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3 DC 12V版

このアンプは, ぺるけさんの掲示板(http://6403.teacup.com/teddy/bbs)で発言された, mk701さんの製作を代行したものです. mk701さんとのやりとりについては, mk701さんのヘッドホンアンプ製作記をご覧ください.

回路は,ぺるけさんの原回路(http://www2.famille.ne.jp/˜teddy/pre/pre6.htm)どおりです(図32).

DC12V_sch.png

図 32: DC 12V版の回路図
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半導体,CR類は,ぺるけさんから配賦していただきました.

トランジスタの hFE,FETの Idss, Vgs@2mAは, 以下の通りで,非常によく揃っていました.

2SK170 Idss 7.75mA 7.65mA 7.66mA 7.80mA
2SK170 Vgs -0.205V -0.207V -0.206V -0.208V
2SC1815-Y 139 140 145 145
2SA1015-GR 226 222 --
2SC1815-GR 262 259 --
2SA1358-Y 218 222 --
2SC3421-Y 181 186 --

ケースはタカチのKC5-13-20にしました. このケースの前面・後面のパネルはプラスチック製であり, シールド効果はなく,ボリュームの軸がアースされません. また,ケースのその他の部分はアルマイト加工されており, 組み立てても導通が取れません. 最初,何の対策もせずに組み立てたところ, ボリュームのノブに触れたり, 天板に手を触れたりするとノイズを拾いました.

そこで,標準ジャックとボリュームを接続するアルミ板を入れ, さらにそのアルミ板を斜めに曲げて天板と導通するようにしました(図34). 天板の接触する部分は,布ペーパーによりアルマイトを落としてあります(図35).

この対策により,最もインピーダンスが高くなる ボリュームを電気的中点にした場合でも, 残留雑音が入力ショート時とほぼ変わらなくなりました. ノイズの大きさは,測定した状況によって変わるので, シールドの効果を正確に指摘することはできませんが, 最大17dB程度はノイズが小さくなりました.

HPA_DC12V_outer.jpg

図 33: DC 12V版の外観.
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HPA_DC12V_shield.jpg

図 34: DC 12V版の前面パネルのシールド
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HPA_DC12V_top.jpg

図 35: DC 12V版の天板の加工
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3.1 シミュレーション

負荷を開放したときの, 無帰還とゲインを9dBに調整した場合の周波数特性を 図36に示します.

DC12V_sim_ac_1.png

図 36: 帰還ありとなしの周波数特性(シミュレーション)
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無帰還時のゲインは,24.0dB (15.8倍)です.

負荷抵抗を変化させた場合の周波数特性を 図37に示します.

DC12V_sim_ac_2.png

図 37: 負荷抵抗を変化させた場合の周波数特性(シミュレーション)
\begin{figure}.
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RL = 15 Ωの低域のカットオフ周波数は,2Hz程度です.

68Ωの負荷に1V出力時の波形を図38に示します.

DC12V_sim_tran.png

図 38: 1V出力時の波形(シミュレーション)
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歪率は,0.0338%です.

出力インピーダンスの特性を図39に示します.

DC12V_sim_Zo.png

図 39: 出力インピーダンス特性(シミュレーション)
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中域の出力インピーダンスは,1.11Ωです.

3.2 特性

負荷開放時のゲインを9dB (2.83倍)に調整した時の特性です. 電源として,菊水7025を使用しました. 総消費電流は,約67mAでした.

負荷開放時の出力電圧対歪率特性を図40に示します.

図 40: 負荷開放時の出力電圧対歪率特性(左:左チャネル,右:右チャネル)
\includegraphics[scale=0.8]{DC12V/dist_RLinf.ps}

負荷抵抗の違いによる出力電圧対歪率特性を図41に示します.

図 41: 負荷抵抗を変化させた場合の出力電圧対歪率特性
\includegraphics[scale=0.8]{DC12V/vo_dist_RL.ps}

負荷抵抗の違いによる出力電力対歪率特性を図42に示します.

