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電流出力ヘッドホンアンプの基板を書いてみた。

変態ヘッドホンアンプと同じように、電池ケースに入る大きさで電流出力ヘッドホンアンプの基板を書いてみました。
Bb7fcL9IcAAxo1t.jpg
変態ヘッドホンアンプ基板(参考)
BcVTfVLCEAMlT3I.jpg
電流出力ヘッドホンアンプ(ユニバーサル基板組み)

変態のほうは10cm角に12面つけをして20枚発注したので240台分もできましたが、こちらは5cm角に3面だけつけて10枚だけ発注したので30台分になります。
レイアウトはこんな感じになりました。
10-P4_10010_CD_HEADPHONE_AMP_3L.jpg
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YAHAアンプに関する疑問と考察

ネットを検索してみると、YAHAアンプの製作例は結構あることが分かります。
ですが、それらを見ていてひとつの疑問が出てきました。

どの製作例も、プレート負荷抵抗Rpの値がおしなべて47kΩと非常に高いのです。
原典では確かに47kΩを採用していましたが、単純にそれに倣っているだけなのでしょうか?

原典で使用されている管は「ECC88」でした。
この管はデータシート状では、今回特性を調べた12AV7に比べると相互コンダクタンスgmが倍程度あるのですが増幅率μは逆に小さいため、内部抵抗rpはずっと小さいものと思われます。
※もっとも、この管を12Vで使用した場合にμやrpがどのようになるのかは分かりません。データシートに記載の値はあくまで定格電圧(100V程度)で使った場合のものですから。
それでも47kΩという高い抵抗を使っているところを見ると、アンプの利得αは数10程度を見込んでいるように思われます。

ただ、このままだとプレート電圧が極端に低くなってしまいます。原典では「約6.8V」という表記が見られますが、まともな動作をこの管がしているならばおそらく2~3Vしかかかっていないのではないでしょうか。あるいはもう既にまともな動作をしない領域に入り込んでいるのかもしれません。

実機を測定したわけではありませんから確かなことはいえませんが、いずれにしてもこの原典通りに作ってもまともなアンプにはならないような気がします。

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低電圧で真空管を駆動させるアンプを設計してみる。

先の実験で、真空管を12Vで駆動してもアンプになりそうだったので、これで実際にアンプを設計してみます。
といっても、実質的にはプレート負荷抵抗を決めるだけですが。

プレート負荷抵抗をRpとすると、アンプの利得αと真空管の増幅率μ、真空管の内部抵抗rpの関係は
        Rp
  α= μ --------
      Rp + rp

となります。
rpとμは既にわかっているので、αを決定すればRpは求まります。
         α
  Rp = rp ---------
       μ - α

ヘッドホンアンプに使用するのであって、入力をスマホのイヤホン端子やライン出力にするのであれば、αはせいぜい2もあれば十分でしょう。このとき、Rpは約1.5kΩにすればよいことがわかります。

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真空管を低電圧で動作させたときの特性を調べてみた。

世の中に、奇妙なものはたくさんあるようで。

「YAHAアンプ」という、真空管を使ったヘッドホンアンプがあるそうです。出典はこちら。
本来は100V~数100Vの電源電圧で使用する「真空管」を、12Vの電源で使用して構成したアンプ、ということのようです。

そんな電圧で、真空管が果たして使い物になるのだろうか?
気になったので、特性を調べてみました。
sokutei.jpg

まず、12V付近で電源電圧(プレート電圧)を変化させて、そのときに流れる電流を測定してみました。
そのグラフがこちら。グリッド電圧は0V(カソードにショート)です。
12AV7_Ep-Ip.jpg
12Vでは1mA程度流れるようです。
また、内部抵抗rpはこのグラフの傾きの逆数なので、1÷57.128×1000000≒17.5kΩと言うことが分かります。

そして、真空管アンプではとても重要な「相互コンダクタンス」を測定します。
プレート電圧を12V一定にして、グリッド電圧を変えたときのプレート電流の変化を読み取るのです。
そのグラフがこちら。
12AV7_Transconductance.jpg
このグラフから、相互コンダクタンスgmは約1500μS(マイクロジーメンス)となることがわかりました。

