金田式もどきDCヘッドホンアンプ・リニューアル版(その4:頒布)

リチウム・イオン電池回りをリニューアルしたバージョンの頒布を致します。手待ち部品の関係で現有限定6台ですが、ご要望が多ければ追加も検討します。

【完成品外観】
HPA_kane_DC_New_Bat_23.jpg

HPA_kane_DC_New_Bat_24.jpg

前作とほぼ同じ外観です。充電用 microUSB コネクタが左面前寄りから後寄りになりました。

【内部】
HPA_kane_DC_New_Bat_25.jpg

角型で薄いリチウムイオン電池を2個重ねて使用します。これで約19時間動作します。充電時間は2~3時間程度です。

【基本回路図】
HPA_kane_DC_New_Bat_11.jpg

構成を簡単に説明します。
・J-FET2個(J1,J2)の差動増幅回路が初段です。オリジナルでは2SK246BLが使われていますが、部品ストックの都合で2SK170BLに替えています。
・J4,R17,Q8,Q7,R18,R1 で構成されるのがこの差動増幅回路に電流を供給する定電流回路です。金田式オリジナルでは、ここにJ-FETと抵抗1個だけで構成されていますが、熱安定度等の観点でカレントミラー方式に変えています。
・Q1,Q2,R19,R20が2段目増幅回路です。
・Q3,R10,Q4,R11がドライバー段です。
・Q5,R12,Q6,R13が終段増幅回路です。

この金田式の回路は対称型と言われ、ドライバー段、終段が上下に同じNPNトランジスタを組み合わせた回路構成をしており、即ち特性の揃った同じトランジスタが使えるので、汎用トランジスタの入手が難しく、NPN,PNPの組み合わせが難しい昨今、私が好んで使っている回路構成です。
「金田式」と言うと、金田さんオリジナル部品を組み合わせるのが正道らしく、回路だけが似ているので「金田式もどき」と称しています。

【放電試験データ】
HPA_kane_DC_New_Bat_3.jpg

これは実機と同じ程度の50mAを放電させて試験した結果です。約20時間、900mAhの実容量を持っています。

【充電試験データ】
HPA_kane_DC_New_Bat_12.jpg

充電電流800mAとなっていますが、実際は500mA程度のはずです。1.8時間程度で充電が終わりました。実機では2個のリチウムイオン電池を同時に充電しますので、供給側の電流制限なども加味すれば、2~3時間程度の充電時間になるものと推測します。

【歪率と周波数特性実測値】
HPA_kane_DC_New_Bat_15.jpg

最低歪率は0.029% THD+N at 0.28Vrms(0.4Vp-p)、最大出力 1.6Vrms(2.2Vp-p、71mW at 36Ω)です。

HPA_kane_DC_New_Bat_16.jpg

低域は5Hzで2.5dB程度下がる傾向にあります。高域は問題ありません。100KHzまでフラットです。

【基板】
HPA_kane_DC_New_Bat_17.jpg

この基板には数多くの表面実装部品が使われておりますが、これらは全て当方で実装します。手ハンダで付けられる範囲の部品だけをキットで提供します。

【基板:部品番号】
HPA_kane_DC_New_Bat_27.jpg

【基板:部品定数】
HPA_kane_DC_New_Bat_26.jpg

【出音】
金田式もどきDCヘッドホンアンプをあんなに沢山作って頒布したのに手元に一台も残ってなく、久しぶりに音を聴きました。
なるほど、なるほど、この音色です。バランス型ヘッドホンアンプに迫るものがあります。そして、「妖艶」なのです。

