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« D級アンプ HPC-01Bのひずみ率を測定しました。 | トップページ | 2019年ステレオ誌のOM-MF519を購入しました。 »

2019年7月15日 (月)

アンプの歪率カーブの読み方

アンプの特性のなかで従来から最も重要視されている歪率のカーブ(THD+N)について説明しようと思います。

ちょうど、先日、D級アンプの歪率を測定したときに得られたカーブが分かりやすいので、これで説明します。

Thd_01

ちょっと図の中に書き込みました。

 

青い斜線部

残留ノイズの大きさを示している部分です。ノイズが多いと青斜線部分が高くなり、ノイズが少ないと青斜線部分が低くなります。残留ノイズによる影響でアンプ本来の歪がマスクされて見えません。

残留ノイズが少ないVFA-01の歪カーブは以下のようになっていました。

Vfa01_thdn_trans

(縦軸にTHD[%]と書いていますが、THD+N[%]の間違いです。。)

 

この直線部分を比較してみます。例えば 0.1W時の歪率の数値を見るとその差が見えてきますね。

D級アンプは0.025%ですが、VFA-01は0.007%です。

カーブの形が似ていても、レベルが違うという部分が重要です。地方にある「なんちゃら富士」と本物の富士山のスケールの違いを想像してもらうと分かりやすい、かも。私の実家の近くには蝦夷富士(羊蹄山)があります。

 

 

緑色部分

ここは電源電圧による制限でクリップしているところです。

D級アンプの電源電圧は35Vで、VFA-01は18Vのときです。どんなアンプでも電源電圧を超えて出力は出てきません。信号が頭打ちになって平らにつぶれてしまします。

電源電圧が高いアンプほど大きな出力までクリップしません。しかし、500Wのアンプでも1000Wのアンプでも、出力を上げていくと必ずクリップする電圧が存在します。

 

 

右肩上がりの部分

最後に残った右肩上がりの部分が真のアンプの歪を表している部分です。

OPAMPのように歪が非常に小さいものでは、ここが見えず、残留ノイズの部分とクリップ領域しかないカーブが多いと思います。

Thd_02

D級アンプのカーブにまた追記しました。
それぞれの周波数で残留ノイズに埋もれた部分を推測するとこのようになると思います。

ひとくちに歪率カーブと言っても「THD+N」と「THD」とで違います。「+N」が残留ノイズを含めた一般的な歪率カーブです。ノイズ成分を無視したTHDカーブが上図です。測定器によって測れるものと測れないものがあります。

ノイズに埋もれた歪を解析するときには非常に有効ですが、これで測った数値をカタログスペックに乗せると反則です。

 

 

測定帯域幅

グラフに記述しているLPF 80kHzという注記が帯域幅を示しています。

数値をみるとき測定条件も重要です。特に測定の帯域幅でノイズ量が異なります。アンプが発生するノイズは、大別すると電源に関係するハムノイズと抵抗源から発する熱雑音=ホワイトノイズの2つに分けられます。

このうちホワイトノイズは全周波数帯域に一様に分布するため、測定帯域幅が半分になるとノイズ量が0.7倍(平方根)になります。帯域20kHzの測定条件と80kHzとでは帯域幅4倍ですからノイズレベルは2倍になります。

JEITAでは、歪測定の条件として500kHz帯域(通常のオーディオアナライザで帯域制限をかけない状態)と規定していて、それ以外の条件にするときは但し書きが必要になります。

Thd_with

帯域幅は80kHzと500kHzで6倍違いますし、20kHzと500kHzなら25倍違いますね。
THD+Nのノイズが違うのですから 測定帯域幅を書かないと意味をなしません。

 

 

ひずみ率計を自作?

