入出力バランスアンプ量産版の確認
あれこれやっているうちに時間が経ってしまいました。
量産版の入出力バランスアンプ NNBA-1 Rev1.1の動作確認が完了しました。
まだ校了していないので未確定ではありますが、某誌４月号に寄稿するため追加実験など行っていました。
回路の説明や測定項目の多くはブログ記事の書き直しですが、今回はLTspiceによるひずみ率比較もやってみています。
バランスアンプ・バランス転送の利点・欠点
バランスアンプの使い道
なんてのも書いてみました。
LTspiceのひずみ率は意外と使えるな・・・というのが正直なところです。お楽しみに。
あっ ボツったら再編してブログに載せます（笑）
ということで、部品表など整備してリリース準備をしようと思います。
もうしばらくお待ちください。
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愈々ですか。ムフフ…楽しみです。
投稿: onajinn | 2024年1月31日 (水) 23時17分
たかじんさん
記事も、配布も、楽しみに待っています。
電源どうしようか考えています。
投稿: n'Guin | 2024年2月 1日 (木) 02時43分
久々に秋月電子のウェブページで電源トランスを検索したら、HPA-12を作った頃に比べて格段に数が減っていました。千石電商も同じです。そろそろオーディオ用のスイッチング電源というのも考えなければいけない時期にきているのでしょうか。
投稿: DSK | 2024年2月 3日 (土) 17時05分
onajinn さん
大変おまたせしております。 もうすぐです。
n'Guin さん
ありがとうございます。 電源はBlueWind DC-Arrow ±12Vで検証しております。 ±15Vあたりまで上げても問題なく動作すると思いますが、出力バッファの発熱は増えるはずです。
DSK さん
秋月の電源トランスの種類はここ10年くらい、徐々に増える傾向だったのですが、減ってきたんですね。
スイッチング電源も良いものが見つかれば問題ないと思うのですが、なかなか出会わないです。 医療用だったかの超低ノイズ電源というのもも存在しているらしいのですが、売っているのを見たことがありません。
投稿: たかじん | 2024年2月 3日 (土) 17時58分
ラズパイオーディオ界隈でGaN採用のスマホ充電用アダプターを使っているのが流行っているようですが、たかじんさん的にはピンと来ませんか？
投稿: DSK | 2024年2月 3日 (土) 21時40分
DSK さん
https://www.youtube.com/watch?v=sOAAeM2b5-o
興味があったのでYoutubeで分解している動画など見てみたのですが、効率を上げるため周波数を落としているらしく、ノイズ面ではむしろ不利な雰囲気を感じました。
スイッチング周波数は高くするとノイズの周波数も高くなるため、フィルタが効きやすくなります。 ところが、スイッチングロスが大きくなるので発熱は増えることになります。
SiよりもGaNのMOSFETの方がスイッチングロスは小さいのですが、45Wとか65Wになるとさすがに発熱がやばいらしく、ロスを減らすため周波数を落としているのではないかと推測できます。
まあ、それと音質は関係するような、しないような感じではありますので、試してみないことには何ともいえません。
USB電源には、新しい低ノイズアダプタを探すのは良いかと思います。
アンプ用としての±電源はなかなか見当たりませんね・・・
投稿: たかじん | 2024年2月 3日 (土) 23時28分
イチケンさんの動画は、俯瞰的に技術内容を解説しているので判りやすくていいですね。以前から私も時々見ることがありました。
USBアダプタにGaNを使いたい最大の理由は小型化と思われます。
（あとは先進技術感をマスコミが煽ってるのでプレミアム価格で売れる）
イチケンさんがGaNの特徴を説明しているようにスイッチング速度の向上によるスイッチング損失の低減なんですが、USB電源アダプタではその効果を体格低減に持って行ってしまってます。
HEMT使って居るのにもったいない、と思っちゃうのは、Si⇒SiC⇒GaNの必要性ストーリを内在化してしまった性なのでしょうけど。
