Current Drive HPA (電流帰還ヘッドフォンアンプ)

電流帰還型 ヘッドフォンアンプ

TPA6120A2 シングルタイプ

Jamp to

・バランス(Twin)タイプ基板こちら
・ 1stインプレッション　　　こちら
・ヘッドフォンリケーブル　　こちら
・参考実測データ編は　　こちら
・バランス化　参考は　　　こちら

比較的大きな出力/音圧で使うスピーカ駆動系のケーブルは、電流容量が大きく導体の抵抗率も低いのを選びます。太いケーブルで多少硬くてもあまり問題にはなりませんので選択の余地はずいぶんと広いです。一方、身体に装着するヘッドフォンやイヤフォンなどでは、装着感を考慮して柔らかく細いケーブルが使われる傾向にあります。良く使われる素材にリッツ線という特殊な線材があります。電力電送するにはあまりも細いこのリッツ線は半田付け性も悪く、経験があるオーディオマニアの方ならこのケーブルに不信感を持ったに違いありません。こんな純正ケーブルを良しとしない面々はリケーブルと称し電気的諸特性を重視したケーブルに変えたりしていますが、「太い・硬い・重い・醜い・邪魔」と人生の苦労を一身に背負ったような改造になりかねません。　

　リッツ線補足　リッツ線が電力伝送に不適格というわけではありません。イヤホンケーブルに使われている形態のリッツ線に問題があるものが多いということです。ケーブル強度を保つために合成繊維糸と撚り合わせていますがそのためか導線の本数がかなり少ないケーブルを多く見受けます。

そこでこのヘッドフォン等のケーブルが無視できるようなアンプは出来ないのだろうか、というのが今回の　「ヘッドフォンアンプ」を考えるきっかけでした。

現在発売中の LME49600 を使ったヘッドフォンアンプ(こちら)は、低インピーダンスでヘッドフォンを駆動しようといういわゆる「電圧駆動型」です。巷では電流駆動型の方が音にメリハリが出て良い音になる、との話し・感想があります。　しかし、ヘッドフォンやスピーカー等を商品開発する際、特性測定・音質評価で使用されるアンプは、「電圧駆動型」によるもの(と思っている）なので、当然ユーザが使うべきアンプもこの「電圧駆動型」であるべきだと考えています。（LME49600ヘッドフォンアンプのインピーダンスについてはこちら）　電流駆動型の方が良いという言い分として：
　・ヘッドフォンやスピーカのインピーダンスは周波数によって変化し一定では無い。
　・従って電圧駆動型ではヘッドフォンに与える電力が周波数によって異なる。
　・特にインピーダンスの上昇する低域や高域で不利である
という論点です。　しかし、先にも述べたとおりヘッドフォンやスピーカーの商品開発時点で電圧駆動型アンプを使用して設計・評価され「その特性で最適化された商品」であるということを忘れてはならない、と思うのです。

　　・　電圧駆動型＝低インピーダンス出力
　　・　電流駆動型＝高インピーダンス出力

これをグラフ化してみると下図のようになります。

出力一定時　負荷に与える電力

具体的な回路イメージを LTSpiceを使って実験/検証してみます。

シミュレーション回路例
上：普通の電圧駆動型、　下：電流駆動型

負荷(RX)を100/200/400/800/1600と変えて
上：電圧駆動型出力端 V(out-V)　　
中：電流駆動型出力端 V(RX)両端　
下：電流駆動型帰還端 V(Fc)とV(Fb)

一番下のグラフから分かるように、(out-fc)端の電圧が一定
ですから、負荷の抵抗値を変えても一定の電流で駆動されて
いることがよく分かります。 V(RX) = V(Fb)-(VFc)

ヘッドフォンアンプに使うには、電流駆動方式は
「ちょっと違う」「だいぶ違う」「大いに違う」　
いやいや「それで良い」
さて皆様はどのように思われたでしょうか。
　　

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さて、一方で勘違いしやすいアンプ形式に「電流帰還型オペアンプ」があります。
電流駆動型と、どのように違うのか少し確認してみたいと思います。　

