【雑記】ちょっと気になったのでケーブルの話【乱文】

イヤホンのケーブルを交換しても音は変わらないと主張しているブログを読んでみました。
筆者さんは理系らしいですし、理系だから説得力があるといった感想も見かけたので気になりまして。

その方の主張を簡潔にまとめると

1.材質やめっきなどが変わっても20kHzまでの周波数特性(ピンクノイズによる)は変わらない
2.ケーブルの抵抗値(原文通り)が変わって、音量の変化を音の変化と感じるのではないか

とのこと。

まず1.。

周波数特性に変化がない根拠として張られていたデータはポータブル用のラインケーブルを携帯音楽プレーヤーからPC用サウンドデバイスへ直接つないでいました。しかし、イヤホンの場合は負荷インピーダンスが低いです。なのでケーブルの些細なインピーダンス変化でも周波数特性に影響が出る可能性は考えられます。

2.は、抵抗値(違和感が強いので以降インピーダンスに置き換える)が変わったことで変化するのが音量だけだと考えている理由がわかりません。ケーブルのインピーダンスが変わるということは、イヤホンのドライバー側から見たときにアンプの出力インピーダンスが変わるということと等価です。つまり逆起電力を吸収するときの挙動が変わりますし、ドライバを止める方向の力も変化します。
また、イヤホンのドライバのインピーダンスは一定ではありませんので、出力インピーダンスが

変われば周波数特性も変化します。たとえば、アンプの出力インピーダンスが高いと最低共振周波数と高域のインピーダンスが高い部分が盛り上がった周波数特性になります。

私はオーディオ機器を20kHzまでの周波数特性だけで論じるのはあまり意味がないと考えていますし、件のブログで根拠としている測定環境も詳細な値や細かい違いがとれるものではありません。これを変わらない根拠とするのは科学しているとは言えません。

また、音が変わる・変わらない以外でも気になるところがありました。それはレジスタンスとインピーダンスの使い分けができていないところと、データに差がないのに音が変わると言ってるのは工学系の大学生であれば疑問持てなければやばいと言っているところ。工学系であれば、あのデータ自体に疑問を持たなければならないと思います。

なお、私はケーブル交換での変化はあると思っていますが、それが必ず知覚できるとは思っていません。メーカーが狙った音を崩すのも嫌なので、極力交換しないようにしています。

もみじさん

当方以外が設計したアンプの問い合わせについて

別の製作者様やメーカー様のアンプを「これどうですか？」と聞かれることがあります。「AoMのアンプを使用していて技術力に信頼を持てるから」との理由で意外と多いです。個人的な付き合いがある方からも同じような問い合わせは時々ありました。

直近では「過去のモデルで発振していたところの新型について」聞かれましたが写真などから推測できる部分は限られています。必要に応じて確定していることと私の推測や予想は分けてお伝えするようには心がけています。しかし現物を測定してみないと何とも言えない部分が多いのです。逆に十分な測定データと写真が何枚かあれば大まかな構造はかなりの精度で予想できるのですけども。

なお技術面とそれに付随することのお答えしかできません。心情面はご自身で判断することです。

データを出すのは設計や製造している人の責任だと思います。当方は疑問の残るものを購入するお手伝いはしたくないですし、このような相談をされてしまうとその購入目的がたとえ動作の実験であったとしてもこちらのモチベーションは下がります。

科学的に良くないものが売れる状況が続いた先にある世界がどうなるか考えたことがありますか？その先には誰も科学的に優れた設計をしない世界が待っているでしょう。すでにその傾向が見え隠れしているように思います。

公表されていないデータを求めるのは失礼ではありません。自信があれば公表してくれると思います。でも企業秘密だとかデータに表れない音があるんだ！と言って出してこないところも多いかもしれませんね。それは科学的に信用を落とすだけだと思いますけれど。ただし問い合わせる際はデータの意味を理解し、間違った考察はしないようにしてください。

データに現れない(測定しにくい)部分で音に差が出ることよくはあります。だからこそ優秀な特性と音質を両立しているものもありますし、特性が良く見えても音がいまいちなものもあるわけです。

そのアンプで実現したいものは

録音されている信号にできるだけ忠実にスピーカーやヘッドホンの振動板を駆動することです。
機器のことを気にせず音楽に没頭できるもの。そして「あの人たちが作ったものだからまた欲しい」と思ってもらえるものを作りたいと思っています。

