2012

CDTLab

iwasawa

file: Headphone Amplifier_A

[ヘンドホーン用アンプの製作-A]

差動増幅回路 2 段＆SEPP 電力増幅回路による本格的なヘッドホーン用アンプの製作

事例

電子回路設計技術

回路理論

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

回路設計

試作実験

検証

完成

ヘッドホーン用アンプの製作

1.基本仕様とアンプの概要

・出力負荷：25Ω～300Ω

・電力出力：0.2W～0.5W

・電源 ：±12V

ヘッドホーン用アンプとして、回路実験 kit

の基板を応用して、ヘッドホーン用アンプの製

作を行った。

また、ヘッドホーンのインピーダンスも 20Ω

程度のもから数百程度のものがあるようです。今回は、手元にある 3 メーカーの事例を

参考に、25Ω～300Ωを目標にして、作成した。したがって、ヘッドホーンのインピーダ

ンスによって、また感度によって、出力は変わってくるが、0.2W～0.5W を目標とし、

電源電圧も±12V として設計した。

■ACE-1C 基板を応用したアンプ基板

ACE-1C 基板はディスクリート部品を用いて、オペア

ンプの内部回路を学習できるようなパターンになって

いるが、今回オペアンプ内部回路では使用されることが

少ない、差動 2 段回路による直流的に安定な回路とした。

さらに出力段もエミッタフォロワー出力のほか、コンプ

リメンタリ FET とコレクタ出力の電流帰還形の出力段

も製作し比較を行った。

■REG-1B 基板を使用した電源基板

REG-1B 基板は、シリーズ・レギュレータ実験 kit

の基板を利用し、±12V デユアル電圧の定電圧回路を

製作した。この基板では、ダーリント・トランジスタ

を放熱器に取り付けてしようしたが、外部放熱器と外

部トランジスタを使用すれば更に出力容量の大きな定

電圧電源とすることができる。

■ヘッドホーンのインピーダンス特性の事例

ヘッドホーンのインピーダンスはスピーカーと比べて設計思想による差が大きい。今

回、手元にある、3 社のヘッドホーンのインピーダンスを測ってみると次のようであった。

また、シミュレーションにより推定した等価回路を示す。

① ソニーMDR-Z1000

②ウルトラゾーン Pro2900

② ンハイザーHD650

C2

200p

50m

L2

C1

100u

5

R2

52u

L1

25

R1

MDR-Z1000 等価回路

C2

260p

50m

L2

C1

100u

22

R2

100u

L1

40

R1

Pro2900 等価回路

300

R1

821u

L1

200

R2

C1

7.5u

500m

L2

C2

860p

HD650 等価回路

2.電圧増幅回路

■電圧増幅段の構成

・JFET 入力による差動 2 段構成

図のような、JFET（Q1,Q3:2SK30A）

の差動入力と、トランジスタ（Q5、

Q8：2SA1015）の差動増幅回路の 2

段接続構成とした。

また、2 段目の差動増幅回路の負荷

として、カレントミラーを使用して、

利得を稼いでいる。

■シミュレーションによる検証

SIMtrix により、図のような回路

にてシミュレーションを行った。

利得は 80ｄB で、第一次ポールも 1KHｚ

以上となっており、一般のオペアンプの

10Hz 程度から比べて、広帯域特性が期待で

きる。

+Vcc

-Vee

-InP2

2SA1015

Q5

2SA1015

Q8

CC1

OUTP3

+InP1

2SC1815

Q2

2SC1815

Q4

2SC1015

Q6

2SC1015

Q7

2SK30A

Q32SK30A

Q1

1.8KR3

1.8KR6

1KR11

200

R5

200

R9

1uC3

100uC5

100uC4

1uC2

6.8KR8

47R7

47R4

200VR1100K

R1

1KR2

1KR12

820R10

200k

R9

200

R26

12

V1

1k

R5

Q4

QC1815GR

1.8k

R11

1.8k

R12

1k

R10

Q9

QA1015GR

50

R2

V3

1K

R8

200

R3

J2SK30ATM-Y

Q2

J2SK30ATM-Y

Q1

50

R1

Q3

QC1815GR

6.8k

R4

100k

R7

Q8

QA1015GR

Q5

QC1815GR

1k

R6

C1

10p

12

V2

Q13

QC1815GR

dB

3.出力回路

今回の電源は、電圧増幅段及び出力段ともに±12V を使用している。したがって、

電圧増幅段の出力電圧は±8V 程度、また出力段での保護抵抗や、ドライブ電圧のロ

ス（ベースとエミッタ間電圧）により実際の出力に寄与する電圧は±6V 程度となっ

てしまう。

■回路構成

・Q1 は出力段のバイアス電圧

を作るための定電圧回路で、

VR により終段のアドリング

電流を調整する。

・R5,R6 は終段トランジスタ

の発振防止のためであるが、

Q4 と Q6 の HFE のアンバラ

ンスの補正も行うことができ

る。

■出力の算出

ここで、出力を計算すると、Vo＝±6V と仮定すると、𝑃𝑜 =𝑉02

2∗𝑅𝐿により

𝑃𝑜 = 0.72𝑊(𝑅𝐿 = 25𝛺)

