【ワレコオーディオ】ぺるけさんの「入手可能部品で作る ヘッドホン・アンプ」をLTspiceシミュレーション

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写真 グリーンスムージーを作りながら自作アンプの回路を検討中の電気女子?

先日(2019年7月19日)、ぺるけさん設計のヘッドホンアンプの新作が発表された。

そのヘッドホンアンプをLTspiceでシミュレーションしてみたので、当記事で紹介したい。

ワテもこのヘッドホンアンプを作ってみようかなあと思ったので、取り敢えずLTspiceで回路図を描いてみただけだが。

結論としては、ぺるけさん実測値とLTspiceシミュレーション結果は、かなりの精度で一致している事が確認出来た。

では、本題に入ろう。

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ぺるけさんの「入手可能部品で作る ヘッドホン・アンプ」はどんな回路か?

参考までにそのぺるけさんの記事のページをキャプチャー画像で紹介させて頂く(下図)。

写真 ぺるけさんの「入手可能部品で作る ヘッドホン・アンプ」のページのキャプチャー

引用元 http://www.op316.com/tubes/hpa/2019-hpa.htm

ぺるけさんによると、元々、この「入手可能部品で作る」ヘッドホンアンプは、書籍として出版される予定で有ったとの事だ。

ところが、病気の為に出版を断念されたので、自作オーディオファンの方々の為に記事として公開されたとの事だ。

と言う事で、ワテも過去にぺるけさんに部品頒布でお世話になったので、自作オーディオファンの一人として、このヘッドホンアンプを自作したいと思っている皆さんの為に、何か参考となる記事を書いてみようと思い立ったのだ。

で、昔から使っているLTspiceでシミュレーションしてみたので、そのシミュレーション結果を紹介してみる事にした。

昔は電子回路をSPICEシミュレーションするなんて言うのは、業務用の何百万円もするEDA( electronic design automation)と呼ばれる電子回路設計ツールを使わなければ出来なかった。

でも今では、パソコン上で簡単に使える電子回路シミュレータやプリント基板設計ツールも多数ある。

ワテの場合は電子回路シミュレータはLTspiceを良く使っている。LTspiceは回路図エディタとSPICEシミュレーション専用ソフトと言う単純な構成なので分かり易い。

かつ、Linear Technology社、Analog Devices社の主要なオペアンプ、ICのデバイスモデルが標準でライブラリに入っているのでソフトをインストールするだけで直ぐに設計を開始出来る。

一方、プリント基板設計は、KiCadと言う有名なフリーのツールを今年から少しずつ勉強している。

KiCadは回路図エディタ、PCB配置設計、SPICEシミュレーションの機能を含む統合EDAソフト(のようなので)、これを使いこなせば自分で設計したプリント基板で何でも好きな物を作れるぞ。

今のところ、ワテの場合はそこまでは使いこなせていない。

是非、今年中にはプリント基板を設計して外注してみたい。

さて、本題に戻って、ぺるけさん設計の「入手可能部品で作る ヘッドホン・アンプ」の回路図を見てみよう。

「入手可能部品で作る」トランジスタ差動2段ヘッドホン・アンプ

ぺるけさんのサイトから「入手可能部品で作る」トランジスタ差動2段ヘッドホン・アンプの回路図を引用させて頂く(下図)。

図 ぺるけさん設計の「入手可能部品で作るヘッドホン・アンプ」の回路図(アンプ部分)

引用元 同上

まあ、電子回路初心者のワテであるが、この回路は差動二段+SEPPと言うくらいは理解出来る。

それと、ぺるけさんの他の製作例ではFET入力が多いが、この回路はトランジスタ入力だ。FETよりも入手し易いトランジスタ方式で設計されたと言う事だろう。

あと、NFBの部分が抵抗とコンデンサを複数個組み合わせた複雑な構成だ。どんな風に設計するとこんなNFB回路になるのかなど、理由は全く理解出来ていない。あかんがな。

