工作とかオーディオとか

作った物について書きます

TPA6120ヘッドホンアンプの改良とDC/DCコンバータ基板の改修

以前の記事で製作したヘッドホンアンプ

ですが、以下の点が気になっていました。

  1. 入力電圧が5Vでは動作できず、6Vが必要なためUSBポートを電源として利用できない。
  2. ヘッドホンの保護回路がなく、万が一のときに心配。

これらの問題を解消するために改修を行ったので、その内容を書きます。

改修した点

5Vで動作しない問題については、

の記事で作ったACアダプタのノイズフィルタ基板のパターン引き回しが良くなかったのか電圧降下が大きくて、DC/DCコンバータが動作が動作できる電圧を下回ってしまうためでした。

保護回路が無い点については、DC漏れが起きた場合の対策がとられていないことが気になっていました。

ショートなどが起こった場合の最大電流についてはDC/DCコンバータ側で自動的に制限されていますが、現状ではDCが漏れた場合は検知できない可能性が高いです。

これらを改善するためにノイズフィルタ基板、DC/DCコンバータ基板、DC漏れ検知ミュート基板の設計を行い、TPA6120ヘッドホンアンプに組み込みました。

基板の改良点

ノイズフィルタ基板

ACアダプタのノイズフィルタ基板については直流抵抗を減らすことを目的として再設計しました。

改良したACアダプタのノイズフィルタ基板

  • 入力のヒューズをポリスイッチに変更し、抵抗値の低いものを選定した。
  • 入力のコンデンサを大容量なものにした。
  • ノイズフィルターは後述の理由からDCコンバータ基板側に移すので、こちらは簡易なフィルタとして村田製作所のブロックタイプエミフィルBNX012-01に変更。
  • 複数のDC/DCコンバータ基板に接続できるように分配基板として使えるようにした。

DC/DCコンバータ基板

こちらの基板はバックリップル電流対策を主に行います。

DC-DCコンバーターのバックリップル電流対策:DC-DCコンバーター活用講座(23) 入力および出力フィルタリング(1)(2/3 ページ) - EDN Japan に記載のある内容をベースにして行いました。

今回改修するヘッドホンアンプのようにいくつか必要な電圧があり、複数のDC/DCコンバータを並列に接続することが多々あります。個々のDC/DCコンバータのバックリップル電流が他のDC/DCコンバータに影響しないようにLCフィルタ回路をDC/DCコンバータ基板側に移すことにしました。

改良したDC/DCコンバータ基板

  • フェライトビーズとコイル、コンデンサからなるフィルタ回路を前述のとおりこの基板側に移動した。
  • 入力コンデンサをパラで搭載できるようにして容量を増やしESR値を下げることにした。
  • パターンを見直して入力から出力までが直線的になるようにデザインして細長い基板にした。
    • タカチHITケースの側板に2枚を並べられるようにサイズを調整しました。

DC漏れ検知ミュート基板

DC漏れを検知してヘッドホンアンプ基板の出力に入っているリレーをOFFにする回路です。リレーのコイルへの給電部分の前に挟んでリレーの電源を落とすようなイメージで製作しています。

DC漏れを検知する部分はアンプのリレー式保護回路: new_western_elecの回路を参考にさせていただきました。

製作したDC漏れ検知ミュート基板

ケースへの組み込み

ヘッドホンアンプのケース(タカチHITアルミケース)側板の部分へ電源基板を取り付けます。縦方向に2枚がちょうど収まる大きさにしたのできっちりおさまりました。

ケース側板への電源基板の取り付け

なお、DC/DCコンバータ基板は出力の大きさが異なるモジュールも取り付けられるようにドーターボードを製作しました。ドーターボード上には入力コンデンサと出力コンデンサ、ノイズのバイパスコンデンサを裏面に取り付けています。最低負荷が必要ならその抵抗も取り付けた方がいいと思いますが、データシート上にはそういった記述がなかったので(ドーターボード側には)取り付けていません。

これまで述べていなかった改善点としてマイコン+7セグLED用5Vを別の電源基板から取るようにしました。これまではTPA6120用の正負電源の正側と共用していたのですが、少しでも音質改善に繋がればと別電源に分けました。基板をきっちり収まる大きさにできたので実現できた改良点です。

