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標準部品でAltoidsアルトイズ缶ポータブル・ヘッドホンアンプを自作する
DIY Of A Pocket Headphone Amplifier With OP-Amps In Altoids Tin
mail to tobias@jcom.home.ne.jp
2015/04-06 ( > 2016/2/13改)


アルトイズ缶ヘッドホンアンプ

【ヘッドホンアンプ自作のポイント】

-アルトイズ缶(Altoidsミント缶)をケースにしたポータブル・ヘッドホンアンプをつくる
-OPアンプ非反転増幅回路にバッファはボルテージ・フォロワ回路を加える
-DCサーボ回路を組み込んでカップリングコンデンサレスにする
-入手が容易な標準的、汎用的、つまり最も安価な部類の部品を使って作る
-例えば抵抗器は、秋月なら100本100円、千石なら1本5円の、誤差±5%標準カーボン抵抗を使う
-パスコン、DCサーボ用コンデンサは青い積層セラミックコンデンサを使う
-電源平滑用の電解コンデンサは、秋月の非オーディオ用コンデンサの中から選ぶ
-OPアンプは、秋月で1個数十円レベルの汎用オペアンプの中から選ぶ
-電源は006P9V電池タイプのニッケル水素充電池とする。また、ACアダプタも利用できるようにする
-電源のプラスマイナス分圧は簡便な抵抗分圧で生成する
-抵抗分圧後の電源平滑用コンデンサは、±各1個構成(複数個の並列設置はしない)
-ユニバーサル基板を利用する
-銅箔テープを使ってベタ・グラウンドを広くとる

【Altoidsミント缶 ポータブル・ヘッドホンアンプ 回路図】

回路図:アルトイズ缶ポータブルヘッドホンアンプ

電源回路図:アルトイズ缶ポータブルヘッドホンアンプ


【ヘッドホンアンプ回路図のポイント】

-上段がOPアンプ非反転増幅回路、中段は上段OPアンプ出力から直列にOPアンプをつないだボルテージ・フォロワ回路、下段は上中段を入れ子にしたDCサーボ回路、という三段構成。中段のバッファ回路はボルテージ・フォロワーだが、いわゆる「A47」式とは異なる。また、最後にDCサーボ回路を入れることによって入力段のカップリング・コンデンサを省略することができ、「カップリングコンデンサレス」なヘッドフォン・アンプとなっている

-帰還抵抗R3=12kΩ、接地抵抗R1=2.2kΩ、よってゲイン=1+(帰還抵抗/接地抵抗)=1+(12/2.2)=6.5倍

-電源は9V電池で、それを4.7kΩの抵抗2本で±4.5Vに分圧して3つのOPアンプに供給する

-電源平滑用の電解コンデンサの容量が大きいので、電源投入直後の突入電流制限目的の抵抗器R16を入れる。ただし、定数については目的を十全に果たすことと抵抗によって常時電圧が下がったままであることを天秤にかける

-RCフィルタ回路を入れて高周波発振対策をとる。出力段で信号経路に直列に入れる「出力抵抗(短絡保護抵抗)R11/R12」と、負荷(ヘッドホン)に平行に入れる「抵抗R13/R14 + コンデンサC5/C6」でローパスフィルタ回路を構成

-上述の突入電流制限抵抗R16、増幅回路出力部の短絡保護抵抗R11/R12、ローパスフィルタ抵抗R13/R14の定数については、値が定まらなかった(定めるための知識がこちらに足りない)ため回路図でカッコ付きにしている。シミュレーションソフトで検証する他、基板への実装はピンソケット式にして、実験しながら定数を決めることにする

-電源回路図のC7(220μF)とC8/C9(2,200μF)の各容量についてはこの値にとらわれることはなく、数百〜数千μFの範囲で決める。ただし耐電圧はC7は16V以上、C8/C9は10V以上の中から選ぶ必要がある。C7を大きくしすぎると電源をON、OFFした際の「ポッ」という不快音が大きくなる

-LED部分を回路図に書き忘れてしまったが、LEDと1.5kΩ抵抗(R15)を直列につなげ、電解コンデンサC7の手前にC7と並列に入れる。電源OFF時に、電解コンデンサに蓄積された電荷を消費させる役割ももたせている。なお、抵抗値の決め方については、オームの法則 V=IR をもとに考え、R=V/I に変形させ、R=(「電源電圧」−「使用するLEDの定格電圧」)/「LEDの定格電流」で求めるのが基本。LEDの定格電圧、電流はLEDのデータシートで確認する。ただ、データシート記載の定格電流どおりに作ると、電池駆動のポケットヘッドホンアンプとしては電流が流れ過ぎだし、また眩しすぎるほど明るくなってしまう。できればブレッドボードなどを使って実際の明るさを確かめながら抵抗値を決める