この回路の詳しい解説は、ぺるけさんのサイトのオリジナル記事を読んで頂くのが良い。ワテの場合、これくらいしか分かっていないので。

ちなみにワテの場合は、茶道は何度か体験した事がある。

和菓子を食って抹茶を頂くやつだ。

お茶碗をグルグル回してお茶を頂くのだが、詳しい作法は知らない。

まあ、差動と茶道、関係無いかw

さて、本題に戻って、上図には、TTC015B、TTA008Bと言うワテが聞いた事もないトランジスタが使われている。

気になったので調べてみた。

バイポーラトランジスタ シリコンNPNエピタキシャル形
TTC015B
バイポーラトランジスタ シリコンPNPエピタキシャル形
TTA008B

製品量産開始時期
2013-08
1. 用途
• 電力増幅用
• 電力スイッチング用
2. 特長
(1) 直流電流増幅率が高い : hFE = 100200 (IC = 0.5 A)
(2) コレクタエミッタ間飽和電圧が低い :VCE(sat) = 0.5 V (最大) (IC = 1A)
(3) スイッチング時間が短い       :tstg = 400 ns (標準) (IC = 1 A)
(4) TTA008Bとコンプリメンタリになります

製品量産開始時期
2013-09
1. 用途
• 電力増幅用
• 電力スイッチング用
2. 特長
(1) 直流電流増幅率が高い : hFE = 100200 (IC = -0.5 A)
(2) コレクタエミッタ間飽和電圧が低い :VCE(sat) = -0.5 V (最大) (IC = -1A)
(3) スイッチング時間が短い       :tstg = 300 ns (標準) (IC = -1 A)
(4) TTC015Bとコンプリメンタリになります
項目 記号 定格 単位
コレクタ・ベース間電圧 VCBO 160 V
コレクタ・エミッタ間電圧 VCEX 160
  VCEO 80
エミッタ・ベース間電圧 VEBO 7
コレクタ電流 (DC) (注 1) IC 2 A
コレクタ電流 (パルス) (注 1) ICP 4
ベース電流 IB 0.5
コレクタ損失 PC 1.5 W
コレクタ損失(Tc = 25℃) PC 10
接合温度 Tj 150
保存温度 Tstg -55~150
項目 記号 定格 単位
コレクタ・ベース間電圧 VCBO -80 V
コレクタ・エミッタ間電圧    
  VCEO -80
エミッタ・ベース間電圧 VEBO -7
コレクタ電流 (DC) (注 1) IC -2 A
コレクタ電流 (パルス) (注 1) ICP -4
ベース電流 IB -0.5
コレクタ損失 PC 1.5 W
コレクタ損失(Tc = 25℃) PC 10
接合温度 Tj 150
保存温度 Tstg -55~150

 

引用元 http://akizukidenshi.com/download/ds/toshiba/TTC015B.pdf

引用元 http://akizukidenshi.com/download/ds/toshiba/TTA008B_datasheet_ja_20150122.pdf

 

注: 本製品の使用条件 (使用温度/電流/電圧等) が絶対最大定格以内での使用においても, 高負荷 (高温および大電流/
高電圧印加, 多大な温度変化等) で連続して使用される場合は, 信頼性が著しく低下するおそれがあります。
弊社半導体信頼性ハンドブック (取り扱い上のご注意とお願いおよびディレーティングの考え方と方法) および
個別信頼性情報 (信頼性試験レポート, 推定故障率等) をご確認の上, 適切な信頼性設計をお願いします。
注 1:接合温度が150 を超えることのない放熱条件でご使用ください。

引用元 http://akizukidenshi.com/

東芝デバイス&ストレージ株式会社の製品だ。

東芝メモリは外資ファンドに売却されたが、東芝には多数の子会社があり、東芝デバイス&ストレージ株式会社もその一つだ。

似た様な名前だが、東芝デバイス株式会社(旧東芝電子デバイス販売株式会社)と言うのもある。ややこしくてもう訳分からんが、兎に角、東芝は今でもLSIなどの多数のデバイスを製造しているのだ。

さて、本題に戻って、

TO-126Nと言うフルモールド型のパッケージなので扱い易そう。

コレクタ・ベース間電圧が160V/-80Vと高いので汎用性があると思う。

日本製のトランジスタは2SA、2SB、2SC、2SDの名前が付くが、この東芝の製品はその形式では無くて、TTCとかTTAとか言うワテが知らない型式で始まる。

何でかな?

