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Class AA パワーアンプは実現できるか・・・なんとかできた編

Gain 20dB のときの音が良かったことをたよりに、NFB抵抗を元に戻すことにした。 下図のNFB抵抗 10kΩ のところである。 あきらめた編では、NFB抵抗が22kΩになっていた。

左チャンネルでは、C1 = 2200pF, C2 = 82pF、右チャンネルでは、C1 = 4700pF, C2 = 220pF にて下記の雑音ひずみ率特性である。 左チャンネルでは あきらめた編 のひずみ率特性の名残のように 10kHz で 1W 付近のひずみ率が増加している。 右チャンネルでは、このような特性は認められていない。 これだけを見ると、右チャンネルのほうが優秀に見えるが、右チャンネルは最大出力の時に DC漏れが増加することがわかっており、痛しかゆしである。 とはいっても、実際に使用している 3W 程度までは、0.05V 未満であるので、これ以上追わないことにした。 最大出力は左右とも、雑音ひずみ率 5% であると、どの周波数でも、16W (8Ω)である。 ちなみに、4Ωでは、25W程度となるので、出力を増大させるという目的は達成したと言えよう。

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周波数特性は上図に示した。 左右でけっこうフラット部分が異なるが、C2 を増減させると、よくわからないピークやディップが、200kHz 以上の部分ででてくる。 この特性で精いっぱいといったところだ。 残留雑音は、左で 0.09mV、右で 0.12mV (いずれも、GwINSTEK GDM-8261A直読)であった。 ダンピングファクタは、ON-OFF 法で、20以上と思われる。

試聴では、やっと安心して聴ける音質である。 MUSES 05 らしく、ソリッドな低音と華麗に散乱する高音といったところだろうか。 Victor SX700Class AA ヘッドホンアンプ で鳴らすと、きれいだけれど非力さを感じるが、こちらでは力強さを感じる。 リファレンスに示してピアノのキータッチの差は楽々表現してくれるので、よいアンプだと思う。

しかしながら、特性を見ても、また再現性という観点からも、このアンプの作成は全くお勧めできない。 今回の作成過程で、TDA2030L を5個以上壊してしまった。 トラッキング式定電圧電源 TEXIO GwINSTEK GPS-2303 を使って電流リミッターを働かせながら、基板作成を行って、このありさまである。 

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はらわたを上に示した。 トロイダルトランスの上には、たかじんさんの PRT-02 基板、右の側面に たかじんさんのPGA2311ボリュームと Balanced-Unbalanced 変換基板がある。 この Balanced-Unbalanced 変換も悩ましいところだ。 なぜなら、Balanced-Unbalanced 変換に用いるオペアンプの音質が、大きく影響してしまうからだ。

本機の Unbalanced の音は、MUSES 05 の音質が支配的であるように思われる。 力強い低域、ど直球の中域、華麗で散乱する高域という感じである。 Balanced-Unbalanced 変換のオペアンプとして、当初、無難に LME49720 を使用していた。 私の印象では、LME49720 はさわやかで情報量が多く、結構気に入っているオペアンプだ。 しかしながら、Unbalanced と比べて明らかに音の方向性が異なってしまう。 低域の力強さがなくなり、高域の華麗さがなくなる。 試しに、私の大好きな MUSES 01 にすると、MUSES 05 らしさがスポイルされ、ピラミッド形で、高域は雰囲気感あふれる音になる。 Unbalanced でもこの音なら、大変満足するところだ。 それではと、1回路→2回路変換基板を用いて、MUSES 05 を使ってみると、MUSES 05 らしさがマシマシになり、派手なドンシャリになってしまう。 さすがにこれは駄目だ。ふと思い出したのは、MUSES 02 だ。 MUSES 02 はかつてIV変換のために購入したが、MUSES 01 が好きすぎて、お蔵入りになっていた。 MUSES 02 は中域の密度の濃さが特徴的で、ボーカルものはよいのだが、大編成になるといまひとつという印象をもっていた。 低域の弾む感じは MUSES 05 に少し似ているので、良いのではと考えた次第だ。 試したところ、今回はベストマッチとわかった。 Unbalanced、Balanced ともに類似した傾向となった。

