自作オーディオ回路の最近のブログ記事

4月になりました

長い春休みがそろそろ終わり、新学期の始まりですね。私も大学3回生に無事進級でき、ほっとしているところですが、今年から就活やら卒業研究が始まるので、さらに忙しくなりそうです。

当サイトも開設してから2年が経過しました。はじめの頃に比べれば、更新速度とかが遅くなってきていますが、暇な時間を見つけて記事を書き続けていきますので、よろしくお願いします。(最近、電子回路ばっかりだな・・・)

ヘッドフォンアンプ

さて、今回も電子工作です。ヘッドフォンアンプを作ります。前回言ったように、DAC単体やその他オーディオ機器では、多くの場合出力電力が不足し、ヘッドフォンやイヤフォンがフルに駆動できません。

そもそも、そういったライン出力と呼ばれる出力は、他のオーディオ機器(アンプやレコーダなど)に接続することを考えられています。それらは、入力インピーダンスが大きく、あまり電力を必要としません。そのため、ライン出力は、電力が小さくなっています。ヘッドフォンは、基本的に8Ω-100Ωくらいの小さいインピーダンスを持っているので、電力不足になります。

さて、今回作成したヘッドフォンアンプは、nabeさんの設計された回路を使用しました。(勝手に使っちゃいました)

回路・製作については、次のリンクを参照してください。

高品質な低電圧ヘッドホンアンプ（単３×２本）

自宅で使用するため、2V以上で製作しています。分圧回路を作ると音質が下がるようなので、電池駆動で両電源を作りました。

ケースは、以前作った低音質なヘッドフォンアンプを破壊して、流用しています。そのため、余計な穴が大量にあいています。

入力部には、以前のHPFを流用しています。オペアンプは、LT1364、トランジスタは、2SC1815、2SA1015の低雑音を使用しています。レイアウトは、シンメトリーになるように頑張ってみました。

その他は、本家を参考にしてください。

かかった費用は、4000円前後。

音質

適当に部品レイアウトをした割には、高音質です。元々高音質な回路なだけあって、素晴らしい音です。ちなみに100時間以上通電させてから聞いています。

ただ、ボリュームの位置によっては、音がひずみます。サーというホワイトノイズや、ビリビリという音割れが発生します。ボリューム最小・最大位置において発生することが多いようです。この現象は、オペアンプを変えると変化するようで、NE5532P、NJM5532、LME4972、OPA2604では、あまり発生しませんでした。

改善

取りあえず、このままで使用しますが、音割れは少し気になります。

ボリュームのL成分?で発振ということが書かれているので、いろいろ試してみることにします。

やっと完成しました！

マイコンを搭載し、LCDとボタンで制御できるようにしました。それと入力を3つに増やし、マイコンで切り換えることができるようにしました。

できあがりの内部は、かなりごちゃごちゃしてしましました。ケーブルが多くて、これでもまとめて綺麗になった方です。もっと綺麗に整理をしないとノイズがのってしまいそうです。

マイコンボードは、電源ボードの上に配置してみました。長いネジでを使って固定しています。ちょうど良いスペーサーが無かったので、ナットで固定しています(写真には写っていません)。

マイコン制御に関しては、DAC制作時に計画になかったため、LCDに表示される内容がかなり少ないです。CS8416をハードウェアモードで動作させているためであり、ソフトウェアモードで動作させればもっと柔軟にコントロールできていたはずです。

あと、プッシュスイッチですが、LED付きのスイッチで、固定はワンタッチになっています(秋月で入手)。ですが、固定用の穴を開けるときに若干大きくなってしまったので、そのままではうまく固定されず、ぐらついてしまいました。そのため、グルーガンで、1点固定してぐらつきを無くしました。あまり多く付けてしまうと、ボタンが動かなくなるので、固定には注意が必要でした。

気になる音質は

機械的な測定として、RMAAという音響測定ソフトを使用して計測しました。使用したサウンドボードは、ONKYO SE-200PCIです。

SE-200PCIのSPDIF出力とDACを接続し、DACのアナログ出力をSE-200PCIのLine-inに接続してます。サンプリングレートは、44.1k、48k、96k、192kです。ビット数は、すべて24ビットです。ただし、SE-200PCIの192kの録音は非対応なので、正しい結果ではありません。

