アナログレコードをハイレゾで楽む～悩ましいOPAMPのDC出力電圧
2020.04.24
今回のRIAAフォノイコライザーは、DCアンプ動作が基本となるので、無音状態のカートリッジを接続しても、DC出力電圧が発生してします。好ましくないため、LT1028Aおよび、LME49710の選別で、ある程度低減できましたが、電源投入後のふらつきと、MM/MCの切替で変わってしまうなど、問題が残ります。
今回使用したLT1028Aデータシート中の応用回路例では、DCカットコンデンサー入っていませんでしたので安心していましたが、気になったのでデータシートを調べてみると、LT1028Aはバイアス電流が、±30nA(Typ.)と思ったより少ない値でした。ところがLT1028Aの入力段トランジスタのバイアス電流は、雑音特性を良くするため、なんと4.5uA必要になっているようです。さらに調べてみると内部バイアス電流補償回路で、±30nA(Typ.)に抑え込んでいました。
ここで、30nAでもMMカートリッジでは、500Ω程度の直流抵抗があるため、15uVのオフセット入力電圧を発生させてしまい、MMでは、1,000倍の直流ゲインがあるため、15mVのDC出力電圧を発生させてしまいます。MCでは、10Ω程度の直流抵抗があるため、影響は少なくなります。いずれにしても、カートリッジに直流電流が流れることになるので、好ましいわけではありません。
FET入力OPAMPに乗せ換えると、バイアス電流が減りMMカートリッジでは、出力電圧の問題はありませんが、MCカートリッジの雑音特性が犠牲になります。悩ましいことです。
そこで、外部バイアス補償回路を考えてみることにしました。MMカートリッジを接続していない状態で、入力端子のオフセット電圧を測定すると、-0.8mV～-1.1mV（47KΩに発生するバイアス電圧）でした。この値であると、20nA程度のバイアス電流の吸い込みがあることが計算で求まります。具体的な外部バイアス補償回路は、入力抵抗47kΩのGND側にわずかな補正電圧をかけ、バイアス電流を相殺させることにしました。±50nA程度までトリマで調整できるようにしたところ、±0.1mV以下に追い込むことができましたので、2nA以下にできたことになります。補正電流の生成には、雑音源となる可能性があるツェナーダイオードではなくJFETによる定電流源を用い、さらに分流させて100Ωのトリマ抵抗に流し込みました。
さて、入力側でOPAMPのバイアス電流に注目しましたが、同じように出力側でよく問題になるのは、入力オフセット電圧です。これは、電源電圧・温度・個体差によってかなり変化します。今回のイコライザーは、高いゲインのDCアンプ構成ですのでなおさらです。オフセット電圧が小さい個体を選びましたが、オフセット電圧は、ふらつきが大きく、数10mVをうろうろしていました。これまた出力にDCカットコンデンサーを入れている例がありますが、音質に影響が出る可能性がありますので。DCサーボ回路を追加して、抑え込むことにしました。DCサーボといっても、OPAMP、抵抗、コンデンサーが必要で、オーディオ信号が積分されるため、歪源になりかねませんので、
①比較的低オフセット電圧で、オーデイォ用のOPAMPを使用する
②コンデンサーは、オーデイォ用を使用する
③ノイズ混入を避けるためフィードバックポイントは2段目のOPAMPの入力にし、ゲインを0.2倍程度に設定する（補正電圧範囲は±20%で、応答時間が5倍になる）
これで、雑音特性を犠牲にせず、数mVのオフセット出力電圧に抑え込めました。これで入力・出力コンデンサを不要にできました。下記が最終回路になります。
当初は、MMCF10基板のみで実現する予定でしたが、想定より多くの追加回路が必要になり、2つの外部基板を追加しました。スペースが限られているため、ユニバーサル面実装基板を用いました。全回路を1枚の基板にできたらいいのにとも思いました。
下記は、少し混雑ぎみのケース内部です。
PCで、192KHz24bitサンプリングを行い、用意しておいた「メンデルスゾーンのバイオリン協奏曲」とGrado Blue2で周波数スペクトル分析すると、Grado Blue2は、スペック通り、結構高い周波数まで伸びていました。ただ、PCによるサンプリングでは、PCが発生する雑音が回り込み、評価しにくいことがわかりました。
そこで、準備しておいた格安の中古TASCAM DV-RA1000HDを登場させることにしました。
デジタルサンプリング後、周波数分析ソフトウェア「WaveSpectra」で目視確認しました。
ピーク表示機能を使うと、周波数特性がきれいに出せます。
問題なくデジタルサンプリングできることがわかりましたので、SN比を計測してみることにしました。ターンテーブルにカートリッジを装着し、モーター駆動なしで電源を入れた無信号状態の信号を30秒間サンプリングしました。
下記は、MMカートリッジの場合です。
下記は、MCカートリッジの場合です。
外来ノイズ込みで、MMカートリッジの場合、-112dB@1KHz、MCカートリッジの場合、-98dB@1KHzでした。特定のノイズピークもなく、きれいな特性ではないでしょうか。