仕切り板にDC漏れ検知ミュート基板を取り付け

DC漏れ検知ミュート基板はヘッドホンアンプ基板の出力をとってくる関係で仕切り板の方に取り付けました。非常にコンパクトな基板なので取り付けは問題なくできました。

性能評価

新たに製作したDC/DCコンバータ基板は回路を少し変えたので念のため性能評価を再度行いました。

DC/DCコンバータ基板のスパイクノイズ

約10mVp-p程度のスパイクノイズが出ています。前回製作した基板より少し増加していますが、許容範囲でしょう。

DC/DCコンバータ基板のノイズスペクトラム

500kHz付近に山があります。これは使っているDC/DCコンバータがその周波数でスイッチングしているからでしょう。

定電圧基板を取り付けた状態

DC/DCコンバータを使った正負電源基板の製作 - 工作とかオーディオとかで作った定電圧基板を取り付けた状態で同じように測定してみます。

定電圧基板を取り付けた状態でのノイズスペクトラム

きれいに500kHz付近に山が消えました。1MHzを超えたあたりのノイズは残ってしまっていますが、これは取りにくい帯域なので仕方ないでしょう。

音の変化

低域の勢いが良くなり、ポンポンといった感じがよく表現できるようになりました。 マイコン・7セグLED用の電源を別としたことと、直流抵抗の減少、コンデンサの追加の効果が出て瞬発的な電流供給能力が上がっているのでしょう。

また当初の目的であった5V電源で動作するようになったのでACアダプターの選択肢が増えました。

これでヘッドホンアンプの改良は終わりにします。そろそろ2wayスピーカーの仕上げの作業にうつりたいですね。

TPA6120を使ったヘッドホンアンプの製作

以下の記事でDC/DCコンバータを使った電源回路を製作しました。この電源回路は機器の小型化に役立ちそうですが、音質上の問題がないかどうか気になるところです。

そこで電源回路の違いが聞き取りやすいと感じるヘッドホンアンプを製作して試聴してみることにしました。

またこれまで作ってきたDACなどで得た(見た目上の)デザインの知見から、こだわったケースデザインにしてみます。

チップ部品をDIP化する基板の製作

ところで近年はDIP部品も少なくなっており、巷で音質の良い部品と言われているものもチップ部品であることが増えました。

そこでチップ部品をDIP部品として使えるように変換基板を簡単に作ってみました。

PMLCAPをDIP化する基板

チップ抵抗をDIP化する基板

ユニバーサル基板で作ることも可能ですが、こうして基板化しておくとパッと使えるので便利ですね。

全体の構成

全体は以下の4つから構成されています。

HPA6120基板の詳細

他の3枚は記事化済みだったり特段述べることもないため、この1枚だけ詳細を書きます。

HPA6120基板

いろいろ細かい基板を追加した結果として雑然としてしまっています。DIP化基板はもうちょっと構成を考える必要ありそうですね。

オペアンプの聴き比べ

LM1972のバッファアンプとして入っているオペアンプですが、交換すると意外と音の差があるとわかったので聴き比べを行ってみました。

オペアンプ聴き比べの様子

試したのは以下のオペアンプです。LM1972はバッファアンプにはJ-FET入力のオペアンプが指定されているので、J-FET入力のもののみ試しています。

  • OPA2134
  • MUSES8920
  • OP275
  • LME49720
  • OPA2604
  • THS4601 (デュアル化基板を使用)
  • OPA1622
  • OPA828 (デュアル化基板を使用)
  • MUSES01D

個人的に好みだったもの(A)〜好みではなかったもの(D)までに分けました。あくまでこのシステムと個人の感想ですが、感じたことと合わせて記述します。

ランク 型番と感想
A - MUSES01D : 解像度が高く様々な音が分離されてはっきり聞こえる。帯域は低域から中域まで出ているものの、高域が控えめなのか鮮やかさが足りない感じがある。ゆったりとしており聴き疲れにくい音。

- THS4601 : クリアな音質でバランスの良く、音の分離が良く解像度が高い鳴り方。色付けは少ないが、少し聴き疲れする。ボーカルは少し奥まるが実在感が感じられる。低域は軽いが勢いはある。
B - LME49720 : バランスが良く満遍なく良い鳴り方をする。分解能も高いが平面的に聞こえることがある。

- MUSES8920 : やや明るめの音。ふわっとした感じがあり、それが楽しくもあり不明瞭とも言える。若干ボーカルが奥まって聞こえるが、低音はよく沈み込む。音楽を聴かせる音。
C - OPA1622 : バランスは良くボーカルが目立つが、全体的に遠くで鳴っている感じがある。

