オーディオ用の自作アンプ(工事中)


MOSFET DC AMP

内部の実装状態。かなりギュウギュウ。

MOSFET DC AMP

ふたをすればあれま。このとおり。臭いものにはふた。

MOSFET DC AMP

アンプ基板はユニバーサル基板を使って組みました。

MOSFET DC AMP

MOS FETへの電源配線は2sqの線材をTO-220の放熱フィンに直接ネジ止めしました。


●定格連続平均出力10W/ch 8Ω負荷
2.5W/ch 4Ω負荷
●瞬時最大出力40W/ch 4Ω負荷
80W/ch 2Ω負荷
●全高調波歪率(THD)0.01%以下 4Ω負荷
●IM歪率0.011% 4Ω負荷
●周波数特性DC〜100kHz ±0.0dB 8Ω//0.047uF負荷 10W時
DC〜10MHz +0dB/-3dB 8Ω負荷 1.25W時
●ゲイン(利得)12dB
●ダンピング・ファクター2000以上 DC〜100Hz
●チャンネル・セパレーション90dB以上 DC〜1kHz
●入力感度0.71V 1W出力時
●入力インピーダンス10kΩ
●S/N(A補正,入力ショート)105dB以上(10W時)
●出力ノイズ(聴感補正)JBL D130でもまったくの無音
●消費電力16W(アイドリング時)
●外形寸法80Hx230Wx250D
●質量4.2kg

1:MOSFET DC AMP の計画

JBL D130のエンクロージャーはやっと完成したものの,実力を発揮できているのか疑心暗鬼となりました。 この「心配の種」が成長して花を咲かせ,果実となります。 この繰り返しがオーディオという趣味のループなんですね。

100dB/Wを超える超高能率スピーカーですから,通常問題にならないアンプのノイズにも敏感に反応します。

現在は自作のLM1886 BTLアンプを使用しています。LM1886は多方面において話題のLM3886の出力を小さくした弟分です。2回路入りなので双子の弟と言えます。 BTLなのでステレオ片チャンネル当たりひとつのLM1886を使っています。 定評のあるICなので期待していましたが「サー」というノイズが気になります。

そこで小型軽量かつ高品位なアンプを作成することにしました。出力は10W@8ohmを目標とします。

昨今普及してきたヘッドフォン・アンプを応用してもよいのですが,ヘッドフォンアンプの出力は大抵1ワット以下です。これでは出力が小さすぎます。 逆に100Wや300W,1000W,3000Wなどという大出力アンプは必要ないだけでなく,ノイズが多くて使えません。

大きくて重いアンプはまず置き場所がありません。このようなドメスティックな事情だけでなく,世相もあります。 ディスクトップ・オーディオやポータブル・オーディオ,イヤーフォン,ヘッドフォンの文化に象徴されるように,音楽視聴環境は小型化の波が押し寄せています。 大型アンプも魅力的ですが,高能率スピーカーを使うのであれば,音質的な面から考えても小型アンプに利があります。

1-1:設計目標

重視する項目は以下です。
・低ノイズ
・広帯域
・高安定
・低歪み
・作りやすい

1-2:最大出力

平均聴取レベル100dB(SPL)は難聴になりかねない大音量ですが,仮に目標とします。 D130は100dB/W以上の高能率スピーカですから,ちょうど1Wあれば実現できます。 さらに平均に対して電力換算で10dB(10倍)の余裕を確保するため最大出力の目標は10Wとします。

1-3:ノイズ

まず第一の目標としてSNR 120dBを指標にします。 120dBは1ppmもしくは0.0001%に相当し,人間の感覚としてはゼロに限りなく近いオーダーです。

次の指標として「スピーカーに耳を近づけてもノイズが聞き取れない」というノイズレベルを目標とします。 耳を近づけて聞こえなければ,視聴位置では無音になるはずです。

オーディオの出口であるパワーアンプが吐き出すノイズの由来は多様です。 回路や部品自身が発生するノイズのほかに,電源由来のノイズや接続機器の影響によるノイズも考えられます。 回路と定数はもちろんのことですが,部品選定と配線・実装も工夫してノイズを少なくしていきます。

