オーディオアンプとシミュレーション

主にLTSpiceを使ったオーディオのシミュレーションについて書きます。



006P一発のディスクリートヘッドホンアンプ

 006P一発だと正負4.5Vで動かすことになるので、意外ときつい制約が生じます。というか、普通の回路だと電圧が足りなくて無理です。

 そういう意味ではバイポーラの電流帰還などが振幅が取れて無難ですし、オペアンプを使えばNFBの力でなんとかしてくれるという考え方もありますが、FETワイドラー縛り、ディスクリートという条件ならどうなるかということで回路を考えていました。

 いろいろ考えたのですが、やはりこの回路になりますかね。

回路
回路

 ALL MOS-FETです。正のバイアスで、バイアス電圧より低いVDSでも動くので最適なのです。初段にJ-FETを入れると肩特性が悪いせいで非飽和領域で使うことになり、いろいろと悩まされると思います。

クリップ波形
クリップ波形

 3.5Vくらい出ます。これは出力段のバイアスが電圧増幅段につかえて決まるので、バイアスの浅い素子を持ってくれば改善します。バイポーラならもっと良いですし、J-FETのコンプリバッファならほぼ電源電圧まで出ると思います(そんな都合のいいJ-FETはもはや入手難ですが)。

低電圧ヘッドホンアンプのための電圧増幅段ブートストラップ

はじめに

 006P一発とかのアンプを組もうとすると、せめて電圧増幅段の電源がもう少し高ければ出力がだいぶ増やせるのだが、というケースがあります。

 一番簡単な方法として、ブートストラップでできますが、必ずしもおすすめはできません。

シミュレーション

 まず原型の回路です。

原型の回路
原型の回路

クリップの様子
クリップの様子

 案の定出力電圧範囲は狭いです。出力段バイアスと電圧増幅段の動作電圧がつかえて止まるというメカニズムで、これを改善するのはかなり困難です(バイポーラでも1.2V+アルファが要る)。

 出力端から電圧増幅段をブートストラップします。

ブートストラップ化
ブートストラップ化

 ダイオードは充電のため。Cの直列抵抗はこれが容量負荷にならないようにする細工で、本当はもっと大きい数字のほうが好ましいでしょう。定電流回路に入れているRは、この方式だと電流が欲張れないので電圧増幅段の電流を減らすため。増やした位相補償は、クリップ時の寄生発振対策です。

 すごく苦労する、ということをなんとなく察していただけたら幸いです。

出力波形
出力波形

 こうなります。ほぼ電源電圧までのドライブが可能になります。

問題点

 スイッチングノイズが出るのと、安定性が確信できないので、これは作らないと思います。

まとめ

 まあ、やればできるのは確かな訳で、安上がりにハイパワーポータブルアンプ作るにはいい方法だと思います。

私見バイポーラオペアンプ聴き比べ(NJM4580DD, NJM4556AD, NJM2114DD, NJM5532DD)

はじめに

 新日本無線のバイポーラオペアンプは安く買えて音もいいので、庶民の味方です。ただしMUSESとかは除きます。

 ということで、手持ちのオペアンプで聴き比べをやってみました。といっても四種類だけですが。

  • NJM4580DD
  • NJM4556AD
  • NJM2114DD
  • NJM5532DD

 なお、聴き比べに使った具体的な回路図は伏せますが*1、自作のヘッドホンアンプ内蔵USB-DACで、電源は正負12Vです。DACの多重帰還型フィルタ部とヘッドホンアンプ部で試して音の傾向を確認しました。もともと刺さっていたのはフィルタに5532、ヘッドホンアンプに4556だったので、これをリファレンスとして比較・交換しながら聴いています。
(もう少し構成を説明しておくと、DAC部はAKI-DACで、AKI-DAC出力に1次ローパスフィルタを(基板上で)組み込み、その出力を2次の多重帰還型フィルタに通して最終的に3次のフィルタにしています。フィルタはいきなりサレンキーとかに入れるよりこうした方がいい音になると思っています。ヘッドホンアンプは例の反転型負性インピーダンス出力回路です)

 前提として、まずある程度はまともに動作させた場合の音質です。電源電圧が低すぎるとか、ボルテージフォロア動作で出力アイソレータも省略しているので位相余裕が皆無といった事態は想定していないのであしからず。

