フロントベイのステレオジャックのノイズ消してみた
フロントベイに刺したUSBメモリに入っているMP3を再生させ、ステレオジャックにさしたイヤホンで聞くと、ノイズまみれで頭がトランス状態でどうにもならないので改造してみた。
昔からつかってる俺のフロントベイ
ゲームポートが前に出てる年代物
実はサイドワインダーゲームパッドを認識しないポンコツ
よくよく見てみるとステレオジャックとUSBや1394なんかとGNDが共通になってた
マザーボード上ではわざわざ78L05使ってアナログ電源を生成し、基板の端、ケース最後端あたりになるようにパターンを這わせて、ノイズまみれのデジタル電源と分離してくれてる。
それなのにフロントベイでGNDを一緒にしたらなんの意味もないのです。
USBからデータを伝送しているときだけノイズが出てたわけで、つながってるGNDからおもいっきり注入してるんだと思います。
いや伝送の瞬間GNDの電位が揺れてるのかな??
ということで、GNDを切り離してみた
デザインナイフで該当箇所を分断して切り離してみた。
オレンジの線はLineInのGND。Micではない。
ついでに、ゲームポートもしらべてみたら、VCCとGNDが一部配線されてない部分があった。
ということでジャンパしといた。
今度はきちんと動くと思う。
温度計の電源をUSBの5Vからとるようにした
LR44ボタン電池の1.5Vで三ヶ月くらい表示してくれるが、電池交換のたびに電源からHDDのケーブルからMOからとりはずす必要があったので、ケースに組み込み以来10年ちかく放置になってた温度計。
どの程度電流を喰うか調べたら、一秒間隔で温度計測し、計測の瞬間に約1mA弱消費するようだった。なるほどボタン電池で動くわけだ。
この程度なら電圧可変三端子レギュレータを使うまでもなく、抵抗の分圧分流でうごくはず。
実験してみたところ、電流が足りないと液晶がちらつく。
ちらつかない状態まで電流を増やしたとき、5V(USB)-1KΩ-V(temp)-470Ω-GNDみたいな感じになった。
ということでゴミ基板に適当に部品とりつけてみたら、ばっちり動いた。
抵抗二つだけだと不安なので、温度計に33Ωをシリーズで入れ、100uF/6.3VのSMD電解と、セラミック0.1uFをパラでつけといた。
電圧は1.62V程度で、計測の瞬間1.55V程度になる。
ふらついてるがまあ2〜3℃低く表示する温度計なのでそんなもんでいいや。新品時のLR44だって1.6Vあるし。
まあこんなもんだろう。
ちなみにサーミスタは電源のケースに貼り付けてある。
そう、電源の発熱が気になるのである。
電源が熱いとコンデンサの劣化が速く、だいたい二年しかもたないからね。
あ゛ー、づがれ゛だ
このフロントベイのステレオジャックのノイズが酷かったのが、Chu-Moyアンプをつくりはじめた強烈な動機のひとつであったことは、いうまでもない。
ボリュームついてなかったのもあるけど。
あ、肝心のノイズは、マシン組みなおしてから確認するです。
03/19 組み直して確認してみた
WinXPが入っていないので、USBメモリのPuppyLinuxで再生さしてみた。
ばっちりである。ぐへへ。
マザーのルート音量最大、gxineのWAV音量を最大にすると、極少量ながらもザーっというピンクノイズがある。
この程度のノイズは外付けのオーディオカードでも普通にあるので、とくに問題はない。
実際に聞くときの音量は、ルート音量1/２のWAV音量1/4なので、ほとんど聴こえない。
で、当初の目標だった、USBメモリ内のMP3を再生させたときのデータ転送時に伝わるエキセントリックなノイズはどうなかったかというと、思った通り綺麗さっぱり消えました。
なんとなく原因を思いついてから、フロントベイを取り外し調べてみたら、思ったとおりの不具合で、なおかつ対処法も適切で、嘘みたいにうまくいきました。
はあ、面倒くさがらないで5年くらい前にやっとけばよかった。
しかしその頃は基板まわりの知識は皆無に等しいので対策がわかるはずもなく……。
ようやく、どう手をつければ壊さずに改善できるかが、少しずつわかるようになってきた。
まあそんなかんじで。
