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金属被膜 0Ω抵抗 1/4W ±1%

ジャンパー線代わりに0Ω抵抗を使うとカッコイイ!
でも、金属被膜抵抗使うのに茶色い0Ωはやだなと思って探していたら、金属被膜抵抗タイプの水色の0Ω抵抗を見つけました。
IMG_1597.jpg

0Ωなのに1/4Wとか、±1%とか意味わからんですが、そこらへんはいいとして、どうもリードが普通の1/4W抵抗より明らかに細くて頼りない感じ。

実際に抵抗値をざっくり測ってみても60mΩくらいあったりして、普通の抵抗の足より一桁は抵抗値が大きいようで、これではジャンパー線として使うのも気が引けてしまいます。

仕方ないのでリューターで表面を削ってみたところ、本当に「金属被膜な」0Ω抵抗のようでした。

BrXYem1CcAAi4Xb.jpg

twitterでは「無駄な抵抗はやめなさいっていうジョークを体現している」とまで言われる始末。

こんな抵抗は、お仕置きだべ~

DSC_4758.jpg


DSC_4759.jpg


煙が出て、部屋がマジでくせぇー



※0Ω抵抗のデータシートがあるそうです

KOA 塗装絶縁形ゼロ固定抵抗
http://www.koaproducts.com/pdf/z.pdf

絶縁形ジャンパー線
http://www.koaproducts.com/pdf/j_z.pdf

これによると0Ω抵抗の抵抗値は20mΩ以下だそうです。
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最小構成のバランスヘッドホンアンプを作る

バランスHPA基板1
3極のステレオプラグを用いたイヤホン、ヘッドホンの接続では原理上、逆相のクロストークの発生から免れないことがわかりました。
いままでの測定結果より、近年の低インピーダンス化、そして高性能化したイヤホンから、左右の信号が干渉しない正しい信号を出すためにはバランス化することが必須であるといえるでしょう。

そこで、最小限の出費と工作で、クロストークの少ないバランス駆動の音を手軽に楽しめるように、オペアンプを使ったポータブルアンプを自作してみることにします。

「ポータブルプレーヤのヘッドホン端子の出力に、ポータブルアンプを接続したところで信号が劣化するだけで、良くなることは無いのでは?」という疑問がありますが、ステレオクロストーク(チャンネルセパレーション)についてはバランス化によって明らかな性能の向上が得られることがわかりました。

ジャックの共通インピーダンスによるGNDのクロストークは、負荷のインピーダンスが低いほど顕著になります。よって、プレーヤの出力を一旦、ハイインピーダンスの入力で受けてやり、出力をバランス化することで20dB以上のクロストーク改善が見込まれます。

クロストーク


この点に主眼をおいて、極力部品点数の少ないバランスヘッドホンアンプ回路を検討します。



■回路図

常に試作を繰り返しながら反映させていますが、現段階での回路図はこうなっています。
バランスhpa

(画像クリックで拡大)
■更新情報
2014.7.5
すべての抵抗値は4.7kで良さそうです。
全体の抵抗値が高いほどセパレーション向上に対して有益ですが、インピーダンスが高くなるため外部からのノイズを拾いやすくなります。10kΩでは基板を裸で使用した場合、環境によってノイズを拾いやすいため、4.7kΩであってもセパレーションが確保できそうなのでこの値を選定しました。


■回路図最新版
僕はクロストークが少ない_基板2





■主なパーツ
4回路入オーディオ用HiFiオペアンプ LME49740NA
丸ピンICソケット (14P)
金属皮膜抵抗 1/4W4.7kΩ (100本入)
アルミ電解コンデンサ100μF16V
積層セラミックコンデンサー0.1μF50V
ポリスイッチ50mA(100mAで遮断)
バッテリースナップ(電池スナップ・Bスナップ)
006P形アルカリ電池(6F22)9V
片面ガラス・ユニバーサル基板 Cタイプ(ユニバーサル基板で製作する場合)