最近作成した、VFA-01 BTLアンプ、KT88全段差動アンプは似た音質傾向と述べたが、本機は明らかに異なる。 使用するオペアンプ・・・特に V-Amp のオペアンプによる影響が大きい。 本機は、Class AA ヘッドホンアンプやミニワッターの出力増大を目的としていたのだが、そうはいかなかった。

また、本機の製作を通じて、WaveGene/WaveSpectra での雑音歪み率測定や Analog Discovery での周波数特性測定の難しさも感じた。 ちょっとした配置の変更で、特性が変わってしまうのだ。 測定限界に近いところでの測定であることも原因かもしれない。 真空管アンプの作成では感じたことがなかったので、より広帯域、より低歪、低雑音の半導体アンプのためかもしれない。 オーディオアナライザが欲しくなってきた・・・。

とりあえず、これで完成としておくが、まだまだ改良の余地があると自覚していることを最後に述べておきたい。 いつの日か、再チャレンジを・・・

Class AA パワーアンプは実現できるか・・・あきらめた編

たかじんさんのアドバイスもむなしく、ダメだったことから、妄想編で記した方針を撤回して、Class AA ヘッドホンアンプClass AA ミニワッターと同様に、V-Amp に LME49720 を利用することとする。 2回路のオペアンプなので、1回路は遊ぶことになる。

今度は大丈夫だろうとタカをくくって制作してみたら、ホイートストンブリッジが 0.33Ωー0.1Ω、33Ωー10Ωの場合、LME49720でもコンパレータ状態になってしまった。 呆然とする n’Guin・・・

仕方がないので、たかじんさんのアドバイスをあきらめて、補正コンデンサ位置を元に戻したが、当然ノイズは高いまま。

アンプ入力ショートであると、雑音が聞こえないのに、PGA2311 電子ボリュームにつなぐと雑音が多くなることから、PGA2311電子ボリュームの作成ミスやQIコネクタの接点不良などを疑って、いろいろ試してみたが、PGA2311電子ボリュームの左右を変えても、右チャンネルの雑音が多いことから、PGA2311電子ボリュームはシロらしい。やはり不安定な Class AA パワーアンプ基板が問題?

ふと思いついて、トロイダルトランスを回してみたら、ノイズが変化するではないですか。 運が悪いことに、最もノイズが大きい方向で固定していたらしい。 また、Talema の 12V 6.67A x 2 (160VA) なので、付属の金属ボルトで固定していたが、これをプラスティックボルトに交換することで、さらにノイズは減った。 左右とも、0.1mV 台になった。 大喜びで試聴してみたが、なんか変だ・・・。 聴きづかれする音質のままな感じがする。 歪み率特性をとってびっくり。こんな変な特性を見たことがない。

to be continued…

Class AA パワーアンプは実現できるか・・・光転じて闇編

C1の容量を減らして、試行錯誤したところ、片チャンネルは C1=4700pF、他チャンネルは 2200pF で周波数特性がいい感じになった。 しかし、10kHz の方形波では、寄生発振が認められる。

ここで、C2 をいれて周波数特性の肩特性が整うようにしてみたところ、10kHz の寄生発振も止まった。 1KHz の雑音歪み率を WaveGene / WaveSpectra で測定してみると、出力2V(1W/8Ω)で 0.05% ぐらいと優秀。

これでいけるかもと思ったが、音を鳴らしてみると、雑音がひどい。左チャンネルは耳に近づけるとわかる程度、右チャンネルははっきりわかる。  測定してみると、左チャンネルは 0.4mV 、右チャンネルは、1.0mV 程度。 面白いことに、たかじんさんの PGA2311 電子ボリュームの接続をやめて、アンプ入力部でショートすると、左チャンネルは 0.1mV 、右チャンネルは、0.4mV 程度まで下がる。 PGA2311 電子ボリュームでのトラブルの経験から、アースライン対策はしっかりとっている。 何が何だかわからず、たかじんさんのホームページで相談したところ、上記のようにC1を入れるのは標準的な対策ではないそうだ。 

