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苦節4か月。どうにか新しいアンプBA3886が完成した。あとは もう本当に些細なことしか残っていない。それで、まとめとして、作ったアンプの構成・仕様・特性に関する資料(カタログとか詳しい紹介資料的なもの)を書いたので載せる。

なお、Markdownから本文を生成した都合で図や写真をクリックしても拡大できないが、(元の画像は大きいので、)ブラウザの右クリックメニューで大きく表示できるはずだ。

→ 「何とか」した。画像をクリックすると、オリジナルサイズの画像が表示される。 (6/22 14:08)

また、あとで特性に関するコメント(他製品との比較も?)や技術的でない余談も書きたい。

ステレオ オーディオアンプ BA3886の構成・仕様・特性

2021/6/19-23, 2022/1/7 Butty

構成

BA3886は以下の各部よりなる。

  • アンプ部
    • アンプ本体
      • アンプIC LM3886により入力信号を増幅して、スピーカー出力に出す。
    • DCサーボ部
      • アンプのDC出力(オフセット)をカットする。
  • スピーカー保護部
    • アンプの出力に大きなDCオフセットを検出した時に、アンプの電源をoffにしてミュートし、スピーカーを保護する。
  • 電源部
    • 外部の元電源(ACアダプタ)を本機が使用する電源(±15V)に変換して供給する。
    • リップルフィルタにより、電源に含まれる雑音(主に高周波)を低減する。

全体的な構成図

スピーカー保護機能の構成図

スピーカー保護部と電源部の回路図

全体的な仕様・特性

入出力

  • ライン入力(非平衡, 入力インピーダンス: 100kΩ)
    • RCAジャックx2 (白: L. 赤: R)
  • スピーカー出力(4-16Ω)
    • 丸・Y端子用端子(5.8Φ) x2(+, -) x2組(L, R)
    • 8Ωで特性の測定と動作確認をした。
  • 温度センサ出力
    • ミニジャックx1
      • RチャネルのLM3886付近に設置したサーミスタの出力
      • 温湿度計: タニタ TT-585 (改)に接続して使用する。

電源

  • DC 10-35V, 約31W (約0.89-3.1A)
    • 12, 24Vで動作確認した。
  • コネクタ: XHコネクタ 4ピンジャック
    • ピン1, 4を使用

スイッチ類

  • 電源スイッチ
  • ミュート ラッチスイッチ
    • スピーカー保護基板上のスライドスイッチ
    • Onにすると、しきい値付近のオフセットでの断続的ミュートを防止することが可能。 (通常はon)
  • スピーカー保護機能チェックボタン (L+, L-, R+, R-)
    • スピーカー保護基板上のプッシュスイッチ (青: L+, 白: L-, 赤: R+, 黒: R-)
    • 押すとスピーカー保護回路のセンス入力にオフセットが入力されてミュートする。

保護機能など

  • アンプIC(LM3886)内蔵の保護機能
    • 電源: 低電圧・過電圧
    • SPiKe(過負荷など?)
    • 過熱
  • DCサーボ機能
    • アンプのDC出力(オフセット)をカットする。
  • 出力オフセット検出でのミュート機能
    • 何らかのトラブルにより、スピーカー端子に しきい値以上のDC出力を検出した場合、アンプの電源をoffにして音を停める。
    • しきい値付近のオフセットでの断続的ミュートを防止することが可能。 (ミュート ラッチスイッチで切り替え)
    • チェックボタン(L+, L-, R+, R-)で保護機能をテスト可能

消費電力

  • アイドル(無音)時, 常用出力(約11mW)時: 約4.6W
  • 出力: 約0.8W(片チャネル)時: 約8W
  • 最大出力(約9.6Wx2)時: 約31W

大きさ・重さ

約14x14x7cm (突起物を含まず), 約530g (付属品を含まず)

外観

色・材質

  • 本体: 黒色
    • 材質
      • カバー(メッシュ): PP
      • ケース: PC+ABS
      • 滑り止め(底面): ハネナイト(NBR)
  • ランプ
    • 電源ランプ: 薄オレンジ色
    • ミュート通知ランプ: 赤色

正面より

 

内部

 

付属品

付属品一式

(写真の左上から右下に)

  • 特性測定用アダプタ
    • 出力端子: RCAジャックx2
    • 内部接続コネクタ: XH 4ピン プラグ, ジャック 各1
  • ランプ光拡散キャップ (通常版)
  • 特性測定用負荷抵抗(8Ω)x2
  • 消費電流測定用アダプタ(抵抗 1Ω)
    • コネクタ: XH 4ピン プラグ, ジャック 各1
    • 電流(電圧)測定用ミノムシクリップ x2
  • 温度測定用温湿度計 (タニタ TT-585 (改))
  • 特性測定用アッテネータ
    • ゲイン: -16.5dB
    • コネクタ: 両端ピンプラグx2
  • テスト用スピーカー
  • ミュートのしきい値測定用オフセット生成用ボリューム (10kΩ B)
  • ミュート確認用電池ホルダー (単3x1)
  • リップルフィルタバイパス用ショートプラグ