低域の膨らみのある響き、高域の澄んだ中にもふくよかさが残っているような、そんな感じがする音です。

【部品リスト】
部品番号 部品名 型番、値 個数 備考
・表面実装部品付き基板 
  専用基板   1  
・トランジスタ 
Q102,103 中段、終段増幅
NPNデュアルTr
BC846DS 4 基板実装
Q202,203
Q101 2段目差動
PNPデュアルTr
BCM856DS 2
Q201
FET101,102
FET201,202
初段差動FET 2SK170BL(246代替) 4  
FET103,203 定電流FET 2SK208-O(117代替) 2  基板実装
・初段、中段チップ部品    
R103,R104
R203,R204
チップ抵抗 2012 差動負荷 1.5K 4 基板実装
R105,R205 チップ抵抗 2012 300Ω 2
C101,C201 チップコン 2012 1000P 2
R106,R206 チップ抵抗 2012 120Ω 2
R107,R108
R207,R208
チップ抵抗 2012 2段目負荷 1.5K 4
R109,R110
R209,R210
チップ抵抗 2012 中段増幅負荷 150 4
C102,C203 チップコン 2012 位相補償100P 2
・電源コンデンサ 
C1,C2 表面実装コンデンサ 1000u 2  
C4,C5 チップコン 2012 0.1u 2 基板実装
・LEDチップ抵抗    
R001 チップ抵抗 2012 27k 1 基板実装
・充電用パーツ   
IC1,IC2 Li-ion電池過放電防止IC   2 基板実装
IC3,IC4 充電用IC XC6802 2
C6,C10 チップコン 1u 2
R003,R005 チップ抵抗 2012 2k (充電電流500mAセット) 2
LED2,LED3 チップLED 赤、1608 2
・入出力、負帰還 金属皮膜抵抗  
R111,R112
R211,R212
金属皮膜抵抗1/4W 10 4  
R101
R201
金属皮膜抵抗1/4W 22k(利久RO抵抗) 2  
R102
R202
金属皮膜抵抗1/4W 33k(利久RO抵抗) 2  
・機構部品    
ST_JACK1 φ3.5ステレオジャック AJ-1780 2  
ST_JACK2
SW 2系統スイッチ  (ON-OFF-ON) 1  
VOL 2連ボリューム A50k(またはA20k),LINKMAN、RD925G 1  
R102,R202 定電流半固定VOL 500Ω 2  
R101,R201 バランス半固定VOL 100Ω 2  
  ボリュームノブ黒 φ6 1  
LED1 LED 高輝度青色φ3 1  
  収納ケース タカチ,GHA7-2-9DB(黒) 1  
U_USB microUSBジャック ZX62R 1 基板実装

【頒布について】
今のところ、限定6セットで頒布します。

・キット合計:7,850円
・角型リチウムイオン電池2個:2,400円
・オプション電源コンデンサ1500uF,2個:差額400円

※リチウムイオン電池はこちらから購入していますので、皆さんでも好きなサイズ(コスト)が選択できます。
 私が使っているサイズは、51x34x4mmですが、これ以下の寸法ならば使えます。

・自作が不得手だが聴いてみたいという方には完成品を頒布します。
 頒布費用は、本体15,000円+リチウムイオン電池2,400円=17,400円(送料込み)です。

・ご希望の方は、このブログのコメント欄に匿名で記載願います(匿名でなくともOKですが)
 メルアドの記載漏れ、ミスコピーにお気をつけください。
 当方からメールで連絡いたします。

・送付は私の都合で、ヤマト宅配便コンパクトになります。
 セットでの送料は下記URLの金額-35円(持ち込み-100円、箱+65円)になります。
 http://www.kuronekoyamato.co.jp/compact/

・製作マニュアルは本品に対してまだ作っておりません
 オリジナルのこちらと、半田付けが参考になるこちらを参照ください。
・今更ですが、簡単なマニュアルを作成しました。
 http://higa284.cyokopa.com/HPA_kane_DC_NewLiion_MAN.pdf


*ご注意:頒布部品が欠品する場合もあります。既にオーダー頂いている方はお待ちいただくことになります。オーダー前の方は頒布が中止になる場合もあります。よろしくお願いいたします。



金田式もどきDCヘッドホンアンプ・リニューアル(その3:製作)

角型のリチウム・イオン電池に換装する、金田式もどきDCヘッドホンアンプ基板ができてきました。
今回もseeedで作り、Fedexで送ってもらったので、8月1週には到着していたのですが、トラ技HPAで遊んでいたので製作するのが遅れておりました。

【基板表】
HPA_kane_DC_New_Bat_17.jpg

基板上部を延長させ、そこに角型Li-ion電池2個を貼り付けるエリアを設けています。
その左側にバッテリ端子接合穴と充電用microUSB端子が付きます。

【基板裏】
HPA_kane_DC_New_Bat_18.jpg

Li-ion電池の裏側に、その過放電保護ICと充電IC回路が付きます。高さが1.5mm程度なので裏でもOKです。

【完成して充電中です】
HPA_kane_DC_New_Bat_21.jpg

今回最も確認したかったのが、充電LEDを高輝度品から通常品に替えたことによって、充電ON-OFFの点灯状態が明瞭に変わるかどうかです。上の写真が充電中です。電池電圧3.8Vの50%程度放電した状態から充電しています。赤いチップLEDが明るく点灯しています。