HTML形式の出力をアップロードしておきます。

DAC 44.1kHz 評価 Very Good

DAC 48kHz 評価 Excellent

DAC 96kHz 評価 Excellent

DAC 192kHz 評価 Very Good(不正確)

かなり良い結果が出ています。周波数特性がほんの少し悪く、カットオフ周波数が若干低いようです。左右の音圧にずれがほとんどありません(抵抗を1つずつ計測したのが良かったか)。

歪みは、THDが若干悪いと出ていますが、IMDが良いのでよしとします。

参考までにSE-200PCIのループバックの評価の一部を付けておきます。

SE-200PCI 44.1kHz 評価 Excellent

SE-200PCI 96kHz 評価 Excellent

実際のヒアリングしてみると、解像度が高く、鮮明に聞こえます。ただ逆に、高音域にざわつきがあるように聞こえるときがあります。オペアンプを変えればこの特性が変わると思うので、暇なときに試してみようと思います。

現在使用しているオペアンプが、OPA2604APで、このオペアンプは、どちらかというとヘッドフォンアンプ向けのオペアンプです。聞いた音の特性の感想は、低音が強く出て、高解像度です。

やはり直接イヤホンを繋ぐと電力不足になってしまい、音質が落ちてしまいました。ヘッドフォンアンプが必要です。

あと、ハムノイズがすこしありました。ケースにグランドを落とせば、低減されると思います。

今後は

マイコンのソフトウェアがかなり中途半端なので、アップグレードをします。

また、レベルメータを付けようと思っています。ためしに、AD変換ポートに直接出力を繋いでやってみましたが、音が歪み使え物になりませんでした。オペアンプで、全波整流して、ローパスフィルタを通せばできるようです(ネットで調べて、ブレッドボードで実験済み。歪みは最小限に)。

あとヘッドフォンアンプを、現在制作中です。一応予定では、持ち運び可能な小型の物と、据え置いて使用する物の2種類を製作予定です。

やっとけりを付けられましたね。

ケース加工

DACのケースを作りました。使用したケースは、タカチのCU-15N。もう少し小さいケース、特に高さが低いものを使うこともできましたが、あとから電源トランスに変更したり、柔軟に対応できるように大きめにしました。

加工に使用した工具は、電動ドライバ、4.0mm/5.0mmドリル刃(六角のビットタイプ)、シャーシーリーマ、やすり(丸形と平型の2種)です。

基板を取り付けるための穴ですが、はじめは基板取り付け穴径の3.0mmと同じ大きさを開けたました。ですが、手順を省略したため、大きくずれてしまい、ネジが入らないということが起こりました。そのため、少し大きめの4.0mmに変更しました。ネジは、M3で、ワッシャを挟むので、4.0mm軽でも抜けることはありません。

普通、ドリルを使うときは、いきなり大きなドリルで開けずに、小さいドリルやキリ、センターポンチで中心を決めておきます。今回は、面倒だったので省略しましたが、やるべきです。上のようなことが起きます。

ドリルで穴を開けると、穴の周りに金属破片が残ったままになる(バリが残る)ので、経の大きなドリルで、バリをとります。このケースの場合、内側にはドリルを入れにくいので、やすりでバリをとります。

スイッチやLED取り付けの穴は、基板取り付け穴よりも大きな穴なので、シャーシーリーマでぐりぐり広げます。リーマで広げると、穴の周辺が、盛り上がってきて部品が取り付けづらくなります。なので、目標の直径に近づいたら、円形のやすりで仕上げます。盛り上がった部分を内側に折り曲げるそれを削ると綺麗に仕上がります。

トスリンクの穴は、固定用の4.0mmの穴と角穴を開ける必要があります。角穴は、やすりで削って行きますが、角形のやすりを使用した方が綺麗になります。最初、丸形のやすりしかなかったので、いびつになり、その後やすりを買ってきて、削って大きく削りすぎました。

