パワーオペアンプはどうしよう?の巻き 2017.1.10

ES9038PROを入手しました。AK4497も(PART4)

のところで考察しましたが、ES9038PROの出力を正統にIV変換すると大電流が流せるOPアンプが必要です。
どういったものがあるかを調べてみました。

まずは、いつもお世話になっている秋月電子さんのラインアップからパワーオペアンプで検索すると、
次がヒットしました。

いい感じのものですが、気になるのが赤線に部分です。ゲインを10倍以上でつかわないと、おそらく発振するのでしょう。
IVアンプにつかうと、帰還抵抗が約25Ωで、入力抵抗が25Ωとなるのでドップリ負帰還がかかって、ゲインもほぼ1です。
こりゃ、だめかな〜。

次は、WEBから探してみましょう。「パワーOPアンプ」で検索すると、OPA564なるものがヒットします。



OPアンプにしては面白いパッケージです。正負12Vの電圧で動きますし、1.5Aの出力で周波数帯域も広くていい感じです。
パッケージはPOWER PADが裏面にあるのと、表面にある2タイプがあるのですね。でもヒートシンクをどのように取り付ければいいのか、
すこし悩んでしまいそうです。


放熱板の取り付け位置によって2つのパッケージがあります。

値段はDIGIKEYで850円ですね。値段はまあまあですが、放熱板が悩むな〜。

あるいは

おもわず秋月電子にこだわってしまいますが、これをつかうのもいいかもです。
これだけだと、単なるバッファーですが普通のOPアンプと組み合わせてパワーOPアンプを構成することができます。
電流値も250mAなので、十分です。



これを使う手もあります。

さて、さてどうしようかな〜。

こんなご意見も



ご提案いただいた下線部の下側からですが・・・

BUF634は

こちらも定番の石のようですね。名前はよく聞きます。私自身つかったことはないのですが・・・・
DIGIKEYだと1250円くらいですね・・・・。ちょっと贅沢なランチくらい(笑)。



BUF634は扱える電圧と電流は十分です。


TO-220パッケージがあるので放熱対策もしやすそうです。


LME49726は

こちらも出力電流は問題ありません。扱える電圧が低いのでIV抵抗を24Ωとすれば、−5V、0Vくらいの変則的な電圧を与えればいいかな?
それともIV抵抗を10Ωくらいに落として、±3V程度で駆動するのも面白いかもです。
こちらは210円くらい・・・・・。なんばで食べるいつものかけうどんくらい(笑)。そんなにしないかな。なんばだと170円くらいです。

 アナログ段では2Vrmsを得ようとするとピーク電圧は2.8になるので±3V程度だとぎりぎりになるかな。あるいは一般のOPアンプも
併用するとアナログ電源が2系統(±3V、±15V)あればいいかもしれません。電源が悩みそうです。



扱える電流は十分ですが、電圧がすこし低めです。


LME49726のパッケージ熱対策がすこし課題になるかも。

出力増強タイプお気楽ヘッドホンタイプは

OPアンプの電力増幅段にパワートランジスタを追加した回路構成ですね。


こんな回路です。HPA1972mk2の回路図から。

このくらいなら、DAC9038Dと同じ基板にステレオの回路が乗るかもしれません。
ざっと部品を載せてみました。入力はDUALのOPアンプ、出力はシングルのOPアンプなので、
ちょと変則的ですが、かなり余裕で載りますね。

ざっと部品がのるかどうか試してみました。

ん?
上記の基板上の部品配置だと、放熱板にとりつけたトランジスタのネジ締めが難しいかもしれません。
ちょっとレイアウトを変更です。放熱板が一列にならびそうなので、この配置であればパワートランジスタの
ネジ締めも問題ありません。

こっちのレイアウトがいいかな?

こうやってみるとかなりスパースな印象なのでまだまだ部品は載せられそうです。
ひょっとして

フルディスクリート?

