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金田式もどき(改)バランス型ヘッドホンアンプ

・・・久々の記事です。

バランス型Lineアンプに使いたいということで、ヘッドホンアンプを昨年末に作りました。

金田式のヘッドホンアンプやパワーアンプの回路構成は、「対称型」と言うらしいが、この【対称】であるかどうかという諸説が色々あって私には良く判りません。
この回路はNPN-PNP素子組み合わせではなく、NPN-NPNやPNP-PNPの同じトランジスタを組み合わせることができるので、増幅度hFEの選別合わせが容易なので愛用しています。

この金田式の2番目以降の増幅回路をパラに組み合わせて、バランス型アンプを多々作っていますが、一番の難点は私の歪率計測器ではバランス型アンプの計測ができません。よって歪率を計測するのに、オペアンプで組んだバランスtoアンバランス変換回路を使っていたのですが、計測するアンプの出力電圧が上がってくると、この回路も使えない状況です。

バランス型のアンプは私の歪率計測道具では計測ができないという結論になったので、回路シミュレーションが頼りです。

今回のヘッドホンアンプも15VDC電圧(5Vのモバイルバッテリーを3個使う)をレールスプリッタ分圧で±7.5Vで使っているが、低出力域では何とか計測できるが、パワーを上げると計測アンプの波形が変形し歪率が急増してしまいます。バランス型アンプの出力は電圧が2倍出るのでそれがネックです。

【LTSpiceでシミュレーション】
HPA_kane_DC_BAL_4_7_2.jpg

この図では小さくて識別できませんが(拡大して見てください)、電圧や電流を確認するときに使う SPICE directive が左下で、中央下が歪率とパワーを計算するものです。

この回路ではオリジナルの金田式に比較して大きく変更したところが、バランス型改造以外に2か所あります。

1.初段J-FETの差動増幅の定電流が、FET+抵抗1本から、カレントミラーと半固定抵抗になり安定した調整と温度特性になりました。
2.上図の赤楕円部分にあった負荷抵抗1.2kを外し、2段目差動増幅からドライバー段増幅への接続が、「インバーテッド・ダーリントン接続の変形」になってます。これに変更することで大幅な歪率低下と安定した動作になりました。

金田式ヘッドフォン回路では以前から歪率が安定しないケースが散発していました。こちらの記事です。
http://higa284.blog20.fc2.com/blog-entry-272.html
その歪率グラフはこちらです。
金田式オリジナルのTrである、2SC959を使った時に、途中から歪率が持ち上がる現象が出ました。
今また、金田さんのヘッドホンアンプ製作記事を見直してみると、歪率が0.3%程度もあります。この負荷抵抗が問題だったように思われます。

このことは、同じ回路構成をしているパワーアンプでも同様のようです。

【計算結果】

HPA_kane_DC_BAL_4_8.jpg

1V入力の時、2.74Vrms=208mW(日本製ヘッドフォンの代表的インピーダンス36Ωで)出力、0.0146%の歪率です。

【基板】
HPA_kane_DC_BAL_4.jpg

両側に左右2chが並んでいます。中央はオペアンプで電圧中点をしっかり合わせる機能を有するレールスプリッタ電源です。動作テストに使った負荷抵抗が向こう側に見えています。この抵抗値をわざとアンバランスにして電圧中点がずれないかをチェックします。

【アンプケースに配置】
HPA_kane_DC_BAL_4_4.jpg

今回使ったケースはタカチ・HIT23518SS、両側に放熱フィンが付いています(今回は使いません)。パワーアンプの終段トランジスタを付けるにはGoodです。
バランス入力型なので4連ボリュームです。ぺるけさんから頒布いただきました。いつもありがとうございます。
入力はXLR3P端子2個から左右別々です。出力端子はXLR5Pが2個並列についていますので、2台のヘッドフォンが付けられます。
白くやや太めの配線は、立井マイクケーブルの芯線です。オーディオ信号ケーブルとして特性が良いと言われています。


【外観】
HPA_kane_DC_BAL_4_5.jpg  

アンプ上面に文字シールを作って印刷する前のサンプル紙が載っています。本番は透明シールになります。
左に見える箱は、5Vモバイルバッテリー3個を接続し、15VDCにするためのものです。

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金田式もどきDCヘッドホンアンプ・アルミケースバージョンの頒布

金田式もどきDCヘッドホンアンプ・アルミケース バージョンを頒布します。

----- 8月6日 午後追記 -----
・製作マニュアルをアップしました。
・歪率と出力グラフと周波数特性グラフを追記しました。

---- 2016/ 8/23 ----
第2次 10台追加を30日から再開します。ご要望あればコメントに記載ください。

---- 2016/ 9/ 5 ----
基板を20枚追加しました。


製作記事は、
http://higa284.blog20.fc2.com/blog-entry-311.html と、
http://higa284.blog20.fc2.com/blog-entry-298.html です。