回路図とF特、拝見いたしました。
気になった点としては、C1ですね。 アンプの+と-入力間をCで接続すると、負帰還側から+入力へバイパスされて正帰還へとなってきます。
C-amp側の帯域を制限するときは出力と-端子の間に小容量のCを入れることが多いと思います。
(この回路図でいうとTDA2030の1-3ピン間に10pF、22pF、47pFなどを入れて実験)

ノイズに関しては、ホワイトノイズ系と、飛び込みによるビートノイズ系、電源由来の
ハムノイズに分けられます。
ホワイトノイズは、デバイス依存や入力部の抵抗値、アンプのゲインで決まってきます。
ビートノイズは飛び込み自体を抑えこむ必要があります。
入力信号ラインをGND線とツイストするかシールド線を使う、金属シャシーに沿わせる、
取り回しを動かしてノイズの低いところを探すなどでしょうか。
ハムノイズは、電源トランスが近いと意外と厄介だったりしますね。 磁束漏れの大きな
トランスの場合はトランス自体を変更しなければ解消できないというケースもありました。

C1がよろしくないというのは、言われてみて、初めて気が付いた次第。 ノイズは、ツィータからも聞こえてくるので、ビートノイズかと思われたので、次の対策を立てて試してみた。

① TDA2030の1-3ピン間に小容量のコンデンサをいれてみる
② さらなる安定化のために、ゲインを 26dB に増加させる(NFBを減少させる)
③ そのうえで、周波数特性をみながら、NFBの補正コンデンサ量を決定させる。

ところが、上記の対策をしてみても、ノイズは減少しない。 それどころか、雑音歪み率特性が一桁上昇し、10kHz では波打つようになった。 0.2W で 0.5%程度まで下がるが、1W では 2% 程度に上昇したのちにまた下がり始める。 試聴すると、耳障りな音で疲れる音であり、明らかに改悪してしまった・・・

to be continued…

Class AA パワーアンプは実現できるか・・・希望の光が

先に述べたように、C1 をいれることで、方形波での発振が止まったことから、C1の容量を減らして調整を試みた。 そうしたところ、おかしなことがおこった。 C1 = 1000pF で再度発振がおこったことから、2200pF に戻したが、発振が止まらないのだ。4700pF でも 0.01μF でもだめ。 何が起こったのかわからない。 さっきまで大丈夫だった条件で何が・・・

コーヒーブレイクをいれて、再度チャレンジしたところ、今度はOK。 何か違いはと考えたところ、横着してスピーカー代わりの抵抗に、オシロの端子をつけると、発振することに気が付いた。 よく考えると、2Ch オシロの GND 通しは導通があるので、横着した接続だと、GNDオシロのプローブによって、おおきな GNDループができる。 発振の原因がわかった。

結局、上の回路図で、C1=2200pF, C2 = 82pF で 周波数特性は下記の通り。 C1 、C2ともかなりクリティカルなようすが見て取れる。 300kHz 以上の位相特性のあばれが少ないのは、C2 = 82pF である。

上記の状態での特性は悪くない。 バラックの状況であるが、雑音歪み率をとってみると、おおむね2V出力(1W)で、100Hz, 1kHz で 0.05% 、10kHz で 0.07% と悪くない。 うまくいきそうだ。 よろこび勇んで、もう1台つくってみると、同じ定数では、方形波を入力すると、けっこうなオーバーシュートが認められ、10kHz だと寄生発振が認められる。 

寄生発振の存在から、C1 の調整が必要と考え、試行錯誤したところ、C1=4700pF, C2=68pF で 下記の通りの周波数特性と也、方形波での寄生発振もなくなった。

ここまで来たら、筐体の準備が必要だ。 いろいろ考えたが、過去に作成した LM3886 アンプを解体して、シャーシのみ(タカチ HY 133-33-23SS)利用することにした。 Victor SX-700 にせよ、Linaeum A-1にせよ、LM3886 アンプでは鳴らしきれないことがわかっており、出番がなくなっていた。 解体してみると、天ぷらはんだ同然の場所が多数あった。 天ぷらはんだの原因は、こだわりの太い配線材である。 2mm スケア(AWG 14)を無理やり使っていたためだ。 当時は、これが最善で必須と考えていたのだ。