𝑃𝑜 = 0.45𝑊(𝑅𝐿 = 40𝛺)

𝑃𝑜 = 0.06𝑊(𝑅𝐿 = 300𝛺)

となり、ヘッドホーンのインピーダンスが 300Ωの場合、出力が不足する可能性があ

る（実際のヒアリングでは全く問題はないが）。

■終段アイドリング電流

アイドリング電流は、約 50ｍA としている、このため A 級動作の範囲は、300ｍ

W 程度となるが、通常使用する範囲では十分な出力である。

-Vcc

+Vcc

IN

IN

OUT

VR3

VR2SC1815

Q1

2SA1015

Q3

2SC1815

Q2

1K

R3

1K

R4

4.7K

R1

2SC34211Y

Q4

2SA1358Y

Q5

200ΩR5

200ΩR6

5Ω

R7

5Ω

R8

4.全体の回路検証

■負荷を想定した全体の周波数応答

回路図は、ヘッドホーン HD650 の負荷を想定して、等価回路を接続した場合の回路で、

SIMtrix によりシミュレーションを行った。

また、ヘッドホーンでは、ケーブルにシール線などを使用いている場合があり、スピーカ

ーと違い容量負荷が大きい場合があり注意が必要である。この容量性負荷に対しては、出力

にインダクターを入れ、容量成分を打ち消す方法があるが、シミュレーションで確認した。

HD650 では実測の結果、860ｐF の容量が

接続ケーブルにあり、それがヘッドホーンに

並列に接続させることになる。

そこで、回路図のように、出力に L3（２μ

H）と R16（20Ω）を並列にしたものを入れ

てシミュレーションを行った。

グラフに示すように、無い場合 10MHｚ

にピークが発生するが、ある場合では素直な

特性となることがわかる。

HD650

300

R25

C3

10n

200

R26

12

V1

dB

58.0192m

200

R215

R19

Q11

Q2SC3421Y

950

R14

1K

R9

Q7

QC1815GR

1k

R5

Q4

QC1815GR

1.8k

R11

1.8k

R12

1k

R10

Q9

QA1015GR

100

R2

AC 1 0 Sine(0 500m 1k 0 0)

V3

1K

R8

200

R3

J2SK30ATM-Y

Q2

J2SK30ATM-Y

Q1

100

R1

Q3

QC1815GR

6.8k

R4

100k

R7

Q8

QA1015GR

Q5

QC1815GR

820

R6

Q6

QC1815GR

1K

R13

4.7k

R15

Q10

QA1015GR

Q12

Q2SA1358Y

5

R20

200

R22

C1

10p

6.7k

R23

12

V2

Q13

QC1815GR

300

R24

821u

L1

200

R18

C4

7.5u

500m

L2

C2

820p

20

R16

2u

L3

同様に、MDR-Z1000、Pro2900

の等価回路を接続した場合の、シ

ミュレーション結果が次図である。

利得は 17ｄB であり、周波数特性

も 1MHｚ程度と十分な広帯域な

ヘッドホーン・アンプとなってい

る。

■ボーデ線図により負帰還の安定

性確認

SIMtrix のボーデ・プローブを使用して、HD650 負荷時でのボーデ線図のシミュレーション

を行った。

MZ-1000

LAP1

-1

AC 1

V4

C3

10n

C2

860p

500m

L2

C4

7.5u

200

R18

821u

L1

300

R24

300

R25

Q13

QC1815GR

12

V2

6.7k

R23

C1

10p

200

R22

5

R20

Q12

Q2SA1358Y

Q10

QA1015GR

4.7k

R15

1K

R13

Q6

QC1815GR

820

R6

Q5

QC1815GR

Q8

QA1015GR

100k

R7

6.8k

R4

Q3

QC1815GR

100

R1

J2SK30ATM-Y

Q1

J2SK30ATM-Y

Q2

200

R3

1K

R8

100

R2

Q9

QA1015GR

1k

R101.8k

R12

1.8k

R11

Q4

QC1815GR

1k

R5

Q7

QC1815GR

1K

R9

950

R14

Q11

Q2SC3421Y

5

R19

200

R21 58.0192m

12

V1

200

R26

=OUT/IN

OUTIN

2u

L320

R16

次の図は、シミュレーションによるボーデ線図で、Gain（Y2）が 0ｄB の時の、Phase(Y1)