音が好評で数十台の頒布となりました前作プラスチックバージョン(こちら)に対し、変更点は以下の通りです。

・外部からの飛翔ノイズ対策でアルミケース化しました。

・定電流(アイドル電流)調整のピーキー特性と温度による不安定を改良するため、
 定電流回路にDualトランジスタによるカレントミラー回路を追加しました。

・内部スペースが拡大したので、電源コンデンサを2個から4個に増やし、高さ15mmまでのサイズまで装着できます。

【内部及び外観】
HPA_kane_DC_LCase_9.jpg

【回路図】
HPA_kane_DC_LCase_12.jpg

【金田式「もどき」としている本器の説明・特徴】

・金田式ヘッドホンアンプの特徴は
2段目にも差動回路を有し、この各々の出力をNPN-NPN構成の終段増幅に接続する、「対称型」と言われる回路です。即ち初段差動増幅から終段増幅まで、±である音楽信号に対し対称になるような回路構成です。

・本器の特徴は
ここでは細かな説明は省きますが、オリジナル回路の2段目差動回路には負荷抵抗があり電圧ロスがありました。本アンプではこの抵抗を取り去り、インバーテッド・ダーリントン接続の変形とも言える回路構成になり、シンプルながらも高性能になってます。
この回路の説明はこちらのブログに掲載してあります。

本来、金田式という呼称を付けるためには、回路構成は元より使う素子も金田さんと同じでなければならないということらしいのですが、殆どのトランジスタ素子類はとっくの昔にディスコンで、初段差動の2SK246BLだけは私の倉庫から出して使ってます。
なので「もどき」です(もう既に「もどき」とも言えないかもしれませんね)

金田式ヘッドホンアンプの電源はネネループ電池を4個+4個使い、公称±4.8V(実質±5.6V)ですが、本アンプでは単三型リチウムイオン電池を使って、同±3.7V(±4.0V)です。よって電圧が低い分だけ、先のインバーテッド・ダーリントン変形回路によって性能が同等になっています。

リチウムイオン電池を使うことで、充電回路を内蔵しスマホ充電器を利用した自己充電ができるようになってます。

【歪率と出力】
HPA_kane_DC_LCase_20.jpg

【周波数特性】
HPA_kane_DC_LCase_21.jpg

【パーツリスト】
部品番号部品名型番、値個数費用(円)
・表面実装部品付き基板 
 専用基板 1 5,000  
・トランジスタ 
Q101,103定電流、終段増幅
NPNデュアルTr
BC846DS4基板実装
Q201,203
Q1022段目差動
PNPデュアルTr
BCM856DS2
Q202
FET101,102
FET201,202
初段差動FET2SK246BL(金田式指定品)
Idss 0.1mA差選別品
4400 
FET103,203定電流 J-FET2SK208-O2基板実装
・初段、中段チップ部品  
R108,R109
R208,R209
チップ抵抗 2012差動負荷 1.5K4基板実装
R110,R210チップ抵抗 2012300Ω2
C113,C213チップコン 20121000P2
R111,R211チップ抵抗 2012120Ω2
R106,R107
R206,R207
チップ抵抗 2012定電流 110Ω4
C109,C110
C209,C210
チップコン 2012位相補償100P4
・電源コンデンサ 
C001,C002
C003,C004
表面実装コンデンサ1000uF4 520  
C004,C005チップコン 20120.1u2基板実装
・LEDチップ抵抗    
R001チップ抵抗 201227k1基板実装
・充電用パーツ   
IC1,IC2Li-ion電池Protecter 2基板実装
IC3,IC4充電用ICXC68022
C007,C008チップコン1uF or 10uF2
R002,R004チップ抵抗 201215k2
R003,R005チップ抵抗 20122k2
LED2,LED3チップLED青、16082
・入出力、負帰還 金属皮膜抵抗  
R112,R113
R212,R213
終段負荷
金属皮膜抵抗1/4W
10Ω
利久RO抵抗は終了
4 
400 
 