組立て拠点情報「中国」との事なので、日本製では無いから2Sで始まらないのかも知れない。

分からんので次に進もう。

プラス・マイナス電源回路

図 プラス・マイナス電源回路(ぺるけさん設計の「入手可能部品で作るヘッドホン・アンプ」)

引用元 同上

この電源回路は、ぺるけさんのアンプでは良く採用されているACアダプターを使って正負電圧を生成する方式だ。

でも、SEPP回路が入っているぞ?

ぺるけさんの解説を引用させて頂くと以下の通り。

一見してSEPP回路そのものであることがわかります。約15Vを2分割してSEPP回路のエミッタ出力にあたる部分をアースにつないでいます。この回路は、プラス側の供給電流とマイナス側の供給電流にアンバランスが生じても、SEPP回路がそのアンバランスを吸収してくれます。

引用元 同上

そう言う事か。

でも、電子回路初心者のワテなので、あまり良く分かっていない。あかんがな。

LTspiceシミュレーションしてみる

シミュレーションに使ったトランジスタは、2SC1815, 2SA1015,  2SC3421, 2SA1358などのモデルだ。ネットで見付けたデバイスモデルを使っている。hFEのランクなどは未確認だ。あかんがな。

図 ぺるけさん設計の「入手可能部品で作るヘッドホン・アンプ」をLTspiceシミュレーション

簡単にするために、電源回路のスパークキラーやインダクタは取り除いてシミュレーションしている。

ダイオードはぺるけさん指定のデバイスモデルが準備出来なかったので、LTspiceの標準ライブラリから適当に選んだ奴だ。そのモデルで良いかどうかなどは未確認だ。

ちなみに、LTspiceでは入出力端子に名前を付けられるが、出力端子はヘッドホン出力なので「🎧出力」なんて名前を付けても正常動作した。

つまりまあUnicodeにある文字なら絵文字であっても利用出来るみたい。

transient解析をやってみる

まずはtransient解析をやってみた。

.tran 1m

周波数10KHzで振幅1ボルトのサイン波を入力(緑)して、出力波形(青)を見てみる。

図 ぺるけさん設計の「入手可能部品で作るヘッドホン・アンプ」transient解析結果

お~、素晴らしい。

ちゃんと増幅されとるがな!

当たり前かw

まあ、ゲインが2.5倍程度で有る事が分った。

ワテの場合、それくらいしか分からない。

入力波形は自由に設定出来るので、サイン波だけでなく矩形波などももちろん可能だ。

AC解析をやってみる

AC解析とは、周波数特性の解析だ。利得や位相の情報が分かる。

.ac dec 1m 1 1meg

周波数1Hzから1MHzまでの解析結果のグラフを以下に示す。

図 ぺるけさん設計の「入手可能部品で作るヘッドホン・アンプ」AC解析結果

まあ、シミュレーションでは非常にフラットな周波数特性(緑実線)を示している。

で、実際はどうなんだろうか?と誰もが思うだろう。

ワテも思う。

AC解析結果と実測値の比較

ぺるけさんの実測値があるので引用させて頂く(下図)。

図 実測特性(「入手可能部品で作るヘッドホン・アンプ」AC解析)

引用元 同上

お~、LTspiceのシミュレーション結果とほぼ完全に一致している。

100KHz辺りからゲインが落ちて行く辺りのカーブもそっくりだ。

ぺるけさんの製作例では、必ずこんな実測結果が紹介されている。

物凄く仕事が丁寧だ。

ワテも見習いたいが、怠け者なのでそこまで厳密にデータを取れない。あかんがな。

で、ぺるけさんの実測では、

利得 2.55倍(8.1dB)

