ブログヘッドホンアンプ自作

ヘッドホンアンプ用ダミーロード

ヘッドホンアンプの測定に使用するダミーロードを自作してみました。

ヘッドホン端子に何も接続しない無負荷の状態と、実際にヘッドホンを接続して駆動している状態ではヘッドホンアンプに対する負担が違うため、周波数特性や歪率、クロストーク等の性能が変わってきます。
そのため、ヘッドホンアンプを評価する際にはヘッドホンのインピーダンスに近い抵抗値を接続して測定する必要があります。
スピーカー用のパワーアンプの場合はダミーロードを用いることが周知されており、オーディオメーカー向けで製品化されていたりもしますが、ヘッドホンアンプ用としての製品や制作例は見たことがありません。

ヘッドホンアンプの場合はプラグの種類が多かったり、負荷インピーダンスも様々のため、いつも測定をする時は都度、対象機器に合わせてダミーロードを仮組みして使用していました。
しかし毎回作るのも手間なのと、より高度な測定をするためにはノイズ対策や結線の最短化が必要となるため、測定用の機器として仕上げてみることとしました。

正直、周波数特性くらいであれば、抵抗さえ繋がっていれば問題がない場合が殆どですが、歪率で例えば0.001%、クロストークで-60dB以下を測りたいような場合は結線やダミーロードをきちんとする必要があると感じます。何をどこまできちんと整える必要があるかわからない部分も多いので、手探りしながら試していこうと思います。

負荷抵抗値は10Ω、32Ω、200Ω、600Ωの切替式。この値は、イヤホンで特にインピーダンスの低いものを想定した10Ωおよび、ヘッドホンのインピーダンスの規格を参考にして設定しました。

使用する抵抗器はTEのLR1シリーズ、金属皮膜抵抗 1% 0.6Wを直並列組合せで使用し、概ね1W程度までを目安としています。

スイッチはON-OFF-ONのトグルスイッチ、E-Switch 100SP3T2B4M7QEを採用しました。

入力端子については、XLR5pinタイプ(NEUTRIK NC5FAH-D)とし、ピンアサインはステレオのバランス伝送と同じにしました。
こうすることでアンバランス、バランスアンプ両方に使用できます。アンバランス時においても負荷の信号ラインを左右でわけることで本機による電圧降下やクロストークの悪化を防いでいます。
出力側はXLR 3pin(NEUTRIK NC3MAH-0)で、これをオーディオアナライザに接続します。また、オーディオインターフェイスに接続してRMAAで特性を取るのも良さそうです。（どこかの記事でヘッドホン端子の測定を無負荷でやってツッコミ入れられてたことがありましたね…）

ケースはタカチのEX8-4-9SSで、これに合わせてプリント基板を設計しています。

ケーブルはCANARE L-2B2ATを最短で使用しました。アンバランス用はヘッドホンプラグの部分でCOLDとGNDを接続しています。XLR側はハウジング部の金属は電気的に浮くのを懸念し、念のためGNDと接続することとしました。

なお、3.5mmプラグ用と6.3mmプラグ用を両方製作したのは、変換プラグを使用すると、接触抵抗が測定に影響する可能性があるためです。

これで十分といえるかどうかはわかりませんが、今後これを使用して測定してみようと思います。
ちなみに測定時にはオーディオアナライザとの接続についても注意をする必要があるようです。例えば写真のように接続した場合、ケーブルの這わせ方によってGNDループノイズが発生することがわかりました。正しく測定するにはケーブルを最短にし、ループしないように這わせる必要がありそうです。

■特に意識せず引き回した場合

■ノイズが減るように引き回した場合

なお、これはオーディオアナライザの仕様にもよるようで、例えばAudio Precision社のアナライザはジェネレーターにライントランスが入っているためか、このようなことが気になったことはありませんでした。

ひきつづき何かあれば追記することとします。
製作した基板については用途的に数が見込めないため委託販売までは考えていませんが、個別対応をするかもしれないので興味のある方はご連絡ください。

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ぺ

下記はクリックしないでください

ぺるけ氏の新作、エミッタ共通回路２段ヘッドホン・アンプを作ってみることにしました。
アナログ回路向けのトランジスタがどれも廃番になりつつある中、入手が容易なパーツを採用した設計とのことです。