【シミュレーション:出力保護(短絡保護)抵抗とRCフィルタから成る複合型ローパスフィルタ回路の周波数特性】

出力段のローパスフィルター回路の未確定の抵抗値について。出力抵抗(短絡保護抵抗)R11/R12の直後に、出力信号経路とGNDの間を結ぶ形で抵抗R13/R14とコンデンサC5/C6のRCフィルタ回路(Zobelフィルタ)が入る。このRCフィルタは高周波が遮断されるローパスフィルタ回路だが、単独で機能するというよりも、先の出力抵抗が絡むことによって、言ってみれば「逆さL字型のRRCフィルタ」とでも呼ぶべき複合型ローパスフィルタ回路となっている。この複合型ローパスフィルタのカットオフ周波数については計算が難しく手に負えないため、LTspiceで簡易的にシミュレーションしてみることにする。

 短絡保護と発振抑制を兼ねた出力抵抗(R11/R12)の値については、一般的には数十Ω〜数百Ωあたりが一般的だ。しかし、今回のような出力電圧のさほど大きくない電池駆動のポータブルヘッドホンアンプとしては、大きな抵抗値を信号経路上にはさむことはためらわれる

 次に、RCフィルタ(Zobelフィルタ、R13/R14+C5/C6)の値は、カットオフ周波数が1MHz付近に来ることをざっくり想定してとりあえず8.2Ω+0.022μFと仮決めする。そのカットオフ周波数は、f=1/2πRC=約883kHz。ただ、上述したように出力抵抗(R11/R12)と複合化し、その値よりももう少し高い周波数が実際のカットオフ周波数になると思われる

 以下の画像は、4パターンを用意しシミュレーションしたもの。信号経路上の出力保護抵抗R11/R12=4.7ΩとZobelフィルタ側のコンデンサC5/C6は0.022μFに固定し、残るZobelフィルタ抵抗R13/14の値を1Ω→3.3Ω→8.2Ω→15Ωと上げていく。グラフの青線はゲイン(左サイドのdBが単位)で減衰量を見る。青い点線は位相で単位は右サイドに記された「度」で表される

LTspiceシミュレーション(RRCローパスフィルタ回路その1)  LTspiceシミュレーション(RRCローパスフィルタ回路その2)  LTspiceシミュレーション(RRCローパスフィルタ回路その3)  LTspiceシミュレーション(RRCローパスフィルタ回路その4) 

【複合型ローパスフィルタ回路の再考】(2015/12/13追記)

上記4つのシミュレーションのうち当初採用した定数は、左から3つ目の、R11/R12=4.7Ω、R13/14=8.2Ω、C5/C6=0.022μF。このヘッドホンアンプが完成して750時間以上通電経過しているが発振はまったく起きていないので、これはこれで問題ないと思われる。しかし、減衰特性に注意してこの4パターンを見直してみれば、R13/14の抵抗値を上げるにしたがって減衰量はどんどん下がっていることがわかる。例えば、減衰下降曲線が停止する10MHz付近の減衰量は、左から-16dB→-7.4dB→-3.9dB→-2.4dBとなっていて、最後のR13/R14=15Ωとしたパターンではカットオフ周波数の基準である-3dBを達成することなく終わってしまっている。そこまでひどくはないものの、採用した、最後から2番目のR13/R14=8.2Ωの場合、減衰-3dBは1.4MHz、10MHzでは-3.9dBと、減衰がほとんど進まないまま終わっている。採用したOPアンプではたまたま発振が起きていないからいいようなものの、これではローパスフィルタの効果はほとんど期待できていないことになる。だからもう一度あらためて、抵抗信号経路上の抵抗R11/R12と負荷(ヘッドホン)に並列な抵抗R13/14との値を比較しながら減衰特性の変化についてシミュレーションをやり直してみることにした

 コンデンサC5/C6=0.022μFは基板に直付けしていて交換が難しいが、抵抗R11/R12=4.7Ωと抵抗R13/R14=8.2Ωの方はピンソケット式にしているので交換が容易にできる。そこで、コンデンサを0.022μF固定とし、抵抗2本をあれこれ入替えるとどうなるかをシミュレーションしてみることにした。また、参考のためRCローパスフィルタの基本回路である、抵抗R13/R14は省略する(ジャンパ線でショートさせて0Ωとする)パターンも試してみる

 以下の画像は、左から抵抗R11/R12=4.7Ω・抵抗R13/R14=8.2Ω・コンデンサC5/C6=0.022μF(現在の定数)、4.7Ω・1Ω・0.022μF、4.7Ω・0Ω・0.022μF(純RCローパスフィルタ回路)、本命の8.2Ω・4.7Ω・0.022μF(交換型)、そして8.2Ω・1Ω・0.022μFの5パターンのシミュレーション図になる