科学技術は人を悩ませるためのものではなく生活や心を豊かにするためのものです。
だから新しいものを次々に乗り換える必要はないです。必要になったときに悩まずに選べることが大切です。新しいものを乱発する・それを毎回買うというのはお互いに信頼できていないのではないかと思ってしまいます。

常に最新が最良であること。必ずデータや理論で説明できる改良をすること。
これらが不安を残さないために必要なことだと思っています。たとえそれが必要になることがなかったとしても…です。

中の人は同じ回路で微調整したプリント基板を何種類も作って聞き比べているので、理屈はあってもデータに出にくい部分での音の差があるのもよく知っています。理屈もないし裏付けもない変更をしても音が変わることも知っています。でも理屈も裏付けもないものをリリースするのは不誠実だと思うのでやりません。

関わる人と科学技術に対して誠実でいること。これが一番大切にしたいことです。

測定データの使い方

測定データは本来アンプ同士を比較するためのものではありません！どこが悪いのか見極め改良するために使います。校正してある機器であっても別の個体なら少なからず誤差はあるので、比較するのならその誤差を織り込んで比べないと意味がありません。

私はパワーアンプなどの電源電圧が高くオペアンプが使えないアンプも設計しますので、どちらかというとディスクリートアンプをいじっていることのほうが多いのです。最近も試作したものがあるのですがどうしても部品点数が少ないと特性が出ない部分があります。少ないとは言っても機能上必要のない素子を除いてchあたり20石程度あるんですけどね。

良くできたアンプには問題になるほど大きな歪みも雑音もクロストークも発生しませんし周波数特性にピークやディップもないです。しかし高性能なオペアンプを使っていても歪みの大きなアンプはありますし、ディスクリートアンプを設計し測定したことがあれば予想した値と実測が違った…なんて経験がある人も多いはずです。

このときに、たとえば歪みでは何次歪みが大きいのかわかれば発生箇所を特定して対策することができます。周波数特性は実測値でグラフを描いて理論値と見比べます。可能であれば歪率も理論値を出したほうが良いですが、ディスクリートの場合は非常に複雑な計算が必要です。

オペアンプを用いたものでは大凡の値がすぐに出ますのでそれを用いれば良いでしょうね。

ディスクリートアンプはもちろん、オペアンプを用いたアンプも理論通りの値を出すのは少し技術が必要です。見えないものを手探りでやるより見えるようにした方が捗りますし、知らない部分にも気付けると思います。ノウハウや特殊な技巧は本来基礎の先にあるものですので、技術的な裏付けがないものは別の何かです。確認できるものは確認していきましょう。

ただし現実を見たくない場合はこの限りではありません。

科学と擬似科学とオカルト

世の中には擬似科学とオカルトがあふれています。特にオーディオ界隈では非常に多いです。

個人的にオカルトはあまり大きな問題はないと思っています。
誰が見ても科学的ではない説明は科学ではありませんからそれを信じる・信じないは選ぶ側が決めることです。よくわからない説明で作られた物であっても使う人が効果を感じればそれで良いのです。ただしそれを人にすすめるのはいかがなものかと思います。

一方で擬似科学は非常に危険です。
効果がなかったり間違っていることを効果があるように表現すると騙される人が出てきます。少し前に水素水が問題になりました。これは水素水が体に良いとする科学的な根拠が乏しいことと、なんと水素が特別多いわけではなかったために問題になったのだと記憶しています。
問題だったのは各社から販売されていた水素水であって水素と水は科学的に説明できるものです。それは変わりません。だからこそ擬似科学が入り込みやすいのだと思います。

オーディオにおいても同じです。
特性を良くしたり、特性と音を結びつけるならば十分な根拠や理論が必要です。しかし書籍を手にすることもなく十分な測定をすることもなく自分の考えや思想を評価されたい人が多いようです。それでも理論が正しければいいのですが残念ながらそういうことは少ないです。

オカルトを否定するのに擬似科学を使いだすと最悪です。でもこれ結構多いです。たとえばケーブルで音は変わらないとする人の中にはそのDCRのみを根拠としている人が結構多いです。しかし実際はそれ以外のあらゆる要素がケーブルごとに違いますし、仮にもしDCRのみが違ったとしても出力する機器や入力する機器のインピーダンスが一定でなかったりすればシステム全体での特性は変わってきます。

私が昔から好きなウェブページに科学と擬似科学について詳細に解説しているものがありますので紹介します。かつ様の手作りオーディオとSFとヨーロッパの博物館のページ内にある「科学する心」という項目です。
http://www.gem.hi-ho.ne.jp/katsu-san/audio/do_sceience.html

