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2010/07/10

オーディオアンプは電圧駆動でいいのか?

追記:このページは長いので新しい回路を書ききれない。この記事に今の所の答えがあります。
確かに音質が一歩上へ。だが副作用として、WALKMANのバスブーストみたいなのがかかります。
とても奇妙なアイデアを思いついた。このページをご覧ください。

オペアンプの再発明ばかりでいいのか

いま、アンプを自作したいとか検索しても
いろいろ回路を凝ってもオペアンプの中身の再発明がおおいです。
みんな一生懸命に考えているのが、オペアンプの中身であって、
最終的には、みんな電圧帰還かまれに電流帰還です。
これは単なる、非反転増幅器か、VI変換回路です。
よくいう○○式でもオペアンプ回路は頑張ってもオペアンプであり、それ以上ではなく、
オーディオアンプICで音がいいというものがあるのも納得です。
私が言いたいのは駆動方式を工夫することです。

スピーカーは単なる増幅器に対してはじゃじゃ馬

アンプの歪み率を負荷を抵抗にして測っています。しかし
一部からはスピーカーというのはもっとじゃじゃ馬な負荷なんだ、これはあてにならない、と言われます。
それはもっともだと思います。
コイルは、反発するんですよ? 電気を素直に食わなくて送り返してくるんですよ?
電圧駆動アンプでパルスをスピーカーに加えようとすると
電流波形がなまっています。コイルの出力は電流に比例します。
コイルの仲間を駆動するアンプは理論上は電流帰還がいいらしい。
でも、これはコイルの逆起電力を逃さないため
スピーカーの制動が効かないとオーディオ業界では蹴られてしまっているようです。

ボイスコイルモーターのテクノロジを使う

ボイスコイルモーターはダイナミックスピーカーとほとんど同じ原理で動くモーターです。
パソコンがソフトを起動するときのコリコリいっている音は
パソコンの中のハードディスクの中の円盤からデータを読み出す
ヘッドの位置を素早く変えるためにボイスコイルモーターが動く音です。
これを制御する制御システムは科学的にしっかり作られていて
とても精密です。

ボイスコイルモーターのテクノロジはどこ?

はい、そう簡単に見つかりません。J-platpatをあたるのです。
特許はひとりの趣味で使う分には、優先権の主張がなければまず大丈夫です。
回路図を売ったりアンプ売るのは特許侵害
また各企業は特許侵害にあたらず特許を回避する方法をよく考えています。
あと出願から20年たって切れた特許はまったく自由に使えるはずです。これが重要で科学の発展を促します。
ジェネリック医薬品[検索]

検索するのは
Fタームの検索式に5H540BA06
その他うまい方法があるかも
1980年以降にハードディスク、CDのピックアップのテクノロジが発達して特許が増えます。

特許を読むのは難しく自分も説明されていることをよくわかっていないです。
しかし、最後にまとめて載っている図が大ヒントです。
多くはヘッドの位置をディスクの位置情報マーキングなんかから
CPUに持ってきてプログラムがヘッドの位置を決める、PWM制御のですが
アナログ回路が載っている特許があります。
これは細かい制御をDACからのアナログ信号でする切り替え回路が付いているのです。
これらが参考になります。

磁気ディスク制御装置 <追記! アナログ動作の時の等価回路付き
コイルを有する駆動源の駆動回路
(WO/2009/150794)モータ駆動回路
特開2007-74835

重要な切れていると思われる特許

  • 特開昭63-220787

  • 実開平2-44899 (実用新案)

  • 特開平01-099486



どの特許もたんに入力に出力をあわせるような制御ではなく
入力とフィードバック値を勘定して駆動増幅器の入力にいれているのと
電流帰還になっているものもある。
スピーカーにブレーキをかけるには、ショートすればいい。
これらの回路に負荷に電池が接続されるとそこから電流を吸い取ります。
電池なんてアンプの出力にはつながないだろう?
いいえスピーカーは外部の振動で発電するのです。これがスピーカーがじゃじゃうまな理由のひとつ。
自分自身に与えられた電気に抗う電気を自分の振動で出すのです。これをうちけす。
正確な位置へボイスコイルモーターの針を素早く持ってこれるのがこの種の回路なのです。これは高速な読み書きと精密な制御を可能にする。

