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2020年10月10日 (土)

PCに組み込むヘッドホンアンプ Sound RABBIT & 900万PVありがとう企画

ありそうで無かったもの

昨年、PCの中身を新調した事はここで書きました。以前作ったPCから10年。技術の進歩は想定外の所にありました。

Rabbit_01

 

それは、騒音が劇的に減った所です。

・HDDからSSDになって無音化
・CPUにGPUが内蔵されてグラフィックボードが要らなくなってFANがひとつ減った
・アイドル時のCPUの発熱が減ってCPU-FANの回転数が下がった(FANは変更していない)
・ケースFANはマザボ温度が30℃以下のときに停止する
・電源は変更していないけど負荷が減ったことでFAN回転数が下がった

これらの効果で、部屋のエアコンよりもデスクトップPCの方が静かになりました。

 

 

最近のマザーボードのオンボードサウンドの品質

加えて、マザーボードのオンボードサウンドが割とちゃんとしていることに気付きました。ベタGNDを切り離して周囲からのノイズが混入しないように気を使って設計しています。

Rabbit_02_20201011101401

実際に再生音もノイズは皆無で静かな曲を聴いても問題ありません。本格的PCオーディオにしようとしている人以外でしたら、USB-DACなど外付けデバイスを使用しなくてもYouTube、spotify、Amazon musicなどの圧縮系音楽を聴く分には十分楽しめるレベルになっていると思います。少なくともAKI.DAC-U2704+タムラトランスよりもキメが細かく聴こえて情報量が多い。素質の良さを感じます。

もちろんPCIexpressに挿すSoundCARDには、もっと良いものがある思います。

 

 

ヘッドホンの駆動力はさすがに足りない

いろいろなヘッドホンを挿して聴くと、良い所と、もう一息な部分が見えてきます。
MDR-M1STでは平面的で、中低域の躍動感がたりない。何というか音楽がイキイキしていません。全体的にドライブしきれていない感じが残念です。
しかし、AH-D2000やDT-900 PROで聴いたときはS/N感が結構良くて滑らかで繊細。ハイレゾ音源の高域側の自然さもなかなかです。まあ、中低域の色の深みはもう一息です。こんな時はヘッドホンアンプを後付けする手法で音質向上が望めそうと思いました。

カジュアルに、でも、しっかりヘッドホンを駆動できるアンプ基板が欲しい。

という訳で、マザーボードから出ている「HD AUDIO」端子に接続できるヘッドホンアンプを作ってみることにしました。

 

 

ジャックセンス

HD AUDIO端子(フロントパネル・オーディオ端子)にはジャックのセンシング機能が搭載されていて、ヘッドホンを挿すと自動で認識して、リアパネル端子に出力していた音声を止めてフロント端子の方に切り換えたりします。BIOSや付録ソフトでジャックセンスを無効にすることもできますが、意外と便利なので機能するように作りました。

https://www.intel.co.jp/content/www/jp/ja/support/articles/000005512/boards-and-kits/desktop-boards.html

 

 

ヘッドホンアンプ部の回路

回路はフルディスクリートではなくOPAMPを使用して小型化しました。それでも出力段だけはディスクリート構成です。

Rabbit_03

一度バッファで受けて、後段でバランス化+TLB出力でヘッドホンを駆動。
※)TLB=トランスリニア・バイアス

OPAMP部を反転回路にしているのは、その方が優しくキレイに聴こえるからという理由です。おそらくPCで聴くのは圧縮音源が多いと思うので、少し優しく聴こえる方が良いかなと思います。入力バッファと合わせて2回信号を反転させて正転に戻ります。また、各段の増幅率を10dBに設定しているのも、0dBよりもNFB量が減り開放感が増してヌケの良い音になるからです。あくまでもヘッドホンで聴いたときの「聴き心地の良さ」を重視した構成で、S/Nが犠牲になっている部分は目をつぶってください。

 

 

