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ヘッドホンアンプを自作(2)-仕様-(USB DAC/ヘッドホンアンプ)

投稿日:2020/05/18 更新日:

ヘッドホンアンプですが、今回のコンセプトを先に決めておきます。

・USB DACを内蔵したものにして、パソコンですぐに使えるようにする。
・手軽さを重視して、USBバスパワーで動くようにする。
・ヘッドホンアンプを搭載して、パワー不足をなくす。
・Cortanaや簡易チャットのためにマイクを搭載する。
・ある程度、コンパクトな設計とする。

と便利さを少し重視しておきたいと思います。
設計する上で、USB側のインターフェースとヘッドホン側の出力を考えてみます。

USBインターフェース

USB側のDDCとDACを選定する必要がありますが、このあたりでお手軽なのは
TI社製のPCM2704あたりがワンチップでお手軽です。
今回は最初のバージョンということで、お手軽さ重視でいきます。

このICはよく採用されており、秋月電子のキットであったり、他の方も含めてたくさん使われている定番のICになっています。

PCM2704でもいいのですが、マイク搭載ということで、入力用のADCも必要になるので、このシリーズ物を選定しました。
PCM2906CでADCとDACを持っています。



DACはΔΣ変調方式なので、ある程度の性能も期待できます。
S/Nが96dB程度と本格的なオーディオとしては不足なような気がしますが
そもそもDACが16bitである以上、DACのダイナミックレンジが96dBが理論値なので、16bitの限界と見るべきでしょう。

もちろん、ノイズは、ホワイトノイズなどを考えると、少ないに越したことはないですが、
それ以上を求めるなら24bit以上を求めるべきかと思います。

USBコネクタはMicroBを採用しました。
スマートフォンなどでケーブルもいっぱいあるので、こちらのほうがいいと思います。

これでUSB側は決定です。

ヘッドホン側出力

ヘッドホンへの出力を考える上では、ヘッドホンのインピーダンスが重要です。

ヘッドホンでは、iPhone付属のイヤホンなどのように、一般的な民生機は8Ωがほとんどです。

これは電池などの低い電圧でも出力しやすいようにだと思います。

ちょっとハイエンドでは28~32Ωぐらいが多いようです。

さらにハイエンドでは、120Ω~600Ωというものがありますが、今回は8Ω~32Ωをターゲットにします。


最大音量を最初に考える必要がありますが、
人間の可聴範囲は音圧レベルで120dBと言われており、これを超えると聴覚に異常が出ると言われています。


今回のターゲットは安全とされる110dBとします。
ちなみに110dBはクラクションレベルです。

一般的なヘッドホンの能率は100dB/mW少し高いぐらいです。
(ポータブルのイヤホンで108dB/mWなどです。)
今回は100dB/mWとします。

そこから計算すると110dBを出力を得るには、10mWの出力が必要です。
瞬時的な出力を考えると120dBレベルの能力があったほうがよく、この場合には100mWの出力が必要です。

ここからインピーダンスの計算が重要で
8Ωのヘッドホンで10mW出力をするためには、±0.4V程度で十分です。
ただし、インピーダンスが低いので電流は±50mAの出力能力が必要です。
(100mWでは、±1.26V、±158mAの能力が必要です。)

32Ωでは10mW出力するのに
±0.8V、±25mAの能力が必要になります。

一般的に、簡単にヘッドホンアンプを作ろうとすると
オペアンプによるヘッドホンアンプを作るのが一般的ですが、オペアンプで50mAをきっちりで出せるオペアンプは多くありません。


しかも、USB電源を有効利用すると5Vのままで使うことになるので
電源電圧まできっちりと使えるRale to Raleのオペアンプかつ、高電流出力のオペアンプから選ぶことになります。

今回はTI社製(旧National Semiconductor)のLME49726を使うことにしました。


電源

USBバスパワーで使うときには電源がネックになることが多いです。
問題点は大きく分けて3点ぐらいあります。

1、動作電圧
オペアンプでも書きましたが、バスパワーを有効利用しようとすると
動作電圧は5Vになります。

アンプ回路では電圧は高いほうが組みやすい傾向にあるため、デメリットになります。
昇圧することも考えられますが、USBは電流もあまりとれないため
効率が悪くなることは避けたいところです。


2、ノイズの問題
USBバスパワーの最大の敵はノイズかと思います。
パソコンからの電源はかなりノイジーです。

もともと、デジタル回路を動かす用の電源で大電力を作っているので
どうしても、ノイジーになります。

ここはきっちりとフィルタを構成して、少しでもノイズの影響を減らしたいと思います。

3、USB規格の制約
USBには100mAという電流制限もありますが、
電源ラインには10uF以上のコンデンサを接続してはいけないという制約事項が存在しています。

この制約を守らないとUSBコントローラの電源制御部が壊れるなどもあるため
オーディオで大容量コンデンサをつなぐときに、一番の障壁になります。

今回、100mAの制約事項はPCM2906Cにすることで500mAクラスとして認識させることができます。
これで電流には少し余裕がでます。

問題のコンデンサですが、突入電流が問題なので、電源部をソフトスタートさせて
ゆっくりと、コンデンサチャージしてあげることで、見かけ上のコンデンサを減らして、USB規格内に強引の収める方法をとってみます。

全体的なコンセプトと回路構成は決まったので、回路図をサクッと引いて
作成していきたいと思います。


今回のスペックを考える上でハイレゾなども考えたくなりますが
ハイレゾ対応のUSB/DDCがなかなか手に入らないという実情もあります。
DDCなどが手に入るようであれば、ハイレゾ版も考えたいと思いますが
まずは、初回バージョンを作っていきます。



ヘッドホンアンプを自作(1)-ヘッドホンアンプとは- https://www.cumeles.com/blog/archives/2857

ヘッドホンアンプを自作(2)-仕様-(USB DAC/ヘッドホンアンプ) https://www.cumeles.com/blog/archives/2956

ヘッドホンアンプを自作(3)-設計~制作-(USB DAC/ヘッドホンアンプ) https://www.cumeles.com/blog/archives/2967

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