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2022年8月15日 (月)

アンプのリモートセンシングの効果は絶大!?

以前ちらっと書いたリモートセンシングについて、実験をした結果を報告いたします。

オーディオアンプの技術でリモートセンシングと書いても分かる人は殆どいないと思いますが、Kenwoodのシグマドライブと書くと「ああ、あれか!」と思い出す人も多いと思います。 オーレックスならクリーンドライブです。

Remotes_00

何やら怪しい「青い」配線が・・・

 

 

過去の製品から学ぶ

まずは大先輩の作例を拝見していきましょう。以下のブロック図はKENWOODのL-08Mのものです。1980年の製品だったようです。

L08m_block

L-08Mダンピングファクタ=2万以上(55Hz)と、とてつもないスペックを誇ります。KA-2200は1000、KA-1000は600、KA-900は500だったようです。

 

シグマドライブ部分の配線を色分けしてみました。

水色の線は、アンプ出力からNFBをかけるライン。出力リレーがOFFしているときに帰還させるループで、出力リレーがONしているときは働いていません。

赤色の線は、スピーカ本体の+端子からのリモートセンシングです。出力リレーがONすると赤色のラインからNFBを掛けます。つまりスピーカ本体のターミナルまでをNFBループにする配線です。

紫色の線は、スピーカ本体の-端子からのリモートセンシングです。アンプが増幅する信号基準(シグナルGND)へと繋がっています。モノラルアンプならではの手法のような気がします。

緑色の線は、スピーカのGNDラインです。スピーカーへ流れた大電流はここへ戻ってきます。

Remotes_06
< L-08M service manual から。リレーでNFBを切換えてるゾ >

 

簡単に書くと、

シグマドライブは、スピーカ本体のターミナルからNFBをかける仕組みです。スピーカ配線の抵抗をキャンセリングして、アンプがダイレクトにスピーカーユニットを駆動できるという技術です。

Remotes_07

配線が4本に増えてしまう手間と、配線を間違えたりセンサー配線の接点が不安定だったり、配線が長すぎたりするとアンプを壊してしまうというリスクもあったようです。最終的にはシグマドライブtypeBという名称で、アンプの出力端子からリモートセンシングする方式に変更して4本もスピーカへ配線しなくても済むようになりました。(シグマドライブを名乗る以前のL-01Aも出力端子部からリモートセンシングしていてDF=1000を実現していたのでシグマドライブtypeBの祖先と言えるかもしれません。)

 

この方式は、ケンウッドからスピンアウトしたアキュフェーズの現在のパワーアンプにも引き継がれているようです。

以下は最新のP-7500というモデルのカタログからの抜粋です。

Remotes_01

なるほど。こうしてブロック図にすると+-両方をリモートセンシングするとキレイです。そしてシグマドライブTypeBです。

 

 

 

という訳で、

早速実験を

前置きが長かったのですが、SMR-01基板にリモートセンシングを追加してみましょうという話です。

Remotes_02

この青い2本がリモートセンシング配線です。回路図的に書くと以下のようになります。とりあえずの実験なのでプラス側の信号しかリモートセンシングしていません。

Remotes_03

さすがにL-08Mのように内部NFBをリレーで切るのは危険を感じるので、1MΩという高抵抗でNFBループを切らないようにしています。この抵抗値でもDCオフセットは10mVくらいに収まるため(MOSFETリレーだけど)リレーON時のポップノイズは皆無です。

スピーカターミナル部から56kΩを通してフィードバックするようにしました。こちらも特に発振などしていない様子。SMR-01は安定度の高いアンプなので気軽に実験できていいです。

ご覧のように特に帯域制限など設けていません。100%の帯域で出力端子からフィードバックをかけています。

 

 

 

実食(実測)

超低インピーダンスアナライザ基板を作った最大の理由は、これを測りたかったから。

まず出力インピーダンス特性から。10mΩ以下もばっちり測れています。

Remotes_04

ノーマル状態と比較しました。赤い方がリモートセンシング版です。

10mΩを下回っても滑らかな測定結果は、超低インピーダンスに特化したこの基板のおかげと思います。

 

