2010年4月13日火曜日

ヘッドホンアンプ: デジタル入力インターフェース

概要
USBや3系統の光デジタルオーディオ信号から任意の入力を選択し、S/PDIF(デジタルオーディオインターフェース)信号として出力するものです。



デジタル入力インターフェース

2010.4.17追記 光出力を追加
2010.4.21追記 光インターフェース電源のLC定数ほかを修正
2010.4.30追記 基板にあわせて接続を修正

USB入力
USBオーディオインターフェースICとして非常に有名なPCM2704を使用し、S/PDIF信号を取り出します。IC単体の機能として、D/Aコンバータやヘッドホンアンプも内蔵されていますが、TPA6120A2を使うのが今回のお題目なのであえて使用しません。
回路としては、『セルフパワー』モードにしています。また、USBのディスクリプタ情報を変更するためのEEPROMを搭載できるよう考慮しておきました。 EEPROMの書き込みデータは、PCM2707と同じで良い(試作例)のでいずれ試してみるつもりです。なお、設計に際し、メーカ純正の評価モジュールDEM-PCM2704のデータシートが非常に参考になりました。


光入力
東芝のTOSLINKモジュールから3.3V動作可能なTORX147PL(F,T)を選定しました。このモジュール、光コネクタ差し込み口にシャッターが付いているのがポイントでしょうか。保護キャップをなくす心配がない。

 TORX147(データシートより)


ところで最近では、48kHzを超えるサンプルレートも珍しくありません。後述するD/Aコンバータは192kHzに対応しているので、この光モジュールが対応しているサンプルレートを調べてみました。
デジタルオーディオインターフェースの規格では、左右の音声データに同期信号や負荷データを加え音声1サンプルあたり64ビットのデータとし、さらにバイフェーズマーク変調と呼ばれる処理を行っています。例えば、サンプルレート48kHzの最大データレートは、48k sample/s×64b/sample×2(バイフェーズマーク変調)=6.144Mpsとなります。ここでTORX147のデータシートによると、最大データレートは15Mbpsなので96kHzまでのサンプルレートに対応していることがわかりました。

192kHzに対応させるには、約25Mbpsを伝送できなくてはなりませんが、東芝のWebからデジタルオーディオ用光受信モジュールを検索したところ15Msps止まりです。次に、他のメーカから探してみたところ、シャープから送信のみ50Mbps対応品がラインアップされています。これだと384kHzまで対応できてしまうのでしょうか。そんな速度まで80年代のS/PDIF規格で頑張るのか、という感じ。でも、受信はどうする?

 GP1FAV55TK0F(データシートより)



入力切替器
実は、後段のA/Dコンバータ基板に搭載されているチップに入力切替機能が付いているんですが、できあいの基板を使う都合上、見苦しい改修を避けるために別個に設けることにしました。切替器には、74HC153とかのマルチプレクサを考えましたが、3.3V動作させると速度が遅くて波形が鈍りそうな気がします。ところが3.3V対応の高速ロジック74LCX153とかは入手難。ニーズがないんでしょうか。いろいろ考えた結果、バススイッチ(アナログスイッチ)を使って見ることにしました。

2010年4月4日日曜日

ヘッドホンアンプ: 入出力信号レベル(2)

前回に続き、まだ検討しています。


ライン入出力レベル
ラインレベルに統一規格はないので、キリのよい1Vrms(0dBV)とします。


CDプレーヤのレベル2Vrms程度と比較して6dBほど低くなります。
また、 チューナや古いテープデッキと比較すると逆に6dB程度高いレベルです。
従ってライン出力レベルの調整余地は±6dBとします。


ピークレベルは、デジタルソースとアナログソースで異なります。
デジタルソースは最大値が決まっていますが、アナログはトランジェントがあるので高い電圧が出てくる可能性があります。例えば、標準レベルとして設定した1Vrmsに対し、トランジェント分として仮に10dBを考慮すれば、3.2Vrmsとなります。


ヘッドホン出力レベル
MDR-CD900で妥当な音量での端子電圧実測値は約0.2Vrms(-14dBV)でした。
これを基準に、音圧を一定としたときの 機種毎の端子電圧と電力を計算してみました。

 
 ヘッドホンの端子電圧


この表からわかるとおり、必要な電圧や電力は意外に低いようです。DT990 PROのように低能率ヘッドホンに対応させる場合、16dBもの感度差を基板上にジャンパスイッチを設けて調整できるようにしたほうが良さそうです。また、 トランジェントを考慮して仮に10dBのマージンを確保する場合、ヘッドホンアンプの能力として端子電圧は約4.1Vrms、電力は約130mWに対応できればよいと考えます。


レベルダイアグラム
以上を踏まえて、ヘッドホンアンプの各ステージでの許容電圧とレベル配分を考えました。レベルを上げるほうがS/N比が有利になりますが、許容電圧とのマージン(ヘッドルーム)を確保できなくなります。下図の通り、低能率タイプのヘッドホンを使う場合でマージンは10dBほどになります。


犬山祭


犬山城をバックに車山(やま)が進む


珍しい(?)舟形の車山



からくりが披露(乙姫)


乙姫が浦島太郎に玉手箱を手渡し...


