LME49600_HPA V2.1 ACカップリングなしバージョンはんだ付け完了

回路図

AnalogDiscovery2で動作テストしました。

OPAMPはNJM4580DD、電源はAD2のSupply(±5V)です。

入出力

±100mVの入力で、±1Vの出力になっており、増幅率Av = 10程度になっています。

入出力（入力に+500mVのバイアスをかけた場合）

入力は+500mVのバイアスがかかっていますが、出力はDC成分がほぼ除去されています。無事DCサーボが機能しています。

周波数特性

10倍増幅なので、20dB、低域は10Hzから平坦で、高域は500kHz程度まで伸びています。高域はNJM4580DDの帯域による制限です。

参考：「AnalogDiscovery2でOPAMP比較（バイポーラ入力）」

DCサーボの反応

0.5Hz/+200mVの矩形波を入力して出力がGNDに落ち着くまでのようすを観測しています。

回路図のR5=1MΩ、C7=1.0uFなので、

時定数τ = CR = 1[MΩ] * 1.0[uF] = 1[s]

だと思っていましたが、測定グラフの青の線が36.8%（時定数のポイント）になっているのは0.2[s]付近です。

DCサーボについてはAnalog Devicesの「一緒に学ぼう！石井聡の回路設計WEBラボ」で解説されているので少し真面目に読んでみようかと。

ひとまず動作確認がとれたので、PCM2704_HPAに組み込んで動作確認＆音出ししてみたいと思います。

LME49600_HPA V2.1 ACカップリングなしバージョン製作予定

PCM2704_HPAで使っているヘッドホンアンプ部のLME49600_HPA V2.1を次の設定で製作する予定です。

JP1,JP3: Open: サーボあり
JP2,JP4: Open: Bandwidth 110MHz (narrow)
C5,C14: Bypass ACカップリングなし
R8,R14: 4.7kΩ: 9.4倍電圧増幅

電圧増幅が10倍近くと高いのは、能率の低いAKG K701をドライブするためです。

参考：
「LME49600_HPA V2.1 はんだ付け完了」
「LME49600_HPA V2.1 入出力チェック」
「USBヘッドホンアンプ:PCM2704_HPA 一旦完了」

回路図

部品並べ

1回目の実装はACカップリングあり、DCサーボありで実装しましたが、今回はDCサーボのみとしました。多少贅沢な部品を使用して製作するつもりです。果たして差し替えて音質の違いがわかるかどうか？

AKG K701購入しました。

USBヘッドホンアンプが完成したので、ずっと欲しかったAKGのK701を購入しました。

というのも愛用しているSony MDR-CD900STは15年近く使っていて、さすがに出音が心配になってきたからです。ヘッドホンが劣化していてはヘッドホンアンプを聴き比べる意味がありません。

K701はオープンエア型リスニング用という位置づけで、密閉型モニタ用のCD900STとは対象的なヘッドホンという面もあります。

AKG K701にはK702という双子のような製品があります。Web上の情報ではK701とK702の性能は殆ど同じようです。違いは色とリケーブルできるかどうか。色に関しては白でも濃紺でもどっちでも良かったので（白は澪ホンとして有名でおっさんが使うにはちょっと恥ずかしい）、リケーブルできるK702にしようかと迷ったのですが、要はリケーブルするためにミニXLR端子を付けてる分の価格差のようです。しかもK701はケーブルが4線、K702はケーブルが3線らしいのです。

４線のケーブルならプラグを交換すればL/RでGNDを分離できるし、ケーブルが断線したとしても自分で修理できると思うので、結局安い方のK701を選びました。

まずは試聴と、展示店でスマホをつないで聴いてみると音がちっちゃい。低音もなんだかモヤモヤしててとてもいい音とは思えません。K701は入力インピーダンスが62Ωと最近ののヘッドホンと比べて高く、能率も93dB/mWとかなり低くなっています。

CD900STは入力インピーダンスは63Ωでほとんど同じですが、効率が106dB/mWあります。

AKGの製品でなおかつユーザー評価が高いので、スマホに直結したようなしょぼい音なはずがありません。これはヘッドホンアンプで鳴らしがいがあるでは？と踏んで購入に至りました。