その他 配線材、プラグ、ジャック類
フェライトビーズは入手しづらいパーツのため、丹青通商共立、もしくはこれにスズメッキ線(抵抗の足の切れ端)を通すか、そもそもMHzオーダの発振に対するおまじない程度の対策なので省略(スズメッキ線によるジャンパー接続)でも可。ケース内の出力側の配線が長い場合や、イヤホンを接続せず延長ケーブルだけ接続したような状態は発振(異常動作)を起こしやすいので注意すること。





■試作品1
IMG_1573.jpg

これが最初の試作品です。回路は基本的に変わりませんが、2回路入りオペアンプを用いていることと、周辺の抵抗値が10kΩとなっています。
細かいことはさておき、これでも十分にバランス駆動による効果を感じ取ることができ、はっきりした音が得られます。
しかしながら、測定上でのクロストークが-80dBに満たないことから、もう少し回路を検討することにしました。
問題点としては、負荷が重くなった時にクロストークが悪化する点について調べていったところ、おそらく2回路入りのオペアンプを正側負側と分けたため、左右の信号で共用していることで、オペアンプ内部で干渉していることが疑われました。これは当初より懸念していたものですが、基板パターンの引き回しの都合上このようになりました。
また、正負ともゲイン0dBで組んではいるものの、差動出力になることで全体のゲインは+6dBとなっています。これによりポータブルプレーヤのボリュームを6dB下げて使用することになり、残留ノイズが目立ってしまう問題がありました。


■試作品2
IMG_1593.jpg
試作品1で起こった問題を改善すべく製作した2台目です。まずはクロストーク対策のため、2回路入りオペアンプの使用を止め、4回路入りとしました。本来は完全に左右chを分離してデュアルモノ化するのが積極的なクロストーク対策となりますが、回路の規模が大きくなるため、逆の発想で左右chの正負すべてを1パッケージのオペアンプに収めることで、各信号同士が打ち消し合って干渉を低減できることを期待してのものです。
これに加え、ゲイン対策として回路図上のR2、R8を追加してトータルで0dBになるように変更しました。
また、帰還まわりの抵抗値はクロストーク改善のためにはなるべく大きな値のほうが有利ということで47kΩを採用しました。しかしこれは結果的に外来ノイズを拾いやすくなるため、次回は20kΩまで下げることを検討しています。

■基板パターン
バランスhpa2



とても簡単な回路ですが、予想以上にバランス駆動のメリットが感じられ、音としても聴けるものだと感じたので、ひきつづきプリント基板を起こしつつ、さらに回路定数の吟味をしていきたいと思います。


※2014.7.1 追記
いままでは手持ちの4回路オペアンプOPA4277を用いて実験していましたが、LME49740を入手したのでこちらで試作を進めることにしました。
差し当たり、抵抗値47kΩでは残留ノイズが気になったため、思いきって10kΩに変更しました。仮想GNDを分圧する抵抗についても1kΩより上げても問題なさそうなため、こちらも10kΩにしました。電解コンデンサの値が100μFですので、時定数が下がって低域成分による揺れが低減できました。基本的に電流が流れる箇所ではありませんが、電源電圧の変動の影響を受けていたようでした。

結果、クロストークは10Ω負荷時でも-110dB、THDも100mVrms程度であれば良好で、クリップが生じるのは800mVp-pほど。これは10Ωイヤホン(ATH-IM50)使用時でPOPSなら音が大きすぎて聴けない程でしたので音量的にも十分と判断しました。残留ノイズはAウエイティングで4μV程度、DCオフセットも0.5mV程度なので大丈夫でしょう。

BrdaszGCYAAOU5P.jpg

Brdf5nKCcAAjOug.jpg


音としては、バランス駆動ならではのガッツリとした音が楽しめるようになりました。
あとはプリント基板が出来上がったら最終チェックする予定です。


※2014.7.5追記

プリント基板が完成しました。必要があれば頒布できるようにします。

バランスHPA基板


バランスHPA基板2


基板図解のコピーs



抵抗4.7kΩ版でも、セパレーションは100dBが確保できていました。(負荷10Ω AK120使用)
bokucro_crosstalk_ak120_10o.png


AK120では直刺しで無負荷時であれば100dB以上のセパレーションを達成しつつも、10Ω負荷時では70dB程度まで悪化していました。このアンプで約10kΩで受けることによってジャックの共通インピーダンスによるクロストークを排除し、DAPの本来の性能を活かしたイヤホン出力をすることが出来るようになりました。


※測定結果追記 2014.7.12

LME49740balhpa_freq.png


LME49740balhpa_crosstalk.png


LME49740balhpa_FFT.png


LME49740balhpa_THD_32ohm.png


LME49740balhpa_THD_10ohm.png



2014.7.14 名前が決まりました!