03/20 ヘッドフォンバッファを製作することにした
Chu-Moy製作時の部品が若干あまってるので、ヘッドフォンアンプというかバッファを製作して組み込むことにする。
Chu-Moyアンプとの違いは、入力ボリュームを外し、電源を乾電池から内蔵電源にすること。
スイッチング電源からアンプの電源をとるのは難しそうだったが、ぶっ壊れた昔のNECの等倍CD-ROMや最初期のSONYのDVD-ROMドライブの基板をしらべてみると、ヒントが見えてくる。
この時期はドライブ単体が高級品だったので、コストダウンの必要性がなく、回路的に一切の手抜きがない。
デジタル系*1アナログ系さらにモータのパワー系と、三種が混在している基板はとても勉強になる。
スイッチング方式の電源から、多分TDKの三端子フィルタ、もしくはインダクタとタンタル(!!?)コンデンサで、フィルタをかけ高周波ノイズをとる。
そのあと、三端子レギュレータで音声周波数帯域のノイズをとり電源系をアナログ用に安定化させる。
アナログ信号は出力にインダクタをいれる。
ドライブのフロントパネルにステレオジャックが出ていた時代のドライブユニットでは、Chu-Moyプラスアルファ的な回路がそのままのっている。
片面基板だし、OPAMPは3414あたりだし、回路図おこすのも簡単だ。
そのままパクるのである。
っていうか、その基板適当に切り出してそのまま載せちゃおうかなw
だな。
抵抗も青い高価な方の抵抗のってるし、コンデンサはMuseに替えれば充分満足に使えるだろ。
あとは、12V系からノイズフィルタ経由して手持ちの7808つけた電源回路だけつくればいい。
03/24 さらに検討中
みんながゴミとか言ってる部品でなんとかやってみたい。
おそらくオペアンプの出荷量No.1の奴がLM358とそのセカンドソース品なのですが、これを使ったヘッドフォンアンプがほとんどみあたらない。
たまにChu-Moyアンプにとりつけて視聴してるひとがいるけど、総じて『ひどい音で音楽として聴けない』とある。
この音の悪さの原因は、JRCのセカンドソースNJM2904のデータシートに丁寧に書いてあるんだけどな。
最終段のトランジスタ・バッファが定電流でバイアスされてるから、両電源回路で使う場合は下側のトランジスタがOnになる瞬間クロスオーバー歪みが発生するって。
両電源回路で使う場合は、オペアンプの出力にプルダウン抵抗を入れて、負荷に流れる電流よりがっつり流すような対策とってくださいみたいな。
ということで、単純にChu-Moyのオペアンプとして使うと音が悪いっていうだけで、それ相応の単電源回路でつくってみたら、それなりな音がするんじゃないかと思ってます。
ということでそのうち実験してみる。
ヘッドフォンアンプ実験中
自作PCの『中に入れる』ヘッドフォンアンプをさまざま実験中なのですが、いろいろやって聞き比べしているうちに私の好みの音質というのが見えてきたような気がします。
- 若干高音が厚く、低音はないくらいに薄いのが、いい音に感じる。
- 解像感が高いほうが聴いた瞬間は感動するが、3時間から8時間つかえるものは意外とヌルい音の方
- アルカリ乾電池よりマンガン乾電池のほうがいい感じに聞こえる。
- LME××+トランジスタバッファよりは、4580に直結の方がいい感じに聴こえる。
電源のノイズをとる回路を組むのは後回しにして、乾電池の単電源で実験しています。
アルカリの方が内部抵抗が低く結果的に瞬発力*2があるからいい音だと思うんですけども、どうしてもマンガンの方がよく聴こえるのは長時間聞いていると疲れないヌルい音の方が好みだからでしょうか。
OSコン入れると聴けたものじゃない理由もこの変にあるのかなぁ。
あれは超低ESRコンだから、大音量時でも問題なく電力供給することが可能で、結果的に低歪みに寄与するはず。
内蔵用HPAの仕様決定前にAC97コーデックの仕様書を読んでみると
HPAの入力インピーダンスをどの程度にすればいいのかと思って、マザーボードに載ってるALC655コーデックの仕様書読んでみた。
- 出力振幅は最大1Vrms。
- 出力インピーダンスはわずか5Ω
- 出力段は20Ω負荷で最大50mW。
んー!?