イコライザーの標準最大出力電圧を-6dB@1KHzに設定していますので、MMカートリッジの場合、SN比106dB@1KHz、MCカートリッジの場合、SN比92dB@1KHzとなります。当初の目標を十分クリアできているのではないかと思います。
今回使用したLT1028Aデータシート中の応用回路例では、DCカットコンデンサー入っていませんでしたので安心していましたが、気になったのでデータシートを調べてみると、LT1028Aはバイアス電流が、±30nA(Typ.)と思ったより少ない値でした。ところがLT1028Aの入力段トランジスタのバイアス電流は、雑音特性を良くするため、なんと4.5uA必要になっているようです。さらに調べてみると内部バイアス電流補償回路で、±30nA(Typ.)に抑え込んでいました。
ここで、30nAでもMMカートリッジでは、500Ω程度の直流抵抗があるため、15uVのオフセット入力電圧を発生させてしまい、MMでは、1,000倍の直流ゲインがあるため、15mVのDC出力電圧を発生させてしまいます。MCでは、10Ω程度の直流抵抗があるため、影響は少なくなります。いずれにしても、カートリッジに直流電流が流れることになるので、好ましいわけではありません。
FET入力OPAMPに乗せ換えると、バイアス電流が減りMMカートリッジでは、出力電圧の問題はありませんが、MCカートリッジの雑音特性が犠牲になります。悩ましいことです。
そこで、外部バイアス補償回路を考えてみることにしました。MMカートリッジを接続していない状態で、入力端子のオフセット電圧を測定すると、-0.8mV～-1.1mV（47KΩに発生するバイアス電圧）でした。この値であると、20nA程度のバイアス電流の吸い込みがあることが計算で求まります。具体的な外部バイアス補償回路は、入力抵抗47kΩのGND側にわずかな補正電圧をかけ、バイアス電流を相殺させることにしました。±50nA程度までトリマで調整できるようにしたところ、±0.1mV以下に追い込むことができましたので、2nA以下にできたことになります。補正電流の生成には、雑音源となる可能性があるツェナーダイオードではなくJFETによる定電流源を用い、さらに分流させて100Ωのトリマ抵抗に流し込みました。
さて、入力側でOPAMPのバイアス電流に注目しましたが、同じように出力側でよく問題になるのは、入力オフセット電圧です。これは、電源電圧・温度・個体差によってかなり変化します。今回のイコライザーは、高いゲインのDCアンプ構成ですのでなおさらです。オフセット電圧が小さい個体を選びましたが、オフセット電圧は、ふらつきが大きく、数10mVをうろうろしていました。これまた出力にDCカットコンデンサーを入れている例がありますが、音質に影響が出る可能性がありますので。DCサーボ回路を追加して、抑え込むことにしました。DCサーボといっても、OPAMP、抵抗、コンデンサーが必要で、オーディオ信号が積分されるため、歪源になりかねませんので、
①比較的低オフセット電圧で、オーデイォ用のOPAMPを使用する
②コンデンサーは、オーデイォ用を使用する
③ノイズ混入を避けるためフィードバックポイントは2段目のOPAMPの入力にし、ゲインを0.2倍程度に設定する（補正電圧範囲は±20%で、応答時間が5倍になる）
これで、雑音特性を犠牲にせず、数mVのオフセット出力電圧に抑え込めました。これで入力・出力コンデンサを不要にできました。下記が最終回路になります。
当初は、MMCF10基板のみで実現する予定でしたが、想定より多くの追加回路が必要になり、2つの外部基板を追加しました。スペースが限られているため、ユニバーサル面実装基板を用いました。全回路を1枚の基板にできたらいいのにとも思いました。
下記は、少し混雑ぎみのケース内部です。
PCで、192KHz24bitサンプリングを行い、用意しておいた「メンデルスゾーンのバイオリン協奏曲」とGrado Blue2で周波数スペクトル分析すると、Grado Blue2は、スペック通り、結構高い周波数まで伸びていました。ただ、PCによるサンプリングでは、PCが発生する雑音が回り込み、評価しにくいことがわかりました。
そこで、準備しておいた格安の中古TASCAM DV-RA1000HDを登場させることにしました。
デジタルサンプリング後、周波数分析ソフトウェア「WaveSpectra」で目視確認しました。
ピーク表示機能を使うと、周波数特性がきれいに出せます。
問題なくデジタルサンプリングできることがわかりましたので、SN比を計測してみることにしました。ターンテーブルにカートリッジを装着し、モーター駆動なしで電源を入れた無信号状態の信号を30秒間サンプリングしました。
下記は、MMカートリッジの場合です。
下記は、MCカートリッジの場合です。
外来ノイズ込みで、MMカートリッジの場合、-112dB@1KHz、MCカートリッジの場合、-98dB@1KHzでした。特定のノイズピークもなく、きれいな特性ではないでしょうか。
イコライザーの標準最大出力電圧を-6dB@1KHzに設定していますので、MMカートリッジの場合、SN比106dB@1KHz、MCカートリッジの場合、SN比92dB@1KHzとなります。当初の目標を十分クリアできているのではないかと思います。
2020.04.24 13:28
| 
