、BTL接続している。 なお、図中のC5 は1台では47pF もう1台では、220pF である。 その顛末は、フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・また発振 にある。また、終段のアイドリング電流は、0.5A に設定している。 8Ω出力だと4W相当、4Ω出力では、2W相当まで、A級アンプとして作動する。 日常的に利用する出力は、0.数W程度なので、日常の使用上ではA級アンプである。 筐体の両側が放熱器になっているが、触って心地よい程度の暖かさである。 トランジスタそのものを触ってもやけどするような熱さではない。

(クリックにて拡大)

最大出力は、5%歪みで20W/8Ω、40W/4Ωを確保できた。 これについては、概ね想定通りである。 残留雑音はそのまま測って、0.07mV程度である。 以下、C5が47pF の個体をA、220pF の個体をBとして記載する。

周波数特性は、以下の通りだ。 -3dB は、Aで150kHz、Bで 120kHz 程度である。 位相特性は両方とも-125°程度までで安定しているように見える。

VFA-01 (A): 周波数特性   (クリックで拡大)
VFA-01 (B): 周波数特性   (クリックで拡大)

歪み率特性は次の通り。 両個体とも、最低歪み率は0.02%程度で、10kHz の特性は、100Hz/1kHzに比べて、やや悪い。 周波数によって歪み率特性が異なるのは、たかじんさんのオリジナルのデータでも同様だ。 ただし、歪み率特性自体は大分悪い。 これは、BTL化によるものと考える。 おおむね4倍と考えれば、妥当なレベルといえる。 奇数次の歪みはBTL化で打ち消されないからだ。

VFA-01(A): 歪み率特性
VFA-01(B): 歪み率特性

視聴しての感じは、Soulnote ma1.0 に比較して、ワイドレンジでダイナミックだ。 エレガントさは変わらないが、このアンプのほうが、ピアノのキータッチの差や、ボーカルの表情の変化がわかりやすい。この差は、最近メインスピーカーになった Linaeum LS-1000 で聴くとたいへん目立つ。 Dynaudio Contour 3.3 で聴くと、キータッチは表情の変化はわかるが、突き放した表現で、聞き込まないとわからない。 Soulnote ma1.0 もフルバランス構成ではあるが、4Ω出力の記載はない。 LS-1000は、コンデンサ型スピーカーにスーパーウーファをつけたような構成であり、4Ωの記載があることから、一般に鳴らしにくいスピーカーであるが、本アンプは4Ωギャランティーは十分であることが長所につながっているのだと思う。

本アンプの欠点は、録音(やアレンジ)の悪さをそのまま出してしまうことだ。 ma1.0 はそういう点では、一枚上手のように感じる。 一方、LPレコード(soulnote ph1.0、バランスプリ経由)で古い録音を聴いても、ノイズが目立つといったことはないようだ。

基板を頒布していただき、また適切なアドバイスを何度もいたぢあたたかじんさんに心から感謝したい。

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・また発振

ここで、BTLアンプの状態で周波数特性を測定してみたら、Unblanced のステレオアンプの状態と異なり、周波数特性が、150kHz あたりから ±0.5dB 程度波打っているのことが判明した。 2台ともなので、再現性がある。 なんてこったい。

下図の回路図で、 R5=100Ω、C4=4700pF としたのが、悪さしているので、元に戻すことにした。 その際、1台で不安定であったことを思いだし、R5=220Ω、C4=3300pF とゲインが下がる周波数を下げることにした。

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C9を 3pF 程度が適正で、5pF だと過剰補正気味だとのことであったが、1台でDCオフセットが不安定であったことから、C9は 5pF としたところ、DCオフセットが安定してとれるようになった。 視聴でも特に問題はなかった。

これにて、一件落着と思われたが、そうはいかなかったのだ。 我が家では、歪み率測定・・・WaveSpectraa 覚え書きに示したようにして、歪み率測定をしている。 測定には、サウンドカードの Juli@ xte を利用しているが、これにつないだで、歪み率測定をしようとしたら、1台でDCオフセットがとれない問題が再燃してしまった。 つないだ状態でオシロで確認したところ、50MHz 帯での微小発振が認められた。 正直困り果ててしまった。 

対策はもちろん超高域でのゲインを下げるしかない。 試行錯誤で、上図の C5 を増やしたら安定化の方向に働いた。 結果的に、220pF まで増やしたところで、安定してゆがみ率測定ができるようになった。

たかじんさんによれば、C5 は 100pF を超えるとスルーレートが下がるので、あまりよろしくないとのことだが、私の力量では、やむを得まい。 また、私の駄耳では、C5を増加させた対策での音質変化はよくわからなかった。