以前にリリースしたPOWER−IVの回路そのままで載るかどうか試してみましょう。
窮屈ではありますが、載らないことはなさそうです。
 POWER-IVでは出力段までパワードライブにこだわった一品でした。
出力段については普通の電圧増幅だけでよいはずなので、出力段は1段のSEPP(Single Ended Push-Pull)にしています。

フルディスクリートにしてみました。

つかったトランジスタは普通のTO-92形ですが、ついでにSMDタイプの使えるようにすると面白いかもです。

TO-92とSMD併用タイプの問題

同じ部品面にTO-92とSMDタイプのパターンを同居させるとどうしても基板面積が大きくなります。

部品面にTO-92とSMDを同居させると角が生えたパターンになり面積を喰います。

禁断の手?
これを解決する手段としてTO-92のトランジスタを取り付けつときは部品面に、そしてSMDを取り付けるときは
半田面にという禁断の手があります。別に禁断というわけではないですが・・(笑)。
でも、一瞬基板をみたら表面になにも載っていない!という印象になるでしょうね。

一緒に書くと、こんなパターンです。

部品面からTO-92 半田面からはSMDパターン

これ面白そうだな〜。SMDの取り付けのシルクはNPNのN、やPNPのPは書いておいたほうが良さそうです。
裏返したら、部品配置が反対になるから間違えそうですからね。

さて、どうしようかな?

フルディスクリートを考えてみました。 2017.1.12

まずはこだわりの部品選定ができるフルディスクリートタイプでパターンを描いてみました。
私も部品箱にたんまりと表面実装のトランジスタがあるので、消費したい願望があります(笑)。
やはりフルディスクリートにするとなにかと面積が必要なので、MUTE用のリレーは断念しました。
パスコンも基板裏面に追いやっているところがあります。


フルディスクリートタイプでのパターンを描いてみました。

こんなご意見もありました
FETのペアリングって、Idssを測定する必要がるので、結構面倒ですがDUALタイプがあると便利ですね。
思わずのってしまいました。



このFETはどこで入手できるのかな?


2SK3320自体は小さいので、FETのパターンの隙間に押しこむことができます。

こんなご提案も



ををを!秋月電子でもDUAL FETありましたか。
こちら(2SK2145)の方が大きいので取り付け易そうです。

パターン的にはどちらにも対応させることはできるでしょう。

2SK2145のサイズ 2SK3320のサイズ

大きさの違うチップを搭載するために、共用パターンにしようかと思いましたが、半田面もあいているので
部品面には2SK3320のパターン、半田面に2SK2145のパターンをもうけることにしました。

 
部品面のパターン                         半田面のパターン

3種類描いてみました。 2017.1.17

(1)RENEW POWER−IV−A

フルディスクリートで組んでみました。入力にはVcc/2入力端子も設けています。

Renew POWER-IV-Aです。

(2)RENEW POWER−IV−B

OPアンプ+バッファーアンプの構成です。OPアンプとしてDUALをつかえるようにしてみました。
部品数がすくなくできるので、MUTE用の回路とその制御PICも搭載できるようにしてみました。

Renew POWER-IV-Bです。


(3)RENEW POWER−IV−C

フルディスクリートですが、基板サイズはSTDサイズとして1ch/毎としました。その分、すこしスペースができたので
電解コンデンサと、VCC/2の電圧を生成する超低ノイズ電源としてLT3042を搭載できるようにしてみました。

ステレオ構成には2枚必要ですが、Vcc/2の電圧源を搭載できるようにしてみました。

基板が到着しました。 2017.2.7

しばらく遊べそうです。しかし、チップ部品の実装が結構多いので時間がかかりそうです。


POWER-IV-Aです。オールディスクリートでステレオ分が搭載できます。


POWER-IV-Bです。オペアンプ+バッファを用いたアンプ回路でステレオ分が搭載できます。


POWER-IV-Cです。オールディスクリートで片チャンネルのみですが、オフセット電圧として
LT3042による超低ノイズ電源を搭載しています。


部品を実装していきましょう! 2017.2.13
まずはおきらくに取り付けられる表面実装部品からとりつけていきます。
いや、おきらくではなく、まず小さい部品から取り付けるのが部品実装の鉄則です。

まずはトランジスタとVRを搭載しました。

部品面はすっかすかに見えます。


トランジスタは裏面に集中してとりつけました。


こんな感じでSMDのトランジスタがとりつきます。トランジスタを間違えないように、NPNはN、PNPはPで始まる
部品番号を振っています。

さて、残りを実装していきまそう!