図 42: 負荷抵抗を変化させた場合の出力電力対歪率特性
\includegraphics[scale=0.8]{DC12V/po_dist_RL.ps}

負荷抵抗の違いによる周波数特性を図43に示します.

図 43: 負荷抵抗を変化させた場合の周波数特性
\includegraphics[scale=0.8]{DC12V/freq_RL.ps}
無帰還時のゲインは16.8倍(24.5dB),負帰還量は15.5dBです. 負荷開放時に8.5MHz近辺に大きなピークが出ています. ラグ板による配線のためでしょうか.

出力インピーダンスの周波数特性を図44に示します.

図 44: 出力インピーダンスの周波数特性
\includegraphics[scale=0.8]{DC12V/Zo.ps}
中域における出力インピーダンスは,約1Ωです.

1V出力時のクロストーク特性を図45に示します.

図 45: クロストーク特性
\includegraphics[scale=0.8]{DC12V/crosstalk.ps}
AC 100V版と違い,低域で少し漏れています. トランジスタによる定電圧電源がないため, 電源のインピーダンスが高くなっているからでしょうか. 高域は,左から右へ少し漏れています.

残留雑音は,以下の通りです.

チャネル 600kHz 80kHz 30kHz A特性
L 26.2$ \mu$V 10.8$ \mu$V 6.9$ \mu$V 3.9$ \mu$V
R 25.8$ \mu$V 10.6$ \mu$V 6.7$ \mu$V 3.9$ \mu$V

3.3 ACアダプタによるノイズの違い

DC 12V版に使用するACアダプタは, 秋月電子で購入した以下の3種類です.
  1. 12V, 0.4A, 入力100〜240V
  2. 12V, 1A, 入力100〜240V (12V, 1A小型と表記)
  3. 12V, 1A, 入力100V (12V, 1A大型と表記)
12V, 1A大型は,現在は1.2Aになっているようです. ACアダプタの外観を図46に示します.

AC_adaptor.jpg

図 46: ACアダプタ(左より,12V, 0.4A,12V, 1A小型,12V, 1A大型)
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比較として, 定電圧電源 菊水7025と, 317を使用して作成した電源を使います. 317を使用した電源の回路図を,図47に示します. 317のadj端子には22$ \mu$Fの電解コンデンサを付加して, リプルを減らしています.

317_sch.png

図 47: 317を使用した電源の回路図
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3.3.1 ノイズフィルタ

スイッチング電源の高周波ノイズを低減するのに使用するノイズフィルタの回路図を, 図48に示します.

filter_sch.png

図 48: ノイズフィルタの回路図
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コンデンサは,すべて100$ \mu$Fの電解コンデンサと 0.1$ \mu$Fの積層セラミックコンデンサの並列です.

L1, L2はコモンモードチョークで, 鈴商で売っていたTOKIN製の2A, 1mHのものです. コモンモードチョークは漏れインダクタンスが大きく, ノーマルモードのチョークの役割も多少果たしますが, この部品の場合,結合係数は0.998で, 漏れインダクタンスは6.4$ \mu$H程度となり, 10kHz域に効果が出てきます.

L3は通常のフェライトコアのチョークで,2mH, 0.16Aの定格です. このフィルタによるカットオフ周波数は350Hz程度で, 数10kHz以上のスイッチング周波数に対して, 十分な減衰が期待できます.

作成したノイズフィルタの外観を図49に示します.

noise_filter.jpg

図 49: ノイズフィルタの外観
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3.3.2 電源単体の特性

電源を電子負荷に接続し, 出力電流を変えながら, 出力電圧とノイズ電圧を測定しました.

以下の出力電流対出力電圧のグラフで, 点線は,前述のノイズフィルタを付加した特性です. 以下の出力電流対ノイズ電圧のグラフで, 赤は,帯域幅600kHz,緑は帯域幅80kHz,青は帯域幅30kHzです. 赤の点線は,前述のノイズフィルタを付加した特性です.