内部抵抗rpと相互コンダクタンスgmを掛け合わせると、増幅率μが求まります。このμが1以上あれば、いちおうアンプとして成立します。
計算してみると、17.5×1500×(1000÷1000000)=26.25で、アンプとしては十分に成立するようです。

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ポタアン+ヘッドホンをスピーカーとして使うテスト

先日作ったポータブルヘッドホンアンプと、手持ちのヘッドホンで「ニアフィールドスピーカー」として使ってみました。
1-DSC03724.jpg
ヘッドホンアンプは4石で組んだ一段増幅の電流出力アンプです。電源は単3型ニッケル水素電池2本。
ヘッドホンはオーディオテクニカのATH-T500。高くも無く安くも無い部類だと思います。
たった2.4Vの電源でも、閑静な住宅街の室内で聞く分には十分な出力が得られました。

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ヘッドホンアンプセレクタを作ってみた。

自作したヘッドホンアンプの性能を確かめるため、リレーでアンプを瞬時に切り替えられる「ヘッドホンアンプセレクタ」を作ってみました。
1-1-DSC03719.jpg
左の[IN]というジャックにプレーヤーからの音声信号を入力し、右の[OUT](ケーブルに隠れてしまっている)に自分で使っているヘッドホンやイヤホンを接続します。
CH1・CH2・CH3のそれぞれSENDにアンプの入力を、RETに出力を接続します。そして下のタクトボタンを押すとそのアンプを経由した音が[OUT]に出てきます。またTHROUGHを押すと[IN]の音がそのまま直接[OUT]に出てくるので、原音との比較が出来るようになっています。

使っているリレーは一般に使用される「シングルステイブル型」ではなく「2巻線ラッチング型」というものです。スイッチを押すとリレーの接点が切り替わりますが、普通のリレーのようにスイッチを離しても元に戻ることはありません。元に戻すには元に戻すためのコイルに電気を流して切り替えます。
ひとつの経路を切り替えるのに3つのリレーを同時に動作させているので、かなり大きな音がします。小気味よい音です。
余談ですが「2巻線」と断ったからには「1巻線」もあって、これはコイルに流す電流の方向を逆にすることで切り替えます。

人間の耳は不思議なもので、音量を大きくすると音がきれいに感じられると言う特性があります。そのため、アンプの比較をするときには音量が同じになるように調整する必要があります。
しかし、この基板には音声のレベルを調整する機能はないので、アンプのボリウムか、別途アッテネーターを用意して入力と同じ音量に調整する必要があります。

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電流駆動ヘッドホンアンプの定数計算

電流駆動ヘッドホンアンプの抵抗値を求めてみました。
電流出力アンプ_計算

「Iidle」というのは、無信号時にトランジスタのコレクタ(=エミッタ)に流れる電流です。
この電流によって、出力の電流値が決まり、それとヘッドホンなどのインピーダンスとかけることで電圧振幅が決定されます。
私が使っているヘッドホンは40Ωなので、6mAでも480mVp-p、8mAで640mVp-pの出力電圧振幅が得られるのでこのあたりで選択します。一方、もっとインピーダンスの低いヘッドホン・イヤホンをお使いなら、Iidleも少し多めに設定する必要があります。

次にRE(エミッタ抵抗)を選択します。これはIidleとの関係によって、アンプとしてのゲインにかかわってきます。それをAvで示しています。
スマホなどのヘッドホン端子に接続して使用するのであれば、これが1倍(=0dB)に近いところから選択すればよいでしょう。
なお、ゲインはヘッドホンのインピーダンスによっても変化する(40Ω基準で、32Ωなら-1.9dB、16Ωなら-8.0dB、10オームなら-12.0dB)ので考慮することを忘れないでください。

最後にベースブリーダー抵抗の値を決定します。RB1はベースと電源の間に入る抵抗、RB2はベースと信号源の間に入る抵抗です。
RB1はおおむね、REのhfe倍の半分の値としています。このときに、Iidleを設定するRB2の値を求めて一覧にしたのが上の表、というわけです。