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「僕はクロストークが少ない」





※ついに電子工作キットとして秋葉原の店頭で委託販売を開始しました。詳細はこちらから。
(2014.9.6現在)

※製作で使用した基板をこちらで頒布しています。送料込みで1枚450円です。(2014.7現在)
http://nabik.web.fc2.com/teikyou.html
なお製作にあたっては不具合、故障などリスクがあることを承知の上、各自の責任でおこなってください。

GND強化のために4極ジャックを利用する

先日の記事ステレオジャックによる逆相クロストークの測定の続編で、3極プラグを使ってアンバランスのステレオ伝送する場合でも、ジャックに4極ジャックを用いることでGNDの接点が2つになることで接触抵抗が下がり、GNDラインが強化されるのではないかと思いついたため、実験してみることにしました。
これは、iBasso DX90のヘッドホン出力がアンバランスであるにも関わらず4極プラグが用いられていることで、アンバランスイヤホンでも4極プラグを用いることで左右chのGND接点を分離する使い方が出来るということから、これを応用したものです。

先日の記事と同じ方法で、5Ω出し5Ω負荷時にクロストークが-何dBになるかを測定します。
使用したφ3.5mm 4極ジャックはマル信無線電機のMJ-064Hです。


■まずは4極目を使用せず、未接続の状態での測定結果
IMG_1588.jpg

クロストークは-65.3dBと、偶然なのか先日測定したこのシリーズの3極バージョンと同じ値となりました。
しかし、新品のプラグやジャックを使って測定しても、プラグに触れることで±数dBくらいは簡単にふらつくので大体の目安としてください。



■4極目もGNDに接続して、GNDの接触抵抗の強化を狙った場合
IMG_1587.jpg

これもちょっと触れるだけで値がバラツキますので、とりあえず「4極目をGNDとして使うと多少は改善する」くらいに捉えてください。
実際のプラグではすべての極の接点が同じ構造ではないものの、接点が2倍になって強化されれば6dBほど改善されるはずです。


■本来のGNDを用いずに、4極目の接点のみをGNDラインとして結線した場合
IMG_1586.jpg
本来のGNDは接点がスリーブ状になっているのに対し、4極目の接点は通常のチップやリングと同じ点接触の構造ですから、それにより性能としては劣っているような感じです。


ちなみにジャックの構造としては、4極タイプは接点が増えるため、スリーブの長さが短くなっているようにも見えます。IMG_1590.jpg


メッキの違いによる影響も考えられますが、以上を踏まえて考えると、こういった構造のジャックの場合、3極プラグ使用時のGND強化のために4極ジャックを用いることは、わざわざこれを行うほど大きなメリットが得られることはなく、3極ジャックの基本性能が良いものを選定することに力を注いだほうが良さそうな印象です。

ただし、DX90の件のように、バランス結線された4極プラグを使用するような場合は完全に2つの接点を分けて使うことが出来ますから、クロストーク面に対して効果が期待できそうです。

ポータブルプレーヤーの擬似バランス化

BqpwjykCQAAI837001.jpg

先日の記事で、ステレオプラグ・ジャックを用いたヘッドホン端子ではGNDの共通インピーダンスによって逆相のクロストークが発生することを確認しました。
逆相クロストークが発生した場合、音としては音がふわふわとして、センター定位のキックドラム等の音がはっきり出ないといった特徴が感じられます。
まあ、普通にイヤホンやヘッドホンを使っていると逆相クロストークが発生している音しか聴いていないということになりますので、一度正しい音を聴いてみると違いがわかるようになります。