【片方の充電が終わりました】
HPA_kane_DC_New_Bat_22.jpg

1時間半程度経過して片側(上側)の充電が終わった状態です。うっすらと点灯していますが、明度はしっかり下がっています。高輝度LEDを使うとこれほど明度に差が付きませんでした。これでOKでしょう。

【歪率計測結果】
HPA_kane_DC_New_Bat_15.jpg

金田式はアンバランス型出力なので、WaveSpectraで計測できます。
最低歪率 0.029% THD+N at 0.25Vrms(1.7mW)、最大出力 1.6Vrms(=2.2Vp-p、71mW at 36Ω) です。

私の歪率計測機器の限界は0.03% THD のようなので、上のグラフの0.04% 以下に下がらないのは、この金田式もどきアンプの特徴のような気がします。0.3Vrms 近辺からじわじわと上がって行く傾向は、この金田式もどきだけではなく、本家の金田式でも同じような特性だったのを思い出しました。

【周波数特性】
HPA_kane_DC_New_Bat_16.jpg

低域は5Hzで2.5dB程度下がる傾向にあります。高域は問題ありません。100KHzまでフラットです。

【出音】
金田式もどきDCヘッドホンアンプをあんなに沢山作って頒布したのに手元に一台も残ってなく、久しぶりに音を聴きました。Li-ion電池の充電試験をしたかったので、昨夜10時間程度放電動作させておきました。よって、初期エージングは終了しています。

なるほど、なるほど、この音色です。バランス型ヘッドホンアンプに迫るものがあります。そして、「妖艶」なのです。

低域の膨らみのある響き、高域の澄んだ中にもふくよかさが残っているような、そんな感じがする音です。



【久しぶりの失敗談】

左側のアイドル電流が出ません。 ・・・いや、対称型の出力段で片方が流れると片方が流れなくなります。不安定です。加熱します。
・・・小さなDualトランジスタを全部交換しても治りません。・・・丸一日経過しました。

・・・あろうことか、パターンミスでした。

HPA_kane_DC_New_Bat_19.jpg

実体顕微鏡で覗いたパターンです。黒丸印点で 横に走る太い出力ラインに、上から来たGND結線がショートしてます。乗り越えなければならない部分のホール位置を間違えてショートさせてしまったようです。

HPA_kane_DC_New_Bat_20.jpg

パターンカットしジャンパー線を飛ばしました。0.6mmのリード線が異様に太く見えます(笑)


基板は10枚作りました。おまけが1枚付いてました。

在庫部品を当たってみたら、充電ICが6台分あります。ケースも6個あります。他は沢山あります。
リチウムイオン電池は国内通販で購入可能です。

欲しい方がおられましたらコメント欄に書込みください。こちらと同等費用で頒布を検討します。





トラ技SPECIAL掲載のHPA(その2:1.5V電池2本で超エコ&素晴らしい音)

2017/9/2 追記:小型基板を作ってみました。ページ下段をご覧ください
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前回の記事に続き、トラ技SPECIAL 2017Sumer No.139 に掲載のヘッドホンアンプの2例目を作ってみたので、LTspiceと製作したものの計測結果を載せます。

例によって回路の姿は載せますが、部品定数をブラインドしますので、作ってみようと思われる方は本を参照してください。

このHPAもフル・ディスクリートです。記事は第4章 強力ドライブ!ポータブル・ヘッドホン・アンプ(小川敦 氏) です。

私がとても興味が沸いたのは、拙作HPAシリーズが初期のころに作っていた、1.5V電池2本で動くということです。このアンプも1.5V電池2本で動き、実用的には0.9Vになっても動作するという点です。

【LTSpiceに載せた回路図】
HPA_discrete_2.jpg

この回路をマクロに見てみると、カレントミラー負荷の差動増幅の出力を上下対称のカレントミラータイプの終段増幅回路で増幅すると見て取れる。この差動増幅と終段増幅の間にレール・ツー・レール出力段を設けた構成とあります。

回路構成の機微に関しては記事本文を参照願いたいが、上下対称増幅回路+レール・ツー・レール出力段の組み合わせが1.5V電池2個の低電圧でも素晴らしい性能になっているようです。

記事にもLTSpiceシミュレーション結果がTHD 0.02% とありますが、上図で私が行ったのシミュレーションでも、THD 0.024%(入力0.4Vp-p、出力 0.93Vrms at 36Ω)となり、24mWの十分な出力があります。

