HyCAA ヘッドホンアンプ

Hybrid classAA Headphone Amplifier

略してHyCAAヘッドホンアンプ

真空管とオペアンプのハイブリッドヘッドホンアンプです。
　

　
　

公知の回路の合わせ技というだけです。　どこにもオリジナルなところはありません。
その後、0dB HyCAAへと進化していきます。

基本コンセプトはYAHAに影響されていて、出力段はclassAA回路を簡略化したものを採用しています。

　　　YAHAアンプを組んでみたものの、その音に馴染めなかった人はカソフォロへと改造することで、活用の道が開けるかもしれませんので、ぜひ”0dB HyCAA”の部分をお読みになってください。　

通常の真空管回路は高電圧がかかるため危険な部分もありますが、YAHAやHyCAAは１２Vが最大電圧ですので感電という意味では安心・安全かもしれません。 　 　

よく出回っていて入手しやすい12AX7を使っています。 またヒーターを12V電源へ直接つなげられるため、YAHAのような定電流回路も必要がありませんし、そういった回路からの発熱もありませんので、全体として低発熱、低消費電力になります。　

実際に電源を入れっぱなしで真空管に触っても、触れなくはない温度です。　45から50℃くらいでしょうか。 さてさて肝心の音の方ですが、はっきり言って驚きました。　

聴いていて心地よいのです。　さわやかで抜けの良く、どこかドライな響きです。なんですかね？　

12AX7が良かったのか、classAAが良かったのか不明ですが、そんなことはどうでもいいと思うくらい、音楽に浸ってしまって、ブログの更新もままならないです。　今まで聞いていたのと一味違います。

ちなみにボリュームを上げていくと若干ハムノイズが聞こえます。　曲と曲のつなぎでも僅かに聞こえますが、気になるという程ではありません。

---

Hybrid classAA Headphone Amplifier

HyCAA 　ハイカーヘッドホンアンプの歪みは。。。

30Ω負荷、1mW時の波形です。

上の波形が出力波形で、下の波形が歪みモニター波形です。

これだけ綺麗に2次歪みだけが出ているのは、見たことがないです。　まぁ、私は真空管アンプの作成は殆ど経験がないですから、そっちの世界では当たり前の事なのかもしれませんが・・・

歪みモニター波形の方が綺麗な正弦波に見えるのには笑えます。

この2次歪が特徴的な音を作っているのは明らかで、ご想像のとおり大音量で聴くためのアンプではないです。　

ちなみに、ぺるけ式HPAの1mW時の歪みモニターはこんな感じ。　　

　

　　
2次歪みと3次歪みが混ざると、こんな形になります。　
この波形の場合は、２次の方がまだ多いように見えます。　　
また、HyCAAより一桁以上歪みは小さいです。　　

---

Hybrid classAA Headphone Amplifier

ハイカーの歪み率特性と周波数特性を測定しました。

結果はご覧の通りです。

　
　

　
　
歪み率は、かなり酷いです。　1mW時で7％を超えています。

ちょっとありえないですね。　　でも、音楽を聴くとそんなにひどくはない。　といいますか面白い音が聴けます。ただし、音量を上げられません。　

だいたい0.1mWから0.2mW程度の小音量で心地良い響きです。　
歪率でいうと３％を超えるといけないような感じです。　　　何か改善策を考えなければなりません。

低域特性を改善したので、ベースとかバスドラムとかの輪郭と量感が増して聴き応えのある音になっています。　

５６８７で作ったYAHAよりリニアリティは確実に悪化していますが、細かい音の表現は12AX7の方が得意な傾向にあるようです。　もちろん通常の電圧で使えば、その傾向は違ったものになると思います。

ここではあくまでも１２V単一電源での評価となります。　

単純に歪率が低く帯域が広ければ音質が良いというものでもないというのが不思議ですね。静特性では測れていない部分が多いのかもしれません。
　
ゲインは3.75倍。
S/N比は77.5ｄB（A-WAIT 500mV時）　
　
12AX7はゲインが非常に高いのでノイズを多く拾ってしまいます。　難しい球ですね。
気になりだすと気になるノイズレベルです・・・

---

Hybrid classAA Headphone Amplifier　のオペアンプ側の実態配線図です。

オペアンプは２段に積んでいます。　本来は各チャンネルでオペアンプ1個を使うようにした方がチャンネルセパレーションが良いのですが、こちらの方が配線が楽になります。
　
まず下段から。　TOP VIEWです。　（上から見た図という意味です）