逆相クロストークの問題が発生しやすいのはヘッドホンやアンプのインピーダンスが低い場合であり、近年のヘッドホンアンプはほぼ0Ω出しが主流、イヤホンも10Ωのものが存在するほど低インピーダンス化が進んできています。
φ3.5mmやφ6.3mmのステレオプラグがヘッドホン用に使われ出したのは、もう大昔の話。機器の高性能化にあわせて
そろそろプラグの規格を改めたいところではありますが、一筋縄にはいかないようです。

なお、根本的この問題を回避するためにはヘッドホンをバランス接続にすることが最良ですが、バランス接続に対応したDAPやヘッドホンアンプは数が少なくあまり選択肢がありません。

そこで、今回は従来のシングルエンド(アンバランス)接続のポータブルプレーヤでもジャックの接触抵抗で発生する共通インピーダンスを回避してステレオセパレーションの高いヘッドホン出力を得る方法を考え出しました。


原理は以下となります
名称未設定 1

オーディオプレーヤーの中には、ヘッドホン端子に隣接してライン出力端子が装備されているものがあります。
共通インピーダンスの問題は、ヘッドホンの左右chのGNDラインがまとめてジャックを通ることが問題であるため、この隣接されたライン端子のGNDピンだけを利用し、LchのGNDはヘッドホン端子、RchのGNDはライン端子といったように分けて接続してやることで、ジャックの接触抵抗による共通インピーダンスを排除しようというものです。
これは、3線ヘッドホンケーブルの4線化と同じ原理であり、4線化をプラグに対しても適用し、基板の部分まで拡張したと考えると判りやすいでしょう。

ただし、どんなプレーヤーでもこの方法が使えるとは限りません。構造上、2つのジャックが隣接して配置されていること、GNDが基板上で同じ箇所に接続されていることが重要です。
これを確認するためには、あらかじめ配線のされていないプラグを2つ挿し、テスターの道通チェック機能で2つのGND間がほぼ0Ωを示すことを確認する必要があります。できるなら基板を目視でチェックするのが一番です。
今回使用したAstell&Kern AK120はライン出力端子ではなく光入力端子となりますが、φ3.5mmジャックのGNDが結線されているので使うことができます。また、iBasso DX90もこの方法が使えるようです。

この方法を試すためには、まずヘッドホンのプラグを4線式のバランス型に変更する必要があります。バランスヘッドホンに用いられるコネクタは統一化されていませんので、4極のミニプラグや、こちらの作例のようにミニXLRの4pinタイプなど、各自の使い勝手に合うものを用意してください。
ミニXLRのピン配列は1:L+ 2:L- 3:R+ 4:R-としました。


プラグ内部
Bqpkd0CCQAEq-Dl001.jpg

このような感じでL+ L- R+の3本はヘッドホンジャック側のプラグへ結線、R-については分岐させてライン端子側のプラグに結線します。ライン端子側はGND部分にのみ接続し、他は未接続です。

※ここで用いたREANのステレオプラグは品質に問題があり、ジャックに挿そうとすると引っかかってしまい使うことが出来ませんでしたので、後に変更されました。よって他のプラグを用いましょう。



改造前後の特性比較

改造前後でクロストーク値がどれだけ変化したかを測定器で確認してみました。
負荷は10Ω、1kHzのサイン波をLchのみに出力し、Rchにどれだけ漏洩するかを測定しました。


■改造前
BqqDm9_CYAAfYVk001.jpg

通常の状態でもクロストークは約-70dBと、決して悪くはない値となっています。しかしプラグに触れて接触状態が変わると悪化したり不安定になることもありました。シングルエンド接続の限界だとみられます。
ちなみに、無負荷の状態ですとクロストークはバンドパスフィルタで信号周波数のみを抽出しても-120dB以下と、非常に優秀な値となっておりました。

■改造後
BqqEdCOCMAAokTn001.jpg

安定して-80dBの値を得ることができるようになりました。もう少し下げたい気持ちもありますが、あとは基板の配線パターンや回路自体に依存しており簡単にはいきません。