3.3.2.1 12V, 0.4A

50に, 出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性を示します.
図 50: 12V, 0.4Aの出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性
\includegraphics{filter/12V0A4.ps}
内部抵抗は,0.225Ωです.

帯域幅600kHz, 80kHz, 30kHzであまり違いがないことから, ノイズの成分がかなり低い周波数にあることが予想されます.

100mA出力時の波形を図51に示します.

12V0A4_100m.jpg

図 51: 100mA出力時のノイズ波形(左 X:5ms/div, Y:10mV/div,右 X:2us/div, Y:10mV/div)
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100Hzのリプルに高周波が乗っています. スイッチング周波数は240kHz程度です. 電流が増えるにつれ,360kHzから100kHz程度まで下がっていきます.

ノイズフィルタを接続した場合の, 100mA出力時の波形を図52に示します.

12V0A4_filter_100m_L.jpg

図 52: 100mA出力時のノイズ波形(ノイズフィルタ使用,X:5ms/div, Y:5mV/div)
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高周波成分が減り,波形がすっきりとしています.

3.3.2.2 12V, 1A小型

53に, 出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性を示します.
図 53: 12V, 1A小型の出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性
\includegraphics{filter/12V1AS.ps}
内部抵抗は,0.23Ωです.

帯域幅30kHzでノイズが大幅に下がっていることから, ほとんどの成分は30〜80kHzの間に分布しており, ノイズフィルタの効果が非常によく表れると予想されます.

100mA出力時の波形を図54に示します.

12V1AS_100m_H.jpg

図 54: 100mA出力時のノイズ波形(X:10us/div, Y:5mV/div)
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スイッチング周波数は47kHz程度です. 電流が増えるにつれ,スイッチング周波数は高くなります.

このACアダプタは,電流が少ない(20mA以下)ときに不安定になり, 600Hzのリプルが発生します(図55).

12V1AS_20m_H.jpg

図 55: 20mA出力時のノイズ波形(X:500us/div, Y:10mV/div)
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ノイズフィルタを接続すると,高周波成分が抑圧されて, オシロで確認できなくなります.

3.3.2.3 12V, 1A大型

56に, 出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性を示します.
図 56: 12V, 1A大型の出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性
\includegraphics{filter/12V1AL.ps}
内部抵抗は,0.23Ωです.

電流が増えるにつれ 帯域幅80kHz, 30kHzのノイズ電圧が増えていくことから, 次第に周波数の低い成分が増えていることが予想されます.

100mA出力時の波形を図57に示します.

12V1AL_100m_H.jpg

図 57: 100mA出力時のノイズ波形(X:5us/div, Y:5mV/div)
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スイッチング周波数は114kHz程度です.

このACアダプタは,電流が少ない(5〜32mA)ときに不安定になり, 230〜520Hzのリプルが発生します(図58).

12V1AL_32m_H.jpg

図 58: 32mA出力時のノイズ波形(X:500us/div, Y:10mV/div)
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3.3.2.4 菊水7025

59に, 出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性を示します.
図 59: 菊水7025の出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性
\includegraphics{filter/kikusui.ps}
内部抵抗は,0.04Ωです.

ノイズ電圧は出力電流にほとんど依存せず,非常に低い値です. 1A出力時のノイズ波形を図60に示しますが, 110kHzのノイズはわが家で定常的に観測されるもので, 電源から出ているものではないようです.

kikusui_1000m_H.jpg

図 60: 1A出力時のノイズ波形(X:5us/div, Y:2mV/div)
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3.3.2.5 317

61に, 出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性を示します.
図 61: 317を使用した電源の出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性
\includegraphics{filter/317.ps}
内部抵抗は,0.1Ωです.

ノイズ電圧は出力電流にほとんど依存せず, 菊水の電源に比べると多少大きいですが,非常に低い値です. 80mA出力時のノイズ波形を図62に示します.