赤い線が、基板裏の配線で、抵抗のリード線をそのまま使って配線します。　一部でリード線の長さが足りない部分がでますが、他で切ったリード線の残りを使います。

　
　
　
次に上段です。　こちらもTOP VIEWです。
赤い線が空中配線です。　10Ωの両端へ表側から配線します。

上段のオペアンプは、電源の4ピン8ピンを残して、横にピンを広げます。　そして4と8ピンを下段の4と8とへハンダづけします。　これで電源が供給されるようになると同時にオペアンプ自体の固定にもなります。

実際に電源を供給する配線は、基板裏からでも、上段オペアンプへ直接でも、どちらでも構いません。

信号の入力は、上段オペアンプの3ピン、5ピンへ直接配線します。　

わかりにくいかもしれませんが、こちらが、実際の基板の写真です。

一番右側の3.3kΩの抵抗が基板からハミ出たため、基板の裏になってしまっているのは、笑ってやってください。

---

Hybrid classAA Headphone Amplifierの回路の説明です。
　

　
回路図はこんな感じです。
　
１．電源電圧は＋12V単一です。

電流は200ｍA程度ですが、多少余裕を見て500mA以上のものが良いと思います。　　秋月のスイッチング電源で、サイズの小さいものはノイズが多いとの話も聞きますので、大き目のサイズのものを使ってください。

２．電源リップルフィルタ

2200uFコンデンサと82Ωの抵抗で電源リップルフィルタにしていますが、実は電源のON/OFF時のポップスノイズ（バコっというノイズ）もココで低減させています。この定数で、リップルフィルタ無しと比べて体感上1/5程度になったと感じました。　カナル型イヤホンだと、ぎりぎり許せるかどうかというレベルです。

３．入力のDCカット（HPF）の定数

私が作ったYAHAアンプでは0.22uFと100kΩだったのですが、カットオフ周波数は7Hzと高かったのでコンデンサを1uFに変更しました。　これで1.5Ｈｚまで下がりました。　音声信号で10Hz以下まで入っていることは稀ですが、位相の回転を考慮しています。　　実際聴いた感じも十分効果があったと思います。

４．プレート抵抗

ちょっと変わった構成になっています。　330kΩでDCを決定しています。　信号が入っていないとき、プレート　の電圧が ”5～6V” になるように設定します。　ただし、330ｋΩだけだとゲインが高すぎるため、並列でDCをカットした100kΩを追加しました。　これで交流的には77kΩ程度の負荷になっています。　負荷抵抗の値で音質がガラリと変わります。

５．カソード抵抗

増幅段の自己帰還をここでかけています。　ゲイン抑制と歪み改善が目的です。　並列にコンデンサは抱かせません。　抵抗値は1k～10kΩ程度で良いと思います。こちらも音質が変わるポイントです。

　
６．オペアンプ段

テクニクスclassAA回路を組んでいます。　詳細はテクニクス　ClassAA回路の実際と　テクニクス　ClassAA回路とは　をご覧ください。YAHAと決定的に違うのはこのオペアンプ段で、HyCAAの特徴でもあります。　より自然で滑らかな音質がえられると考えていますが、事実関係は証明できていませんし確認もしていません（笑　

７．出力抵抗

とりあえず22Ωを入れていますが、お使いのヘッドホンで聴きやすい抵抗値に交換してください。　範囲としては10～220Ω程度かと思います。傾向としては抵抗値が高いほどやさしい音になり、低ければダイレクト感が増して、低すぎると聞き疲れのする音になってしまいます。　100Ω程度が万人向けではないでしょうか。テクニクスも68～120Ωを使っています。

８．出力コンデンサ

DCカットのコンデンサは470uから1000uFがお奨めです。音響用にすると、ストレートでスピード感のある音質になるかもしれません。　７．の抵抗値と合わせて好みの音になるように調整するのが良いと思います。

---

■別のオペアンプを使うときの注意点

classAAの回路構成から電流帰還タイプのオペアンプは使用できないと思います。
高スルーレート、高GBWのJFET入力もあまりお奨めではありません。
4558系のものだと安心です。　4560、4556、4580などです。
5532、2068、2114なども大丈夫かと思います。　