元記事
Headphone Amp Project ＜入手可能部品で作る＞ヘッドホン・アンプ
http://web.archive.org/web/20191202130256/http://www.op316.com/tubes/hpa/2019-hpa.htm

記事をもとに製作しつつ、随時ここに記録していきます。

自分用に作った部品リストを公開しておきます。

(書籍化後の更新版)
https://fixerhpa.web.fc2.com/V5_partslist_20210228.pdf

(旧版)
https://fixerhpa.web.fc2.com/V5_partslist_20190816.pdf

※間違いや足りないものがある可能性があります。各自確認して利用してください。なにかあればコメントへ書き込んでください。
※2019.8.4 6.8kΩ抵抗の欄の部品番号を修正しました。
※2019.8.16 LEDの商品情報を追加しました。基板を譲った方々から良い品番を教えてもらいました。ありがとうございました。

回路図に部品番号を割り振ったもの

※注
回路図は当初、権利上の問題が生じないよう配慮した上で原作の回路図より引用し部品番号を振ったものを掲載しておりました。
しかしながら、本件に関しては第三者である「K氏」よりブログのコメントに「ぺるけ氏の遺作HPAとな？回路図画像のパクリと無断転載」とご意見を頂戴しました。ちなみに「K氏」のIPアドレスで検索したところ、別ハンドル名にてぺるけ氏の掲示板で回路の話をして交流している人物と同一のIPアドレスであることが確認されています。
また、2020年11月にぺるけ氏の掲示板において「猿でも出来る」と名乗る人物により「誰かがデータパクって自分のブログで無断公開してるやつですかね？これ草」などと、当ブログのURLを添えた書き込みがありました。これは到底許すことのできない名誉毀損行為と捉えております。
つきましては、こういった悪質なクレーマー対策としまして、不本意ながら回路図を清書し、置き換えることとしました。
見やすくなった回路図を、どうぞ存分にお楽しみください！
なお、清書後の回路図を用いての製作は行っていないため、記載に間違いがある可能性があります。ご利用の方にはご迷惑をおかけします。
万一、間違いがありましたらお知らせください。(2020.11.16)

画像クリックで拡大します

とりあえず自分用にプリント基板の設計をして中国の工場に製造依頼しているので、届きしだい製作してみます。

ちなみに今回はユニバーサル基板用の配線図は公開されていないので、Version 4のを元にして電源の±を逆にして電源回路は新たに書き起せばよさそうです。（だれかやってあげて）

必要なパーツを秋月電子、千石電商、マルツ電波、門田無線に発注しました。
東信工業の電解コンデンサを千石電商から通販で購入すると10個単位になるので、余って困る場合は別のところから調達するのが良さそうです。

トランジスタについては「厳密な選別の必要はありません」とのことです。とりあえずhFEを手持ちのテスターで測ってみました。

2SC1815GR (UNISONIC製)

2SA1015GR (UNISONIC製)

TTC015BおよびTTA008B

hFEについては思ってたよりはバラツキが少なく優秀なようです。（東芝のオリジナルの2SC1815はもっとバラついていたというような話も…）
「厳密な選別の必要はありません」について基準が曖昧なので困っていたところ、掲示板で解説していただきました。
https://8604.teacup.com/very_first_tube_amp/bbs/26977

さしあたり「トランジスタは選別しなくて良い、半固定を回しきってもDCオフセットが調整しきれなかったら2SA1015を交換してみる」くらいで問題なさそうです。
※現在は元記事で選別について補足が追記されています。

ランプとしてではなく基準電圧として使用されている3つのLEDについては「3mm径の赤かオレンジの通常品」であれば良いとのことで秋月電子で簡単に買えるものをピックアップしました。しかし実際の回路で測定すると1.75Vと記されているところ、1.85Vくらいになってしまいます。1.75Vになるものも探せば無くはありませんが、入手が容易ではなくなります。
実際、1.85Vだと設計値から外れるのかは回答がもらえていませんが、歪率の測定による比較にて特に違いはありませんでした。