1 <現状>
4.7Ω-8.2Ω-0.022μF
※ 「R11/R12(信号経路上の抵抗=出力保護抵抗)」--「R13/R14(負荷=ヘッドホンに並列に入る抵抗=Zobelフィルタの一部)」--「C5/C6(負荷=ヘッドホンに並列に入るコンデンサ=Zobelフィルタの一部)」の順

→ カットオフ周波数(減衰-3dB)=1.5MHz
→ 10MHz=-4dB、100MHz=-4dB
→ 1MHz〜10MHz間の減衰は-4dBと弱く、また10MHz以降ほぼ横ばいのままで終わっている。実機では発振はしていないので問題はないものの、ローパスフィルタの機能としては十全とはいえないと思われる


2 <4.7Ωはそのままに、R13/R14を8.2Ω→1Ωに落とした場合>
4.7Ω--0.022μF

→ カットオフ周波数=1.2MHz
→ 10MHz=-13dB、100MHz=-15dB
→ カットオフ周波数は先の8.2Ω時とほとんど変わらないが、10MHz時の減衰が-4dBから-13dBと大幅に改善されている。ただ絶対的な意味でこの減衰率が十分であると言えるかは疑問が残るし、10MHz(-13dB)〜100MHz(-15dB)間の減衰は-2dBに過ぎず、やはり10MHzで減衰はほぼ頭打ちとなっている


3 <R13/R14を0Ω=撤去した形=RCローパスフィルタ回路の基本形>
4.7Ω--0.022μF

→ カットオフ周波数=1.5MHz
→ 10MHz=-16dB、100MHz=36dB
→ これも遮断周波数は上2つの場合とほぼ一緒だが、10MHz時で-16dB、100MHz時で-36dBとようやくローパスフィルタらしい振る舞いをする回路となった。これまでの中でもっとも魅力的な結果だ。だが、とても面白いことに、「位相」曲線(点線グラフ)に着目してみると、抵抗R13/R14を入れた他の全ての場合と違って、今回は100MHz付近で位相がほぼ90度まで変化したままの状態が続き、決して元の0度に戻ろうとしていないことに気づく(1GHzで90度、それ以降変化しない)
 実機でどうなるかを試してみた。R11/R12のピンソケットから8.2Ω抵抗器を外し、代わりにジャンパ線を使って短絡させてから電源を入れてみたところ、発振が起きた。位相の戻りがないことと発振とを結びつけて因果関係を見出すことが正しいかどうか、まだ理解が足りないが、ヘッドホンアンプの出力直前に0.022μFもの容量のコンデンサを負荷(ヘッドホン)と平行に挿入するということはことはそれだけの容量負荷を自ら進んで盛ってあげているとも言え、であるならばオペアンプの発振をむしろ積極的に演出していることになる、という仮説は一理あるだろうか


4 <R11/R12とR13/14の抵抗を置き換えた場合>
8.2Ω-4.7Ω-0.022μF

→ カットオフ周波数=660kHz
→ 1MHz=-5dB、10MHz=-8.7dB、100MHz=-8.8dB
→ これまでのルールを破り、R11/R12出力保護抵抗を4.7から8.2Ωに増やし、逆にZobel側の抵抗R13/R14をR11/R12より約半分の値にしたもの。するとカットオフ周波数は他の場合の1.2〜1.5MHzではなく660kHz付近にまで下がり、また減衰特性はまだ不十分ながらも現状よりはややましになった(10MHz以上で-4dB→-9dB)。実機で、R11/R12とR13/R14の抵抗器を入替えて確認してみたところ、発振は起こらず問題ないようだった


5 <R13/R14を1Ωに落とした場合>
8.2Ω--0.022μF

→ カットオフ周波数=800kHz
→ 1MHz=-4dB、10MHz=-17.5dB、100MHz=-19dB
→ 「4(8.2Ω-4.7Ω)」より減衰特性が優れ、10MHz以降で20dB近くの減衰量となった。さらにまた、「2(4.7Ω-1Ω)」の場合よりも良い。今回の5パターンのなかでこれがもっともバランスよく減衰効果を発揮している。位相もゼロに戻っている。


6 <R13/R14を無限大>
8.2Ω--0.022μF
→ R13/R14を取り外して(0.022μFのコンデンサも無効化される)、つまりzobelフィルタはなしにして、ただ信号経路直列の保護抵抗R11/R12だけが生きる形も念のため試してみた。視聴の結果は、zobelフィルタを生かした上の1,2,4,5の場合とまったく変わらない、というものだった。少なくとも今回選択したOPアンプ(NJM4580、NJM4556、NJM062の組み合わせ)には、負荷(ヘッドホン)に平行に入れる「抵抗R13/R14 + コンデンサC5/C6」は特段必要のない回路である、ということだと思う。ただ、R13/R14をピンソケット式にしたので、他のOPアンプで万一発振してしまった場合に、この回路が有効に機能するか試してみることもできる(とくに5のR/13/R14を1Ωとする)、それまでR13/R14の抵抗器を抜いておいてもいい。