とりあえず、高速、高スルーレート、高GBW、ハイゲイン（オープンループ120dB以上など）系は危険と思ってください。
試してみて、発振していたら諦めてください。

C-amp側を高出力タイプ、V-amp側を高精度タイプにするなど、応用を利かせるというのも面白いかもしれません。

---

■別の真空管を使うときの調整ポイント

”９A”というピンアサインは、豊富な種類が存在しますので、別の種類のものに差し替えて大いに楽しんでください。
とりあえず注意点を挙げておきます。

１．プレートのDC電圧

　　上の回路図でいうと”5.6V”と書いてある部分です。　ここの電圧が8Vから3V程度になっていることを確認します。その値に入っていればとりあえずは音を聞けます。　おそらく12AX７より電流が少ないものは無いと思うので、他の球に交換すると電圧は下がる方向になると思います。　下がりすぎた電圧を中点の5～6V近辺へ持っていくにはプレート抵抗の330kΩを220kΩや100kΩと下げます。　12AU７のように増幅率が30未満であれば、交流負荷の100kと33uFも必要ないと思います。　交流負荷の抵抗値は、100ｋΩから22kΩ程度まで変えてみて好みの音を探すというのも手です。　気のせいかもしれませんが、プレート電圧は、ちょっと低めに設定した方が聴き易い音になるように感じました。具体的には4.5Vから4.0Vくらいです。

すみません。　注意ポイントは１点しかありませんでした。
以上で終了です。　

---

■ハムノイズがひどいとき
　
スイッチングアダプタの種類を換えてみてください。　秋月のアダプタでノイズが酷いものがあります。
私のがまさにそれで、曲間で”じーーー”という音が聞こえています。

対策としては、電源ケーブルにフェライトコアを巻く、アンプに入ったところで0.1uF、1uF、10uF程度の積層セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサを電源に入れてパルス成分がアンプ筐体内部になるべく入らないようにする。
ノーマルモードチョークなども効果が高いかもしれません。

私は、パソコンの周辺機器用のスイッチングアダプタがノイズが少ないので、それを使用しています。　　たしか、7～８年ほど前の外付けDVDライターの付属品だったと思います。
　
　

---

■真空管の変更

　　　　12AX7から12AU7に変更してみました。

　
12AU7をHyCAAに、そのまま挿してみました。
とりあえず、音は聴けます。　プレート電圧は2.5Vまで下がっていますので限界ギリギリとは思います。
　
　　これはこれで面白い。　図太く、やわらかく、パワフル。
　

少し、プレート抵抗をいじってみます。
交流負荷の100kΩと33uFは外して、プレート抵抗を100kΩだけにしました。　
これでプレート電圧は5.3Vまで上昇。　ちょうど良い電圧になりました。

音はといいますと、さきほどの傾向は保たれていますが、音量を上げても全く歪む気配がありません。　完全に実用範囲内です。　ハムノイズも球のゲインの低さから、気になるレベルではなくなりました。

　
特性はこのようになりました。

　
　

　
　
S/N比は79.3ｄB　　ゲインは3.5倍
歪みは、2次と3次が混じっています。　

12AX7と比べて、随分と歪が減りました。　こんなにも種類によって違うものなのでしょうか。　カソード抵抗や、プレート抵抗の値を変更して動作点・負荷を変更するとまた違った傾向になるかもしれません。　音質は何といいますか、いたって普通で実用的。　冒険を望まないで真空管サウンドを心地よく聴きたいかた向きです。

あまりに特徴的な音っていうのはすぐに飽きるものです。
12AX7や12AT7の他に保険として12AU7が１本あると良いかも。
　
12AU7も製造していたメーカーは沢山ありますし、さらに互換球もあるようですので、いろいろ交換して楽しめそうです。　また、真空管の特徴を活かしたまま、classAA回路が自然で味付けなくヘッドホンまで音楽を届けてくれると思います。
　
その後、12AT7も試してみました。　
傾向としては12AX7に近いですが、幾分ゲインが低いためノイズを拾いにくいようです。電流も12AX7とあまり変わりませんのでしたので交換が簡単です。　音質はAX7とAU７の中間というよりAX7よりです。　

---

　　　　■■■■■　　0dB HyCAAの誕生　　■■■■■

---

　