しかしながら音としては、センター定位の低音がしっかりと押し出してくるようになり、小音量でも低位のフワフワ感が出ないといった違いを感じ取ることができました。
本体に手を加えることなく、簡単に改善効果が得られますので、是非一度試して、逆相クロストーク改善の効果を実感してみてください。



※擬似バランスの呼称について

擬似バランスという呼称は、もともと業務用オーディオ機器において使用されているものです。アンバランス出力をバランスの機材で受ける場合、RCAプラグなどの内部でColdの線をGNDに繋ぐのが一般的ですが、その際に機器の出力インピーダンスと同じ値の抵抗値を入れてGNDに接続することで、バランス接続と同様に、伝送路上で飛び込んだノイズを除去することができます。その際、RCAプラグ内でGNDに接続するのではなく、機器内部の出力回路の基準となっている部分のGNDに接続することで、より質の高い信号を得ることが可能となります。
これをイヤホンに応用したものが、イヤホンの擬似バランス接続です。
業務用オーディオの場合、この手法を「インピーダンスバランス」と呼ぶこともありますが、イヤホンの場合は外来ノイズ除去を目的としないためインピーダンスは関係せず、GNDを分離して接続しクロストークを排除することが目的のため、擬似バランスという呼称を用いることにしました。


擬似バランス説明2

RMAAでカセットテープを評価

測定器要らずでオーディオインターフェイスの特性評価ができるフリーソフトのRight Mark Audio Analyzer (RMAA)ですが、デジタル機器以外にも使えるのかな? ってことでカセットテープで実験してみることにしました。

デジタルで完結しているオーディオインターフェイスに比べると、アナログ記録を伴うので著しい信号劣化が見込まれますが、果たしてRMAAのソフトは自身のテスト信号だと認識してくれるのでしょうか!?

用意したのはカセットデッキ TASCAM 122MKII。3ヘッドデッキなので録音と同時に再生音のモニターが出来るため、正確な時間軸を維持できることで、これならテスト信号を扱えるのではと考えました。使用したカセットテープはTDKのSA(ハイポジ)で、ドルビーはOFFです。
カセットRMAA3

あらかじめRMAAにてテスト信号を出力したWAVファイルをProToolsにて再生。リアルタイムでテープを通過した音を別トラックに録音して、テープの録再を経たWAVファイルを作成しました。
カセットRMAA2


これをRMAAで開くと、驚くことに通常のインターフェイスを測った時と同じように解析を行うことができました。
TASCAM 122MKIII CASSETTE TAPE
(画像クリックで拡大)



気になる評価はご覧のとおり「Poor」 と「Very poor」ばかりで、もうどうしようもない感じwwwwwww

でもしかしデジタル領域の劣化とアナログ領域での劣化は特徴が異なることもあってか、音としてはそれなりに普通に聴けるわけですから不思議なものです。

巷にあるインターフェイスのRMAAの結果はどれも美しいものばかりで聴感と結びつけるのは難しいものですが、アナログカセットの音はこの程度の特性を示しますよということで、参考になりました。



※ついでに20年前くらいのHDDレコーダー AKAI DR4Vrも、レガシーなデジタルレコーダーの参考としてRMAAで評価してみましたので、データを貼っておきます。
測定結果や音についても今のDACとくらべてそれほど劣ることはなく普通に聴けるもので、これもまた驚きです。
AKAI DR4vr

"ハイレゾ対応機器"の定義について私見

3月のJEITAによるハイレゾオーディオの定義に続き、日本オーディオ協会からも“ハイレゾ対応機器”の定義が発表されました。
http://av.watch.impress.co.jp/docs/news/20140612_653038.html

これはハイレゾ対応として販売できる機器の最低条件を規定したもののようです。

目を通した上での解釈としては

・マイクやアンプ、スピーカーが40kHzを扱えること
・24bit 96kHz以上のフォーマットに対応すること(24bit 48kHzまで対応のiPod等はハイレゾ対応としては除外ということだろう)
・非圧縮もしくは可逆圧縮での記録再生が可能であること
・メーカーが耳で聴いてOKを出したもの