HPA_discrete_1_2.jpg  

この図は0.4Vp-p入力を行って波形を表示させたものです。黄緑の波形が出力で±1.3Vp-p程度あり、赤の線が1.5V電池から流れる電流波形で、ピークは38mAありますが、平均では何と2.7mA程度しか無く、相当な省エネHPAであることが示されます。記事でも2.7mAとあったので半信半疑でシミュレーションしたものです。アイドル電流を流さない回路なので省エネなのですね。

それでは早速作ってみました。
【基板図・eagle】
HPA_discrete_3.jpg
トランジスタを32個も使うので、100x75mmの eagle std サイズ基板を使うことにしました。スペースに余裕があるので入出力ジャックや2連ボリュームも付けます。
トランジスタのペア特性選定方法について、元記事にも説明がありますが、私はhFEで選定しました。使用したトランジスタ 2SA1015GR も 2SC1815GR もhFEが260~280のロットからhFEを計測して並べます。差動増幅のペア特性が重要な部分は最大偏差5以内のものを使いました。その他は±5以内にしました。

【試作品】
HPA_discrete_6.jpg

手持ちの抵抗を使ったので、炭素、金皮、サイズがバラバラです。
入力にコンデンサが入っていますが、多分不要でしょう。

単三アルカリ電池を2個付けました。電流を計測したいので40mΩ±1%のチップ抵抗を電源線内に挿入しています(赤〇部

1kHzサイン波を入力してチップ抵抗電位差を計測しました。私のテスターでやっと計測できる 0.1mV でした。電流に換算すると 2.5mA です。シミュレーション結果を再現しています。
消費電流が2.7mAということは、市販アルカリ電池で700時間とか1000時間の電池ライフになります。これはすごいです。

参考までに出力端子のオフセット電圧は、左0.0mV、右-0.2mV でたいへん良好でした。

【歪率】
HPA_discrete_4.jpg

波形の繋がりが、ややギクシャクしてますが(これは歪率計測のWaveSpectra が示す THD の値がバラツクので、その読み取りバラツキも入っているものです)、最小歪率は 0.023% at 1Vrms です。シミュレーション結果の 0.024% at 0.93Vrms とほぼ同等の結果を示しました。これは素晴らしいことです。

【周波数特性】

HPA_discrete_5.jpg

いやいや、これも素晴らしい結果です。何と、5Hz~100kHz 間が全くのフラットです。
(500kHzが少し上がっているのは位相補償コンデンサが330pに対して部品入手の都合で390pになっているせいかもしれません)


素晴らしい結果ですが、エージングのために一晩放置しました(こんな低電流でエージングなるのかな?サイン信号入れておけば良いのかな?とりあえず無信号です)
電池電圧は、1.559V が一晩経って 1.543V でした。

【出音】

エージングが進んだのか判然としませんが、その1:スーパーエミッタ に比較して、元気で活性の高い音色というのが第一の感想です。

何か気持ちが良い音がします。
ビブラフォンとベースが混在した楽曲は、綺麗に響くビブラフォンを中心に、かなり低域まで引っ張るベースが支えるワクワク感と広がり感があります。
女性ボーカルでは、歌う姿が目の前にあるような錯覚があります。
フル・オーケストラの様々な楽器が広がって定位している感覚があります。

多分ですが、ぺるけさんのFET差動HPAの歪カーブにあるように、出力レベルが上がってくると歪レベルが下がる傾向に似ています。もしかするとこのカーブが影響しているかもです。

尚、入力カップリングコンデンサの影響を排除するため直結してみてもこの音色感は不変でした。

いや、これは久々の大ヒットHPA と言えるでしょう。
是非、作ってみることをお勧めします。

HPA_discrete_7.jpg

あまりにも素晴らしい音なので、しばらくは使ってみたい。とりあえず簡単な透明プラスチックケースに入れました。電池は残念ながらケース内には収まりません。電源スイッチやLEDも付いてませんが・・・


------------- 2017/08/13 追記 -------------------
【基板をデザインしてみました】

「是非作ってみては」とは言ったものの、32個ものトランジスタをユニバーサル基板で配線するには相当の根性が要ります。自分でもそれを思うと挫けてしまいますね。

と思って、EAGLEで基板レイアウトをしてみました。

いつも使っているプラスチックケース・タカチ GHA7-2-9では、とても無理のようです。厚みは同じで単三電池2個のスペースも同じですが、基板の奥行きが20mmも長くなるケースがあります(GHA7-2-11)。ケースサイズの奥行きが9cm から 11cm に増えますが、ポータブル可能なサイズと思います。