電流帰還型オペアンプのブロック図

要は帰還端子(-) のインピーダンスが非常に
低いため出力からの帰還は電流として流入
していると見なされる回路、と思えばいいらしい

　（詳細を勉強したい方は 続・トランジスタ回路の設計/CQ出版を
ご覧下さい。内部回路設計の詳細まで載っておりお薦めです）

シミュレーション回路例　（電流帰還型オペアンプ使用）
上：出力シリーズ抵抗無し
下：出力シリーズ抵抗有り

負荷を100/200/400/800/1600と変えて
上：シリーズ抵抗無し V(out-V)
下：シリーズ抵抗有り V(out-I)

電流帰還型オペアンプも出力端にシリーズ抵抗が無い場合は電圧帰還型と変わりない特性です。しかし電流帰還型オペアンプの場合、出力にシリーズ抵抗を入れるのが定石です。その場合負荷抵抗の値によって変化が生じますが、先に確認した電流駆動型より少ない変化になります。

負荷抵抗(RX)の消費電力
赤：シリーズ抵抗あり
緑；シリーズ抵抗無し

つまり電流帰還型というのは「電流駆動型」に近いが
ちょっと違う、「いいとこ取り」アンプなのかもしれません

電流帰還型オペアンプは結果的には電圧駆動型と電流帰還型の中間のような動作である事が確認されました。高域特性が素直なため電流帰還型オペアンプは高速用途に向くようですので、今回のヘッドフォンアンプの素材は　電流帰還型オペアンプ　で行ってみたいと思います。シリーズに抵抗を入れるため、ケーブルの影響は受けにくくなると思われますので、初めに考えていたケーブルの影響を受けないアンプというコンセプトにもマッチしそうです。　

電流帰還型アンプの素材一例

左：TPA6120A2/電流帰還ＩＣ　　右：SATRI-IC

今回は、電流帰還型アンプＩＣの定番 TPA6120A2 を使う予定です。　TPA6120A2の Data sheet には、バランス駆動型（かつてBTLとも呼んでいた) の回路例も載ってますが、まずはシングル・バランス動型の２通りで考えてみます。

電流帰還型アンプは、一般的なオペアンプとは異なる以下の特徴があるようです。
　・入力部がエミッタ共通となった、いわゆる差動入力ではない
　・(-)側入力インピーダンスが低く、（+）入力は比較的高く対称でない

つまり、オーディオシステム全体を見渡して設計する場合、その一部であるヘッドフォンアンプの入力端子は TPA6120A2 直だしでもかまわないでしょうが、前段に何が来るか分からない「ヘッドフォンアンプ基板単品」としては、バッファアンプを噛ませるのが必須の条件といえるでしょう。　ということで、オペアンプによるポストアンプ経由で、TPA6120A2につなぎます。　このポストアンプで、反転・非反転を選択できるようにしてありますので、片側のみ反転増幅させればバランス駆動型にも対応可能となります。　今回の回路では、TPA6120A2の動作は反転増幅に固定しポストアンプ側で切替可能としています。

シングル駆動型回路案

TPA6120A2はユニティゲイン以下にしたいこともあるため
反転増幅回路で構成しますので、上記デフォルトでは
逆相アンプとなりますが、ヘッドフォン用なので他との
関係性は無視できますので良しとしました。

上記回路の基板案

10㎜ピッチ抵抗に対応のレイアウト

今年のテーマ「お手軽に」　という前提で基板を作りたいので、まず基板は、ＩＣ１個載せシングル駆動型で進めたいと思います。　とはいえ２枚使えばバランス駆動型にも構成できるよう考慮しています。

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TPA6120A2 ファーストインプレッション

基板が上がってきました

REX Audio用炭素皮膜抵抗 1/4W 使用

TPA6120A2版と LME49600版

オペアンプはどちらも OPA2604

早速聴いてみましょう。　
ヘッドフォンは MDR-F1 です

-------------　■□ TPA6120A2 ファーストインプレッション □■　----------

TPA6120A2は少し賑やかな音質傾向で解像感が上がった気がします
　「軽く」「明るく」「爽やか」という形容が似合いそな・・

ギターの音に例えるなら
　「TPA6120A2 → 立上りの良い音/フラメンコギター 」
　「LME49600 → 深く響く音 / クラッシクギター 」
というところでしょうか

・
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今回の試聴CD
[七色シンフォニー/コアラモード]

横浜発・新人グループ　お薦め→こちら 18933

さてさて：
TPA6120A2 と LME49600の音の違い。　これは電流帰還型と電圧帰還型/Normal の違いというよりシリーズに抵抗が入っているせい（？）なのかもしれません。しかし、電流帰還型は「出力に抵抗を入れるのは・・・mast be ! 」とのことなのでそれも電流帰還型の特徴のうちということで。

< Ti TPA6120A2 datasheetより引用 >
The series output resistor should be between 10Ω and 100Ω.
The output series resistance eases the work of theoutput power stage by increasing the load when low impedance headphones are connected, as well as isolating any capacitance on the following traces and headphone cable.