 

ダンピングファクタ(DF)は8Ωを基準にしているため、DF=8÷出力インピーダンスで計算します。

Remotes_05

SMR-01は多量NFBアンプなのでノーマルでも250を超えていたのですが、リモートセンシングをすると900近い数値がでました。

よく見ると50Hz、150Hz、250Hzという周波数にピークがあるようなのでハムノイズ系の影響がグラフにでているのかもしれません。

 

 

 

試聴結果は

これだけダンピングファクタに差がでたので、相当な音の変化が期待できると思って試聴しました。

 

ところが!

 

 

殆ど変化を感じません。

僅かに中高域の良くキレが良くなる傾向があるような、ないような。

という程度。

 

もしかして期待外れ???

 

 

 

そこで使ったスピーカケーブルの抵抗値を測ってみました。

長さは2mなので往復で4mの配線長になります。 結果は131mΩでした。

Remotes_11

つまり、アンプ出力のインピーダンスが30mΩ(DF=266)から9mΩ(DF=888)に激減しても、スピーカケーブルの131mΩが消える訳ではないため効果は誤差のようなものだということです。

やはりスピーカ本体側の端子からNFBをかけるシグマドライブじゃないとスピーカーケーブルのキャンセリング効果は望めないみたい。

そんなに甘くはないってことです。

 

 

マイナス側のリモートセンシングは

やる気になれば、マイナス側も配線することは可能と思います。

試聴した結果が素晴らしいものだったら、ウキウキ気分で挑戦していた。。。かも。

それにDF=1000を達成すると、どこか違う世界が見えるような気がします よね。

 

ロマンを追い求めたくなったら追加実験してみるかもしれません。

 

スピーカー本体の端子までのリモートセンシングは、NFBループをアンプの外まで引き回すデメリットも考えると、ちょっと危険な香りがするので怖いです。当時のトリオの方々はよく製品化に踏み切ったものだと思います。1980年代は本当に「スゴイ」と思えるアンプが沢山登場しました。

 

 

JEITAの測定方法

蛇足ですが、JEITA CP-1301の測定方法ではダンピングファクタはアンプの出力端子で測定することになっています。つまりカタログスペックを高くするのが目的なら、出力端子部からのリモートセンシングは効果絶大だということです。

 

 

 

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コメント

高ダンピングファクタ、リモートセンシング、私、好きです。
ダンピングファクタですが、ネーミングが今一つで、物理的な意味を分かり難くしているように思います。この定義では、2次共振系のQ値を彷彿させます。しかし、2次系を考えた場合、スピーカーケーブルやスピーカの巻線の直流抵抗まで考慮する必要があります。2次系にはダンピング係数ζ(=1/2Q)というパラメーターがありますが、この値が小さいとダンピングは効きません(ダンピングファクタが大きくなるとζは小さくなる)。
私が高ダンピングファクタが好きな理由ですが、フィードバックゲインの高さの指標となるからです。この値を大きく出来れば、アンプで発生する非理想的特性の多くをフィードバック補償できるからで、電源のキャパシタの影響も小さくできると考えています。
リモートセンシングが好きな理由ですが、アンプ基板から出力端子への配線による音質劣化をフィードバック補償してくれることと、アンプのダンピングファクタの実力を測定しやすいことです。アンプ内部のスピーカ端子への配線が楽になるのですが、リモートセンシングの配線(High受け)による音質劣化への配慮をする必要があります。

フルデジタルさん

さすがですね。 ぜひシグマ結線に挑戦してみてください。DF=20000というと出力インピーダンスは0.4mΩです。9mΩの上記実験よりさらに27dBほど多くNFBを掛ければOKです。

ただ、L-08Mの回路を見て分かるとおり、CやRで微妙な調整をしており何かしらの発振対策は必須と思われます。 それでなくてもスピーカーのインピーダンス特性があるため、安全性を確保しつつシグマ結線で100dBを超えるくらいのフィードバックを安定的にかけるのは至難の業と思われます。