「オーディオアナライザを持っていないので歪率計を自作した」なんていうのは言語道断。

自作スピードメータを付けた自転車で「時速450キロでたよ!」と言ってるのと同等で、測定帯域幅以前に土俵にも上がっていません。LPF 20kHz土俵での比較。LPF 80kHz土俵での比較。帯域幅500kHz土俵での比較。が正しい歪率対決です。

 

自作した場合は校正が取れた測定器と比較して値に相違がないことを確認して初めて「測定器」に昇格できます。

つまり、ひずみ率計を自作するにしても、それ以上高性能なひずみ率計やひずみ率校正器を所有しているか、レンタルしなければいけません。

ついで言うと、PCのFFTアナライザソフトで表示するTHD+Nは、FFT演算上、fsに相関がないノイズに対してプロセスゲインがあるため正しい値を表示しません。

 

そうそう、一部のガレージメーカーや新興国メーカーの製品、オーディオ系ではない技術誌の記事など、JEITA測定方法・表記方法に則っていない可能性もあるので注意しましょう。

 

 

 

 

まとめ

歪率は、まず測定条件を見る。

帯域幅が書いていないときは少し怪しいと勘繰るくらいの気持ちが必要です。

比較するときはカーブの形よりも数値を見る。

特に普段鳴らすときの音量(0.1Wから1Wあたり。低能率SPなら5W、10W、20Wあたり)の数値に注視する。

 

 

 

 

 

 

 

 


デジタルオーディオ機器の優遇

これを書くとややこしくなるので最初はあえて書かなかったのですが、記事としては1ページにまとまっている方が理解しやすくなるので追記します。


実は、デジタルオーディオ(具体的にはCDプレーヤー)が出てきたときに、それまでのアナログ機器の測定方法と違った測定帯域幅を設けました。標準500kHzで古い機器が80kHzまでの測定範囲だったところ、進化したはずの最新鋭コンパクトディスクがなんと20kHzです。

これは推測なのですが、デジタルオーディオはアナログオーディオよりも優れているというのを数値で表したかったのだと思います。EIAJ(JEITAに引継がれた)を構成しているメンバーもオーディオ機器を製造販売している会社と結びつきがありますからね。

まとめると、
アナログ機器:注記なし=500kHz
デジタル機器:注記なし= 20kHz

また、

20年ほど前に登場したDクラスアンプの測定では、デジタル処理式もアナログ処理式も関係なく20kHzのLPFを使っています。ひどいですね。

つまり、
A・AB級アンプ:注記なし=500kHz
D級アンプ  :注記なし= 20kHz

何度も書きますが、測定帯域幅が違うと歪率の数値は単純比較できないことを意味しています。帯域幅を狭くするとノイズが小さく見えるので相対的に歪率もS/N比も優れた数値になります。さすがに酷すぎなので、JEITAでは帯域幅をちゃんと表記するように改訂されています。

 

 総合ひずみ率 0.01 %(PHONO,20 Hz~20 kHz,出力50 W,8 Ω,JEITA)
 又は,
 総合ひずみ率 0.002 %(PHONO,1 kHz,出力50W,8 Ω,LPF 20kHz,JEITA)

 

これが現在の正しい表記方法(JEITA CP-1105Aより抜粋)です。LPF注記なしの場合は帯域500kHzと考えて良いです。

 

近年ではハイレゾ対応のD級アンプが出てきたため、ICのデータシートでもLPF20kHz、LPF80kHz、AUX-0025など測定帯域幅について注記されるようになってきました。もともとICの測定方法にはEIAJやJEITAのような標準規格がないため、ICメーカーによって基準が違う(ナショセミでは仕上がりゲインでひずみ率の数値を割ってる)ので、もうぐちゃぐちゃです(笑

 

 

という訳で、

本日の締めくくり。

歪率は安易に信用するな!


ですね。

JEITAの規格書は、以下URLで閲覧出来ます。
https://www.jeita.or.jp/cgi-bin/standard/list.cgi?cateid=1&subcateid=2

参考にどうぞ。

 

 

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電子回路」カテゴリの記事

コメント

ディスクリートパワーアンプに興味があり、作成させて頂こうと思っていたのですが、少し前?位からVFA-01の在庫が切れているようです。
次回在庫補充される予定は御座いますでしょうか。

通りすがりのDIYer さん

すみません。在庫あると思いますので補充いたします。

丁寧な説明ありがとうございます。

ところでアキュフェーズのカタログに

* 保証特性はEIA測定法RS-490に準ずる。

と書いてあるのはJEITAと違うのでしょうか?

