ぺるけ式HPAの良い所ふたたび

あらためてまして、ぺるけさんのFET式差動ヘッドホンアンプの良いところを
列挙しようと思います。

■部品点数が少ない
　　執念すら感じる、部品の少なさ。　回路定数も部品点数が少なくなるように
　　吟味されている。　たとえば、NFBの定数は通常では考えられない150Ωと
　　いう小ささ。これはダイヤモンドバッファに適切な負荷をあたえつづけて、
　　ヘッドホンが接続されていないときも発振しないようにしている。
　　通常に10k～47kΩ程度なら、発振止めのCR直列負荷を追加しなければなりません。
　　運が悪いとベース抵抗も追加しなければならなくなります。

■部品の種類も厳選
　　あり合わせの部品をつかって判ったのですが、はやり推奨のトランジスタは、
　　かなり考えられている。　　　2SA1358/2SC3421はローコストのドライバ
　　トランジスタですが、2SA1859/2SC4883に置き換えるとAB級動作になったとき
　　にシャープカットオフな為かスイッチングノイズがにぎやかに発生した。
　　非常にうるさく聴こえて、結局純A級動作へと定数変更を余儀なくされた。

■部品の購入が容易
　　特別な部品を使用していない。　ぺるけさんのwebサイトで配布も行っている。
　　特に初段の2SK170は選別が必須ですので、自分で大量に購入するより、
　　ぺるけさんの所から購入するのが良さそう。　お値段も良心的です。　
　　（というより、他のルートで探すより安い）

■信号が通る部分にコンデンサを入れていない
　　最後の最後、ヘッドホン出力だけDCカットしていますが、そのほか、特に小
　　信号の部分に入れないようになっている。　たかがコンデンサと思うかもしれま
　　せんが、音質への影響力は大きいのでそのこだわりが感じられます。

■独創的な回路構成
　　差動回路は、どこにでも使われている回路ですが、電源電圧が上下で
　　非対称となっている。　マイナス電源の安定化にダイオード２直列のみという
　　構成ですが、最初は、単に最小限の構成としただけかとも思いました。
　　ところが、良く考えてみると、抵抗分割式の±電源より遥かに定電圧化能力が高い。
　　また、プラス側電圧は最大限にとってあるため、出力の振幅が大きくとれる。
　　少なくとも、私はこのような構成をした回路を見たことがありません。　
　　すばらしいとしか言いようが無い。

■WEBサイトに、回路の仕組みなどがしっかり書いてある
　　とても勉強になります。　定電流回路の実測データなど、非常に有用な情報
　　だと思います。　　この形の定電流回路の採用に至ったとき、私は視聴しな
　　がら決めましたが、非常に多くの時間を割いてしまいました。　hfeの高い
　　トランジスタを使ったため、超高域発振が発生しベース抵抗を入れたりと
　　追加部品が必要でしたが、ぺるけさんのサイトには、さらりとhfeランクは低め
　　を使うように書いてあります。

　

ぺるけさんのFET差動ヘッドホンアンプ

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他の方の記事も興味深いものがあります。

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ダイヤモンドバッファの駆動力

巷で流行っているヘッドホンアンプの出力バッファに、ちょくちょくダイヤモンドバッファと
呼ばれるバッファ回路がつかわれます。

一見すると、最終段のコンプリメンタリ出力のバイアス（Vbe電圧）生成とダーリントン接続による
電流増幅の増大が一度に可能になる、すばらしい回路に思えます。

実際、ダーリントン接続の一種として教科書的なものでも挙げられていたりします。
ダーリントン接続というのは、一段目のエミッター出力が次段のベースに入って、2つのトランジスタが
あたかも増幅率の上がった1つのトランジスタとして動作する回路のことを指すらしいです。

図のQ1、Q2のエミッタに入れてある100Ωは、無くても、ダイオードに置き換わっていても、
回路の動作としては一緒と考えます。　バイアス電圧の作り方がちょっと違っているだけです。

トランジスタひとつひとつに注目すると、コレクタ接地回路であるこが、すぐに判ると思います。　
接地というのは、GNDや電源のことを指します。　コレクタがVBへ直結しているので、コレクタ接地です。
（エミッタ接地とベース接地では、接地部に抵抗を入れたりしますので、ぱっと見分かりにくいこともあります。）