R102
R202
負帰還
金属皮膜抵抗1/4W
22k(利久RO抵抗)2
R103
R203
負帰還
金属皮膜抵抗1/4W
33k(利久RO抵抗)2
・機構部品    
ST_JACK1入出力
φ3.5ステレオジャック
AJ-17802180  
ST_JACK2
SW2系統スイッチ ON-OFF-ON 動作
 フジソク、CFT2-2PC4-AW
1 350  
VOL2連ボリュームA50k(またはA20k),LINKMAN、RD925G1 300  
R102,R202定電流半固定VOL500Ω2 100  
R101,R201バランス半固定VOL100Ω2 100  
 ボリュームノブ銀φ61 380  
LED1LED青色φ31 20  
 収納ケース
(デザイン・ロゴシール付き)
タカチ,MXA2-8-9SS1 1,500  
 電池端子タカチ,IT-3SP,-3SM各2 100  
U_USBmicroUSBジャックZX62R1基板実装
・キット合計(オプション含まず)9,350  

【オプション部品 及び 作業】
内容パーツ数量費用(円)
電源コンデンサ差額導電性個体コンデンサ(OSコン)6.3V/1500uF4800  
リチウムイオン電池14500 (900mAh) 保護回路無し (保護回路は基板に実装)21,500  
ケース蓋加工アルミ蓋(表・裏)の加工1式1,000  

【完成後外観】
HPA_kane_DC_LCase_14.jpg
(初めてのアルミ加工でout端子回りに加工ミスがあります)

【頒布手順】

・とりあえず10セット限定で頒布します(第1次 10台が完了し、第2次を準備中です)


・頒布は上記の部品表に準じます。

 費用でくくっている単位で頒布いたしますが、
 この部品は手持ちがあるので不用、というご要望も可能です。

・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。
 オプションコンデンサ付きですが、リチウムイオン電池がオプションです。
 頒布費用は、17,000円です(送料含む)。

・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/


*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。

【その他】

・製作マニュアルはこちらです。



金田式もどきDCヘッドホンアンプ・アルミケースバージョンの製作

---- 2016/ 8/ 10 初段2SK246BL の選別問題を追記 -----

この3月から準備してきた、金田式もどきDCヘッドホンアンプのアルミケースバージョンを製作しました。

【基板に表面実装部品を装着します】
HPA_kane_DC_LCase_8.jpg

これまでのプラスチックケースに代わり、アルミケースに収納するため基板サイズがかなり大きくなりました。部品配置もかなり楽々で、電源コンデンサも±に2個ずつ置きました。
リチウムイオン電池も基板上に設けた電池端子に取り付けます。

【完成状態の全容です】
HPA_kane_DC_LCase_9.jpg

HPA_kane_DC_LCase_14.jpg

ケース色はアルミ地のシルバーです。
全面と背面プレートもアルミタイプのケースを用いたので、透明のレタリング・シートで装飾できました。
(初めての加工だったのでout端子穴に加工ミスがあります)

全面の端子類配列はプラスチック・バージョンと同じで、左から3方向電源スイッチで、charge-OFF-ON になります。隣が青色LED、入力ジャック、ボリューム、出力ジャックとなります。

HPA_kane_DC_LCase_11.jpg

microUSB端子を使った充電端子は後面です。チャージの際は両側のLEDが明るく点灯します(但し、チャージが終わっても照度が落ちるだけで消灯しません。LEDの感度が上がったので充電終了時の微量な電流μAでも点灯してしまいます  -_-;)

【回路図】
HPA_kane_DC_LCase_12.jpg

前作のプラスチック・バージョンに対して大きく変わったのは初段差動増幅の定電流回路です。金田式のオリジナル回路ではFETと可変抵抗によるものでしたが、その調整のピーキーさと温度変化、特に温度上昇時に異常な発熱に至る問題がありました。
本作ではFETと調整用可変抵抗回路にDualトランジスタを使ったカレントミラー回路を組み合わせ、調整の容易化と温度安定度を考慮しました。

【基板図】
HPA_kane_DC_LCase_13.jpg

リチウムイオン電池の充電回路や保護ICは電池を置く上方にまとめました。保護ICは裏面に付けています。
電源コンデンサはSTDには表面実装の物を使いますが、通常の差し込み足タイプの物も使えます。取り付けの高さがぎりぎり15mmありますので、お好きなコンデンサの取り付けを可能にしています。

【アルミケースの加工について】

今回使ったアルミケースMXA2-8-9SSですが、タカチには前後パネルがプラスチックのMXシリーズもあるのですが、今回選定した80mmx90mmというちょうど良いサイズがMXシリーズにはありませんでした。よって加工をアルミ材に行うことになります。しかも3mmの板厚なので、手動ツールや手持ちドリルではしっかりとした加工ができない恐れがありました。