HPA_discrete_8.jpg

手前が入出力と電源系です。電源と言っても、電池2本の接続端子と電源コンデンサ、そしてON-OFFスイッチと電源LEDがあるだけです。Li-ion電池を使うとすると、保護や充電ICが場所を取るので、乾電池2本というのはGoodです。

参考までに、電源コンデンサを付けなくとも、電池だけでかなりの性能が出ます。このブログの試作器には付いていません。

今回の配置では、できるだけチップ抵抗を使わず、音に影響がないところは1/6W炭素抵抗、入力や負帰還抵抗、Zebelフィルタ抵抗には1/4W金属皮膜抵抗が使えるようにしました。(なけなしの利休抵抗使おうかと・・・)
これならば簡単に半田付けができるので、「自分で作った感」が出るのでは思います。

良く見ると、今までは必ずあった可変抵抗器がありません。A級動作のHPAではアイドル電流調整のため必須の部品でしたが、このHPAには必要ありません。ペアトランジスタのhFE選別をしっかりやれば、再現性の良いHPAができると思います。

意外に場所を取るのがZobelフィルターのコンデンサーです。少し幅の広いものが付けられるスペースを確保しました。

---------------------- 2017・8・19 追記 ----------------------

【従来ケース用基板サイズに押し込みました】

HPA_discrete_9.jpg

やはり縦寸法が11cmに増えるのはコンパクトが身上の私としては抵抗があるので・・・、従来のケース・タカチ・GHA7-2-9 が使える基板に押し込んでみました。

これを行うためのスペース縮小には以下の2つが必要でした。
・電源用電解コンデンサを外す。試作器にも付いてませんが電気的特性や音感に不足ありません。
・抵抗は縦置きに装着する。

かなり苦しい配置ですが、設計上は収まりました。

この図の部品番号を、トラ技SPECIAL 2017 Summer No.139 の元記事 P49 図28 の回路図に記載されている部品番号に合わせたものがこの基板図になります。

HPA_discrete_10.jpg

但し元図に於いて、抵抗の場合 「R番号」となっているものが基板図では左右chあるので、左chは 「RL番号」、右chは「RR番号」としてます。
トランジスタも同様に「Tr番号」を、「TL番号」「TR番号」としています。
コンデンサは「C番号」が「CL番号」「CR番号」です。

トランジスタのTr1とTr2 (上図では、TL1とTL2、TR1とTR2) は熱接合ですのでぴったり合わせていますが、他はケース装着の大きなホールを避けるので、左右chの配置がかなり違っています。

こんな基板があれば、元記事を参照しながら作ってみることが楽になるのではないでしょうか?

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【小型基板を製作】
小型基板が出来上がってきました。
HPA_discrete_13.jpg

seeed fusion ではレジスト色を変えても基本料金の$4.9/10枚(日本語ページ設置キャンペーン価格)でOKなので白くしてみました。部品番号が見やすいです。(でも、送料が3倍かかります)

HPA_discrete_12.jpg

部品を取り付けてみると、さすがに超密集状態ですね。あまり美しくないかな・・・ しょうがないか。

このアンプの良いところ一つに調整するところが全く無い、だれが作っても同じものが作れる再現性の良さがあります。
DCバランスも20mV程度ありますが無調整でこれだけならば問題無しでしょう。

特に今回使った2SC1815 と 2SA1015トランジスタですが、同じロットの物を使えばそれぞれのhFEはかなり良く合ってます。しかし、1815と1015間のhFEを合わせることが難しい場合が多いので、今回はそれを意識して、1815のhFE は300程度、1015の hFE は240程度の物を使ってみました。顕在化した問題は起こらないようです。

音に直接係らない抵抗は、1本1円の秋月カーボン抵抗です(茶色)
入力と負帰還抵抗は、今は生産停止した利休RO金属皮膜抵抗です(青)。秋月の残り在庫も種類が無くなりましたね。

zobelフィルタに使っているフィルム・コンデンサは、元回路では0.047uFですが、手持ちの関係で0.1uFです。
原設計カットオフ周波数は100kHz程度ですが、0.1uFに替えると480kHz程度になりますが、まあOKとしましょう。