Vrms=2√2Vp-p。1Vrmsなら、2.828Vp-pになる。
1KのSin波を出力に出したとき、上から下までで最大2.828Vの振幅がとれるってことです罠。
100Ωのヘッドフォンとかぜんぜん余裕じゃん。
出力の方はW=IV=I^2Rだから、式を変形してI=√(W/R)。
単純計算で20Ωのヘッドフォン直結しとき最大50mA流せる。
超マッチョじゃん。
なんだヘッドフォンアンプいらねーじゃん_no
ということでデータシートのBlockDiagramを見て、アナログミキサー*3っぽいメインボリュームとLineボリュームを2割くらいまで絞り、ビット操作で音量調整してそうなWAVその他の項目を全開にしてみたら、すごくいい音がしてきましたとさ。
いままで音量調整は、アナログのマスターボリュームは固定で、WAV項目のスライダーやfoobar2000など再生ソフトのボリュームなどデジタルボリュームで調整してました。
デジタルでのボリューム処理は、音声データに掛け算して振幅下げるような処理です。
50%ボリュームなら16bitx0.5でデータの解像度は8bitに落ちます。
それがアナログに出力されますから細部が飛んでいってしまって『音がこもって聴こえる』ということになっていたと思われます。
HPAはさんだときは、マザーボードの全ボリュームを100%にしHPA側でボリューム絞って使っていました。
その場合は解像度が16bitのまま出力にでてくるわけで、細部が残ってる『音が鮮明で解像感がある』データを聴けていたわけです。
なるほどね。
ようやく気がつきました。
PCケース内部を通してフロントジャックにつなげてるケーブルも、既にシールドケーブルだしなぁ。
あとはオンボのレギュレータのメーカー変えてみたり、チップフェライトビーズをTDKに変えてみるとかくらいかなー。
04/19 バラックでテスト
5V単電源のPC内蔵用ヘッドフォンアンプ
ゼンハイザーのMX400だと普通になってます。
119db/mWのこのヘッドフォンなら、鼓膜が破れるほどの大音量を流してもせいぜい2mWしか喰わないので、ならば2SC1815のシングルA級とかありえないのができるんじゃね?
と思って実験してみたら普通に作れてしかもよく鳴ってました。
わーいww
素直な音で、ツン過ぎないしデレどーん感もないし、かなり好きな感じです。
04/20 バラックのままRMAA5.5してみた
ポータブル5V電源から、USBにきているPCの5V電源にチェンジしてRMAAしてみた。
non-coilっていうのは、電源の入り口についているインダクタをとっぱらってみた奴。
Frequency response
PC電源のが低域が下がってるのは、出力カップリングコンの容量470uFから330uFに減らした為。
32Ωなら330uFでも問題ないと思ったがそうでもなかった。
Noise level
PC電源利用時、メインの周波数領域で酷い劣化が見られる。
具体的には、無音時ボリューム3/4開で、サーノイズと不定期のﾌﾞﾂﾌﾞﾂノイズがある。
これだとアニソンがMotoGPのDVDが楽しく見られない。
THD + Noise (at -3 dB FS)
もうわけがわからないよ。
PCで使うには、12V->LCフィルタ->RCフィルタ->三端子レギュレータ->Trリップルフィルタ->5Vとかやらないと駄目かも。
外付けならばこのまんまでもok。
ってゆうかNicd+ホルテックの昇圧IC*4がかなり優秀。
アルカリ乾電池+昇圧ICだと、PC電源の緑のグラフみたいにぐにょんぐにょんになる。
ということで、乾電池1本式のMP3プレイヤーやラジオでは、Nicd充電池を使いましょう。
04/21 バラックでもやることはいっぱいある
クロストークが悪いので、手持ちの部品だけでできることをやってみた
自作PCの上で実験中。こんなんでも、綺麗に鳴ってます*5。そのうちひっくり返したりして事故がおきそう。
- クロストーク対策
- L/RチャンネルのVCCとGNDを独立
- bias回路も共通にするのをやめL/R独立
- 共通VCCからL/R-VCCの途中に設けてあるLPF(RCフィルタ)の抵抗を10Ω、前の倍にした
ブレッドボードは電源ラインが二本あるんだから、最初からやるべきだったかも。
LPFは10Ωの1000uF、カットオフは約16Hzで、いい加減低音は問題ないはず
RMAAとってみたら低域のクロストークは十分改善し、定位がはっきりして分解能が増したような印象になった。
- 音質に関係すること
- オペアンプとTrの間の出力抵抗を、47から10Ωに減らした
この抵抗は発振防止のために入れるが出力信号のダンピング抵抗にもなる。音声波形のオーバーシュートとリンギングを減らすが、同時に角を削って丸く鈍らせる。
ということで限界まで減らしたところ、結果としてNJM4580DDのChu-Moyアンプみたいなくっきりはっきりした音になった。
-
- 左右の抵抗値をそろえた
デジタルテスタのリードを丸めると、コイルの効果がでて磁束でも発生するのか、表示される数値が揺れるんだよな。
リードが絡まないようにして測定し、きっちり左右合わせた。
-
- トランジスタのhfeをそろえた