1-4:アンプの歪みと帯域設計

10kHzの歪みを重視して高域における歪率悪化を低減したいです。 実現にはアンプの素の歪みを下げつつ高い周波数まで一定の負帰還がかかるようにすればよいと考えています。

歪率はその数値自体よりも,高次の歪みを含まないことが重要になります。 MOSFETはバイポーラ・トランジスタと比べて高次の歪みが出にくいという特徴があると言われています。 アイドリング電流はできるだけ多く流したいところです。

定量的な目標としては0.01%以下を狙いたいです。

1-5:作りやすさ,美しさ

対称性を持った回路として熱的安定性を高めます。

モジュール化を進めて分解,改造,整備しやすい構造としたいです。

1-6:広帯域設計

アンプの位相遅れはカットオフ周波数の約1/10の周波数から始まります。 例えば20kHzにおける位相遅れを気にならない程度に納めるには200kHzの帯域が必要になります。

また,歪を減らすために10kHzにおいて40dBの負帰還をかけることを考えると約10MHzの帯域が必要になります。

以上より,抵抗負荷において10MHz,容量性負荷に対しては1MHzまで通ることを目標とします。 最終的には入力段にLPFを挿入して最終的なF特の調整をする予定です。

1-7:動特性と大電流駆動そして安定性

高速・広帯域なアンプほど安定に動作させることが難しくなりますが,主な原因は負荷を駆動しきれずに位相が遅れることにあります。 負荷に対して大電流を瞬時に供給できれば位相遅れが減り動作が安定します。

大電流を瞬時に供給するためには周波数によらず出力インピーダンスが十分低いことが条件となります。 少なくとも10kHzまでは0.1Ω以下を維持し,100kHzにおいても1Ω以下であってほしいと考えています。 また,短時間でよいので10Aをきれいに出力できるようにしておきたいとも思っています。

パワーアンプに接続される負荷は多様です。 抵抗負荷に対して安定なアンプでも,スピーカーをつなぐと発振することもあります。 スピーカー・ケーブルは静電容量(キャパシタンス)を持ちますし,スピーカー自身も複雑なインピーダンス特性を示します。

容量性負荷に対する安定性はパワーアンプの非常に重要な要素です。 特に負帰還量の多い半導体アンプは安定性の確保が難しくなります。

真空管アンプが作りやすく,かつ音が良いと言われるのはこの負帰還が少ないからです。 真空管アンプは帰還量が少ないか,無帰還にすることもできます。したがって無調整でも非常に安定した動作が可能です。 ですから誰が作ってもよい音のアンプができます。

半導体アンプは部品配置,プリント基板のパターン,配線の引き回し方によって発振に対する安定度が変わります。 ですから自作しても再現性に乏しく,よい音のアンプにならない場合があります。

容量性負荷に対しても安定して動作できるために高速・大電流応答が求められます。 この特質は出力の大小に関係なく,むしろ回路が単純で小さく作れる小出力アンプのほうが高速化が容易です。

別の言い方をすると,高速・大電流という動特性の良さが安定性を生み出し,どのような状況下でもよい音を実現できるようになります。

また,帰還量の多い半導体アンプは容量性負荷が帰還ループに及ぼす影響を遮断するため,出力にアイソレーション・コイルを入れます。 このコイルはダンピングファクタの低下を招きますし,不要な接点を増やします。 高い周波数まであきらめずに負荷をドライブするために,コイル無しでも安定的に動作するように設計します。

まとめ:表−1:目標性能

項目数値条件
出力電力10Wサイン波連続,8Ω
ノイズSNR120dB以上1.25W,8Ω
周波数帯域DC〜320kHz+0/-3dB,負荷抵抗:1Ω以上,負荷容量:0.047uF以下
ダンピングファクタ100以上10kHz,8Ω

2:MOSFET DCAMP の設計

アンプ性能の目標を設定したので,これを満たすように回路設計を行います。

2-1:最大出力と熱設計

8Ω負荷10Wを保証するため,どの程度の熱が発生し,どの程度のヒートシンクが必要かを考えます。 今回はできるだけ小さい筐体としたいのでデザイン面からタカチのHYシリーズなかでも最小のケースに決めました。 ヒートシンクの熱容量を元にして熱設計を行い,条件を満たすことを確認しました。

