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2010年8月

2010年8月22日 (日)

LTspice4を使ってみる

 回路シミュレーションというと、SPICEが有名ですが、もともとは70年代アメリカ
の大学で、IC設計のために開発されたものです。
 教育機関でつくられたので、無料でしたが、出力されるのは数字の羅列で結果
をみてもすぐには何かわからない代物だったそうな。まあ当時のコンピュータ性能
からすれば仕方が無いのですが。
 この”純正”SPICEを使った本を見たことありますが、結果は直接は「PLOT」とい
うアスキーアートと同じ手法で出力されたグラフで、これで目星をつけて細かいとこ
ろは別途出力した数値データを手作業でグラフ化していてとても大変そうでした。

 今はこれではさすがに使いにくいので、民間企業がSPICEをベースにプリポスト
等を追加してグラフィカルに使えるようになってますが(商用SPICEというものです)
、有料なものが殆どで、アマチュアレベルでは購入できるものは少なかったです。
#2-3万位のもあるにはありますが...。
 よってそこそこ使える試用版を使うことが多かったですが、昔は書籍で盛んに紹
介されたこともあり、PSpiceの試用版が有名でした。ただ、最新版では制限が厳し
くなりあまり使えないので、今はまだ弱めだった時代のVersion9という古い試用版
を使うことが多いようです。(最新は16?かな)
 試用版の現在のお勧めはSIMetrixの試用版で、これは結構大きめの回路も解
析できるのでかなり使えます。フルセット版はオプションにもよりますが100万円近い
のでまあ当然です。(それでもプロ用のSPICEの中では安価なほうです。)直感的に
使えるのもいい。グラフからの演算機能も強力です。

 そんななか、最近アマチュアでもプロでも良く使われているのが、リニアテクノロジ
ー社が無料で公開しているSPICE系シミュレータ「LTspice」です。以前も書籍を
購入したときブログに書きましたが。これは基本的にはLT社のICモデルを付属
してシミュレーションしてもらうのが主目的なのですが、普通のモデルも容易に使
えるようになっています。
無料なのでアマチュアでよく使われますが、最近は不況の影響もあるのか国内
外の企業の現場でも普通に使われていて仕事でもたまに出てきます。なんとい
っても普通購入すると100万円単位でする回路シミュレータが、そこそこ使えて
解析規模制限もなく無料なので無理もないことです。
必要なモデルも最近は各社ネットで公開しているので、敷居も低いです。
(主に海外の他社の公開モデルもある程度最初から入ってます。昔は有料版使
う意義はモデルのサポートも重要だったような。)
SW電源回路でも収束しやすいよう過渡解析を調整してあるようですが、交流解析
も問題ありません。(標準表示が「ボーデ線図」なのはさすが電源回路向けですが
...。切り替えはできます。)

 あまり使ってなかったのですが最近仕事でもよく話に出てくるので使ってみる
ことに。さわった感じはかなりいい。操作性はまあ当然ながら有料版に及びま
せんが、必要最低限の機能はあります。GUIでは操作できなくても、Spiceの構
文で操作もできるのでたぶん自分でモデルを拡張すれば有料版に負けない位
の事は出来るようになると思います。(そこまで根性があればですが。)
 使いこなすにはSPICEの構文をある程度知っていたほうがいいと思います。

 モデル書式は説明書見る限りはSPICE3ベースみたいですが、PSpiceで使わ
れるモデル書式(方言)も通るようです。(SIMetrixもそうですが)よって、PSpice用
のモデルも基本的には書き直さなくても使えそうです。これは過去の財産である
自作モデルもそのまま使えてかなり助かります。
 一点注意は、トランジスタのモデルの命名で、このソフトは例えば"2SC2458"
とそのままでも認識しますが、PSpiceやSIMetrixではQ2SC2458と、頭にQをつ
けないと認識しません。よってつねにQをつけておく習慣をつけておいたほうが
、他のソフトに移行した場合悩まずにすみます。
(LTspiceを使った資料はつけてないことが多々あります。また三洋がwebで公開
しているモデルはQとか名前についてないので、自分でつける必要があります。)


