オーディオに関する私の考え その２

(Jo^▽^)ﾉぁぃ♪

本稿は『オーディオに関する私の考え』シリーズの第2回であり、前回は「電子回路設計者の立場から」について述べました、今回は電源回路。
オーディオ アンプの本質は電源品質で決まる、今回はその中核を成す電源回路について述べたい。

「この投稿について知っておいてほしい基本や前提」

私は電子回路設計・開発のスペシャリスト、いわゆるサーキットマスターとして、オーディオを感覚論や評論ではなく、電子工学および制御理論の立場から捉えている。
マイコン制御やアナログ・パワエレ回路が専門だが、設計者としての根はアナログ回路にあり、その延長としてオーディオに深く関わってきた。

本シリーズでは、現代のデバイスおよび回路技術を前提に、オーディオシステムの「あるべき姿」を再定義することを目的とする。
なお、本稿では「音の良し悪し」については語らない。音の評価は個人の主観であり、他者と共有できるものではないからである。

本シリーズで扱うオーディオ回路設計の基本思想は、次の４点に集約される。
１）必要最小限のパーツで仕様を満たすこと　（余計な物は要らない）
　余計なものは入れない。回路は単純であるほど、設計者の意図が明確になる。
２）外界および部品の影響を極力排除すること　　（構成部品の影響を排除）
　環境変動や部品ばらつきに依存しない構造こそが、再現性のある設計を可能にする。
３）電圧伝送ではなく電流伝送を基本とすること　　（ノイズに強く伝送路の影響を受けない）
　電流伝送はノイズに強く、伝送路や負荷条件の影響を受けにくい。
４）可聴帯域内では位相を安定させ、極は可能な限り可聴帯域外に追いやる。

「電源の設計コンセプト」

本電源は「可聴帯域全域を電源フィルタの制御下に置く」事で、商用電源から混入するノーマルモードノイズ、コモンモードノイズを除去。
目標は電源フィルタ以前の回路(AC100V～ブリッジダイオードまで)から「可聴帯域内の変動」を増幅回路に「持ち込まない」　パッシブフィルタとして構成する。
電源回路はオーディオ回路設計の基本で、本稿では消費電流 数 mA～10mA 程度の信号増幅回路用電源を対象とする。

「電源回路の基本構成」

電源構成はACトランス→整流回路→電源フィルタ→シリーズレギュレータ→増幅回路へ
本電源の基本はfc 2Hz以下の電源フィルタを採用することで、信号系増幅回路用の電源として、可聴帯域内のノイズを効果的に除去します。
信号系 増幅回路はOPアンプで構成するので、電源電圧は±5V 消費電流は10mA以下。
本構成では、可聴帯域をすべて電源フィルタの制御下に置き、後段のシリーズレギュレータは DC 安定化のみを担当させる。
　＞なぜ2Hzなのか　可聴帯域 20Hz～20kHz、その1/10以下に極を置くことで、可聴帯域の位相を完全にフラット化、2Hz以下なら、シリーズレギュレータのPSRRが最大限効く

「電源トランスの選定」

電源トランスはボビン別巻きの物が良い、トランスにおける「ボビン別巻き」とは、一般的に「分割ボビン構造」と呼ばれる巻線方式を指します。

磁気シールドが無い場合ボビン内の1次-2次間のコイルが隣接してると、１次２次間の容量結合でコモンモードノイズの侵入を許してしまう

いくら巨大な電源コンデンサを積んでも、同相で侵入するコモンモードノイズは通過する。

本電源ではコモンモードノイズが除去できるのでトランスは安価な物でも良い、入力100V　出力12V２回路　　例えばこれ　　1380円
https://akizukidenshi.com/catalog/g/g108733/
・1次電圧：100V
・2次電圧：12V・0V・12V
・2次電流：0.06A

「電源フィルタの選定とその理由」

通常の整流回路の後に電源フィルタを挿入、±電源およびGNDラインにコイルとコンデンサ＋Rの電源フィルタを構成し後段はシリーズレギュレータで構成。
これにより
１）極めて効果的なリップル除去: 整流由来の 100/120Hz ノイズを実用上十分なレベルに封じ込める。
２）ソフトスタートの実現: 突入電流を防ぎ、システムを優しく起動させる。
３）電源フィルタ部コンデンサGNDが基準（コモン）なので、前段の整流回路との間にfc以下の「揺らぎ」が有っても、後段のシリーズレギュレータで安定化できる。
４）高周波の「コモンモードノイズ」も除去できる、コモンモードノイズ除去は、電源トランス（電源フィルタ回路以前）のGNDを筐体のGNDに接続する事で商用電源からのコモンモードノイズを除去
５）本回路を使用した増幅回路及び前後の増幅系統にGNDループ発生時 → 電源フィルタのfc以下で変化を抑制 → 実質的にオーディオ帯域への影響を遮断
６）この構成では、電源フィルタのGNDはDCレベルで「接地」され、増幅回路に帯電した静電気等は「急峻な放電」とならずfcの時定数でゆっくり放電。
７）小電力の電源ながら、平滑時のリップル電流を抑え「力率」改善にも効果が有る。

ｆｃ2Hz程度にするとコイルは１ヘンリー程度に成るがコイル巻き数が多く一般的に共振周波数は可聴帯域内に成る可能性も有るが、今回のトロイダルコアならば「共振周波数」も高域に成る。
RL直列のダンピング抵抗値は100Ω程度、電圧降下（負荷電流10mA時では1V）しても2Hz以下の変動なので後段シリーズレギュレータのPSRRに影響無く、また電源フィルタ回路のQは低くfc近辺にピークは出ない。
このダンピング抵抗値は他にも機能が有る、スマホやWIFI等2GHz超えの高周波機器が電源に隣接するとコモンモードノイズとして侵入して来る。
コイルの自己共振周波数（SRF）を超える高周波帯域では、コイルは容量性（C成分）として振る舞いノイズが通するが、これを（ダンピング抵抗値）100Ωとフィルムコンデンサ（1μF）によるCRフィルタでトラップします。（電解コンデンサのESRは2GHz超えの高周波に効果無し）

