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◎はじめに |
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ステレオヘッドホン・アンプキット
MHPA-FET」を改造しました。 |
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このキットは「ヘッドホン専用アンプ」で出力部にMOS-FETを採用しているのが特徴です。 |
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主な定格を以下に記します。(カタログ値) |
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周波数特性 |
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20Hz〜100KHz(-3dB、32Ω負荷) |
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最大出力 |
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120mW +
120mW (32Ω、THD=3%) |
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ひずみ率 |
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0.005%以下 (50mW出力、1KHz,32Ω、LPF=80KHz) |
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SN比 |
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100dB以上 (JIS-A、50mW出力基準) |
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チャンネルセパレーション |
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65dB以上 (JIS-A、50mW出力基準、1KHz) |
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利得 |
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+15dB |
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電源 |
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DC15V |
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◎目的 |
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このキットのカタログ定格は上記どおりで、主な項目の実測値を表1に示します。 |
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表1 |
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Lch |
Rch |
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ケース実装 |
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ひずみ率 |
0.00344% |
0.00315% |
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使用電源 |
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SN比 |
104.7dB |
104.8dB |
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KENWOOD PA18-3A |
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CS |
65.9dB |
65.7dB |
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CS : チャンネルセパレーション |
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上記データは「ケース実装」しないと同じような値になりません。 |
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また、このレベルになりますと、ケース無しの状態では本来の性能(特性)が発揮され |
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ませんので、ケース実装をお勧めします。 |
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特性的にはこれで十分ですが、オリジナルを損なわない範囲内で特性改善をしてみる |
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ことにしました。 |
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なお、このレポートでの改造内容はオリジナルの設計方針に反しますので、 |
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あくまでも、「自己責任」とし、動作原理をよくご理解願います。 |
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◎改造その1 |
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☆ひずみ率およびSN比の改善 |
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回路の利得はオペアンプの定数で設定され、オリジナルでは「+15dB」です。 |
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(図1を参照) |
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一般的に、抵抗値が小さいほどノイズが少なく |
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なります。 |
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したがって、この部分の値を小さくすればノイズが |
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減少し、SN比の改善につながり、ひずみ率に |
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対しても、改善効果が期待できます。 |
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抵抗値は利得が+15dBとなる組み合わせにすれば |
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良いわけですが、限度があります。 |
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今回はこの部分を図2の定数に変更しました。 |
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この図は原理図で、実際の回路と異なります。 |
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実際の部品番号の対応は図2を参照願います。 |
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この改造における改善結果を表2に示します。 |
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表2 |
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Lch |
Rch |
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ひずみ率 |
改善前 |
0.00344% |
0.00315% |
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改善後 |
0.00252% |
0.00235% |
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SN比 |
改善前 |
104.7dB |
104.8dB |
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改善後 |
107.1dB |
107.1dB |
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ひずみ率、SN比ともに約3dBの改善効果です。 |
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◎改造その2 |
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ひずみ率は前記の抵抗定数変更により改善されますが、さらなる改善を試みました。 |
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ただし、この改造は「オリジナルの設計方針」と大幅に異なりますのでお勧めしません。 |
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ひずみ率の大幅改善は「アイドル電流」の調整で行えます。 |
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以下、原理的な部分を説明します。 |
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○A級増幅 |
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増幅器は「動作点」により「A級」、「B級」、「AB級」、「C級」のように分類され、A級、B級 |
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の場合を図3に示します。 |
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A級は入力信号が無くても、常に一定の動作電流(コレクタ電流、ドレイン電流)を流しています。 |
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一般的に増幅器はA級動作が多いのですが、電力増幅で使用する場合はデバイス(トランジスタ、 |
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FET等)の熱損失が問題になります。 |
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○プッシュプル回路 |
