工作とかオーディオとか

作った物について書きます

DC/DCコンバータ電源の再評価と試聴

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はじめに

前回の記事の電源基板の出力ノイズを測定した時に値が非常に低いのが気になっていたので、原因の調査と再評価を行いました。

また良い機会なので、製作中のTPA6112を使ったヘッドホンアンプとLM3886を使ったパワーアンプで、トランス電源との聴き比べも行って今後も採用していくべきかを検討します。

原因の調査と改善

前回の記事で紹介した測定用のnabeさんの差動プリアンプですが、自分の実装方法に問題があったのか数mV程度の発振が出ていたようです。その影響で最終的な出力レベルが下がってしまっており、実際の値よりも低い結果となったみたいです。

また自分の手持ちのオシロスコープはプローブ倍率をx1未満に設定することができないため、値が実際の値を示しておらず直感的でないという問題点もありました。

そのため以下の対策を実施します。

  • 前段のLTC6405の発振対策: 帰還抵抗に9pFのセラミックコンデンサを追加。
    • データシートを見る限りでは数pFで良いようでしたが、手持ちの関係でこの値に。
  • 前段のゲインを下げるために帰還抵抗を1kΩに変更。
  • 後段のLMH6629の負荷抵抗を9kΩ(18kΩ*2並列)に上げて発振を抑える。
  • 出力抵抗の出力側-GND間に分圧抵抗1kΩを入れて1/10に出力を落とす。
    • 前段のゲイン変更と合わせてこれで1倍の値になります。

上記のことを行った結果、発振がおさまって安定的に測定ができるようになりました。

また以前の状態ではBNCケーブルでオシロスコープと直接接続した場合とプローブを通した場合で出力ノイズに差が出る状態だったのですが、分圧抵抗を入れた結果、そのようなことも起きなくなりました。

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ケースに入れて測定用差動プリアンプの完成

DC/DCコンバータ電源基板の再評価

測定環境が整ったのでDC/DCコンバータ電源基板を再度評価し直していきます。DC/DCコンバータはTDK-LambdaのCC10-1212SF-Eを使っています。

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DC/DCコンバータ電源基板


固定の抵抗を負荷として120mA程度電流を流したときの出力ノイズから測定します。

まずはDC/DCコンバータの出力に22uF+0.1uFのコンデンサを入れた状態の出力ノイズです。

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DC/DCコンバータの出力ノイズ

DC/DCコンバータのスイッチング周波数である500kHzでリプルがのっています。

この出力をムラタBLM18Pフェライトビーズ(470Ω)をV+, GNDライン両方ともに通した出力ノイズが以下です。

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フェライトビーズを通した出力ノイズ

リプルがなくなり、全体のノイズもかなり小さくなりました。

さらにLCフィルタ回路でノイズが低減できるか確認するために100uH+4.7uFのフィルタ回路を製作しました。

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LCフィルタ回路

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LCフィルタを通した出力ノイズ

全体のノイズレベルは数mVp-p下がったものの、聴感上わかるかどうか怪しいレベルです。


次に負荷過渡応答を見るために、製作中のLM3886パワーアンプに10kHzの矩形波を入力して約2Vp-pの出力が得られた時の電源電圧の変動を測定しました。

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LCフィルタ回路を通した時の負荷過渡応答

赤のラインが出力で黄が電圧変動を示しています。負荷に応じて60mVp-pの変動があることがわかります。

もう少し変動を小さくするには定電圧回路などを組み込めば良いのですが、製作中のLM3886パワーアンプは測定用に持ち運べるよう小型化するという目標があります。そのため簡易な回路しか組み込むスペースが残っていません。

そこで先ほどの差動プリアンプでもお世話になったnabeさんが設計されたトランジスタ式簡易レギュレーター - nabeの雑記帳を見つけました。回路は非常にシンプルで細長い基板に組み込むことができました。

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トランジスタ式簡易レギュレーターの製作

トランジスタは手持ちの関係で2SC3422と2SA1359を使いました。この回路は負帰還がかかっているわけではないので負荷に対するレギュレーションはあまり高くはないとは思いますが、結果はどうでしょうか。

先程のLCフィルタ回路を取り外し、かわりに製作したレギュレーター回路を入れて測定します。

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トランジスタ式簡易レギュレーターを通した負荷過渡応答

結果としては1/3程度まで電圧変動を抑えることができました。

製作中のLM3886パワーアンプに取り付けて試聴してみたところ、聴感としてもLCフィルタ回路では高音域の金属音にのる付帯音が気になっていましたが、このレギュレーター回路を入れることでそのような音がなくなり透明度が増しました。