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・再度のインラッシュカレント対策

前項で完成と思いきや、思わぬところから、改良案が示された。 それは、たかじんさんのホームページで、VFA-01用のトランス電源についてのコメントからだ。 

私は、フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・片チャンネル音出しまでに示したように、トランスの二次側にインラッシュカレント対策をとればよいと考えていた。 この方式のオリジナルは、フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・構想編 に述べたように、お気楽オーディオキット資料館にある手法である。 Google で、ラッシュカレント対策 アンプ で検索すると、トランスの二次側に抵抗を入れておき、時間がたったところでリレーで抵抗をショートする形のページがたくさん出てくる。

たかじんさんのホームページで、ラッシュカレントに対する質問があり、上記のことをコメントしたら、たかじんさんから下記のようにご教示いただいた。 (太字、赤字は n’Guin)

たかじんさん wrote:
インラッシュ電流が厄介になるなのは、1次側に入れたヒューズが適切に働くかどうか、です。
トロイダルやRコアトランスの場合、EIコアに比べてインラッシュが大きくなります。安易にヒューズ容量を大きくすると、何か回路に問題が起きたときに保護できなくなります。
そこで登場するのがヒューズに直列にいれるスロースタート回路です。 抵抗とリレーを使うのは、お気楽さんのところで紹介されているのと同じです。1次側は電流値は小さく済みます。(2次側が1次側よりも電圧が低い回路の場合)
整流後のコンデンサの容量は、大きければ大きいほど整流ダイオードへの負担が増えますが、これはインラッシュ電流に耐えるダイオードを選択するのが適切です。 また1次側にスロースタートを入れると2次側にも影響があるため2次側のインラッシュ電流も下がります。
±電源をもつ回路で2次側に入れるスロースタート回路は2系統必要、かつ、大電流が流れるのでリレーの接点も傷みやすくなります。 それに対して1次側なら1系統のみでOK、かつ、2次側よりも電流は小さくなります。また、 万一、スロースタート回路が壊れたとき、ヒューズが切れるかONしないかのどちらかに落ち着きます。2次側スロースタート回路が壊れた場合は±電源のバランスが崩れ、最悪アンプ回路を壊してしまいます。
以上が一般的なインラッシュ電流対策の意味とスロースタート回路の位置です。(もちろん様々な理由により例外はあると思います)

よって、またしても回路変更。 SBRT20U100SLP を用いたブリッジダイオードは、IFSMが140Aだ。整流電圧は ±14V 程度で、巻き線抵抗は 0.03Ω程度なので、整流ダイオードに流れるインラッシュ電流は、500A程度に達する可能性があるのだ。 すなわち、インラッシュ電流に耐えられない可能性が高い。

現在、5Aのヒューズを用いているので、一時的な制限抵抗は、100V/5A で20Ωと仮定しよう。 このときの、二次側電流は計算上24A 程度になるはず。 整流ダイオードは余裕で耐えるであろう。 問題は、20Ωの抵抗の消費電力である。 定常状態では0.3A弱であることが測定してわかったので、消費電力は1.8W。 よって、10Wのセメント抵抗なら約5倍のディレーティングが得られるので大丈夫であろう。

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そして、この修正作業を行っているときに発見! 

破損したトランジスタのエミッタ抵抗が割れていた。 トランジスタを交換したときには、壊れていなかったのに。 このタイプの抵抗は巻き線抵抗にセメント被膜がついているので、発熱している間に巻き線の金属が膨張して割れていったものと思われる。 気がつけてよかった。

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・再調整

ここで、たかじんさんから、アドバイスがあった。

(クリックで拡大)

C9を 3pF 程度が適正で、5pF だと過剰補正気味だとのことだ。 こういうところは、設計者でないとわからない ^^;)

また、C4/R5の位相補正は、2SK170でゲインが上がったところを、負荷抵抗の差動部分で殺してしまうのはもったいない対策とも言えるが、低域では依然ハイゲインの特徴が残るので、DCオフセット低減、PSRR向上が望めるそうだ。

そして、R5を小さくすれば、ゲインを下げる効果があるとのことで、今回の場合は、R5を100Ωまで下げる(その代わり、C4を同じ時定数になるように増やす)ことを勧められた。