317_80m_H.jpg

図 62: 80mA出力時のノイズ波形(X:5us/div, Y:2mV/div)
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3.3.2.6 7812

3端子レギュレータ7812の性能を評価するため, 317を使用した電源から整流直後の波形を取り出し, 7812を通した出力を測定しました.

63に, 出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性を示します.

図 63: 7812を使用した電源の出力電流対出力電圧,出力電流対ノイズ電圧特性
\includegraphics{filter/7812.ps}
内部抵抗は,0.2Ωです.

ノイズ電圧は出力電流に伴って大きくなっていきます. ヘッドホンアンプで使用する電流(100mA以下)では, 他のシリーズレギュレータと同程度のノイズとなりますが, それ以上の電流を取り出すと,リプルが目立ってきます. 400mA出力時のリプル波形を図64に示します.

7812_400m_ripple.jpg

図 64: 400mA出力時のリプル波形(X:5ms/div, 上7812出力 Y:2mV/div,下7812入力 Y:1V/div)
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入力のリプルがピークトゥピークで1.2V, 出力のリプルがピークトゥピークで0.6mV程度ですから, リプル抑圧比は66dBです.

3.3.3 ヘッドホンアンプに接続した場合

ACアダプタ,電源などをヘッドホンアンプに接続し, 電源の出力と,最終的なB電源のノイズを測定しました. また,ヘッドホン出力のノイズを測定しました.

3.3.3.1 12V, 0.4A

各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
ACアダプタ出力 3.70mV 2.42mV 2.42mV --
B+ 0.41mV 0.40mV 0.40mV --
残留雑音L 68.5$ \mu$V 11.2$ \mu$V 7.3$ \mu$V 7.0$ \mu$V
残留雑音R 43.5$ \mu$V 11.2$ \mu$V 7.5$ \mu$V 5.3$ \mu$V

電源のノイズ波形を図65に,B+のノイズ波形を図66に示します.

12V0A4_A.jpg

図 65: 電源のノイズ波形(左 X:5ms/div, Y:5mV/div,右 X:1us/div, Y:5mV/div)
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12V0A4_B.jpg

図 66: B+のノイズ波形(左 X:5ms/div, Y:2mV/div,右 X:5us/div, Y:5mV/div)
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電源のノイズは,100Hzのリプルに高周波が乗っています. 高周波の周波数は,283kHzです. B+には,100Hzのリプルが残っています.

ノイズフィルタを挿入した場合の各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
ACアダプタ出力 1.79mV 1.79mV 1.79mV --
B+ 0.30mV 0.298mV 0.295mV --
残留雑音L 49.0$ \mu$V 11.2$ \mu$V 7.3$ \mu$V 3.9$ \mu$V
残留雑音R 32.4$ \mu$V 11.2$ \mu$V 7.4$ \mu$V 4.0$ \mu$V
ノイズフィルタにより,高周波成分が除かれているため, ミリボルトメーターの帯域を変えても,ノイズの振幅はほとんど変わりません. 残留雑音は,600kHz帯域で,25%ほど減っています.

電源のノイズ波形を図67に,B+のノイズ波形を図68に示します.

12V0A4_filter_A.jpg

図 67: 電源のノイズ波形(左 X:5ms/div, Y:2mV/div,右 X:5us/div, Y:2mV/div)
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12V0A4_filter_B.jpg

図 68: B+のノイズ波形(左 X:5ms/div, Y:2mV/div,右 X:5us/div, Y:2mV/div)
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電源のノイズから高周波が取り除かれており, 100Hzの波形がはっきりと見えます.

3.3.3.2 12V, 1A小型

各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
ACアダプタ出力 5.2mV 4.5mV 1.4mV --
B+ 84$ \mu$V 70$ \mu$V 34$ \mu$V --
残留雑音L 64$ \mu$V 18.5$ \mu$V 7.2$ \mu$V 4.4$ \mu$V
残留雑音R 46.5$ \mu$V 15.8$ \mu$V 7.0$ \mu$V 4.2$ \mu$V

電源のノイズ波形を図69に,B+のノイズ波形を図70に示します.