周波数特性 5Hz~170KHz(-1dB)

引用元 同上

との事なので、LTspiceシミュレーション結果とも良く合致している。

まとめ

当記事では、ぺるけさん設計の「入手可能部品で作る ヘッドホン・アンプ」をLTspiceでシミュレーションしてみた。

ただそれだけの記事だ。

LTspiceは使い方が簡単なのでお勧めしたい。シミュレーションの手順は簡単だ。

  • トランジスタ、抵抗、コンデンサなどを配置して配線してアンプなどの回路図を描く
  • 電源(単電源、正負電源など)を配置する
  • 入力信号源を配置する
  • グランドも最低一個は必要
  • シミュレーションコマンド(.tran 1m のようなやつ)を配置する

このように準備してやれば、あとは実行ボタンをクリックすれば今回のような素直な回路なら瞬時に結果が見られる。各ノードの電位、素子を流れる電流などを見たい場合には、プローブアイコンを置くだけでその点の電位、電流をグラフにプロットしてくれるのだ。

以下の記事では、LTspiceに関するこれら一連の作業手順を動画で紹介している。

ワテもそろそろ何か自作してみたいと思っている。このぺるけさんのヘッドホンアンプも興味あるが、ヘッドホンアンプは同じくぺるけさん設計の「FET式差動ヘッドホンアンプ Version 3」を数年前に作ったので、ヘッドホンアンプばかり作っても使わないと勿体ないので、何か別のものを作りたいと思っている。

例えば、カーオーディオで使うアンプとか。

トランジスタ、FETの入手に関して

東芝の汎用トランジスタ2SA1015、2SC1815は数年前に製造中止になった。またFETの2SK30、2SK117, 2SK170なども同じく製造中止だ。

市場には流通在庫が出回っているが値段も数年前に比べると数倍になっている感じ。

今後、益々値上がりするかも知れない。

10年後くらいには、「1980年物の東芝純正2SC1815-GR」とかが一個1000円とかの世界になるのかな?ワインかよ!

それも「つや有り」「つや無し」で値段が違うとか。そんなオペアンプもあるらしい。

真空管の世界なら、プレミア価格で値段が高騰している「Western Electric 真空管 300B」みたいなもんか。ワテの場合、真空管に関してはあまり詳しくはないが。

まあ、トランジスタに関してはそんなに値段が高騰する事は無いだろう。セカンドソースもあるし、ディスクリートデバイスを今でも製造しているメーカーもあるし。例えばイサハヤ電子株式会社さんなど。

ワテの場合は、東芝が2010年7月に2SC1815を「新規設計非推奨」指定を発表したニュースを見て、今後、自分で使うくらいの数のTRやFETを数種類、秋月とかサトー電気さんなどから購入したものがあるので、当面はそれを使えば自作は可能だ。

でも、これからオーディオ機器の自作を始めようと思っている皆さんは、製造中止になったディスクリートデバイスの入手は難しいだろう。

そう言う場合は、東芝純正などには拘らずに、セカンドソース品でも良いと思う。

あるいは、特性が似たような外国製のトランジスタを自分で探して使ってみるのも良いと思う。ワテもそんな経験はある。

ぺるけさんによる廃番部品の長期頒布サービス

自作ファンに対するぺるけさんのご厚意によって、格安で必要パーツを販売して頂けるサービスがある(現在は停止している)。特性の揃ったペアFET選別品ですら、格安で頒布して頂けるのだ。

一般のパーツ販売店でそんな高精度選別FETペアを買えば数百円から千円以上の値段だろう。それもぺるけさんの選別品は、物凄く高精度に計測して選別されているのだ。片や、一般のパーツ販売店の選別品は、選別品と言っても安っすいテスターでチェックした程度の怪しい選別品も多い(多かった、昔は、今は知らないが)。

でも、現在ではぺるけさんの健康上の理由で、パーツの頒布サービスは停止していている。一時、希望者の多いパーツ(FETペアなど)は限定頒布が再開されたのだが、その瞬間に多数の希望者が殺到したらしい。