入力のFETについては、秋月で購入したDUALタイプのFETを実装してみました。裏面のパターンがちょうどマッチします。
実装した素子は2SK2145-BLです。2個で100円で購入できます。


折角なのでDUAL FETを実装してみました。

結構手間がかかるので放熱板を必要とするトランジスタのとりつけです。この基板では8個の放熱板が必要なので、
それらを並べて、シリコングリスを塗っておきます。その上でにパワートランジスタのとりつけです。


必要な放熱板を並べて取り付け準備です。

トランジスタを放熱板に仮付けしてから基板に取り付けて、本締めです。一番やっかりなのが放熱板を基板に固定することです。
放熱板にピンがでていて、それを基板に半田付けするのですがかなりの熱容量のある半田こてでないとうまくとりつきません。
重要なことは、放熱板のPINを紙やすり等で綺麗に磨いておくことです。そうれば半田がのりやすくなります。

まずは基板完成です!

トランジスタはほとんどが裏面にとりついているので、表面は簡単なものです。

お出かけ用の写真です。

動作確認です。

このIVアンプにはアンプブロックが6個あるので、それぞれについて個別に動作を確認していきます。
まずはIVアンプからです。

IVアンプの動作確認中です。

残念だなあ〜。

入力に2SK2145-BLをつかってみましたが、すこし発振しています。動作上は問題なさそうですが・・・・。
回路定数をすこし調整すればなんとかなりそうですが、ここは日よっていつもの2SK246をつかいましょう。


2SK2145ではすこし発振するようです。

ということで、2SK246−BLに換装してみましょう。

気分的には2sk246の方が安心できます。それって歳?っていわれそうですが・・・(笑)。
ただ、2sk246に載せ換えたら極めて安定した出力がえらます。

2sk246に入力トランジスターを変更しました。


そうすれば発振のない綺麗な波形がえられました。

DAC9038Dと接続してみましょう!
もともとも作成の発端となったDAC9038Dと接続してみましょう。
長時間このまま通電すると放熱板が結構あたたかくなります。

こんな感じで動作チェック中です。

IV抵抗値は適当に33Ωを選んだので、出力は4V程度あります。実効値にすると2.8V程度なので、すこし高かったかな?
IV抵抗値は24Ω程度が妥当でしょう。

備忘録(POWER-IV-A)
なぜか1本、配線が抜けているところがありました。一つのアンプユニットのFETのGATE入力が端子が基板端子に
接続されていませんでした。ということで、部品面で1本ジャンパー接続しています。

POWER-IV-Aの修正箇所の備忘録です。

次はPOWER-IV-Bです 2017.2.16
こちらはオペアンプにバッファーを搭載した形式のアンプになります。オペアンプにもDUALのものをつかったので、
部品点数も少ないので先のPOWER-IV−Aに比べてはるかに短い時間でくみあがりました。POWER-IV−Aもさほど
部品点数が多い訳ではないのですが、なんせチップトランジスタを取り付けるのが結構時間かかります。
というのも、ちぷトランジスタをテープからはずして机の上に転がすと、大抵の場合は裏返ってしまうので、
それをひっくり返すのに時間がかかったりします(笑)。

POWER-IV-Bが組みあがりました。出かけ用の写真をパチリ!

こちらは基板のスペースに余裕がありましたのでMUTE用のリレーを搭載できるようにしました。
さらにリレーの動作については基板内で制御できるようにPICを載せるパターンと、外部からも制御できるパタンの
2通りが選択できるようにしています。

すんなり動作しました!

部品点数も少ないためか、ミスもなく動き出しました。楽なのが調整箇所が一つもないので極めてオキラクです。

POWER-IV-Bの動作確認です。DAC9038Dと接続してみました。


問題なく動作しました。IV抵抗はPOWER-IV-Aと同じ33Ωをつかったので出力はすこし高め(2.8Vrms)です。

OPアンプは?

OPアンプについては交換が可能なようにICソケットを用いていますが、
まずはすこしレトロな2068を搭載しています。

すこしレトロな2068を実装しています。

とりはPOWER-IV-Cです。
3枚目のPOWER-IV基板はPOWER-IV-Aの単チャンネル版です。折角なのでFETは取替えが可能なように
ソケットを使いました。ソケットといってもIC用のソケットをばらして使っているだけです。

FETは取り替えられるようにソケットを実装してみました。


完成しました。こちらもトランジスタはチップトランジスタをつかっているので、裏面にとりつけています。

まずは問題なく動作
一箇所ミスがありました。電源を投入したところ、電源電圧のうち負電源が既定の電圧まであがりません。
なんとLT3042の供給電源は+15Vとすべきところですが、−15Vが接続されていました。
そりゃ、だめですね。LT3042が壊れていなければいいのですが・・・・
これも、試作基板の位置づけですね。
 