- OPA2134 : アタックが強く、メリハリが効いている。ボーカルは弱いという感じがするが、それ以外が強い感がある。

- OPA828 : 低音域があまり出ずアタックが弱い。それ以外のバランスは良くて解像度が高い。
D - OPA2604 : ハリが強い音。一聴するとバランスが良いが、ボーカルもあまり前に出てこないのと曇りがある。

- OP275 : 低音が強調されて聞こえて音の分離が悪い。

正直なところA, Bランクのあたりは僅差で悩んだのですが、長時間聴いていて聴き疲れしない点と解像度の高さを評価してMUSES01Dにしました。

高速オペアンプであるTHS4601は出力波形に発振がないかは確認して無かったものの、低域の軽さが気になりました。軽微な発振が残ってしまっていたならZobelフィルタなどを試すべきなので、そのあたりは今後試せたらいいなと思います。

THS4601のデータシートを見ると、ソケット使わない & 6.8uFのデカップリングコンデンサを近くに配置すべきと書かれていることから、そもそも真価を発揮できない条件であった可能性があります。悪条件でもかなり良かったので条件を整えればもっと良くなるかもしれません。

7セグLED基板を加工

ボリューム値表示にはHPA6120基板のオプションである7セグLEDの基板を使っています。7セグLEDは厚みがあるので取り付けには若干の工夫が必要です。

また本作はフロントパネルをすっきりさせるためにフラットな面にしたいと思っています。フラットな面にするにはこの7セグLED基板をうまく取り付ける方法を考える必要があります。

そこで基板サイズに合うスペーサーを3Dプリントで製作してツバのところをねじ止めする方法をとることにしました。

基板サイズに合うスペーサーを製作

スモーク色のアクリル板を取り付けて完成

これをケースに取り付けていきます。

ケース加工

今回のケースもお気に入りのタカチHITアルミニウムケースです。横幅17cmの正方形に近い形のHIT17-6-18BBを使いました。

いつもシルバーを使っていますが、ヘッドホンジャックのプラスチック部分が黒で統一感を持たせたかったので、ケースもブラックを選択しました。

本作では本格的な見た目を目指したいので、パネルの加工は自分で行わずmeviyで発注しました。

meviyから届いたパネル

リアパネルは1枚板ですが、フロントパネルの方は2枚重ねとしています。これは以下の理由からできてしまう凹凸を無くして、フラットな見た目にするためです。

  • タカチHITケースはパネルが少しケース内側に入るような設計になっており、フロントパネル全体が奥まった位置になってしまう。
  • ヘッドホンジャックはパネル取り付けのツバがついているので、その部分が出っぱってしまう。
  • ボリュームなどのツマミは少し落とし込み加工されているような状態の方が隙間が小さくなる。

部品を取り付けてレタリングを入れたパネル

パネルにはレタリングシートを使って文字を入れました。これだけでだいぶ本格的な見た目になります。レタリングシートだけでは貼り付け強度が出なかったので水性のつや消し透明色のアクリルラッカーをかけて固着させました。

底板は通気穴を開けたかったのでケースに付属の板は使用せず、PCBWayに発注しました。この板をmeviyに発注しなかったのは長穴が多くなるとmeviyは価格が高くなってしまうためです。

加工した底板

皿穴の加工や追加の穴開けを自分で行ってケース加工はこれで完了です。

ケースへの基板の組み込み

各基板をケースへ固定していきます。ケースへの固定は横着してタカチの両面テープ付きのポストを使いました。

各基板をケースに固定

仕切り板を1枚設けてそこに追加の基板を固定しています。

パネルとの配線を行った状態

思っていたよりもパネルとの配線が多くてごちゃごちゃしてしまいましたが、パネルの配線も終えて完成です。

完成した姿

フロントからの見た目

リアからの見た目

電源ONのときの見た目

これまで製作してきたDACやアンプの中では一番気に入ったデザインになりました。ネジも含めてフラットな見た目にしたのが良かった点だと思います。

おわりに

非常にクリアな音で心配していたノイズはまったく聴こえません。DC/DCコンバータを使った電源は十分実用に耐えそうです。

また良いデザインのケースになったので、今後の作品はこれをベースに作っていこうと思います。

改良編

気になった問題を改良したバージョンを製作しました。

クロスオーバーネットワークの設計と製作 - Scan-Speak Discoveryシリーズで自作2wayスピーカー

前回の記事で満足のいく結果が得られたので、その測定結果を使って特性のシミュレーションを行いながら、ネットワーク回路を設計・製作します。

クロスオーバー周波数の決定

シミュレーションには定番のVituixCADを使います。

エンクロージャー修正後もウーファー、ツィーターそれぞれのクロスとなる部分のDIに大きな変化はありませんでした。

修正後のDI

2.5kHz付近から指向性に差が出てくる状況は変わっていません。

ツィーターのデータシート上の推奨クロスオーバー周波数は2次のオーダーで4kHzとなっています。

今回は2次よりも急峻なクロスにする予定なのでもう少しクロスオーバー周波数は下げられそうです。先ほどのDIの値からすると高くても3.5kHz以下にはしたいと感じます。そこで目標値として3kHzを設定します。