オーディオアンプの設計と製作の中にある「自作アンプとオーディオについて」のほうがよりわかりやすいかもしれません。
http://www.gem.hi-ho.ne.jp/katsu-san/audio/pseudal_tech.html

私が書くよりもわかりやすく、しかも高度な説明をしてくれています。

ただし「アンプ製作をコミュニケーションの道具にしたかったり自己顕示欲を満たす道具にしたいだけだから勉強するのはナンセンスだよ」という主張には同意します。勉強せずとも目的は達成できるでしょうしそこに科学を持ち込む必要はありませんから。同意はしますが偉大な先人たちに失礼ですので理解はできません。

私は少しでも真実に近付きたいですね。

DCサーボの動作と設計

アンプの出力DCを抑えるために使うDCサーボというものがあります。

これは簡単に書けば出力のDCを増幅してメインアンプの入力端子へ戻すことでDCを抑えます。この回路は時定数が大きいのでDCが収束するのに少し時間を要します。万能ではありません。

そのため出力のDCが急速に変化するとき、たとえば入力バイアス電流の大きなアンプでバイアス抵抗を突然変更した場合などは一度DCが出て徐々に収束していく動作をします。動作中にバイアス抵抗を意図的に変えることはあまりないと思いますが、ボリュームを取り付けたことにより変わってしまっているものは結構あるようです。

実際に使われる回路は大きくわけて3種類の形にわけられます。なお以下の説明内ではすべてメインアンプはオペアンプの非反転増幅回路とします。

1.非反転型DCサーボ

これはサーボの出力をメインアンプの反転入力に戻すよく見かける形です。戻す位置がよく使いやすいのですがフィルタ用のコンデンサが1回路あたり2個必要になるので部品点数が少し多くなります。

2.反転型DCサーボ

こちらは非反転入力に戻すもの。見かけることは少ないのですがコンデンサは1個で済む利点があります。

3.反転型DCサーボに反転アンプを組み合わせたもの

これは2.のサーボの出力を反転させてメインアンプの反転入力へと戻すものです。私はよくこの形にしますしメーカー製品でも見かけます。

この3種類は書籍に載っていることも多いのですが3.を見たことないという人が結構いるようです。たしかに3.はネットではあまり見かけませんものね。ネット頼りで本を読んでいないのはどうかと思いますが。

私はディスクリートアンプでドリフトが気になる場合や調整する部分を減らしたい場合にDCサーボを用いるようにしています。IC化されたオペアンプを使う場合はあまり必要性を感じないので用いることは少ないです。たとえばバイアス電流が大きいなら入力バッファを設計するか、強引ですがカップリングコンデンサでDC的に切り離してしまえば良いと思います。そういったことをしても対応しきれない場合には使います。

なおDCサーボは低域がカットされますので忠実な再生のためにはできるだけカットオフ周波数を低くしたいところです。

私は2decくらい値を変えて試したことがありますが、部品や他の値の兼ね合いや思想からだいたいいつも同じような設定することが多いです。

またこの回路はメインアンプの利得にも影響を与えます。影響を最小限に抑えるための定数選びもできますしはじめからその影響を考慮した設計をしてもいいと思います。

極端に大きな出力DCのアンプを強引に動かさねばならなかったときはセオリーから外れた値しか選べなかったため、DCサーボ込みでの利得を計算し狙った値に持っていきました。

【建国記念日特別編】フラットって何度以内ですか？

ヘッドホンアンプは可聴域外の特性は関係なくね？という話をしている人がいるとクラフトマンに聞き、思うことがありましたので特別編です。

まず最初に。

理論を否定したいのであれば、「関係ないです(私は関係ないと考えます)、なぜならば(理由)」と書かなければなりません。関係なくね？は無責任ですし、同意が集まれば叩いてやろうという意図が見えることもあります。

しかしこれは今回の本題に関係ないので今回はあまり気にしないことにします。

本題はここからです。

アナログ回路では周波数特性と位相特性は非常に密接な関係があります。どちらか一方を好き勝手にいじることはできません。

一番簡単な一次LPFの場合、カットオフ周波数である-3dBの地点で45度遅れになります。しかしいきなり-6dB/octになるわけではなく減衰し始める周波数はずっと低いところからです。そこから位相も徐々に遅れてきます。

つまり20kHzで-0.5～-1dB以内等に設定していると倍音が含まれる領域で位相が大きく遅れることになります。ここで計算をしだすと長くなりますし難しくなるので詳細な値は各自で計算してください。数値をいれれば周波数特性と位相特性のグラフを出力してくれるサイトもありますので。