アンプ部の特性・仕様

以下、特に記載のない限り、値は実測値。

最大許容入力(振幅)

  • 仕様: 約1V
  • 実測値: 約0.93V (片チャネル時)
    • 出力がクリップしない振幅

最大出力

  • 仕様: 約4Wx2チャネル
  • 実測
    • 片チャネル出力時: 約11W (THD: 0.0021%@1kHz)
    • 両チャネル時: 約9.6Wx2 (THD: 0.0021%@1kHz)

コメント

仕様と実測値の乖離が大きいが、短時間は上の出力を出せるものの、連続出力できるのは仕様どおり4Wx2程度が上限と考えられる。

ゲイン

信号発生器で生成した1kHz, -30dBFSの正弦波を入力し、出力との比を求めた。

  • 仕様: 10倍 (20dB)
  • 実測: 約11倍 (約21dB)

出力オフセット

入力をショートした時の出力のDC電圧を測定した。

LRともに1mV以下 (使用した機器では測定不可)

残留雑音・SN比

入力をショートして出力を測定した。

残留雑音

約17μV (A)

  • L: 14.6μV (A)
  • R: 16.6μV (A)
残留雑音の周波数特性

  • L: 青, R: 赤
  • 灰色: サウンドカードのみ

SN比 (1W出力時)

約105dB (A)

  • L: 106dB (A)
  • R: 105dB (A)

測定帯域は5Hz-20kHz。

本節の測定値はサウンドカード自体の雑音を補償したもの。ただし、グラフは補償していない。

コメント

使用したアンプIC LM3886のデータシートでのSN比は92.5dB(A, 1kHz, 1W)だが、本機のSN比がそれより大きい(約5倍)のは、以下の原因が考えられる。

  • 測定方法が本資料と異なるため。
    • データシートでは1kHzのSN比を求めている。
      • 実はデータシートの記載が誤っていて(、あるいは誤解させるもので)、広い帯域(例: 80kHz)の雑音で計算している可能性もある。
    • データシートに記載されている"Rs= 25Ω"がどの抵抗なのか不明。入力をショートする抵抗なのであれば、本資料(0Ω)と異なるので、雑音が増してSN比が低下する可能性がある。
  • BA3886のゲインが10と通常の約1/2のため。

周波数特性

振幅

両チャネル約8W出力時: 3Hz-20kHz: +0, -1.1dB

振幅の周波数特性

  • L: 青系, R: 赤系
  • 暗色(一番下): 常用音量(約11mW)時
  • 中間色(中間): 出力約1W時
  • 明色(一番上): 出力約8W時
  • 灰色: サウンドカード直結 (出力: -10dBFS)

位相

両チャネル約8W出力時: 20Hz-20kHz: -0°, +3°

位相の周波数特性

  • L: 青系, R: 赤系
  • 暗色: 常用音量(約11mW)時
  • 中間色: 出力約1W時
  • 明色: 出力約8W時
  • 灰色: サウンドカード直結 (出力: -10dBFS)

本節の測定値はサウンドカードの入出力特性を補正・補償したもの。ただし、グラフは補正・補償していない。

コメント

PCの再生系(JACK)を現状(44.1kHz)以外のサンプリングレートにするのは手軽でないため、測定は約20kHzまでとなっているが、サウンドカードは高いサンプリングレートをサポートしているし、本機も特に制限をしている訳ではないので、更に高い周波数も再生可能と思われる。ただ、そこに必要性を感じていないので、測定する予定はない。

歪み(THD)

注: アンプ出力が小さい場合(例: 下の「常用出力」の11mW)、ADC入力が小さいため、サウンドカード固有の歪み(出力が11mW(ADC入力は-22.4dBFS)の場合、約0.0055%)からの余裕が小さくなり、歪み率の精度や信頼性が良くない。そのため、測定ごとに値が変わる。 (2022/1/7)

  • 常用出力(約11mW)時 (ボリューム使用: 12時辺り): 約0.0070% @1kHz
    • L
      • 30Hz: 0.0019%
      • 1kHz: 0.0072%
      • 4kHz: 0.0078%
    • R
      • 30Hz: 0.0024%
      • 1kHz: 0.0068%
      • 4kHz: 0.0083%
  • 約1W出力時: 約0.0027% @1kHz
    • L
      • 30Hz: 0.0050%
      • 1kHz: 0.0025%
      • 4kHz: 0.0032%
    • R
      • 30Hz: 0.0059%
      • 1kHz: 0.0029%
      • 4kHz: 0.0035%
  • 約8W出力時: 約0.0014% @1kHz
    • L
      • 30Hz: 0.0026%
      • 1kHz: 0.0010%
      • 4kHz: 0.0015%
    • R
      • 30Hz: 0.0028%
      • 1kHz: 0.0017%
      • 4kHz: 0.0028%
各出力での歪み(THD)の周波数特性

