オーディオ養生所 -ケース1:しょぼいプリアンプ-

このところ忙しくブログの更新がすっかりおろそかになっていました、すみませんでした。

今回はこれまでに接したお客様の事について少し書かせていただきたいと思います。弊社は会社として事業をしており、特に店舗を開いているわけではないのですが、なぜかオーディオ機器について直接のご相談を受ける事が多いのです。中にはいきなり「かくかくしかじかのことについて考察せよ」という命令調の指示をいただくこともあります。(おそらく、ホームページに技術的なことを詳細に記載しているためだと思うのですが)

オーディオ機器の選択、使いこなしに関しては通常、それを扱うお店に相談するのが筋だとは思うのですが、中にはというかかなりの割合でお店に食い物にされていて(下品な表現ですみません)、それをご自身で感じていらっしゃるので、弊社の様なところに相談されるのも理由の一つではないかと思うのです。

とはいえオーディオ機器を扱うお店の役割も大変だと思います。冷やかしの方も多いと思いますし、試聴しても結局その店で購入せず、最安値の所からネットで購入するなどという事も日常茶飯事でしょうから、心労はお察しします。ただ中にはこれはひどいもの売っているなあというケースがありますのでいくつか紹介したいと思います。

ケース1:今使用しているプリの音質が今ひとつなのでと相談されてきたA氏
使用しているプリの音質が今ひとつなのですが・・・・というご相談をいただいたので、使用されているプリをネットで調べてみたのですが、これは酷かった。
名称:J?? プリ (酷評するので隠しておきます)
実売価格:25万円程度
大きさ:寸法: 150 (W) 237 (D) 57 (H) mm ・質量: 1.5 kg
これだけでもわかるとおり、かなりちゃっちいのに非常に高価(うちのプリアンプより高い)。中身はもちろんOPアンプ。OPアンプを使用したから悪いとはいわないが(50-100万円のプリでもOPアンプを使用したものはたくさんある)、この中身は酷すぎる。内部写真を公開している人のサイトを見ると、OPアンプのところにパスコンが無い、NFB抵抗のところに位相補正用のコンデンサが見当たらない。基板を見る限りかなり手馴れた人が設計・製作はしているが、アナログ回路の品質を考えた形跡がまったく見当たらないものだった。一応音は問題なく出ますよという程度のもの。アナログ回路の教科書にこれだけは守りましょうと書いてある事すら怠っている代物でした。基板+部品の価格も5千円あればおつりが来る。シャーシーもしょぼいので製造原価はせいぜい1万円程度だろう。

このプリアンプのうたい文句は「xxで有名なyy社にいたzz氏の設計によるプリアンプ」見たいなもの。この手の文言の製品はこういったものが多い。

このアンプ卸値がいくらかは知らないが、製造者とお店にとってはとってはよだれの止まらない製品だろう。

このお客様には弊社のプリとパッシブプリの両方のデモ機を自宅で試聴していただいて、最終的にパッシブプリの方をご購入いただいた。音質がプリとパッシブプリでほとんど同じだったのでという事だったが、本当はそういうことなら、なお更プリアンプの方をご購入いただきたかった。そのほうが後々いいと思うのですが・・・。パッシブプリと同じ音質がするプリというのは結構すごい事なんだがなあ・・・・。

ケース2は次回に説明します。

NON-NFBアンプについて -本当は局所NFBアンプです-

半導体アンプにおいて無帰還アンプと称するアンプについてその発想が理解できませんとして、無帰還のトランジスタアンプはそのままでは実用に耐えない事を前回説明しました。無帰還アンプ(NON-NFB)アンプと称しているアンプはほとんどが局所帰還アンプでNFBは使用しているのです。

お断りしておきたいのはNON-NFBアンプの音質が悪いとかそれを使用する方が理解できないとか言っているのではありません。別にNON-NFBアンプだろうがNFBアンプだろうがそれを使用して満足する結果が得られば良く、そのためにどのようなアプローチを取ろうと人それぞれです。実際にNON-NFBアンプと称するアンプを聞いて音質が好ましければそれでいいのですし、そういう事はあってもおかしくありません。

ただ実際はNFBを使用しているのにNON-NFBだから音がいいとか、NON-NFBの方がNFBよりも音質が良くなるとかそういった文言を目にすると、「それ違うんじゃないの」と言いたくなってしまうのです。論理的に考えて、もしNFBアンプには音質上欠点があってNON-NFBにそれが無いと仮定すると、NON-NFBアンプを使用して音楽を再生した場合再生した音が良く聞こえるのではなく、NFBアンプの悪いところが耳について聞いていられなくなると思います。