ネジ止めに使用したネジは、M3x6ナベネジ、M3x8タッピングネジです。基板とシャーシを浮かせるためのスペーサー10mm(両側からネジで留めるタイプ)を使用しています。ホームセンターで購入しました。止め方はいろいろな方法があるので、その当たりは工夫します。これが、一番の悩みどころだったりします。

ケースが完成しましたが・・・

リセット回路がないので、使用する度にケースを開けなければなりません。これは不便です。それを解消するための機材を整えましたので、次回に紹介します。

あと、写真を撮った時のの電源スイッチは、接続されていなく、ダミーです(笑)。

写真ですが、手元にカメラがなかったので、携帯カメラで撮影し、時間が無かったので、ライトを付けずに撮影したので、ノイズ、ピント、色合いが酷いです。完成したらちゃんと撮影したいと思ってます。

ようやく時間がとれました

以前の記事から1ヶ月ほど経ってしまいました。期末テストがあったりレポート提出があったり、さらにはインフルエンザに感染するなどいろいろとあり、時間がまったくとれませんでした。2月から休みなので、やっとDACの製作に取りかかることができます。

レールスプリッタの作成 回路図編

時間が経って、少し忘れかけていますが、レールスプリッタの話です。

このDACでは、24Vの電源から±12Vの電源を生成する必要がありました。生成するためにレールスプリッタを作成する必要があります。専用のICもありますが、入手が面倒なので、オペアンプLM358Nで代用します。

サクッと回路図とパターン図を作成しました。

単純なボルテージフォロワー回路を4つ作っています。2個では電力不足になり、動作しない可能性があると思ったので、2個のICを使って4個にしています。

実験したところ、オーディオ用オペアンプNE5322では、1個では動作しませんでしたが、LM358Nでは、1個でも動作しました。ですが、余裕を持って2個使用します。(ちなみに、念のためと思ってLM358Nを4個も買ってきました(笑))

あと、レールスプリッタが生成したグランドを、仮想グランドと言いますが、その仮想グランドの先に、ある程度容量の大きいコンデンサを付ける必要があるようです。実験では、付けずに動いていましたが、470u以上のコンデンサを付ける方が良いようです。

レールスプリッタ 実装編

ユニバーサル基板で作ります。使うのは、以前Amazonで購入した格安基板です。それを、半分の大きさにのこぎりで裁断しています。

相変わらずパターン面の半田が雑ですね。スミマセン。

もっと小さく基板をカットできますが、コンデンサを追加で付けたりするかもしれないので、このままにしています。

ICは、ソケットなしで直づけにしました。パターンを作ってる時に、半田ごてを長い時間当てており、触るとやけどするくらいにICが熱くなっていましたが、その程度では壊れませんでした。元々ICは熱に強く、前にも同じようなことをしましたが、特に異常はありませんでした。

動作確認

結果ですが、問題なく動作しています。正しく、±12Vになっています。ですが、負荷が大きくなるとこのバランスが若干崩れるようで、0.4Vくらいの誤差がでます。0.4Vくらいであれば、問題なく使用でき、9Vの三端子レギュレータが誤差を吸収してくれます。

ICの発熱は少なく、ほんのり暖かくなる程度です。DACのオペアンプほどは発熱しません。

終わりに

ほぼ部品がそろいました。あとは、ケースに組み上げるだけです。ケース加工が得意でないので、時間が掛かりそうです。

あと、S/PDIFの入力基板を紹介していませんが、これはまだ実験段階中です。一応オプティカル入力を1個つけた実験用の基板を作りましたが、コアキシャル入力もほしいと思ったので、それを付けるかどうかを考えています。

動作確認を・・・

昨日基板が完成したので、仮組をしてみました。

まず、トスリンクの入力の基板を作成し、各種ケーブルを作ります。ケーブルは、今日の朝にQIコネクタを注文したので、本組はそっちをつかいます。

オペアンプでレールスプリッタ回路を作成します。ボルテージフォロワーを組めばOKです。

このあたりは、本組したときに回路図を載せます。

ケーブルの接続に注意して組み立てます。

PCBCARTより基板が届いたので、さっそく作りました。

高い金払っただけあって、基板の出来は良いです。大体思った通りに作ることができました。

左の小さいチップが、PCM1794A、右のチップが、CS8416です。それぞれSSOP、SOPと呼ばれるパッケージです。ピン数は同じなのですが、大きさが全然違いますね。