2-2:回路トポロジー

スパイスで色々な回路をいじりましたが,一般的な電圧帰還アンプは帯域を広くとることはできますが, 容量性負荷に弱く,高安定と広帯域の両立が難しいことが分かりました。

一方,電流帰還アンプは過渡応答に優れ非常に安定しています。 しかも,容量性負荷に対して強く,瞬時電流供給能力が高いという結果が出ました。

なお,真空管アンプの中でもカソードに帰還を戻すアンプは電流帰還アンプと言えます。

今回の趣旨は高速・高安定ですので瞬発力があり高速動作が可能な電流帰還方式を採用します。

最近,電流帰還アンプの音がよいという評判を目にするので,試したくなったというのが偽らざる本音です。。。

電流帰還アンプの欠点はDC安定度に疑問が残ることと,歪み率を低く抑えることが難しいということです。 DC安定度は回路構成と熱結合を地道に行うことで克服し,歪み率はMOSFETにアイドリング電流を多く流すことで解決を試みます。

2-3:高速・高安定 MOSFET 電流帰還 DCアンプ

MOSFETを使った電流帰還アンプを考えます。

回路バリエーションは様々に考えられますが,高速性を突き詰めていくとPch MOSFETの鈍さが気になります。 ざっくりPch FETはNch FETの半分の能力しかなく,足を引っ張りますので,Nch FETを二つ組み合わせた同種型SEPPを検討しました。

ということで同種型SEPPを進めておったわけですが,FETを10個飛ばしても回路が安定せず,断念しました。 うまく動けば非常に高速な動作をするのですが,オープンループゲインを上げようとすると熱的な不安定さが増してアイドリング電流が安定しません。 しかも高速ゆえにちょっとしたことでFETが飛んでしまいます。

悩んだ末に,ほとんど回路変更しなくても通常のPch/Nchの相補型SEPPにできることが分かったので早速実行してみると実にすんなりと完成しました。 引き換えに目を見張るほどの高速性は犠牲となり,平凡な周波数特性となりました。

なお入力はバイポーラトランジスタです。バイポーラ入力にもかかわらずDC結合する人はめったにいませんが,VR調整により入力バイアス電流を100nA程度に抑えています。 熱結合をしっかりすることと,回路的な工夫によってDC安定性を向上させていますので温度が変化しても入力バイアス電流はほとんど変わりません。 100nA程度のDC電流ならばDC結合は可能と考えています。

2-4:トランジスタ・FETの選定

トランジスタとFETを選定します。

電流容量が10A〜20A程度のFETを探します。 MOSFETは進化が著しく,微細加工による低ON抵抗化,高Gm化が進んでいます。 電流容量が大きいFETは入力容量が1000pF以上になり高速動作が難しくなります。そして10Wのアンプにはオーバースペックです。 最近は小型パッケージが多く最低限必要と思われるTO-220形状を探すだけでも苦労しました。

同種型SEPPの出力段は「STP16NF06L」を採用しました。STマイクロは欧州系のメーカーです。 しかし,コンプリメンタリペアとなるPch FETが見つからず,相補型SEPPには使えませんでした。

結果的にフェアチャイルドの「FQP30N06」と「FQP17P06」というMOSFETを使いました。コンプリメンタリとしてはまあまあ特性が一致しています。 TO-220形状でありながらPC:79Wと欲張っている点も見逃せません。ただし「STP16NF06L」よりは入力容量が大きいことから速度が犠牲になっています。

古典的なオーディオ用MOSFETもまだ入手可能ですが,値段は10倍以上になります。 1個100円のFETならば多少飛ばしても痛みは少ないですが,ペアで2000円もするFETを飛ばすとなるとお財布の痛みに耐えきれません。

その他トランジスタは高ftでhfeの直線性がよく,飽和しづらい品種を選びます。 RF用は1/fノイズが大きい場合がありますのでAF用を選んだ方がベターではありますが,トランジスタのノイズについてはそれほど気にしません。 耐圧は電源電圧が±20V程度なので60V以上あればよいです。 電流容量はhfe特性を見て決めますが10mA流すドライブ段は少なくとも100mA以上の電流容量が必要で,500mA程度の石を選びます。