というのはCDプレーヤーの出力部にしろ、あるいは録音用マイクのマイクアンプ、ミキサーすべてがNFBアンプで構成されているので、それらの欠点が聞こえてしまって聞いていられなくなるはずです。NON-NFBアンプを使用して聴感上好ましい結果が得られたとすれば、それは録音も含めた全体の再生系の中で結果的に好ましくなったという事であって、NON-NFBの方が優れているという結論にはならないと思うからです。

経験から言えばオーディオ装置のある部分例えばアンプを良くしていくと、再生音が聴感上良く聞こえると同時に、再生系の他の弱点が明らかになってしまって余計に気になってしまうという現象が起きることが一般的だと思います。

前置きが長くなりましたが、それでは無帰還アンプと称するアンプ はNEBループを使用しないで局所帰還で回路を構成しているものがほとんどです。 局所帰還とはトランジスタの出力から入力に帰還をかける(自分で自分に帰還を掛ける)もので、例えばこうなります。

tr-amp-nfb.png

RcbとReの部分が局所帰還になります。Rcbは見ての通り出力のコレクタから入力のベースに抵抗で帰還させているもので、帰還の量はRcbとトランジスタの入力抵抗の比率で決まります。抵抗で帰還をかけているものはあまり無いかもしれませんが、主要な増幅段にはこの場所に微小容量のコンデンサを挿入して局所帰還を施しているのが普通です。そうしないと高周波領域でゲインが大きくなりすぎて発振してしまうからで、局所帰還というよりも位相補正と言った方がいいかもしれません。

Reが局所帰還になるのがわかりにくいかもしれませんが、Vinに入力があった際にベース電流が流れてRe間に電圧が発生し、これがVinを打ち消す方向に発生するので、結果的に負帰還(NFB)になるのです。そのメカニズムから電流帰還と呼んだりもします。

これらの局所帰還も当然りっぱな負帰還(NFB)の仲間で、トランジスタアンプでいわゆる無帰還アンプと称しているものは、ほとんどはこれらのNFBを使用しています(そうしないと実用になりません)。

ついでに言っておくと、上図のRcをゼロにして電流帰還を最大にすると、アンプの最終段に使用されるエミッタフォロア回路となる。別名100%帰還回路という(これを無帰還回路といって宣伝している会社もあるが) 。まあ呼び名はどうでもいいとして、これをパワーアンプの最終段に(NFBループ無しで)用いるとひどい事になる。何が酷くなるかというとダンピングファクターである。安定性の点からReに0.5Ω位を使用するので、出力抵抗はせいぜい0.5Ω位(=0.5/2+1/gm)になる。すなわちダンピングファクター(DF)が16程度という事になる。この程度のDFでは確かに他のアンプと違う音になるだろう。周波数特性上も少し低音が持ち上がるはずで、なによりも低音が締まらなくなってどうにもなら無いと思うが・・・・。実際こういったアンプを無帰還アンプだから音がいいといって売っているのだから、いったいどうなっているのかと思ってしまいます。

話を元に戻してそれでは無帰還アンプと称するアンプが何をもってそういっているかというとNFBループが無いということです。

NFBループを有するアンプは例えばこの様にあらわされるアンプです。
amp-nfb-exp.png

三角の部分がアンプ回路でプリアンプでもパワーアンプでも通常3段の増幅段で構成されています。ここでR1とR2で構成されるのNFBループで最終段の出力から入力にNFBをかけています。この場合の最終利得Gは

G=1/(1/A+β)  ・・・(1) ただし、ここでβ=R2/(R1+R2)   ・・・(2)

で表されます。 ここでAはアンプ回路のNFB前のゲインで、トランジスタアンプでは100万倍くらいあります。Aがこれだけ大きいと1/Aがほとんどゼロになるので結果的にGは

G=(R1+R2)/R2  ・・・(3)

になります。この(3)式のすばらしいところは、ゲインGの式にAが入っていない事で、すなわちRの値だけでアンプのゲインが決まる事です。言い換えるとアンプ回路Aの直線性に例え20%の歪があったとしても、NFB後はその歪に影響される事が無いということです。その上”抵抗”というのはアンプを構成する部品の中でも最も完全な特性を示す素子で、歪も周波数特性も理想からのずれを検出する事ができないくらい優れたものです。