は-108°と安定な領域にあることがわかる。

5.基板の組み立て

今回使用した ACE-1C 基板の回路図は、次の図のようになっている。この基板は本来オペ

アンプの内部回路をディスクリート部品で構成し、差動増幅回路やカレントミラーなどオペ

アンプを構成する基本回路を学習する目的の基板である。

ここで、その部品の必要な部分のみ使用し、またジャンパーをして回路を構成したヘッドホ

ーン・アンプの回路図としたものを印刷したものが次図である。

ここでは、必要な部分以外の回路部分は薄い色で表示されている。これは回路図 CAD で、

別の層に移動し必要な部品と配線のみを行い、元の層と一緒に印刷することで得られる。

これに従い、基板の部品番号に従い組み立てることにより、ユニバーサル基板を使用して

組み立てる場合と比較して非常に容易となる。ユニバーサル基板に組み立てる場合では、表

側と裏側の部品配置、結線が逆に見えることになり、少し複雑な回路になると非常に苦労す

る。さらに配線ミスが多くなってしまう。

R35

R60

RR7

CC2

Q3 Q6

D1

Q7Q1

VR1

R8 R10

R9

Q2Q5

R6 R11

R12R25

Q9

Q10

Q11

C4

R18

R19

C3

Q14

R31

Q15

R26

R36

R40

R37

R38

R39

D6

VR2

R41

C9

R46

Q18

Q17

Q16

R58

R45

R61

R59

Q4

R62

123

CN1

C14C12

C11 C13

R42

123

CN3

123

CN2

C5 C7

C6

D2

R28

Q13 123

CN4

T

T2

T

T3

T

T4

T

T6

T

T5

T

T7

T

T8

T

T9

T

T10

T

T11

R30

C8

TO1

T14

TO1

T17

123

CN5

R4

R13

R34

R32

R23

R24

R3

R33

R20

R22

R21

R44

R48

R55

R50

R51

R43 R47

R49

R52

R53

R56

R57

R54

C10

Q12

R27

R29

Q8

R16

R14

Q19

Q20

D3

D4

D5

T

T1

T

T12

T

T13

T

T15

T

T16R5

R17

R15

R1

C1

R2

InputA

InputB

GND

6.電源回路

■回路の構成

±12V 定電圧回路

は、ノイズが少なく、

出力インピーダンス

も高域まで伸びてい

るシリーズ・レギュレ

ータの±デュアル電

源である。部品点数を

考えると三端子レギ

ュレータや誤差増幅

にオペアンプを使用

する方法もあるが、プ

リント基板の汎用性

（オペアンプなどを

使用すると、オペアン

プの電源電圧の制限など影響する）を考慮し、ディスクリート部品で構成している。

■特徴

・基準電圧には、ツェナーダイオードを用い、JFET による定電流駆動にし、安定化を

図っている。

・誤差増幅回路のトランジスタの負荷を JFET による定電流とし、大きな利得を得てい

る。

・誤差増幅回路を、カスコード接続として、周波数特性の改善を図っている。

■電源回路のシミュレー

ション

●入力電圧-出力電圧特

性

・図は、入力-出力の電

圧応答性をシミュレー

ションした回路図で、負

荷は抵抗負荷で行って

いる。

20k

R7

BZX79-4V7

D2

Q7

QC1815GR

C3

2m 100

R1

J2SK30ATM-Y

Q4

Q2

QC1815GR

Q1

Q2SC3421Y

Q3-emitter

22

V1

10k

R6

500m

R4

BZX79-4V7

D1

Q3

QC1815GR

12k

R5

J2SK30ATM-Y

Q5

Q6

QC1815GR

18.9163f

C1

200u

C2

50p

1

R2560

R3

123

CN-3PCN1

123

CN-3PCN2

3300uC3

3300uC4

220uC11

220uC12

DIODED1

DIODED2

DIODED4

DIODED3

HZ5B1-ED5

HZ5B1-ED7

HZ5B1-ED8

HZ5B1-ED6

1uC7

1uC5

1uC1

1uC8

1uC6

1uC2

50p

C9

50p

C10

20KR1

560R3

560

R4

0.5ΩR6

0.5Ω

R5

10KR7

10KR8

10K VR1

10KR9

10KR10

10K VR2

2SC1815Q9

2SC1815Q5

2SA1015Q6

2SA1015Q12

2SC1815Q11

2SA1015

Q10

2SK30A-YQ1

2SK30A-YQ3

2SK30A-YQ4

2SK30A-YQ2

P5

P6

P7

P11

P12

P13

P2