【部品表】

OPアンプ
-IC1:NJM4580DDなど (1個)
-IC2:NJM4556ADDなど (1個)
-IC3:NJM062Dなど (1個)

コンデンサ(積層セラミックコンデンサ)
-C1〜C4:4.7μF (4個)
-C5/C6:0.022μF (2個)
-パスコン:0.1μF (6個:OPアンプ1個につきパスコンは2個使用する)

コンデンサ(アルミ電解コンデンサ)
-C7:220μF・35V(ルビコンZLH)など (1個)
-C8/C9:2,200μF・10V(ルビコンMCZ)など (2個)

抵抗器(カーボン抵抗・1/4W・誤差±5%)
-R1/R2:2.2kΩ (2個) (赤赤赤金)
-R3/R4:12kΩ (2個) (茶赤橙金)
-R5/R6/R7/R8:33kΩ (4個) (橙橙橙金)
-R9/R10:22kΩ (2個) (赤赤橙金)
-R11/R12:8.2Ω (2個) (灰赤金金)
-R13/R14:4.7Ω(黄紫金金) または(茶黒金金)(2個) 
 (← 上記シミュレーション【複合型ローパスフィルタ回路の再考】を参照)
-R15:1.5kΩ (1個) (茶緑赤金)
-R16:1Ω(できれば1W以上) (1個) (茶黒金金)
-R17/R18:4.7kΩ (2個) (黄紫赤金)

その他
-ボリューム:2連ボリューム(スイッチ付き・基板取付型)10kΩ(Aカーブ) (1個)
 Alps製RK0971221-F15-C0-A103(秋月)Linkman製RD925S-QA1-A103(マルツパーツ)RK0972S-A10K L-20KC(エレショップ)など
-ボリュームツマミ (1個):適合させるボリュームの軸径はφ6。上に記した3つのボリュームのうち、秋月電子とマルツパーツの2種には、六角レンチでネジ止めするツマミを選ぶ。エレショップのRK0972S-A10K L-20KCだけはボリュームの軸が縦にギザギザの溝が入った型なので、ツマミもギザギザ対応のものにする
-LED 1個
-ステレオミニジャック(3.5mm・3極ステレオミニジャック・基板取付型) (2個)
 マル信無線電機製MJ-8435(秋月)MX-387GL(マルツパーツ)など
-DCジャック(1.3mm・基板取付型) (1個)
 Singatron製2DC-0033H102(秋月)マル信無線電機製MJ-84(千石)など
-電池スナップ(006P 9V電池用) (1個)
-ICソケット(DP 8ピン用) (3個)
-丸ピンソケット(シングル) (18個分)
-ユニバーサル基板(2.54mmピッチ・23穴x22穴以上あればOK) (1枚)
  AE-2G(秋月)など
-銅箔テープ:タカチ製 CUS-8T(CUS型導電性銅箔テープ 幅8mm、2m巻き)
-ケース 1個:(アルトイズAltoidsミントキャンディのブリキ缶ケース)
-配線用被覆線、ビス・ナット(金属製とプラスチック製を各1ペア)、プラスチック製スペーサー高さ5mmほど(2個)
-EMIフィルタ:村田製作所 ムラタエミフィル 1μF・DC16V NFM21PC105B1C3D (1個)

【部品の補足説明】

-IC1〜IC3:3つのOPアンプは、いずれも2回路入りDIP8ピン型。許容電圧については、電源が9V電池を分圧した±4.5Vなので、それをカバーしているものから選ぶ必要がある。目安としては、最低動作電圧±3V以下、最高動作電圧±5.5V以上のもの

-IC1:非反転増幅回路用。NJM4580DDはJRC製、秋月で1個40円。「低雑音・低ひずみ、高出力電流。 NJM4580DDはローノイズ選別品です。電源電圧:±2V〜±18V 超ローノイズ 0.8μVrms 高利得・広帯域 110dB、15MHz 高出力電流 ±50mA 超低歪率 0.0005% スルーレート 5V/μs バイポーラ構造」

-IC2:ボルテージフォロワ回路なので増幅率1倍で安定しているものを。データシートに「1倍増幅での使用はダメ」と書かれているものは避ける。「ユニティ・ゲインで安定」と記されていればなお可。NJM4556ADDはJRC製、秋月で1個50円。「ローノイズ選別品 NJM4556Aは、NJM4558の出力段の改良に加え、低電圧動作を可能にした2回路入(デュアル)オペアンプです。また、従来製品NJM4556の上位互換品です。特長 ・広い動作電源電圧 ・高出力電流 ・バイポーラ構造・電源電圧範囲:±2〜±18V ・出力電流IO=73mA(標準) ・スルーレート:3V/μs(標準) ・利得帯域幅(GB)積:8MHz(標準) ・構造:バイポーラ 」

