ヘッドホンアンプ・プラスアルファ ＃1 VUメータ(LM3915)

ヘッドホンアンプ・プラスアルファのシステム

ポータブルな自作ヘッドホンアンプではChuMoyヘッドホンアンプが人気です。 ChuMoy氏のヘッドホンアンプのページ サイト：HeadWize →Library →Projects →A Pocket Headphone Amplifier 私はこれを、「ポータブルな」というより「小さな」ヘッドホンアンプのつもりで作ることにしました。持ち運びを考えないなら「プラスアルファ」の機能を付けたくなります。ACアダプタを使うこともできます。 そこで、こんなシステムを考えてみました。 ヘッドホンアンプ ChuMoyヘッドホンアンプです。OPアンプにNJM4580DDを使います（特に理由なし）。 電源部 両電源が必要なので、OPアンプLM358を使ってレールスプリッタを作ります。 各ICの動作電圧は、LM3915が3V以上、NJM4580DDが+-2V以上、イコライザが7.5V以上です。 乾電池006P(9V)で動かすなら、システム全体で2個使うことになりそうです。 ACアダプタで動かすなら、12V 1個で出来ないか検討中です。 VUメータ LM3915/LM3916とLEDアレイによるVUメータ（オーディオレベルメータ）を付けます。 ヘッドホンアンプとは別にVUメータ用のアンプが必要になります。ヘッドホンアンプの回路と共有することはできません。ヘッドホンのボリューム調節によってVUメータの振れ幅まで変わってはいけないからです。これらは独立した回路になります。 アンプには電源部のLM358で空いてる1回路を使い、1ch（モノラル）のVUメータとします。 イコライザ 面白そうだと思って以前購入したイコライザICがあったので、ここで投入します。 このイコライザICにはプリセットが4パターンあって、マイコンで切り替えることができます。 マイコンを使うならLCDモジュール（液晶ディスプレイ）にプリセット名を表示することができます。 また、「AVR ATtiny2313 レベルメータードライバー 10LED/5LED VU/3dB」ではマイコンでVUメータを作りました。上位のマイコンを使えばLCDモジュールの制御までできます。いっそのこと、LCDモジュールにVUメータを表示するとこまでやってもいいかもしれません（計画中）。

本システムについて

写真はヘッドホンアンプとVUメータ。第1段階のシステム完成です。基板には仕上げず作業完了とします。ここからまだイコライザを追加したり、LCDモジュールを試したりするので。 銀色の機器はmp3プレイヤーです。イヤホンで聞く分には、ボリューム30段階中15〜17で自分には丁度よい音量が得られます。この音量で手持ちのヘッドホンを繋げると、やや小さな音になります。ボリュームを20〜22にすると満足な音量が得られますが、そのままうっかりイヤホンに付け替えると大音量で耳が大変なことになります。 この手の機器は操作ボタンが小さく、また操作が素直ではないので、音量調節が面倒くさいです。できれば操作したくありません。こんなとき、まさにヘッドホンアンプが役に立ちます。 小さなボディでボタンは少なめ。これに多機能を持たせるので1つのボタンの使い方が複雑になります。例えば同じボタンに対して、長押しで電源on/off、短押しで一時停止／再生、といった具合に。音量調節もこの調子で、モード変更ボタンを長押しした後にボタンの右側を押してー左側を押してー、といった複雑で面倒な操作が要求されます。 そんなわけでこのmp3プレイヤーは、開発実験用としては最適な機器でした。おかげで本システムの完成度は、PCで音楽再生して実験するよりも高まったと思います。 本システムの利用シーン このシステムを作ったらどう利用するか。まず、部屋の中で利用することを想定しています。 ポータブルCDプレイヤーやmp3プレイヤーに使うのはもちろんOKです。 PCで音楽を聴いている場合はどうでしょうか？ ノートPCやネットブックならヘッドホンアンプの出番がありそうです。 しかしPCにはVUメータ付きのプレイヤーソフトが沢山あり、イコライザもドライバ（アプリ）に何パターンも付いています。本システムのヘッドホンアンプ機能しか利用価値がないかもしれません。 イコライザ（PCソフト）の例 ではゲーム機はどうでしょうか？　特に携帯型ゲーム機に向いていると思うのですが。 携帯型ゲーム機はポータブル音楽プレイヤーと同類の機器と言えます。 ヘッドホンで音声を聞くときはゲーム機に直結していると思います。そこで本システムの出番です。 ゲーム中の音声やミュージックプレイヤーの音楽をヘッドホンで聞きながら、VUメータやイコライザの機能を手元で使えたら便利そうです。 据え置き型ゲーム機はすでに何らかのオーディオ機器に接続し、ヘッドホンもそこにつないでいると思います。もし音声出力をテレビに直結しているような環境なら、本システムの利用価値はあります。