たぶん歪が増えるハーモナイザーを通すと音がくっきり心地よく聞こえます。
結局のところ歪は少ないほうが良いのか?多い方が良いのか?判断しかねます。

たかじんさんのご意見はいかがでしょうか?

永遠の初心者さん

EIA(アメリカの電子産業協会)
EIAJ(日本電子機械工業会)
JEITA(電子情報技術産業協会)

歴史的背景は私も詳しくないのですが、EIAJの規格はアメリカのEIAを元にしていると思われます。

その後、EIAJがJEITAになりました。

ちゃんと規格書を比較していませんが、重要な部分での条件は殆ど一緒と思って間違いないと思います。

アキュフェーズは少し古いアメリカの規格に沿ってカタログスペックを表記しているんですね。測定条件が変わらないと思われますので、スペックを直接比較する上で困ることはないと思います。

詳細はこちらにありました。
http://thecarversite.com/yetanotherforum/uploadfiles/20141120110945135.pdf

スペックが良ければ音も良いとは言い切れないですから、アキュフェーズの製品を買うのであれば、一度ショップで試聴してみるのが良いかと思います。少し好みの分かれる音とも思いますが、サービス体制やリセール価格など他社とは違う良い面があるのも確かです。

アドレスVさん

ハーモナイザー、人気のようですね。似た実験をHyCAAヘッドホンアンプで随分前にやってました。

https://nw-electric.way-nifty.com/blog/2012/07/hycaa-331e.html
真空管の2次歪によりCDでも20kHz以上の高域が出るというものです(笑

まあ、個人的には0.1%以下の歪率であれば目くじらを立てるほど、ひどい数値ではないと考えています。でも欲を言えば0.01%程度には抑えたいですね。。。

大音量で再生すると、やはり歪の多いアンプは聞き疲れというか「うるささ」が出てくるような気がします。

昨今の?大手メーカー製品のカタログスペック値は、「お約束」で聴感補正Aカーブのフィルタか、20KHz(?)フィルタを使っているのが前提で書かれていて、周波数帯域は省いて書く傾向にありますよね。

まぁ、メーカサイドからすれば買ってほしいという事もあるでしょうし、特にあまりオーディオ事情に詳しくない方?などは(?)スペックがよければ音もいいはずと想っていたりする?等の事情もあるでしょう、もし、アンプの出す音に決定的な違いがあまりないような場合は、どうしても電気的特性が良い方が、良い物を買った気分になれますからね(笑)

というか、そもそも、雑音の単位で【入力換算雑音電圧密度= xx V/(√Hz)】がある訳ですから、単位を見れば、雑音は、周波数の平方根倍増えるのは明確ですからそういうスペックの表し方でもよいのでは?とも思いますが、まぁ自作したり、回路設計等を生業にしている人にしか馴染みが薄いでしょうから、そういった事もあるんでしょうかね。わかりませんが(笑)

それと、1点、おきかせ頂きたいのですが、JEITA測定方法は私も簡単に目を通してはおりますが、帯域幅500kHzで定義しているのは見落としておりました。そこでふと、気づいて調べたのですが、既存のオーディオアナライザーの帯域幅の多くは110KHz(新しい物だと、U8903A、私の持っているVP-7722A)で頭打ちで、あまり突っ込んで調べてはいませんが、ローデ・シュワルツの一番高価なものでも250KHzだったのですが、事、最近のオーディオアナライザはアナログ帯域が500KHzまであるものはどれくらいあるんでしょうか?簡単に調べただけなので、わかりませんが、その辺はどうなっているのか、オーディオアナライザーの最新の現状を知らないので質問してみました。
m(UU)m

たかじんさん、こんにちは。 ま。です。
VFA-01の在庫の追加、私も期待してます。
すでに5セット10枚のVFA-01を作成しましたが、全てパワー段をMOSFETで作ってしまったので、いまだにVFA-01とはいろいろ格闘?してます(笑)
今回は比較用にバイポーラトランジスタで回路図通りに素直に作りたいと思っています。よろしくお願いいたします。