-IC3:DCサーボ回路なので、入力バイアス電流が小さいJFET型がよい。NJM062DはJRC製、秋月で1個50円。「J−FET入力低消費電力演算増幅器。高入力インピーダンス,広帯域,広スルーレート,低入力バイアス電流。 動作電源電圧 (±2〜±18V) 高入力抵抗 (10の12乗Ω typ.) 低消費電流 (200μA/回路 typ.) 高スルーレート (3.5V/μs typ.) 広帯域 (1MHz typ.) 入力バイアス電流 (2pA typ.) バイポーラ構造」

-積層セラミックコンデンサ:4.7μFは秋月で10個入り200円、0.022μFは10個入り150円、0.1μFは10個入り100円。音質を重視するヘッドホンアンプに基本特性が優れた(例えばポリプロピレン)フィルムコンデンサをまず最初に検討するのは当然だ。一方、セラミックコンデンサについてはまったく良くない、むしろ決して使ってはいけないという評価が一般的と思われる。しかし、実際のところはどうなのだろうか。今回の標準備品で作るヘッドホンアンプは、まさにそれを確かめてみたかったという動機が一番大きい

-C7:電源平滑用電解コンデンサ。耐電圧の目安は電源電圧9V*1.4倍以上=16V以上。小さなアルトイズ缶に収めるため、サイズに注意する。今回のように立てて取り付けるなら、直径10mm、高さ11mm、2本の足の間隔はユニバーサル基板の穴1個から2個分、2.5〜5mmピッチ程度のものを選ぶ。ルビコンZLH220μF35Vは秋月で10個入り100円。高さ11.5mm、直径8mm、2.5mmピッチ。「105℃ 小型化・長寿命・低インピーダンス品。ZLシリーズの耐久性向上と高容量化を実現し、更に高周波インピーダンスを低減。」つまり、一個10円と安価だが汎用電解コンデンサよりも低インピーダンスなものを選んだ

-C8/C9:9V→±4.5Vに分圧後の電源平滑用。耐電圧は4.5V*1.4倍=6.3V以上のものを。ルビコンMCZ2200μF10Vは秋月で1個40円。高さ25mm・直径10mm。細長い筐体を寝かして取付ける。「マザーボードメーカー向けに製造された高性能コンデンサ。日本製。105℃ Ultra Low ESR。MBZよりさらに高リプル化を実現しました。その中で小形マザーボードでよく使われる製品です。」つまり、「超・低ESR」品。ただ、2015年11月時点では秋月には2,200μF10Vはすでに売られておらず、近いもので1,500μF16V(高さ20mm・直径10mm、70円)の取り扱いがあった。もちろんそれを選んでみてもいい

-抵抗器はすべてもっとも安価なカーボン抵抗。先の積層セラミックコンデンサと同様、抵抗も炭素皮膜抵抗器ではなく精度も特性も優れた金属皮膜抵抗器を選択するのがもはや一般的となっている。なるほど、増幅回路部の帰還抵抗と接地抵抗や、とりわけDCサーボ回路の抵抗とコンデンサはせめて左右チャンネルの値を一致させることはとても大事なことと思われる。だが実際のところ、この耳で不具合が生じることは起こるだろうかと考えると、まあそれほどでもないかなと思うのだ

-基板取付型2連ミニボリュームは、秋月でアルプス製のが250円。同等品がマルツパーツではLinkman製「RD925S-QA1-A103」が1個300円で販売されている

-基板取付型3.5mmステレオミニジャックは、秋月でマルシン製MJ-8435が1個50円。マルツパーツには同等品としてマルシン製MX-387GLが販売されている。秋月の8435のほうが高品質に見える。端子のレイアウトは同じ

-基板取付型1.3mmDCジャックは、今回は秋月の2DC-0033H102を使用したものの、同等品は千石電商にマルシン製のMJ-84が販売されていて、秋月のものより千石電商のMJ-84のほうが足が少し長くて扱いやすいのでおススメ。また、ジャックの先端のまるい縁(ふち)、円周部分が飛び出した形で、それはつまり、アルトイズの金属ケースの縁とACアダプタプラグの金属部分(マイナス端子)が接触しにくくなった構造になっているので、千石電商のMJ-84(マルシン)の方がいい。ただし、足3本の配置が秋月の2DC-・・・と千石のMJ・・・とは異なるので、MJ-84にする場合は基板のレイアウト図を足の位置に合わせて修正する