 ポストでの波形の各種解析機能(例えば平均値や実効値の演算)は無いので、
色々計算したい場合は回路図上で測定回路組んで計算させるか別ソフトでやる
しかないでしょう。簡単な平均や最大最小実効値はシミュレーション時コマンドで
計算させることはできます。
各ノードの電圧電流間の演算は簡単に出来ます。よってインピーダンス等を計算
させることは可能です。

 試しに解析してみました。
 本ソフトでのアンプの解析記事はよく見るので、ここでは電源回路です。
 PhaseShift FullBridge カレントダブラ方式の14V 120Aの電源の解析例です。
 やってみると多少計算エンジンに癖があるようで、デフォルト値では異常に
解析時間がかかることがあります。(自作モデルの影響かも)ただ解析設定
を調整すると結構高速に解析するようになります。これだけできれば十分か
もしれません。

Psfb_lts1

Psfb_lts2 Psfb_lts3
右:ゲートパルス 左:各部の波形

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2010年8月16日 (月)

Media Player Classic - Home Cinemaが重い...

 最近動作が軽いので動画再生に主に使っているMPC-HC (Media Player
Classic - Home Cinema))が異様に動作が重いなと思っていたが、色々確認
したら、ウイルスバスタ2010が原因らしいことを確認。不正変更の監視機能
がMPC-HCが使うの何かの機能に反応しているようで、OFFにしたら正常に
戻った。
 エラーは出ないし特に、CPU負荷が増えているわけでもないのに、とにかく
何か操作するにも反応が遅く、音量調整もままならない状態でした。
(全ての環境でそうなるのかは不明です。)

 昔はそんなに重くなかったと思うのですが、とにかくVBは頻繁に自動更新に
行くので何時かの変更時から重くなったんだと思うがはっきりしない。
 正直VBは昔ウイルス防止ソフトのはずがPCクラッシャーになった前科が2回
ほどあるはずなんで、自分的には動作がおかしい時に最初に疑うべきソフトに
なっているな。

#現在はPCが特定の条件でクラッシュした場合、自動的に前のパターンファイル
をロードする機能が追加されているみたいです。

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2010年8月 8日 (日)

ヘッドホンを購入

 先日なにげにヘッドホンアンプ作ったおかげで、使ってたヘッドホンのほうも気に
なりだし、ついヘッドホンも新調しました。いままで使っていたのはSONYのMDR-
XD400
で数年前に購入したものですが未だに売られています。ヘッドホンは息の
長い製品が多いようです。

 ヘッドホンは本当にピンキリで2-3千円のものから10万円以上のものまであるん
ですが、好みもあるんで値段だけでは決められないものがあります。秋葉原の
ヨドバシは相当数聞き比べが出来る上、主要製品は別途リスニングスペースま
であるんで聞き比べるにはいいです。売り場では相当数試聴できるのは便利な
のですが、音量設定できないので個々に違うインピーダンスや効率に十分マッチ
していなく必ずしも最適な条件で聞けません。あと調子が悪いサンプルもありま
す。ただ聴けないよりはましです。自分で持っている携帯プレーヤーも繋げます
が、それで聞くわけでは無い人は割り引いて比較しないといけないでしょう。
(大型ヘッドホンは携帯機器だとドライブ不足で上手く聞けないのが多い。音質も
色付けされているし。)
#なおリスニングスペースのものは、アンプやCDを操作できるので調整できます。

 自分的にはあまり強調しないで自然な音質が好きなので、聴き比べた結果、
オーディオテクニカのATH-A900というものにしました。このシリーズ、1ランク下に
A700というものもあるのですが、音作りが全く異なり驚きます。A700は高音がシャ
リシャリして好みではなかったので、止めました。
 この機種特に情報は無かったのですが、価格帯も考えると結局一番好み
でした。やはりオーディオは試聴しないとわからないね。
 あとネット評判のよいSONYのプロ仕様のMDR-CD900STも聞いてみました、
視聴用としては硬めでいまいち私の好みの音質ではなかったので止めました。

 このA900、早速自作ヘッドホンアンプに繋いで聞いてますが、とてもいいです。
アンプもシンプルな回路ながらうまくドライブしています。さすがこのクラスのヘッド
ホンはGND線が共通なんてことはされてなく、ダイレクトドライブアンプでもセパレ
ーションは問題ありません。ちょっと重いのですがいまのところそれもあまり気に
なりません。しばらく鳴らしてエージングすれば角がとれてきてもう少し柔らかい
音質になるでしょう。なんというかいままで聞こえなかった音が聞こえるようになっ
たような。低音の響きも自然。