 ちなみに、この手のオペアンプをまともに鳴らしたければ、電源電圧は正負12Vくらいはおごってあげ、ユニティゲイン安定と称するオペアンプでも10~20dBくらいのゲインを持たせて過大ゲインは入力側アッテネータで落とし、パスコンをちゃんと入れ電源やアースの配線もそれなりに配慮し、入力回路や帰還回路のインピーダンスは低くし(不可能でなければ数kΩ以下くらい)、進相補償コンデンサも入れてあげ、入力ローパスフィルタ, Zobel, アイソレータを入れてください。抵抗2本で増幅回路が組めるからと言って、なめてはいけません。低域ゲイン100dB、GB積10MHzが相場のNFBアンプですから、「音は出るけどなんか変」というケースは私の経験上もかなり多いです。ディスクリートで組むときと同じくらいか、へたするとそれ以上に神経を使います(ディスクリートはいざとなれば位相補償いじって調整できますが、オペアンプだとそういう自由度がないので・・・)。

 また、ただでさえオペアンプの音質差なんてよくわからないのに、いずれも似たような製造プロセスと回路、似たような特性なので(だと思う)、はっきり言って違いがあるとしても気のせいレベルです。ブラインドテストで当てろと言われたら、なんとなく一千回くらいやれば有意差を出せそうな気はしますが、それくらいの違いしかありません。通常の使用では(回路上で適当な配慮があれば)どれを使っても音質上の懸念はないと言えますし、特定のオペアンプで不満が残ればどれを挿しても不満が出ると思います。

 そういうことを承知の上で、以下は完全に私の独断と偏見と気の所為だと理解した上で読んでいただければ十分です。

聴き比べ

 スペックとかは示す必要を感じませんが、あえてGB積だけ書きます。

NJM4580DD

  • GB積:15MHz

 4580はおとなしい印象です。以上。

 無個性という訳ではなく、霧がかかったようとでも言うのでしょうか、とにかくおとなしさが個性です。人によってはチープな音と感じるかもしれません。

 基本的に聴きやすいのがいいところです。迷ったら挿しておけばそんなに変な音にはなりません。たとえば、私がメーカー技術者で製品をの回路図を書けと言われたら、4580を入れると思います。

 冷静に考えると今回聴き比べた中でいちばんGB積が高いので(大差はないけど・・・)、高性能です。褒めてあげてください。そのせいかどうかはわかりませんが、帰還がたっぷりかかった音とはこういうものか・・・という音がします(といっても他との6dBとかの差でなにかが変わるとは思えないが)。

NJM4556AD

  • GB積:8MHz

 4580と比べると4556は元気ですが、粗雑な感じもします。要するに、単純に(少しだけ)荒っぽい音です。それでも聴きやすい方です。

 4556の特徴は出力電流を取れることで、データシートとかで「ヘッドホンアンプ向き」と書かれるオペアンプも珍しいと思いますが、とにかくそういう扱いを受けています。オペアンプだけのヘッドホンアンプを作るときはとりあえず突っ込んでおくといいと思います。それ以外でも負荷が重いときはだいたい行けます。

 逆に言うとそれ以外の使いみちがありません、というか軽めの負荷なら選択肢が多いので4556はまず選ばれません。DACのフィルタでも試してみましたが、「この程度の音質なら他の石選ぶわなぁ」という感想でした。

 だから駄目という訳ではなく、極端ですが006Pで32Ωのヘッドホン鳴らすようなシチュエーションであればまともな音が出るのはこいつくらいだと思います。けっきょくヘッドホンアンプとしては一番だったので、挿し替えはやめておきました。

NJM2114DD

  • GB積:13MHz

 なんでこいつはこんな変な音がするんだ……という感じ。高域が元気です。聴けなくないけど聴きやすくはない。

 オペアンプごときで帯域バランスが変わるのは変なのですが、印象としてはやたらチャラい高域とふわふわした低域。妙にゴージャスな雰囲気になります。あまり聴かないタイプの音です。

 理由はまったくわかりませんがキャラクターが強いので、最初から個性を見込んで使うのでなければおすすめしません。

NJM5532DD

  • GB積:10MHz

 上品で聴きやすい音。一番おすすめです。予算があればこれをチョイスしたいところです(笑うところ)。

 情報量が多い感じではなく、なんとなく音が整理されて出てくるような、妙な静寂感もあります。とにかくハイファイっぽいのですが、高解像度すぎて聴きづらいということはたぶんないので、安心できます。

