スマホ用 USB-DAC搭載ヘッドフォンアンプの制作事例


はじめに

前回は、不定期更新日記に書いたように、純粋なヘッドフォンアンプを作成しました。

今回は、ヘッドフォンアンプ と USB-DAC を一体化することで、iPhone/iPadやPCのオーディオ出力などを高音質で再生できるようにしてみました。制作の過程と、ヘッドフォンアンプの構成を挙げ、制作事例として掲載したいと思います。なお、ポータブルタイプのヘッドフォンアンプではなく、据え置き型のヘッドフォンアンプを制作します。

下の写真が完成例です。


【入力はUSB、出力はヘッドフォンというシンプルな構成。LEDはパワーLEDとUSB接続LED】


【iPhone/iPad/Androidの音楽ライブラリをクリアな音質で再生することができる】


目次

1.制作の経緯

2.USB-DAC搭載ヘッドフォンアンプの構成

3.音質の考察・課題

4.あとがき


1.制作の経緯

【動機】

 音楽の再生デバイスに直接ヘッドフォンを繋いで視聴する場合、再生デバイス内蔵のヘッドフォンアンプがまずいと、いくら良いヘッドフォン繋いでも音質は良くなりません。
 特に、私がが音楽再生で最も多用するのはiPhone/iPadです。iPhone/iPadの音質が決して悪いという訳ではありませんが、折角なので、もっと良い音で聞きたい!という願望が今回の動機です。

【USB-DACとは?】

 【動機】により、導入を考えたのがUSB-DAC(デジタル to アナログ・コンバータ)です。一般的にオーディオの世界で「USB-DAC」というと、iPhone/iPadなどのデバイスにUSBのオーディオ・クラスとして接続された専用の機器のことを指し、デバイスから音声信号をディジタルデータのまま受け取り、それをアナログ変換するもののことを言います。

 USB-DACを使う利点として、音質が良くなることです。iPhone/iPadなどはオーディオ再生専用デバイスではありませんから、コスト(製造コスト)との兼ね合いから、オーディオの機能は「それなり」です。そして、「それなり」の機能の代わりに、外付けのUSB-DACを接続することで、CDプレイヤーなどといったオーディオ再生機に近い音質を得ることができるようになります。

【ヘッドフォン選びについて】

 ここで注意しなければならないのは、「USB-DACがどれだけの音質を保証しているか」というのと、「どんなヘッドフォンを使うか」、ということが重要であることです。例えば、家電量販店で売っている「Lightning接続ヘッドフォンアンプ」というジャンルの商品は、このUSB-DACだと考えてほぼ間違いないと思います。値段もピンキリで、3000円程度のものから10万円(オーディオショップに行くと100万円位はザラ)くらいのものまで様々です。ヘッドフォンも、千円台のものから数万円するものまで本当にピンキリです。店員さんが詳しければ、予算やどんな音が好きかを伝えて、ベストチョイスを教えてもらうのが一番でしょう。音質に拘りたいのならば、自分で徹底的に試聴するのが一番です

【YokoMuMu的おすすめのヘッドフォン】

 今回制作するUSB-DACは、音質的に拘っているため、できればそれなりのヘッドフォンを使って欲しいです。iPhone / iPad付属のEarPodも悪くはないのですが、性能を十分に活かしきることはできません。

 一番手軽なもので、SONY XBA-C10 (3000円程度) を試してみるのがお勧めです。シャカシャカした音でなく、きちんとボーカルや楽器の音が艶やかに聞こえてきます。始めて試聴したとき、どこぞの15,000円以上するヘッドフォンを試聴した後だというのに、「え?」と驚きました。

 もっと音質に拘りたい場合、SONYだったらMDR-CD900ST(18,000円), MDR-1A(27,000円)あたりと相性が抜群です。Shureだったら、SE315(18,000円)と相性が良いです。オーディオテクニカだったら、ATH-A900(18,000円?)あたりとまあまあ相性が良いです。

【USB-DACの制作方法】

 秋月電子のUSB-DACキットを見るまでは、そんな簡単にUSB-DACを自作できるとは思っていませんでした。DACにUSBのオーディオクラスが内蔵されているチップが存在するなんて、夢にも思いつきませんでしたw

 ただ、やはりチップのデータシートを見て、イチからUSB-DACを制作するのは大変なので、秋月電子のUSB-DACを参考にしながら、高音質化を図ることにしました。

参考URL(秋月USBオーディオDAコンバータ):
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-05369/