PCM2704_HPAにつないで見る

自作のPCM2704_HPAは、DAC部分はPCM2704を使っていますが、ヘッドホンアンプ部はLME49600で、その間でOPAMPを使って電圧増幅しています。

LME49600_HPA回路図

LME49600_HPA基板

DCサーボを使っているのでわかりにくいですが、ピンソケットを使って差し替え可能にしているR8が1kΩの場合3倍増幅になります。PCM2704の出力が最大約1Vppなので、この定数の場合、最大出力電圧が3Vppになります。この状態でK701をつないで試聴すると音量が小さくてフルボリュームにしても全然迫力がありません。

電圧増幅を何倍にするか決めるために、K701の最大入力が200mWなことから計算しました。

Vrms = √(P * R) = √(200[mW] * 62[Ω]) ≒ 3.52[Vrms]

Vpp = 2 * √(2) * Vrms ≒ 8.73[Vpp]

です。PCM2704基板の出力電圧は約1Vppなので、だいたい9倍弱すればよさそうです。R8を3.3kΩとして増幅率Av = 1 + (3.3[kΩ] / 500[Ω]) = 7.6 としました。

出力のチェック

100Ωの産金を3本並列したものを負荷として、WaveGeneからフルボリュームでサイン波を出力して波形を測定しました。

Lch

Rch

計算とは違って、約4.3Vrms程度出ています。どこか間違えていると思いますが、いずれちゃんと調べるとして、フルボリュームでサイン波を出力することはまずないので（ヘッドホンより先に耳がやられる）この状態で試聴しました。

一言で言って、スマホはもちろん、最大3Vppで聴いたときとは別物です。

CD900STと比べると、よく言われるように中高音がなめらかで音量を上げても耳に刺さりません。低音もCD900STがバッツンバッツン塊になってくるのに対して広がりを持って押し寄せてくるといった感じでしょうか。

K701はスマホやDAPのような出力電圧の低いアンプで聴くものではないと思います。入力インピーダンスが高くて能率が低いので、アンプの方は駆動力（出力電流）よりはまず出力電圧を気にしたほうがいいんじゃないでしょうか。

また、キャラクターの違いはありますが、CD900STもそれほど劣化していないこともわかりました。故障したり劣化してもドライバーユニットを交換できるのがCD900STの強みでもあります。

劣化しているとしたら、私の耳かもしれません（＾ｑ＾；

記念撮影

USBヘッドホンアンプ:PCM2704_HPA 一旦完了

ケース（タカチYM-200）に組み込んで配線しました。

基板のはんだ付けは割とルーチン化してきているんですが、筐体内部のケーブルの配線はいまだにどこに向かえば最適解にたどり着けるか分かっていません。

最初の設計にムリがあって、じっくりやった割には乱雑になってしまいました。

方針としては以下のようなもの

• 信号経路となるケーブルは必ずGND線とペアにして電流のリターンパスを作る。
• できるだけシールド・ケーブルを使う。
• LME49600_HPA V2.1の基板とPCM2704_LineAmpは取り替え可能。

シールド・ケーブルはヘッドホン端子につなぐところは比較的大電流が流れるので4.0Φのものを使いましたが、他は0.07SQの細径シールド・ケーブルを使ってみました。

内部

前面

背面

苦労したフロントパネル周り
I

電源とスタック
I

ケース内配線図

成り行きで配線して、完成後、図を起こしましたが、みごとにスパゲッティ。構想段階ではGND線が必要なことやL/Rの2線必要なことをあまり考えていませんでした。（めんどくさいのであえて気にしていない）

PCM2704の出力以外にも外部入力を受けてLME49600のヘッドホン・アンプとして使えるようにしたかったので配線で苦労する結果になったのかもしれません。

構成が複雑になると信頼性が低下するのでAUXなしでもっとシンプルに作っても良かったかも。LME49600_HPAはPCBを10枚焼いているので活用したいと思います。