Hybrid classAA Headphone Amplifier　

真空管＋オペアンプのハイブリッドで、classAA回路
を使ったバッファのヘッドホンアンプである。　

　　　略してHyCAA ヘッドホンアンプ。
　

特徴的な音で面白いのですが、あまりに歪が多くて、すぐに飽きがくるのがネックで、どうにかしてその特長を活かしながらも歪を減らせられないか検討してきました。

いろいろ弄ってみた結果。　やっと到達点に達しました。

当初の回路とは使用する真空管も変わり、その使い方までも変更しました。

回路図は、ご覧の通りです。

　

今までは、ヘッドホンアンプのゲインは3～5倍程度欲しいと考えていましたが、nabeさんの所を見ていると、0dBでも良いのかなと思いはじめまして、カソードフォロアに実験的に変更してみました。

これが、思いのほか良い効能がありました。

　　１．ハムノイズが激減
　　　　いままで使ってはならないと思っていた秋月スイッチングアダ
　　　　プタでも、ほとんどノイズなし。
　　　　PC周辺用スイッチングアダプタだと、S/N比100dBになりました。　
　　　　ボリュームMAXでも無音です。　　
　　　　ぺるけ式HPAと同等レベルです。　私も驚いています。　

　　２．真空管のシールドがいらない
　　　　カソードフォロアにすると、プレートは電源直結になります。　
　　　　真空管のガラスの中で一番外側に見えている黒い金属板は、
　　　　実はプレートです。　これが電源に直結というとシールドして
　　　　いるのと同じことです。
　　　　ということで、外部にシールドをつけなくても、外来のノイズ
　　　　拾わなくなりました。　真空管に手を近づけたり触ったりしても
　　　　「ブーン」とか「ジー」とかいいません。

　　３．歪が激減
　　　　カソード接地のときと比べて、歪み率は1/10程度に下がりま
　　　　した。　ですが、やはり2次歪みを主体とした真空管らしい歪
　　　　みは付加されていますので、独特の雰囲気はそのまま楽しめます。

　　４．オペアンプを低インピーダンス駆動
　　　　カソードフォロアにより、インピーダンスが下がった状態で
　　　　classAA回路へと信号を伝えています。
　　　　これにより、前段にプリアンプがあるのと似た状態となり、
　　　　音にチカラが出ます。

　　５．ボリュームのギャングエラーが減少
　　　　アンプのゲインが0ｄBなので、必然的にボリュームの位置
　　　　が上がります。　大音量で聞くには、1時とか2時方向まで回
　　　　します。　　いままで8時とか9時方向で使うことが多かった
　　　　ので、ちょっと気持ち的にビビリますが、このおかげで、音量
　　　　の左右の大きさ違い（専門用語ではギャングエラーといいます）
　　　　がありません。　小さい音で聞いても、ギャングエラーの影
　　　　響を受けないというのは、思っていたより快適です。
　
　　６．反転アンプではない
　　　　カソード接地回路では、信号は反転していました。　その後
　　　　のオペアンプ段でもう一回反転するのは、ちょっと回路が
　　　　複雑になりますから、気持ち悪いと思いながらも諦めていました。
　　　　真空管段をカソードフォロアにすることで、非反転回路構成
　　　　となり、気分もすっきりしました。
　　

ということで、HyCAA改め　「0dB HyCAA」の誕生です。
　
いつも単純なネーミングですみません。

　
　
この波形は、0dB HyCAAの1mW時の歪みモニター波形です。　このように、綺麗な2次高調波となっています。
　
音質的な話ですが、もとのHyCAAのように飽きるほどの歪みの追加ではなく、適度な2次高調波が味わい深く響き、音の輪郭などがはっきりと聞こえるようになります。
また、細かい音の表現もわりと得意なようで、S/N比が高いのも手伝ってか、ピアノの余韻やストリングスがとても綺麗です。
高域にはキレがあって爽やか。　低音はちょっと軟らかめです。　

音は、使う真空管のメーカーや種類によって変わってくる可能性が高いので、あくまでも一つの例として参考程度に受け止めてください。
　

---

0dB HyCAAの特性を測ってみました。

歪み率です。　　負荷はいつも通り30Ωです。　　
出力の抵抗を33Ωまで大きくしたので、得られる出力は少し目減りしています。
自分の使い方では２mWくらいが実用範囲なので、5mWがクリップポイントですからギリギリという感じです。