出力電流を1A程度まで取り出してもトランジスタの発熱は小さく、問題なく実用できそうなレベルです。

トランス電源との聴き比べ

製作したDC/DCコンバータ基板を今後採用していくかを判断するためにトランス電源との聴き比べを行います。

TPA6112を使ったヘッドホンアンプの構成

いつもお世話になっているお気楽オーディオキットさんのところのHPA6120を組み立てています。

その電源には前回の記事で紹介した定電圧基板を使っています。

ここに以下の2つのパターンで電源を接続して比較しました。

トランス電源の方は定電圧回路を2段挟むような構成になってしまっているので、公平な比較ではないかもしませんが、ご了承ください。

LM3886を使ったパワーアンプの構成

以前の記事で製作したLM3886とLM1972を使ったプリメインアンプを製作 - 工作とかオーディオとかと製作中のものとの比較です。

製作中のものは本記事中のDC/DCコンバータ+トランジスタ式簡易レギュレーターを電源としています。

聴き比べた感想

ヘッドホンアンプとパワーアンプそれぞれのパターンで聴き比べた感想をまとめました。

結論としては、どんな音楽でもそつなく鳴らせるのはDC/DCコンバータ電源で、トランス電源は安定化回路をもう少し吟味しないと持ち味を活かせない感じがありました。

DC/DCコンバータ電源

  • クリアで明るく、音の情報量が多く感じる。
  • 低音のアタックが軽く、沈み込みが小さい。
  • DC/DCコンバータ電源を直接接続すると金属音の響きに付帯音がある。

トランス電源

  • 低音がふくよかでアタックが強い。ただ勢いという感じは弱い。
  • 音の解像度は定電圧回路に依る。個人的には非安定化電源のLM3886アンプの方がトランス電源ではクリアな音に聴こえた。
  • 低音域が強く聞こえるため音源によっては、もわっとした感じになってしまうことがある。

おわりに

DC/DCコンバータ電源はトランス電源と比較しても負けず劣らずの音質で、コンパクトなオーディオを製作していきたい自分としては機器が小型化できるメリットは大きいと感じました。

今後しばらくはこの電源を使って機器の小型化を図っていこうと思います。

DC/DCコンバータを使った正負電源基板の製作

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はじめに

前回の記事でスイッチングACアダプタのノイズフィルタ基板を製作しました。

実際にアンプの製作を行うには正負電源が必要になることが多いです。ACアダプタを2つ使って構成することも可能ではありますが、見た目があまりスマートではありません。

そこで、前記事のノイズフィルタ基板の後段となるDC/DCコンバータを使った正負電源基板の製作を行いました。

製作したDC/DCコンバータ基板

DC/DCコンバータはTDK-LambdaのCC-Eシリーズを使います。

選択した理由は全体がシールドされており漏洩ノイズの観点から良さそうだったのと入手性の良さからです。

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製作したDC/DCコンバータ基板

3W, 6W, 10Wのそれぞれの形状に合わせて3パターン製作しました。部品を取り付けると以下のようになります。

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部品を取り付け済みDC/DCコンバータ基板

この基板にはCC-Eシリーズのデータシートに記載のあるものや、絶縁型DC/DCコンバータ用超低ノイズフィルタ | RECOMようなノイズ対策を行っています。

具体的には

  • 出力+, -, GNDに対してフェライトビーズの挿入
  • 出力-から入力-に対してコンデンサの追加 (10Wタイプは内部で行われているので追加無し)

を行っています。

定電圧電源基板の製作

上記と合わせて、さらなる出力ノイズ低減のための定電圧電源の基板を製作しました。回路はインバーテッドダーリントンで更に高音質化 - 趣味のページを使わせていただきました。

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製作した定電圧電源基板

DC/DCコンバータを使った場合、負荷として接続できるコンデンサ容量が規定されており、またそもそもの電圧の安定度が高いためあまりコンデンサを並べる必要がありません。

そのため、省スペースで小さい電源基板を作ってしまおうとなったわけです。

製作した電源基板の評価

オシロスコープを使ってDC/DCコンバータの出力ノイズを測定しようと思ったのですが、ノイズの回り込みがひどく全く信頼性のある値が取れません。

差動プローブがあれば正確な値を取れそうだとはわかったものの、価格が高く手が出せません。困っていたところ以前、パワーアンプ基板を使わせていただいたnabeさんが自作していました。基板を頒布していただきまして、うまく測定することができました。ありがとうございました。