トランスリニアバイアス

ディスクリートの部分は、黒田式に近いシンプルなトランスリニアバイアスを採用しました。SEPP回路のエミッタ抵抗の代わりにダイオード接続したトランジスタを挿入することで前段がトランスリニアバイアスとして動作し、最終段トランジスタの電流が枯れないようバイアス電圧が与えられます。よってアイドリング電流を少なく設定できるため、純粋なアナログアンプでありながら低発熱で歪の少ないアンプが組めます。もちろんOPAMP出力だけよりも大電流が出せるので駆動力が増します。

Rabbit_08

< 緑:NPNエミッタ電流、青:PNPエミッタ電流、赤:負荷電流 >

LTSpiceシミュレーションによると、ダイヤモンドバッファと簡易TLBとでは、大振幅時にTLBの方が少しだけ3次高調波による歪が多くなる傾向がありました。通常ヘッドホンを駆動している0.5V以下では同等か、むしろ良好です。大振幅時でもTLBではスイッチング歪が発生しないので、耳障りな音にはならないと考えています。

 

 

バランス駆動

バランス駆動は、流行りモノということで搭載してみました。+側と-側の両方を駆動するので振幅が2倍になり、出力パワーは4倍(W=V^2 / R)に増えます。感度の低いヘッドホンや高インピーダンスなヘッドホンでも大音量で鳴らせるようになります。そして、GND分離と同様に左右間の干渉が無くなるため、音の混濁感が減って、ひとつひとつの音が明瞭になります。
バランス駆動は2つのアンプで駆動するため、アンプが持つ「音の着色量」も2倍に増えるような感じがしています。アンプに無色透明を望んでいる人は、GND分離の方が望ましい結果になるかもしれません。より積極的にアンプによる色付けを求めるならバランス駆動です。音色・印象はOPAMP交換により変更することができます。

 

 

電源連動ミュート機能

PCの12V電源が止まるのと同時にアンプ基板の電源も落ちます。出力リレーを使って不用意なポップノイズを抑え込んでいます。電源ON時は3秒ディレイのあとミュートを解除します。おもちゃっぽいヘッドホンアンプではミュート回路が省かれることが多いですが、リレーで高級感を演出しました。DCオフセットや過電流などの保護機能は有していません。

 

 

マイク端子

私の趣味からして、PCにマイクを挿して使うことはないので削除しようと考えたのですが、オンライン会議などマイク使う機会が増えているためIntelのHD AUDIO規格そのままでジャックのみ搭載しました。いま考えてみるとプラグインパワー、ファンタム電源など搭載しても面白かったかも。(私がダイナミックマイクを持ってないので・・・)

 

 

Sound RABBIT

基板名称は、はんてんさん(@chiacchiere_)のサウンド・タイガー(バランス駆動ヘッドホンアンプ)にあやかって、でも、そんなに強くないイメージでサウンド・ラビットにしました。DAC基板のバッファローとか、動物の名称を基板名にするのは一度やってみたかったのですよ。。。
サウンド・タイガーは、ボリュームを搭載しない割り切りで高音質と評判のポタアンです。回路は公開されていらしゃらないので詳細不明ですが、DAPを外付けアンプで駆動力UPするというディープな世界に足をつっこむのもアリと思います。(貸出し機もあるそうです)
当方のSound RABBITもボリュームを搭載せず、OPAMP+トランジスタ構成でバランス駆動するという部分は似ていると思います。

 

 

基板の固定方法

2.5インチHDD->3.5インチHDDマウント変換を使って基板を固定します。3.5インチのFDD用スロットを意識しています。もちろん5インチスロットを使っても構いません。マウント変換はいくつかの種類が市販されていますが、底面の4箇所のネジで固定するタイプを使います。
※2.5インチ->3.5インチ->5インチと変換してBD/DVD-ROMスロットに挿してもOKと思います。

基板をベタおきすると裏面でショートするので、六角支柱やワッシャーを使って基板と金属板の距離を空けます。フロントパネルは、PCケースに付いているフタを加工するつもりですが、まだ穴あけしてません。