バッファなどに使うコレクタ接地は、エミッタフォロアとも言います。

■エミッタフォロア回路の特徴

　　・入力インピーダンスが高い。
　　・出力インピーダンスが低い。
　　・電圧増幅率はほぼ１倍。

ここで、１段目の出力電流を、２段目のベースへ流し込むことが出来れば、電流増幅率は１段目hfe×２段目hfeと
なるのですが、残念なことに、PNPとNPNの極性の違いで、２段目のベースに流しこむ電流は、１段目の負荷抵抗の
1.5kΩの抵抗からの供給となっています。

とても大雑把に言いますと、１段目は単にレベルシフタとしてしか機能していない。
２段目をドライブしているのはアクティブ素子というより、単なる抵抗（パッシブ素子）に近い状態。

ダイヤモンドバッファの駆動力は、２段目のトランジスタのhfeと、１段目の負荷抵抗の値で決まってしまいそうです。
ヘッドホンアンプ用で言えばICが500mA以上で、なるべくhfeの大きい種類ランクを選べばよいということになります。

もう少し、追ってみましょう。

■１段目
１段目の負荷抵抗は、小さくし過ぎると１段目の負荷が重くなり直線性が悪くなってしまいます。
ですので、抵抗値は高いほうが良いでしょう。
そうすることで、入力インピーダンスも高くできて、初段差動回路での歪み発生を最小限に抑えることができます。

■２段目
２段目にとって１段目の負荷抵抗値はIb（ベース電流）の供給元であります。
抵抗値が高いと十分なIbがとれず、出力に非直線成分が出てしまいます。
つまり２段目にとっては、抵抗値は小さいほうがよいという事になります。

■総合的にみると
１段目の負荷抵抗は、高すぎても低すぎても良くない。　バランスが大切ということになります。
最良の妥協点を見つける作業となりますね。
ちなみに、負荷抵抗を定電流回路に置き換えて、十分な電流と高いインピーダンスを両立することも可能ですが、
有効な振幅電圧が減ってしまいますので、今回のような１２Ｖ単電源には向きません。

ぺるけさんのHPAは、負荷抵抗を割りと小さめにしてあり、最終段のIb不足にはならないように設計されています。

以上をまとめると、ダイヤモンドバッファの駆動力は、２段ダーリントンとしての駆動力はなく、
１段コンプリメンタリバッファと同等の駆動力といえます。
ただし、入力インピーダンスは、相当に高く、前段に与える負荷はとても軽いです。
初段の差動回路での歪み発生を極力少なくする設計と思います。

小休止

東芝が2SC1815/2SA1015も製造をやめてしまう。
表面実装用のトランジスタで、ほぼ同特性のものはまだあるようです。　許容損失が小さくなっているのは
サイズ的に仕方がない。

TO-92のようなリード品は、もはや使われなくなってしまったのでしょう。

東芝の真空管もそうやってやめていったんでしょうね。

というより、日本の半導体業界自体がやばい。

MUSEといえば

ニチコンミューズ
その中でも一番安い緑色のコンデンサが好きでした。

この、鮮やかで深いエメラルドグリーン。
殺風景になりがちな紙フェノール基板上で、一輪の華とまでは言わないが、すばらしいコントラストを作り出す。

ちなみに音は、艶やかできらめく感じといいますか、それなりに特徴がある音だったと思います。
この緑色MUSEが製造中止になってしまったのは、とても残念なことです。

写真は秋葉原の海神無線で購入した残りです。
現在売っている、無極性のMUSEとは別物です。　　MUSE FXというらしいです。

ぺるけ式HPA改造まとめ

手持ちの部品で、どうにか音がまとまってきましたので、改造項目とその理由を書きたいと思います。

１．ダイヤモンドバッファのアイドリング電流増加と出力の低インピーダンス化

　　当初24mAだったアイドリング電流を、前段82Ω->100Ω、終段
　　10Ω->4.7Ωとすることで55～60mAと増加。　これで60Ωのヘッド
　　ホンを100mWまでA級動作でドライブできる計算です。
　　温度補償をしていない回路では、エミッタ抵抗を4.7Ω以下にする
　　のは、ちょっと危険ですので、このくらいが妥協点ではないでしょうか。

