ヘッドフォン アンプコーナ
Head Phone Amp : HPA

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LME49600 系 HPA
 TPA6120 系 HPA
汎用オペアンプ HPA




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・MUSES8820 1st Impression は こちら    
・Outputインピーダンスについて こちら    
・入力コンデンサによる LowCut こちら    
・反転型アンプへの改造については 
こちら  
・LME49720CAN仕様 ULTIMATE Version. こちら
・ 番外 : 簡易な電源源 を 考える        


 汎用オペアンプ版  ヘッドフォンアンプ

・ 秋月キットを試す  こちら 


 楽器ショップで雑談している折に、パソコンまわりで邪魔にならない
ネック・エレキ ギターが話題になり それは 良い! と 早速 骨だけの
「 身も蓋も無い 冗談な エレキ ギター 」 を 手に入れました

Ministar Caster II



ヘッドフォンアンプ内蔵

電池は LR44 x4

 当然ながら、ギターアンプ&エフェクター につなぐと 普通のエレキギターとしても使用できますが、
普通に使うのなら 「普通のストラト」 の方が使いやすいので、これの場合はヘッドホンで
使う事になります。 が、この内蔵ヘッドフォンアンプが ちょっとパンチが足りません。 

そこで いわゆるポタアンの登場なのですが、ケース入り・電池で動くバージョンは
秋月のキットしか手元にありませんでので 改造して使う事にします。 

このままでも良いのですが ケースのみ流用させてもらうことにします。

秋月 kit



秋月キットは、Burr Brown のアプリケーションノート(AB-051) が原型でしょう。
巷では A47型 とよばれるものに 準拠した回路のようです。 

Burr Brown ApplcationNote AB-051 より

回路例は OPA2604を使い 出力電流強化例として紹介されています


  今回設計する回路は、秋月キットにならい 汎用オペアンプを使うタイプで考えて見ることにしましょう。 バリエーションが豊富な 汎用オペアンプを使えば好みの音作りも容易ではなかろうか ・ ・ ・ など 下心が動きます。 

 さて 採用する回路は Liner Technology のアプリケーション例として紹介された回路を 参照させて頂きました。 例では バランスアンプとなってますが 片側のみで構成すれば 普通の回路となります。 下図のように、メイン用 と 電流強化用に別種のオペアンプを組み合わせて構成し ゲイン等も微妙に変えています。

単純な パラレル駆動とは異なる回路となっており、興味がわきます。異種オペアンプを組み合わせ、音質と出力の最適化を狙います。

今回のアンプは ParaBoost HPA と呼ぶことにしました。


Linear Technology typcal Applcation より



   回路説明
1. 本基板では、異なったオペアンプを組み合わせる事により、
  それぞれのオペアンプが持つ特徴を引きだそうとする回路となります。
2. 下図のように、IC702側に比較的電力供給の得意なオペアンプをおき
  もう 一方のIC701には、リニアリティの良いオペアンプを組み合わせる
  事により 狙った音質とパワーを得るための 組合せとします。
3. IC701のリニアリティ優先側は、少しだけGain を高く、且つ 直列抵抗により
  負荷を軽く設定しています。


 パワー と リニアリティの両立
  
 二兎 を追わねば二兎を得ることはできません
狙って なんぼ。  仕上げを御覧じろ



電源用電池はシンプルな構成にしたかったので、DCDC ICを使って
単四電池 3本で ±5V を作る回路を積みます。 当然の事ですが
オペアンプはとっかえひっかえ試せる 8P-DIPタイプとし
ICソケットを使用します。


Para Boost HPA 全体回路例




<参考> 基板レイアウト
LED位置は修正を要す

VR、Jack の位置は
フロントパネルにぴったりするよう配置します
(上記寸法は参考です。寸法を参照する場合は各自実物にてご確認下さい)

秋月kit のケースに入れるので
今回の基板レイアウトは System72 から逸脱します



企画・設計編 終わり




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 実技編・ ・ ・





基板Assy




基板レイアウト参考




早速、秋月ケースに

( 電池は6年前の秋月kit用。 まだ使えました )





まずは、オペアンプの実力判定です。 
汎用オペアンプとしては 低電圧 (約±5.9V)ですが、
32Ω負荷時で各オペアンプをシングルで動作させて見ました。

これで各オペアンプのこの領域での実力を確認です。
NJM4558 が出力最低だったのが 意外です。

NE5532がこの中では一番出力が出ました。
(参考:LME49720も同等の出力が得られました)