アイドル電流20mAの設定なので、2SC1815Yに20mA流して選別。
hfe173で揃えた*6。
ほんとはVbeもc揃えなきゃ駄目なのだけど、1815はデジタル回路でよく使うので手持ちがない。
- 電源に関すること
- SW電源12Vに変えて、三端子レギュレータを入れた
『SW電源でオーディオのまねごととかww』いわれがちですけど、本当に駄目なのか確かめてみたいのです。
SW12V->セメント抵抗*7で電圧3Vドロップ&コンデンサでLPF->NJM7805FAを試してみた。
結果として、実際に聴いた時出ていたサーノイズとブツブツノイズが消えてノイズらしいノイズはなくなった。
いろいろさまざま実験していくうちに、着々と高音質化が推し進められているように思えるけど、問題は他にもあります。
- 問題点
- 入力開放時にブツブツ音がある
入力プラグ引っこ抜くとそれまで聴こえないブツブツノイズがでる。このときボリューム触るとハムがでる。プラグ刺すとどちらも消える。
乾電池で鳴らしてたChu-Moyではなかった問題。
いろいろ部品を差し替えたり配置を換えて、スマートに見えるようにしているうちに消えた。
何が原因だったのかよくわからない。
-
- SW電源基板の近くにアンプの基板を置くと、RMMAのIMDの波形が暴れる
これだとコンパクトに作るのは不可能に近いな〜。ACアダプタかな。
SW電源のACインレット部分のコイルからの漏れ磁束が、ブレッドボード上のインダクタに作用して、波形が乱れるようだ。
LCフィルタをとっぱらってRCのみにしたら綺麗さっぱり消えた。
-
- 入力側の保護回路がない
入力にダイオード入れたり、とか。
出力はスナバとアイソレータ入れてるからなんとか。
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- ポップノイズ対策
リレーは大仰すぎる。Trでなんとかならんか??
SW電源が一番問題だ。
実際トランス式のACアダプタ使うと、ほぼとそのままでいいんだもんなー。
市販のデッキ型CDプレイヤーの壊れた奴でも買ってバラして調べてみるか。
次にやることは
- 三端子レギュレータのGND嵩上げして、5V出力を6.4Vくらいにする
- 増やして確保した電圧分で、Trリップルフィルタを入れる
- コイルを入れても、電源から飛んでくる磁束で、変な波形にならないように調べる。
04/22 THD+NOISEのグラフが乱れる理由を二つ見つける
- GNDをループ状にすると、そこがアンテナになりノイズを取り込む
- SW電源とブレッドボードの近くに鉄でできたわっか状のものをおくと、やっぱりアンテナになりノイズを取り込む
5V昇圧電池ボックスからSW電源に変更したときに、ブレッドボード上に電源LEDを設置するようにしたのだけど、この配置が悪くて電源の入り口でGNDがループしてわっかになってた。
これを止めて直線状にするとRMMAのグラフが本来のものにもどる。
ブレッドボード上のアンプの入力線を、鉄製のS字フックに引っ掛けてテストしていると、やっぱりRMMAの結果がめちゃくちゃになってた。
フックに引っ掛けるのをめんどくさがってやらなかったときのみ、本来のグラフが採れてた。
回路中のインダクタ(コイル)が原因だと思ってましたが、まさかのS字フックが原因だとは。
SW電源ってノイズ発生局なんだなー。
FM変調して曲を重畳させたら、ラジオの電波飛ばせたりできそうだなー。
SW電源はんぱないぜ。
でもってある程度できたから視聴してみる
SW電源でも問題ない感じ。
トランス電源との差が全然わからない。
これ以上はサウンドカード刺してソース自体のスペックあげねば。
先日96khz/24bitのデータをfoobar2000で再生させてテストしたのだが、そのとき出力を24bitに変えたままだった。
16bit->24bit変換がされてたわけになる。
余計な処理が入るからジッタ(?)かなんかよくわからないけど、foobarの出力の応答性が悪くなるはず。
どおりで、音が軽いしボーカルに伸びがなく差がわからなかったわけだ。
元通り16bitに戻したらやっぱり結構違います。
ピアノがわかりやすいね。
バンとたたきつけるように弾いたところの躍動感が全然違う。
トランス式の勝ちだね。
Zobelフィルタはずしたら笑ってしまうくらい綺麗な音
2SC1815すげぇ。
そしてようやくChuMoyよりいいのができた。
BA4510は内部等価回路に、出力PPがないので、入力から出力までクロスオーバー歪のない純A級のHPAになりました。
ってゆうかようやくできた。
疲れた。
04/26 ポップノイズ対策がよくわからない
この回路のポップノイズの原因は、出力カップリングコンデンサに電源投入時に突入電流が流れることだと思う。
対策は、電源の立ち上がりを5秒くらいにめちゃくちゃ遅くするとか、出力Trの大電流ラインにPNP-Trを入れてRC時定数で5秒くらいかけてゆっくりと電流を定常状態に持ってくとかだと思う。
でかいアンプではできないようなバッファ段の電流制御なども、小電流のHPAならなんとかなると思う。
でかいTrたくさんもってるし。
でも音質に関係するかも??