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B級増幅は 図3 b ) のように入力信号の半波しか増幅しませんので、通常は図4のように |
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トランジスタを2個設けて増幅します。 |
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図4 プッシュプル増幅の原理図 |
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入力信号がプラスの時(期間1と3) |
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はTR1が動作し、マイナスの時 |
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a ) NPNトランジスタ2個で構成 |
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(期間2と4)はTR2に動作し、 |
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負荷RL(ヘッドホン)へは合成された |
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波形になります。 |
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動作原理は b ) のようにプラスの |
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時は図のようにトランスに信号 |
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が現れるので、TR1のベースに |
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図の方向で電流が流れるので |
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TR1が動作します。 |
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マイナスの場合は c ) のようになりますので |
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この場合はTR2が動作します。 |
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b ) プラスの場合 |
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c ) マイナスの場合 |
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図4の場合は入力にトランスを設けて |
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図5 コンプリメンタリプッシュプル回路 |
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片側のトランジスタのみが動作するように |
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していますが、図5のように構成すると |
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トランスが不要になります。 |
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NPNとPNPトランジスタの特性が同じ |
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ものを「コンプリメンタリ」と言います。 |
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コンプリメンタリで構成することにより |
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プッシュプル動作を行っています。 |
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FETの場合も同様に図6の構成で |
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コンプリメンタリプッシュプルになります。 |
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図6 FETコンプリメンタリプッシュプル |
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図7 クロスオーバー歪 |
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○クロスオーバー歪 |
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B級プッシュプルでは図7のように上下の |
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波形のつなぎ目で波形歪みが発生します。 |
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実際にはB級で使うことはほとんどなく、ある程度のバイアスを加えて動作させています。 |
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○AB級動作 |
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B級増幅のクロスオーバー歪を少なくする方法 |
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として、図8のように動作点を若干、右へ移動し、 |
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入力信号が無くても、ある程度の電流(IDL)を |
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流しておきます。(バイアスをかける) |
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これにより、入力信号により、すぐにコレクタ電流 |
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が流れることになり、また、動作点の非直線 |
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部分も改善され、歪の低減になります。 |
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このような動作を「AB級増幅」と言います。 |
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なお、直流電流IDL(これをアイドル電流と言います) |
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は直流ですので、負荷RLへは交流信号(変化分) |
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としては現れないので、プッシュプルで構成すれば |
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スムーズな上下波形の合成ができることになります。 |
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アイドル電流を増加すれば、動作点近辺での歪はさらに改善されますが、アイドル電流により |
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トランジスタ(FET)の熱損失が大きくなりますので、ある程度のアイドル電流に設定します。 |
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○アイドル電流の再設定 |
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オリジナルのアイドル電流の設定値は「20mA」です。 |
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この値を多くすることにより、さらなる「ひずみ率の改善」になります。 |
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ただし、アイドル電流を増加すれば、前述のようにFETの「熱損失」が増加して、デバイスを破損 |
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する恐れがあります。 |
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これらを考慮して、オリジナルのアイドル設定はひかえ目にしてあります。 |
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今回の筆者の設定値は「40mA」です。これにより、大幅なひずみ率の改善になりますが、 |
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40mAを超える設定にしてもそれ以上の改善効果はありませんので、40mAの設定が最大値です。 |
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40mA設定に伴い、FETの熱損失も増加します。したがって、放熱を考える必要があります。 |
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今回の場合は、放熱器を使用しないで、ケースの上蓋に放熱穴を設けることで対処しています。 |
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写真1に追加した放熱穴の様子を |
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示します。 |
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アイドル電流40mAの設定はAB級ではなく、 |
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A級動作に近くなります。 |
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したがって、FETの消費電流は「無入力時」 |
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が最大消費電力になります。 |
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参考として写真1のケース実装時のFET |
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温度上昇値を以下に示します。 |
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(条件) |