SSOPの半田付けが面倒で、普通には半田付けができません。一度半田ブリッジするくらい半田を盛ってから、半田吸収線で余分な半田を吸収します。すると、上の写真のようになります。フラックスは、無水アルコールを染みこませた綿棒などで拭き取ると綺麗になるようです。

アナログ音声信号のコンデンサに、積層セラミックが入っていますが、ここはフィルムにするべきでした。

まだ動作確認をしていないので、動くかどうか心配です。あと、部品が少し足りていないので、共立で注文する予定です。

汚い半田使いで、すみません。

2011年1月12日追記: 写真をよく見ると5Vの出力(裏面右下)が接続されてません。つなぎ忘れてました。また、±12Vの入力にダイオードを入れて誤接続防止をする方が良いかもしれません。

電源回路の完成

ユニバーサル基板で作りました。この基板、Amazonで買いました。90mm×70mmが6枚で、1500円だったので、購入しました。FR-4って書いていたので、ガラスエポキシ基板です。

で、実際届いた物を見ると、ランドが小さく、半田がしづらい。こんなに小さいランドでしたかね？

また、この基板は両面基板です。なので、半田が反対側に流れていきます。

色は、青を選んでみましたが、思っていたよりも暗い色で、なんか見た目がいまいち。

まあ、取りあえず安い基板がほしければ、これを買っても良いじゃないでしょうか？

動作確認したところ・・・

24Vのアダプタを使って電源をとり、それを3kΩの抵抗で分圧して、±12Vを作り、この回路に入力して、それぞれの電圧を測ってみました。

すると、どうも電圧が低い。3.3Vのところは、2.5V、5Vのところは、0、9Vのところは、3.8Vとなっていて明らかにおかしい。

分圧の電圧を調べると、5Vと-19Vになっており、バランスが崩れてます。予想はしていましたが、まさかここまで崩れるのは、想定外です。

OPアンプや専用ICで、レールスプリッタを作るしかなさそうです。

ということで、次回はレールスプリッタ部分を作ります。

大失敗

結果から言うと感光基板3枚使ってみましたが、全部失敗しました。

1回目は、蛍光灯による露光で、露光不足気味、現像過多、エッチング不良により、全部通電するという不良品に。

2回目は、直射日光による露光で、露光過多、現像過多により、パターン剥離の不良品。

3回目は、直射日光による露光で、露光不足、現像不足により、不良の塊に。

感光基板は難しいですね・・・

失敗理由をまとめてみた

OHPシートでプリント基板用の物を使用していない

普通のOHPシートを使用したため、印刷品質があまり良くなく、すかしてみると、パターンから光がよく見えます。これでは、うまくいきませんね。

プリンタ(EP-802A)がOHPシートの印刷に非対応

これは、調査不足でした。EP-802Aは、光学センサーを使用した印刷位置合わせを行っているようで、透明フフィルムには、印刷できません。無理矢理、OHPシートと普通用紙を合わせテープで固定し、光沢用紙設定で印刷してましたが、どうやら解像度が不足していたようです。

専用の露光器を使用していない

感光基板は、専用の露光器で露光すべき物です。感光基板の説明書には、その露光器を使った時間しか書かれていないので、露光時間が不明です。

OHPシートと感光基板の間に隙間があった

感光するときに、OHPシートと感光基板の間に1mmほどの隙間ができてしまい、傾き具合や光源の位置を変わることで、微妙に変わっていました。これが原因で、パターンがうまく感光されなかったようです。

コメントすると

エッチング液や現像液は、廃液処理しなければいけない危険なもので、その扱いが面倒です。また、基板を流水で洗浄するときも、10分くらい洗わないと、エッチング液がのこることがあるようです。