なお、LME49600 と TPA6120A2 どちらもハイスルーレートが謳い文句です

LME49600：2000V/μs slew rate.
TPA6120A：1300V/μs slew rate.

■□　一休み　□■

バランスタイプの音も確認したいので、バランス対応のヘッドフォンを作りましょう。　オープン型のお手軽モデルとして、ゼンハイザー PX95 が手元にありましたので　リ・ケーブル挑戦です。　MMCXコネクタを各種揃用意して、改造に使えそうなものを選びながらやってみました。　改造用の各種パーツの方が元のPX95より高かったりしますが。
　

改造前の Sennheiser PX95 (バラした所)

改造後：MMCXコネクタ・無理付けしました

使用したケーブルは、協和ハーモネットのスリムロボットケーブルです。

2芯～10芯の種類があります。芯線には無酸素銅ベースの
合金が使われており絶縁シースも耐熱性と屈曲性に優れています。
手触りの感触もソフトで意外と使い良いケーブルです。

まさにヘッドフォン・イヤフォンのリケーブル用にお薦めかと。
尚、当方ケーブル教信徒ではありませんので、その点 (音が良いか否か) は各自ご判断ください

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さて：
実測データです。
出力端にシリーズ抵抗が入っているため、シングルとバランスタイプの出力差があまり出ない様です。動作的には BTLと同じなので、出力パワーは４倍位になるのですが。　その辺が電流帰還型の特徴と言えそうです。

　　　測定条件：電源　±15V (type-STD2 使用）

　　

負荷	ゲイン	1% 歪み出力
８Ω	-9.4ｄB	310mW
２４Ω	-3.0dB	490mW
４７Ω	+0.5dB	530mW

負荷	ゲイン	1% 歪み出力
８Ω	-9.4ｄB	320mW
２４Ω	-0.8dB	770mW
４７Ω	+3.6dB	1020mW

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バランス型で使用した場合の方が
出力・シリーズ抵抗の影響が強く出るようです。

こんな曲も似合いそな。

DIRE STRAITS / MoneyForNothing 　こちら

バランス化について：
ポストアンプで反転/非反転の設定をするのですが、反転型の場合の入力インピーダンスを少し高めにしておかないと使いにくいようです。　当初案では、1KΩ/2KΩとする予定でしたが　600Ω出しのプリアンプでも影響が出ないよう、10倍程度の入力インピーダンスを持たせることとしました。　手に入りやすい E24系列で 600Ωの10倍程度で且つ、ちょうど 2倍の値も得られる抵抗値というと 7.5KΩ となりますので、今回のポストアンプの帰還抵抗（NF抵抗）は、7.5KΩ/15KΩとしました。　バランスタイプに改造する場合は、コールド側とする「Rch側の帰還抵抗」を一本変更する必要があります。　これは反転/非反転で Gainが変わるので揃えるために行います。

　　シングル型ブロック図 ( 基板1枚で Lch/Rchドライブ )
　

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　　バランス型ブロック図 ( 基板2枚で Lch/Rchそれぞれドライブ )
　　　　　・半田ジャンパを2カ所変更し、Rch側を反転増幅にします
　　　　　・反転増幅側のゲイン調整用抵抗を変更(7.5k⇒15k))します
　

クリックで拡大
　　　この基板を2枚使用して、バランス型（に改造した）ヘッドフォンを
　　　駆動しますと LME49600H.P.A. とは一味違う音楽テイストが楽しめます

　　　　注）上記回路をみて理解出来なかった方は改造は避けた方が無難です
　　　　　　・基板の改造については自己責任でお願い致します。　
　　　　　　　・改造 = 改良であることを保証するものではありません。
　　　　　　　・バランス型で出力端子をアース接続する事はお避け下さい。

◆　基板の改造ポイント参考は　こちら
　◆　バランスで入力する場合は、グランドに注意　こちら

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