またこういう言い方もできます。結局、局所NFBとNFBループの違いは言い換えればNFBをかける回路上の幅の違いで、本質的に異なるものではありません。

したがってこのNFBループを使用しない手は無いのです。ただ気をつけることがあるとすれば、このNFBは回路規模の大きなところにわたってかけますので、基板設計や実装技術を考えないととんでもない結果になってしまう事もありえます。NFBアンプが嫌いという方はおそらくその失敗に基づいての事だと思うのですが、きちんと設計・製作すれば当然非常にいい結果が得られます(弊社のプリ、パワーはそういった考え方でいい結果を得ています)。

この変の詳細はまた別の機会に説明したいと思います。

ケーブルのインピーダンスはあわせてはいけません

今回はオーディオケーブルのインピーダンスについてお話します。

電気の事に詳しい方には当たり前の事ですが、オーディオケーブルに関していえばインピーダンス整合を考える必要はありません、というより合わせ様としてはいけません。

よく高周波用同軸ケーブルで50Ωとか75Ωのモノが市販されています。一方プリアンプでもマークレビンソン(弊社もそう)など出力インピーダンスが50Ωのものがあります。このアンプの出力インピーダンスとあわせるために50Ωの同軸ケーブルを使用する方がいるのですが、これはまったく意味がありません。そもそも50Ωの同軸ケーブルの特性インピーダンスが50Ωというのは数十MHzの電波帯での周波数の話で、音声帯域では50Ωよりずっと大きいのです。また仮に音声帯域で50Ωの特性インピーダンスのケーブルがあったとして(無理に作れたとして)、それをプリアンプに接続してはいけません。なぜなら50Ωというのはプリアンプにとっては駆動できないくらい低い負荷であり、確実に歪率が大幅に悪化するからです。
 
 いずれにしても、音声周波数領域ではケーブルの特性インピーダンスは考慮する必要がありませんし、考慮できません。そもそもケーブルの特性インピーダンスという概念は分布定数回路というところから出て来ています。オーディオケーブルの1-2mという長さは、音声帯域のケーブル中の波長に対してはるかに短いので集中定数として扱うべきなのでケーブルのインピーダンスという概念が出てきません。

ただし、スタジオとかPA設備の様に下手をするとケーブル長が100mにもなるような場合は別です。この場合は可聴帯域といえどもはインピーダンス整合も考慮しないと反射波あるいは定在波の影響を受ける恐れがあると思います(この辺の実情はよく知りませんが・・・)。

ついでに言えば、ケーブルの話ではありませんが、パッシブプリとして使用するアッテネーターに600Ωの物を使用している方がいらっしゃいますが、これもやめた方がいいです。600Ωという負荷はCDプレーヤーにとって非常に重い(抵抗が小さすぎる)負荷で通常のOPアンプ(CDプレーヤーのほとんどはOPアンプ出力です)では確実に歪率が悪化します。600Ω負荷を駆動できるOPアンプ(5532など)もありますが、こういったOPアンプは600Ω駆動を前提として設計してあるからで、むしろ珍しいのです。通常のOPアンプに600Ω負荷を接続すると特に高域の歪率が悪化して、CDの音がより硬く感じる様になると思います。

以上、電子工学科の出身の人には当たり前過ぎる話ですが、この辺を混同されていらっしゃるお客様もいらっしゃるので、念のため説明させていただきました。

デモ機はどこへ行った -ほんとうにあった怖い話-

弊社の営業形態は主にインターネットを通じた通信販売が中心です。
アンプ類の音質を確認したいという方にはデモ機の貸し出しという方法を取っています。

「お店に置いてないのか?」というお問い合わせもよく頂くのですが、お店を経由するとなるとお店のマージンもありますのでもう少し(というかかなり)価格を上げなくてはいけませんし、またそうなるとお店用のデモ機も何台も用意しなくてはいけません。こうなると現在の規模では結局お客様にとっても、弊社にとってもデメリットの方が多いので、基本的にアンプは直販という形をとっています。

さて、デモ機の貸し出しに戻りますが、最初は無償でやっていました(返送料のみの負担)。この頃は酷かったです。毎週立て続けにデモ機貸し出しの申し込みがあり、ほとんど間髪おかずに貸し出しをしていましたが、期限内に返ってこなかったり、天板が傷でギコギコになっていたり、何かの実験に使う人、はたまた分解する人まで出てきて・・・。そもそも無料とするとさして興味のない人も土日の暇つぶしに借りに来るので割に合いませんでした。
有償にしてから、申し込みも減りましたが、そもそも買う気のない方は申し込みされないのでまっとうな貸し出しになりました。