現時点では、R5が220Ωで、C4を 2200pF 、C9を 5pFであったので、C9を 3.3pF に戻し、R5を100Ω、C4を4700pF としてみた。

この条件で、より安定して動作することがわかってきた。 すでに完成したはずのチャンネルも同じ条件に修正することにした。

周波数特性や位相特性はより一層素直になった。

喜んで視聴にすすんだが、なぜか音の方はつまらない感じに。 おとなしすぎる感じで、よく聞けばワイドレンジだが、ダイナミックレンジが狭まったような。

対策はいろいろあるが、最も簡単なのは、バイアス部のコンデンサ C6 の変更である。 バランス型プリアンプのフラットアンプでも、このC6 で音決めをしている。 今回の場合は、おとなしすぎる感じなので、100μF (音響用電解コンデンサ)から減らすことになる。 バランス型プリアンプのフラットアンプで採用した、10μF のフィルムコンデンサ(Panasonic ECQE)を利用することとした。

結果は大当たり。 ワイドレンジ感もダイナミック感もよい。 初段の 2SK170 らしいエレガントさも失っておらず、とてもよい感じだ。

これにて作成終了。 あとは特性を測って確認・・・とは問屋が卸さなかったりする。

… to be continued.

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・焼損

片チャンネル分が完成したから、もう片チャンネルは楽勝・・・とはなりませんでした。

完成した片チャンネルと同じくC4を 2200pF として、C9を 3.3pFとすればうまくいくはずだったのに、全くだめ。 スピーカー出力のオフセットが全く調整できない。 また発振かと思い、オシロで確認したら、ハムノイズが観測された・・・。 入力オープンが理由だったというわけ。

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そこで周波数特性を測ってみたところ、周波数特性はまずまずだが、位相特性がとんでもないことになっていた。 そして、これを測定中に焦げ臭いにおいがたちはじめた。 測定しているチャンネルを見ても、触っても異常がない。 なんと、測定していないチャンネルの終段トランジスタが焼損した。 入力をオープンのままにしていたため、あおりを受けて発振したのであろう。 なんてこったい。

幸い、交換するトランジスタ類は買い置きがある。 3段ダーリントンを盲目的に全て交換し、たかじんさんからのアドバイスもあり、抵抗値が変わっていないことも確認した。 全て交換して,問題は解決したが、入力オープン程度で焼損するようでは困る。

ここでもたかじんさんからアドバイスがあり、入力にボリュームをつけないなら、入力抵抗を 4.7~10kΩ 程度にしたほうよいとのこと。 47kΩにしてあるのは、その前に10kΩ程度のボリュームをつけることを想定しているそうだ。 トランジスタアンプだとそんなものかと軽く考えたが、よく考えてみると、このアンプとペアになるプリアンプは、スピーカー負荷が普通に可能な HPA-12 である。 8Ω負荷が可能なアンプからの入力抵抗が47kΩっていうのは、いくらなんでも高すぎる。 4.7kΩだって高いぐらいだ・・・。

さて、ここで気を取り直して、再度 C4と C9を取っ替え引っ替えしてみたところ、C4を 2200pF 、C9を 5pFで、まずまずの周波数特性をえるることができた。

BTL化した周波数特性も、すでに完成した片チャンネルとほぼ同じだ。 これにて、とりあえず、視聴してみる。 リファレンスの「シューマニアーナ 8」(FOCD9328)シューマン:ピアノ・ソナタ 第3番 ヘ短調 Op.14 の冒頭の数十秒で、ピアノのキータッチ饒辺かがわかるかどうかを聴いたところ、一聴して合格。 これにて完成か・・・

… to be continued.

フルバランス・フルディスクリートアンプへの長い道のり・・・片チャンネル音出しまで

PRT-01 の修理が終わって、正式の電源で電源ON!

なんと、全く動作しない。 ラッシュカレント対策のリレーがONにならない。

あれっと思ったら、リレーに電圧がかかっていない。 そう。 終段のアイドリング電流を 0.5A/ch なので、1A 流れているので、ラッシュカレント対策の抵抗(5Ω)で 、2個の抵抗をあわせると10V の電圧降下が生じて、リレーが動作しなくなったわけだ。

ここまできて、5Ωの抵抗に1A の電流が流れるので、たった数秒とはいえ、5W のセメント抵抗に、5Wの電力を食わせる形になっているので、ここも問題。 そもそも 5Ω/5W としたのは、お気楽オーディオキット資料館の作例にあわせただけで、何も考えずに定数を決定したむくいがきたのだ。

出力電圧は±14V 程度であり、使用しているダイオードはSBRT20U100SLP を用いたブリッジダイオード で、最大電流は40Aなので、2Ω/5W (最大で 7A)に変更した。 また下図のように、電源部を再構成して、確実にリレーに電圧がかかるようになおした。

ここを修正して、やっと片チャンネルがとりあえず完成した。 あとは、同じものをつくればいいだけ・・・とほっとした。が、実はこの後がたいへんだったのだ。