このシャーシには、入力として2系統の RCA ジャックとしており、それを踏襲することも考えたが、最近の当方の自作品は平衡入力によることも多いので、RCA1系統と平衡入力1系統とすることにした。 Balanced – Unbalanced 変換には、ぺるけ師匠の 簡易平衡→不平衡コンバータ を用いる。 この回路は、専用IC の INA134 と同じである。 Balance 入力の際には、バランス型のプリアンプを通ることが多いので、こちらは、ボリュームを通らない形にする。

to be continued…

Class AA パワーアンプは実現できるか・・・やみくもに試行錯誤編

できの悪いあたまで考えたのは、発振すると、トラッキング式定電圧電源 TEXIO GwINSTEK GPS-2303 では、マイナス電源だけが、電流オーバーフローしてしまう現象から、不具合は TDA2030L によると考えた。 もしも、MUSES 05 であったら、MUSES 05 の最大出力電流を大幅に超えた電流が流れていることになってしまからだ。

TDA2030L が発振しているのなら、入力制限をして高い周波数では反応してしまわないようにしてはという考え。 1kHz の方形波では発振しないが、10kHz の方形波では発振してしまうのだから。 

この発想で、TDA2030L の入力にハイカットフィルタをいれたのが上図。 うまくいってくれと念を込めたが、なんと出力電圧が、マイナス電圧と同じになってしまった。 むしろ改悪ということ。 回路図を今になってみなおすと、ホイートストンブリッジが崩れてしまう。 だめになるのは当たり前。

抵抗を取り外して、コンデンサだけにしたら、なんと正弦波さえ通らなくなってしまった。 どうして?  なぜか、出力の抵抗負荷(スピーカー代わり)をはずすと、正常に服する。 はんだ付け不良を疑い、ハンダ吸い取り線で綺麗にして、再はんだしてもなおらない。

一晩頭を冷やして、よく考えると、出力の抵抗負荷で駄目になるのは、TDA2030Lが働こうとして失敗していることを意味していることに気が付いた。 抵抗負荷がなければ、MUSES05 の出力で十分間に合うと考えた。 よって,TDA2030L が先の実験で破壊されたと考えて、交換したところ、元の状態に戻った。

次に考えたのは、出力に空芯コイルをいれること。 Zobel に加えて、VFA-01と同じ空芯コイルを作成して、付け加えてみた。 これをいれてみると、1kHz の方形波のオーバーシュートが少なくなり、10kHz の方形波で発振するものの、何もしなくても発振が停止するようになった。

だめもとで、TDA2030L の入力間に、直接コンデンサをつないでみた。 当てずっぼで、0.047μ の PILKOR をいれてみたら、発振は綺麗に止まった。 しかし周波数特性はガタガタ。 可聴帯域からゲインが低下している。 この手法に期待が持てるかもしれない。

to be continued…

Class AA パワーアンプは実現できるか・・・迷走編

妄想を具現化したのが上記。 ホイートストンブリッジの 33Ω は作例に従って、調整することにした。 具体的には、基板の電源を入れずにLM1875 の出力端とスピーカー側との間に適当な電流を流し、LM1875 の入力端同士の電圧が最少になるように調整する。 実際にやってみると、この調整は結構クリティカルで、デジタルマルチメータの GDM-8261A の 6 1/2 桁表示にて調整で追い込んだ。

まず最初に、±22V に耐えられる LT1115 + LM1875 にチャレンジしたところ、コンパレータ状態(出力電圧が電源電圧に張り付く)になってしまい不可。

そこで、±18V が最大電圧であるオペアンプでチャレンジしたところ、OPA627, OPA827, JRC5534D, LF357, OP117 全て駄目。 唯一 MUSES05 + LM1875 の組み合わせだけがコンパレータ状態にならずにすんだ。 正弦波をいれてみると、正常に増幅が確認できた。

ところが、周波数特性をはかると・・・ 100kHz 前後にピークをもつ珍妙な特性である。 こんな特性は見たことがない。 作例をよくみると、シミュレーションが掲載されており、それに少し似ている。 

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NFループのコンデンサとして、いろいろ試してみると、150pF 程度が妥当であることがわかる。 ピークが収まってほっとした。 位相特性のあばれが、かなり認められるが、150pF ではそれなりに安定している。