Rabbit_04

 < 基板を2.5インチ->3.5インチ変換マウンタにのせて固定 >

 

Rabbit_06

 < これがHD Audioコネクタケーブル 8ピンが目隠し >

 

Rabbit_07

 < 3.5インチスロット(FDDがあった所)に搭載 >

 

Rabbit_05

 < まだフタの加工をしていないけど組み込み完了 >

 

 

さっそく試聴

うんちくはさておき、実際に使ってみました。
Rabbit_10
 < ちゃんとジャックセンスも機能しました >

音はフワッと柔らかい表現の中にもキレと繊細さがあります。低域側の腰砕け感も消えてエレキベースやバスドラの芯がしっかりしました。なにより音楽の躍動感がばっちり出てきたのでyoutube鑑賞がめっちゃ楽しくなりました。また、どのヘッドホンを使ってもドライブ不足感はありません。

終段トランジスタに常時電流を流すTLBは、もしかしたら中高域のヌケの良さと、残響音のキメ細かさに繋がっているのかもしれません。黒田式ゼロディストーションアンプでも、柔らかさとキレの両立が特徴的だと感じていました。HPA-1000など、本格的なアンプほどの余裕を感じることはないんですが、この手軽さは良いですね。PC直刺しヘッドホン。

 

 

4.4mmバランスの音は

バランス接続も試したところ予想通り色が濃いです。OPAMPの選択がモノを言う感じです。色々試して好みで選定するのが良いかもしれません。私は、前段はMUSES8832で低音の厚みを増して、後段にOPA2134を使って独特な中高音域のサラサラ感をだしてみました。

空間系エフェクトが沢山入ったperfumeの曲などはバランス接続で聴くと病みつきになる中毒性があります。

6.3mmジャックの方もGND配線に気を配ってパターンを引いたのが功を奏し、ヘッドホンケーブルが4芯ならバランス接続とさほど変わらない空間表現、音の粒の分離感で聴くことが出来ます。OPAMPの色乗りをより濃く聴きたいならバランス接続。着色を抑えたいならアンバランス接続という感じで使い分けると良いと思います。

 

 

900万PV 企画プレゼント

いつもブログへのご訪問ありがとうございます。せっかくですので、この出来たてホヤホヤのsound RABBIT基板をプレゼントしようと思います。

 

3.5インチスロットが空いているデスクトップPC所有
  +
HD AUDIO端子がマザーボード上にある
  +
ヘッドホンマニア
  +
電子工作が趣味(電子部品購入・半田付けができる)
  +
カジュアルにPCで音楽が聴きたい

 

という、守備範囲が超絶的に狭い ウルトラ・ニッチ基板ですが、奇跡的に上記の条件を満たせる方がいらっしゃいましたらお譲りいたします。基板は10枚作って9枚余っているため、

 

先着9名様です。 9名様もいらっしゃるか分かりませんけど。。。

下のコメント欄に、
メールアドレスをメールアドレス欄に書いて
内容欄に「サウンドラビット基板希望」と書いてください。

後日、こちらからメールにてご連絡いたします。

Rabbit_11
   < プレゼント基板(部品は未実装)>

Rabbit_09

< 6.3mmジャックで大型ヘッドホンも直刺しOK >

 

 

ちなみに、DC12V電源と音声入力があれば、ヘッドホンアンプ単体として動作します。

回路図や部品表も後日公開します。
※)基板シルクのトランジスタの方向(ECB -> BCE)が逆でした。逆向きに半田付けしてください。

 

 

 

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PCオーディオ」カテゴリの記事

コメント

サウンドラビット基板希望
さーて間に合うか笑

おお~、これはニッチなところを攻めてきましたね。
実にオモシロいです!