HPA_discrete_11.jpg

試作器から単三アルカリ電池2本の電源を回して早速の試聴です。

・・・あれっ? 全く音が出ないよ。 ・・・何と信号線が繋がっていないとこがありました。またまたミスでした。
細いジャンパーを繋げて修正です。

HPA_discrete_14.jpg

白い基板の悪いところは、フラックスの黄色い汚れが目立ちますね。

音は試作器と同じ元気で活性の高い音ながらも、細やかな部分の音も再生してくれます。
更に特徴的なのは素直に伸びながらも締まった低域です。ベースの音色が素晴らしいです。

増幅率は約3倍なのですが、私のPC楽曲再生器からの入力ではボリュームが9時方向でもかなり大きな音になります。もう少し(1.5倍程度)に増幅度を下げてみました。幸い入力抵抗も2倍の値の利休RO抵抗がありました。この増幅度は金田式もどきHPAと同じになります。

まだ少し増幅度が高いように感じますが、私のヘッドフォンは能率が良いのでこれくらいの増幅度にしておいた方が良いと考えます。9時方向で音楽を楽しむ音量Max位です。

それにしても良い音です。
ケースに入れてあげたほうがよいですね。

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2017/9/6 本器の音を再評価

この数日、今までに沢山作って来たHPAで、「音の良さ」で残している5機種の音を比べました。
この結果の詳細は別のブログで紹介したいと思いますが、特筆すべきは本器の音でした。

高域の音色に特徴があると思っていたのですが、こうして聴き比べをするとその特徴が明確になります。

シンバルが鳴って、その響きがキーンと鳴って終わるくらいまでの高域再生が、他のアンプよりも秀でています。
この特性からでしょうか、音楽の「襞(ひだ)」のような、繊細さと言う表現を超える、「何か」を感じます

このアンプ、魔性かもしれません。




トラ技SPECIAL掲載のHPA(その1)

トランジスタ技術SPECIAL誌 2017 Summer(No.139) 版に、面白そうなヘッドホンアンプの記事が掲載されています。

いずれもディスクリート構成なので、本誌のメインテーマ 「トランジスタ回路の読み解き方&組合せ方入門」の勉強には最適の例題になっています。CQ出版社で販売していますので是非お読みになってください。

私なりに遊んでみた結果を中心に記載します。回路も掲載しますがその定数はブラインドします。

その1は、「無帰還でひずみ0.003%以下!フルディスクリート・ヘッドホン・アンプ」(加藤大 氏)です。無帰還、0.003%に惹かれ、シミュレーション、ユニバーサル基板で製作、歪率の計測、基板設計までやってしまいました。

【回路】
記事を書くのに回路図が無くては説明ができないので、本誌掲載の回路でLTSpiceの検証を行った回路図を掲載します。但し、抵抗定数はブラインドしています。元記事を参照願います。

HPA_mukikan_1.jpg

この回路の最大の特徴は、Q5、Q12のトランジスタとQ4の定電流を組み合わせた「スーパー・エミッタ・フォロア」という回路の部分です。記事によればこの回路の素は、MOSトランジスタの回路技術にあるスーパー・ソース・フォロアをMOSをバイポーラ・トランジスタに置き換えたものと言うことです。詳細(その仕組みと性能)は元記事を参照ください。

その基本回路に対し、定電流回路の追加、インバーテッド・ダーリントンTrの追加、更にこれらを上下に完全対称とした回路が上図となる との説明です。

これらの回路を構成するトランジスタの総数は、左右チャンネル合計で 何と!26個にもなります(12+12+定電流2)

LTSpiceでのシミュレーション、試作を行うに当たり、記事掲載の回路を一部変更しています。回路左は定電流回路ですが、元記事ではここに300μAのCRDを入れていますが、CRDは過去にノイズがあった記憶があり、今回はJFET(Idss0.95mA)と抵抗の組み合わせで300μA流れるようにしています。尚、この定電流回路は左ch、右chに共用できます。

Q12,Q13 及び Q2,Q7 は安定した定電流特性を得るため熱接合させる必要があります。

【シミュレーションの歪率計算結果】
LTSPiceの計算結果は素晴らしいものです。最大入力1Vp-pで出力1Vp-pです(バッファアンプです)。最大歪量は入力レベルで大きく変動しません。入力1Vp-pで歪率は何と! 0.00048%でした


備忘録2件:

1.
使用しているトランジスタは、一般的で私も多数所有している 2SC1815、2SA1015 にしましたが、元記事では 2N3904、2N3906 が使用されています。前者は東芝オリジナルですが、最近は東芝製は入手が難しくなって来たようで、セカンドソース品が売られています。但し、留意すべき点は2SC1815 と、2N3904 ではピン・アサインが異なります

