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サブプロジェクトについて
はじめに
静電型ヘッドホン用アンプ を新たに一から再設計することを決めまして、 その実現で大きなカギとなるのが部品点数の大幅削減と考えました。 前回製作と比較してよりシンプルな回路としたうえで、適切な保護回路を追加して安定動作を狙います。
そこでまず再検討するべきものがコア部品 SATRI-IC相当品モジュールでした。
電流入力のSATRI回路ですと入力バッファ回路が別途必要となります。これを電圧入力とすることで部品点数の削減が可能となります。
前提としてカレントコンベア回路 (CCII) によるゲイン調整方式は踏襲したく、電圧入力モジュール部品となるとバクーンプロダクツ社の HBK(I)-IC が該当します。
ただ HBK(I)-IC v1 現物およびそれらが使われた製品は所有しておりません。そもそもピン配置を踏襲する必要もないので自由に設計することとしました。
コンポーネント：SHKM (電圧入力 Hybrid-IC)
概要
電圧入力のカレントコンベアモジュールとして、まず３種類を試作してみることにしました。
作業時期は、設計着手 2024年12月 、音出し 2025年7月 です。
- SHKM-LE
以前製作した SCCM-LE の回路要素『ウィルソンミラー(BJT x3個)にベース電流補償１個加えた４個のトランジスタ』によるもの。 ピン配置はHBK(I)-ICと合わせました。 - SHKM-SE
基板サイズ・ピン位置は独自。抵抗・トランジスタ個数は HBK(I)-IC v1 と同じ個数。 各種検証作業のためジャンパによりカレントミラー構成を「高精度ウイルソンカレントミラー」と「２段積みカレントミラー」とを選べるようにしています。 - SHKM-UJ
ピン配置はSHKM-SEを踏襲。以前作った SCCM-UT と HBDバッファ の技術要素を盛り込んだものとしました。当面利用する本命モジュールです。
写真
ハイブリッドICモジュールは左から SHKM-LE、 SHKM-SE、 SHKM-UJ です。表面実装部品を表面に集めてリフロー製造しました。
回路図
カレントコンベア回路 ( Second Generation Current Conveyor / CCII ) ですが、
SATRI-IC v4 で使われている回路技術は Fabre-Normand translinear current conveyors と呼ばれているものと認識しています。
それ以外にもいくつか実装例が知られており、
左の図は Analog Devices 社の技術資料にあるカレントコンベア回路の概念図で、右の図はこれを最低限の素子で実装した場合の例です。
(電流帰還形オペアンプの）トランスインピーダンス段のようにも見えます。
HBK(I)-IC v1 の写真をみるとデュアルトランジスタ10個 (BJT x20)、抵抗4個で構成されているようです。
「MJ 無線と実験」のSATRI回路 技術解説記事、および、同誌 バクーンプロダクツ社の製品紹介記事にある推定回路図なども参考にして、
LTspice でシミュレーションを重ねて回路検討を進めました。
SHKM-LE 回路図
小型化最優先で Nexperia TSSOP6 デュアルBJT を2種類(2NPN、2PNP) 使っています。足の配置が独特です。
入力部は本来 NPN-PNP BJT で作るべきですが妥協しています。
SHKM-SE 回路図
各メーカから出ている汎用品デュアルBJT SOT-23-6 (SOT-457、TSOP6、SC-74）を3種類(2NPN、2PNP、NPN-PNP) 使います。
なお各ジャンパは Jx1・Jx2 何れかをショートさせないと動作しません。
改善検討
上記 SHKM-LE、SHKM-SE で検証を行い、その結果を盛り込んで本命モジュールを改めて設計することとしました。
電圧入力モジュールということで、以前作った HDB モジュールに導入した
TI社の計測機用バッファBUF802のアイデアを再び盛り込むこととしました。
ただし入力JFETバッファは、超低雑音JFE2140デュアル品ではなく、超低雑音JFE150シングル品にしました。
SHKM-UJ 回路図
以前作った SCCM-UT と HBDモジュールの技術要素を取り入れて、TOSHIBAのローノイズBJTを多用して設計しています。
JFETのIdssバラツキがあるので可変抵抗で調整を行います。パスコンMLCCは任意実装ですが、適切容量を付けると計測値(歪み率)で若干効果がありました。
基板デザイン
4層基板としていますが配線は表裏2層で済ませています。ノイズ対処もありGNDベタおよび多数ビア配置しています。なお内2層はGNDになります。