問題はPSPICEで交流信号波形は表示できるけど、直流の過渡解析ができない、いややり方がよくわかってないからシミュレーションできない。
ということでPSPICEの本を注文する。
……だんだん買ったほうが安くなってきたような気がする。
Zobelフィルタをつけた
定数きちんと検討してつけたところ別段問題なくなったような気がする。
前は抵抗値がでかすぎたような気がする。
試行錯誤しすぎて前の状況覚えてないし、つける場所ちょっと変えたのも影響してるのかもしれない。
Trを出力段につけたHPAは、発振するとヘッドフォン壊しちゃうのでZobelその他はめんどくさがらずつけることにする。
現時点で既にChu-Moyよりずっと躍動感がある。
もっとも、006P乾電池より、トランス式ACアダプタ->7805のオーディオっぽい電源の方が、ずっとずっと電源のインピーダンスが低いことに起因する差かもしれない。
GNDがビシッと安定してることも一因かもしれない。
音質自体はChu-Moyの方がいいと思う。
オーディオ用パーツ入ってるし。
けど気に入ってます。
出力にコンデンサ入ってるのに細部があまりつぶれてないのはなぜなんだろう。
作ってみないとわからないもんだな。
ちなみにACアダプタはセガのメガドライブ用の20VAの奴です。
内部にブリーダ抵抗が入ってるので開放時電圧は10.8Vくらい。
スイッチング電源はとりあえず完成してから考えよう………*8。
っていうか7808あるし、ブリーダ抵抗の換えもあるし、3300uF/25Vx2もあるから、5V仕様から8V仕様にアップして2Vrmsくらい出るように変更しても特に問題ないんだよな。
C1815使えなくなるけど
明日は空芯コイルいってみるか
適当になんかのトランスぶっ壊して銅線ゲットだぜ。
04/27 しょぼくしました
出力カップリングコンデンサの容量を減らし、なおかつLPFを構成するようにフィルムコンデンサを入れた
SONYのDVD-ROMドライブのヘッドフォン回路を参考にして、出力カップリングコンデンサと出力抵抗でHPF、シリーズに入ってる抵抗とフィルムコンデンサでLPFを構成した。
つまり出力にバンドパスフィルタを入れた。
大体50Hz〜30kHzがおいしいところで、下は30くらいがカットオフ、上は100Khzくらいがカットオフかな?
これで出力カップリングコンデンサの容量が470uFから220uFに半減し、なおかつ出力抵抗がはいったことで無負荷時の発振も抑えられる*9ようになり、わけがわからないヘッドフォンで再生不可能な高周波信号*10もカットされます。
ちなみにSONYはさらにアグレッシブです。
出力カップリングコンデンサは47uFです。
下は諦めてるというか〜どうせヘッドフォンでは〜的な、割り切り方が参考になります。
04/28 更に詰めてみた
SONYのDVDドライブ方式で検討してみると、全体的に細くなった
音声回路のコンデンサが最大で100uFになるまで小さくなる。フィルムは増えた。
本家はフィルムではなくSMDセラコンでやってるので実にコンパクトである。
なお定数は結構違うので完全コピーではない。
OPAMPも違うぞ。
PSPICE万歳。
Frequency response
ヘッドフォンが鼓膜に近接することを見越して、高域を適度にカットしているのがよくわかる
Stereo crosstalk
低音域はどうせL/R同じように太鼓がドンドンなってるんだから、クロストークを頑張ってもしょうがないという割り切りがよくわかる
他の4つのグラフは、50Hzとその高調波があるだけでほぼ同じ。
これで音が駄目かっていうとそんなことはまったくないのです。
アマチュアだとアホみたいに1000uFとか2200uFとか使って悦に入るところですけど、さすがにプロはコストダウンと性能を天秤にかけてバランスのいいところで落とし込むような真似ができてる。
ケミコンの容量減らして小さくすれば、ガクっと価格は落ちるのです。
SONYはネタにされがちだけどやっぱり凄いですな。