音質もさることながら、使用例の参考用としても、なかなか良いキットだと思いました。

 なお、秋月電子のキットでは、iPhone/iPadには対応していませんが、USB電源をセルフパワー化することで、使えるようになります。

【対応可能なスマホ・その他デバイス】

調べた限り、対応可能なデバイスは次の通りです。但し、iPhone/iPadと接続するにはカメラ接続アダプタが必要です。

デバイス
対応可否
備考
Windows PC
Windows標準ドライバで動作可能
iPhone5/5S
たぶんONKYO HF Playerも利用可能
iPhone6/Plus
ONKYO HF Playerでも利用可能
iPod 8th Generation
×
認識せず。なぜ?
iPad mini
標準音楽アプリのみ対応
Android 4.1.3〜
SONY NW-F886にて実験

2.USB-DAC搭載ヘッドフォンアンプの構成

今回制作したUSB-DACは次の構成になっています。

まずは、バラック状態のUSB-DACwww左から電源、アンプ、電子ボリューム、DAC。

基板に組み上げ、ケースに入れたUSB-DAC搭載ヘッドフォンアンプ。

【ヘッドフォンアンプの構成】

1)USB-DAC部

2)電子ボリューム部

3)ヘッドフォンアンプ部

4)電源部


1)USB-DAC部

 今回使用したDACは、テキサス・インスツルメンツのPCM2704です。かなり古いDACですが、簡単に入手できるのと、USBのオーディオクラスが内蔵されており、USB Mini-B端子を繋いで少し部品を足すだけで、USB-DACが出来上がります。
 USB-DACの制作のためのベースとして、秋月のUSB-DACを買って研究してみました。主要部品のオーディオグレード部品への交換、USBとの電源分離など、少し手を加えるだけで、音質が大幅に向上しました。

 そこで、このLSIを見込んで、次の仕様のUSB-DACとして新たに基板を起こしてみました。

中級クラスのCDプレイヤ(C-733)を超えるような音質を実現しています。

【完成例】

【回路図】


(クリックするとピクセル等倍画像を表示します)

【実態配線図】

【回路の説明】

 アナログ電源とディジタル電源に別々のリニアレギュレータを使用し、ノイズの混入を最小限に押さえました。数mVの電源ノイズでも、結果的に出力にジッタのようなノイズとして現れてしまうため、電源ノイズを抑制するか、出力にフィルタを掛けるかしかありません。

 出力はなるべく、回路を安定させるZobelフィルタのみとする、という考えの元、リニアレギュレータのデータシートを漁っていたところ、電源回路にチョークコイルを使ってコモンノイズフィルタを構成することで、電源ノイズを抑制する方法にたどり着きました。色々な方法を試して苦労したのですが、これは効果絶大で笑いが止まりませんでした。

 音のチューニングと確認は、このUSB-DAC部単体をパワーアンプに繋いで行いました。特に中〜高音域での解像度が高く、音場が広くて、個人的には文句なしの音です。今回制作するヘッドフォンアンプでは、いかにこの性能を引き出してやるかがミソになると思いました。

 まずはUSB-DAC単体で1KHzのサイン波を出力した時の波形と、FFTの解析結果を示します。

 可聴周波数帯では副次高調波以外のノイズは出ていないようです。

 波形を見ると高調波成分が若干乗ってしまっているのですが、この程度では音質には余り影響が無さそうなので、敢えて無視することにしました。


2)電子ボリューム部

 ヘッドフォンアンプの1台目はアナログボリューム(Aカーブ10Kのオーディオ用:980円)を使いました。今回は、余り高価な部品は使わずに音質を向上したいという意味で、比較的安価な電子ボリューム(テキサス・インスツルメンツのPGA2311PA:2200円)を使いました。共立エレショップでコントローラICとセットで販売しているものです。

 とりあえず、ざっくりとブレッドボードに組み上げて、アナログボリュームと聞き比べてみたところ、少なくともアナログボリュームよりも明らかに音の解像度が高かったため、電子ボリュームを採用することにしました。

 それと、ギャングエラーが理論的に存在しないため、小さな音で聞いても左右バランスは一定というところが良いです。

【完成例】

【回路図】


(クリックするとピクセル等倍画像を表示します)

【実態配線図】

【回路の説明】

 PGA2311PAは電源ノイズを拾いやすく、音が荒れやすいため、電源には細心の注意が必要です。

 …ということで、USB-DAC部と同様に、アナログ電源(+/−)とディジタル部に別々の3つのリニアレギュレータを使用し、ノイズの混入を最小限に押さえました。その他はサンプル回路から何も変更していません。

