バランス入出力アンプの検証（３）

先日の検証の続きになります。

CMRRの信号漏れ（コモンモードを除去できなかった残り）がHOT側とCOLD側で差が大きい原因を探っていました。

下のオシロ画面は黄色が入力信号（HOT/COLDとも）で、水色がHOT出力、紫がCOLD出力です。電圧レンジが異なる点に注意してみてください。

100kHz時の波形で、とりあえず半分くらいまで差が縮まりました。同相で1Vpp入力して0.4～0.9mVくらいの漏れです。

初段差動トランジスタはHOT/COLD共通なので関係ないですし、別件でhfe選別を前回やっていました。

今回はカレントミラーのトランジスタのhfeを揃え、カレントミラー部のエミッタ抵抗、初段のエミッタ抵抗と負荷抵抗も値が揃っていることを確認しました。それでもなお差が縮まらないので、これは基板の銅箔パターンかなっと。

修正したのは、COLD側の2段目へ繋いでいるパターンです。HOT側と同じような取り回しにしてみました。

そうすると以前よりも解消してきました。

前回のCMRR周波数特性がこちら。

高域になるとHOTとCOLDの差が10dB以上に広がってしまう。バランス回路なのにアンバランスなところがある証拠です。何となく気持ち悪いですよね。

パターン改造後のCMRR周波数特性が下図。

まだ完全ではありませんが6dBくらいまで差は小さくなりました。

この6dBの差は銅箔パターンとUEW（ポリウレタン銅線）ジャンパーとの違いかもしれません。完全一致まで行きませんでしたが、とりあえずこれで原因究明ということにします。次回の基板パターンのこの部分は完全に同一になるように気を付けて設計しようと思います。

そうそう、

「入力信号に対して出力信号に位相差がある」ように見えるとのご質問がありました。たしかに一見すると遅延が発生しているようにも見えますね。

以下のオシロ波形は入力信号を方形波にしたものです。

黄色：入力信号（100kHz方形波）
水色：HOT出力
紫色：COLD出力

何が出力されているのかこれでお分かり頂けますでしょうか。

そう、微分波形になっているのです。これは通常の信号入力ではなく同相信号を差動回路に入れているので、コモンモード信号を除去できなかった残りカスみたいなものと考えても良いのですね。通常のNFBがかかった差動のアンプでも初段の負荷抵抗端に現れるのは＋入力端子と－入力端子の差分（＝信号の変化分）で方形波をいれると微分波形になっているのが分かります。

HOTとCOLDの出力の信号の位相が揃っている点にも注目です。バランス受けすればこの漏れ信号の多くは相殺されるハズです。

　ひずみ率　

次にひずみ率を測ってみました。

シミュレーションでは0.002%程度と非常に小さい値になっていたのですが現実はそんなにうまくはいきません。

差動出力で1Vrms時に0.00674%　とかろうじて0.01%は切っていますが。。。

差動出力で2Vrms時には0.01%を超えてきました。 ヘッドホンアンプ用なら出力レベルが小さいとひずみが小さいので問題なさそうな気もしているのですが、DACのポストアンプ用としてはDAC最大出力の2Vrmsが常時使うレベルとなるので、改善したいところです。

もっと言うならば、アンバランス出力で2Vrmsなので差動出力として4Vrmsになるのが正解。 そうすると0.0697%となります。

これはちょっと考えモノですね。

ただし、10kHz時でも20kHz時でも全く変わらず0.06%程度となっていて周波数依存がないのは良いと感じました。

このひずみはノイズではなく第2高調波と第3高調波が主な成分でした。その点においてはシミュレーションと一致しているように思います。

　＜ 以前やったシミュレーション ＞

　残留ノイズ　

最後に残留ノイズです。ノイズを測るときはA-waitという聴感補正カーブをかけます。

17.8uV という結果。

VFA-01（ゲイン27dB）が16uVだったことを考えると、ゲイン10dBのこのバランスアンプは少し劣っていると考えられますが、ひどいというほど悪くもないという結果になりました。改善できる要素があるとしたら初段と2段目のゲイン配分を変えるくらいですけど、音質の方とのからみもあるので要検討ということにしておきます。

初段を2SC2240など低ノイズトランジスタに変更するという手もありますね。（この回路、初段がノイズ源ではない可能性もありますが。。。）

さしあたっての改善項目は高出力時のひずみでしょうか。そもそも無帰還回路なのでOPAMP並みの数値には届きませんが、やはり0.01%を切りたい所です。

続きはまた今度。　気長にお付き合いくだされば幸いです。

続きはこちらに書きました。