今回は断念してPCBCARTに依頼

今回は、感光基板を利用して作成することをやめて、PCB製作会社に頼むことにしました。

PCBCARTに依頼してみました。コストは、約90ドルかかり、結構高い出費となります。これで、回路図とかミスってたら涙目ですね。

挨拶

新年明けましておめでとうございます

2011年もよろしくお願いします。

部品一覧

さて本題

DAC CS8416とPCM1794Aの部品一覧を作ってみました。注意: 数は必要数ではなく、私の購入した数です。

• IC
  • Texas Instruments(burr-brown) PCM1794A 数1
  • Cirrus Logic CS8416 数1
  • Texas Instruments(burr-brown) OPA2404 数3
• 積層セラミック
  • 50V 1pF 数10
  • 50V 0.022uF 数10
  • 50V 0.1uF 数50
  • 50V 2200pF(フィルムコン推奨) 数10
  • 50V 2700pF(フィルムコン推奨) 数10
• 電解コンデンサ
  • ニチコンES 16V 10uF 数3
  • ニチコンES 16V 47uF 数10
  • ニチコンES 25V 47uF 数2
• カーボン抵抗 各数100
  • 3kΩ
  • 47kΩ
  • 10kΩ
  • 750Ω
  • 560Ω
  • 270Ω
  • 100Ω
• 抵抗アレイ
  • 10kΩ*5 数1
• トスリンク TORX147 数5
• ピンヘッダ 色々なタイプがあるので数量不明
• ピンコネクタ 色々なタイプがあるので数量不明
• 短絡ソケット 数10
• 三端子レギュレータ
  • TI UA78M33CKCS 数2
  • 7809 数1
  • 7909 数1
  • 7805 数1
• ACアダプタ 24V 数1
• DCジャック 数1
• RCAコネクタ 赤白 各数1
• ICソケット 8pin 数3
• 熱収縮チューブ
• 感光基板 100mm*75mm 数3
• エッチング液 200mlタイプ 数1
• 現像液 200mlタイプ 数1
• フラックス 無洗浄タイプ 数1

共立エレショップとDigikeyにて、購入しました。IC系は、Digikeyで購入する方が安いです。特に、トスリンクは、Digikeyでしかほぼ入手することができません。

注文して荷物が届いたが・・・

12月26日に共立・Digikeyで注文し、28日・29日に荷物が届きました。

さっそく荷物を確認してみると、部品が間違っているじゃないか！！しかも、2店とも！

共立のほうは、ヘッダコネクタを注文してたのに、ヘッダピンが到着。取りあえずメールで、知らせると、電話が掛かってきて、すぐに正しい商品を送るとのこと。31日に、ヘッダコネクタが到着し、無事に部品がそろいました。

Digikeyのほうは、OPA2604APの数が、3個頼んだはずなのに、2個しか入っていない。取りあえず、すぐに問い合わせフォームに書いておくってみたところ、未だ音沙汰なし。年末年始の休業ですかね。

2011年1月12日追記: 1月4日にDigikeyより連絡があり、発送か返金か訪ねるメールが届きました。再度発送をお願いし、数日後アメリカから不足品が届きました。

次回は

基板を作って実装まで仕様と思っています。しかし、大学の宿題があるので、2月くらいまで持ち越しになるかもしれませんので、あしからず、

2011年1月14日 追記: この回路パターンは、間違っています。これを使用した場合、ジャンパーやパターンカットをしなければいけません。

前回回路図が完成したので、基板のパターンを作成しました。今回は、感光基板を使う予定なので、プリント回路が自由に作れます。表面実装のICも全く怖くありませんねｗ

前回書くのを忘れていましたが、DAC部と電源部の2枚の基板を作ります。理由は、入らなかったからです。Eagleのフリー版では、100mm×80mmが最大基板サイズとなっているので、単純に2枚に分けました。

DAC部

まずは、DACのパターン図から。基板サイズは、100mm×75mmです。また、片面基板です。

シルク印刷がダブってる・・・。これでは、どこに何をつければいいのかがわかりませんね。あと、どうしても接続できない部分があり、ジャンパ線が必要なところがあります。黄色い線で書かれている部分がそうです。

感光用にモノクロにして出力したのがこちら。

それっぽくなってますね。解像度を1200dpiに出力しているので、印刷には十分でしょう。

作成したパターンですが、本当にうまくいくのかが心配です。線の間隔が0.3mmほどしかないので、どうなることやら。