NJM4558/OPA2604/muses8820/NE5532
シングル動作(Boost無) 
出力-歪み (32Ω負荷)





色々パラメータをいじりましたが 最終落ち着いた
定数で、ParaBoost動作させた時の出力特性です。

シングル動作時に一番馬力のあった、NE5532をベースにして
Boost側の オペアンプを変えて 組み合わせてみます。

ParaBoost 出力-歪み (32Ω負荷)


秋月のHPAキットも測定しました(紫色)
本アンプは電源電圧が 約±5.9Vありますので
秋月より Power的に有利となります。  

ParaBoost型では、型違いのオペアンプを組み合わせるので
打ち消し動作によって、特性がうねっているのが分かります。
組合せ使用する 各オペアンプによって音色特徴が出てきそうな
気配が漂っています。

最大出力は どのオペアンプを組み合わせても
ほぼ同じ レベルとなりそうです。


早速リスニング

思った以上に パンチがあります。 
LME49600も良いけど こちらも捨てがたい。
これで、遊んでいた ケースも 有効活用 ・ ・ ・



秋月ケースに収めた様子


当然ですが きっちりと収まります。
電池は 単四 3本ケースで ぴったり。

エレキギター用としてスタートしたヘッドフォンアンプ基板
でしたが、できてみると 結構使えそうな気配です。





二兎を追うものは 三兎を獲たりする。 なんて




<参考> 組込可能な、「秋月のケースキット」品番は、 [AE-HPPML-CASE]  






 in coming  ! !







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 LME49600 ヘッドフォンアンプ
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LME49600. H.P.A.

超高速、低歪み、ローノイズ ナショナル セミコンダクター LME49600 と
オペアンプを組み合わせたヘッドフォンアンプ基板です

スルーレート 2000V/μs の音を聴いて見ませんか




回路構成によって Type-AType-B があります。

Type-B (左) と Type-A (右)



基本的な回路は、Type-A/B 同じですが
基板設計を変えることで2種類となっています。
Type-A
  ・オペアンプが、ポストアンプ用とサーボ用にグルーピングしてますので
   それぞれの用途で使い分けできます。 サーボ用無しの構成も可能です。
 ・電源回路は、左右共通です。
 ・反転増幅回路 に 設定可能です。
Type-B
  ・オペアンプが、Lch用とRch用にグルーピングしてますので、ポストアンプと
  サーボ用が 同一ICとなります。
 ・電源回路はジャンパー設定で、左右分離可能です。(コネクタも分離可能)
 ・音声信号ライン上の抵抗は、7.5oと10oピッチ両用対応パターン設計です。
   お好みに応じて、10oピッチ抵抗も使用可能。


お好みのタイプを どうぞ





Type-B の例です








type-B 参考回路



参考部品配置図







説明書は こちら からダウンロードできます。










ここからは、 [ type-A ] です。



type-A基板は 反転/非反転 設定が可能です (V3.0以降)
・ 反転アンプについては こちら
・ 基板 の 設定説明は こちら



        


type-A 参考回路

オペアンプを、ポストアンプ用とサーボ用にグルーピング
サーボ無しでは 「伸び伸び」 した音だったりします



LME49720CAN仕様例
ULTIMATE Version. (音の違い ・・・ こちら




入力カップリングコンデンサが付けられます。 
キットでは「無し」が標準です。 お好みのコンデンサをどうぞ。





組合せオペアンプを種々替えての試聴の結果、好みは OPA2604 でした。
他 高音質(と思った) OP275/NE5532/NJM4558他 色んなバージョンを出品いたしますので
お気に入りの バージョンをどうぞ

ULTIMATE Ver.補足追記:ピアノトリオ(EJT等)は、これ 結構いけます。


 なお、オペアンプは 丸ピンICソケットで装着されていますので お手持ちの
デュアルタイプのオペアンプに差し替え可能です  (±電源対応のオペアンプをご使用ください)