現状ではLME49600_HPAの入力段でACカップリングとDCサーボをかけていて冗長なので、これらを外したバージョンの基板を組んで比較したいと思います。

LME49600_HPA V2.1に使うOPAMP比較 過渡応答 NJM4580 MUSES8820 MUSES8920 OPA2134 OPA2604など

LME49600_HPA V2.1の増幅およびDCサーボに使用する2回路入りOPAMPを取り替えて過渡応答を測定しました。LME49600は電流増幅に特化したバッファICで、OPAMPを使ったボルテージフォロアと比較して広帯域、高速なため出力に前段のOPAMPの特性が如実に現れることが期待できます。

実験のようす

製作途中ですが、PCM2704_HPAの筐体に収めているLME49600_HPAの基板を使用しました。ケース内部の左側のPCM2704_LineAmp基板は使用せず、右側の緑色のLME49600_HPAの基板に直接信号を入力しています。

電源: ±9V安定化電源
信号源: SQR_FG
出力負荷: 100Ωの酸金を3本並列にした約33Ωの抵抗負荷

比較したOPAMP

品種	メーカー	動作電源電圧	消費電流	スルーレート	利得帯域幅積	入力換算雑音電圧	THD	VIO	IIO	IB	RIN	価格@秋月	備考
NJM4580	NJR	±2～±18V	6mA	5V/us	15MHz	0.8uVrms	0.00050%	0.3mV	5nA	100nA	-	36円（5個入り180円）
NJM4558	NJR	±4～±18V	3.5mA	1V/us	3MHz	1.4uVrms	-	0.5mV	5nA	25nA	5MΩ	25円（8個入り200円）
NJM2114DD	NJR	±3～±22V	9mA	15V/us	13MHz	0.9uVrms	0.00050%	0.2mV	0.01uA	0.5uA	100kΩ	70円（5個入り350円）	NJM5532互換
NE5532	TI	±5～±15V	8mA	9V/us	10MHz	-	-	0.5mV	10nA	200nA	300kΩ	90円（マルツ）
MUSE8820	NJR	±3.5V～±16V	8mA	5V/us	11MHz	0.8uVrms	0.00100%	0.3mV	5nA	100nA	-	400円
LME49720	TI	±2.5V～±18V	10mA	20V/us	55MHz	0.34uVrms	0.00005%	0.1mV	11nA	10nA	30kΩ	270円
NJM072	NJR	±4～±18V	3mA	13V/us	3MHz(fT)	4uVrms	-	3mV	5pA	30pA	10TΩ	50円
NJM072B	NJR	±4～±18V	3mA	13V/us	3MHz(fT)	4uVrms	-	5mV	5pA	30pA	10TΩ	50円	TL072互換
NJM2082	NJR	±4～±18V	4mA	20V/us	5MHz	1.6uV	-	2mV	5pA	30pA	10TΩ	50円
OPA2134	BB	±2.5V～±18V	4mA	20V/us	8MHz	1.2uVrms	0.00008%	0.5mV	2pA	5pA	100TΩ	200円
OPA2604	BB	±4.5V～±24V	10.5mA	25V/us	20MHz	1.5uVp-p	0.00030%	1mV	4pA	100pA	10TΩ	300円
MUSE8920	NJR	±3.5V～±16V	9mA	25V/us	11MHz	1.1uVrms	0.00004%	0.8mV	2pA	5pA	-	480円

電源OFF時

ch1:入力

バイポーラ入力

NJM4580DD

ch1:入力 ch2:出力

NJM4558D

ch1:入力 ch2:出力

NJM2114DD

ch1:入力 ch2:出力

NE5532

ch1:入力 ch2:出力

MUSE8820

ch1:入力 ch2:出力

バイポーラ入力のOPAMPでは、4558系より5532系のほうが立ち上がりが高速なようです。MUSES8820は5532系に近い波形でオーバーシュートが少なくなっています。

FET入力

NJM072D

ch1:入力 ch2:出力

NJM072BD

ch1:入力 ch2:出力

NJM2082

ch1:入力 ch2:出力

OPA2134

ch1:入力 ch2:出力

OPA2604

ch1:入力 ch2:出力

MUSES8920

ch1:入力 ch2:出力

LME49720

ch1:入力 ch2:出力

FET入力のOPAMPはおおむねバイポーラ入力のOPAMPよりも高速です。

NJM072DとNJM072BDはTL072のセカンドソースで「072は072BのCcを小さくし、AC特性をアップさせております。いっぽう発振に対する安定度は072Bが優れています。」とあり、072Bのほうが少し立ち上がりが遅くなっています。