というわけで、

サウンドラビット基板希望、、、

といきたいところですが、昨今の省スペース化で他は全然満たせるのですが、どうしても「3.5インチスロットが空いているデスクトップPC所有」が満たせませんでした(-_-;)

まあ、3Dプリンターで拡張ボディはすぐに作れるんですが、、、

サウンドラビット基板希望
応募させて頂きます、宜しくお願い致します。

サウンドラビット基板希望

「サウンドラビット基板希望」

9名に間に合うかな?

間に合いますか?

基板希望です

サウンドラビット基板希望
お願いします。

コメント欄では初めまして
とても興味深い内容でしてたので応募させていただきます。
サウンドラビット基板希望

サウンドラビット基板希望

まだ間に合いますか?

「サウンドラビット基板希望」

完全に出遅れ
でも欲しい
「サウンドラビット基板希望」

サウンドラビット基板希望

出遅れましたが、宜しくお願い致します...m(._.)m

「サウンドラビット基板希望」

あ、出遅れですね。残念…。先着を見逃していました!
成程デスクトップPCの音質は良くなっているんですね。
さすがにノートPCでは大きさや内部配置の関係による雑音混入などで難しい気もします。少し古い機種ではそうでした。最新はどうなんでしょう?

「サウンドラビット基板希望」、、、
PCでも音楽をより堪能できればと思っていたところ、この記事を拝見しましたが、間に合いませんでした。有料頒布はあるでしょうか?

「サウンドラビット基板希望」
これいいですね。遅かったかな。

「サウンドラビット基板希望」
遅かったけど。。いちおう申し込んでみます。

早速のご応募、ありがとうございます。

既に9名様を超えているようですので、受付は終了いたします。

Kichitaro さんは「エントリー無し」で良かったでしょうか?

正式決定は以下の8名様

かわてさん、バターさん、青砥浩一さん、kuutanさん、
ひろせさん、z8874さん、ニックさん、福島のmomoさん

Kichitaro さんのエントリー有無で次の「無名さん」がきまります。

よろしくお願いいたします。

Twitterの方でも回答しましたがエントリーなしで、問題ありません。(お騒がせしました)
イマドキ、デスクトップPCを使っているニッチな自分ですので十分エントリー資格はあるだろう、と踏みながらよくみると全然ダメでした。これ、相当のニッチですねw
内部から配線して、ケース外に付けるとか単純なヘッドホンアンプ化する、などはちょっとせっかく譲っていただくのにズルしてるみたいですので、他の方に楽しんでいただければと思います!

これからもこういうニッチな物も大好物ですので、面白いプロダクトを見せて頂ければうれしいです(*^^*)

Kichitaro さん

いやー。 ほんとに、自分が欲しいってだけで作った基板ですので・・・
デスクトップPCも3.5インチスロットが少なくなってきているんですかね。FDDはいらないので、USB端子などに使ってしまうと空きスロットがなくなりますし、USB端子とヘッドホン端子のどちらを優先するかというと、USBですからね。。

Reaktek(通称"蟹")のサウンドチップは昔は叩かれたものですが、最近のものは良くなってるんですね。私も、中級中華USBDACを購入するまでは、Ubuntu + ReaktekのS/P DIF出力→PCM5102DACで聴いていました。

サウンドラビット、素敵な企画ですね。
このすっきり感は自作デスクトップ使用者には魅力的です。
今はアイソレータ通してUSBDAC経由の外部ヘッドフォンアンプなんで
ケーブル感がうるさくてイマイチ。

ヘッドフォンマニアじゃないので・・・・
バランス対応品持ってないし・・・・
有償配布が始まったら買うと思います。
MDR-CD900ST改造するかなぁ。


かわてさん、バターさん、青砥浩一さん、kuutan さん、ひろせさん、z8874 さん、 ニックさん、福島のmomoさん、ななしさん、

おめでとうございます。
既にメールを頂いている方も沢山いらっしゃいます。これから発送準備をいたします。よろしくお願いします。


だらんだらん、あずらたんさん、onajinn さん、ターキーさん、かわべさん、sunacchi さん。

申し訳ございません。先着という安易な方法で間に合いませんでした。
リクエストが多ければ頒布しても良いかもしれませんね。

DSK さん

カニ社コーデックは、本当に酷ければマザーボードメーカーも使わないと思うのです。チップの性能よりも使いこなしが出来てなかっただけかもしれません。 あれだけデジタル回路が乗っている基板でDACの性能を出すのは至難の業とも思います。
とは言ってもPCM5102ほどの実力は無いかもしれないですね。