 XD400のほうは内部みたらやはりGND線が共通でした。3線のワイヤーだ
ったのです。それもケーブル径にしては内部の線は細め。こんなところケチら
なくてもなあって感じです。(現在流通品も同じかはわかりません。)
こちらもパッドがボロですがまだ使えるので、5mのヘッドホンケー
ブル(3線の延長ケーブル。3線しかなかった)を買ってきて、これを半分の長さ
ずつにして各CH毎に1本づつで接続しました。ヘッドホンは普通のものなんで、
ケーブルも安価なケーブルです。(ただしヘッドホン用のもの)ミニジャックは千石
で金メッキのものを入手。
本当はパッドを交換したいところですが、ショップではなんか異常な高値でもう一台
買えそうな勢いな価格です。まだ生産品なのでSONYのSSから直接取り寄せた場
合いくらかでしょう。(補修部品はSSに行けば個人でも取り寄せできます。)
1000円以下なら取り寄せたいのですが。
 今回ワイヤー改造したことによりダイレクトドライブ時のセパレーション問題はな
おりました。

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2010年8月 5日 (木)

ヘッドホンアンプと逆相クロストークについて

 最近暑い日が続いています。今年は例年になく暑いような。
 外に出るのも億劫なんですが、先日数日涼しい日があったので秋葉原にてヘッド
ホンアンプを購入。無事完成していい感じだったものの、偶々片chだけ鳴らしてみ
ると絞っている方からも音が出るではないですか。(クロストーク)最初これはアン
プの問題かと思ったんですが、調べるとすぐにヘッドホンのケーブルの問題だと
判明しました。アンプ自体は無実でした。

 この問題は、低インピーダンス駆動(つまり出力と直列に抵抗の入っていない、
ダイレクトドライブ)のアンプを使う限りある意味避けられない問題なのですが、
何故か殆どネット上でも議論されているのを見ないのでここでちょっと説明したい
と思います。
 もしかしたらヘッドホンアンプを使うからにはみなさん下記に示す対策がされ
た上等なヘッドホンを使っているから問題ないのかも?たしかに私も製作後新
しいヘッドホンが欲しくなってきました。
まあ音が出ないわけではないので気にしなければいいのかもですが。
 この問題はヘッドホンのドライブへ行く配線のリターン線がL、Rで共通しているか、
もしくは途中でリターン線同士が短絡されると起こります(例えば延長ケーブルの
使用など)。いわゆる「共通インピーダンスの問題」というものです。
 電子回路設計時でも配線でよく気にする問題です。

まず原理上クロストークが起こりにくい配線の等価回路を示します。全てのヘッドホン
が下記のような配線であれば配線でのクロストークは起こらないはずです。
(アンプの性能が十分な上で起こるとすればジャックのGNDの接触が悪い場合となり
ます。)

Hp1
Ro:アンプの出力インピーダンス
Rh:ホット側の配線インピーダンス
Rc:コールド側の配線インピーダンス
ZL,ZR:ドライバーユニットのインピーダンス


 しかし実際のヘッドホンはリターン線が接続され共通になっているか、もしくは途中
でショートされていることが多々あるようです。うちにある5000円位のインナーイヤの
やつはみんなこうなっているようです。(延長ゲーブルの類同様)

Hp2

Hp3

 この場合、Rcとつけたのが共通インピーダンスとなります。これはリターン配線
のインピーダンスです。ここで例えばRchを絞った場合を考えてみると、Lchの電
流はRcと(ZR+Rh+Ro)のインピーダンス比により分流します。つまり、Lchの駆動
電流の一部がRchにも"逆向き(逆相)"に流れることになります。これは別に片側
絞らなくても常に相互に影響しあう状態となっています。}

例えばLchの電流をI(Lch) 分流電流をir 共通インピーダンスの電流をi(Rc)とすると、

I(Lch) = ir + i(Rc)  ・・・・ (1)
ir/i(Rc) = Rc/(ZR+Rh+Ro)   ・・・・ (2)
ir = (Rc/(ZR+Rh+Ro)) x i(Rc)   ・・・・ (3)