OPA2134、OPA2604、MUSES8920、LME49720といったオーディオ用と言われるOPAMPは072系に比べてレスポンスがよくなっています。MUSES8920とLME49720はオーバーシュートもほとんど見られません。

※LME49720はDATASHEETに特に記載がなく、入力インピーダンス等を見るとバイポーラ入力のようですが、過渡応答の波形からJFET入力に分類しました。

入力波形の歪

特にバイポーラ入力のOPAMPで入力波形が歪んでいて品種によっても歪み方が異なります。

信号源のSQR_FGはAVRのGPIO出力を300ΩのPOTで分圧して振幅を減衰させて矩形波出力としています。

これが、LME49600_HPAの入力のACカップリング用のCと干渉しているものと推測しています。電源を投入した場合だけ波形が崩れ、品種によって崩れ方が異なるのでOPAMPの入力インピーダンスも影響していそうです。

いずれもう少し詳しく調べたいと思っています。

USBヘッドホンアンプ:PCM2704_HPA ケース加工

タカチYM-200に穴あけ加工しました。

内部

前面

裏面

USB端子用の穴

仕上げは雑ですが、穴の位置はうまくいきました。ドリルで穴をいっぱい開けてニッパでつないで平ヤスリで削るという加工方法です。

回路自体も今の所順調に動作しているようなので、配線はじっくりやって、LME49600_HPAのサーボやACカップリングのありなし、OPAMP交換など聴き比べてみたいと思います。

USBヘッドホンアンプ:PCM2704_HPA モックアップ作製

タカチYM-200に収めるつもりで、厚紙でモックアップを作りました。

寸法図がA4では収まらないのでコンビニでB4にプリントアウトして厚紙に貼り付けてペーパークラフトしました。

USBコネクタ用の角穴が最難関。

USBヘッドホンアンプ:PCM2704_HPA ラインアンプ部はんだ付け完了

回路図

基板図

LME49600_HPAにつないで特性を測定しました。

電源： ±9V安定化電源

WaveGeneで1kHzのサイン波をPCM2704に出力して測定しました。

電源電流

正側 +46mA
負側 -45mA
GND 0.9mA（ACモード）

GND電流はテスタをDCモードで測定すると+11mAでした。+11mAとするとキルヒホッフの電流則に照らして辻褄が合いません。おそらく出力するサイン波の振幅によってGNDに流れ込む電流が変化しているためだと思います。テスタをACモードにして計測すると+0.9mAなので辻褄が合います。

歪み率

100ΩのRを3本並列にして約33Ωの負荷としてWaveSpectraで測定しました。音量ボリュームは最大に設定。

Lチャンネル 1kHz

Rチャンネル 1kHz

実際にヘッドホン(SONY MDR-CD900ST)をつないで測定しました。

Lチャンネル

Rチャンネル

抵抗を負荷としてもヘッドホンを負荷としても歪み率は0.04%程度で十分ドライブできていると思います。

MDR-CD900STの再生周波数帯域は5Hz～30,000Hzとなっているので、低域10Hzと高域20kHzをWaveGeneで出力して測定しました。WaveSpectraではまともに測定できないのでオシロの測定のみです。またヘッドホンに出力するとヘッドホンに悪影響があるかもしれないので約33Ωの負荷抵抗のみの測定です。

Lチャンネル 10Hz

Rチャンネル 10Hz

Lチャンネル 20kHz

Rチャンネル 20kHz

LME49600の表面温度

ヘッドホンをつなぎフルボリュームにして音楽を再生してLME49600の表面温度を測定しました。

室温 20℃

開始時 20℃
5分後 23℃
10分後 23℃
15分後 22℃

温度上昇はあまり見られないのでヒートシンクは不要でしょう。

久しぶりにバーンスタインのマーラーを聴いてみましたが、マーラーの快楽が感じられました。（←わかるひとにはわかると思います＾ｑ＾；）