12V1AS_A_H.jpg

図 69: 電源のノイズ波形(X:10us/div, Y:10mV/div)
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12V1AS_B_H.jpg

図 70: B+のノイズ波形(X:10us/div, Y:10mV/div)
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スイッチング周波数は44kHzのようです. B+にはスイッチング周波数の成分が漏れているようです.

ノイズフィルタを挿入した場合の各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
ACアダプタ出力 90$ \mu$V 86$ \mu$V 84$ \mu$V --
B+ 23.5$ \mu$V 14.5$ \mu$V 12$ \mu$V --
残留雑音L 36.0$ \mu$V 14.1$ \mu$V 6.8$ \mu$V 4.1$ \mu$V
残留雑音R 29.5$ \mu$V 12.8$ \mu$V 6.7$ \mu$V 4.1$ \mu$V

電源のノイズ波形を図71に,B+のノイズ波形を図72に示します.

12V1AS_filter_A_H.jpg

図 71: 電源のノイズ波形(X:10us/div, Y:2mV/div)
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12V1AS_filter_B_H.jpg

図 72: B+のノイズ波形(X:10us/div, Y:5mV/div)
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電源およびB+にはスイッチング周波数の成分がわずかに残っています.

3.3.3.3 12V, 1A大型

各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
ACアダプタ出力 1.36mV 0.135mV 0.13mV --
B+ 36$ \mu$V 22$ \mu$V 22$ \mu$V --
残留雑音L 32.5$ \mu$V 10.6$ \mu$V 6.7$ \mu$V 4.1$ \mu$V
残留雑音R 26.95$ \mu$V 10.48$ \mu$V 6.5$ \mu$V 4.0$ \mu$V

電源のノイズ波形を図73に,B+のノイズ波形を図74に示します.

12V1AL_A_H.jpg

図 73: 電源のノイズ波形(X:5us/div, Y:2mV/div)
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12V1AL_B_L.jpg

図 74: B+のノイズ波形(X:5ms/div, Y:2mV/div)
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スイッチング周波数は216kHzのようです. B+には,わずかに100Hzのリプル成分が見えます.

ノイズフィルタを挿入した場合の各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
ACアダプタ出力 105$ \mu$V 92$ \mu$V 92$ \mu$V --
B+ 22$ \mu$V 17$ \mu$V 17$ \mu$V --
残留雑音L 29.5$ \mu$V 10.6$ \mu$V 6.6$ \mu$V 4.0$ \mu$V
残留雑音R 27.3$ \mu$V 10.5$ \mu$V 6.6$ \mu$V 4.0$ \mu$V

電源のノイズ波形を図75に,B+のノイズ波形を図76に示します.

12V1AL_filter_A_H.jpg

図 75: 電源のノイズ波形(X:5us/div, Y:2mV/div)
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12V1AL_filter_B_H.jpg

図 76: B+のノイズ波形(X:5us/div, Y:2mV/div)
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スイッチング周波数が高いため,ノイズフィルタがよく効き, スイッチング周波数の成分が見られません.

3.3.3.4 菊水7025

各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
電源出力 35$ \mu$V 30$ \mu$V 29$ \mu$V --
B+ 13$ \mu$V 4$ \mu$V 3$ \mu$V --
残留雑音L 26.2$ \mu$V 10.5$ \mu$V 6.6$ \mu$V 3.9$ \mu$V
残留雑音R 25.9$ \mu$V 10.3$ \mu$V 6.4$ \mu$V 3.9$ \mu$V