 ちなみにディジタル部にはノイズフィルターは実装していません。パスコンによる電源インピーダンス低減だけで効果があったのか、音質には影響が無かったためです。


3)ヘッドフォンアンプ部

 回路は、CQ出版社「MUSESアンプで作る高音質ヘッドホンアンプ」の通りです。ユニバーサル基板に作成するため、Eagleで回路図を写し取り、実態配線図を作成しました。

【完成例】


【基板裏面。すずめっき銅線で実態配線図の通りに配線していく】

【回路図】

 大変申し訳ありませんが、引用の許可を取っていないため、回路図を掲載することはできません。
著書の書籍案内Webサイトより、キットの組み立て方法の説明書を参照願います。
→CQ出版社「MUSES ヘッドホン・アンプ・ケース・セット組み立てマニュアル

【実態配線図】

【回路の説明】

 基板については、本当は著書で紹介されている既製の基板を取り寄せて作成したかったのですが、基板だけを入手するのが難しかったため、ユニバーサル基板に起こすことにしました。著書の中の実装済み基板の写真をみると、L/Rチャンネルがシンメトリックになっていますが、片面ユニバーサル基板で実態配線図をL/Rチャンネルを(なるべく)シンメトリック、(なるべく)一点アース構成にするのに苦労しました。

 電圧増幅にMUSES02オペアンプ、電力増幅段はトランジスタ8石によるディスクリートアンプ構成になっています。トランジスタでディスクリートというと、これまでの制作事例から音があまり良くないイメージがあったのですが、回路定数をきちんと計算すると、下手なヘッドフォン用アンプICよりもずっと良い音がすることが判りました。なにより、パワーが十分にあるため、能率の低いオーバーヘッド型のヘッドフォンをバリバリと駆動できるのが良いです。

 また、著書の中では、予算や音質によって梅コース、竹コース、松コースの作例が記載されていました。私が作成したのは竹コースです。今回のUSB-DACを制作する前に、梅コース、竹コースのヘッドフォンアンプを作成してみましたが、音質の違いにびっくりしました。しかし、残念ながら松コースについては費用がハンパないため、制作することはできませんでした。。。そこで、せめてもという意味も込めて、竹コースをベースに、電子ボリュームだけを導入することにしました。

 ちなみに、OPアンプで音質は大きく変わります。個人的な見解ですが、作例ではOPアンプとしてMUSES02を使っていますが、XBA-C10など安価なヘッドフォンを使う場合、OPA2134の方が音が柔らかくて、しっくりくる感じがします。他には、MUSES8820, MUSES8920, OPA2604も試してみました。

 とにかく、最終的なチューニングはOPアンプの選択と言えるでしょう。


4)電源回路部

 今回はトランス電源を使いました。定電圧回路はなく、純粋に整流回路+平滑回路(LCフィルタ付き)だけです。音を聞いてみて、問題があれば考えようか、という程度でいました。

【完成例】

【回路図】


(クリックするとピクセル等倍画像を表示します)

【回路の説明】 

 苦労したのは、残留リプル電圧(平滑回路で平滑し切れなかったAC成分のこと)の抑制方法です。アンプ部の前に単純に定電圧回路やリニアレギュレータを入れると、残留リプル電圧は除去できるのですが、出力の負荷変動によって電流が変化し、音の抑揚が抑えられてしまいます。これは、耳で聞こえる現象となります。

 一般的には、この課題に対処するため、平滑用のコンデンサを並列に何組も入れることで残留リプル電圧を低減させます。しかし、大容量のコンデンサを沢山えば良いか?というとそういう問題でもなく、電源ON時の突入電流が大きくなり、整流回路の破壊や、大きなポップノイズの発生に繋がる恐れが出てきます。

 参考用として、オーディオ用コンデンサ(Fine Gold 3700μF)を1組だけ使った場合の波形を示します。


(50mV/DIV)

 135mV程度の残留リプル波形を観測でき、やはりヘッドフォンからは「ブーン」というノイズが聞こえてきます。実は、この残留リプル電圧は非常に厄介なもので、除去することは非常に難しいものなのです。

 そこで、今回はLCフィルタを使い、残留リプル電圧の周波数帯の電源インピーダンスだけを高くし、残留リプル電圧を除去する方法を考案しました。

 並列接続のLC回路の共振周波数(もっともインピーダンスが高くなる周期)は、τ= 2π√LC で求められますから、τ = 1/124[Hz]とすると、逆関数よりL = 242.26[μH]となります。ただ、インダクタンスLは温度によってコロコロ変わりますから、ドンピシャにするのは無理です。市販のマイクロインダクタを使うのなら、270[mH]程度のものを使うと良いでしょう。ちなみに、私は手巻きで常温時に「およそ」242[mH]となるインダクタを作成してみました。それが下の写真です。