初段は飽和に強い2SC2909/2SA1207,ドライバ段はftが高く電流容量が大きい2SC3597/2SA1403を使いました。 飽和特性が気にならないところには小信号用のローノイズトランジスタ2SC2362/2SA1016を使っています。

今回は全て三洋セミコン製です。オンセミに買収されてしまいましたが,ぜひともディスクリート部品の供給は続けてほしいと願っています。

トランジスタは同時に購入した同一ランク品20個のhfe測定した結果,気になるバラつきは見られなかったことから選別せずに使用しています。 回路にも無選別で使える工夫を入れています。トランジスタのペア取りはなかなかハードな修行ですから。

2-5:電源回路

電源は2系統必要になります。

まずはパワーアンプの心臓部である電力増幅段の電源です。 電力増幅段は大電流が必要ですので,電源トランスとフィルターコンデンサの容量によって勝負が決まります。 コンデンサーは8200uF16Vを8本使用し,32,800uF×2となりました。 ネジ端子の高リップル対応品を使うつもりでしたが,8200uFがセール品で安かったので採用しました。 電源電圧は±15Vを目指してトランスを選定し,結果的に±14Vが得られています。

電力増幅部の電源は正負電源それぞれ別々にブリッジ整流する「ダブルブリッジ整流」にしています。 正負電源を分離して整流することで中点タップの悪影響をなくします。

整流ダイオードは最近流行りのSBDではなく,接合容量の小さい高耐圧FRDを採用しています。 使用した「FFPF10UP60S」の定格電圧/電流は600V/10Aです。リカバリータイムの代表値は40nsecです。

電圧増幅段は流す電流が少ないのでダブルブリッジ整流ではありません。 電源リップルを低減させるためにツエナーダイオードを定電流で駆動し,エミッタフォロアでバッファする無帰還のリップルフィルタを通しています。 電圧は電源トランスの入手性の都合から整流後が±24V,フィルター出口を±20Vとしています。

2-6:配線と実装

GND配線は非常に重要です。クロストークとリップルノイズ,GNDループの影響を勘案しながら設計する必要があります。 大電流が流れる配線は寄生インダクタンスや配線抵抗をよく考えて共通インピーダンスを減らす必要があります。

色々検討した結果,入出力端子の配置が重要であるとの結論に至りました。

まず,入力部に生じるL/RのGNDループを最小とするため入力端子のL/RのGNDを最短経路で結びます。

出力についても共通インピーダンスがクロストークの原因となるため,L/RのGNDを最短経路で結びます。

結果的にL/Rそれぞれの入力・出力のGNDを最短経路で結び合わせることになります。

L/Rの入出力4点を最短距離で結ぶために1.0mm厚の銅板を加工してバスバーを作りました。

3:部品選定

トランジスタ以外の部品選定について。

部品選定において,音質にどの程度寄与するのかは疑問が残るところではありますが,ノイズ低減,広帯域化,信頼性向上には確実に効いてきます。

何と言ってもお気に入りの部品を贅沢に使うことで,自作満足度の向上に大きく貢献してくれますので部品選定はとても大切なイベントです。

新しい部品を発掘する喜びはグルメな食材の発見と同じですし,素敵な部品との出会いはドラマティックなものではないでしょうか。

4:加工・組立

回路設計も重要ですが,アンプ自作のノウハウにおいて特に重要なのは加工と組み立てだと痛感しました。

4-1:基板

半導体アンプはプリント基板をエッチングして作る例が多いようです。 半導体アンプは部品点数が多く,配線に手間がかかるからだと思います。 今回は,2.54mmピッチのユニバーサル基板を使って半田メッキ線で配線しました。 プリント基板は銅箔厚さ35umと薄いですが,今回は直径0.6mmの半田メッキ線を使って配線しています。 35umの厚さに換算すると幅8mmに相当する配線の太さが一番の魅力です。

電源回路は片面銅箔張りのガラエポ基板をカッターナイフで溝を切って回路を形成しました。 簡単に加工でき,大電流にも対応できます。真鍮のナットをはんだ付けすればラグ端子をネジ止めすることもできます。