またよくみると全体の回路だけではなくて出力段のトランジスタで組む回路の特許もあります。
これらもそのままオーディオアンプの出力段の参考になるでしょう。
結構説明が長いので頑張って読み解けばヒントになるかも。

なおアクティブサーボテクノロジーによくにていると書きましたが、
ASTは帰還の極性が逆なんですね。ということはどっちがいいのか勝負だ
なおASTのほうも特許が切れているはずです。

実際に使ってみる

まずはヘッドホンアンプです。

実際にASTを実験してみた

20150701
ASTヘッドホンアンプ回路図
ASTヘッドホンアンプ実体配線
電源はNi-MH四本±2.5V パスコンはなんと積層セラミックで106 タカオ電子だけにあると思う OP213FPというオペアンプを使用 これもレアものでタカオ電子で取り寄せよう
というか、普通に音質のよいといわれるオペアンプで大丈夫と思います

はい。黒色の抵抗が重要で、多すぎると省エネにならないと少なめ、差動増幅器のゲインをあげたが
2.2オームでもシー音があって 1.2オームにしました。それでも少しあります。
接触不良の調整が必要です。調整しないとザーッと雑音が盛大に聞こえます。
今回使ったヘッドホンはEAR SUITというオーディオテクニカの安いものです。直流抵抗は34.2Ωでこれにあった回路を作ります。例の自作サラウンドヘッドホンはインピーダンスが一定しません。
したの方のオペアンプでスピーカーに流れる電流波形を入力電圧の半分ぐらいまで増幅して、まぜます。
あまりに増幅するとおそらく出力電圧が電源電圧まであがって戻りません。

入力は iPhone4Sのヘッドホン端子と勝負だ
iPhone4Sだけ CDの音がする Appleのはよくできている。澄み切っている。
ASTヘッドホンアンプ 何かiPhoneにつなぐとシーって音がする。聞こえる。ところが曲をかけると音が生きている。
マルチトラック録音したような曲でも楽器の音や声が生きている。よくわからないがレコードの音か?
うーん。サブウーファー向け、とは限らない。ラジオの再生回路見たいなしかけは、
なにかオカルト的な効果(雑音が多いのにより元信号よりさらなるもとの音に忠実...だと?)がありそうです。
もしシー音が我慢できるなら10kΩを2倍ぐらいにあげることが出来ます。

ボイスコイルモーター駆動回路特許から


20150702 厳密に回路を設計
ボイスコイルモーター駆動回路ににている
メインのオペアンプは加算器です。したの差動アンプからの電圧は入力電圧と引き合い、15分の1になります。
それを15倍に増幅します。ということでゲインは2〜3倍ないと思います。
ところが抵抗負荷で考えないで、スピーカーがじゃじゃ馬をするとそれが-15倍に増幅されて止まる仕組みです。
なお非反転増幅でやろうとすると盛大に発振します。
また、2.2ΩはEAR SUITの34Ωに対して決めているので、ヘッドホンの直流抵抗の17分の1です。
これもiPhone4Sと勝負したのですが、こっちの方が、やはり音がいいです。歪みもありません。が先ほどのASTのインパクトは大きくて、
そんなに感動はしませんでした。

さああなたはどれを選ぶ

ASTとボイスコイルモータードライバー 私の選択はASTです。
しかし、シー音がうざいとか、ひょっとするとEAR SUITにはこれが向いているんだとか、いろいろあるかもしれません。
両方やってみてください。なぜかというと理屈の上ではボイスコイルモータードライバーのほうが明らかに優れているからです。

Yoshii9の付属のアンプの回路のなぞ

あの亀型のアンプについては
自分のYoshii9に似た自作スピーカーで実験したんですが
どうも、色々とアンプの回路を変えても 音質評価に問題が出てしまって
よくわからないのです。
2chのタイムドメインのスピーカー Part18 というスレッド

879: 名無しさん@お腹いっぱい。 2011/02/23(水) 17:57:48.68 ID:lA/g+tU0 ID検索

タイムドメイン大学での、アンプについてもとても面白かった。

・フィードバックでは原音以外の信号も混ざり、原音を濁すと。→無帰還アンプ?
・アンプの出力インピーダンスは、0オームに近いほどよいこと。→エミッタ抵抗排除?
・振動とくに縦波が原音を濁らす原因になるということ。→電源トランスとの分離・集積回路・表面実装部品の多用?