まずはコンデンサのみを通したDC/DCコンバータの出力ノイズです。このノイズは固定の負荷をかけた状態で測定したものです。

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コンデンサのみを通したDC/DCコンバータの出力ノイズ

差動アンプ自体のゲインが100倍なので値は1/100のはずですが、そうすると2mVp-pくらいでかなり低い値になってしまいます。

データシート上はDC/DCコンバータ単体で30mVp-pくらいのようなので、ここまで低くなっているのは値としてはちょっと怪しいかもしれません。

この記事では値自体というより、後段のフィルタがどの程度出力ノイズに効いてくるのかが重要なので、値自体の信頼性についてはまた後日検証しましょう。

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フェライトビーズを通った後の出力ノイズ

フェライトビーズを通るとスパイクノイズがかなり小さくなり、全体のレベルも半分程度まで下がっています。

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定電圧回路を通した出力ノイズ

スパイクは残っていますが、全体の電圧の安定性はかなり向上しました。

各図のFFTの結果を見るに、各段階で想定される帯域への効果があったものと見えます。

おわりに

製作した基板は一定の効果があり、小型に仕上がったので狙っていた機器の小型化に寄与しそうです。変動負荷をかけた状態の測定についてはまた機会があればやりたいですね。

次はこの基板を使ってヘッドホンアンプを組んでみようと思います。

ヘッドホンアンプの方が耳元で鳴る分、パワーアンプよりはノイズに敏感であると思うので、まずはそこで試したいという思いがあります。

スイッチングACアダプタのノイズフィルタ基板の製作

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はじめに

スピーカー測定に使っているパワーアンプは、ウーファーの測定時にはそれほど気にならなかったのですがツィーターの測定時にはホワイトノイズが結構気になることがわかりました。

また前回の測定のような外で測定を行う場合にはもっと軽い方が持ち運びが楽です。

ノイズを減らすことと軽量化という2つの目的を達成するためにアンプの電源回路の検討を始めます。

トランス式電源では軽量化の目的は達成しにくく、トランス容量を減らすくらいしか方法はありません。あまり容量を減らすと低音域の測定への影響が心配されます。

そこでスイッチング電源を使ってみることにしました。

スイッチング電源のノイズ

スイッチング電源は構造上、スイッチング周波数においてスパイクノイズが出ることがあり、それが聴感上でも影響を与える可能性があります。

手元にあった秋月電子GF12-US0520に100mA程度の負荷をかけた状態で出力をオシロで計測すると以下のようなノイズが出ていることがわかります。

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スイッチングACアダプタのノイズ

35usくらいの周期で80mVp-pくらいのスパイクノイズが乗っています。

ノイズフィルタの実験基板の製作

出力ノイズを軽減するためにフィルタ回路を製作することにしました。

先人の知恵を検索してみると通電してみんべ - DC/DC電源のノイズ対策という記事が見つかりました。

記事を読ませていただいたところ、コモンモードとノーマルモードの双方の対策が必要で、そのあたりのフィルタをどこまで強くかけるかは結果次第で判断という感じがしました。

記事の回路図に参考にさせていただいてフィルタ回路の実験基板を製作しました。

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ノイズフィルタの実験基板

フェライトビーズ+コイルの簡単な回路の方で、もしコモンモードコイルや追加のコイルが必要となれば基板を作り直そうとは思っていました。

部品を実装した姿がこちらです。

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部品を実装した基板

部品をいくつか変えて3パターン作ってみました。

フィルタ基板の実験結果

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フェライトビーズを通過後の波形

まずはフェライトビーズを通した後の波形がどうなるか確認しました。

全体的にノイズは減って約45mVp-p程度まで減っています。

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コイルを通過後の波形

次にコイルを通過した出力の波形を確認しました。フェライトビーズ通過時点と比較して特に大きな差は見られませんでした。

まだ結構ノイズが残っているので、もう少し減らせないか回路を検討する必要がありそうです。

ACアダプタを交換

フィルタ回路を改修する前に、ACアダプタ自体を交換して出力ノイズがどの程度変化するか確認してみました。

今回、比較対象として同じ5V出力(USB)のスマートフォン向け充電器を2種類を加えました。

USB ACアダプタ(1)

何もフィルタをつけない状態の波形が以下で、約16mVp-p程度の変動があります。

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ACアダプタの出力波形

上で製作したフィルタ回路を通した波形が以下です。

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フィルタ回路を通した出力波形

秋月のACアダプタと比べてノイズがかなり小さくなっており、約8mVp-p程度になりました。

ただ10msのレンジで見るとAC電源由来と思われる変動が取り切れておらず、約12mVp-p程度の振幅があります。

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10msのレンジでの出力波形

USB ACアダプタ(2)

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ACアダプタの出力波形

このACアダプタは何もフィルタをつけない状態でも約10mVp-p程度の変動しかありません。

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フィルタ回路を通したの出力波形

フィルタ回路を通すと約6mVp-p程度まで変動が小さくなりました。また12.5kHz程度の大きな波もなくなっています。

このACアダプタは優秀で10msのレンジで見てもAC電源由来の変動が見られません。

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10msのレンジでの出力波形

おわりに

製作したフィルタ回路は効果があり、ACアダプタによってはノイズを気にならないレベルまで低減できることがわかりました。

ACアダプタによってはスパイクノイズが結構残ってしまう結果となったものもあります。それらのACアダプタを使うのであれば、フィルタ回路をもう少しチューニングする必要がありそうです。

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