取扱の詳細は、取扱説明書 を参照願います。


出力インピーダンス参考資料は こちら
回路検討時の詳細参考資料は こちら
反転型アンプへの改造については こちら


 使用する電源は各種 あります

   ・おすすめの電源基板は (こちら) で販売中。

   ・簡単につくるなら バーチャルグランド式でもOK。
     こちら に実験報告あり




NSが配布しているLME49600製品画像



オペアンプ を替えて
独断と偏見 の ヒアリング



音の差は、体調と気分に左右されます。
今日は何となく ・・・ テキサスな気分 ・・・ の時は、5532/TI が良いのです。
なので、ブラウンな気分の時は ・・・ 2604/B.Brown ・・・ です。


ユーザの試聴記は こちら から



OPA2604,NE5532 は 同梱オプション販売品あります。 こちら      





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出力インピーダンスについて


ヘッドフォンアンプの出力インピーダンス 最適値については 種々持論あることと思います。


一つ目は:
 ・メインアンプによるアクチュエータ(スピーカ等)駆動の基本は定電圧駆動ですので、
  低インピーダンス駆動が良い、 ダンピングファクタの面からも低インピーダンスで
  駆動すべし、 という考え方です。

二つ目は:
 ・インピーダンスマッチングの考え方で、最適インピーダンス(出力抵抗=負荷抵抗)とすべき。
 このことは、ダンピングファクター=1 が 最適である、 ということになります。 
 この場合、ヘッドフォンの周波数によるインピーダンスの変化に対して比較的ブロードな
 出力が得られる可能性があります。

  下図は、出力インピーダンスが0.5Ωの場合と、100Ωの場合 負荷インピーダンスを変化した時、
  アンプ 2V 出力で得られる 出力(W) のグラフです

三つ目は:
 ・定電流駆動型が良いという考え方ですが、特に検討したことがないので省略します。 


四つ目は:
 ・使用するヘッドフォンのインピーダンスによって、出力レベルが変動するため(上図参照) 
  大枠として 「低インピーダンス系」 と 「高インピーダンス系」の切り替え可能とする場合が
  考えられます。 しかし、この場合は アンプの出力インピーダンスを変えるのではなく、
  Gainを変える方法が 一般的と考えます。


本ヘッドフォンアンプは、1つ目の 「低インピーダンスで駆動する」 に相当する設計となっています。 複数のヘッドフォンを使い分ける場合以外、使用するヘッドフォンのインピーダンスは考慮不要と考えます。



 < * 注 ** >
オペアンプで作るヘッドフォンアンプでは、出力にシリーズ抵抗を入れることを よく見かけますが、この事と上記検討内容とは 次元が異なりますので ご注意下さい。 オペアンプは 設計上 負荷として 600Ω程度を想定しており 数十Ωクラスの ヘッドフォン負荷には 耐えられないケースが多くあるため (発振したり/歪みが大きくなったり/異常発熱したり) 保護抵抗の意味で シリーズ抵抗が必要となります。  本アンプでは バッファ(LME49600)を使用し 低インピーダンス駆動を考慮・可能にしています。







入力のカップリングコンデンサを
追加した場合の低域カット確認。


C721,C722 追加による低域特性は下図参照。
0.47uF以上なら、cutoff周波数は10Hz以下と想定されます。




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 LME49600 ヘッドフォンアンプ開発ノート  
ヘッドフォンは、周辺の騒音や聴取音量を気にせずそれなりの音質が楽しめてなかなか良いのですが、耳への圧迫感で長時間の
使用では疲れてしまうため ヘッドフォン(Stax) を使う機会は あまり多くありません。 

そんな折り、ナショナル セミコンダクターのLME49600のスペックが 目にとまりました。 
  ・180MHz帯域幅スルーレート 2000V/μs !!
  ・高出力電流能力 ±250mA

他にも
  ・入力換算電圧ノイズ密度 2.6nV/√Hz 
  ・THD+N 0.00003%を実現 (LME49720との組合せ時)

2000V/μs のスルーレートって 「 どんなんか? 」 ・・・ 理屈 (意味が有る/無い) を超えたレベルに衝撃を受けました。
この機会に新たに圧迫感の少ないヘッドフォン(MDR-F1)を買い求め、LEM49600を使ったヘッドフォンアンプの設計・制作に着手しました。