 よってこの「逆相」クロストークを改善するには、irを小さくすればいいのですから、
(3)式の分母を大きくすればいいわけです。ここで、ZRは負荷なのでここの消費電
力で音圧が決まるので単純に増やせばいいわけではないです。またRhは配線抵
抗なのでここはわざわざ増やすところではない。結局アンプの出力インピーダンス
Roを増やすのが対策の一つとなるのがわかります。実際、出力に抵抗が入った
アンプは逆相クロストークは少ないです。
 もう一つ、リターン線を極太にして分子側を小さくしてもいいかもしれません。

 なお、クロストークは互いのchに逆相に加わりますので、同相分、つまりセンター
の音圧が少し下がり、やや音場が広がったような感じになると思います。
 POPS系ではセンターはボーカルがあるので、ボーカルが少し小さく、伴奏が大き
く聞こえる傾向になることになります。

 まとめますと、このクロストークの問題を緩和するには、左右のリターン線がHPアン
プからドライバまで接続されていないことが必要です。延長ケーブルの使用はそこで
接続されるのでNGとなります。(自作なりで分離されるようにすればもちろんOKです。)
あとは、そういう配線のヘッドホンを使うか、ケーブルを自分で替えるかでしょう。
 アンプで出来る緩和策は出力に直列抵抗を追加してその分アンプの電圧利得
を上げれば良いです。市販のAV機器のヘッドホン端子の多くは最初からそうなって
いるんで、問題となってないんだと思います。ただ低インピーダンスドライブでなくなっ
てしまいますが。
 あとの対策は....音が出ないわけではないので気にしないというのもアリかもしれま
せん。

 未確認ですが、ヘッドホンは120Ωでドライブするのが良いという仕様?みたいな
のがあるようで、これに準拠して製作されると3線式でもクロストークはあまり問題に
ならないでしょう。


 原理がわかったので、簡単に補正する方法も思いつきました。
共通インピーダンスによりお互いに、反対のchから逆相で加わるわけですから、最
初から左右少しブレンドさせとけばいいわけです。毒をもって毒を制す感じ。
つまりあえてクロストークを生じさせてHPアンプを通せばいいのです。

 この効果はわざわざ回路組まなくても、手持ちのCoolEdit2000のチャンネルミ
キサーで右の一部を左、左の一部を右に正相でブレンドさせてあげることで実
験的確認できました。
 ブレンド量はアンプとヘッドホンの状態でかわりますが、うちの環境では10%ほど
相互に加算すると、クロストークがほぼキャンセルされます。
 この原理を回路に組み込むのは容易なので、そのうち試しに実機に追加して
みようと思います。左右それぞれクロスで混ぜなくても、L+Rの信号を作ってこれ
を左右に加算してもいいはずです。
 一番簡単な回路は左右のラインに1個抵抗入れるだけでもいいはずですが、こ
れは接続先の状態に依存する上、スルーさせている場合本線のクロストークが悪化
するんですすめられません。ただし前段にバッファーいれればそれでいいかもしれ
ません。

 この種の補正は、MAXIMのICなんかでは内臓されているものもあるようです。
携帯機器は電圧が低く、低インピーダンス出力にして必要な電圧を減らすほうが
いいはずなのでこの種の補正は必要になるかもしれません。(もしかしたらそう
なっているかも??)

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2010年8月 2日 (月)

ヘッドホンアンプの製作

 この前購入した、ヘッドホンアンプを製作しました。
 アンプだけであれば、OPAMPやトランジスタ数点で出来るんで、
普通にバラで部品集めて蛇の目基板でも作成できるのですが、最近
すっかり横着になってしまい、ケース付きのキットを買ってきてしまいま
した。Linkmanというメーカのもので、マルツ電波で購入。

回路構成はオーディオ用OPAMP、NSのLME49720にダイアモンド
回路と呼ばれる、プッシュプルエミッタフォロア回路の電流バッファを
組み合わせたもの。構成は音質に定評のある回路のようです。
 そういえばダイアモンド回路は、ビデオ信号のバッファアンプにも使われ
ていたり、簡単な回路ながら、プロ仕様の機器でも使われるものだったは
ず。
 LME49720はオーディオ用の超低歪OPAMPということで、最近良く使
われているもののよう。たしかにカタログスペックはすごく、4580クラス
より一桁小さい。