  • L: 青系, R: 赤系
  • 暗色(1kHzで一番上): 常用音量(約11mW)時
  • 中間色(1kHzで中間): 出力約1W時
  • 明色(1kHzで一番下): 出力約8W時
  • 灰色: サウンドカード直結 (出力: -10dBFS)
  • 各曲線の色が薄い部分(例: 高域)は、歪みがノイズフロア以下であることを示し、歪み率の信頼性は低い。
特記事項
  • 測定帯域(フィルタ)は10Hz-20kHz、負荷は8Ω。
  • 約1W, 約8W出力時はスピーカー出力のあとにアッテネータ(-16.5dB)を入れて測定した。
コメント
  • 使用したアンプIC LM3886のデータシートでの1kHz, 10WのTHD+Nは約0.003% (1kHz, 8Ω, Vcc=±28V, 10W, 80kHz)だが、本機の8Wでの歪み率がその約1/2なのは、以下の原因が考えられる。
    • データシートはTHD+Nのため。
    • 本資料の測定帯域が狭いため。
    • BA3886のゲインが10と通常の約1/2のため。

    今のところ、測定帯域が狭いためではないかと考えている。

  • 8W出力時に超低域(30Hz以下)の歪みが増大しているのは、電源やその配線の容量不足(、あるいはインピーダンスが充分に低くないこと)によると思われる。上述のとおり、仕様上の最大出力が約4Wなので仕方ない面もある。

クロストーク(チャネル・セパレーション)

片チャネルだけに信号を入れ、そのスピーカー出力(振幅)に対する、反対チャネル(入力なし)からの漏れ信号の振幅の比を求めた。

約0.6W出力時: 約92dB @1kHz

  • L→R (Lチャネルに信号を入れ、Rチャネルのスピーカー出力を測定)
    • 1kHz: 92.0dB
    • 10kHz: 77.6dB
  • R→L (Rチャネルに信号を入れ、Lチャネルのスピーカー出力を測定)
    • 1kHz: 106dB
    • 10kHz: 77.2dB

反対チャネルからの漏れ信号の振幅の周波数特性

緑: L→R, 紫: R→L, 灰: サウンドカードL→R, R→L; スピーカー出力は-6.6dBFS相当(上の線)

本節の測定値はサウンドカード自体の漏れを補償したもの。ただし、グラフは補償していない。

特記事項

大出力(振幅)を測定するためにアッテネータを入れるとクロストークが悪化するため、アッテネータが不要な最大出力で測定した。

コメント

中高域でL→RとR→Lに差があるが、原因は分からない。一時はサウンドカード自体の特性かと思ったが、そうではなかった(上のグラフでは差がない)。線の引き回しや基板の作りが関係しているのだろうか。

アイドル時のアンプIC LM3886の温度

  • 無風時: 室温+18℃前後
  • 風がある時: 室温+16.5℃前後

スピーカー保護部の特性

以下、値は実測値。

出力をミュートするオフセットのしきい値(振幅)

DC (オフセット)

約+1.2V, -1.4V

AC (超低音をオフセットとみなす特性)

  • 1Hzの正弦波をミュートするスピーカー出力の振幅: LRともに約1.9V
  • 最大出力となる振幅(約9.3V)の正弦波がミュートする上限周波数(Hz): LRともに1.75Hz

制限事項

短時間(下記以下)で電源を再投入(off→on)すると、ミュートされて起動できない。再投入は、少なくともミュート通知ランプ(赤)が消灯するまで待つこと。

  • 電源の再投入間隔: 約5秒
  • ミュート後の電源の再投入間隔: 約20秒

コメント

起動(電源on)時のミュートを防止するコンデンサが放電するまで待たないと、起動時にDC-DCコンバータの電源制御端子が"L"にならず、アンプの電源がonにならないため。

