2015/08/15更新

試34：広帯域DC/ACアンプ、オーディオパワーアンプの製作

 

1.     はじめに

　広帯域DC／ACアンプは、マイコンのアナログI/Fとして、LM386を使ったオーディオパワーアンプはPWMを使ったD/A変換器と組み合わせ音声出力するために用いられます。

　製作した回路には次の機能が含まれます

ａ．±13V入力に対応したDCアンプ回路

ｂ．AC 3.3Vpp（1.17Vrms）入力に対応したACカップリング回路

ｃ．LM386を使った0.5Wパワーアンプ回路（G = 20、VRで制限可能）

ｄ．DC 5V / DC 3.3V 電源回路（基準電圧用）

 

2.     製作のポイント（部品選定）

(1) マイコンとのI/FはDC 0 〜 3.3Vを想定する

(2) 電源は、USB給電のDC 5Vとし、ボード内部で基準電圧となる3.3Vを製作する

(3) OP-AMPは手持ちのNJU7034DとLM358を利用する（どちらも単電源用）

(4) オーディオパワーアンプにLM386を採用する

(5) マイコンは実装しない（純粋にアナログ回路のみ）

 

 

3.     広帯域DC/ACアンプ回路

(1) DCアンプ

　非絶縁の差動入力に対応した広帯域DCアンプとして設計する。

　外部から、DCオフセット入力できるように設計し、±13V入力に対応させる。

　外部回路側でLPFが平易に実装できるよう、10kΩの出力抵抗器まで実装する。

 

(2) ACカップリング回路

　計装アンプの構成を応用した5Hz 〜 40kHzに対応した１：１の回路として実装する。

　外部回路で平易にLPFが構成できるよう、10kΩの出力抵抗器まで実装する。

　このACカップリング回路を使えば、マイコンで電話品質の音声の入力は可能ですが、入力レンジは1.2Vrms固定ですので、0.1Vrmsを下回るようなマイク入力のような微弱信号を取り扱う場合は、全段にプリアンプが必要になります。

　（ノイズを気にしなければLM386をG=20のプリアンプとして使うことは可能です）

 

(3) LPF機能

　普通の差動増幅器構成になっていますので、この回路に１次LPF機能を加えることは容易です。　fc ≒ 1／（2πRC） で設計できます。出力側のRC構成１次LPFはマイコンのA/D変換を安定させるために取り付けています。

 

(4) マイコンI/F

　LM358を5V電源で使った場合、出力電圧は4V弱止まりですが、NJU7034は5V近くまで出力できますので、10kΩの抵抗器を取り付け、クランプダイオードが働くように構成します。

 

(3) 参考回路

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


図１　広帯域DC/ACアンプ回路

 

 

※オフセット調整回路（仮想GND）
マイコンのPWM出力あるいは内蔵回路（1.65V）の切替に対応

 

※AI_5側回路の0.01uFコンデンサはLPF用なので、省略すると広帯域アンプになります。
LM358の2,3番ピン間の0.1uFは取り付け不要です
2016／08／06：広帯域アンプとして動作することを確認済み

 

※AI_7は入力０で出力1.65Vになります
非反転増幅回路です。

4.     LM386革命アンプ

(1) 製作した回路

　LM386革命回路では、NFB効果によって周波数特性をフラットにさせ、ノイズ減少を実現しており、NFB入力を２番ピンではなく１番ピンで行うことを特徴としています。

　実際、１番ピンをNFBに使うと２番ピンでNFBを行うのと同じ効果が得られ、しかも動作が安定します。

　革命アンプに関する記事を読むと、NFBをきつく加えると発振することがあると記述されていましたが、製作した回路（図２）では、２番ピンと３番ピンを使った差動増幅型になっているためか、R3＝12kΩ（炭素皮膜）とC3＝0.1uF（フィルム）の組み合わせで発振することなく、安定動作しています。

　製作事例を見ると、入力カップリング部分に10uFの電解コンデンサを使っている事例を見かけますが、IC内蔵の50kΩ抵抗と併用した場合、コンデンサの容量を0.16uF以上とすればfc ＞ 20HzのHPFとして回路が機能しますので、0.47uFで十分と考えました。