究極はMFBといわれる振動板の動きをフィードバックする方式ですが、振動板の変位を正確にとらえるのが難しくウーファー以外ではなかなか決定打が出てきませんね。

ダンピングファクタの名称(固有名詞)は、その業界に親しいかどうか、また時代によって人の認識が変化するように思います。「コロナ」だってほんの3年前までは、太陽のフレア類似の現象か、高電圧の放電の一種か・・ という感じでしたし。 個人的にはダンピングファクタの名称に疑問を感じたことはありませんでした。

真空管アンプ全盛期(戦前くらい?)に、この名称でアンプの特性評価に使われていたんじゃないでしょうか。そもそも8Ωが固定の係数なんてのは、別の業界からすると謎でしかないですよね。

というわけで機械工学系のダンピング係数とは、全く異なるところから作られた名称と思われます。業界用語あるあるですね。

たかじんさん、みなさん

L-08M やプリメインアンプですが、当時聴いたことがあります。 よく言えば端正、悪く言うと薄くて面白みのない音で、シグマドライブを使うと音質が向上するのは同社製のスピーカーのみだった覚えがあります。
記憶が正しければ、オーディオ雑誌にシグマドライブを使わない方がよいという記事もあったような... 

感覚論ですみませんが、あまりに低いダンピングファクター(5極管シングル、無帰還だと1未満)だとさすがに困りますが、ある程度以上あれば音質にあたえる影響はあまりないように思っています。

私の思い込みを打ち砕くかもしれない、たかじんさんの取り組みを楽しみにしています。

たかじんさん

SMR-01の定電流ダイオードのご回答ありがとうございました。
こんなにもダンピングファクターが上がるものなのですね。勉強になりました。完成後に試してみたいと思いました。

「コロナ」は石油ファンヒーターのメーカーが思いつきました!

スピーカーの電気特性は箱の共振とかもあって容量性と誘導性の間を行ったり来たりですので、様々な市販のスピーカーでも何でも大丈夫な状況にするのは至難の技でしょうね。 
 個人的に思うに、真空管時代の大昔のスピーカーはむしろダンピングファクターの低いアンプで鳴らすほうが低域がユルくてレトロ志向には合ってるような気がしますね。 近年の重くて高剛性の振動板のスピーカーならダンピングファクター高くないと、いつまでも振動板がフラフラ揺れちゃうので余計な音がして本来の音が引き出せないなって感じます。 
ちなみに最近シャレで作ったパッシブラジエーター式のスピーカーはパッシブラジエーターに0.3kgの重りを付加して力ずくでチューニング周波数下げてます、そうそう簡単には止まれない(笑)

n'Guinさん

おぉぉ。 L-08Mを体感されてらしたのですね。 あまりに歪を低くすると面白みのない音になるなんて都市伝説的な話は聞いたことがあります。
ダンピングファクタに関しても似たような現象が起きるのでしょうか。 まだ、私には分からないことが色々あるように思います。

ただ、当時の雑誌にシグマドライブを使わない方が良いと書かれてしまった所に何かヒントがあるのかもしれません。 出力のL近辺に仕込まれたCRは、発振止めの他、音質的なチューニングも含んでいるのかもしれません。 当然、スピーカーによってインピーダンスカーブが異なるので、他のものを使うと最適値にはならない。 みたいな。

5極管で無帰還というのは経験がないのですが、8.2Ωの抵抗をアンプの出力に噛ませて、強制的にDF=1あたりにして聴いたことはありました。 音量がちょっと下がる以外、特段に変な音がしたという記憶はありません。
強いて言うなら、ゆったりして聴きやすかったかも。

ちなみに、SMR-01の通常NFB接続でDF=250以上ですが、R2にカーボンソリッド抵抗を使うととてもゆったりした温かい音が聴けます。


AAA さん

ぜひ、定電流ダイオードを試してみてください。 もしDCオフセットが取りきれない場合は、上下の定電流ダイオードを入れ替えてみてください。定電流ダイオードはバラツキがあるため、オフセット調整範囲からはみ出てしまう可能性があります。