-ユニバーサル基板:秋月の両面スルーホールのガラスエポキシ製「Bタイプ2.54mmピッチ(95x72mm)[AE-2G] P-00190、1枚200円」を使用。2.54mmピッチで23穴×22穴以上であればOK。「両面スルーホール」でなくてもかまわないといえばかまわないが、スルーホールのほうががっちりハンダ付けできて安定する。今回は基板取付型の部品を多用していて、特に入出力のステレオミニジャックは頻繁に抜き差しする、つまり物理的な力が部品と基板との間に生じるため、使い続けているうちに、半田づけされた部分がひび割れて接触不良を起こしてしまう恐れがある。それゆえ「両面スルーホール」をお勧めする

-銅箔テープ:千石電商マルツパーツエレショップなどにタカチ電機工業製のCUS-8T(導電製8mm・2m巻)が1巻700〜800円ほどで販売されている。「導電性の粘着材を使用している為、シールド効果を低減させず確実な導通をとる事が出来ます。フレキシブルですので巻き付け、貼り付けが作業が容易です。」

-EMIフィルタ:村田エミフィル 1μF・DC16V NFM21PC105B1C3D:チップ型ノイズ除去フィルタ。たまたま手元にあったAC-DCスイッチングアダプタ対応とするため、以前ヘッドホンアンプを作成した際に秋月で購入した10個入り200円の残りを取り付けた。ACアダプタ対応にしないようなら、これはなくても構わない。「チップ3端子コンデンサ(フィールドスルーコンデンサ/貫通コンデンサ/EMIフィルタ/エミフィル)は、ノイズ対策用に開発された3端子コンデンサをチップ形状にしたもので、内部が貫通コンデンサのように構成されており、グランド側のインピーダンスが極めて小さくなるように設計されています。この構造により、数百MHz以上の高周波領域のノイズ除去効果にすぐれています。=NFM−Pシリーズ特長= ◆コンデンサタイプのスタンダード ◆大電流・大容量対応の電源ライン等」。なお、村田製作所のウェブサイトにノイズ対策全般についてのレクチャーページがある

-アルトイズ缶(Altoids製のブリキでできたミント缶)は輸入洋菓子・食品店で入手する。または、アルトイズミント缶を模した、同形、同サイズのブリキ缶(Adafruit社製 Altoidsミントサイズ缶)がエレショップスイッチサイエンスのAmazon.co.jp店で入手できる

【工作のポイント】

-ユニバーサル基板の加工
金属製の定規とプラスチックカッター(オルファ製PカッターS型など)を使って切り取り、角のRカーブや四辺の余白は#60程度の粗目のサンドペーパーで整える。Rカーブはカッターを使わなくても粗目の紙やすりで簡単に整形できる

-銅箔テープ
ベタ・グラウンドを形成するのに使う。タカチ製の銅箔テープは粘着材に金属粉を含ませていて導電性があることはある。しかし、基板にテープを貼り付けてから、ヘラやドライバーの柄のへりなどでゴシゴシと、基板の穴が浮き彫りになるほどしごく必要がある。また、継ぎ目には念のためハンダを盛って確実に導通させる。実際、かなりゴシゴシとこすってはいるが継ぎ目をハンダ付けしていない素の状態で、ベタ・グラウンドの端と端とをテスターで計ったところ1Ω弱の抵抗値があった

-ピンソケット
ICソケットのほか、抵抗器5本とLED1本をピンソケット式にして部品の入れ替えができるようにしている。抵抗器はR11/R12(出力保護抵抗)、R13/R14(出力部のローパスフィルタの抵抗)、R16(電源スイッチ直後の突入電流制限抵抗)、それからLED取付部分だ。屋外に持ち運んで使うポータブルなヘッドホン・アンプだから、部品がむやみに振動しないようにピンソケットは使わないほうがよい。しかし、この5本の抵抗は定数がなかなか定まらなかったため、やむなくピンソケット式にした

-金属ケースの絶縁とアース
できあがった基板をブリキ缶に収める際には、ブリキ缶の内部を絶縁性素材で囲ってショートを防ぐ。広い底面は牛乳パックや、捨てられる運命にあった何かの商品の外箱、クリアファイルなど家にころがっている丈夫なシートをハサミで切って使う。側面は見た目を気にしないならセロファンテープやマスキングテープなどでOK。
 基板のGNDのケースへのアース接続は、入力側ステレオミニジャックのGND。金属製のビス、ワッシャー、ナットを使う。具体的な順番を書くと、ケースの外側から順に「ネジの頭→アルトイズ缶ケース(の底面)→金属製ナット(これはスペーサ代わり)→ワッシャー(基板裏面のベタグラウンドにできるだけ広い面積を密着させたいのでワッシャーを利用)→基板→ナット」となる。
 ところで、ケース接地はこの1カ所だけにとどめる。もう1カ所、DCジャック付近にネジ止めする箇所があるが、そちらはプラスチック製のネジ、ナット、スペーサーを用い、金属ケースに導通させない