 組み立て後、早速ONKYOのUSBオーディオ、SE-U55SXのライン出力に
接続して使ってますが、音質の良さにびっくり。いままでSE-U55SXのヘッド
ホン端子に繋いでまして、それはそれでそんなに不満もなかったんですが、
アンプを繋ぐと、もやもやしていたのが、ぴしっと締まった音になるのがわ
かります。低域も自然に出ています。もう戻れません。

 ところで、デジタル機器のラインレベルは大きく、32Ω程度のインピーダ
ンスのヘッドホンでは電圧利得はいらないようです。よってボリュームで絞
るのですが、ケース付属のVRは絞り切る手前でバランスに少しズレがあり
ます。ここは多少高くても高級品に変えたほうが良さげです。

 このキットは電気にあまり詳しくない人でも安全に使えるように、本来
不要な出力カップリングコンデンサもあえて入れてあります。オフセット
確認後自己責任でショートしてもいいかもしれません。
 このカップリングコンデンサは本来無極性タイプじゃないと駄目なはずで
すが...オーディオ用で大容量なのは入手困難なのか有極性のものを使って
ます。入力側のカップリングコンデンサも理論上は取れますが、こちらは
安全上いれておいたほうが無難です。小容量なので電気的に高級なものが
使えるので。

 使っていて音質はいいのですが、クロストークに問題があることが判明。
仮想GND回路のドライブ能力不足が原因のようです。両電源にすれば解決
するはずですが、ちょっと片電源で対策できないか考えてみることにします。

負荷と直列に抵抗入れればピーク電流が減って改善するはずですが、
折角低インピーダンスドライブしているのであまりやりたくない対策です。

8/3追加
 クロストークの原因はヘッドホンのケーブルのGND(リターン)線の共通
インピーダンスが原因で直接アンプが原因ではないことがわかりました。
 ただし、これは結構困った問題で低インピーダンスで駆動していることが
逆にこの問題を顕著にしてます。普通のヘッドホン端子のように100Ω位
の抵抗を出力と直列に入れていればほぼ解決します。
 この現象は、ヘッドホンのコネクタからドライブユニットまでの配線によって
変わり、リターン線が左右共通か、配線の途中どこかで繋がっているもの
は顕著になります。
 何故かあまり議論されているのを見ないので、後日改めて書きたいと思
います。これだけはいえることは、低インピーダンスで出力するヘッドホン
アンプを使うときは、ヘッドホンの端子から駆動部までの配線のリター
ン線が左右独立しているものを使わないとクロストークが悪化します。



○分岐ケーブルの製作

 HPAMPはLINEOUTから信号をとりますが、このままではいままで接続し
ていた機器が使えません。LINEOUTは比較的出力インピーダンスが低く
簡単に分岐できるので分岐ケーブルを製作します。
 この際、AMPOFF時の主ラインへの影響防止とレベル調整のため抵抗
を直列にいれています。AMPはダイレクトドライブなのと6dBのGAINがある
ため、少し落としたほうがいいみたいだからです。アンプの入力には20kΩ
のVRが入っているので10kΩいれると2/3のレベルになります。
抵抗入れたあとはあまりケーブルを長くするとケーブルの容量によりLPF
になるのでそこからは短くします。(ジャックをつける場合はそこにいれたほ
うがよい。私は手持ちの市販のケーブルを改造したので分岐点につけまし
たが。)


Hp4

 尚LINE OUTに接続した機器は、電源を入れておいたほうが無難です。
機器の設計によっては、LINE IN直下にサージ保護用のダイオードが入っ
ていますが、通電していないとそれがクリッパーになってしまうので音声が
ひずみます。(トランジスタ・OPAMPでも同様で、バイアス電圧が無いと同
様の現象になります。)
私の場合はアンプ内臓スピーカが繋がっていますが、レベル調整のため
入力直前に抵抗をいれているので問題ないのです。(PC用スピーカなんで
そもそも電流いれっぱなしですが。)

Hp5
 アンプ内部。ほとんどオフセットが無かったので出力コンデンサを外して
います。LEDは明るすぎるので定電流ダイオードではなく普通に抵抗で駆動。
基板は両面基板で、一点アースになってたり丁寧に設計されています。
音響用部品は効くところのみ使用しています。

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