そうそう。コロナのストーブは良いですよね。 そういえば、業界用語で思い出しましたが、「アンプのDCサーボ」についてネットで質問している人がいて、DCサーボモーターの事を回答しているのを見て吹いたことありました。


HILO@町田さん

箱の共振まで考えると、非常に複雑ですね。
出力インピーダンスZERO状態で駆動したとしても、コーンや箱の中の空気、バスレフポートの振幅が、電気信号と同じ軌跡をたどるとは到底思えません。

その中で、アンプはどう振舞ってあげるのが正解なのか、殆ど永遠のテーマに思えてきますね。 スピーカー側からの逆起電力の影響をうけず、入力信号のみに反応して増幅するのもひとつの解かもしれませんし、スピーカーの起電力も含めて正確な波形としてスピーカ端子の電圧を制御するのもあり。 はたまた、定電流駆動するのも。。。

それにしてもパッシブラジエータの重り0.3kgは凄すぎます。

シグマ配線は、ちょっと勇気が要りそうです。でも、4芯ケーブルの使用はどうかなと思います。ドライブ側の配線からセンス用の配線に誘導してしまったら、スピーカケーブルの音質劣化の補償効果が薄れてしまうような気がします。

BTLアンプの出力抵抗測定

手元にBTLアンプがあるので、出力抵抗を測定してみました。(邪道と言われそうですが。)
Lチャネルを測定する場合は次のようにします。
Rチャネルの入力をアナログディスカバリのW1とGNDにつなぎます。Lチャネルの入力はショートさせておきます。
C1P -- L+, C1N -- L-, C2P -- R+, C2N -- R-
と配線します。こちらは出力ターミナルのリード線をバインディングして配線します。
アナログディスカバリ側は、
W1-C1P-DUT-C1N-C2-R-GND
のモードにします。
5Ωの抵抗を2本用意します。
まず、R+ -- 5Ω -- 5Ω -- R-
と配線した状態で、C2入力が飽和しないようにしながら、ショート校正を行います。
このとき、抵抗は4mmジャックを使って配線します。
そして、4mmジャックで
R+ -- 5Ω -- L+, R- -- 5Ω -- L-
と配線し、抵抗を測定します。
これで、1mΩくらいまでは測定できます。

フルデジタルさん

なるほど。アンプの片チャンネルを駆動につかうのですね。 素晴らしいアイデアと思います。

1mΩという値が計測されたということは、8Ω/1mΩ=8000ですね。 なかなか例をみない素晴らしいDFのアンプです。やはりリモートセンシングしてあるアンプなのでしょうか。

今回作ったUltra-Low Impedance基板はショート状態で0.1mΩくらいの値がでていますが、1mΩでは滑らかとは言えないカーブで、きれいに測定できるのは10mΩくらいかなって感じです。
https://nw-electric.way-nifty.com/photos/uncategorized/ultralow_01.png

あとはアベレージングを駆使してなだらかになるように誤魔化すくらいです。

SPの4線接続は、現代ならバイワイヤリングとかバイアンプ駆動などの方がメリットがあるとか言われそうですよね。

たかじんさん

>やはりリモートセンシングしてあるアンプなのでしょうか。

はい、しています。秋月のターミナル(赤・黒)MB-133-Gを使用しまして、ドライブ側は卵ラグを使用し、センス側はターミナルに直接はんだ付けしました。
パワーアンプはループ帯域幅を稼ぐことが難しいので、100kHz以下の領域でループゲインの傾きの次数を上げています。
出力抵抗は1kHzで1.2mΩくらいで、周波数が下がると1mΩを切るのですが、1mΩでも大分ガタガタしてしまいます。
低い周波数でのアベレージングをしようとすると、根性が必要になってきますよね。(放っておけば良いのかもしれませんが。)