sawanoriichi さん

ありがとうございます。自作PCユーザーは、まだ一定数いるとは思っています。
ただ、3.5インチスロットがフロントパネルに出ているケースが減っているかもしれないですね。
モニターヘッドホンや、高級なヘッドホンだと6.3mmプラグしかついていないものが意外と多く、それをそのまま挿せればいいなと思いました。バランス接続は、上に書いてある通り、流行りものだから搭載してみたという感じで、本命は6.3mmできっちり聴けることです。

こんにちは、面白いコンセプトですね!
個人的には「パソコンに6.3mmジャックが直挿し可能」なだけでも「あー、いいなぁー」と思って写真を見てました。
ところで質問なんですが、ヘッドホンアンプとして作る時に5V両電源は、12VからDCDCで生成したものと、トランス+レギュレータで作ったものと、トランス+整流非安定とでは、音は結構違うのでしょうか?
(作りゃいいのですが、、、)

中島屋さん

ありがとうございます。 アンプの電源は重要ですからね。

PCに内蔵するということで、スイッチング電源のノイズからは避けられないですから、諦めてお手軽なDCDCを採用しています。ただしフローティング電源で、HD Audio端子側のGNDを基準に動作させています。

純粋に良い音を楽しむのでしたらトランス電源ですね。 ヘッドホンアンプの場合、非安定にすると、ハムノイズが出る可能性があるため、最低限リップルフィルタは付けておくべきと思います。

7815やLDOなどのレギュレータを使うと、一気に音がつまらなくなります。ノイズ云々という話とは別次元の音のネクラさです。 こちらが正解の音という話もあるのですが、個人的には聴いていて楽しい方、心地よい方がストレスを感じなくていいなと思います。

御返答ありがとうございます!
作ろうとパーツ集めて、集めっぱなしの物がどんどん溜まっているのですが、本作もパーツ集めを始めようと思っております^ - ^;
いまのところ、CRのパイ型フィルタで行こうと(簡単そうなので(汗))思っております。ただ理屈を理解して無いので無理かもしれませんが、「チョークコイル使えないかなぁ?」とか妄想もしております。
でも、たかじんさんの電源作品を使わせていただくのが一番「間違いない!」ですね(笑

中島屋さん

C・R・Cのパイ型は、HPA-12でもHPA-1000(PRT-03)でも使っている方法です。結構大きな容量のコンデンサが必要ですが、回路は単純でリップル低減の効果もそこそこあります。

PCからのDC12V電源はリレーの駆動に使っているため、省略はできないのでご注意ください。

ヘッドホンアンプはHPA-1000でいいので、
今度はPC内蔵型のスピーカー用デジタルアンプを作って頂いたら、
買うかもしれません。

DSK さん

なるほど、面白いアイデアですね。

ISAバスと違って、いまのPC内のバスに挿して認識させるのはハードル高いですが、物理的に挿すだけで、HD Audio端子から信号をもらうというなら簡単です。

リアパネルに固定する金具だけが厄介かも。。。 ケースに付いているブランクパネルを加工くらいですかね。

初めまして

こちらの回路図の全貌は公開していないのでしょうか?
もし公開して頂けるようでしたらTLBバランス型ヘッドホンアンプをユニバーサル基板で組んでみたいと考えています。

宜しくお願い致します。

Woods さん

回路図、外形図など、公開してます。
https://nw-electric.way-nifty.com/blog/sound_rabbit.html

発振しやすいとかもないので作りやすいと思います。

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