高調波歪の不思議

オーディオ装置の品質を表す指標のひとつに歪率があります。

ある周波数の正弦波を入力し、その基本波を除いた高調波成分とノイズを計測し全高調波歪率となります。

アンプなどでも品質を表す重要な指標だと思いますが、その反面実際の試聴結果と合わないところもあって、歪率が小さいアンプほど音がいいと言い切れないのも事実です。

また全高調波歪率と聴感上の歪感も必ずしも一致しない場合もあります。たとえば真空管アンプでは歪が気になるレベルは0.1%から1%くらいですが、半導体アンプでは0.01−0.05%のレベルで気になりだします。よく雑誌などでは、真空管アンプは2次高調波が主成分で、半導体アンプは3次高調波なので真空管アンプの方が歪が気にならない(偶数次高調波は聴感上さほど有害ではない)と言う説明を見かけます。しかし実際には半導体アンプの3次高調波歪はおそらく真空管アンプのそれよりも小さいので、それも的を得た説明とも思えません。

そもそも2次高調波、3次高調波成分が多少混じったくらいで音が歪む様に聴こえるはずは無いのです。2次高調波は基本波の2倍の音、3次高調波は3倍の音ですから、ピアノで言うと第2高調波は、ドの音に対して1オクターブ上のドの音、3次高調波は1オクターブ上のその音になります。

kenban2.gif 図にするとこんな感じ(周波数はおよそです、ほんとは無理数ですし調律法にもよるので)

ピアノの音は元からたくさんの高調波成分を含んでおり、、単純にはいえないかもしれませんが、ピアノで
”ドドソ”と和音を弾いた時に、上の方の”ド”を1%強く引いたり(2次高調波が1%増える)、”ソ”の音を1%強く弾いたからといって(3次高調波が1%増加)、誰も不快に感じないでしょう。楽器の音や自然の音はもともと高調波成分をたくさん含んでいるので、その高調波成分の比率は1%変ったところで、音質に影響するはずがありません。

でも実際にはアンプの歪率が%オーダー位にひどくなると、音質は明らかに悪くなります。ではなぜ音が悪くなるかというと、高調波成分ではなく、非高調波成分のせいではないかと思うのです。非高調波成分というのは基本波の倍数に無い成分で、無理に言えば4.5次4.数次高調波ともいえるような成分です。

鍵盤の和音の話にもどりますが、ドミソ(ドドソ)の和音で間違って隣の鍵盤を少しでも触ると、不協和音となって、それはそれは聴きにくい音になります。アンプも同様で高調波成分が少し増えるくらいならいいのですが、不協和音に相当する非高調波歪(勝手に名付けたので正式な名称ではないかも)がアンプの音質劣化の原因ではないかと推測しています。

直感的に言って不協和音に関しては和音の成分の1000倍以上敏感なのではないかと思います。

アンプに関しても非高調波成分の発生は1000倍(60dB)以上敏感に聞き取っているのではないかと思うのです。 実際音の悪いAVアンプをの歪みスペクトルを見てみると、無数の非高調波歪を発生しています。逆に良くできたアンプには高調波歪はあっても非高調波歪はありません。
AVアンプの非高調波歪みAVアンプの歪みスペクトル(罫線に乗っていないのが非高調波歪)

上の図は音が悪いので研究題材に良く使っているAVアンプの歪み成分のFFTスペクトルです。オーディオアナライザーの歪率計からのモニター出力をPCのADボードから入力して解析したもので、測定周波数は10KHz、出力1V、パワーアンプ出力でモニターしています。歪率は約0.05%くらいだったと思います。このAVアンプに特徴的なのは無数の非高調波成分(図の罫線に乗っていないもの)の存在です。 多いのは4次から8次位の間です。

この非高調波成分の理由は良く分かりません。今後さらに検討・考察が必要と考えられます。

アンプの内部を考える -プリント基板の考え方-

今回はアンプの構成要素であるプリント基板についてお話したいと思います。

実際にアンプを作る方でないとプリント基板自体にはなじみは無いと思いますが、回路の性能を実現する上で重要な要素です。オーディオ用アンプの基板には新材料を採用したという宣伝文句が歌われている事もあるのですが、首をかしげたくなる内容も多いのです。

オーディオアンプ用プリント基板の不思議(その1)

  • 金メッキの採用

プリント基板は基板材料に銅のパターンが形成されたものです。通常は銅が非常に酸化しやすいので、表面を保護するのと、半田の乗りをよくする目的で、半田が薄くコーティングされています。最近のアンプで基板のパターンに金メッキをしたものを採用しているものがあります。金メッキはスイッチなどでは高品質の証ですので一見いい様に思いますが、そうではないと思います。

確かに金は柔らかく、腐食せず、しかも比較的電気抵抗が小さいということでスイッチ、コネクターの接点には欠かせない材料です。しかしながら、プリント基板に採用するメリットは無いばかりか、結果的に致命的な欠点になる可能性があります。プリント基板では回路の接続は半田付けです。半田メッキの場合に半田の乗りがいいのは明らかです。じつは金メッキにすると、逆に半田の乗りが少し悪くなるのです。実用上支障になるほどではないのですが、半田付けにとってメリットはありません。

まあメリットが無いくらいなら選択肢としてあってもいいのですが、プリント基板設計上やってはいけないことと関係があるのです。

オーディオアンプ用プリント基板の不思議(その2)

  • ベタ塗りの無い基板?