　　音量を上げていったときに耳障りな歪み（高域）は、かなり低減しました。
　　何より、憧れのA級アンプが簡単に実現できるのは、ディスクリート
　　ヘッドホンアンプの良いところなのでA級にしない手はありません（笑

２．電源のリップルフィルタ抵抗（33Ω）のバイパス

　　なんとなく馬力がない、ボーカル領域が引っ込んでいるというのは、
　　これのせいでした。　
　　真空管アンプでは、わりと高抵抗（100～1K、5Kなど）を電源に入
　　れて、電圧降下とともにリップルをフィルタリングする手法をとる
　　ことが多いのですが、実は、半導体アンプでは、殆ど見かけません。

　　理由は定かではないのですが、電源インピーダンスが上がってしま
　　うと、音質に影響が出やすいのかもしれません。　　そのために、
　　高価な電解コンデンサを投入するのも、なんだか気が引けますので・・・
　　ぺるけ式HPAの良い所として、特別な部品を使わないという趣旨
　　は正しいと思うし、私も大賛成です。

　　ということで、33Ωはバイパスして、電源インピーダンスの低下を図ります。

３．ヘッドホンGNDリターンを、電源デカップリングコンデンサへ直接戻す

　　左右に分かれてるデカップリングコンデンサのマイナス端子同士
　　を、配線で直結し、そのセンターへヘッドホンのGND線をつなぐ。
　　これで、ヘッドホンに流れて戻ってきた電流は、増幅部
　　（サミングポイント）へ邪魔をせずにデカップリングコンデンサへ
　　と戻ります。
　　実際の音質は、予想していたほど変化がありませんでした。　
　　わずかに、濁りみたいなのがとれて
　　大音量時の残響音がきれいに広がるようになったと感じました。

　　２．の改造と合わせて、チャンネルセパレーションはデカップリング
　　が独立していた方が良さそうなものですが、こちらの方が、よく広
　　がるように聴こえるのは面白い現象です。

４．ヘッドホン出力の部分に10Ωを直列に挿入する

　　MDR-CD3000のみ、大音量にすると高域のうるささがあったので、
　　こういった対策になりました。　　50mmという大口径のドライバ
　　ユニットゆえに、大きな逆起電力が帰ってきていたのかもしれません。
　　最終段の4.7Ω//4.7Ω に対して約4倍の10Ωという抵抗を入れる
　　ことで、逆起電力を最終段で吸収しやすくなるかと思います。
　　あまり大きな抵抗値をいれると、もっさりした（優しい）音になる
　　ので私の好みではありません。　　ほどよい所におさえておく
　　必要がありますが、今回は、元エミッタ抵抗の10Ωを使いました。
　　ただそれだけです。

とりあえず、支障なく聴ける音質がえらるようになりました。
もし同じように、高域がうるさいとか、ボーカル領域が引っ込んでいると感じている方がいらっしゃいましたら、改造してみてはいかがでしょうか。
元の回路があれば、100Ω_1/4w 4本、4.7Ω_1/4w 4本、配線10ｃｍといった程度の材料ですみます。

その後、若干の定数変更があります。改造まとめ（２）も御覧ください。

追記 ＝＝＝＝＝＝ 
ぺるけ式ヘッドホンアンプ改造＆調整まとめに情報を集約しました。

音量を上げた時の歪の原因について（3）

３．のNFB量の前にやっておきたいことが、４．のダイヤモンドバッファーのアイドリング電流の調整です。

上下の1.5ｋΩの次に入っている82Ωの抵抗。　これが最終段のエミッタ抵抗10Ωとバランスをとって、アイドリング電流を決定しています。　
バッファの前段の電流は、電源電圧と1.5kΩで決定され、9.3V÷2÷1.5k＝3.1mAです。
この電流は、まったくもって十分な電流と思います。
最終段は、エミッタ抵抗の10Ωの両端の電圧を測ると、直読できますね。　　24mAになっていました。

