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D級AMP考 ~ バランス駆動に拡張

スピーカー駆動を見据えて、次はバランス型(差動回路)に挑戦(w)。これならば、以前に考察した「出力がレール・トゥ・レールにならない」問題を実質的には解決し、出力振幅を大きくできます。

バランス型出力なので、片電源でもOCLにできます。


バランス型D級アンプ

DClassAmpBalanceFig2-2

Fig2-2 バランス型D級AMP

  この回路では、積分器(CR型)を二組用意しています。積分器を一つにし、論理的な反転で、バランス出力を駆動する手もありますが、LCフィルタ以降のバラツキがパワー段に及ぼす影響を考慮して、このようにしています。積分器を1つにした場合の評価はしていません。

  積分器を2つ用意していますので、入力もバランス入力となります。今回は、片方の入力はGNDに固定して、シングルエンド入力にしています。2つの積分器の出力をコンパレータで比較し、その差が0になるように動作をさせています。

  バランス出力の駆動に対称(特に伝搬遅延)とするため、入力の接続を逆にしたコンパレータを2つ使用しています。

FFTのよる高調波歪の評価ですが、以下のようになります。

FFT_Fig2-1vsFig2_2

  赤がシングルエンドの回路(前回の回路、Fig2-1)、緑が今回のFig2-2

  2次、4次の高調波が圧倒的に小さくなっているのがわかります。差動アンプでよくいわれるとおりですね。よく見ると、7次以降の高調波はむしろ大きくなっていますが、基調波との差は-100dB以上になっているので、音質に影響をあたえるレベルで聞こえることはないと思います。ノイズシェーピングがより効いていると解釈することにします。

このまま、ヘッドホンアンプにしてみるのも面白そうです。

たぶん、(倒産して) Cirrusに買収されたTripathのTA-2020とかはこんな構成なのだろうと思います。

なお、積分回路を作動回路で構成することもやってみましたが、ちょっと使いづらいところもあるのがわかったので、どうしようかな…と考えているところです。

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D級AMP考 ~誤差積分型(CR積分)

NabeさんのD級ヘッドホンアンプを出発点にして、今回の一連のシミュレーションによる考察を経て、なんとかスピーカーを駆動するアンプが作れそうな気がしてきたので、更に考えてみることにします。

誤差積分型(CR積分)

積分器をCR型積分器にして、高速コンパレータを使った回路。nabeさんの改良版を誤差積分に変更したものです。

DClassAmpFig2-1

Fig2-1. 誤差積分型(CR積分) シングルエンド、自励式

LT-Spiceシミュレータを使うために、コンパレータはLT1715(Tpd=4ns)にしています。CMOSのバッファはSpiceモデルの関係で74HC04の8パラとしています。バッファ→インバータと変更した関係で、コンパレーターの入力端子の接続も逆になってます。CMOSロジックは、普通のバッファ/インバーターを使用するなら、インバータの方が段数が少ないので高速ですしね。電源電圧±2vで、シミュレーションでは30MHz弱になりました。

ゲインも入力とフィードバック回路の抵抗の比を少しいじり、ゲインが(絶対値で)1より若干大きくなるようにしています。

  実際に回路にする場合は、74HCではなく、74AHCとか、74VCXを使うことで更に高速になります。74AHC/74VCXは74HCと比べて出力電流が強化されていますので、たぶん74AHC/74VCX 3パラくらいで74HCの8パラとほぼ同等になると思います。

  出力バッファに双方向性バッファ(74AHC245や74AHC640など)を使うことで、サグ取りを目的としたダイオードを省略できる可能性があります。74AHCは入力に保護ダイオードがあり、これが同じ役目を果たしてくれることを期待しています。74vcxは電源電圧より高い入力電圧にトレラント性があるので、保護回路の構造が異なると思います。

  更に、コンパレータにロジック素子のインバーターを使うことも考えられます。以前の記事のFig.1-2が相当します。

テーマ:オーディオ - ジャンル:趣味・実用

ここまでのまとめ ~ nabeさんのDHPAをいじってみる

まだ、nabeさんのD級ヘッドホンアンプをいじってますが、フルスイングしないっていうか、出力がレール・トゥ・レールにならない理由は大体わかりました。

Gainの設定を1にした場合に、入力電圧が、電源電圧に近づくと積分器の電圧の変化が非常に遅くなり、自励式の場合は、スイッチング速度が下がってしまい、結果として音質が劣化する、ということのようです。

対策は、入力にディザを加えれば良さそうですが、あまり回路を複雑にしたくないのと、nabeさんの改良版同様、スイッチング速度を上げる方針にしたので、シミュレーション時間がとってもかかるので、とりあえずこの案は、保留。

ここまでのまとめだが、

誤差積分形の改造が、nabeさんのオリジナルの回路と異なるところは、

(1)原理的には、より良い性能をだせるはず。

特に、出力段の波形がキレイに方形波になってない場合でも、誤差積分器によって平均値をとるためひずみが減らせる可能性がある。これは、出力段の動作電圧を上げて、MOS-FET化した場合に有利になるはず。

また、(結果的に)入力信号の積分を行うので、例えば、DSDのストリームをそのまま入力しても、それなりに動作するはず。

  ただし、音質はnabeさんの試作では、聴感上はむしろ悪いとのことなので、なんとも… (考えられる一つの原因は、次項の電源電圧の問題)