そこで新たにドリルスタンドを購入しました。

HPA_kane_DC_LCase_16.jpg

REXSON 小型ボール盤 200W の DP2250R というものです。超お買い得の12,900円です。
写真のようにバイス台までセットされており、速度調整も電気的な調整で可能なものですが、3,200rpmが最小回転なので高すぎでした。
そこで速度調整用に電圧調整ができる可変トランスを入れました。

HPA_kane_DC_LCase_18.jpg

機器の速度調整をするために昔使われていた、スライド式の電圧調整器です。今では周波数変換のインバーターに切り替わり、捨てられる直前の物をストックしていました。300VA容量なので200Wのボール盤にはちょうど良いサイズです。

バイス台回り
HPA_kane_DC_LCase_19.jpg

傷つきやすいアルミ板をバイスで固定するため、ラバーを介して挟み込み、下側に木を入れます。

寸法出し
HPA_kane_DC_LCase_17.jpg
CADを使ってアルミケース蓋の裏面側に加工位置を記した等倍図面を作ります。
このシートを透明フィルムに印刷し、中心位置をアルミケース蓋にポンチします。

でも、200Wのボール盤ではφ3.2が加工できる上限でした。それ以上はトルクが足りず止まってしまいます。
それでも、φ1で下穴を開け、φ2、φ3もしくはφ3.2 にサイズアップしていけば綺麗に加工ができます。

φ5.5、φ7 は仕方がないのでハンドリーマでこつことと広げます(笑い泣き)
out 端子穴が加工ミスしたのは、ボール盤加工をトライして失敗したものです。

ロゴ・シール
HPA_kane_DC_LCase_15.jpg

蓋の表面にはこのようなロゴシールをプロ印刷に依頼して作りました。
CADで穴加工位置やボリューム弧を描き、pdf印刷をしておきます。それをイラストレーターCS2で読み込みます。
ロゴ部分の作成や、ボリューム部分の塗りつぶしをイラストレーターで行い、全体をアウトライン化します。

約A4サイズに8シール並べられ、それを5枚作って約4,000円でした。1台当たりのコストは100円なので安いですよね。


【歪と出力、周波数特性】
・・・・歪率を計測する機器をしまい込んでしまったので、これから引っ張り出し、整備して特性計測をやってみようを思ってます。

ごそごそと引っ張り出した機材に、いつも使っているUSB DACを歪率計測に使う専用ノートPCに繋ぎ、WAVE Spectra で計測します。
その結果をExcelで作図させてます。

HPA_kane_DC_LCase_20.jpg

低歪のフラット部分が少なく、徐々に持ち上がっていく特性です。

このパターンによって、そのアンプの音色が変わっていくようなのです。
しかし、これがどのような音色であるかは波形から類推できないところにアンプ作りの面白さがあります。

HPA_kane_DC_LCase_21.jpg

周波数特性はいつもながら立派と言う他ないですね。

いつも、金田式に対して思うのですが、極低域のフラットさは秀逸と言う他ありませんね。


【出音】
・・・・電源を入れて10時間程度はやけに高音がきつい音感でしたが、やっと安定した音色の領域に入って来たようです。そろそろ金田式の妖艶な音色に近づいて来ました。

・・・・いつもの試聴ではHPAにかかる負荷は微小です。特性を計測する時には、そのアンプに最大パワーを出す入力をするので、使っている素子にとても大きいパワーがかかります。

というこで、特性計測後の音を試聴します。

再生している曲は、1978年、サーカスのミスター・サマータイムです(YouTube)。
昨日も同じ曲を聴いたが、痛い高音は消え、浮き上るような高音系のシャウト感があります。

---- 2016/ 8/ 10 初段2SK246BL の選別問題を追記 -----

2SK246BLの選別に問題があったので改良しました

2SK246BLの選別は7年前に自作した選別器で行っていたのですが、ぺるけ式の2SK170BLは問題なかったが、約0.9V以上のVgs計測ができない仕様だったので Idssで選別していました。
ところがこのIdss計測は発熱と共に変化する特性があるので計測誤差問題を抱えていたのです。
結果的にペア選別したものがバラツキがあり、調整トリマー一杯になる懸念が生じました。

そこで急きょ高い電圧のVgs計測ができるマニュアル計測型のツールを作りました。
HPA_kane_DC_LCase_22.jpg

急いで半日で作ったのでバラックです。デジタルテスターには、Vgs -2.409Vが表示されています。

これのベースはぺるけさんの改良型回路をそのまま頂きました。Vgsを計測するためのId が温度ドリフトしない仕様です。
ツェナーダイオード定数がオリジナルの5.6Vに対して5.1Vしか持っていなかったので、Id 調整抵抗を調整しました。
オリジナルはこの抵抗をロータリーSW切り替えで、Id を 0.75mA,1mA,2mAとするものですが、私は通常の2回路スイッチを使いたかったので、2mA固定とボリュームによる0.05mA~5mA可変が使えるようにしました。