（最初の状態より、手持ちのVfの低いLEDに交換した時の音のほうが魅力的な印象があったのですが、気のせいかなと思いつつもメモとして残しておきます。各自試すといいと思います。）
※LEDはSLP-9118C-51Hが良さそうだと情報をいただきました。パーツリストに追加しました。こちらを5mAで測れば実回路と同じくらいの値を示すようです。バラツキもあるようなので組んだ後に1.75Vから大きくはずれる場合は交換するといいでしょう。

ケースの加工
CADで適当にパーツ配置して印刷した紙を貼り付けて位置決めして穴あけました

https://fixerhpa.web.fc2.com/V5_case_20190803.pdf
※プリンタの誤差があるので印刷後に寸法が正しいか確認し、ズレていたら適宜、拡大縮小して調整してください。

ケースのネジ止めの部分はアルマイトを削っておかないと導通しないので注意

ボリュームの軸を切る作業
入手が容易なアルプスRK27ボリュームは軸が無駄に長いので、13mm程を切り詰めます。
切削屑がボリューム内部に入らないように保護し、本体ではなく軸側を万力で挟んで鉄ノコで切断します。

注)ツッコミが入ったので追記します。軸を切る時、軸とネジの堺のところも養生しないと隙間から切削屑が入ると怒られました。実際、あの部分にグリスが塗布されていて、そこに切削屑が付着して面倒でした。写真撮らなければ袋も被せないで切るつもりだったので、一応気にしたということで許してください

切断面はヤスリで整えておいてください。

ジャック等のパーツをケースに取り付けていきます。

ケース内の配線をしていきます。

過去の作例を参考にし、ケーブル色は
電源+ :赤
電源- :白
LED+ :赤
LED- :黒
信号L :茶
信号R :紫
信号GND:黒
としました。

信号ラインは左右間やボリューム入出力間で干渉するので本当はシールド線のほうが良いと思います。
ボリュームのGNDまわりの配線はボリューム動作の異常につながるので引き回し方を気をつけてください。
引き回しが悪いと絞りきり近くでギャングエラーが強調されたり、左右逆相の信号が出たりします。

パーツとケースの下準備が済んだところで、中国の業者に頼んでいた基板が届きました。

（実は重大な配線ミスがあったので作り直して2回目）

背の低い部品からどんどん実装していきます。

抵抗だけで45本も

こんな感じで基板ができあがり

ケースに組み込んで配線。いよいよラストスパート

おそるおそる電源を入れてみると、DCオフセットは半固定抵抗が中間の状態でほぼありませんでした。トランジスタの選別をしたおかげで揃っていますが、半固定を回して調整できる範囲なら問題なしといって良いようです。

注) 組立前に知人から指摘があったのですが、終段および電源部のトランジスタがけっこう発熱するので、電解コンデンサから離さないと寿命を縮めそうです。過去の設計のアンプではユニバーサル基板でトランジスタが電解の直近に置かれているのでてっきり近くて問題ないものと思ってましたが、基板の設計も少し変更して当初より距離を取りました。これでもまだ発熱が気になり、もっと距離を離すべきか、放熱板をつけたほうが良いかと検討しています。
これからユニバーサル基板等で製作される方はこの点を留意されると良いかと思います。ご参考までに。

【完成】

これで一旦完成ということで、ひきつづき記事をわけて測定等を行っていこうと思います。

追記
当初公開されていなかった、原作にてタカス基板を用いた制作例の写真が後から掲載されました。
基板のアートワーク（配線引き回し）にも宗派があるそうなのでこれも作ってみました。比較して差が出るかな？

2021.2追記
当時webにて公開されていた製作記事が書籍化され「続理解しながら作るヘッドホン・アンプ (CQ文庫)」として発売されています。
概ね当時の記事と同じ内容ですが、一部定数が変更されていたり、誌面上でも回路図と配線図で値が異なっている箇所がいくつかあるようで、掲示板にて正誤表が書き込まれたりしています。
出版社での確認および正誤表が出ましたら当ブログのパーツリストにも変更を加える予定ですが、それまでの間はご注意ください。