-EMIフィル
チップ型の村田エミフィルNFM21PC105B1C3Dは、長方形の短いほうの両辺をプラスの電源ラインに直列につなげ、長い辺(どちら側でもよい、どちらか片方でOK)をマイナスの電源ラインに落とす

-その他
--マルシン製のパーツ(ステレオミニジャックMJ-8435、DCジャックMJ-84)については、プラスチック筐体の底面側に、基板にしっかり固定させるための小さなピンが飛び出ている。しかし、残念ながらユニバーサル基板の2.54mmピッチの穴には合わないので、やむなくニッパーで切り落として底面を平らにする

--ボリュームはAlps製のもLinkman製のも、スイッチの端子の位置がユニバーサル基板のピッチに合わない。だからラジオペンチなどを使って少し端子を上手に曲げて、基板の穴にうまくささるようにする。また、ボリュームはミント缶に固定しない(VR付属のナットやワッシャーは今回は使わない)レイアウトになるように、ボリュームの設置位置を奥に引っ込めている。もしも、やっぱりボリュームをケースにしっかりと固定したい場合は、ボリュームの基板への取り付け位置を1段ずらしてあげる(ひと穴、外縁側にずらす)


【基板配線図(表面=部品実装面)】

基板配線図(部品定数入り・エミフィルなしバージョン) 基板配線図(エミフィルなしバージョン)

上の2枚の画像はエミフィルなしバージョンの基板配線図。左は部品定数入り

 抵抗器は基本、寝かした状態で取り付けるが、1ヶ所、基板右上角のLED用抵抗R15だけはスペースの関係で立てて実装する。パスコンと、DCサーボ回路のコンデンサが小さな積層セラミックコンデンサなので、このようなコンパクトなレイアウトが実現できた。フィルムコンデンサを使うとなるとこうは行かない。3個のOPアンプの間をもっと広げてみたり、パスコンを基板裏面(ハンダ面)に取り付けてみたり・・・などのレイアウト変更が必要となる。また、同じことが電解コンデンサにも当てはまる。基板右上角のC7(ルビコンZLH220μF35V)は少し小さい筐体で、リード線のピッチも2.5mmだったのでこのようなレイアウトになった。基板下側のC8とC9(ルビコンMCZ2,200μF10V)もなかなかスマートな筐体で(高さ25mm)、2本を並べて寝かして取り付けるとアルトイズ缶の横幅にほぼぴったりと収まるサイズだった。これとは別の部品を選択した場合は基板レイアウトを再検討する必要がある。もちろん、どんな部品を選択しても自由だし、レイアウトを考えることはとても楽しい作業だと思う

 基板全体を覆う赤っぽいエリアは銅箔テープを貼り付けるベタのグラウンド(±0VのGND)部分。グラウンドエリア以外にはC7(220μF電解コンデンサ)付近も銅箔テープを施している。できるだけ広くベタアースを確保する理由はノイズ対策。もしも、銅箔テープを利用せずに単にスズメッキ線で配線する場合は、配線ラインが鋭角や直角に曲げたデザインは極力避け、できるだけなだらかにカーブした鈍角を描くようにする。狭い基板にたくさんの部品を配置するのでそれはなかなか工夫が必要で、かえって銅箔テープを利用して広いベタ部分を手堅く確保したほうが楽

 基板図の4隅あたりに描かれた「φ3」と記された丸印は直径3mmのネジ穴だが、基板上にネジ穴は合計5つある。そのうち、2つの太い輪郭の穴だけが実際にケースにネジ止めするための穴で、さらにそのうち入力ジャックに近い穴が基板の銅箔ベタグラウンドと金属ケースとを導通させる箇所になる。もうひとつ(DCジャック付近)の穴はGNDの銅箔にかかっているが、こちらはケースと導通させない。ネジやスペーサは非金属製のものを使う。残りの3つの細い輪郭の穴(基板左右下角のC8、C9にかかった穴2つと、基板右上のR16とR17の間の穴)と先のGND用の穴の計4つの穴は、ハンダ付け作業がやりやすいように、ハンダ付け作業のときだけ金属製のスペーサーを取り付ける


基板配線図(部品定数入り・エミフィルありバージョン) 基板配線図(エミフィルありバージョン)

こちらの2枚はエミフィル付きバージョン。先のエミフィルなしバージョンと異なる点は、右上角にムラタエミフィルが付いた点。このエミフィルは基板裏面(ハンダ面)に実装する


【基板配線図(裏面=ハンダ面)】

基板配線図(裏面=ハンダ面、エミフィルなしバージョン) 基板配線図(裏面=ハンダ面、エミフィルありバージョン)