あかんがな。

電車が到着したら我先に空席を確保するためにダッシュしたり、スーパーの試食コーナーが有れば辺り構わず食い捲り、無料ティッシュは往復して必ず2~3個貰うワテですら、そんな事態になる予感がしたので今回は頒布依頼は見送った。

まあ、パーツを希望する人の気持ちは分からないでは無いが、ご病気のぺるけさんの負担になるような行為はワテとしては慎みたい。本当は、真空管アンプ用の穴あけ加工済シャーシ(ミニワッター汎用シャーシ )を一個か二個購入させて頂きたかったのだが、見送った。まあ、そう言う工作も自分でやる事に自作の楽しみがあるのだ。と言うよりも購入予算が無かったと言うのが正しいw

それと、ぺるけさんは多くのオーディオ機器や計測器をヤフオクで処分されたのだが、真空管アンプ初心者のワテとしては、ぺるけさん作成のアンプなら音や信頼性は間違いないので、入手して使わせて頂こうと考えたのだが、断念した。物凄く高い値段が付くと思ったからだ。それに自分でメンテナンス出来るかどうか分からないし。まあ、落札した皆さんは、ぺるけさんの機器を暫く預かっていると言う気持ちで使って頂きたい。

ワテの希望としては、ぺるけさんの健康状態が回復して、今までのような楽しい自作回路をこれからもドンドンと発表して頂きたい。今すぐには無理かもしれないが、iPS細胞など近年の医学の進歩は目覚ましい。現在は有効な治療法が見付かっていない病気でも、今後、原因が特定されて有効な治療法が確立する事も十分に期待できるからだ。その時には、預かっていた計測機器、工作機器などぺるけさんの元に帰れば良いし。

と言う事で、取り敢えず自作アンプを作るなら、まずはLTspiceで回路図を描いてシミュレーションしてみると良い。

そうすると回路図も頭に入るから、その後で、実際に作り始めると作業が捗る。

ワテの場合は、最近では、自作機器はアナログでもデジタルでも取り敢えずLTspiceに頼っている。

ぺるけさんの掲示板に関して

追記 2019年8月22日(木)

ワテも時々ぺるけさんの掲示板を見る。何度か質問させて頂いた事もある。

▲●■大人の自由空間▲●■

「オーディオ自作ヘルプ掲示板」

▲●■大人の自由空間▲●■
「オーディオ自作ヘルプ掲示板」◇◇◇質問がある方、トラブル中の方は今流れている話題を気にすることなくいきなり書き込んでください◇◇◇◆◆◆ここに書込まれたトラブルの95%は結局はハンダ不良または配線ミスでした 自分のミスを部品のせいにしてはいけません◆◆◆メインサイトはこちら→(不快な書き込みは完全無視・放置で願います...

ぺるけさんがご病気を公表されて以来、なんだかおかしな書き込みが多い気がする。

「ショックです」とか、「無念」とか、病気になった本人を前にして、そんな言葉を掲示板に書き込む人の気持ちが理解出来ない。わざわざそんなネガティブな言葉を掲示板に書き込む必要があるのか?

オーディオ自作趣味の人は、変人が多いのかも知れないが、ワテも変人だが、その程度の配慮はしているつもりだ。大病を患って今は完治はしているが病気に罹る前の健康体では無い友人に対しては、メールを書く場合でも「お元気ですか?」などと言う言葉さえも気軽には書けないし、書かない。

今、体調が優れないかも知れないからだ。

今日、ぺるけさんの掲示板を見たら、限定配布直後に我先にとパーツを受け取った人の中に、パーツを返却している人がいるそうだ。まあ気持ちは分からないでは無いが、そんな事をしたら益々ぺるけさんやご家族の負担になる事に気付かないのだろうか。