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ところが、1kHz の方形波をいれると著明なリンキングが認められ、10kHz の方形波で発振してしまった。 ここまでくると、LM1875をあきらめ、TDA2030L に変更することにする。 Class AA ヘッドホンアンプ、ミニワッターでも、こちらを利用してみることにした。 ところが少し良いだけで、状況は変わらず (T-T);

以上の実験の際には、電流リミットの設定ができる、トラッキング式定電圧電源 TEXIO GwINSTEK GPS-2303 にとてもお世話になった。 もし普通の電源で行っていたら、何個も LM1875 を破壊してしまっていたことであろう。 無信号時には、±電源とも 0.06A 程度であるが、-10dbV にて周波数特性を測るときには、0.15A 程度に増えていた。 こういう消費電流が測定できるのも、トラッキング式安定化電源の強みである。 ちなみに、発振しているときには、マイナス電源のみが電流が増加して保護が働いていたので、発振の原因は C-Amp TDA2030L 側にあることは明らかだ。 何か対策は立てられないだろうか・・・。 

to be continued…

Class AA パワーアンプは実現できるか・・・妄想編

Class AA ヘッドホンアンプClass AA ミニワッター はいずれも数ワットの出力である。 電源電圧は±13-14V であることを考えると、かなり低い出力でしかない。 これは、ホイートストンブリッジの抵抗が、3.3Ωー1Ω、330Ωー100Ωのペアとなっているため、3.3+1Ωが電流アンプの負荷となるためである。 スピーカが8Ω負荷であれば、合わせて12.3Ωが負荷となる。 電流アンプに用いている TDA2030L のデータシートによれば、±14V のときに9W 程度の出力であり、出力に有効活用できる電圧は、電源電圧から3× BE電圧(0.6V)をひいた値らしい。 このようにして求めた最大電流は、0.703A (rms) であり、8Ω負荷で 3.95W の出力となり、実測にほぼ一致する。 また、4Ω負荷では 4.34W と出力がほとんど増えないのも実測と一致している。

対策は、ホイートストンブリッジの抵抗値を下げることと電源電圧をあげることのふたつだ。 もともと、ホイートストンブリッジを3.3Ωー1Ω、330Ωー100Ω としたのは、0.33Ωー0.1Ω、33Ωー10Ω だと、発振したり、出力電圧が電源電圧にはりついてしまったりするためであった。 ウェブ上の作例と異なる結果となったわけだが、よく見直すとアンプの増幅度が異なっている。 当方のヘッドホンアンプでは、増幅度は 3dB強 であり、NFB量が圧倒的に多い。 もしかすると、NFB量を作例と同じにすればうまくいく? すなわち増幅度を、20dB とすることだ。

もうひとつは、電源電圧をあげることだ。 ±22V なら、ホイートストンブリッジを3.3Ωー1Ω、330Ωー100Ω としても、10.85W が望める。 この場合、TDA2030L ではなく LM1875 を使用する必要がある。 少しハードルが上がることになる。

妄想するに、もうひとつポイントがある。 それは、1回路用のオペアンプを V-Amp に用いることである。 2回路のオペアンプであると、片方だけを使って問題がなくても、両方を使うと問題(発振するなど)が起こった経験がある。 また、ふたつの TDA2030L とひとつのオペアンプの電源の引き回しをどうするかも、迷いの種になる。 まぁ、片方をGNDにつないで遊ばせておけばよいのではあるが。

Class AA ヘッドホンアンプ で、MUSES 05 を V-Amp として安定して使えることがわかっているので、1回路用のオペアンプとしては、MUSES 05 が最有力候補である。 これはうれしいことだ。

Class AA ヘッドホンアンプ のパワーアップを目指しているので、前作と同じく、たかじんさんの PGA2311 電子ボリュームを利用する。

電源部には、手元に Talema の 12V 6.67A x 2 (160VA) があるので、これを用い、たかじんさんの PRT-02 をスピーカー保護に用いればよいだろう。 手元には、ニチコン KW 35V 15000μF の電解コンデンサを保護してある。 もちろんながら、大好きな KZ や PILKOR をアンプ基板のローカルコンデンサとして使うつもり。 これでうまくいったらいいなぁ・・・

to be continued…