 残念なのは600Ω負荷までしか想定していないので、電流を取れないことです。ヘッドホンアンプには使えません。

(おまけ)OPA2134PA

  • GB積:8MHz

 NJMではない(バーブラウン謹製)ですが、手元にあったので挿して聴いてみました。

 高域が繊細で魅力的です。ベクトルは2114に似ていますが、あちらよりは優等生な感じです。5532に寄せた感じでしょうか。よく評される通り、FET入力だからか、繊細な粒子感みたいなものもあります。これと聴き比べると、バイポーラのオペアンプはみんな「あ~」という声が「あ゛~」となるような音色の特徴がありますが、FETはほとんど「あ~」で、ごく薄い音色があるとしたら「あ゜~」です。これもよく言われることですが、奇数次歪みが少なく偶数次歪みが多いのだと思います(とはいえ、オペアンプの歪み率で聴こえるものかなぁ)。

 音色は悪くないんですが、昔から思っているのですが2134はなぜか頭痛がする感じの聴きづらさがよく出てきて、ちょい聴きで良いと思っても数十分後には引っこ抜くことを繰り返している、という使いづらいやつです。今回改めて確認しましたが、やっぱりそんな感じがしました。

 ただ、今回ヘッドホンアンプは全然駄目だったけどDACのフィルタにしたらなぜか問題なく聴け、総合点でもともと刺さっていた5532を上回ったので、交代と相成って「おまけ」に書かれることにもなりました。

 ヘッドホンアンプ向きでないだけでラインアンプとかDACなら行けるという意味ではなく、駄目なときは駄目ということをこれまでたくさん経験しているので、なぜ今回大丈夫だったのかはよくわかりません。なんとなく怪しい気がするのは位相余裕*2とか、入力端子の駆動インピーダンス*3とか、電源のインピーダンス*4。とか、負荷インピーダンス*5とか、要するに全体的な高周波安定性が悪くて気を抜くと(回路と実装が悪いと)すぐ機嫌悪くする(準発振状態になる)のでは? という疑惑。機材がないので検証はできません。

 そういえば、ぺるけさんのホームページにもヘッドホンアンプに使って似たようなこと書いてあったページがありましたね……。

Balanced Project

 いろいろ頑張ったけどイガイガ感が残って実用に耐えなかったとのこと。+1dBの高周波ピークを潰すために補償Cを入れて実質積分器動作させているようですが、ピークが生じるくらいの位相余裕のない状態で帰還路に進相補償コンデンサ入れるのには個人的にはいい印象がないです。利得をもう10dB上げて帰還路のインピーダンスを5kΩくらいまで下げ、ついでにパスコンの積セラがなさそうなので入れると、そこそこいい線行くかも。追試していないので、あくまでもそんな気がするというだけです。

 あとは等価回路がわかればもう少し妄想たくましくすることもできるんですが、このオペアンプはネットで調べた限り等価回路が見つからないという厄介な子なので、「不思議だね」で止まっています。

 いずれにせよ、ファーストチョイスでこいつを選ぶのは危険な気がします。「他のオペアンプでちゃんと鳴ったら行けるかどうか試してみる」くらいの感覚でいくつか持っておくと、今回のようにたまに使いみちができます。

 実は単に4556とキャラクターが相殺しあっていいバランスになっただけだったり……。

総評

 ローコストで失敗したくない人は、高インピーダンス(といっても600Ω以上くらい)回路には4580, 低インピーダンス回路には4556の組み合わせが良いです。この辺のオペアンプは安いので(一般用のケミコンと同じような値段)、たくさん買っておくと自作派としてはスムーズに工作できます。ただし、安いので見栄を張るには不向きですし、音質もすごく悪くはなりませんがすごく良くもならないと思います。

 コストはかけていいが失敗したくない人は、高インピーダンス回路で5532を使ってください。

 2114は私の好み的には使いみちが思いつきませんが、ハッタリが効くので視聴用アンプとかに良いかもしれません。

 OPA2134は5532と同じような使い方ですが、よく失敗するのでコストを考えると1つか2つ持っておけば良いと思いました。

 ヘッドホンアンプなどの低インピーダンス回路にはこの手のオペアンプで理想的な選択肢はありません。4556で満足できれば4556を使います。不満なときは小信号トランジスタのダイアモンドバッファなどが定番ですが、経験から言うと「なんで?」というくらい「いかにもバッファ入れましたな音」になりがちです(たとえ帰還ループ内に入れても)。オペアンプで済ませるという発想を捨てて、最初から8Ω負荷で0.5Wくらい出るパワーアンプをディスクリートで組んで使った方が満足度は高いと思います。電池駆動だときついですが、AC電源駆動であれば割と容易にA級アンプにできるので、そこまでやれば音質上のメリットも相当あります。

