D級アンプにおけるオペアンプの音質への影響 その6

自励発振式のD級アンプにおける2回路オペアンプの積分回路でのIcmrr(IbとVcmの傾き)の評価をまとめておきます。

こちらの資料を参考にしています。

ppmレベルの精度のオペアンプ回路は実現できるのか?

ICMRR

入力信号のコモンモード・レベルに関連するのは、入力バイアス電流と、電源に伴うその変化であるICMRRです。
図1に示したように、ICMRRは4つに細分化されます。記号の折れ線は、バイアス電流が電圧に応じて可変であり、線形でない可能性があるということを表しています。2つの入力のバイアス電流とレベルへの依存度は異なる可能性があります。また、各入力は、両方の電源に応じて独立して変化します。ICMRR(合算することによりバイアス電流が決まります)により、アプリケーション抵抗の値との乗算で決まる電圧ノイズが生成され、回路全体のオフセット電圧が増加します。

ppmレベルの精度のアンプ回路は実現できるのか?

データシートのグラフから算出したIcmrrをまとめておきます。

ppm レベルの精度を得るために必要なオペアンプのパラメータの比較

IbとVcmのグラフをデータシートより引用します。

OPA2227

OPA2227

ADA4001-2

ADA4001-2

ADA4075-2

ADA4075-2

OPA2134

OPA2134

LT1057

LT1057

LT1213

LT1213

LT1113

LT1113

JFT入力のオペアンプはIbが小さいので問題になりませんが、BJT入力のオペアンプは注意が必要です。

なお、OPA2227の値が小さいのは入力バイアス電流を内部で補償しているからのようです。

D級アンプにおけるオペアンプの音質への影響 その5

自励発振式のD級アンプにおける2回路オペアンプの積分回路でのTHD+NとVosの評価をまとめておきます。

こちらの資料を参考にしています。

ppmレベルの精度のオペアンプ回路は実現できるのか?

一方、オーディオ・アンプに相当するオペアンプ製品の場合、かなり安価であるのにもかかわらず、歪み性能が非常に高いものがあります。

但し、オフセットと1/fノイズを抑えるようには設計されていないため、それらの性能は良好ではありません。

また、この種のアンプも、おそらく10kHzを超える領域では、高い歪み性能を発揮することはできないはずです。

ppmレベルの精度のアンプ回路は実現できるのか?

そこで、THD+NとVosの関係に着目してみます。

データシートの値とD級アンプ・アプリケーションでのVosの実測値です。

ppm レベルの精度を得るために必要なオペアンプのパラメータの比較

THD+Nの周波数特性のグラフをデータシートより引用します。

OPA2227

OPA2227

ADA4001-2

ADA4001-2

ADA4075-2

ADA4075-2

AD8672

AD8672

OPA2134

OPA2134

LM4562

LM4562

LT1213

LT1213

LT1113

LT1113

THD+Nは1kHzの値がよくても10kHzから20kHzにかけて2-10倍程度上昇するようです。

また、VosとTHD+Nはトレードオフになるようです。

D級アンプにおけるオペアンプの音質への影響 その4

自励発振式のD級アンプにおける2回路オペアンプの積分回路での精度の評価をまとめておきます。

こちらの資料を参考にしています。

ppmレベルの精度のオペアンプ回路は実現できるのか?

図と表を引用します。

オペアンプの誤差源
ppm レベルの精度を得るために必要なオペアンプの仕様
ppm レベルの精度を得るために必要なオペアンプのパラメータの比較

比較したオペアンプは以下の11種です。

OPA2227

ADA4001-2

ADA4075-2

AD8672

OPA2134

LM4562

MUSES8920

LT1057

LT1213

NJM2068

LT1113

積分回路は容量を介してFBをかけるため、電源や電流に関連するパラメータ(in, Ib, PSRR, Isc)の影響が大きくなると思われます。

実際のD級アンプで試した積分器に適したオペアンプの中では、ADA4075を基準として、OPA2227, ADA4001-2, ADA4075-2, AD8672, OPA2134, LM4562あたりでしょうか。