おかしな日本になってしまったのか、オーディオ自作趣味の人には非常識でおかしな人が多いのか、それは分からない。まあ、暫く掲示板の様子を冷静に見ようと思う。

ワテとしては、筋萎縮性側索硬化症(ALS)(指定難病2) の治療法が見つかり、ぺるけさんには今までのように自作ファンの為に電子回路を設計して頂きたいと思っているし、遠くない将来そうなる気がする。

ぺるけさんの掲示板に関して2

追記 2019年8月27日(火)

しかしまあ、数日前からこの記事へのアクセス数がえらい増えている事に気付いた。

原因は判明した。

ぺるけさんの掲示板にぺるけさん自身がこの記事のURLを貼って紹介して頂いていたのだった。

そう言う事か。

緊張するがなw

まあ、ワテのマイナーブログがようやくメジャーデビューする切っ掛けになればと期待したのだが、その後、アクセスも疎ら(まばら)になり、いつもの状態に戻った。まあそう言うもんか。

 

さて、ワテの場合、ネット歴は長い。

1980年代後半のニフティサーブ(NIFTY-Serve)の頃から始まり、インターネット黎明期の1990年前半頃から、各種News Group(sci、compなど)なども良く利用していた。

ネット上の掲示板に於いては各種の論争も生で体験して来た。

そう言う経験をしているので、ネット社会における掲示板の使い方に関してはワテなりのルールと言う物を決めている。

それは、管理者の立場でも一般利用者の立場でも、掲示板は自分に必要な情報の取得のみに利用する。技術的な議論はする場合もあるが、議論の相手と議論がかみ合わない場合には、自分から引く。議論の相手の書いた内容を一字一句引用して反論するようなやり方は決してやらない。なぜなら、掲示板でその手の議論をしても、対立感情が強まるだけであり、何ら自分にとって得られるものは無いからだ。そして、議論をするにしても、相手の性格なども決して議論の対象にはしない。

あくまで、技術的な内容に関して、自分の疑問を解消する為に質問するとか、追加質問をする程度にしている。

まあ、ワテも各種の掲示板で幾多のトラブルに巻き込まれた訳なので、今はそんなルールの下に掲示板を情報源として利用している。

ところが、インターネットを利用する人は色んな年齢層、色んなバックグラウンドの人がいるので、ワテみたいな豊富な経験の無い人は、自分の意見とか気持ちをストレートに表現する人もいる。それが、「無念」とか「ショックです」などの悪意の無い感情表現になるとは思うのだが、互いが顔を見ながらする会話と違って、掲示板においては書いた内容が文字通りそのまま全世界に公開されるわけで、読む人は、その文章を文字通り解釈するので非常に強い印象を与えてしまう。

言葉の選定が難しいのだ。

なので、掲示板には自分の感情を書いたり他人の性格批判などはやらずに、あくまで技術的な情報を得る為の手段と考えて、その為にはどんな文章を書いて質問をすれば的確な回答が得られるかなあと考えて文章を投稿するのが良いだろう。

これがワテ流の掲示板利用方法だ。

ちなみに、もし管理者の立場で、掲示板に時々現れる偏屈な人とか、議論がかみ合わない人に関しては、相手にしないのが良いだろう。つまり、返信も何もしない。その投稿内容に何か個人攻撃などの文章があれば、投稿ごと削除する。問題なければそのまま放置しておけば良い。それが掲示板サイトを穏やかに運営する最良の方法だと思う。

アマゾン、楽天市場、ヤフーショッピングでトランジスタを買おう。

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1位
2位

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トランジスタ、抵抗、コンデンサを買っておけば電子回路の自作はほぼカバーできるだろう。

LTspiceを学ぶ

ワテの場合は、LTspiceは独学で勉強した。

でも最近では良い教科書も何冊も出ているので、どれでも良いから一冊読めば大体の操作方法はマスター出来るだろう。

おすすめ関連記事

以下の記事もぺるけさんのサイトを参考にさせて頂いたものだ。

 

そして、DIY好きな人にお勧めなのがこの記事だ。画期的なアイデアだと思うのだが、

残念ながら、今のところ全く反響が無い。

なんでやねん。

あかんがな。

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