2.
私は 2SC1815、2SA1015 でシミュレーションしましたが、当初使っていたモデルでは猛烈な発振が起こりました。成すべきなく、トラ技のモデルを使ったところピタリと発振が止まりました。

(発振あり)
.model Q2SC1815 NPN(Is=2.04f Bf=160 Br=3.377 Xti=3 Eg=1.11 Vaf=6 Ne=1.5 Ise=0 Ikf=20m Xtb=1.5 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=1p Mjc=.3333 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=25p Mje=.
(発振無し)
.MODEL QC1815 NPN  (IS=4E-14 BF=170 BR=3.6   VA=100 IK=0.25 RB=50 RC=0.76 CJC=4.8p CJE=12p TF=0.63n TR=25n)

私のスキルではどこが問題なのか判りません。実際に試作してみると、(発振無し)を使っても良いようです。

【試作】
トラ技の記事にもユニバーサル基板で組んだ写真が掲載されていますが、ここでは配置と配線図を記載します。
PasS というツールで構成した基板図の画像です。

HPA_mukikan_9.jpg
赤い線は部品面の配線、青い線はハンダ面の配線です。
注意:これはトランジスタに2SC1815、2SA1015 を使った場合の配線図です。2N3904、2N3906 ではベースとコレクタ位置が入れ替わっています。

HPA_mukikan_4.jpg

ユニバーサル基板に設置した回路です。

【音出し1】
やはり、何といっても一番先にやってみたいのは、その音出しです。
リチウムイオン電池2個を使って音出ししました。

HPA_mukikan_3.jpg

エージングもしてない初期の音ですが、何かとても素直な音感です。素直と言うと低音も高音も出ないような響きですが、そうではありません。低音、高音をチェックすべき楽曲でテストしてみましたが、いずれもパフォーマンス豊かで綺麗な発音です。

この音に惚れました。早速ケースに実装してみます。

HPA_mukikan_5.jpg

いつも使っているケースに実装してみました。この薄さですのでリチウムイオン電池は内部に入れられません。
入出力端子やボリューム、そして充電回路やリチウム電池保護回路はV6-2の基板を切り出して流用しました(実はこの改造が大変でした)

HPA_mukikan_6.jpg

充電LEDの点灯もOKです。充電中は高輝度に点灯します。

HPA_mukikan_7.jpg

充電が終了すると減灯します。問題の改善ができました。
標準電圧LED(1.8-2.0V)が適切で、高輝度LEDは充電ICと特性が合いません。

【音出し2】
充放電テストを兼ねて1昼夜近くエージングした音出しテストをしました。

HPA_mukikan_10.jpg

エージングと共に明瞭度が増しました。これはエージングで経験する最大の変化です。
全体的な音の感じは落ち着きがあります。長時間聴いていても疲れない感じです。
しかしながら、低音や高音の伸びにも不足感は全くありません。

【実測歪率】
アンバランス出力ならば WaveSpectra を用いて歪率の計測ができます。

HPA_mukikan_11.jpg

シミュレーションしたのは1Vp-p入力まででした。
ここでは1.1Vp-pまでテストしました。最大出力は0.8Vrms(18mW at 36Ω)です。
最低歪率は 0.04% 程度を示していますが、私の歪率計測システムのノイズ系が0.03%程度あるのでかなりの低歪であるのは納得できます。

【周波数特性】
HPA_mukikan_12.jpg

0dB領域が、20Hz~40KHzです。-3dB範囲ならば、5Hz~108kHz範囲と良好な特性を示します。


【基板の検討】
出音の素晴らしさに感動して、いつものケースに実装できるか、基板の成立性を検討してみました。

HPA_mukikan_8.jpg

先に採用を考えている角型Li-ion電池 850mAh (50x34x5t)では部品エリアが狭く、少しサイズの小さい 650mAh (40x30x5t) にすれば基板上下で4mmのエリアが増えるので、それで設計が成立しました。
Li-ion電池使用を前提にしているので、供給電圧は±4Vです。 Li-ion電池は内部抵抗が低いので瞬発的な電力供給ができます。よって作例と同じように電源コンデンサを排除しています。



金田式もどきDCヘッドホンアンプ・リニューアル(その2:基板デザイン)