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入出力コンデンサレス 電流駆動ヘッドホンアンプを作ってみた。

『入出力コンデンサレス ヘッドホンバッファ』に引き続き、今度は『入出力コンデンサレス 電流駆動ヘッドホンアンプ』を作ってみました。
1-1-DSCN0366.jpg
例によって、乾電池ケースの電池1本分を使って収めました。
1-P4_10010_CD_HEADPHONE_AMP_201312191405393c0.jpg
回路は上記の通りとなっています。
具体的には、エミッタフォロワの出力をエミッタではなくコレクタから取り出している形になっています。
エミッタフォロワはボルテージフォロワとも言われるように電圧出力ですが、そこに負荷を何もつながなければエミッタ電流(=コレクタ電流)はエミッタ抵抗とそこにかかる電圧によって決まる一定の電流となります。つまり電流源として働くわけです。
これを、コンプリメンタリのトランジスタ同士で組み合わせることによりプッシュプルを構成すると、電流駆動のアンプが出来上がる、というわけです。

このアンプは正負電源を必要とします電池2本の中点をGNDとすることで、入力にも出力にもコンデンサを不要とすることが出来ます。
仮に中性点を能動的に作り出したとしても、ベースバイアス電圧に1V程度が必要なため電池は2本以上必要になりますから、正負電源としたほうがすっきりします。

ヘッドホンバッファと異なり、GNDはちゃんとCOMMONとなっています。またこのアンプには電圧ゲインがあるので、バッファではなくアンプと表記しました。

ただ、この回路には若干難点があります
まず、プッシュプルの上下アームのバランスは抵抗とトランジスタの特性に担保されています。ですので、それらの特性のばらつきで入力や出力にオフセットが発生します。実際に作ってみたものでも、抵抗は1%誤差の金属皮膜抵抗を使用しています。
あと、バイアス電流が電源電圧の変化により大きく変わってしまいます。なので今後ベースバイアス回路をもう少し見直してみようと思います。

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ヘッドホンアンプセレクタの基板を描きなおした~。

ルーティングを見直してみました。
1-20131118_AUDIO_SELECT_RELAY_1.jpg
少しはマシになったかな?

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ヘッドホンアンプセレクタの基板を描いた~。

ヘッドホンアンプセレクタのプリント配線板を設計しました。
1-1-P3-10009_AUDIO_SELECT_RELAY_1-001.jpg
めちゃくちゃなルーティングや・・・

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プロフィール

@ぽっけ

Author:@ぽっけ
底辺Makerを自負する@ぽっけが日々製作している「初歩の電子工作」の記録です。
自分で「あっ、あれ欲しい!」と思ったものを猪突猛進、地で製作しています。

★略歴

電子工作は中学のとき、授業でやるよりも早く自分で始めました。・・・といっても小遣いも少なく技術も未熟だったので、ラジオを作るのさえもやっとでした。

高校・大学でも工作を続け、大学在学中にようやくトランジスタ回路の基礎が理解できるようになってきました。

大学卒業後はメーカーに就職し設計職で忙しい毎日を過ごす中で工作からは遠ざかっていましたが、事務職に配転となり時間に余裕ができてまた工作を始めました。そんな中で2011年のCP+(カメラショー)併設展の「Business Meets」に出展していたテキサス・インスツルメンツのブースで「MSP430 Launchpad」に出会ってから、マイコンを使った電子工作を始めました。

また、鉛フリーはんだに興味を持って、10数種類のはんだをリールで購入。個人で使うには約1200年分の在庫を持つという暴挙を成し遂げ(?)ました。

★イベント出展実績
●Make: Tokyo Meeting 07
●Make: Ogaki Meeting 2012
●Maker Faire Tokyo 2012
●ニコニコ超会議「作ってみタワー ワークショッププロジェクト」
●NT金沢2013
●Maker Faire Tokyo 2013
●ポタアン自作er展示会 atポタ研2014冬
○NT金沢2014(予定)

☆TwitterID:
  @pokke_yamada

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