松居純哉さん

結構、研究されていらっしゃいますね。S/N比や残留ノイズなど、直接ノイズの量を表すときは「A-WAIT」という聴感補正を入れます。デジタル機器では、更にLPF20kHzも併用します。

歪率のときは、A-WAITがかかると高調波が正しく拾えなくなるため入れません。その辺りはEIAJのころから変わっていないですね。

帯域500kHzというのは、オーディオアナライザの入力の特性です。
信号発生器と歪率計測の上限が100kHzや110kHzで、例えば、100kHzの歪率を見た場合は第5高調波まで測定できるようになっています。


同価格帯のアンプ同士だと、カタログを見比べてスペックの高い方を買いたくなるという心理が働くため、スペックは販売戦略的に非常に重要です。

ここ10年くらいは、歪率やS/N比で音は表せないという考えが浸透しつつあると思いますが、理系の方々はやはりスペックを見てしまう。 関連性が完全にゼロではないですしね。

あと、オーディオ誌を読んでも、モデルチェンジで「S/N感が良くなった」なんて表現が多いのも気になります。 旧モデルで、そんなにノイズが聞こえてたのか?

ま。さん

ありがとうございます。
VFA-01を5セットも組んで頂いているのですね。私よりも多いです。。

少々お待ち下さい。週末には発送します。

通りすがりのDIYerさん
ま。さん

すみません。VFA-01基板の在庫があると思っていたのですが、ありませんでした。
本日、リピート発注をかけましたので、もうしばらくお待ちください。
2週間くらいで納品されると思われます。

よろしくお願いいたします。

たかじん様

お返事遅くなりました。
m(UU)m
また、相変わらず、簡潔で解り易い説明ありがとうございます!
はい、色々と研究&勉強させて頂いています!
m(UU)m

Aウェイトフィルターは、ノイズ関連の測定の際にしようするものでしたね。頭の中がごっちゃになってました。。(笑)
もっとしっかり、JEITAの規格書は読み込まなければと想います。

オーディオアナライザの入力の周波数特性は、その様(測定周波数の第5高調波まで測定)になっているのですね。
カタログでスペックを確認しても大体、測定周波数&出力の帯域しか書いておらず、しかも、THD+Nについてもその周波数に同じ、と書かれているので、わかりませんでした。(笑)

私の所有する、VP-7722Aのマニュアルを見ても、『通常の歪み歪み計側と同じ測定方法』としか書いておらず、、、と思いきや、今改めてマニュアルの詳細を読み進めたら、はっきりと【測定系の周波数帯域は500kHz】と明記されていました。

オーディオ回路の歴史は古いですから、私の推測ですが、『通常の歪み歪み計側』=【歪み計】の帯域は暗黙の了解で、JEITAの規格=500kHzという事なのでしょうかね!?まぁ図りかねますが(笑)

あと、掲示板の方もご回答頂きありがとうございました!
また時間を作って返信させて頂くかもです。
m(UU)m

何時も色々とありがとうございます!

たかじんさん、VFA-01のご対応ありがといございます。
因みにたかじんさんのご意見をお伺いしたいのですが、最近のDAC中心のオーディオ環境では、セパレートアンプシステム(プリ+パワー)ですと全体的なゲインが高めの認識です。VFA-01はパワーアンプとして約27dBが標準のゲイン設計かと思いますが、通常ですとプリアンプのボリュームをかなり絞り込んだポジションで聴くことになっています。
私が作成したVFA-01はゲインを約21dB程度で実装していますが、設計上発振までのマージンを減少させている可能性もあり少し心配しているのですが、この辺いかがでしょう。

松居純哉さん

どちらかというと、帯域が500kHzまであるので、100kHzの信号なら第5高調波まで、50kHzの信号なら第10高調波まで見えるという感じです。

ちなみに、JEITAもEIAJも500kHzとは明確に書いていなかったと思います。でもS/Nを測るノイズメーター(ミリバルのA-WAIT付き)などでも帯域が500kHzと書いてあり、それが事実上の標準帯域になっています。古い測定器は80kHzから100kHz程度だったので、それと同等の測定結果を得るためにLPF80kHzが存在するという話は聞きました。
高性能な500kHz帯域の測定器にしたら、従来の測定器よりも歪率が悪化したということになりかねないですからね。


ま。さん かな?