非常に安定したVgs計測ができています。テスターの数値は1mV部分が若干動く程度です。

【2SK246BLのVgsペアとDC調整範囲】
この機器で計測したVgsでペアを数種類組み合わせてDC調整可能な範囲を調査しました
HPA_kane_DC_LCase_23.jpg
Vgs差が40mV以内であればDC調整ができます。
この結果はぺるけさんが頒布している2SK30A FETでの基準値と略同等かと思います。
Vgs差と無調整時のDC値がほぼ直線なのも、計測したVgsが正確である裏付けと思います。


これで安心して頒布ができます。やれやれです ^_^;





2Win 差動式 低電圧バランス型 DC HPA の電源改造

久しぶりにオーディオ記事に戻ります。

私の自作オーディオを気に入って頂けて方から、2Win 差動式 低電圧バランス型 DC HPAを、「長時間使える外部電池電源で駆動できるようにできないか」との打診がありました。

種々考えた末、市販されているUSB接続の 5V 電源を使ったらどうだろうかの結論に達しました。
・市販で簡単に入手できる
・価格が安い
・リチウムイオン電池の物も多く、充電器も添付されている、もしくは市販されているので安心して使える。

【内部】
HPA_v7_BAL_44.jpg

電池スペースに、microUSB端子から給電できる端子と、この5V電圧を±2.5Vに分圧する回路を設けました。
オペアンプで偏差電圧を補正する回路(サーボ回路)を有します。

【参照した電源回路図】
HPA_v7_BAL_46.jpg

miniAmpで使った分圧回路です。この回路では電源が15Vですが今回は5Vです。よってopAmpは5V動作するものを使う必要があります。今回は4580を使ってます。電解コンデンサは本体側に付いているので電源からは削除してます。トランジスタは消費電流が少ないので2SC1815/2SA1015で十分です。

【電源回路拡大】
HPA_v7_BAL_45.jpg

左側はHPA v6-2 までで使っていた microUSB端子を付ける基板をカットしてます。
右側にユニバーサル基板を使ったサーボ機能を有する分圧回路です。各々をエポキシ接着剤で接合してます。

------- 音の感触
電圧が±1.5Vから±2.5Vに変わったことで、かなりのパワーアップを感じます。
特に、ボリュームを上げた際に、しっかりとして追従してくれるような安心感があります。
気のせいか、高音系もしっかり感が増えたように思えます。

やはり、電圧を上げることがアンプにとっては最大の朗報なのですね。






据置きヘッドホンアンプ用12VDC電源

これまで何台も据置きのバランス型ヘッドホンアンプ(こちら、http://higa284.blog20.fc2.com/blog-entry-275.html)を作ってきたが、これをラインアンプとして、これまたフル・バランス型パワーアンプ(こちら)で使って頂いている方がおります。

このヘッドホン(ライン)アンプで使っているのが12V電池電源(エネループ10本)なのですが、電池のメンテナンスが大変なので、ノイズの少ない電源がほしいとのこと。一時はパワーアンプ用電源と同構成の安定化電源を、との話も出たが、小出力のアンプにはもったいない。

そこで考えたのが、ぺるけさんヘッドホンアンプでも使っている低ノイズACアダプターにコモンモード・トランスを組み合わせる方法です。

【ACアダプタ】
PowerForLineAmp.jpg

秋月の12V出力ACアダプタを使っているが、入力が100-120V限定品のほうがノイズレベルが低いとあるので愛用してます。

【コモンモード・トランス】
PowerForLineAmp2.jpg

TDKのRSAL-2003AL という3Aタイプのものを使いました。出力部に50V3300uFのコンデンサ2個と、0.1uFセラミックコンデンサをパラっています。

【ノイズの比較】
PowerForLineAmp_10Khz.jpg

約100mAの出力になるように負荷抵抗を付け、ACレンジで計測した結果です。
横軸は0-10kHz、青がフィルター入力部で、赤が出力部です。

入力での最悪レベルが -75dB に対して、出力は -105dB 程度で、元々低レベルだったノイズですが、更に -30dB も改良されてます。(コモンモード・ノイズフィルターのカタログでは、この周波数帯では -25dBのようです)





プロフィール

haiga

Author:haiga
私のブログへようこそ!
電気オンチが始めた自作オーディオです
2010/3/17 電子工作をプラスしました。

自作オーディオの楽しみ共有のため、私が作ったパーツ提供をしてます。質問や要望を遠慮なくコメント欄に書き込んでください。

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