P1

P3

P8

P9

P10

P4

2SB1375Q8

2SD2012

Q7

2SC1815

20K

R2

2SA1015

+OUT

GND

-OUT

AC In1

AC In2

AC In3

AC In4

+OUT

-OUT

GND

・図のように、ディスクリート部品構成

により入力電圧が 1.3V から良好な立ち

上がり特性になっている。定電圧 IC や

オペアンプを使用した場合、立ち上がり

電圧はもっと大きくなる。

●ボーデ線図による負帰還の安定性及び周波数特性

・図は、負帰還時の

安定性を検討するた

めに、ボーデ・プロ

ーブを使用して、ゲ

イン-位相特性をシミ

ュレーションを行う

回路である。

・図の上側は、クローズド

ループの利得-周波数特性

であるが、100KHz までフ

ラット特性なっており、オ

ーディオ周波数帯域での

定電圧回路と応答性とし

ては十分な特性となって

いる。

また、ループゲインが 0

ｄB における位相は-90°

程度と、90°の位相余裕

と安定であることがわか

る。

560

R3

1

R2

C2

50p

C1

200u

11.8972

Q6

QC1815GR

J2SK30ATM-Y

Q5

12k

R5

Q3

QC1815GR

BZX79-4V7

D1

500m

R4

10k

R6

22

V1

Q1

Q2SC3421Y

Q2

QC1815GRJ2SK30ATM-Y

Q4

=OUT/IN

IN OUT

AC 1

V2

100

R1

C3

2m

Q7

QC1815GR

BZX79-4V7

D2

20k

R7

LAP1

-1

・電源部回路図

電源トランスは、トロイダルトランスを使用し、2次側電圧は 18V×2を使用している。

なお、出力側ケミコンにはオーディオ用ニチコン MUSE タイプを使用している。

■電源部写真

3300uC5

3300uC6

220uC13

220uC14

DIODED6

DIODED7

DIODED9

DIODED8

HZ5B1-ED10

HZ5B1-ED12

HZ5B1-ED13

HZ5B1-ED11

1uC9

1uC7

1uC3

1uC10

1uC8

1uC4

50p

C11

50p

C12

20KR2

560R4

560

R5

0.5ΩR7

0.5Ω

R6

10KR8

10KR9

10KR10

10KR11

P13

P16

1 2

FUSEF1P1

P2

PSWS

POWER_TRANS3

T

123

2SA1015

Q10

2SA1015

Q6

2SC1815

Q9

2SC1815

Q5

2SC1815

Q11

2K VR1

2K VR2

2SK30A-Y

Q42SK30A-Y

Q2

2SK30A-Y

Q1

2SK30A-Y

Q3

2SD2012Q7

2SB1375Q8

2SA1015Q12

2SC1815

2SA101520K

R3

+OUT

GND

-OUT

AC100V

AC100V

+12V

-12V

7.総合特性

■周波数特性

グラフは、利得-周波数特性で、抵抗負荷時

の特性である。シミュレーション結果と同様

にカットオフ周波数約 1MHｚと広帯域にな

っている。

■歪率特性

図は、歪率特性である。

300Ω負荷では、最大出力が 0.1W と予想通りであるが、実際のヒアリングで音量の不足は感

じられない。

実際に使用するには数十ｍW で十分であろう。

■出力インピーダンス特性

図は、出力インピーダンス-周波数特性である。高域でインピーダンスが増加しているが、

これは高域で負帰還量が減少することによる。

8.音質について

今回製作したヘッドホーン用アンプの音の評価は、使用するヘッドホーンによって多

少変わってしまうが、従来から使用していたメーカ製（Luxman）の P-200 を基準に比

較することとした。

また音源は、ヤマハ：ネットワーク・プレーヤーNP-S2000 を使用し、NAS（LAN Disk

A35DF）にリッピングしてある CD 音源を中心に行った。

■P-200 と比較して、歪感が少ない透明度の良い音、色づけが少ない率直な音に感じる。特

に、バイオリンや女性ボーカルの艶やかさはよく表現されているようだ。

■ヘッドホーンの音質

今回、使用したヘッドホーン自体の音質としては、個人の好みで大きく分かれるところで

あるが、次のような感じを持った。またアンプの音質自体を評価するには Pro2900 が良いか

と思う。

●SONY MZ-1000：中音が前に出てくる明るく元気な音だが、音の解像度では Pro2900 に

劣る。

●Pro2900：音の解像度は非常にいいいが、高音と低音にエネルギーが多く、悪く言えばド

ンシャリであるが、一番歪感の少ない音である。

●HD650：音の解像度は Pro2900 と比べて劣るが、全体にバランスは良く落ち着いて聞ける

音、長く音楽に浸るには良い。