で、USB電源適用のためのトレードオフで犠牲にしたスイッチング周波数ですから、ノイズ面で不利に働くのは想像に難くないですね。
（本来、GaNは高周波化こそが優位性の一つ）
私が勤務する会社でもWidwBandGapデバイスの開発は初期から行っていてデバイスと回路の両方の生々しい研究課題を直接聞いています。
日経やネットメディアが単純化しているようなシンプルな世界だったら
誰も苦労はしていないよなぁ、とつい思ってしまいます。
高周波化すれば、やはり放熱技術も高度化せざるを得なく、フィン付けて空冷で行けるじゃん！にはならないし、デバイス内の絶縁層材料もいろいろ高度化せざるを得ません。
当然ながら技術的に面倒で高コスト化しますので、スイッチング周波数を下げるのはコストを抑える目的でもとても合理的な判断だと思います。
本当は、冷却を含めた高温対策設計がきちんとなされたシステムで使ってやってこそのWidwBandGapデバイス＆パワーエレクトロニクスだと考えます。
オーディオのブログでのコメントにパワー系の話をしてしまい、失礼いたしました。
投稿: sawanoriichi | 2024年2月 4日 (日) 01時32分
sawanoriichi さん
おっしゃる通りと思います。 USB充電器はハイパワーで小型、最新技術、最新フォーマットというのがウリになっていて、端的にいうとカタログスペック重視ということになりますね。
SiCは高周波よりもSi-MOSFETで不得意な高耐圧にターゲットを絞りつつあるように思います。
GaN HEMTは、Siを超える高周波向きといわれていたので高耐圧はさほど狙っていないような気がしますね。
USB充電器に使うならGaNの方が適しているように思いますが、いま使用されている「Power Integrations」社のGaN内蔵コントローラは効率重視で高周波設定できないようです。INN3378C のデータシートを見ると30k～60kHzまでです。
Si-MOSFETで小型化を目指していたときは200k～300kHzくらいが多かったので、設計思想がすこし違っているようにも見えます。
なんだかんだGaNを使って高効率・小型・ハイパワー化の実現は商品価値を高めているので、ビジネス的に成功を収めている良い例のように思います。
ぜんぜんパワー系のお話、OKです。 大きな電流をうまく処理しないといけないのはオーディオ回路にも通じると思いますし、私自身も400AのIGBTなど使って回路を組んだりもしてます（笑）
投稿: たかじん | 2024年2月 4日 (日) 11時57分
バランスアンプの開発が進んでいるようですが、これを使用した新DACの開発に大いに期待しております。
もっともBlue Snow DACに何の不満もありません。毎日楽しませていただいております。
これからも楽しい企画よろしくお願いいたします。
投稿: 半田マニア | 2024年2月 4日 (日) 12時39分
たかじん さん
GaNはD級アンプの出力段として試作検討したことがあります。
音質的には評価が高く、検討していけば結構イケる感じだったのですがコストが高すぎて製品化は様子見状態になりました。
GaNの基板設計としてはGaN systems社のアプリケーションノートがおすすめです。
https://gansystems.com/design-center/application-notes/
普通のMOSFETを使ったD級アンプやSMPSの設計にも役に立つ内容になっています。
投稿: Nfm | 2024年2月 4日 (日) 15時14分
半田マニアさん
ありがとうございます。DACのポストフィルタアンプとして検討を始めて既に1年・・・
入力、出力ともに差動でディスクリート、NFBなし、エミッタ抵抗なしという回路として面白い勉強ができました。 今年はDACとして完成させたいです。
Nfm さん
GaNを使ったD級アンプですか。 さすがですね。
私が聴いたことがあるのはテクニクスのアンプくらいです。
https://jp.technics.com/products/r1/poweramplifier/
このアンプの音は素晴らしくて、感動しました。
アプリケーションノート、ありがとうございます。 じっくり読んでみます。 LLC共振系回路で低ノイズ電源を作ってみたいのですが、トランスの入手がネックでなかなか手が出ません・・・