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・無入力 |
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・60分後 |
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(FETの温度上昇値) |
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Δ30℃ |
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ここで言う「温度上昇値」とはFETの表面温度の上昇値分のことです。 |
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上記の「Δ30℃」は周囲温度に対して「+30℃」高くなると言う意味で、例えば、周囲温度が |
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25℃であればFETの表面温度は 25 + 30 = 55℃ になります。 |
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FETはドレイン電流の値により「温度変化に対するドレイン電流の変化特性」が異なります。 |
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MHPA-FETのオリジナルは周囲温度の変化に対するFETドレイン電流の変化が最も少なくなる |
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アイドル(ドレイン)電流の設計です。 |
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今回の改造のようにドレイン電流を増加すると、温度上昇に伴い、ドレイン電流が減少する傾向に |
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なります。 |
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したがって、なるべく「放熱効果」を上げて温度上昇を抑えることが望ましいです。 |
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今回の改造による「アイドル電流の変動率」をグラフ1に示します。 |
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このグラフは電源ON直後のアイドル電流(ドレイン電流)を初期値とし、その後の時間変化による |
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アイドル電流の変動率を測定したものです。 |
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この結果から、10分後以降は、ほとんど変動しなく、ほぼ、一定になります。 |
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◎改造1と改造2でのひずみ率特性 |
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改造1と2の併用を行ったひずみ率の実測をグラフ2に示します。 |
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参考としてオリジナルの特性も併せて表示します。 |
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元々、オリジナルでも出力レベルが低い領域(10mW)からひずみ率が低く良好な特性です。 |
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改造を行うことにより、さらに良好な特性になることが分かります。 |
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前にも述べましたが、このクラスの特性を発揮するためには、「ケース実装」が条件です。 |
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また、ケース無しではせっかくの特性が生かされません。 |
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◎チャンネルセパレーションの改善 |
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チャンネルセパレーションを改善します。 |
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この改善は写真2のように「ヘッドホンジャックのGND配線」の線材を太くするだけです。 |
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使用する線材は太いほうが望ましく、また、配線(束線)しやすいものが良いです。 |
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筆者の場合、 |
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UL1007のAWG18 黒 |
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で行いました。 |
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基板側の接続ポイントは図9のとおりで、 |
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C9とC10の接続ポイントの半分の位置 |
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の「レジスト」を剥がして、この部分に |
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線材をはんだ付けします。 |
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これによる改善効果は次のとおりです。 |
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表3 |
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L→R |
R→L |
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改善前 |
65.9dB |
65.7dB |
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改善後 |
73.9dB |
73.3dB |
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改善度 |
8dB |
7.6dB |
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この改善は簡単ですからお勧めします。 |
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◎その他の改善 |
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改造1により、R4,R5,R21,R22,C5,C6の定数変更を行いました。これにより、C5,C6の定数が |
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220pFになりましたので、この部分に「フィルム系」のコンデンサが使用できます。 |
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この部分のコンデンサは特性には関係ありませんが、オーディオ的にフィルム系のコンデンサに |
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変更しました。手持ちの関係で、この部分には「ポリプロピレンコンデンサ」の |
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APSF100J221 (ニッセイ電機) |
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を用いています。このコンデンサに限らず、色々、試してみてください。 |
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また、「微々たるもの」ですが、写真3のように、上フタの側面部の塗装を剥がして、 |
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より確実にシャーシと導通させて、シールド効果を上げて?います。 |
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◎まとめ |
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改造1とチャンネルセパレーション改善はお勧めします。 |
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内部配線と束線は写真2と図10を参考にしてください。 |
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このキットは「シールド線」を用いない設計方針です。また、やたらと「ツイスト処理」をすることは |
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不要で、LEDへの配線のみ「軽いツイスト処理」です。 |
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改造2はオリジナルの設計方針に反しますので、改造に自信のある方は自己責任でお願い |
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します。 |
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また、この場合、必ずFETの温度上昇の確認をしてください。 |
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最近は安価なデジタルテスターでも温度測定機能(熱電対)がありますので、これを利用すれば |
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良いです。 |
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温度上昇値は「+30℃以下」を目安とすれば良いです。 |
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追加の放熱穴は写真1のように「Φ3.5が16個」です。穴が大きいと異物(虫等)が入りやすく |
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なります。この穴サイズでもう少し穴数を増やしても良いです。 |
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