4-2:電気部品

トランスの1次側配線はすべてファストン端子としました。 ファストン端子は大電流を流すことができ,接触信頼性も良好かつ着脱も可能なので分解も容易です。 トランスの2次側は大電流が流れるためラグ端子によるネジ止めとしました。真鍮製のナットを端子や基板に半田付けしています。

4-3:バスバー

グランドの要となるバスバーは1mm厚の銅板を加工して作りました。 ラグ端子を直接ネジ止めするためにバーリング加工に挑戦しました。

4-4:ケース加工

ケースは奮発してタカチのHYシリーズを採用しました。底板にはトランスと電源基板を取り付けました。 アンプ基板はヒートシンクにタップを切って固定しました。

4-5:配線

すべて基板が出来上がったら基板同士を接続する配線の長さをそろえ,組み立てていきます。 電源基板とアンプ基板の接続はすべてネジ止めです。調整や確認のためにヒートシンクを水平に開いた状態のまま通電できるように配線は長めにしておきます。

5:測定・改善

出来上がったアンプを早速味見します。。。が,,,その前にスピーカーを壊さないか最低限の確認をしておきます。

まずはアイドリング調整とオフセット調整ができることを確認します。

5-1:最大出力

ダミーロードをつないで意図通りの出力電圧がでればアンプはそこそこ動いています。 12.6V0-Pの正弦波を出せることを確認しました。

5-2:波形応答

まずは矩形波応答を見るとアンプの動作速度がわかります。 10kHzでは真四角なので100kHzを加えて確認しました。

また,容量性負荷を加えて安定性を確認しておきます。 同時に寄生発振の有無も見ておきます。

続いて三角波を飽和させて飽和時の挙動を確認します。 飽和からの復帰中に発振したり波形に暴れが無いことを確認します。

5-3:周波数特性

正弦波スイープによる帯域確認は最終的な確認です。 まずは矩形波応答を見れば大体わかります。 10MHzにおいて矩形波が正弦波となりましたので,-3dB周波数も10MHz付近になります。

5-4:ショックノイズ

電源投入時に出力に大きなDCが出ないことを確認しておきます。 スピーカーが減磁したら悲しいですから・・・

電圧1V,幅10msec程度の過渡応答が見られました。 スピーカーにとって負担になる電力ではないことからこのままとします。

5-5:RMAA

PC用のAudioIF評価ソフトとして有名なRMAAを使ってアンプの評価を行いました。 結果は「エクセレント」。パワーアンプなのに安物のAudioIFを凌ぐ性能でした。

5-6:歪み率

「Wave Gen」と「Wave Spectra」を使って歪み率を測定してみました。 0.01%は満足できているように思います。10kHzの歪がやや悪いことから改善したいです。

追加:WAVファイルを信号処理して歪波形を可視化してみました。

5-7:出力ノイズ

RMAAのテスト結果には電源ノイズが見られます。 60dBの補助アンプを作ってオシロを使って確認してみる予定です。

5-8:ダンピングファクタ

出力に電流を注入してダンピングファクタを測定しました。 4000という数字が出ています。疑心暗鬼・・・

5-9:クロストーク

クロストークはどんなもんだろうか。-120dBを目指したいんだけど・・・無謀? 実力は80dB程度でした。

5-10:パワーオンドリフト

オフセット電圧と,アイドリング電流の安定性を確認しました。 非常に安定してます。苦労したから・・・


MOSFET DC AMP

案外かわいい手してるでしょう。。。5歳の子供にヒートシンクを磨かせる親あり。

MOSFET DC AMP

リアパネル加工状態。多少穴が汚いが部品を取り付ければ見えなくなる。

MOSFET DC AMP

電源基板にナットをはんだ付けしています。

MOSFET DC AMP

トランスはソルボセインを使ってフローティングさせました。理由はもちろんトランスの唸り対策です。 締め付け時にトルクをかけられないので,必ずナットをダブルにするか,ネジロックを使用すること。 さもないと緩むこと必至です。

MOSFET DC AMP

グランド・バスバーのバーリング加工状態。あまりきれいじゃないですね。

MOSFET DC AMP

結果的にこうしています。出力と入力,L/Rのグランドを最短経路で結びます。


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