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ヘッドホンアンプキット「アンバラ王」

ヘッドホンのバランス接続をひと通り経験したのち、あえて製作したアンバランス型のヘッドホンアンプ「アンバラ王」がようやくリリースできるようになりました。
従来通りのアンバランス接続環境下でも違和感なく、大音量でも聴き疲れのしないモニタリングができることを目標にチューニングしています。
構成は、ヘッドホンアンプICのTPA6120と入力段およびDCサーボにOPA21234を採用。電源はDCDCコンバーターによる±5Vとなっています。

プリント基板(パーツ未実装)と、特に入手の難しいパーツとしてボリュームつまみとスペーサーをセットにして家電のケンちゃんで委託販売します。
組み立てに必要なパーツ類はリストを参考にMouser、秋月電子、マルツ等でご用意ください。

なお、取扱説明書は特に用意していませんので、このブログ記事や写真を参考に組み立ててください。
必要な情報はここにアップデートしていきます。

家電のケンちゃんキット販売ページ
パーツリストや回路図、ケース加工用台紙

LEDの足に絶縁のためチューブを被せてください

TPA6120の裏側からハンダを流して固定してください。TPA6120のパッドにもハンダが乗るように。

ケースに台紙を貼り付けて穴あけをしてください。1mmずれただけで入らないかもしれません。印刷時に寸法が合っているか確認してください。

参考
よくわかる！「原寸印刷」への道！セブン‐イレブンのマルチコピー機で同人活動をもっと手軽に・もっと楽しく！

Demiawaking 六角軸ステップドリルステンレス用穴あけチタンコーティング (3~13mm)
速い回転数で一気に開けるとプラが溶けるので気をつけてください

ジャックに当たる部分をカッターナイフで削ってください。

ナット側には0.5mm厚、スペーサー側には1mm厚のワッシャーを入れてください。
ワッシャーは平らな面を基板側にしてください。逆にすると基板に食い込みます。

■その他、注意事項など

・できれば通電前に出力にDC漏れがないかテスターで確認してください。0.1V以上となるような場合は異常があり、ヘッドホンを壊す可能性があります。電源ONの状態でプラグを抜き差しした時に大音量が出る場合は異常です。
オペアンプを刺さない状態で通電すると出力に2VくらいのDCが現れ、ヘッドホンが壊れます。気をつけてください。

■試作時の参考データー等
https://twitter.com/fixerhpa/status/1119907036869713922
パーツリストなどは最新版を利用してください。歪率についてはフェライトビーズの違いにより試作時より若干悪化します。気になる方はブログの過去記事等を参考に工夫してみてください。

■参考

変換プラグについて

いまどき3.5mmプラグが主流で、GNDの接触抵抗で考えても3.5mmのほうが良好な値が出ることも多いのですが、今回はGNDの接触抵抗を意識しなくていいようなサウンドにしている（つもり）なのと、業務用機材ではいまだに6.3mmが主流ということなので今回は6.3mmを採用しています。
変換プラグを使用する場合、性能面でいえばGND極がコイルスプリング式になっているものが接触抵抗が低く、かつ安定して使用できる傾向にあるようです。うちではこれを使っています。
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イヤモニ用のマッチングトランスを作る 1

ステージモニター等の用途でBAマルチドライバーのイヤホンをキューボックスや小型ミキサーに接続して使った場合、周波数バランスがおかしくなるという問題があります。
イヤモニに使用を前提としていない機材のヘッドホン端子は出力インピーダンスが数十Ωくらいあり、これによりイヤホン内のネットワーク回路が正しく動作しないことが原因です。
ボディパックのイヤモニ受信機や、スマホ等はイヤホンの使用を想定しているため正しい音で再生することができても、そうではない機材の場合は中域が強調されてやかましくなったり、低域が過剰になったりします。

前回の記事ではイヤホンのインピーダンス測定の記事で、BAマルチドライバーのイヤホンでは周波数に対してインピーダンスが一定でないことを確認しました。

それでは実際に、マルチBAドライバのイヤホンを出力インピーダンスが高いヘッドホン端子に繋いだ場合、イヤホンに印加されている信号の周波数特性がどうなっているかを測定してみることにします。

まずは、出力インピーダンスが低く、限りなく0Ωに近いヘッドホンアンプに接続した場合の特性です。ヘッドホンアンプにイヤホンを接続した状態で周波数特性を測定するスイープ信号を流し、イヤホン端子の部分の信号を観測したものです。