 どうしてもオペアンプでやりたければ、複数のオペアンプで増幅回路を組んで数Ω~10Ω程度の抵抗を介してパラるという裏技があり、これはこれで有効なようです。

総評

 5532にしろ2134にしろけっこう良いお値段するので、個人的には4580とか4556のコスパの良さが際立つと思います。特に4556はヘッドホンアンプなら(オペアンプ一発のアンプとしては)不満なく鳴ります。

*1:というかもともと自作な上、改造に次ぐ改造で今どういう回路図になっているのか正確に把握していない……改造する度に影響箇所だけ書き起こして部品交換してって繰り返してきた結果です。

*2:カタログスペックから想像されるより位相余裕を取らないと駄目

*3:ゲート直列抵抗入れないと駄目

*4:パスコンか、あるいはパラCの反共振関連

*5:容量性負荷も誘導性負荷も駄目

半導体版・全段差動プッシュプルの原理

概要

 全段差動PPを半導体で作るとしたら? というテーマをずっと考えていたのですが、MOS-FETのSRPPによって道が開けました。

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回路

 こんなのです。

回路
回路

 なんじゃこりゃと思った人もいるかもしれませんが、シンプルな回路です。初段はただの差動、二段目はMOS-FETのSRPPの差動です。

 この形式だと直流電位を安定させる工夫が要るので、中点電位をctrlとして出して初段負荷抵抗に直流帰還しています。うまいやり方は他にありますが、この方式が一番シンプルなのでとりあえずこうしています。下のごちゃごちゃは帰還回路と負荷です。

 素直にシングル2段差動を作ると、出力段を定電流負荷などにせざるを得ないので効率がA級シングルBTLと同等になり、さすがに現実的ではありません。コンプリを使って上下対称差動のDEPPも考えましたが、全体的にスマートさに欠けます。SRPPならシンプルな回路でA級SEPPのBTLと同等程度の効率にできます。

オープンゲイン
オープンゲイン

 足りないですね。初段gmを増やして負荷を定電流化すれば直流側は好きなだけ増やせます。

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 高周波側はそれでも不足するので、出力段にドライバを付けた上で(出力段ゲート容量が1st ポールを作るので)適宜位相補償すればいいでしょう。2段構成で十分実用的なゲインになると思います。

 とりあえずこの記事ではそこまでやらずに、せっかく低帰還なので裸に近い状態の歪みでも見てみます。

出力FFT
出力FFT

 都合により負荷電流で評価しています。例によって1kHz約1W出力です。なお、片側1.5A(両側3A)流れていることを言い添えておきます。

  • 1kHz:-9.6dB
  • 2kHz:-101dB
  • 3kHz:-107dB

 帰還量を考えるとシミュレーションとしてはこんなものでしょう。初段を定電流化してあれこれやれば帰還量は30dBくらい増やせるはずなので、いい線行くと思います。

まとめ

 やればできそうだし、けっこう面白いかもしれません。消費電力は大きいですが。

MOS-FET SRPPの基礎研究

 A級アンプの出力段に使えるかもしれないと思い、MOS-FETのSRPPについて調べてみることにしました。

回路1
回路1

 原理図に近い回路です。バイアスはかなり簡略化しています。上側は実際には能動素子のフォロアなどを使って作るか、キャパシタで上げることになります。

波形
波形

 対称性はこんなものでしょう。定数にこだわらなかった割には良い気がします。振幅0.1Vしか入れていないのでハイゲインです。

AC特性
AC特性

 40dBもゲインがあります。位相回転の性質そのものはそれほど悪くはないようです。この辺でふと気づいて、出力インピーダンスを見てみることにしました。

出力インピーダンス計測回路
出力インピーダンス計測回路

出力インピーダンス
出力インピーダンス

 基本的に電流出力で、6dB/octで落ちるので容量性です。

 念の為負荷インピーダンスを変える方法でも見てみます。

回路2
回路2

結果
結果

 典型的な電流性出力です。

 どちらの素子も飽和特性なので、Zoを下げたりする効果は働かないということでしょう。局所帰還をかけて調整することはできると思いますが、対称性の確保に手を焼きそうです。