プリント基板設計上、やってはいけない事、それはベタ塗りの無い基板設計です。ベタ塗りの有無というのは必ずしも正式な技術用語ではないのですが、要するにプリント基板のパターン配線以外の不用な部分をアース部として残すか、不要部分をエッチングしてなくしてしまうかの違いです。

例を示すとこんな感じです。

プリント基板ーベタ有りー1.ベタ有りのプリント基板(青い部分が銅のパターン配線がある部分)

プリント基板ーベタなしー 2.ベタ無しのプリント基板

どちらでも回路図上の結線という意味では同じですが、両者の動作はまったく違うと考えています。

数十MHz帯の高周波設計では 1のベタ有りにするのがあたりまえで、そうしないとまともに動作しません。高域が20KHzのオーディオアンプでは必要ないと一見思われますが、20KHzにおいて他の帯域と同様に十分にNFBをかけようとするとMHz帯までの周波数特性が必須です。それに、そもそも小信号増幅用のトランジスタの帯域幅は数百MHzまであるのでベタ塗り部を設けて回路の高周波特性を安定化することは常識なのです。たとえばアマチュア無線分野の方はどんな初心者でも実践しています。

実は2のベタ無しのプリント基板は(その1)の金メッキと関係が有ると勘ぐっています。金メッキの場合、ベタ部があると金の必要面積が多くなるので当然高くなると思います。そこで回路上不要の(本当は必要と思うが)ベタ部をなくしてしまったのではないか?と思うのです。(その1)でも述べたように基板に金メッキをするメリットは私は無いと思います。ましてや、ベタ部をなくすともう高周波で安定動作は望めません。

では2.の基板を採用しているメーカーはどうやってアンプを作っているかといえば、増幅回路の各部に局所帰還をかけて帯域幅を最初から狭くしているのです(と思います)。オーバーオールのNFBが当然少なくなり、高域の歪率が悪化すると思います。2のタイプの金メッキ基板は、ある老舗のオーディオメーカーのフラッグシップモデルに使用されています。しかも、記憶が正しければプリント基板の母材を代え音を良くしたとか、レジスト(半田の防止層)コーティング材を変えて音質を良くしたとか宣伝しています。私に言わせれば基板によって音が変ったとすれば、まず”ベタ部をとってしまったせいではないですか?”といいたいのです。

弊社のプリアンプパワーアンプはもちろんベタ有りの基板で、それだけではなくパターン配線に関しても相当練りに練っています。上図のパターンは実際プリアンプのフラットアンプ基板の図ですが、なんとなくパターンの模様に設計思想の様な物が感じられませんでしょうか?パワーアンプに関しては1年以上プリント基板の最適化に費やしていますし、そうしないと高周波領域の特性を手なずける事ができないのです。

最近、単にパーツに貴金属を使用して音がよくなったと高額な値付けをしている商品が増えすぎているように思います。

本当に必要な改良をして、性能も音質がよくなり、そのためにコストがかかったというのなら分かりますが、こんなに電気の常識を無視した設計をすると、電気の神様の怒りをかうことになるのではないか?と思うくらい怖いことをオーディオ業界ではやっているように思います。

アンプの歪成分のFFTスペクトル解析

はじめに

アンプの性能を表す方法のひとつとして歪率特性があげられます。ここでは、通常議論される高調波歪率よりも一歩踏み込んだ議論を紹介したいと思います。

測定方法

歪率の測定には、発信機と歪率計を内蔵したオーディオアナライザー(VP-7223A)を使用しています。測定条件にもよりますが残留歪率は 0.0005%-0.001%です。歪率計には歪波形をモニターするための基本波除去後のモニター用出力端子がついていますので、この歪波形をFFTで解析して高調波歪の成分を調べてみました。FFT解析にはパソコンを使用し、現状最も高解像度、広帯域のサウンドボード(192KHz,24bit)を使用しました。周波数は約90KHzまで測定可能です。歪率計で基本波が100dB程度除去されていますので、FFT解析装置の解像度100dBと組み合わせて原理的には200dBくらいの分解能になります。ただし実際にはノイズなどの影響で170dBくらいがいいところでしょう。また注意していただきたいのは歪率系のモニター出力の絶対値は、勝手に内部でATTが動作するため当てになりません。歪率の絶対値はスペクトルからではなく、別に記した全高調波歪率を参考にしてください。あくまでFFTスペクトルは歪の周波数分布を見るために使用してください。一応測定されたFFTスペクトルのY軸はは、歪率系で測定された歪率の値にあわせて規格化しています。また、FFTスペクトルの縦軸はV・sでスペクトルのピークの値が直接歪率の絶対値を示すわけではありません。ですのでFFTスペクトルを見る際はあくまで相対的に比較して下さい。
測定条件は10KHz、1Vです。