修正箇所です。C12の黄色の線の部分のパターンをカット。基板の裏面で図の箇所をジャンパー接続です。


修正後に無事動き出しました。

リベンジ?2SK2145


せっかくなのでFETをチップトランジスタの2SK2145に変更してリベンジです。というのも、
入力のインピーダンスによって発振が収まるかな?と淡い期待を抱いてので再チャレンジです。
 
FET(2SK246)をとりはずして、裏面に2SK2145をとりつけました。

結果として、やっぱりというか当たり前なのですがすこし発振がのこりました。
ということで位相補償用のコンデンサの容量を増やしてみました。
もともとは100pFのコンデンサ、それも横着してチップセラミックをつかっていましたが、
あらたに100pFのフィルムコンデンサを追加して200pFの容量にあげました。


位相補償コンデンサの容量を100pF → 200pFni増量です。

予想通りというか、ほぼノイズレベルまで小さくなりました。
これなら大丈夫でしょう。もうちょっと増やして470pFくらいにしておけば
2SK2145をつかってもよさそうです。
 
位相補償コンデンサを増やすと発振は急減します(左:100pF、右:200pF)。右はほぼノイズレベル。

出力も綺麗になりました。といっても、もともと発振のレベルが小さいので
違いが写真だけではなかなかわかりませんが・・・・。
 
 綺麗な波形がえられました。

POWER-IV-Cについては、オフセット用の電圧発生を基板内に実装しています。電圧設定の抵抗は
16kΩの固定抵抗と1kΩの半固定をもちいて16.5V(3.3Vの半分)を狙い調整します。
まあ、オフセットの値自体は本来は適当でいいのですが(笑)。

オフセット電圧発生用の部分です。贅沢に超低ノイズレギュレータのLT3042をつかっています。

POWER−IVの3兄弟を並べてパチリです。


POWER-IVの3兄弟です。左からPOWER-IV-A, POWER-IV-B, POWER-IV-C です。

さて、聞き比べをしてみましょう!


聞き比べする前に、修正版基板ができてきました。 
2017.3.6


Renew POWER-IV_Aの修正基板です。


Renew POWER-IV_Cの修正基板です。

修正箇所もわずかなので、外見上はまず区別はつかないです。
さて、ボチボチと組み上げていきましょう。

修正版が完成しました。 2017.3.9

まずは部品を取り付けていきましょう。今回も入力のFETはSMDタイプの2SK2145をつかってみることにしました。
ただし、バイポーラトランジスタはすこし違う銘柄を採用してみました。この組み合わせなら発振しないことを期待しました。

修正版が完成しました。


入力の2SK2145は同じですが、バイポーラのチップトランジスタは違う銘柄を使いました。


NPNタイプのトランジスタは2PD601を使いました。40個入りで100円なので安いです。

PNPタイプのトランジスタは2PB709を使いました。こちらも40個入りで100円なので安いです。


入力のDUAL FETは2SK2145です。以前のトランジスタでの組み合わせではすこし発振したのですが、バイポーラトランジスタを変更したのでリベンジです。

動かしてみましょう!
DAC9038Dと組み合わせて動かしてみましょう。

まずは片チャンネルだけですが接続しました。

いい感じです!!
まずはIVアンプ出力の波形をみてみましたが、発振はありません。こりゃ期待できそうです。
というわけで、差動出力の波形も確認しましたが、こちらも発振はありません。
やっぱり使用するトランジスタですこし状況が異なるようです。

IVアンプ出力の波形です。


合成出力の波形です。

わかった!