【手巻きのフェライトコア・インダクタ】

次に、LCフィルタを実装した【回路図】の回路によって全波整流+平滑された電源の、AC成分の波形を示します。


(50mV/DIV)

 この程度の残留リプル電圧では、音質に影響を及ぼすことは(あまり)ありません。インダクタの誘導作用によって高周波ノイズが若干増えてしまいましたが、ケースのシールド効果により何とかなります(なるでしょう)。電源波形がどうのこうのというよりは、音質の方が大切だと思うのです。


3. 音質の考察・課題

音質といっても、良い音かどうかだけでなく、まずは常用するにあたって、ノイズ等問題がないレベルかどうかを官能検査的に確認してみることにしました。マトリクスにするのは面倒なので、普段の使い方の中でどうなるかをまとめてみました。結果は次の通りです。(周波数特性や歪みなども確認中)

と、割と優秀な結果になりました。どんなに音がよいヘッドフォンアンプでも、誘導ノイズやポップノイズが発生するとゲンナリしてしまいます。その辺には大変な気を配りました。

そして…次は、私のリファレンス機であるSONY PHA-2との比較です。ハイレゾ対応機ですが、仕様ではiPhone / iPad接続時はサンプリングレートが44.1KHz、16bitデプスになりますから、ガチンコ勝負ができます。

【試聴条件】

<機材1>

<機材2>

<音源>

  1. Don't Know Why / Kenny-G feat. David Benoit (44KHz/16bit Apple Lossless)
  2. 雪の華 / 中島美嘉 (44KHz/16bit Apple Lossless)
  3. 舟歌 嬰ヘ長調, Op.60 / ルービンシュタイン (44KHz / 16bit Apple Lossless)

【感想】

1. Don't Know Why / Kenny-G feat. David Benoit

<機材1>
 メインのサックスの音が艶やかで広がりがあり、それぞれの楽器の音の立ち上がりにスピード感がある。どの楽器がどの辺で鳴っているか、という音場感があり気持ちよい。

<機材2>
 出だしのベースにパワーがある。全体的に少しドンシャリ感があるため、メインのサックスの音が少し後ろに下がった感じがある。音の解像度、音場感ともに弱い感じ。

2. 雪の華

<機材1>
 イントロの重奏の解像度は十分に高く、聴き心地がよい。ボーカルに艶があり、息づかいまで伝わってくるよう。大サビでもボーカルがしっかりと前に出てきている。ベースにパワーはあるが、少しモヤモヤしている感じもある。

<機材2>
 イントロの重奏は繊細な音だが、やや潰れ気味。ボーカルは余り前に出ていないが、大サビでもバッキングが繊細な音のため、ボーカルはしっかりと聞こえる。

3. 舟歌 嬰ヘ長調, Op.60

<機材1>
 暖かい音だが、一歩前に出てスピード感のある音。中間部〜後半に出てくるカデンツァの高音の半音階やトリルの質感が感動的に美しい。

<機材2>
 繊細でやさしい音。<機材1>とだいぶキャラが違う音がする。優劣付け不能。カデンツァの高音部は美しいが、感動的と言えるほどの美しさはない。

【勝手にまとめてみる】

それぞれ機材1(制作したHPA)→機材2(PHA-2)の順番に2回づつ試聴しましたが、機材1では感動的な美しい音がしました(じーん)。機材2は、割と無難に鳴っている感じがしました。

さすがに、据え置き型とポータブル機を比較してはいけないということなのか、それともコストダウンの塊まりである民生用の商用機と比較すれば勝つに決まっているということなのか、定かではありません。とにかく、愛着度も含めて、今回制作したHPAの方がお気に入り度は高いです。


4. あとがき

 今回制作したヘッドフォンアンプの回路図、実態配線図を置いておきます(Eagle7以上用)。なお、ケースへの取り付け寸法、AC電源回路(トランス等)の回路図は省かれています。制作してみる場合、適宜ご察しください(^^;

 USB-DAC以外のアナログ回路の構成は予算的にもこれで精一杯ですので、次回はハイレゾ対応のUSB-DACでも作ろうと思いました。

 そのためには、まずIV変換や作動増幅といった、アナログ回路の理解を深める必要があるのと、DACチップのマイコンによるコントロール、USB AudioClass2の理解が必要になります。とても敷居は高いですが、ボチボチやっていこうと思います。

最後にオマケとして、実際の設置例の写真ですw
ラインアウトをプリメインアンプに接続して、スピーカーでも聴けるようにしています。


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2014/12/03作成