といった事のようです。

全体的にはあんまり意味のない定義のようですが、問題を感じるのは「40kHzの記録再生をマイクやスピーカーにまで求める」といった部分でしょうか。

音源に関してはサンプリング周波数に見合った周波数スペクトルが存在しないものをニセレゾとして扱ってきました。これは例えばサンプリング周波数96kHzの音源であるにもかかわらず、制作段階で48kHzなどの下位フォーマットの録音機を使用した形跡のある音源に対して指摘してきたものです。

一部ではこれに関して間違った解釈をされ、「ハイレゾ音源には可聴外の周波数が記録されていなければならない」と捉える方々がいらっしゃるようです。
私の指摘するものは、ハイレゾという記録帯域の広がった形式で販売するにも関わらず、制作段階でハイレゾに満たない制作機器を用いた音源は、品質面で問題があるという点です。

それらを踏まえた点で、ハイレゾ対応機器において40kHzまでのフラットな出力を要求する必要は無いと考えます。
(もちろん44.1kHzにダウンサンプリングして出力されるようなプレーヤはダメですが)

40kHz以上の再生についてどれだけのレスポンスを求めるのか数値が出ていないので、これが±3dBなのか、極端に減衰した-40dBとかでも含まれていれば良いのか、これは続報を待ちたいところです。

従来のCDフォーマットでは、あきらかに44.1kHz のフォーマットがボトルネックとなっており、デジタル処理において信号の上限が22.05kHzでバッサリとカットされていました。
ハイレゾオーディオでは、第一段階としてそのボトルネックが解消されることがメリットだと考えています。
現状の音楽制作においても、通常でもCDフォーマットを上回る24bit 48kHzが採用されています。まずはこのスペックで制作された音源を扱えるところからで良いのではないでしょうか?

上記を踏まえて、ハイレゾ対応機器に求める最低条件として24bit 96kHz以上のフォーマットに対応やWAVファイルの再生を規定することについては異論はありませんが、再生可能帯域については一律に規定するのではなく、

「JEITAが測定条件をきちんと決めて、カタログに記載する」

で良いのではないでしょうか。ハイレゾ対応か否かで周波数帯域を規定する必要はなく、従来の仕様書に加えて20Hz~40kHzで±何dBと書けばそれで済むのではないでしょうか。

ちなみにJEITAのオーディオ機器に関する規定はここで見ることが出来ます。


そんなわけで、私の個人的な意見としては、ハイレゾ対応の再生機器については現状であまり問題を感じていません。
問題なのはやはり音源です。

せっかくハイレゾ配信会社、オーディオ機器メーカー、そしてユーザーが盛り上がっているというのに肝心な音楽を作る側があまりにもやる気がなさすぎです。


理想のプロ「24bit 96kHzでリリースできるようになったぜ。ユーザーも高い機器買って待ってるぜ。すげーやつ作ってやろうぜ」

現実のプロ「えー、いつも使ってるシンセ48kだしー、旧譜のほうが儲かるからアップサンプリングして売っとばいいんじゃね。めんどくさ」

このままではハイレゾオーディオが普及するわけありません。

機器に関する規定は十分ですから、早急に日本レコード協会(RIAJ)や、日本音楽スタジオ協会(JAPRS)がハイレゾ音源に関する規定をおこない、品質の高いハイレゾ音源の流通に力を入れることを望みます。

なお、私が勝手に規定した音源の基準はこちらにあります。


あと、早急に決めてもらいたいのは物理メディアのこと。
CDからハイレゾの過渡期として考えたら、配信であっても、店頭購入であっても最終的に同じデータが手に入ることは重要であって、その点でリッピングが出来ないBlu-ray Disc Musicは明らかな失敗であり、普及するわけがない。

メディアは大容量であるBlu-rayでいいから、wavやflacといった汎用のファイルを収める事を。ハイレゾ対応機器では、そのメディアが直接再生できるようにすればよい。
プロフィール

fixer

Author:fixer
http://fixerhpa.web.fc2.com/
Twitter @fixerhpa
頒布中のバランスキット関連はこちら

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