バイポーラトランジスタの銘柄を変えることで発振が収まったことは、なんとなく理解はできますが、それでも違和感があります。
わかったことは、入力によって発振の状況が変わることがわかりました。というのも、DACとIVアンプを切り離したときに、
IVアンプの出力に発振がでているのに気づいたためです。すなわち、入力が接続された状態だと発振が抑えられるということです。
ということで、2SK2145を使う場合は、かならずDACなどと接続した状態で動作させたほうがいということですね、
 でも2SK246をつかうと、入力の接続の有無にかかわらず発振しないので、入力のFETにも大きく依存するということですね。
一度、入力のFETを色々と変えてテストしてみましょう。


発振があります。

発振が抑えられています。
入力FET:2SK2146
DAC9038Dとの接続なし。
入力FET:2SK2146
DAC9038Dとの接続あり。

修正版のRenewPOWER-IV-Aもくみたてました。 2017.3.10


RenewPOWER-IV-A v2が完成しました。VRの取り付けずれたのに気づかずとりつけちゃいました(汗)


部品面の基板のバージョン表示はV2です


(裏面はV1のままになってました(笑))。



FETもふくめて半導体はすべてチップ部品を使用しました。

さっそく接続してみましょう。

DAC9038Dと接続して動作確認です。一旦接続してIVアンプの出力を調整します。

DAC9038DとRenewPOWER-IV-Aを接続しました。

調整はIVアンプの出力電圧です。この基板のIV抵抗として22Ωの抵抗をつかっているので、DAC9038Dを接続したときに
発生する電圧は、VrefをGNDに設定しているので、次のようになります。

 -(IVアンプのIV抵抗:22Ω)/(ES9038PROの8パラ出力抵抗:25.25Ω)×(Vcc/2:1.65V)=-1.44V

です。すなわちIVアンプのすべての出力を1.44Vにすればいいはずですが、VRが中点から30度程度ずれるので、
別に1.44Vに合わせる必要はかならずしもないので、VRの中点近くのー1.52VになるようにすべてのIVアンプの
出力を調整しました。


IVアンプ出力電圧は-1.52Vに統一です。

IVアンプの調整が終わったら、あとは最終出力のアンプの出力をゼロにあわせます。


出力波形も確認しておきましょう。綺麗な波形がえられています。


RenewPOWER-IV-Cも調整しておきましょう。

RenewPOWER-IV-Cについては内部にVrefを持っているので、まずはVrefをVcc/2である1.65Vに設定したのち、
IVアンプの出力がVrefと同じになる1.65Vに設定します。


RenewPOWER-IV-Cも調整しましょう。


IVアンプの出力は1.65Vに設定します(1.649と1.650が交互に表示されればちょうど1.650Vです)。

こちらもすべてのアンプの調整がおわりました。

いよいよ試聴してみましょう!

入力のソースはDAC9038Dをつかって、ヘッドホンでの試聴が一番集中できますのでアンプはPrecisionHPAをつかいました。
というか、夜遅く鳴らすと怒られちゃいますからね。

1.RenewPOWER-IV-Bから・・暖かいです。
 まずはOPアンプをもちいたIV-Bからです。試聴のディスクは耳たこの今井美樹さんですが、最初に聞いたときにとても懐かしい音の印象です。
なにやら暖かい音といことでしょうか。たぶんOPアンプに2068をつかっているからかな?4580とよくにた音調な感じです。これをOPA2134あたりに
変えたら、がラっと変わるかもしれません。

RenewPOWER-IV-Bの試聴です。

1.次はRenewPOWER-IV-Aです・・・シャープです。
 次はフルディスクリートのIV-Aです。試聴の瞬間ですが、IV-Bとはまっとくことなり、シャープな音の印象です。シャープというか、すきっとした感じでしょうか。
というか、単にOPアンプと音調が違うからだけだと思いますが・・・・まあ、こちらの方がいいかな?
聞いていくと、はやり放熱板(PNP側)の温度があがってきますね。でも、熱いほどではありません(暖かい)。

RenewPOWER-IV-Aの試聴です。

1.最後はRenewPOWER-IV-Cです・・・シャープです。
 最後はVref内蔵のフルディスクリートのIV-Bです。やはりIV-Aとよくにた音ですね(そりゃ回路は同じですから)。でも、気分的にあ
アンプ回路が動作点が中立なのか、よりAとりよりすっきりした感じもありますが、このあたりはかなり主観ですね。見た目で音は随分かわりますから(笑)。
放熱板の温度はあまりあがらないのは助かります。いや、冬場なので、暖かくなると部屋の温度もあがるのでいいかな?(笑)。


RenewPOWER-IV-Cの試聴です。

さて、一気に3種のIVアンプ基板が完成して動作確認は完了です。
FET入力についてはFETの種類で動作がどうかわるか調べてみたいので、ちょっと部品箱を捜索してみないと。
あ、このIVアンプをDAC1860と組み合わせてみるのも面白そうです。

(つづく?)