アンプ歪率のFFT解析ブロック図

歪率のFFT解析結果

結果は下表の通りです。
横軸は周波数、縦軸は歪成分のスペクトルの大きさになります。AVアンプ、プリメインアンプで10KHzの基本波が除去し切れていないように見えますが、これはわずかなハム成分(50Hz)が乗った10.05Khzなどのスペクトルです。オーディオデザインのアンプはSNが良いのでこの成分がありません。

プリアンプの歪成分の周波数解析

アンプ

歪成分のFFTスペクトル

コメント

AVアンププリアンプ部
THD+N=
0.011%
AVアンプの歪成分のFFTスペクトル ・3次高調波成分(30KHz)が最も大きな歪成分です。
・3次高調波の他に7.5次(75KHz)にも大きな歪成分がありますが、これは発信器の出力にわずかに含まれる歪がなぜか強調されているようです。
・他に40-60KHzに無数の非高調波の歪成分があります。
プリメインアンプ
プリアンプ部
THD+N=
0.0054%
アンプの歪成分のFFTスペクトル 高調波歪の主成分は2次と3次成分ですが70-80KHz付近の歪も大きくなっています。
オーディオデザイン
プリアンプ
THD+N=
0.0023%
オーディオデザインアンプの歪成分のFFTスペクトル 基本的に目立った歪成分がありません。非常に優秀です。
歪成分が無いだけでなく、10KHz以上のベースライン(基底)部分も大きく減少しています。

FFT解析のまとめ

歪成分のFFT解析を行うことで、アンプの性能をより詳細に知ることが出来ました。また周波数特性の優れたオーディオデザインのアンプが結果的に歪率特性も非常に優れており、歪成分をほとんど発生していない事がわかりました。

(2007/08/20)

(ほんとうは恐ろしい)実装状態でのアンプの歪率特性

アンプの実装状態での歪率をチェックしてみよう
一般にトランジスタアンプの高調波歪率は0.0x%から0.00x%程度で、音質には必ずしも影響しないと考えられていますが、実際には恐ろしいことが起こっています。アンプの実際の使用状態での歪率特性が1桁以上悪化していることがあるのです。

信号源インピーダンスの影響
実装状態でアンプ歪率に大きな影響を与えるのは信号源のインピーダンスです。下図を見てください。右側がプリアンプ、左側がCDなどの信号源と考えていただければ結構です。信号源とプリアンプの間にはVRが入り、電気信号を分圧してプリアンプに入力します。分圧するだけならいいのですが、同時にVRの直列抵抗のために、等価的に信号源とアンプを接続するインピーダンスが上昇します。
例えば100KΩのVRを接続して半分の音量に絞った場合50KΩの抵抗が直列に接続されたことと同じになります。
amp-comp-cir.jpg

この様な状態での歪率特性を調べるために、信号源に直列に抵抗を接続した状態で測定してみたのが次のグラフです。左がオーディオデザイン社のディスクリートアンプ、右側が代表的なOPアンプ5532の歪率特性を信号源インピーダンスを変えて調べたものです。

ampdistcomprs2.gif

信号源インピーダンスが小さい場合(600Ω)には教科書に出て来る様な歪率特性です。高域においてディスクリートアンプの方が優れていることがわかります(もちろんディスクリートアンプであればすべて性能がいいという事ではありません)。しかしながらその差は少しでOPアンプでも十分実用に耐えると考えられます。
ところが信号源インピーダンスが大きくなると(入力にVRを挿入し絞った場合に相当)、事情は一変します。Rs=4.7KΩの場合、OPアンプでは10KHzの歪率がかなり大きくなります。ディスクリートアンプでも若干10KHzが悪化しています。Rs=48KΩではさらに状況はひどくなります。OPアンプではなんと10KHzの歪率は0.1%に上昇します。これは明らかに音質に影響するでしょう。音が割れるまではいきませんが、高音域がきつく感じられ、全体的に堅い音になると思います。ディスクリートアンプではそこまで悪くなりませんが、やはり多少悪化しています。
信号源インピーダンスが大きくなった場合に歪率が悪化する理由はアンプ初段のFET(Tr)の入力容量の非線形性によるものです。信号源インピーダンスが-側の入力インピーダンス(この場合1K//4.7K=825Ω)に等しい時に歪率が最も小さくなるといわれています。
信号源がCDでアンプがプリアンプの場合もそうですし、プリアンプが信号源でパワーアンプの入力部にVR(アテニュエーター)がついている場合にもこの状況はあてはまります。
よくVRを入れると(音量を絞ると)音質が変わるという方がいますが、その原因はVRそのものの品質ではなく、実はこういったアンプ回路にかかわる問題であることも多いのではないでしょうか?(ほとんどの場合VRのせいにされていますが・・・)
通常アンプの歪率特性はVRを最大にして測定するので、こういった影響は見えてきませんが、実用状態では必ずしも特性が良くない場合があるということに注意すべきでしょう。
また、この信号源インピーダンス依存性をなくす方法は別途紹介したいと思います。