手持ちの抵抗が、100Ωしかなかったので、82Ωの抵抗を100Ωに交換してみました。
結果、最終段の電流は30mAとなりました。

さてさて、音質はといいますと、激変！

高域でうるさかった部分が、解消されて、私が必要とする音量まで問題なく聴けるようになりました。　　ただ、MDR-CD3000はだめです。　高域の感度が高いのか、今までと同様にうるさく感じます。

ボーカル領域が引っ込んでいるのも変わらず。　　んん～ん。　DCカットのコンデンサが悪いのかな？

原因不明のまま、今夜も悩みます。

音量を上げた時の歪の原因について（2）

C電源の電圧不足で、大振幅時に初段の増幅が歪むと、解析されている方がおりました。
Ayumi's Lab.のAC100V版の改造という項目です。

さてさて、オシロスコープなど波形観測手段を持たないので、どう切り崩していくかが問題です。

ヘッドホン出力からアンプに接続して、ヘッドホンアンプのボリュームを上げるに従い、アンプのボリュームを下げて行き、スピーカーから出る音がどこらへんで歪み始めるのかをテストしてみました。

結果、なんとヘッドホンアンプ側を最大まで上げても、さほど歪む感じがない。

つまり、大振幅で、どこかがクリップするとか、C電源の電圧不足という線は消えました。

ぺるけさんのFET差動ヘッドホンアンプ

音量を上げた時の歪の原因について

組み上げた、ぺるけ式ヘッドホンアンプの大音量時の歪の発生について、ざっと考えられることを列挙してみます。

１．初段ＦＥＴの特性違いにより、大振幅時にドレイン側で波形クリップが発生？

２．C電源の電圧不足で、初段の同相入力範囲を超えて歪んでいる？

３．初段ＦＥＴの特性違いにより、ゲインが不足していて、ＮＦＢ量が少ない？

４．終段トランジスタの特性の違いで、アイドリング電流不足？

音的にはハードクリップしているような感じではないです。　高域がうるさくなっていく感じです。

初段のドレイン側の電圧は約4.9Ｖと問題はないので、１．ということはなさそう。
ちなみに共通のソース側電圧も0.30Vと正常っぽい。
2SK389と2SK170とは、さほど特性に違いがないので、FETの種類が違っているから歪んでいるとは思えないです。（NFは2SK170に軍配があがるようです）

それにしても、2SK389の2つのFET間のIdssのばらつきの無さは、すごい。
ドレイン電圧が0.2V差に収まっています。　これは、片方だけにダイヤモンドバッファがぶら下がっているために起きている電圧差ではないでしょうか。　　
選別を一切していなくても安心してアンプが組めるというのは、すばらしい事だと思います。

２．の可能性は大いにある。

３．は、なんとも言えないので、NFB量を変更して実験してみたい。

４．については、せっかくだから普段聞く音量まではA級動作領域に設定したいです。
電源電圧が低いので、あまり熱を気にすることなくA級アンプにできるところがいいですね。

ところで、小音量～中音量時は、どうなのかと言いますと、今まで制作してきた方々のインプレッションと共通するように、高域がスッキリきれいに伸びて、それでいて低域もちゃんと出ている。　のです。

ただ、なんとなくボーカル領域が引っ込んでいるように感じている。　同様の方はいらっしゃいますでしょうか？

もしかすると、私は他の人より大音量で聞く傾向があるのかもしれません。　音量を上げてうるさく感じてしまうと、長時間音楽に浸ることができないので、なんとかしたいですね。

楽しくなってきました！！！

ぺるけ式ヘッドホンアンプのGNDリターン

さてさて。　エージングの効果も進まない状態になってきましたので、
先日のＧＮＤ周りの変更を試してみました。

オリジナル（訂正後）の実装図にヘッドホンへの電流を書いてみますとこのようになります。
汚い絵ですみません。
ヘッドホンのGND端子へは、ボイスコイルを駆動した電流がそのまま戻ってきます。
分かりやすく説明するために、定常状態から＋側へ振れた瞬間の電流を記載しています。

まずいと思うのは、初段の増幅部の基準にしているＧＮＤ線へ、リターン電流が流れているところです。　（ちなみに、ぺるけさんの改訂前のＧＮＤリターンは、電源デカップリング近くなので問題はないと思います。）