<返って来~いよ編>
そうはいっても、なかにはすごい事になったこともあります。今回は強烈な事件を紹介します。

ある日デモ機の申し込みの電話がありました。プリとパワーの両方です。何でも大型テレビにつなぐそうです。テレビにつないで悪いという事はありませんが、どちらかというとAV志向の方が弊社のアンプに興味を示されるのは珍しいのです。ほとんどはピュアオーディオの方なのですが。メールは使用しない(できない)という事なのでFAXでデモ機貸し出しの案内を差し上げました。直ぐに貸出料金を振り込まれてこられたので、プリアンプとパワーアンプをお送りしました。

ところが、返却期限を過ぎてもデモ機が返ってきません。連絡を取ろうとしてみましたが、電話をしてみましたが「電話が接続されていません」とのメッセージが。こうなると連絡のしようがありません。地元の警察にも相談し、内容証明でデモ機を返却するように文書を送付しました。この内容証明についても受取人不在とのことで、返送されてきました。
 
こうなるともうどうにもなりません。再度警察に相談したところ、現地に行って状況を確認して下さいとのこと(警察官の方は公務員様なのでなるべく自分では動かない様にもっていくのです)。また不在の場合、現地のアパートの管理会社に連絡して状況を確認した方が良いとのアドバイスもいただきました。早速現地へ行ってみた所、一応住居は実在したものの、もちろん不在、そもそも住んでいる気配がありません。(たまたま近県だから良かったようなものの、遠いところだったらどうすんだ)。隣の人に話を聞いたところ(こうなるともう刑事気分)、もともと時々しか帰って来ないがここのところ見ていないとのこと。

<返って来たよ編>
 ありゃりゃと思って住宅の管理会社に連絡してみた所、なんとその方”今、警察におつかまりになっていらっしゃる”とのことでした。なんでも同様の電話がその管理会社にひっきりなしにかかってきてうんざりしているとも言われました(そんな事いわれてもね~、こちらも被害者なんだから)。その逮捕されている警察というのは同県の少し離れたところにある警察でした。なんでもその方ゴルフ練習場の試打クラブなどを偽名で借りては転売する様な事をさんざん繰り返して、ついに”窃盗罪”の容疑で御用になられたとのことでした。
 警察の方がご本人に確認したところ、デモ機は確かに住居にあるとのことでした。本人は配送時にすでに逮捕されていたのですが、知り合いの人が変わりに受領していたとの事。こちらの製品と言えども、本人の了解なしに取り返せないそうで、警察の方から本人にデモ機を返送してよいかどうか確認していもらい(この確認だけで数日かかった)、最終的にその知り合いの方が弊社まで返送してくれました。文章にすると数行ですが、デモ機が返ってくるまでに結局1ヶ月かかりました。そもそもこの方が何の目的でデモ機を借りたのか、今でもよくわかりません。オーディオに特に興味がある風でもなく、かといって弊社の製品は転売しやすいものでもありません。

こういう例は特別でめったにある事ではないと思いますが、この事件の印象は強烈でした。100回に1回の話かもしれません。ただ機器貸し出しのルールは最悪の場合を想定して作らなければならないと思います。ほとんどの良識ある皆さんは迷惑になってしまうのですが、申し込みフォームに諸情報を記入いただいて、それ以外の貸し出し要望(例えば電話による申し込み)はお断りする事にしました。
将来的に常設の試聴室、ショールームなどを用意したいとは思っていますが、それまではご辛抱をお願いいたします。

NON-NFBアンプについて -その発想が理解できません-

無帰還アンプに対するオーディオデザインの考え方

<はじめに>
今回はいわゆるNON-NFBアンプ(無帰還アンプ)について考えて見ます。
時々NON-NFBアンプを作る予定はないのでしょうか?という問い合わせをいただくのですが、このNON-NFBアンプという考え方が私にはまったく理解できないのです(真空管アンプは別として)。

<NON−NFBアンプの歪率特性はこうなります>
その理由を説明するにはトランジスタアンプの回路を見ていただかなくてはいけません。

tr-amp2.png
この図は最も簡略化したトランジスタアンプの回路です。実際のアンプでは必ず(主に熱によるドリフトを抑制するために)差動アンプか対称型アンプ(NPNとPNPを+-で組み合わせた回路)を用いますが、上図の単体トランジスタ回路と動作は同じです。また実際にはベース(Bのところ)や、エミッタにも低い抵抗値の抵抗が入っていたりしますが、ここでは省略しています。

