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。

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。

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。

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。

＜ 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。

　＜ 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 ＞

　＜ これがHD Audioコネクタケーブル 8ピンが目隠し ＞

　＜ 3.5インチスロット（FDDがあった所）に搭載 ＞

　＜ 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。

　＜ 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。

　　　＜ プレゼント基板（部品は未実装）＞

＜ 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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