玉手箱を開けた浦島は白髪の翁に


2010年3月28日日曜日

ヘッドホンアンプ: 入出力信号レベル

 ヘッドホンアンプを作るのに、まず考え込んだのは信号レベルをどうするかです。製作するには何らかの指標が必要ですので少し調べてみることにします。


ライン信号レベル
 アナログ入力は、数少ないチューナ等のアナログソースや自作D/Aコンバータ等の比較試聴のために設けておきたいと思います。
 オーディオ機器のライン信号レベルは、共通の規格があるのかわかりませんが、機種によってバラバラという印象を持っています。主な機種の仕様を調べてみました。

  CDプレーヤ   プリメインアンプ
  チューナ

 やはり製品毎にバラバラです。特徴としては、CDプレーヤの2Vに対し、アンプの入力は0.2V前後とかなり低くなっています。アンプの入力が低いのは、後述の通り、ボリュームを絞り込んだ状態で適正音量とするためだと思います。一方、CDプレーヤとチューナとで差が大きいのは、CDは最大レベルが決まっているデジタルメディアであること。チューナは最大レベルが必ずしも厳密ではない、アナログメディアであることが理由にあるものと推測しています。もちろんアナログとはいえ基準レベルは存在していますが、例えばカセットテープなどではボリュームを上げれば(音質はともかく)基準レベル以上の大きな音を記録・再生可能であるという意味です。


ヘッドホン出力信号レベル
 ソニーのMDR-CD900を常用しています。CDの音楽を妥当な音量で再生させたときの、ヘッドホンの端子電圧は0.65Vp-p(0.23Vrms/o dBFS)でした。
 他の市販品の仕様も調べてみましたがやはりバラバラですね。
  • AKG K701 インピーダンス62Ω、感度93dB SPL/mW、最大入力200mW
  • beyerdynamic DT990 PRO インピーダンス250Ω、感度96dB/mW、最大入力100mW
  • SENHEISER HD465 インピーダンス32Ω、感度110dB(SPL)
  • SENHEISER HD595 インピーダンス50Ω、感度112dB(SPL)
  • ソニー MDR-CD900 インピーダンス63Ω、感度106dB/mW、最大入力1W
 ここでSPL(Sound Pressure Level)は、音圧レベルを示しています。SENHEISERの仕様には、感度110dB(SPL)としか書いてありませんが、他社と同様に1mW入力時の音圧レベルを表しているものと推測されます。
 次に同じ端子電圧を与えたときの音圧差を考えます。感度の数値が大きいほど大きな音が出るので、CD900を基準としたとき、HD595は6dB(大きい)、DT990 PROは-10dB(小さい)となります。また、感度の数値は1mWの場合なので、インピーダンスにより電力に差が出ます。電力はインピーダンス値に反比例するので、CD900を基準としてHD465は63/32=1.97(2.9dB大きい)となります。これらをまとめると、下表の通りHD595は7dB大きく、逆にDT990 PROは16dB小さくなります。SENHEISERのように感度が高いぶんには、ボリュームを絞れば済みますが、AKGやbayerdynamicはとてつもなく感度が低いので、本気で対応させるならボリュームだけではなく、スイッチ等でゲインを切り替えるようにする必要がありそうです。

ヘッドホンの音圧差


音量ボリュームレベル
 オーディオ機器の音量調整用ボリューム(可変抵抗器、ポテンショメータとも)としては、一般的にAカーブ(抵抗変化特性が対数型)のものが使われます。実例として、アルプス電気のオーディオ用可変抵抗器RK27シリーズの仕様書によると、抵抗変化特性(カーブ)は15Aで、全回転角度300度となっています。抵抗変化特性(カーブ)グラフによると、単にAカーブといってもひとつだけではなく複数あるようです。(知らなかった!)
 次に、実使用時にボリュームでの減衰量を考えてみます。アンプを使うときの音量つまみの位置は、経験的に9時~10時としたときに適正音量と感じる場合が多いように思います。ここで10時の位置は、ボリュームの全回転角度のうち90度/300度=30%に相当します。これは先ほどの抵抗変化特性グラフによるとボリュームの出力電圧は入力の約8%(-22dB)になることがわかります。

ヘッドホンアンプ: 仕様の検討

まずは、基本プランの検討です。どんな機能をどのように盛り込むか、といったことを検討するのはクルマ選びと同じで、ひょっとすると工作そのものより楽しいような気がします。


設計方針
  • 操作系は、極力シンプルでわかりやすいこと。
  • 外観はデジタル処理らしさを見せないこと。
  • 利得補正をプリセットできること。
※アナログ入力レベルのばらつきを補正する機能


機能
現時点での想定です。
  • 入力
USB 1系統、光デジタル 3系統、ライン(アンバランス) 2系統
  • 出力
ヘッドホン 1系統、ライン(バランス) 1系統、ライン(アンバランス) 1系統
  • 操作スイッチ類
電源スイッチ、入力セレクタスイッチ、音量調整ボリューム
  • 表示ランプ
電源ランプ


系統図

ヘッドホンアンプ系統図

2010.5.8 系統図をアップデート

2010年3月20日土曜日

RSコンポーネンツのセール

 RSコンポーネンツが年度末在庫一掃セールをやっています。特に、取り扱いを中止する商品は、驚くほどお値打ちになっています。半導体製品も数多くありますが、受動部品を中心に買い込んでしまいました。セールは、3月26日までということです。


2010年3月17日水曜日

ヘッドホンアンプ: TPA6120A2

いま使っている自作ヘッドホンアンプにはセレクタがないなど機能的に不満が出てきました。そこで以前から気になっていた、テキサスインスツルメンツのヘッドホンアンプICのTPA6120Aと電子ボリュームPGA2311を組み合わせたものを作ってみようと思っています。どちらのデバイスも素晴らしいスペックを誇ります。音の評価も高いようですし、どんなものができあがるか楽しみです。


TPA6120A(データシートより)


PGA2311(データシートより)



現用のヘッドホンアンプ



内部(電源は外付DCアダプタ)