Vinに入った電圧がVoutで増幅されて取り出さされるわけですが、その関係は
Vout=Rc・Ic
になります。ここでIc=Is・[exp(K・Vin)-1]=Rc・Is・[exp(K)・exp(Vin)-1]という関係がある事が理論的にわかっています。
ここでKは定数(=q/KT≒40)Isも定数です。
したがって、
Vout=Rc・Is・[exp(K・Vin)-1]=Rc・Is・[exp(K)・exp(Vin)-1]
exp(Vin)-1>>1なので、
Vout∝exp(Vin)
と書けます。
expというのは指数関数です。
(文系の方にはもうここでちんぷんかんぷんかも…)
つまり出力電圧は入力電圧のexp(指数関数)として表されるのです。指数関数というのはxが増加するごとに一定の倍率で大きくなる関数で、言い換えるとxが大きくなると傾きが比例して大きくなるともいえます。図で示すとこんな感じです。

exp-function.gif
勢いのある曲線ですが、これがNON-NFBアンプの入力と出力の関係になるので、このままでは使い物になりません。

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ここで、一般に指数関数exp(x)をテイラー展開すると
exp(x)=1+x+(x・x)/2+(x・x・x)/6+(x・x・x・x)/24+…
≒1+x+0.5(x・x)+0.17(x・x・x)+0.042(x・x・x・x)+…
となります。(数学的にそうなるのです。)

今サイン波の入力があったとすると、
Vin=sin(ωt)
で表されるので出力電圧Voutは
exp(x)-1=sin(ωt)+sin(ωt)・sin(ωt)/2+……..
に比例する事になります。ここで加法定理
sin(ωt)・sin(ωt)=0.5(1-cos2ωt)などを使用して、3項までを整理すると
exp(x)=0.25+1.126sin(ωt)-0.25cos(2ωt)-0.042sin(3ωt)……..
となります。
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さらに指数関数の性質から歪率を算出してみると(計算の過程は上の点線内の小さい字をご覧下さい)、第2高調波成分が25%、第3高調波が4%、第4高調波が1%だけ原理的に混ざるという結果が導き出されます。これがいわゆるNON-NFBアンプの元々の歪率特性になります。
途中の小さい文字で書いた式は理解する必要はありませんが。ただすべてのトランジスタアンプがほんとうに無帰還だとこれだけの歪を発生する可能性があるという結論だけ覚えて置いて下さい。
ただし、実際の回路ではたとえエミッタに抵抗をつないでいなくてもトランジスタの内部抵抗がありますので、ここまで歪率は悪くはなりません(特に小信号時には)。

トランジスタにはもともと、入力電流に比例したコレクタ電流が流れるという性質(良好な直線性)があります。にもかかわらず、実際の回路ではなぜここまで歪率悪くなるかというと、ベースの入力抵抗が入力電流の増加とともに指数関数的に小さくなるという性質(非直線性)があるので、増幅回路としては歪が大きくなるのです。
この回路にエミッタ抵抗、ベース抵抗を接続した場合には、小信号時には抵抗が一定とみなせるので、歪率は小さくなりますが、それでも1V出力で10%くらいの歪率にはなりますので、やはり使い物になりません。

<より一般的にこの結果を拡張すると・・・>
トランジスタと違って真空管の場合は2乗特性といって原理的に特性が異なるのと、電極構造を工夫して直線性をもっとよくできますので、無帰還アンプといえども良いものでは一桁少ない歪率が実現できます。

ところがトランジスタアンプの場合はどの様な型番の素子を持ってきてもこうなってしまうので、素(無帰還時)の特性はこんなにひどいのです。なので無帰還の状態ではアンプとしてまったく使用できません。(ちなみにFETの場合はむしろ真空管に近いので、これとは少々事情が異なります。)

この素のトランジスタアンプにNFBを60dBかければ、歪率は1/1000になります。それでやっとというか、立派に使い物になるのです。弊社のプリアンプパワーアンプではDCから超高域まで安定にNFBをかけるために(特にパワーアンプでは)相当のリソースを割いています。

<ほんとはこうなんです(たぶん)>
ところで、いわゆる「NON-NFBアンプ」と称しているアンプも(ほとんどすべてに)実際にはNFBがかかっています(そもそもNFBがかかっていないと使い物になりません)。それでは何をもってNON-NFBアンプと呼んでいるかというと正確にはNON-NFBループ・アンプなのです。

「NON-NFBループ・アンプって何?」といわれるとさらに回路図を描いて説明しなければなりません。長くなったのでこの説明はまた次に。