3.3.3.5 317

各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
電源出力 80$ \mu$V 50$ \mu$V 34$ \mu$V --
B+ 13$ \mu$V 3.5$ \mu$V 2.5$ \mu$V --
残留雑音L 25.7$ \mu$V 10.4$ \mu$V 6.3$ \mu$V 3.9$ \mu$V
残留雑音R 25.9$ \mu$V 10.9$ \mu$V 7.0$ \mu$V 4.1$ \mu$V

3.3.3.6 総評

トランスを用いたシリーズレギュレータ(菊水,317)では, ノイズが非常に少なく,申し分のない値と言えます. 317を用いているため,リプルを十分に低減できていますが, 普通の3端子レギュレータ(7812など)を使うとどうなるか,興味のあるところです.

次に優秀なのは,12V, 1Aの大型で, ノイズフィルタを挿入すれば, シリーズレギュレータの10%増し程度のノイズになります. ノイズフィルタがなくても,25%増し程度ですので, 十分に許容できると思います.

12V, 1Aの小型は,ノイズフィルタの効きがよく, シリーズレギュレータの40%増し程度のノイズになります. ノイズフィルタがない場合は,2.5倍程度となり,少し問題があるかも知れません.

12V, 0.4Aには,100Hzのリプルが含まれているため, ノイズフィルタがよく効かず, シリーズレギュレータの1.9倍程度のノイズになります. ノイズフィルタがない場合は,2.6倍程度となります.

3.4 ノイズ低減のための改良

スイッチングACアダプタを使用した場合, Lチャネルの高周波ノイズがなかなか下がりません.

内部をよく検討すると, 以下の点に問題がありそうです.

DCジャックからの線については,少し切りつめ,撚るようにしました(図77). またラグ板同士をつないでいる電源のラインは短くし, DCジャックから離れるようにしました. 電源スイッチ近辺については, 0.5tのアルミ板でシールドしました(図78). 電源スイッチとDCジャックをつなぐ線については, 試験的にシールド板を入れてみましたが,効果がないようでした.

HPA_DC12V_mod1.jpg

図 77: DCジャック近辺の改良
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HPA_DC12V_mod2.jpg

図 78: 電源スイッチ近辺の改良
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\end{figure}
これらの改良により,帯域幅600kHzのノイズが 68.5$ \mu$Vから51.5$ \mu$Vに, ノイズフィルタを併用すると, 49$ \mu$Vから43$ \mu$Vに下がりました.

さらに,12V, 0.4Aの100Hzのリプルを低減するため, 2200$ \mu$Fを4.7Ωの後ろとC-の間に追加しました.

各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
電源出力 3.29mV 2.14mV 2.14mV --
B+ 105$ \mu$V 82.5$ \mu$V 82.5$ \mu$V --
残留雑音L 52$ \mu$V 11.2$ \mu$V 7.4$ \mu$V 6.1$ \mu$V
残留雑音R 30.4$ \mu$V 11.1$ \mu$V 7.2$ \mu$V 5.6$ \mu$V

電源のノイズ波形を図79に,B+のノイズ波形を図80に示します.

12V0A4_2200u_A.jpg

図 79: 電源のノイズ波形(X:5us/div, Y:2mV/div)
\begin{figure}.\hfill.\par
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\end{figure}

12V0A4_2200u_B.jpg

図 80: B+のノイズ波形(X:5us/div, Y:2mV/div)
\begin{figure}.\hfill.\par
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\end{figure}

ノイズフィルタを挿入した場合の各部のノイズ電圧は,以下のとおりです.

測定箇所 600kHz 80kHz 30kHz A特性
ACアダプタ出力 1.38mV 1.38mV 1.38mV --
B+ 61$ \mu$V 55$ \mu$V 54.5$ \mu$V --
残留雑音L 42.0$ \mu$V 10.7$ \mu$V 6.8$ \mu$V 4.2$ \mu$V
残留雑音R 28.2$ \mu$V 10.7$ \mu$V 6.8$ \mu$V 4.2$ \mu$V

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Ayumi Nakabayashi
平成25年12月30日