<主な使用部品>
  ・オーディオ・バッファIC: LME49600 Natinal Semiconductor製 ローノイズ 高ダイナミックレンジ ハイスルーレート
    =>オペアンプと組み合わせて、ヘッドフォンを駆動。 電流バッファの動作をします。
  ・前置用オペアンプ: OPA2604 BurrBrown製 FET構成のオペアンプ または、NJM4558他同等品など
    =>LME49600とクローズドループ構成とし、アンプを構成します。
  ・サーボアンプ: OPA2604 BurrBrown製 FET構成オペアンプ または、NJM4558他同等品など
    =>ヘッドフォン出力端子の DCオフセット電圧を 限りなく ” 0V ”  に近づけるよう制御します。
  ・電源パスコン(1): 電解コンデンサ Muse(KZ)シリーズ 日コン製 25V330uFx2 25V33uFx4 
    =>電源ラインのパスコンに使用
  ・電源パスコン(2): メタルポリエステル MKTシリーズ EPCOS製 0.1uFx6
    =>電源ラインのパスコンに使用

比較対象として、秋月のキットと聞き比べもしてみました。
オペアンプ生出し電池駆動の音と、±15V電源の超高速バッファーを経由した音は別次元でした。 秋月H.P.Ampについては こちら

これは良いということで、納得のいく基板に再設計しました。
スピーカ駆動も考慮して、ヘッドフォンジャック以外にも、EH-4pinから出力が取り出せます。


第一作目

 ・ヘッドフォンジャック無し
 ・サーボアンプ無し
 ・電源コネクタにネジ式使用


第二作目

 ・HPJack追加
 ・サーボアンプ追加
 ・電源コネクタ EH-3に変更


第三作目 => 販売用 現行
基本回路は第二作目と同じ
 ・左右対称 ぽっく レイアウト修正
 ・出力コネクタ EH-4に変更


第四作目 販売用 新基板
 ・パスコン位置 一部変更
 ・入力カップリングコンデンサ用
   パターン追加

左の写真例にある入力カップリングコンデンサはキットには付きません。
半田ジャンパーでショートされてます。 お好みで追加下さい。

    




<主な仕様>

 ・ゲイン       : +9.6dB/1KHz
 ・出力        : 0.38W/40Ω   0.75W/12Ω(電流制限250mAより)  電源±15V時
 ・出力端子     : 3.5Φ ミニプラグ用ジャック端子
 ・補助出力端子  : 外部取出用  日圧 EH-4Pコネクタベース使用。
 ・信号入力端子     : ヘッダーピン 4Pタイプ
 ・電源        : ±5V〜±15V  日圧 EH-3Pコネクタベース使用。 (OPA2604使用時は、±12〜±15Vの使用を推奨します)
 ・基板サイズ    : 外形/72o×47o 取付孔/各辺から-3oの位置  (ユニバーサル基板同サイズ)
 ・基板材質     : ガラスエポキシ FR-4材 両面スルホール

(推定性能)
  ・スルーレート   : 180MHz帯域幅スルーレート 2000V/μs /但しICのカタログスペック値で実測値ではありません。
 ・THD+N      : 0.0003%  /但しOPA2604のカタログスペック値で実測値ではありません。



LME49600について
 ・今回の基板では、LME49600の放熱については特段の考慮はしていませんが、3ヶ月以上にわたるエージング(主にSP駆動)で
  不都合は発生していません。 ヘッドフォンアンプとして使う程度の負荷と出力電力では、全く問題無いと考えられます。
 ・ナショナル セミコンダクターのニュースリリースには:
  「LME49600は接合部温度が150℃を超えた場合に作動するサーマル・シャットダウンと内部電流リミットによって完全保護されています」
  とあり、まかり間違えても壊れることもなさそうである。

特段の考慮とは:特別と格段を兼ねた造語で 「全く意に介していない」 の意




参考部品配置図




(Feb,2011改訂基板)



 type-A 参考回路図 (Feb,2011改訂)


オペアンプは、信号用 (L/R)と サーボ用 (L/R)で使用しますので
信号用と、サーボ用で使用する オペアンプを使い分けできますが
Lch と Rchとでの分離は 出来ません。    ***Dec,2011追記




ヘッドフォンアンプ関連資料


  ・秋月のヘッドフォンアンプは  こちら
  ・LME49600に トランスをつなぐは こちら
  ・LME49600アンプの測定編は こちら
  ・反転型アンプへの改造については こちら





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