投稿: たかじん | 2024年2月 4日 (日) 21時45分
SiCやGaNを出力段に使用したD級アンプが欲しくて手探りで調べていたのですが…
ディスクリートのD級アンプの回路設計でしたら、CQ出版の「D級パワ－・アンプの回路設計」がおすすめです。
電圧帰還・電流帰還式の定数を含めた回路が記載されています。
この本を参考に、定数変更などでSiCやGaNのD級アンプを設計されている方もいました。(サイトが見れなくなっているようですが…)
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/52/52251.html
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/48/48371.html
またnabeさんがＤ級ヘッドホンアンプを設計されているため、これに出力段をつけられないかなぁ、と妄想だけしています。
https://nabe.adiary.jp/0626
SW電源といえどディスクリートで高周波化をすればハムノイズがない分音質的なメリットが大きい、との話も聞きます。
ただ、そこまで高周波化が可能なICも少ないのも悲しいところです(SW電源用ICですとTIの最新型で1～2MHz位のようです。)
ここら辺まで手を出したいのですが、調べるほど技量不足がわかり、なかなか手が出せないのが歯がゆい所です。
投稿: 降霜 | 2024年2月 6日 (火) 19時12分
降霜 さん
CQの本は1冊持っています。 結構内容が濃いのですが、あまりにてんこ盛りなため、アンプを製作しようとしたとき、壁にぶち当たりそうな気配は感じますね。
nabeさんのD級は位相遅れNFB発振を利用したもので、とても面白いです。 アンプで位相補正に失敗してフルスイング発振したとき「ガビガビ」な音が聞えたりもするけど、（普通の人は）すぐに電源を切るので発振状態で音楽を聴くことはまずないと思います。その先の世界に音を求めて進む勇気には拍手ですね。
大きな電流を流せるデバイスはさすがに1MHzなど高速に動かすのは難しいと思います。MHz帯の高周波駆動は１～２Wクラスの専売特許てきなもとと思います。もちろんフィルタレスD級もです。
簡単にD級アンプを外付けデバイスで組むならIR社のIRS2092PBFが良いかと思います。 SiC-MOSもドライブできるように思います。ただ、既にディスコンのため入手しにくくなっています。
投稿: たかじん | 2024年2月 6日 (火) 21時23分
たかじん さん
IRS2092PBFは内蔵の初段OPAMPがノイズ多めで、140Wクラスの出力で150uV〜200uV程度の残留ノイズ量になります。（Gain=29dB,A-wtd時）
OPAMP外付けのIRS20957でしたら80uV、頑張れば40uV切るレベルまで下げられます。
IR（現Infineon)のDAMPソリューションの利点は入力段のGNDと出力段のGNDを強固に結合しなくても安定動作出来る事にあります。
つまりベタGNDを前提とした設計を行わなくて良いので、TI社のDAMPの様な入力と出力側のGNDが共通インピーダンスを持たざる得ないパターンから脱却できます。
投稿: Nfm | 2024年2月 6日 (火) 22時07分
Nfm さん
そうだったのですか。 IRS2092を使った業務用アンプは聞いたことあったのですが、特にノイズは気になりませんでした。 周囲が静寂ではなかったからかな。。？
IRS20957のご紹介ありがとうございます。 この手のD級アンプは±電源が使えるところが良いですね。 BTLではなくシングルエンド出力で100Wとかを狙える。
確かにTIのものはベタGNDにするとノイズも下がりひずみ率の数値も下がるのですが、音は共通インピーダンスを極力持たせないGNDパターンにした方が良かったです。
実験した中で最悪だったのがアプリケーションノートに書いてあった出力LCフィルタの後からフィードバックを掛けるヤツ。 6dB程度のフィードバックでも音が死にました。 当然ノイズは下がるのでS/Nもひずみ率も良くなっていたはずだけど、測定する気にもなりませんでした（笑）
投稿: たかじん | 2024年2月 8日 (木) 22時50分
この方は重度のポータブルオーディオマニアで、いろいろ試行錯誤されているようですが、先人の体験は勉強になります。