ネットワークの設計

いろいろと試行錯誤した結果、ウーファー側が3次のLinkwitz-Rilyフィルタとなり、ツィーター側が4次のLinkwitz-Rilyフィルタで非対称なクロスオーバーとなりました。クロスオーバー周波数は3kHz付近です。

設計したネットワークとシミュレーション結果

推定Preference Ratingのスコアは約6.5となりました。低域が思ったよりも伸びていることが大きいと思います。

リバースヌルの確認

Reverse Nullは小さめですが、一応出ています。

ここからはウーファー側、ツィーター側それぞれのネットワークの設計意図について説明します。

ウーファー

ウーファー側のネットワーク回路

基本構造は2次のローパスフィルターですが、初段のコイル(2mH)を2つに分割して片方に抵抗をつけることで減衰特性を抑制しています。

バッフルステップ補正を行うためには大きめのコイルが必要ですが、そのままだと以下の2点の問題が発生するため、こういう構成にしました。

  • クロスオーバー周波数での減衰が大きすぎる。
  • 200Hz〜400Hz付近での盛り上がりが出てしまう。

この構成をとることできれいにバッフルステップ補正をかけることができたのですが、高域のブレイクアップが少し残ってしまいました。それを抑えるために8.5kHzあたりを狙ったディッピング回路を入れてあります。

ツィーター側

ツィーター側のネットワーク回路

こちらは3次のハイパスフィルターにI型アッテネータとインピーダンス補正回路を入れた回路です。

ツィーターの9kHz以上の暴れがひどくて特性を整えるのに苦労しました。やっぱりユニット選定の時点から暴れの少ないものを選択すべきだったなと痛感しました。

インピーダンス補正回路は必要ないと思うのですが、そのあたりの領域の特性を整えるのにつけています。ただインピーダンス補正を行うと音の元気がなくなるという話も聞くので、他の代替手段を考えた方がいいかもしれません。そのあたりはまた聴きながら調整したいと思います。

7-8kHz付近に大きなディップが見られます。これはシミュレーションする限りではバッフルのエッジディフラクションによるもののようです。かなり角を削ったことでもともと6kHz付近に出ていたディップが高域側に移動したようです。

データシート上はツィーターの7-8kHz付近に少しピークがあるのでそれと打ち消し合わないかなと思ったのですがダメでした。ここをピーキングフィルタで補正かけると全体の特性が崩れてしまうのでこのままにしてあります。

7-8kHzのディップを抑える方法として見つけたのは、ウーファーのディッピング回路の周波数を下げてウーファーから補完するような形です。ただ分割振動のはじまったウーファーの帯域を使うのは音が濁りそうだったのでその方法は避けました。

ネットワークの製作

完成したネットワークがこちらです。ネットワークボードが小さくてきれいに配線をおさめることができませんでした。

ウーファーのネットワークボード

ツィーターのネットワークボード

もともとはウーファーのボード1枚でツィーター側も実装する予定だったのですが、回路規模が大きくなってしまったためやむを得ず2枚に分けました。

木材の板に穴を開けてインサートナットを入れて、そこに丸型端子を使ってねじ止めすることで部品を固定しています。

ネットワークボード込みのインピーダンス特性

ほぼシミュレーション通りのインピーダンス特性になったのですが、5kHz付近のピークが小さくなってしまいました。

おそらく部品の誤差の影響かと思います。シミュレーションしたところツィーター側のネットワークのコイルの値が設計より小さいとそのような状態になるようです。

総合特性にはあまり影響しなさそうなので、いったんこのままでいこうと思います。

次回の記事

ネットワークの完成までできたので、次は塗装とボードの格納です。

音を早く聴きたい気持ちがあるのですが、まだもう片チャンネルのエンクロージャーの修正が終わっていないのでもう少し時間がかかりそうです。

こつこつと作業を進めながら他のオーディオ機器も含めて環境を整えていきたいと思います。

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