どのケースに入れようかと様々に悩みましたが、それらにはそれぞれ一長一短があり、結局のところ今までと同じタカチ・GHA7-2-9Dシリーズを使うことにしました。

【回路図・一部分】
先のブログで述べた、初段定電流回路をカレントミラーにする回路は、このアルミケース・バージョンで既に採用しているので実績があります。
このアルミケース・バージョンでは、「金田式回路に」対して
・2段目差動出力の負荷抵抗を削除して、「インバーテッド・ダーリン接続の変形」回路にしていた
(言い訳になりますが、インバーテッド・ダーリントン変形回路の方が、14%ほど高出力)
・終段増幅前のドライバー段を割愛していた。

即ち、金田式もどき回路から遠く離れてしまっていました。歪率のLTSpiceシミュレーションや実測特性では良好だったのですが、「音色」となると変わっていた可能性があります

そこで、「オリジナルの金田式DCヘッドホンアンプ回路に近づける」 (定電流はカレントミラーに変更する)
となると、こちらで大ヒットした回路カレントミラー定電流ロングライフLi-ion電池となります。

HPA_kane_DC_New_Bat_10.jpg

【基板図1】
今回も赤い基板で作ってみようと思います。

HPA_kane_DC_New_Bat_8.jpg

これまで電池ケースにLi-ion電池を収納していた部分へ基板を延長し、この部分に下側にLi-ion電池保護ICと充電IC回路を付けます。上側のフラットスペースに5mm厚さの角型Li-ion電池を重ねて2個貼り付けます。
左側に8mm程のスペースがあるので、そこに microUSB 充電端子、充電LED、Li-ion電池接続端子を設けました。

HPA_kane_DC_New_Bat_9.jpg

基板のパターン図です。かなり複雑です。

GNDラインを真ん中に通せばすっきりするのですが、動作時と充電時に左下スイッチがGNDラインとの切り替えを介するのと、中央を通すための障害物が多いので、左側を通して電池端子とスイッチを接続しています。

電源ラインや音響出力パワーラインは0.8mm若しくは1.0mm幅にして十分な瞬時電流に耐えるようにしています。

【回路定数の検討】
2段目差動増幅からドライバー段への接続を、インバーテッド・ダーリントンの変形回路を止めて、負荷抵抗方式にしたので、差動増幅へ流れる定電流値の見直しが必要になる。
カレントミラー定電流回路の良いところは、定電流に使うFETのIdssに制約があっても、カレントミラーの抵抗値比を変えることで定電流値の大きな調整ができることにあります。 (最も良いところは0.7V程度の低い電圧で動作することにありますが)

今回使用する定電流用FETは2SK208-Oで、そのIdssは約0.95mA程度です。これは最大流せる電流なので、調整余裕度を割引き、その8割程度の0.78mAが定電流値になります。この電流値で初段差動増幅回路の定電流値0.59mAx2倍=1.18mAを流すために、カレントミラーの抵抗比 150Ω/90Ωで増幅します。

LTSpiceでシミュレーション
HPA_kane_DC_New_Bat_11.jpg

J4 J2SK30_095とあるのが 2SK208-O の 0.95mA Idss 相当品です。カレントミラー Q8 Q7 R18 R1 の組み合わせで構成し、R17(実際は半固定抵抗)で定電流レベルを調整します。この回路ではR17を140Ωにすると終段増幅回路のアイドル電流が約11mAになります。
(注:最初に掲載した回路図はシミュレーション前のものです)

この回路定数で歪率計算すると、通常使用されると思える 10mW出力での歪率は 0.006144%、最大出力は 59mW (1%歪率、36Ωインピーダンス)になります。

今回も seeed.comのFusin に発注しました。今もディスカウントの4.9$(通常9.9$、100x100mm、10枚)ですので、送料を+500円奮発し、EMSからFedex 便にしました。


次の課題は最も苦手な、「ケースをデザイン・シールで飾る」ことです・・・
具体的な内容は
1.どんなデザインにするか、これが最も大変
2.黒いケースに透明シールで鮮やかな発色を得るためには、塗色部ベースに白塗りをする技法修得
3.複数レイヤーで描いた画像を、複数個所に位置合わせしたコピーをすること

これらは Photoshop 6.0 を使って描くのですが、何せ古いソフト故に全く同じ操作例がWEBに載ってません。
こちらのHPAでシールを作ったのですが、あれから2年ぶりで行うことなのですっかり忘れてます・・・

シールの例
HPA_opamp_11.jpg

ヘッドホンの小さな絵を描いているのですが、黒バックに青色画像だったのでかすかにしか見えない失敗作でした。
文字も、もっとデザイン調でカラフルなものが良いですよね。




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2010/3/17 電子工作をプラスしました。

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