倍音が適度に遅れることで広がりがあるように聞こえたり電源やプリント基板の設計の悪さがカバーできることもありますが、回路設計者からするとこれはごまかしに過ぎません。サスや骨格の出来が悪いスポーツカーにプアなタイヤを履かせその出来をごまかしても速くはならないのと同じです。

ただし回路設計者ではなく営業や自己顕示欲を満たしたい人目線で見た場合は、そのチューニング？を宣伝のひとつにできるので良いのかもしれません。

なおここまでは高性能な増幅器の前か後にLPFを挿入した場合の話です。オペアンプを設計するときはまた変わってきます。

オペアンプの中身つまりディスクリートアンプを設計するときは多くの場合で可能な限り大きなフィードバック量を確保したいです。(一般的な電圧帰還アンプの場合)

しかし1ポール補償では-6dB/octでオープンループゲインが減少してきてGB積で0dBになりますので、フィードバックを大きく確保しようと思ったらGB積は大きくなっていきます。

物の本(もののほん)によると、十分な知識があり最低限の測定器しか有していないビギナーはパワーアンプで2MHzあたりを狙うと安心と書いているものがあります。これは結構高い周波数です。しかし特性を追求すると必然的になってしまう値なのでしょう。缶タイプのパワートランジスタが主流であった時代のパワーアンプでこれ以上伸ばすには少し難しい技術や知識、コツが必要ですのでこのくらいの周波数になっているのだと思います。

なお昔の人がアンプでよく100kHzの矩形波を観測するのは周波数特性のピーク等を確認して安定性について検討するためです。これはアンプ単体での安定性ですので、前や後ろに極端にカットオフの低いLPFを入れて測った値はあまり参考になりません。

出力にインダクタを入れていれば負荷とLPFを形成しますのでそれなりの設計をしていればスピーカー負荷では発振はしにくいでしょう。しかしスピーカーケーブルが極端に長く末端でスピーカーが外れているようなほとんど純粋な容量負荷では厳しい場合もあります。

私は回路設計者ですので想定されるいかなる負荷でも問題ない回路にしたいと考えています。なので極端なダミーロードでも測定しています。ただし、容量負荷のみの波形等はそのデータの意味がわからない人が多く間違った解説が出そうなので掲載していません。

これらはヘッドホンアンプでも同じだと考えています。スピーカーもヘッドホンも基本的に同じような負荷ですからね。ヘッドホンのほうがまだ簡単だと思いますけれども。

ところで可聴域外の再現性は必要ないと言う人のなかにもGB積の大きなオペアンプで強烈なフィードバックをかけているものを多数見かけます。大きなGB積に肖っているはずなのになぜその領域を否定するのか疑問でなりません。

また、特性の重要性を軽視する人たちは「フィードバック量が多いから閉塞感がある」「カットオフが高すぎるからサ行がうるさい」等と言う人がいます。これをコンデンサや抵抗器で音が変わると主張する人たちが言ってしまうのは、特性が良いものに対する印象操作です。だって、特性に現れない音があるのでしょう？

でしたらこれは測定しにくい部分もある程度論理的に詰めたアンプを設計製作してから論じなければなりません。できないことやわからないことを否定するだけでは何も進歩しませんし、特定の要素をいれながら音の悪いアンプを作るのは簡単です。

どんなアンプを作るにしても

・何をどうしたいのか、なぜそうしたいのか

・そのためにはどんな設計をしてどのような値になるのか

・実際にはどうなってなぜその結果が得られたのか

は最低限やる必要があります。なんとなく設計してなんとなく波形を見てもその意味がわからないでしょうし、正しいかどうかもわかりません。知識がないと本当になにもわからないものです。そんな状態で何年もアンプ作りをしているのは、科学技術と回路設計者、買ってくれる人にとても失礼な行為だとさえ思います。

寄生成分の話や分布定数の話など書きたいことはたくさんありますが、長くなりましたので最後にひとつ有名な話を書いて終わろうと思います。

「パワーMOSFETは入力抵抗が大きいからこれを最終段に使ったパワーアンプはバイポーラジャンクショントランジスタより周波数特性を良くしやすく音のキレがよい」

パワーMOSFETはゲートが酸化膜で絶縁されている構造なのでゲート電流は極めて小さいです。しかしその構造だと容量は……。その容量と不適切な設計によってリンギングが出て鋭い音になっているものもあると思います。