設計では自動配線 Kicad Auto Routing を繰り返し使って部品位置と配線を詰めていく手法で進め、最後に手配線で清書しています。
左から SHKM-LE、 SHKM-SE、 SHKM-UJ です。
計測
作ったモジュールは自前のテスト基板を使って動作確認します。テスト基板は自作テスト基板と Analog Discovery2 および ソフトFRAplus を使っています。
まず入力0Vで出力が振り切れないことを確認します。
問題が無ければ正弦波を入れて正しく出力されることを確認。その後に詳細な確認を行っていきます。
各種測定後に最後に聴感で好みなど含めて総合評価を行いました。
(ちなみに計13個モジュール製造しましたが、12個は1発動作、残り1個は煙を吹いて損傷しました。
電源投入前にルーペ(x20)を使い入念な目視チェック、更にテスタで導通確認等も行っているのですが、自宅リフロー製造だとなかなか完璧とはいかないようです)
左のグラフは FRAplusによる周波数特性です。ぱっと見、4者はあまり違いが無いように見受けられます。
右のグラフはそれを拡大したものです。赤 SHKM-UJ はJFETバッファがあることで高い周波数まで伸びていることが分かります。
FRAplus による歪み率も計測しています。あまり精度が高くないようなので参考値です。
評価など
周波数特性についてはJFETバッファが付いている SHKM-UJ が圧倒しています。
とはいえ実際にプリアンプ基板にモジュールを刺して出音を聴き比べるとBJT素子の持ち味が出ていて聴感に違いがありました。
SHKM-UJはハイファイ的な鮮明な出音ですが少し聴き疲れする傾向があり、それに比べるとSHKM-SEの方がリラックスして聴けると感じました。
SHKM-LEはクセが無い感じです。
製造面からするとSHKM-LEのTSSOP6は実装が大変なので、SHKM-SEで使ったSOT-23-6あたりで作れると楽かつ製造品質も保てそうです。
あと初めてJFE150を使いましたがカレントミラー共用は相互影響が出てよろしくなかったかもしれません。
以前作ったバッファモジュールのように
JFE2140デュアル品をバッファ＆電流源として使う方が簡素化＆相互影響排除も出来て良かったかもしれません。
恐らく再設計する機会もあると思うので、次はこのあたりを考慮して後継ハイブリッドICモジュールを設計してみたいと思います。
コンポーネント：SHKM 改良版 (電圧入力 Hybrid-IC)
概要
以前作製したモジュールについて見直しを行いたいと考えていました。 実験用 SHKM-SE についてはジャンパ廃止と回路の改善、 通常利用 SHKM-UJ について回路再改善と耳当たりの良い音となるようBJT再選定を検討しています。
実験用モジュール見直し版 SHKM-SLE
検討中です。
手軽に使える実験用として素子数は最小限としています。
回路は前述 SHKM-LE と同じですが、基板サイズ・ピン配置や使う部品は SHKM-SE と同じです。
半導体がBJT SOT-23-6サイズなので比較的作りやすく、入力バッファがNPN-PNPタイプで熱結合面では望ましいものです。
4層基板としていますが配線は表裏2層で済ませています。内2層はGNDになります。
基板サイズと部品は SHKM-SE と変わらないので、該当箇所だけKicad回路図を見直して、自動配線 Kicad Auto Routing を使ってデザイン調整しました。
電子部品も既存 SHKM-SE から取り外して再利用予定です。
既製品利用 SHKM-OP6
検討中です。
既製品 TI OPA861 ( OPA860 ( OPA660 後継品 )) にはカレントコンベア(OTA/CCII)を含んでおりこれをそのまま使います。
モノリシックIC・高精度市販品を調査・比較検証することで得られるものが有ると考えます。
なお電源電圧±5Vで使用する必要があります。正負三端子レギュレータと入出力保護ダイオードを加える必要がありそうです。
TI OPA860のPSpiceモデルは過去に公開されており WebArchive から入手して、
ネット上の情報をもとにライブラリ（subcktテキスト）内の端子等を少し手直しするとLTspiceシミュレーションで利用できました。
ただし電圧制限があり、電源±5Vを３端子レギュレータで生成させていたり、出力が片側（CO+）のみとなっていたりフルスペックではありません。
ヘッドホンアンプなど低電圧用途限定となっています。
配線もあまり無いので2層基板にしました。手作業が早そうなのでリフロー用ステンシルも発注省略。ピン配置は他SHKMと同じですが未使用ピンがあります。
モジュール再改良版 SHKM-XJ
検討中です。