以下のような事を書かれています。
＞結論として特にGaN充電器だから音が良い訳ではなくあくまで「WITRNのトリガーケーブルとFX-Audioのフィルターセット」や「つよねこケーブル」があるから音が良いのです。
https://el-snow.hatenablog.com/entry/2022/05/31/213939
投稿: デジタル | 2024年2月 8日 (木) 23時13分
お久しぶりです、ま。です。
たかじんさんの熱い思いが込められたアンプがまたリリースされそうですね。楽しみです。
ぱっと見、トランス付けてバランス型のヘッドホンアンプにでもと一瞬考えましたが、負荷的に厳しそうですね。拙宅の構成でどこに使うか悩ましいところです（笑）
投稿: ま。 | 2024年2月 8日 (木) 23時44分
本日より千石電商で販売されているようです。
https://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=EEHD-68ZR
投稿: cattleya | 2024年2月 9日 (金) 18時02分
たかじん さん
仰る通りD級アンプはベタGNDにしておけば性能はそれなりになりますけど、電流ループとそこを流れる電流の性質を理解しないで設計すると音質はダメダメになりますよね。
私の感想としてはダメな場合の音質は音場が奥行きがなく平板で、リバーブ成分が途中で切れて潤いが音がパサパサになる感じで粉っぽい音と言ってました。
D級アンプにはパンピング現象という低域大振幅信号で電源電圧が増加する困った症状が有って、スイッチング電源で駆動すると電源が気絶する事があります。
BTLの場合はパンピング現象が原理的に発生しなくなるのでその点はメリットになります。
投稿: Nfm | 2024年2月 9日 (金) 19時32分
デジタル さん
webの紹介ありがとうございます。 充電器だけでなく、ケーブルやフィルタなどの組み合わせでご本人様が理想とされる音に仕上げていく。。。 素晴らしいと思います。
音の好みや聴く音楽のジャンルなどにも左右されるとは思いますが、自分が試行錯誤しなくても、先人の知恵（？）、人柱行為によって「切り開かれた道」にすぐに乗れるのは、お財布的にも時間的にも無駄がなくなります。
私も乗ってみようかな・・・ 某Pi5 は5V電源で4Aとか5A必要という噂もあるので、何かしらUSBアダプタを買おうとはしていたのです。
ま。さん
お久しぶりです。 ヘッドホンアンプとして使うのでしたら、出力バッファのトランジスタをSound RABBITと同じにしてしまうという手があります。 秋月電子で売っているのはオリジナルの東芝製ではありませんが、UTC製も透明感があってなかなか良いですし。
という私もまだテストしていないのですけど、近いうちに載せ替えしてみようと思っています。
cattleya さん
ありがとうございます。 そろそろだと思っていたのですが、私が見つけるよりも先に見つけて頂いて助かりました。 新しい記事でも案内させて頂きました。
Nfm さん
なるほど。 あまり気にしていませんでしたが、D級アンプのあの独特の低音のクセはパンピングの影響だったのかもしれませんね。 千葉県の某ネズミの国の屋外スピーカからでる音は、D級臭がプンプンしていて、うー－－ん。 と気になっていました。 もう10年くらい前の話ですけども。
投稿: たかじん | 2024年2月 9日 (金) 21時46分
Nfmさん
「パンピングって何だ?」と思いましたが、伝統的なカタカナ表記に従えばポンピングということでしたか。
D級アンプにそんな現象があるとは知りませんでした。
ただ、以前TripathのICを使ったTOPPINGのアンプが流行った時にTP-10 Mk.4を購入したり、あるいはYAMAHA YDA-138を使用したNFJのアンプキットを製作したりして使ったことはあったのですが、何だか不自然な感じがしてアナログアンプに回帰しました。
その不自然な感じがポンピング現象によるものなのかどうかはわかりません。ちなみに、12V4AのスイッチングACアダプターを使ってました。
投稿: 三毛にゃんジェロ | 2024年2月10日 (土) 02時03分
たかじん さん
三毛にゃんジェロ さん