こちらが、変更後の実装図です。　左右チャンネルの電源デカップリングの－端子同士を配線でつなぎ、そのセンターへヘッドホンＧＮＤをつなぎます。

こうすることで、電源の独立性は半減するかもしれませんが、もともとヘッドホンのＧＮＤが共通なので無視します。　　それより唯一の増幅部の基準ポイントに、ヘッドホンのドライブ電流が流れなくなります。

それでは、その効果はどれほどのものでしょう？

実際に聞いてみたところ、思ったほど違いが感じられません・・・
音量を上げた時に気になる耳障りな歪が邪魔をしていて、それどころではない感じです。

つづく・・・

所有しているヘッドホンは・・・

ヘッドホンアンプの音質うんぬんは、さておき。
私が持っているヘッドホンを列挙します。

・ipod付属品（４～５年前のもの）
　　いわゆる１ドルイヤホンってやつなのか。　
　　救うべき部分は何もない。　ひどすぎます。

・クリエイティブ社ＭＰ３プレーヤ付属品（７～８年前のもの）
　　ipod付属品よりずっとマシ。　デザインセンスはどうなの？

・Philips製ヘッドホン（７～８年前のもの）
　　４０００円程度のもの。　お店でイヤホンタイプ＆１万円以下と
　　いう条件でじっくり視聴して買いました。　　なかなか元気がよく、
　　ポップス・ジャズ向き。　聴いていて楽しい。

・SONY低音重視ヘッドホン MDR-XB40EX
　　カナル型イヤホンは、ケーブルから伝わってくる「ゴゴゴっ」って
　　音が馴染めないです。
　　ケーブルを手で持って身動きしないで聞くと面白い音が聞ける。　が、肩がこる。
　　短時間で集中して楽しみたい時はこれ。　低音がたまらん。　

・SONY MDR-CD3000
　　CD900STが欲しくて、お店に行って視聴していたら、こっちを
　　買ってしまいました。　　CD900STともかなりの差を感じさせる、
　　とんてもないヤツ。　高域の抜け、音離れが良く、いやな主張がない。
　　AKGも良かったんですが、私には優しすぎる音質です。
　　
会社で使っていたもの（過去形です）
・SONY MDR-CD900ST
　　ノイズの聞き分けがし易かった。　前面に押し出してくる強い
　　音なのに音量を上げても耳が痛くならない、
　　音楽に集中できる環境を作ってくれる、時間を忘れられる。
　　爆音できくならこれでしょうか。
　　大きい音でなければ聴こえない音がある。（辻仁成さんがそんな事を書いていらした）

こうやって列挙すると、随分と沢山持っているなっと思いました。
普段は、何を使っているかというと、もっぱらPhilips製ヘッドホンです。
でも、これの型番が分からない（笑

　

電源デカップリングの容量

ぺるけさんのヘッドホンアンプを作ってみて、ふと思ったのですが、
デカップリングコンデンサの容量がとても大きいなっと。

某メーカに勤めていた１０年以上昔、先輩が、業務用のアンプのコストダウン検討をしていて、2200uFまで小さくすると、さすがに物足りないって言っていました。
そのアンプは75W＋75W（10%歪）くらいの出力のものです。

その結果、3300uF（±電源それぞれ）にしていた・・・　もちろん２ｃｈ分で。

そして、私もその検討結果のまま3300uFでイカせてもらいました（笑
確かに十分な気がしていました。
その後10年以上使われて、だんだん容量抜けしてくるんですがね。

ちなみに、この容量の小ささは、オーディオアナライザで静特性を測っても違いは殆ど見えてきません。
なので、部署内でダイナミックパワーを測る基準を作っていました。　
その測定条件は、記憶の奥底に眠ってしまいました。　ノートを探せば出てくるとは思います。

ぺるけ式ヘッドホンアンプの？なところ

このアンプの電流の大きいところを回路図に書き足してみます。

電源デカップリング2200uFに貯えている電荷が、出力バッファを通して、DCカットコンデンサも通してヘッドホンへ出ていきます。
そして、左右共通になったGND端子へ電流が戻って電源デカップリング2200uFへ帰っていきます。