(2)出力がレール・トゥ・レールにならない

電源電圧を上げるしか、根本的な解決にはならない。自分で作るなら、ポタアンの場合でも、電池はLiポリ電池にするので、大きな問題とは考えていない。

(3) オフセット・キャンセル調整がし易い

nabeさんの回路だとちょっと工夫がいりそう。

(4) CRの定数の範囲が広い

原理的には、積分器が飽和しない限りは動作する。

(5) スイッチング周波数を上げづらい

OpAmpを使った積分器を使うと、どうしてもnabeさんの回路ほどスイッチング周波数が上げられない。ちゃんとした、積分器をやめて、CRのみの簡易的な積分器にすれば(9/15に書いた記事の、Fig1-2が相当する)、スイッチング周波数の問題は解決するが、積分器の非直線性がどのように影響するかが、数値的な解法では非常に難しい。

(6) ゲインの調整範囲が広い

回路は、DC的には、OpAmpの反転増幅回路に類似しているので、ゲインの調整範囲は原理的に入力の抵抗と電力段からのフィードバック抵抗の比で概ね決まる。

最終的にスピーカーを駆動することを考えているので、電源電圧を上げて、出力電圧を上げるのには有利なはず。

(7)入力インピーダンスをあまり高くできない

同じく、OpAmpの反転増幅回路の特性だが、オーディオ用に使う分には、実用上問題のない範囲にできる。

 

テーマ:オーディオ - ジャンル:趣味・実用

Für Elise ~エリちゃん、トランポに乗る orz

はい。ついに、動けなくなりました。

OnTheTransporter20141012

トランポのお世話になりました。 キワモノの外車の「壊れた自慢」はジジイの「病気自慢」みたいなものですが、、、

Lots

Of

Trouble

Usually

Serious

状況としては、リバース・ギアに入らなくなってしまいました。シリーズ3は、ギアノブにリバースのインターロックの輪っかがあるのですが、それを引き上げてもインターロックが解除されなくなったようです。前進は問題なさそう。

ドライブから帰ってきて、自宅の車庫に収めようとしていた時に起きました。一回切り返しをして、バックで駐車するのですが、車庫の前が坂道であることをいいことに、いつもと同じようにずぼらして、一回目のバックは、クラッチを切るだけで自重で下がってすませました。前に進めて、いざバックしようとしたらこの体たらく。

OoO20141012

前進はできそうですが、既に前はギリギリまで出しているので、どうしようもない。。。

もう一人人手があれば、車を少し後ろに押してもらい、自重でバックできるだろう。一人でやることも考えたが、坂道なんで大惨事が起きそう。

しかたないので、Lotus なんちゃらサービスに電話し、トランポをお願いしました。たぶん自走できたと思うけど、大事をとった次第。サービス工場も台風前で、迷惑だろうがやむなし。ついでにオイル交換と、細かいトラブルも伝えました。

ーー

それはそうと、ドライブは東名で御殿場→長尾峠→県道736号→宮の下と通ってさっさ帰ってきたのだけれど、「国道1号も朝8時なら、上りは空いとるわ」とか思いながら調子にのって飛ばしていたら、宮の下の少し下のセンターラインが安全地帯になっている下り右コーナーで、ちょっとオーバースピード。

すこしアクセルを戻したところで、右リアが安全地帯のホコリを踏んでしまい、ゼブラマークに合わせて「ギャッギョッギャッギョッギャッギョ」っと盛大にスキール音を立ててしまった。ミドエンジン車の常として、アンダー強めにセッティングしてあるのだけれど、リアのグリップの限界がつかみにくい上、リアのグリップを失うといきなりスピンモードになる(シリーズ3はLSDの設定がないし)ので、ちょっと「覚悟」もしたが、DPM(簡単にいえば、スピンしないように、フロント外側を主にブレーキをかける)のおかげが、ステアリングはニュートラル位までカウンターをあてて、特にオツリを食らうでもなく切り抜けた。

対向車線の車の人たちは、「ドン引き」してました。ゴメンナサイ。

走行距離も1万Kmを越え、慣れてきたつもりだけど、ちょっと気を抜くと、牙を剥く。

もともとそれほど運転が上手いわけではないのは自覚しているのだから、もう少し自重しなければ…

 

 

テーマ:愛車 - ジャンル:車・バイク

フルスイングしない対策(暫定) その2 ~ nabeさんのDHPAをいじってみる

まだ、続きをやってます。 フルスイングしない根本的な原因を考えてみました。回路としては、リングオシレータみたいな自励発振回路なので、ループ中の遅延がある程度ないと、フルスイングしないのは、当然といえば当然。とはいうものの、遅延をあからさまというか、明示的に入れるのは、前回考えた、バッファをもう一段追加するくらいしか思いつかないですよね。

もともとの回路では、出力段を兼ねているコンパレータの出力が変化しだして、フルスイングが完了する前に、誤差積分器が反転してしまい、コンパレータを反転させてしまうってのが、フルスイングしない原因であると。

じゃあってんで、コンパレータにヒステリシス特性を持たせて、一度反転したら、フルスイングが完了する位まで、反応しないようにしてみました。

Hysteresis20141019

 

ヒステリシス幅は適当だが、これでフルスイングしない問題はとりあえず解決しますね。ヒステリシスはコンパレータの動作に誤差を与えることになるので、理論的には特性を悪化させる方向に働きます。しかしながら、シミュレーションの結果では、フルスイングしない場合よりも(当然)良くなりますし、nabeさんのオリジナル回路よりも、良くなるようです。

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まとめ

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