周波数特性です。　　出力の抵抗が33Ωとなったので、低域が少し伸びました。
高域は少し伸び過ぎかもしれません。　
100kHzで-１dBから-２dB程度が聴きやすく感じるポイントと考えています。

S/N比は、なんと驚愕の100dB。　（A-wait  500mV基準）　
真空管をつかっても、これだけのS/Nが得られるのですね。

しかも、電源はスイッチングアダプタです。　PC外付けDVDライター用の12V電源です。　
そして箱は100円ショップの木製ケースです。　信じられません。　
　
もちろん秋月のスイッチングアダプタでもノイズは殆ど聞こえません。　
計測するとS/Nは悪化しますが、中高域が少しにぎやかな音になるので、これはこれでアリと思います。

　
RMAAというソフトウェアをつかってFFT解析をさせてみました。

便利ですね、このソフト。　ただしPCの音源ボードの性能に左右されるので、高性能アンプの測定には向かないのと、入力を一定以内のレベルに調整する必要があるので、自在に測定できるわけではありません。

とりあえず、真空管式ヘッドホンアンプには十分なものだと思います。

　
　

では、0dB HyCAAの計測結果ですが、THD特性（FFT特性）を見ると1kHz -3dBの信号に対して

　　２次高調波が　-64ｄＢ　　　0.089％
　　３次高調波が　-95ｄＢ　　　0.0025％

それ以外は見当たらないという結果です。（35kHz以上に見えているピークはスイッチング電源のノイズです）　
-95ｄＢというのは、ＣＤフォーマットのダイナミックレンジにも相当するくらいのレベルなので、ほぼ２次高調波だけといえます。
また、ノイズフロアの低さも真空管を使ったアンプとして優秀な部類に入っていると思っているのは私の買被りでしょうか。

なんとなくHyCAAが狙ってきた、適度な2次歪みの付加で音楽を心地よくするという目標には達することができたように感じています。
　
　
　
　
　
　

---

　　　　■■■■■　　禁断のclassAAヘッドホンアンプ　　■■■■■

---

　
　
真空管を使わず、classAA回路だけでヘッドホンアンプを作ったらどうなのよ？

という疑問は、みなさん考えるとは思います。
私もそう思いました。　　　　
　
　

完成前の写真で、いくつか部品が少ないです。　

何の工夫もないままですので面白くもなんともありませんが、回路図は下記のようになりました。
　
　

　　
　　アンプ部
　

　

　　センター電圧生成部
　
　
　
VCとは、センター電圧のことです。　　信号の基準電位です。　入力も出力もVCを基準にしています。

シャーシーにつなげるのもVCです。　ボリュームのところでもヘッドホン出力のところでも、２つの1000uFのセンターでも、どこでも構いません。　１箇所でも２箇所でもノイズを拾わなくなる方を選択すれば良いと思います。

　
DCカットは入力の一箇所だけです。
NE5532で構成した場合、オフセット電圧は-3mV/-5mV（L/R）ほど出てしまいました。

問題になるほどではないと思っています。

宿敵、秋月スイッチングアダプタでも、「じーーー」というノイズを聞こえなくするのに、少し苦労しました。　　電源全部をリップルフィルタに通した場合でもノイズが聞こえる。

もちろんリップルフィルタなしでは盛大にノイズが聞こえる。　

フェライトコア巻いてもダメ。　CRフィルタ＋フェライトでもダメ。　ノイズはパルス性なのでフィルムコンデンサ、積層セラミックコンデンサなどなど、試したけどダメ。　手持ちのコンデンサの容量が足りない。。。

結果的に、VC回路の基準部分だけを１石リップルフィルタで平滑して、あとはオペアンプのPSRRにまかませる形になりました。
　
この回路構成では、電源は5Vから24Vくらいまでの単一電源で動作可能です。
電解コンデンサの耐圧に注意が必要です。16V品なら電源を15Vを上限にしておく必要があります。　

バッテリーでも、電池４本くらいでも大丈夫です。　バッテリー系の電源なら、リップルフィルタはいりません。

　
手持ちのコンデンサがなくなってきたので、ケチケチの1000uFｘ２個という電源容量。

それでも、ちょっとヤバイですね。　この音質。　　作らなければよかった。。。
こんな構成でぺるけ式を超えてしまう部分があるとは。