アンプの出力インピーダンスが完全な0Ωではないことや、プラグやジャックの抵抗分があるため完全な一直線にはなりませんが、概ね真っ直ぐでフラットな信号がイヤホンに供給できていることがわかります。

続いて、Mackieのコンパクトミキサー 1402-VLZ PROのヘッドホン出力を使った場合の特性です。

ご覧のように周波数特性カーブが暴れており、周波数によって印加されている電圧レベルが数dBも開いていることがわかります。
FitEar MH334では低域がなくなって中域が目立つようになり、canal works CW-L71では低域が盛り上がって聴こえる現象を確認することができました。

さて、上記のような現象を回避するためには、イヤホンへの信号源インピーダンスを低くする必要があります。方法としてはミキサーにヘッドホンアンプを外付けする方法がありますが、なかなかイヤホン用としてインピーダンスが低く手頃で確実なヘッドホンアンプが見当たらないことと、電源が必要となると煩雑となるので、別の方法を検討してみました。

1.アッテネーターを使う方法。
ミキサーのヘッドホン出力は60Ωほどの出力インピーダンスがあるので、ここにアッテネーターを挿入してイヤホン側からみたインピーダンスを低くする方法があります。
簡単には、イヤホンのLとRのそれぞれをGNDに対して抵抗で落としてやることで実現できます。
アンプから出力される電力の大半を抵抗器で無駄に消費させて音量を下げるとともに見かけ上の出力インピーダンスを小さくするものです。

ただ、この方法はお手軽な反面、技術的な制約があり、インピーダンスを低くするために必要十分な抵抗(1Ωとか)を入れた場合、アッテネータが効きすぎて音量が小さくなってしまうこと、過負荷によってヘッドホンアンプに負担が掛かり、音が歪んだり故障を招く可能性がある等の問題があり、使用するヘッドホン端子やイヤホンの仕様を踏まえて十分に検討する必要があります。

2.トランスを使ってインピーダンスを下げる方法
いわゆるマッチングトランスを用いて、ヘッドホン出力のインピーダンスを下げるとともに、信号レベルも下げる方法があります。こちらの方法であればアンプへの負担が増えることなく、インピーダンスを下げることができます。少し大掛かりではありますが、この方法なら外付けアンプと違って電源不要で簡単で確実な方法が得られそうです。

続く

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Analog Discoveryでイヤホンのインピーダンス測定

Analog Discoveryという、USBオシロスコープ＋拡張機能みたいな測定器でインピーダンス測定ができるので、この機能を使ってイヤホンのインピーダンスを測ってみました。
インピーダンス測定には専用のオプションボードがありますが、それと同じ回路で10Ωの抵抗を使い、50mVで測定してみました。
細かいことは色々ありますが、とりあえず黄色の実線のカーブを見て参考にすると良いと思います。

FitEar MH334

もともとインピーダンスを確認したかったのがこのイヤホンでした。マルチBAドライバーなので、イヤホン内部にネットワーク回路が組まれており、周波数帯域ごとに分割された信号が低域用や高域用のBAドライバーに供給されています。
ネットワーク回路があるため周波数に対してインピーダンスが一定ではなくカーブを描いています。よって、使用するヘッドホンアンプの出力インピーダンスによって、周波数バランスが変わってしまいます。

canal works CW-L71

これも同じくマルチBAタイプのカスタムイヤホンです。MH334では中域のインピーダンスが高かったのに対し、CW-L71では低域のインピーダンスが高くなっています。これはネットワーク回路の方式の違いによるものとみられます。
この結果、出力インピーダンスの高いヘッドホンアンプに接続して聴いた場合、MH334は低域がなくなって中域が目立つようになるのに対し、CW-L71では低域が盛り上がって聴こえるようになりました。

audio-technica ATH-IM02

こちらもマルチBAタイプのユニバーサル型イヤホンです。

audio-technica ATH-IM50

audio-technica ATH-IM50
対してこちらはダイナミックドライバのイヤホンです。ネットワーク回路を使用していないため、インピーダンスがフラットです。このようなイヤホンの場合は、アンプの出力インピーダンスが変わっても、音の変化は小さくなります。

参考までにあといくつかのデータを載せておきます。

PHILIPS SHE8100