改訂版の前の実装図では、素直にヘッドホンGNDがデカップリングコンデンサへ戻るような
配線になっていました。　しかし改訂版では、あろうことか、差動回路のQ1・Q2が基準にしているGND線へ電流が流れてしまう配線図になっています。

回路図に書き足すと下のようになります。
まずいのは、初段差動の入力部、470k抵抗と100ΩVRを落としているGND線上にヘッドホンからのリターン電流が流れてしまっている事です。　
これでは差動動作に、要らない電位が混じってしまいます。

GNDも配線であるため、そこに電流が流れると電位が発生するためです。
しかもヘッドホン特有の左右入り混じったリターン電流が流れるのです。

気分的な問題かもしれませんが、通常のヘッドホンを改造なしで使う場合はGNDが共通になっているため、電源やGNDを左右で独立させる効果が出にくいのではないでしょうか。
GNDや電源デカップリングを左右で分けても、リターン電流は混じって戻ってくる。　
さて、左右のどちらのGNDへ戻す？　　といったジレンマが発生してしまいす。

GNDが分かれていないボリューム近辺のラグ端子へ戻した（落した）のが改訂版です。

ヘッドホンごときのドライブ電流は大したことないから無視するという趣旨なら、それはそれでアリなのかもしれません。

エージング続行中。　若干聴きやすくなってきました。

つづく・・・

すみません。　回路図はぺるけさんのところから無断拝借しています。
依頼がありましたら削除させて頂きます。

ぺるけ式ヘッドホンアンプの良いところ

正直、色々勉強になりました。
ざっと、良いところをあげますと

・回路がシンプルで再現性が高い。
・コストが安い。
・ラグ端子を広く使っているので、メンテナンス性が良い。

　　これらは、初心者にも作りやすい環境を整えてくれている気がして関心しました。
　　回路が密集していないのでテスターで電圧を測りやすいのでトラブルシューティング
　　も楽にできるのではないでしょうか。

・割り切り方がすごい。

　　ＤＣ成分を帰還していない。　初段ＦＥＴ選別が必須。　１段増幅。
　　その結果、回路がシンプルになっている。　　

今回はその中のＦＥＴ選別も2SK389を使うことで省いてしまったのですが・・・

2SK170に対して2SK389は、2mA時のgmが約20mSに対して約18mS。
つまり初段のゲインが若干少ない。　＝ 帰還量が少ない。

その為なのか、音量を上げていくと耳につく歪みが増える。
このあたりはエージングが終わってから調整してみるつもりです。
定電流の電流値を上げるか、オーバーオールのゲインを下げるか。

結婚してオーディオアナライザとオシロを手放してしまったのが悔やまれる。

ペルケさんのＦＥＴ差動ヘッドホンアンプのページ

ぺるけ式ヘッドホンアンプを作りました

ぺるけ式ヘッドホンアンプを作ってみました。
2SK170はかなり厳密にペアを選別しなければならないアンプだけど、
面倒なので2SK389を使った。　　熱結合だけではなく、Idssの特性もよく揃っている。

色々手持ちの部品を使ったので、初段ＦＥＴが2SK389、最終段のトランジスタはSA1859/2SC4883。
オリジナルよりゴージャスになってしまったかもしれません。

ケースは100円ショップの窓付きの木箱で、内部回路が見えるのがおしゃれ？

ただ、ボリュームに手を触れるとハムノイズを拾ってしまう。　またボリュームをセンターにすると周囲のノイズを拾う不具合が発生。

結局、ボリューム周りにアルミテープでシールドしてＧＮＤに落として対処しました。

初段ＦＥＴだと、入力インピーダンスが高くて、あれこれ周囲のノイズを拾ってしまうんですね。
うちは強電界地域ではないはずなのですが、何かの電波を拾ってビートダウンを起こしてビビビっ　ビビビってノイズが聞こえていました。

シールド後は、ＣＤをSTOPした状態でボリュームをセンターにするとわずかに聞こえる程度。

完全ではないけど、スケルトン木箱では、こんなところでしょうか。
実際に音楽を聞くときのボリューム位置では感じられないので許せる範囲内と思います。