 低Zoにならなかったのはちょっと残念でしたが、電流出力でよければやれることはわかったので、応用を考えてみます。

二段差動で限界までゲインを搾り取る

概要

 通常の二段差動回路は初段が抵抗負荷なので、初段カレントミラー負荷の構成と比べると直流ゲインで劣ります。

 初段を定電流負荷にすれば、限界までゲインを絞れます。ただし、単純に定電流負荷にしても電位が安定しないので、直流帰還が必要です。これは二段目の共通エミッタ(ソース)では同相成分だけ残っていることを利用すれば、割と容易にできます。

 発想としては、これらと同じです。

www.audio-simulation.net

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 ということで理屈の上ではできるので、シミュレーションでやってみます。

シミュレーション

 とりあえずこんな回路・・・。

シミュレーション回路
シミュレーション回路

 AC特性です。

AC特性
AC特性

 えぐいくらいオープンゲインが稼げています。200dBに達しそうです。

 1kHzで約1W出力時の出力FFTです。

出力FFT
出力FFT

  • 1kHz:8.8dB
  • 2kHz:-139dB
  • 3kHz:-149db

 それなりに低歪みです。

 思うところあって、初段ステップ補償にしてみます。

初段ステップ補償
初段ステップ補償

 この方がゲインが稼げるし、対称性も良くなるはずです。

AC特性
AC特性

 オープンゲインは凄まじく、10mHzで260dBくらいに達しています。実機だとここまでは出ない気がしますが、それでも相当のハイゲインになるでしょう。

 なったからなんだって話ですが。それより、対称性の改善とゲインの増大の方が重要です。

出力FFT
出力FFT

  • 1kHz:8.8dB
  • 2kHz:-142dB
  • 3kHz:-147dB

 2次歪みは微減、3次歪みは微増という結果に。これだと2段目で位相補償Cによる負帰還がかからないので、オープンゲインが増えても相殺されるのでしょう。

まとめ

 やればできます。性能についてはシミュレーションで云々してもしょうがないのですが、悪くなさそうな感触があります。ただ、この回路は見かけませんねえ。

ZDR・D-NFBのわかりやすい解説

はじめに

 ZDRやD-NFBは怪しい技術だとずっと思っていましたが、ごく単純であることを悟りました。そこで説明を書きます。

簡単なモデル

 単純のために0dBアンプを考えます。信号源、理想バッファ、何らかの回路と負荷があるとします。何らかの回路が補正したい誤差成分に相当します。

基本回路
基本回路

 「何らかの回路」のところに1Vの電池が入ったとします。

電池を入れた回路
電池を入れた回路

 こうすると出力に-1Vのオフセットが生じます。対策は? 簡単です。入力を1V嵩上げしてあげれば元通りになります。

入力を嵩上げして相殺
入力を嵩上げして相殺

 これで行けるのなら、差動増幅回路で直接検出して入力に加算してもいいことになります。そうすると1Vの電池に限らず、何が来ても対応できるようになります。

差動増幅回路で誤差を検出し入力に加算
差動増幅回路で誤差を検出し入力に加算

 これを使って出力段で生じる誤差を消すのがZDR(D-NFB)ということになります。

現実的な問題点

 誤差成分の回路が上の例のように電池であれば入力信号との相関関係はなく、定数を入力に足すだけなので正帰還は一切かからないことになります。

 実際は出力段の出力インピーダンス+非線形成分であり、この両端電圧は信号と相関を持ちますから、何らかの形で正帰還がかかります。それでも、正帰還ループのゲインは1よりはるかに小さいので(たとえば0.1Ω相当のZoとして、8Ω負荷で1V入力すると0.012Vの電圧がここに生じる。ゲインは1/81で何ら問題ないレベル)、回路は安定です。ZDRは正帰還で無限大のゲインにしたものをNFBで安定化するという解釈もありますが、あまり正鵠を射ていないと思います。どちらかといえばフィードフォワードに近いものという評価が妥当と思います(ただし主アンプと補正アンプを兼用)。

 また、ただの加減算ですから、過剰打ち消しで負性インピーダンスアンプにもできると考えられます。直線性は悪化しますが・・・

 それでも正帰還がかかるのは厄介といえば厄介で、理論上無歪み・Zo:0Ωは両立できないはずです。

まとめ

 扱いやすい回路だと思いました。出力段の歪が多い回路には向いているでしょう。ただ、誤差検出の精度をどう確保するかが課題になります。

参考リンク

DNFB_Details