D級アンプにおけるオペアンプの音質への影響 その3

自励発振式のD級アンプにおける2回路オペアンプの積分回路でのノイズ密度の評価をまとめておきます。

こちらの資料を参考にしています。

最適ノイズ性能を得るための低ノイズ・アンプ選択の手引き

オペアンプを使った積分器

低ノイズ設計に適したオペアンプの選択
性能指標(Rs,op)の計算

プロットしたオペアンプは以下の9種です。

OPA2227

ADA4001-2

ADA4075-2

AD8672

OPA2134

LM4562

LT1057

LT1213

LT1113

Rs,opが1MΩを超えるJFET入力オペアンプ(LT1057, ADA4001-2, OPA2134)は1MΩの軸上にプロットしています。

また、基準となる積分回路の信号源抵抗は2.7k||56k=2.6kΩ, ジョンソン・ノイズ6.4nVrtHzとして、プロットしています。

実際のD級アンプで試した積分器に適したオペアンプの中で、低ノイズ設計に適したオペアンプは、LM4562, ADA4075-2, OPA2227, AD8672, LT1113となるようです。

D級アンプにおけるオペアンプの音質への影響 その2

自励発振式のD級アンプにおける2回路オペアンプ(積分回路と減算回路)のVs=+-5Vでの音質への影響をまとめておきます。

D級アンプ用オペアンプ比較表 その2

比較対象のオペアンプは以下の11種です。

OPA2227

ADA4001-2

ADA4075-2

AD8672

OPA2134

LM4562

MUSES8920

LT1057

LT1213

NJM2068

LT1113

比較表のデータシートの値(GB積、スルーレート、オープンループゲイン、CMRR, PSRR, 入力オフセット電圧および温度ドリフト、消費電流)はVs=+-15V, Vcm=0V, Ta=25degCのTypicalでまとめています。

実際の動作条件はVs=+-5Vで、回路構成としては積分回路(LPF)と減算回路(比例制御)で利用しています。

また、実際のD級アンプに実装した際の出力電圧のオフセットの実測値(L, R)から算出した絶対値の平均でソートしています。

積分精度への影響が大きい、オープンループゲインとオフセットのよいオペアンプを選択していますが、実際の回路での電圧オフセットの実測値は、必ずしもデータシートの値とは比例しないようです。

D級アンプの電圧オフセットの実測値がよいオペアンプは、OPA2227, ADA4001-2, ADA4075-2, AD8672でした。

D級アンプにおけるオペアンプの音質への影響

自励発振式のD級アンプにおける2回路オペアンプ(積分回路と減算回路)のVs=+-5Vでの音質への影響をまとめておきます。

D級アンプ用オペアンプ比較表

比較対象のオペアンプは以下の8つです。

LM4562

MUSES8920

LT1213

NJM2068

OPA2134

ADA4075-2

ADA4001-2

LT1057

比較表のデータシートの値(GB積、スルーレート、オープンループゲイン、入力オフセット電圧および温度ドリフト、電圧ノイズ密度(10Hz)、消費電流)はVs=+-15V, Vcm=0V, Ta=25degCのTypicalでまとめています。

実際の動作条件はVs=+-5Vで、回路構成としては積分回路(LPF)と減算回路(比例制御)で利用しています。

また、実際のD級アンプに実装した際の出力電圧のオフセットの実測値をL, Rおよび絶対値の平均もまとめています。

最後に、オペアンプの実売価格を参考としてあげています。

パラメータの選定に関して、D級アンプ全体の音質への影響としては低周波での積分回路におけるオープンループゲイン、入力電圧オフセット、電圧ノイズ密度が支配的と考えています。また、入力電圧オフセットの温度ドリフトおよび温度上昇に影響する消費電流も変動要素として支配的と考えています。

結論として、これら8つのオペアンプで音質的に大きな変化がある回路ではないですが、それでも実際の聴感で判別できる程度の差異はあります。

傾向と特徴をあげておきます。

  1. オープンループゲインの増大に伴い、音の躍動感が増す。(LM4562, MUSES8920, LT1213)
  2. 電圧ノイズ密度の減少に伴い、音の奥行き感が増す。(ADA4075-2)
  3. GB積の大きなオペアンプで、最終的な電圧オフセットが大きくなるものがある。(LT1213, NJM2068)

積分回路の低周波数特性 その2

積分回路の低周波数特性の改善回路を実装してみました。

積分回路の低周波数特性の改善

写真の斜めに付いている抵抗アレイの基板(2012 x4)を2枚スタックしたものが実装した回路で、ECHU(X)(680Fp x2, 330pF)とRG(1MΩ x3)を使用しています。