この電源フィルタは、負荷電流によって出力電圧が変動します。これは、fc以上の領域では電源フィルタが電流モードで動作するためで、シリーズレギュレータが±5Vに安定化する前提で意図した動作で一般的な電源とは逆の特性です。
１）無負荷の場合±16,8V
２）想定した出力電流（10mA）より大きな電流が流れた場合±12V
電源全体で、fc以上は電源フィルタが担当しfc以下はシリーズレギュレターが担当すると言う役割分担をしています。

「電源フィルタに付いての考察」

１ヘンリーのコイル、たとえばこれ　　Gowanda Electronics　　203T1007
https://www.digikey.jp/ja/products/detail/gowanda-electronics/203T1007/21412715
https://www.gowanda.com/wp-content/uploads/2024/01/T-Medium_RevIssue.pdf
共振周波数（SRF）は18MHz　DCR 135Ω　最大電流48mA

ダンピング抵抗（100Ω）を直列に挿入することで、LCフィルタのQ値を低下させ、共振ピークを抑制します。
この抵抗による電圧降下は2Hz以下の低周波領域に限られるため、後段のシリーズレギュレータのPSRRに影響を与えません。
これにより、高周波域で性能が低下するレギュレータ（PSRRの限界）を、最も得意な低域動作のみで運用させることが可能となる。

RL直列接続
R=100Ω
L=1H 203T1007
C=4700μF 25V　＋　1μFのフィルムコンデンサ　
これでfc 2.3215Hz

「電源フィルタをシミュレーションした」

F特グラフに有る様に、20Hzで-40db 100Hz(ACリップル)で-60db 1kHzでは-100dbの減衰が有り、整流回路に起因するあらゆるノイズ成分が可聴帯域に影響を与えない。

ステップレスポンスのグラフでは、起動時の電圧は90％に上昇するまで2s なので自然と「スロースタート」と成ると同時に、ブリッジダイオードやトランスの負荷としても「突入電流」は無く成る。

「シリーズレギュレータの役割と配置」

電源フィルタで高周波の抑制が出来れば後段のシリーズレギュレータにも有利。
シリーズレギュレータのPSRR（Power Supply Rejection Ratio）（電源電圧変動除去比）は高周波には効果無し。
https://product.torexsemi.com/ja/technical-support/techinfo/doc_2085
入力側からのノイズ成分が、低周波から高周波になるとシリーズレギュレータが反応出来なくなり、PSRRが徐々に低下していきます。この場合 除去しきれない成分が出力側に伝わってしまいます。
さらに高周波になると、PSRRが減少傾向から増加傾向になります。これはICが高周波に応答できなくなり、ドライバFETのオン抵抗が固定になっていることを示します。

入力側からのノイズ成分を電源フィルタにより2Hz以下に抑えると、後段のシリーズレギュレータのPSRRも効果が発揮できる。
安価なシリーズレギュレータで良いので　78L05と79L05のGNDピンは電源フィルタのコンデンサ（GND端子）へ一点アース（スター結線）
これらで対策すれば、可聴帯域は電源フィルタの制御領域に有り、外界や構成部品の影響を排除できる。
78L05　　１個20円
https://akizukidenshi.com/catalog/g/g108973/
https://akizukidenshi.com/goodsaffix/ta78l05s.pdf

「シリーズレギュレタ 出力側の100μF」

このコンデンサはシリーズレギュレタの出力インピダンス低下に寄与する。
通常は電源投入時に「突入電流」が流れるが、電源フィルタで「スロースタート」してるので、シリーズレギュレタに突入電流は流れない。

「ブリーダ抵抗」

ブリーダ抵抗（4.7kΩ）には２つの機能が有る
１）OPアンプの消費電流が μA～mA と広く変動し、軽負荷時にシリーズレギュレータの動作点が不安定になるのを防ぐため、ブリーダ抵抗で常時約1mAの電流を流しシリーズレギュレタの最低動作電流を確保する。
２）本電源の遮断時、シリーズレギュレターの入出力間に「逆電圧」が掛かる可能性がある、通常　入出力間にダイオードを保護として入れるが、ブリーダ抵抗で電流を消費してるのでシリーズレギュレターの入出力間に「逆電圧」は掛からない。

「実装上の注意点」

この設計を実装すると、筐体容積の9割以上が電源コンポーネントで占められることになる。しかし、それこそが「電源はオーディオ回路の基本である」という真理の体現である。
高価なパーツに頼るのではなく、理論に基づいた構成によって「外界の影響を受けない静粛な電源」を実現する。
投稿の様に、すべての部品には「選択の理由」が有ります、ネットや書籍の「参考回路＋シミュレーション」で設計するのでは無く、ゼロベースで設計すると今回の様な回路が発想出来ます。

この電源構成を私は
CAAP 「Control-Theoretic Approach to Audio Power」　　（制御理論に基づくオーディオ電源）
と名付けた。

今回の電源回路は、言わば「コロンブスの卵」、気づいてしまえばシンプルですが、誰もやってこなかった方法です。
なお今後公開するアンプは、その延長線ではありません、それは「相対性理論」のように、発想そのものが別次元の領域に踏み込むものです。
期待していてください。

もし分かりにくい点があれば、AIに「以下を分かり易く解説して」と記載し、上記をコピーしAIに投げてみてください。
私の意図を、もっと分かりやすく説明してくれるに違いない。