そうやって開発を進めたのがYA-1なのだろう。ということは、恐らくYA-1は、
無帰還アンプで、出力インピーダンスは極低く、縦振動に対する対策が
十分に成されているのだろう。

富士通テンのアンプもタイムドメイン的な設計思想で作られているのだろうか。
他にタイムドメイン的な設計思想で作られている市販のアンプがあれば知りたいし、
聴いてみたい。通常のディスクリートアンプでも、小型の剛性の高い箱に入れて、
内部に絶縁性の硬化樹脂でも充填すれば、振動制御ではタイムドメインに似た
アンプになるのだろうか。無帰還で出力インピーダンスを小さくするのはとても難しそうだ。

スピーカーはともかく、アンプなどはスピーカーに比べて十分な性能を持っていると、
個人的に勝手に思いこんでいたので、アンプの素子の質、歪み率、出力ワット数など
よりも重要な問題が、タイムドメイン理論では、スピーカーだけでなく、アンプにも
当てはまるのはとても意外だった。


こんな記述があって、驚いてしまいます。
Youtubeのこの講義を聞いてみると、声が聞こえづらくいですがこのようなことを本当に言っているようです。
ただアンプの出力インピーダンスは、帰還ループで低くなるのではなく裸でのインピーダンスで限りなく小さいということのようです。
タイムドメインというのは周波数だけでなく、位相も合わせる発想からきており、
ごく短い間最大に入力を加えた後0に戻すインパルスを忠実に再現することが大事とされます。

また吉井さんのアンプの特許はアンプの回路ではなく、振動を止める構造の特許ばかりです。

実際につくってみる(電流駆動になったけど)

フィードバックをかけずに、安定したアンプを作る・・・ん?
カレントミラー回路なら うまくいくかも。
続ヘッドホンアンプ<こんな記事がある。これはいいかも!
どうせなら、エミッタフォロワをやめて本当に無帰還にしよう。
カレントミラーアンプ
サイトの説明通り本当にフラットで音声が生きています。
ここまで本当に違いが現れるものですね。
学校の電子技術科にいた頃先生がオーディオアンプについて
「あなたは複雑な回路を組みたいだろうけれど 単純なものがいいんだよ」
というかんじのことを言ってたのを思い出しました。
また、他のサイトでもトランジスタ1石などあっけなく簡単な回路が音質が良いと説明されることがままあります。
これがオーディオなのです。駆動のやり方を科学するというよりアーティスティックな回路でも評価が高い。

吉井さんは低インピーダンスと言いながら、Yoshii9のスピーカー配線は結構細いらしいので、
アンプが電圧駆動回路とは考えづらく、このような単純な方式かもしれません。

「電力」アンプ

電力駆動アンプなるものがあるらしい!
スピーカーの出力は結局電力に比例し、スピーカーのインピーダンスなんという数字は最低インピーダンスであり、
周波数によって何倍にもなるから入力電圧に比例する電力を与えるべきだというのです。
電力(改良型電流帰還)ヘッドホン・アンプ
更に製品化されまして
■電流帰還式ヘッドフォンアンプ [ AD00031 ]
このようになりました。
他のアンプと絶対に違うとか、高音、低音が強調されるとか、科学的だ、次世代だとか、他のメーカーが使わない強烈な表現!
かなりの自信を持っているように思われます!
これがあればラウドネスや低音増強、イコライザーがいらないかもね。

最近人気のClassAA回路も不可解ですが同じような考慮があるかも知れません。

さいごに

アンプはずーっと電圧制御でしたがデジタルアンプじゃ制御アルゴリズムはいろいろあるはずです。
従来の型にとらわれない制御の仕方をするデジタルアンプは
スピーカーの特性を自身がよく認識するものになるでしょう!

このままでは科学的に有利な方法に一歩二歩抜かれてしまいますよ?

普通のみんなやってる駆動方式は飽きてもいいでしょう。
オーディオに新たな驚きがほしい。
もっと科学的に追求してほしい。
ダイナミックスピーカーの特性を把握し、オペアンプの中身でなく最適な駆動方式を追求することで、
さらにさらにオーディオが良くなってゆきますように。
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