VFA-01は、初段をバイポーラにしたときにオープンループゲインが高く、仕上がりゲインを27dBで安定できるギリギリに調整していました。
ですので、これ以上下げると安定性を確保するのが難しいと思います。ただ、JFETを初段に使う場合は、オープンループゲインが低くなるため、仕上がりゲインを21dBくらいに下げるならどうにかなるのではないでしょうか。

位相補償の容量を若干調整する必要があるかもしれませんが、適当にやってみてください。
完全には発振していなくても位相余裕が足りなくなるとキンキンした音になって聴感上分かることもあります。逆に(微小)発振していても全然分からない事もありますので、オシロでの波形確認は必須です。


ま。です。
コメントありがとうございました。
今迄VFA-01を10枚作って格闘した実体験がスッと腑に落ちた気がしました(笑)ゲイン以外にも標準仕様でアンプにしていない点もあるのですが肌感的にセンシティブな気がしてました!不安定さは基板上の部品をかるく触るとDCオフセットが揺らぐので当たりはつきますね。オシロでも見ますが。
今はゲイン21dBで殆どの基板は着地できましたが、27dBの方が音の広がりが良い気もして?、入力に抵抗でアッテネータを入れようか、でもそれも気持ち悪いしと悩んでました。
多分作例にはならないと思いますが、状況をUP出来たらと思います。
ありがとうございました。

たかじん様

早速ご返信、ご丁寧にありがとうございます!
m(UU)m

測定帯域が500kHzなら、ちゃんと仕様欄に書いておいてもらえればありがたいんですけどね(笑)
取説の本文にさらっと『測定帯域は500kHzです。』と書いてあったので(笑)

それと、釈迦に説法かもしれませんが、ノイズメーターもNFのM2174と予備に目黒のMN-446を所有していますが、測定帯域が500kHzまでなのは、平均検波(AVE)で、且つ測定レンジが300μ~100レンジで、他の真の実効値や、準尖頭値の場合はレンジがせまくなりますよね。

また、本当に微笑ノイズを計測するレンジの10μレンジとなると、わかりませんが、フィルタをかけて使うのが前提なのか?M2174でも、50kHzまでですし(笑)

ただ、事実上、JEITAもEIAJにもはっきと、500kHzと書いてなくともやはり、『測定帯域は【500kHz】基準・標準』と言う事で、オーディオアナライザーの仕様にものせていないのかもしれませんね(笑)

すみません、本当に蛇足というか釈迦に説法なコメントでした。
m(UU)m

でもいつも本当に色々と有難うございます!
大変勉強になっております!
これからもよろしければ懲りずにアドバイス頂ければ幸いです。
m(UU)m

よろしくおねがいします!
m(UU)m

ま。さん

使用する部品でも安定度が変わりますね。 最終段をMOSにする場合は特に要注意かもしれません。 ゲート抵抗をちょっと高め(470とか1kなど)にしてしまうという手もありますし、3段ダーリントンを2段ダーリントン構成にしてしまうとかもアリです。
もちろん音にも影響があるので、音を聴きながらの調整が必要と思われます。
この辺はシミュレーションがあまり役に立たない領域ですね。特性が殆ど変わらなくても音は劇的に変わるってことはよくあります。

おっしゃる通り、NFB量は音の解放感にも変化を与えるので、ちょうどよいゲインを見つけるというのも楽しみの一つですね。


松居純哉さん

メグロのノイズメータにはそんな制約があったんですね。AVE検波の実効値で見ていたかもしれません。あまり気にしてなかったです。ほとんどA-waitをかける状態でしか使わないのでほぼ関係ないですけども。

https://3d-yd.com/jpdf1/8903B_c.pdf
一時期、業界標準ともいわれたHPのアナライザの取説も読むと面白いかもしれません。

おっしゃる通り、規格書に明確にかいてほしいものですね。

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