主な使用モジュール・部品

  • アンプ部
  • スピーカー保護部: 自作
    • オペアンプ: MUSES 8820D
      • 手持ちを使った。特に指定はない。
    • ダイオード: RL205x4
      • 手持ちを使った。特に指定はない。ただし、オフセットのしきい値に関係する。
    • トランジスタ: 2SC1815 GRx3
      • 特性が近ければ何でも良いが、オフセットのしきい値に関係する。
    • リレー: オムロン G6A-274P-15 12VDC
      • アンプが稼働中はコイルが常時onのため、消費電力が小さい高感度型にした。
  • 電源部
    • DC-DCコンバータ: コーセル MGFW302415
      • 出力: ±15V, 1A
      • 上部にヒートシンク(約4x4x2cm, アルミ製)を付けた。
    • リップルフィルタ: コーセル SNA-03-223
  • その他
    • ヒートシンク兼ベース板: AData SSD SX900のマウンタ (アルミ製, 約10x10cm)
    • ケース: バッファロー Wi-Fiルータ WSR-300HPのケース (上半分を加工)
    • カバー: ダイソー 鉢底ネット 角型 (C029 No.4) (加工)

補足・コメント

アンプとは別だが、入力接続用コードは雑音に大きく関係する(とは言え、聞いて分かるほどの違いはない)。試したうちでは、エイトワンのもの(例: EAC-110)が一番雑音が少なかった。

また、外付け部品の元電源(ACアダプタ)は、歪み特性(特に低域)に大きく関係する。手持ちの数種類を試したところ、SAYAのアンプ SP192ABのACアダプタ(24V, 2.7A)が最も良かったので使っている。

測定に関して

使用した機材 (主要なもの)

  • 周波数特性、雑音などの測定
  • DC電圧・抵抗値などの測定
    • テスター: 三和 YX-360TR

測定結果についてのコメント

PCのサウンドカードとソフトを使用して測定したため、測定値の一般的な保証・認証や他者との比較妥当性はない。すべて「自称値」である。

測定しなかった・できなかったもの、載せなかったもの

  • ダンピングファクター: 手持ちの機材では正確に測定できないため。
  • スルーレート: 手持ちの機材では正確に測定できないため。
  • ダイナミックレンジ: 定義が想像していたものと異なっていたのと、様々な定義があるので、残留雑音から求めたSNRで代用することにした。
  • 矩形波(方形波)応答: 測定したが、あまり意味がないと思うので割愛した。

 

(6/22 7:05 測定方法などを加筆・修正, 残留雑音とSN比の測定値を修正; 6/22 8:49 クロストークの測定結果を修正; 6/22 11:27 クロストークの測定方法を修正して結果を訂正、全体を更新; 6/22 13:30 細かい加筆・修正; 6/22 14:00 本分をJoplinのRAWのMDを使うように変更; 6/23 7:32 元電源について記載, クロストークにコメントを追記, いくつかの特性の代表値を記載, 細かい加筆・修正; 2022/1/7 14:38 全体的な構成図を更新し、歪み率に関する注意を追加した。)

 

PS. JoplinでMarkdown(MD)で書いたファイルを簡単にWordPressに入れられると思って居たが、意外に面倒だった。テキスト部分はコピー・ペーストやMD用プラグインで容易にできるが、画像までは面倒見てくれず、自分でファイルをアップロードし、Joplinの生成したファイルのパスをサーバ用にURLに変換してサイズを調整する必要があった。いろいろ試して、Better Find and Replaceというプラグインを使ってページ内で画像を指定する部分を自動変換することで対処した。他の同様なものだと、なぜかページが真っ白になるものがあった。相性問題か。

途中までは、MDでは手間が掛かり過ぎるからPDFを載せようとしたのだが、馬鹿らしいしビューアのプラグインでは見にくいので、MDを何とかした。

また、MDをインポートするプラグインも いろいろあるものの、画像込みの場合にはImport Markdownが一番手間が少なそうだ(ただし、画像は手でアップロードする必要がある)。

こういう、本題とは関係ないところで半日くらい潰れたｗ

(6/22 14:22) 備忘録として、JoplinのMD中の画像を表示できるようにするためのBetter Find and Replaceの変換ルールを書いておく。

  • Rule's type: Regular exp. (正規表現)
  • Find: (変換対象のパターン: JoplinのMDの画像リソース名(":/"で始まる32文字)を見付け、"alt="から画像ファイルのsuffixを見つける。)
(<img +)(src="):/([0-9a-f]{32}(\.[^"]+)?)" +(alt="[^"]+(\.[^"]+)")?( .*)?( />)
  • Replace With: (変換方法: 画像のパスをアップロード先にし、幅を制限する。クリックしたら画像を表示する。)
<a href="/wp-content/uploads/JMD/_resources/$3$4$6"
$1$2/wp-content/uploads/JMD/_resources/$3$4$6" width="100%" $5$7$8
</a>

(2022/1/27 15:11) 仕様・特性が確定したので、図・写真をWPに取り込んで通常の表示に変更し、プラグインBetter Find and Replaceを不要にした。

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by PiuLento (れんと) | 2021-06-21 19:06 | BA3886, WordPress, アルバム, 手仕事, 日記 | コメント

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