PumpingはシングルエンドのD級アンプでのみ発生しますので、片電源のD級アンプICはBTLタイプがほとんどなので気にする必要はあまりないかと思います。
ただシングルエンドでもちゃんと設計すれば問題ありません。
対策方法は電源のケミコンを大きくする事です。
まあ10000uF✖️２程度あれば問題ないレベルになります。
スイッチング電源で過電圧で保護動作する場合は、電源ラインにシリーズにダイオードを入れた後に電源ケミコンを配置すれば気絶現象を回避できます。
D級の音色といった点では出力のLPFのコイルの影響が大きかったです。
サガミエレクのコイルはエッジの立ったかっちりした音でトロイダルコイルでは角が取れた柔らかめの音に感じました。
あくまでも私が設計したアンプ回路基板での感想ですが。
投稿: Nfm | 2024年2月11日 (日) 01時21分
三毛にゃんジェロさん
求める音にしっかりと方向性を見出せていると、「このアンプは我慢できない」という判断が明確になりますね。
ちなみに、テクニクスのSE-R1というD級アンプの音は感動的な音がしました。価格がちょっとアレですけど、D級だから好みに合わないという訳ではないようです。
一度、聴いてみる価値はあるように思うのですが、札幌にデモ機があるかどうか・・・ 関東でも殆ど見かけません。 ミニコンポっぽい組み合わせのテクニクス機は参考になりません。
Nfm さん
確かに出力コイルは気になりますよね。 LCフィルタなのでスピーカのインピーダンスが異なると高域にピークがでる可能性もありますし。 AB級アンプの発振対策の空芯コイル1uHの有無でも音に違いが出るという世界を知ってしまうと、フェライト鉄心のコイルは気になってしまいます。
数年前にサガミエレクの営業さんからカタログを貰いましたが、コロナ突入後音沙汰なしです。
投稿: たかじん | 2024年2月11日 (日) 09時52分
そうそう、私がIRS2092PBFのようなシングルエンドD級が良いなっと思っているのは、その前段も含めて同じGND電位で信号の受け渡しができるからです。
言い換えると±電源で構成されているからという部分ですね。
BTLでも±電源で組めば大丈夫だとは思うのですが、大抵のD級BTLアンプICは片電源仕様になっています。
投稿: たかじん | 2024年2月11日 (日) 09時57分
たかじん さん
D級アンプの出力段はプッシュプルとしてLow Sideの上にHigh Sideを重ねた形で回路の基準はLow Sideの最低電位になります。
両電源では-Bで片電源ではGNDが回路基準(COM)です。
IRS2092PBFは入力はGND基準ですがPWM変換後はカレントミラー回路でのレベルシフトで-B電源基準に置き換えられて出力段Drive回路に入ります。
なのでノイズの大きい出力段のGNDと入力部のGNDを無理に接続する必要がないんです。
D級アンプのGNDの考え方は下記アプリケーションノートのスターGNDを参考にしてください。
https://www.infineon.com/dgdl/an-1135.pdf?fileId=5546d462533600a401535599e83610bf
両電源が少ないのはBTL前提であれば片電源の方がコストが安く、電源0n/off時の両電源バランスズレでのPop音発生などの不具合も避けられるためだと思います。
投稿: Nfm | 2024年2月11日 (日) 22時10分
Nfm さん
確かに、上下Nchの出力PPは、LowサイドとHiサイドの駆動を考えるとLowサイド側を中心にするのが通常であり、そう考えると一番低い電圧をベースに（ここでは-B電源）するのは自然ですね。
ただ、入力信号の受付は、0V（GND電位）を基準に受け取ってくれるので、前段の回路設計がシンプルになるメリットがあると感じます。 もちろん前段も±電源で回路を組んでいるという前提ですが、いまどきのオーディオ回路の殆どは±電源かと思います。
ＳＰリターン電流もＧＮＤへ戻ってくるので、GNDの共通インピーダンスをなくす必要はありますね。
結局、行きつくポイントはGNDの共通インピーダンスをどう避けるか、でしょうか。
IRS20957の入力GNDと出力/SPリターンのGNDとを切り離せるメリットは底知れないですね。
投稿: たかじん | 2024年2月13日 (火) 21時58分