　製作した回路では、C2とC3がACカップリング回路を構成していますが、バイアス電流を流すための抵抗器（約50kΩ）がIC内部に内蔵されていますので、外付け抵抗は省略できます。

　低ノイズアンプを指向する場合、セラミックコンデンサや電解コンデンサよりもtan δの小さなフィルムコンデンサが適しています。

　差動増幅回路の場合、入力端子がフローティング（ハイインピーダンス）になると、コモンモードノイズの影響を受けやすくなり、条件が悪いと入力電圧がICの許容値から外れ、激しいクリッピングノイズが出力されます。製作した回路では、入力インピーダンスがP側、N側とも50kΩ以上ありますので、N側入力とGND間に0.1uFのフィルムコンデンサを接続し、AC結合させることで回路の安定動作を実現しています。

　LM386の場合、２番ピンとGNDは接続可能ですので、単純にN側入力とGND間を短絡させても問題無く動作しますが、差動増幅回路としての特性が失われ、シングルエンド入力回路と等価になりますので、同相電圧除去機能が下がり、コモンモードノイズに対して弱くなります。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


図２　差動増幅型の低雑音回路

(2) LM386革命アンプとは

　あるオーディオマニアが、LM386の内部等価回路を参考にして音質改良に取り組み、図３の標準路図よりも音質を向上させた回路を指すようです。

　実際、LM386をデータシートの参考通りに使うと、ノイズと歪みが多く、お世辞にも音質がよいとは言い難い。（最近はもっと使い勝手の良いアンプが入手できます）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


図４ LM386非革命回路と言われているもの

 

(3) NFB効果の確認

　NFBを使わない図３の回路では、ICの特性により、出力から「サー」というホワイトノイズが出ていることが確認されました。しかし、２番ピンにNFBをかけると、高周波領域でゲインが下がり、「サー」というホワイトノイズが確認できないレベルまで下がります。

　実際に、オシロで信号波形を確認すると、線が細くなっており、明らかにノイズの重畳が減っていました。

 

 (4) 聞き比べ

　雑に作った図３の標準回路と図４のLM386革命回路、図２の低雑音型回路を使って聞き比べ（スピーカーは同一仕様）すると、ハム音が殆ど生じない図４の方が明らかに高音質でした。

　図３ ＜＜ 図４ ＜ 図２　　と言う感じで、図３より図４の方が臨場感のある音でした。

5.     コネクタ

 

(1) DC/ACアンプ入力（合計１点、JST 3極XAコネクタ）

No.

種別

用途

備考

1

P

計装信号入力（P側）

 

2

N

計装信号入力（N側）

末端でGNDに落とす

3

GND

信号グランド

 

 

(2) オーディオ入力（合計１点、JST 2極XAコネクタ）

No.

種別

用途

備考

1

P

オーディオ出力

8Ωを想定

2

GND

オーディオ出力

 

 

(3) マイコンとのI/F（合計１点、JST 6極XAコネクタ）

No.

種別

用途

備考

1

AN0

DC出力（0 - 3.3V）

10kΩ抵抗入り

2

AN1

AC出力（0 - 3.3V）

10kΩ抵抗入り

3

GND

信号グランド

 

4

OFFSET

計装AMP仮想GND(ﾏｲｺﾝPWM出力)

10kΩ＋10uFによるLPF

5

PAIN+

PWM出力(Audio出力)

差動入力

6

PAIN-

信号グランド

N側は0.1uFでGNDに接続

 

(4) 電源（合計１点、JST 2極XHコネクタ）

No.

種別

用途

備考

1

+5V

 

 

2

GND

 

 

※USBの5Vをそのまま分岐

 

(5) ピンヘッダ（雌）

　各コネクタには、実験時に使いやすいよう、雌のコネクタを２点ずつ配置する

 

(6) USB（5V電源入力）

　外部電源供給として利用される

6.     製作した基板

 

No.

写真

説明

1

部品面

上側：DC/ACアンプ回路

中段：LM386アンプ回路

下段：電源回路

 

左側：入力

右側：出力

 

2

半田面

実装密度優先で製作しましたが、低周波なので問題なく動きます。