上は基板配線図を左右反転スキャンしたもの。エミフィルなしバージョン(左)とエミフィル付きバージョン(右)。これをカラー印刷すると基板裏面(ハンダ面)の配線図として使える

 2,200μFの電解コンデンサから伸びる±電源は被覆線を通してOPアンプに供給されるが、はんだ付けで注意することは、電源の被覆線は0.1μFのバイパスコンデンサ(パスコン)の足にハンダ付けする点だ。パスコンとOPアンプの±電源ピンはすぐ隣同士であるが、電源被覆線を電源ピン(OPアンプの8番ピン・4番ピン)には直にハンダ付けしない



基板(裏面)アルトイズ缶ヘッドホンアンプ 金属製スペーサー
エミフィル付きバージョンの試作品の基板裏面の写真。よく見ると穴がひとつ多く、銅箔も未完成

 上述のように、ハンダ付け作業の際には基板の裏表の四隅に金属製のスペーサーを取り付けて”ゲタを履か”せる。こうすると高さが一定になるため、部品を実装していても基板が安定してハンダ付けがしやすくなる。もっとも、R16やC8、C9をハンダ付けする局面では、この金属製スペーサが邪魔になるので取り外さなければならない。だから、R16、C8、C9の部品を取り付ける順番は少し後に遅らせる

 スズメッキ線(あえて購わなくとも、抵抗器やコンデンサなどの部品から切り取られたリード線を使えば済む)と被覆線(銅線は縒り線よりも単線で、被覆ビニールが不燃性のものが扱いやすい)は、基板裏面にハンダ付けをする。ペアになっている被覆線はなるべく縒る。爪の垢ほどに小さなチップ型のエミフィルもこちら側にハンダ付けする。銅箔テープの継ぎ目にもハンダを盛って確実につながるようにする


アルトイズ缶ヘッドホンアンプ テープでタグを付けたOPアンプ
 左の写真は、自作したアルトイズ缶ヘッドホンアンプ2台を並べて撮影したもの。2台のうちの左側のが今回製作した標準部品構成のHPAだが、右側(赤い部品がある方)はそれより前に試作した別バージョン。コスト計算だのマーケティングだのに気をとられなくて済むのは自作のよいところだし、効果のほどは脇に置くとしても部品選びは実際とても楽しい。しかし一方で、オーディオ用途としてはとても推奨し得ないとされている汎用部品を使ってヘッドホンアンプを作ったことが、考えてみると今まで一度もなかった。そこで、子どものころからなじみのある、ごく普通の抵抗やコンデンサを使ってどんな音のするアンプができるのかを確かめてみたわけだった。電源投入直後のポップノイズは思ったほど強くなく、この程度ならヘッドホンを耳にはめたまま電源を入れても僕にはそれほど気にならない(怖くて…みたいなことにはならない)。また、ボリュームを開放した状態でノイズは僕の耳には聞こえない。電源OFFのときも無音。まずは、少なくとも実用性の最低ラインはクリアしたようだ。普段、外で使うヘッドホンは当Webページの一番上の写真に写ったオーバーヘッド型ではなく、オーディオ・テクニカの古いカナル型ノイズキャンセリングイヤホンATH-CKS90NC(90Ω=ノイズキャンセル使用時、16Ω=ノイズキャンセル不使用時)。毎日朝晩の電車の中で、この自作ヘッドホンアンプと古いiPhone 4の組み合わせでたのしく音楽を聴いている

 右の写真は”耳たぶ”付きのOPアンプ。少し丈夫な素材の粘着テープをOPアンプに巻いて作る。OPアンプは取替えがきくようにICソケットに挿して装着するのだが、バイパスコンデンサ(パスコン)が邪魔をしてOPアンプを引き抜くのがけっこうたいへん。特にフィルムコンデンサを使った場合、そのサイズが大きいため、かなりギチギチなレイアウトになり、OPアンプをICソケットに一度さすと外せなくなってしまう。オペアンプまわりに指を差し込むことはおろか、引き抜き工具も入らない。パスコンを基板裏面側に取り付けて問題を回避する手もあるが、そうすると今度は、裏面側の「嵩(かさ)」が増し、基板が底上げされ腰が高い位置で固定せざるを得なくなるので、基板表面側の部品の高さ制限がきつくなったり、ボリュームの軸の位置も高くなったりで、缶ケースのフタに部品やボリュームの軸が当たってフタが閉まらなくなる可能性が出てくる
 そこで、テープ(写真では青色のテープ)をOPアンプにループさせて”耳タブ”を作ることを思いついた、1番ピンの位置にはマジックでマル印を付けておく。OPアンプをICソケットから取り外すときはテープの耳をつまんで引き抜くようにする。OPアンプ聴き比べのブラインドテストにも使える.





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