SMR-01のR8、R9を指定の抵抗と定電流ダイオードとで試聴比較しました。

エージングが十分ではないことを差し引いたとしても十分に違いを堪能することができました。
結果から書くと、定電流ダイオードの方は冷ややかで表情が硬い。ジョンコルトレーンの渋く深い響きが硬くて感動が薄れてしまいます。抵抗を使た場合のストレスのない柔らかく奥が深い表情に驚きました。いつまでも聞いていたいメロディーに寝不足になってしまうほど。

自作アンプの利点は構成部品を交換して変化を楽しめる部分ですね。様々な情報提供と格安でプリント基板を頒布してくださるたかじんさんには心から感謝です。また面白い実験ができる情報をお願いします。

P.S. アーレンブラッドレーのカーボンソリッド抵抗を取り寄せ中です。お気に入りのブルーノート専用アンプに仕上がれば一生聞き続けられると思います。

フルデジタルさん

なるほど、低域のゲインが上がるタイプですね。リモートセンシングにはぴったりの特性かもしれませんね。

昔はオープンループゲインを可聴帯域でフラットにしてNFB量を一定にするなんて設計思想も一部で流行りましたが、今はluxmanあたりしかそういう宣伝はしていません。
高精度OPAMPの類ではオープンループゲインが130~140dBほどで、1stポールは100Hzとか50Hzだったりするのが現代の流行りでしょうかね。

そうそうアベレージングを増やすと非常に遅くなりますね。


AAAさん

もうテストしたのですね。 めちゃ早いです。 定電流ダイオードは、内部構造としてJFETが入っているというのを見たことがあるのですが、やはり通常の定電流回路と似たような雰囲気があるのかもしれません。
電圧増幅段に定電圧回路が組まれていれば、また違った結果になるかもしれませんが、抵抗1本のシンプルさに軍配が挙がった感じでしょうか。

高DFの測定値からも推測できるとおり、多量のNFBがかかっているSMR-01の初段差動のベース電位は殆ど動かず、エミッタ部の電位も同様に動きません。 つまり抵抗1本でも定電流性が保てるという、反転アンプならではのマジックです。

アーレンブラッドレー、いいですね。私も一度経験してみたいです。 若松通商が売り切れる前に入手しないと。。。

たかじんさん、みなさん

> 5極管で無帰還というのは経験がないのですが、8.2Ωの抵抗をアンプの出力に噛ませて、強制的にDF=1あたりにして聴いたことはありました。

5極管無帰還だと、計算上は、DF=0.1 ぐらいになることもよくあります。 82Ωをつけて・・・ということになりますね。

HILO@町田 さんがお書きくださっているように、ふらふらしっぱなしで、ぼけた、しまりのない低音が出ますが、それでも無いよりマシという時代があったのと思われます。

スピーカーでの DF の影響は経験がありますが、イヤホンとかだとどうなるのでしょうか。 振動板が小さく軽いので・・・ 気になってしまいました。

追伸: DFが低い・・・といえば真空管アンプになりますが、真空管式アンプで、ヘッドホンで聴く場合、インピータンスマッチングを行う必要があります。 ヘッドホンのインピータンスが、指定されたインピータンスと大幅に異なると(例: 8Ω出力に32Ωのヘッドホン)、出力菅の動作点が設計からかけはなれてしまい、まともな動作にはなりません。 DFの変化を聴いているのか、何を聴いているのかわからなくなります。

n'Guinさん

DF=0.1ですか。 それは未体験ゾーンです。 殆ど定電流出力アンプのような状態でしょうか。 負荷のインピーダンスの山や谷で大きく電圧レベルが変わってしまうというアレ。

最終段の負荷はトランスを介したスピーカーになるので、ヘッドホンの場合、接続されるインピーダンスが想定と大きく違うと、動作点が想定の範囲外になってしまいますね。

ということは無負荷でボリュームを上げてしまうのも真空管にダメージを与えてしまう可能性がありそうです。 無帰還は怖いっすね。

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