※2SA1942と2SJ200の特性を比較してみてください。

妄想どおりに回路が動いてくれるなら、いまごろみんな優秀な物理学者です。

技術系雑誌を読めば勉強できますか？

技術系雑誌を読めば勉強できますか？と質問されました。
アナログ回路系に限れば内容が信用できるものはあまりありません。もしあっても雑誌は一冊で完結するものではありませんので、単価は少し高く内容も難しいですが通常の書籍をおすすめします。

オーディオ系の記事が載っている雑誌といえば無線と実験やラジオ技術をまず思い浮かべると思います。しかしこれらの雑誌は理論に関係なく音質を語っている記事が多いのです。

実際に全高調波ひずみ率が0.01%を全域で切っていないアンプの記事で、音が史上最高の構成ですとか音が満足できるものである、試聴会で褒められたという記述も見かけました。0.01%も歪んでいる音は、耳がよい人なら何か変だと感じるはずなのですが。

※元記事に全高調波ひずみ率と書いてあったのでそのまま記述しましたがグラフのカーブを見るとTHD+Nのように思えます。
※この記事のアンプは構造上改善したほうが良い点がいくつもありますが、筆者がオペアンプ交換を是としているようでしたのでMUSES03をOPA627に変更したら良いと思います。それだけで少し特性が改善するはずです。電源ピン直近に適切な形でバイパスコンデンサを入れれば音はもっと良くなると思います。

業界で最も有名といっても良いトランジスタ技術はどうでしょう。
こちらは結構技術的なことが書かれています。ちょっと怪しい記事もありますが。私のときはお題がお題だったので素子ごとの差がはっきり出るような項目を測定しまとめた形になりました。もう少し自由に書けたかもしれませんが、オーディオ雑誌ではありませんしそこで自己主張しても意味はありませんので特性の差のみに絞って書きました。
ブログと違い自由に書けない部分もありますし雑誌という媒体では正確さよりも重視されるものもあると思います。編集の人は回路設計者ではないのでニュアンスが通じにくくおかしな表現になってしまっている部分もあります。それでもグラフや表をいくつも載せてくれる点は良いです。

通常の書籍ではCQ出版の定本シリーズははじめて読む本としては最適だと思います。買って積んでいる人も多いみたいですがこれはかなりとっつきやすいほうです。ただしこれ一冊で良いアンプが作れるわけではありませんし十分な理解が得られるわけではありません。簡単な増幅回路のエッセンスがわかる感じでしょうか。また実際に設計するのであればオシロスコープとファンクションジェネレータは最低限必要です。

増幅回路は決して見よう見まねでは設計できません。

配線に電流が流れることで生じる雑音について

理想的な導体に電流が流れる場合は電圧降下が生じません。

しかし実際の導体はインピーダンスがあるため電流が流れると必ず電圧降下が生じますし、
過渡状態では結構ぐちゃぐちゃになっています。

たまに電源の電解コンデンサ部分の電圧変動を見て「このアンプは電圧変動が少ない」などと論じている人がいますが、電解コンデンサに電荷がたまっているのでその部分はほぼ変動しません。そこではないのです。

この電圧降下は雑音なので回路の動作に影響を与えます。特にステレオのアンプではチャンネルセパレーションへの影響も少なくありません。
※値が大きく悪化する場合の原因は別にありますが今回は書きません。

プリント基板は紙フェノール板やガラスエポキシ板ととても薄い銅でできています。そのため配線のインピーダンスは結構大きいです。1オンスのプリント基板では幅1mmあたり1Aという目安がありますが、これは発熱量の目安であり電圧降下は関係ありません。
音を追求するのであればこういった部分の過渡状態での乱れはできるだけ減らしたいです。そのためには電源からの配線を必要に応じてわけて、配線幅を十分に取り、他の個所へ影響が出ない範囲でループが最小になるような位置にデカップリングコンデンサを配置します。

文章で書くとあっさりしていますしこれは基本的なことなのですが、実際にやるには相応の知識と経験が必要になる部分だと思います。

GNDも同様に考えます。こちらは正負電源より少し複雑です。回路が基準として使っている部分の電圧をそろえないと雑音増加やチャンネルセパレーション悪化などの影響が出ることがあります。この影響を抑えた設計をするためには、回路そのものの特徴や動作原理、部品配置などをトータルで考えていく必要があります。

なおGNDにつながるすべての部分の電圧が等しい必要はありませんし等しくすることは困難です。重要なのはいかに他の部分への影響を抑えるかです。

AoMのアンプはこういった部分にももちろんこだわっているので、たとえ同じ部品を揃えてご自分で組んだとしても同じ音にはなりにくいのです。