ADA4001-2では、ノイズが大きいですが、OPA2134では問題ない感じです。低域のオープンループゲインの違いによるようです。音質的には床鳴りがズンズンくる感じになります。

抵抗値が大きすぎるようなので、再度、SPICEシミュレーションをしてみました。{(680p, 470p, 330p), (1000k, 100k, 10k)}で最適な組み合わせを見つけます。

積分回路の低周波数特性(回路図)
積分回路低周波数特性(AC解析)

{680p, 10k}(緑)の組み合わせで、低域の位相が90度で平坦になり, ゲインも20dB/Dec(20-20kHz)となるのでよいようです。

積分回路の低周波数特性

積分回路の低周波数特性に関してまとめておきます。

これらの資料が参考になります。

AN-357 オペアンプを使った積分器

Introduction to Capacitor Technologies: What is a Capacitor?

実際の回路として、電流モードD級GaN FETアンプで、2次のCRフィルタを用いた積分回路を利用しています。

しかしながら、100Hzよりも低域の周波数応答に関して非線形性があります。そこで、AN-357に出ている低周波AC積分器の回路を適用して改善できるか、LTspiceでシミュレーションしてみました。

この回路を1次側もしくは2次側のCに対して適用すればよいようです。

ADA4001-2のオープンループゲインを示します。400Hzから下の帯域はフラットです。

ADA4001-2

こちらが、元の2次CR積分回路のシミュレーションモデルです。

2次CR積分回路

2次CR積分回路のAC解析です。オペアンプの出力電圧で見ています。100Hzと100KHz付近にポールができるようです。

2次CR積分回路のAC解析

次に低周波2次CR積分回路のシミュレーションモデルです。反転入力端子側のCに低周波AC積分回路を適用しています。

低周波2次CR積分回路

こちらが、低周波2次CR積分回路のAC解析です。20Hz-20kHzでほぼ線形になります。

低周波2次CR積分回路

実際の音質への影響は、実験してみるしかありません。

差動増幅回路のCMRRと抵抗精度

差動増幅回路のCMRRと抵抗精度に関してまとめておきます。

これらの資料が参考になります。

AN-589 ディファレンス・アンプの性能最適化法

Analog Dialogue 48-02 差電圧アンプ回路の“落とし穴”

RAQ Issue #165 ディファレンス・アンプ回路の抵抗は外付けでよいのか?

実際の回路として、電流モードD級GaN FETアンプで、出力LPFの前後の電圧を比例制御するためにユニティゲインの差動増幅回路を利用しています。

LPF通過後の電圧は差動増幅回路の反転入力に加算回路として取り込むため、抵抗内蔵型の差動増幅アンプ(LT1995など)が利用できません。

また、フットプリントを削減するため、積分回路と差動増幅回路は2回路のオペアンプ(ADA4001-2など)で構成している点も外付けの抵抗にするもう一つの理由です。

実際に、1%精度のMFS25F1KBから0.1%精度のRG2012-N-102-B-T5の4つの抵抗を変更してみました。CMRRが約20dB向上する計算です。

RG2012-N-102-B-T5

写真中央の抵抗アレイ作成基板2つにそれぞれチップ抵抗を2つずつ載せてADA4001-2の2回路目の反転入力および非反転入力に実装しています。

音質の変化としては、ドラムのキックなどの打撃音の押し出し感が増すようです。

電流モードのD級GaN FETアンプのバランス入力化

グランドループを解消するために、HD400を利用していましたが、

SSM2141を組み込んでみました。

LTSpiceのシミュレーションで動作を確認してみます。

10kHzの正弦波(バランス入力:緑(Hot), 青(Cold))による過渡応答です。振幅が2倍になってアンバランス出力(赤)されます。

アンバランス出力のFFTです。

データシートのとおり、CMMR 20kHz 70dB typ程度となっています。

実際の基盤に組み込んだところです。ADP4001-2のソケットに下駄基盤を挿入して、SSM2141をADP4001-2の前に割り込ませています。また、入力信号をグランドから独立させるためにパターンカットもしています。

アンプの入力コネクタもNC3FD-LX-0に交換しました。

音質的にはHD400にくらべて、SSM2141の方が低域が太くなって広帯域に感じます。