回路と部品の説明

本システムの回路図はこちら。(1000x750) 私は音質にこだわらないので、電子工作ファンの視点で回路や部品について説明します。 電源部（回路図：右上） OPアンプLM358を1回路使ってレールスプリッタを構成します。 LM358でなくともOPアンプなら何でもよいです。TLE2426を持っているならそれを使ってください。 VCCが正電源の出力端子、VEEが負電源の出力端子です。 また、仮想GNDが作られます。図中のGND記号は全て仮想GNDにつなげます。 単電源を分圧する抵抗R1,R2は、オリジナルのChuMoyヘッドホンアンプと同じく4.7kΩです。 通常のカーボン被膜抵抗（誤差5％品）でよいです。4.7kΩであることよりも、R1,R2がピッタリ同じ値であることが重要です。1袋100個入りなどでまとめ買いしてあるなら、いくつかテスターで測定し、同じ値の物を2個選んでください。例として、私の場合はR1,R2とも4.61kΩです。 R1,R2の代わりに10kΩの半固定抵抗を1個使い、5kΩずつになるよう調節してもよいでしょう。 電源電圧を平滑化する電解コンデンサC1は220uF〜470uFくらいで適当に。 D3のLEDはパイロットランプです。ACアダプタ 9〜15Vを想定して電流制限抵抗R15=1kΩです。 電源を乾電池とACアダプタの両用にする場合は、回路図内の差し替え図を参考にしてください。 乾電池を繋げたままでも、ACアダプタのプラグを差し込むと自動的に切り替わります。 逆に言うと、DCJ1にはそのようなDCジャックを使う必要がある、ということです。 本システムで電圧の定格が一番低いICはLM3915で、25Vです。ACアダプタを使う場合は15V程度までにしましょう。24VのACアダプタが余ってるからといって本システムに使ったらダメ。 回路の内容から言って、9Vか12Vで十分です。 ヘッドホンアンプ部（回路図：左中） オリジナルのChuMoyヘッドホンアンプでは入力インピーダンスの抵抗R3,R6は100kΩです。 それはOPA134がJ-FET入力のOPアンプだからです。本システムではバイポーラ型のOPアンプ(NJM4580DD)を使っているので、低めの10kΩにしました。 J-FET/CMOSのOPアンプは入力インピーダンスを高くして使います。バイポーラ型は低くして使います。 それに伴い、カップリングコンデンサC2,C3の値も2.2uFに変更しています。RとCで形成されるハイパスフィルタのカットオフ周波数が20Hz未満になる値です（可聴域に被らない値。f=1/2πRC）。 バイポーラ型のOPアンプでは「2.2uFと10kΩ」「10uFと10kΩ」をよく見かける気がします。 オーディオ工作ではC2,C3にはフィルムコンデンサを使うのがよいそうですが、数uFの容量ともなると物理的に大きく、価格も高価です（1個数百円）。 代わりとして小型で安価な電解コンデンサ、とりわけ無極性電解コンデンサがよく使われます。 しかもわざわざオーディオ用のものがあります。本システムではそれを使いました。 通常の+-極性がある電解コンデンサも使えます。その場合、+側をOPアンプに配線します。 R3〜R8は金属皮膜抵抗にします。誤差1％品で左右音声の特性をなるべく揃えるということと、カーボン皮膜抵抗に比べてノイズの影響を受けにくいという理由です。 オーディオ工作としては当然の部品選びですが、単に電子工作として見るならカーボン皮膜抵抗でよいです。 オリジナルのChuMoyヘッドホンアンプでは、OPアンプの出力後にオプションとして50Ω程度の抵抗を入れています。これについて「A Pocket Headphone Amplifier」の図の説明文と、さらに下の方、 「Appendix 1: Tweaking the Amp for Low Impedance Headphones」に詳細が書いてあります。 その説明により、本システムではこの抵抗を省略しています。レールスプリッタを使った電源なので。 音声入力のボリュームVR1は2連のAカーブです。 R3〜R8の抵抗にこだわってもボリュームの段階で左右音声に差が出たら意味がないのでは？　という疑問はもっともです。ギャングエラーと言うそうです。高価になりますが、左右チャンネルのズレが特に小さい2連ボリュームもあるので、こだわり派の人はそちらを検討してください。 ヘッドホンジャックPHJ1,PHJ2は、記号では一応Lチャンネル/Rチャンネルの区別が付きますが、アンプ回路はどちらも全く同じなのでL/Rを意識する必要はありません。入出力でL/Rあべこべにつながないことだけ注意すればよいです。 VUメータのアンプ部（回路図：左下） 音声信号は微弱なので、VUメータが十分振れるほどの大きさまで増幅し、VUメータ部へ渡します。 その流れを4つの部分A〜Dに分けて説明します。 (A) モノラル化 図をクリックで拡大 電源部でOPアンプが1回路空いているので、これを利用したくて1chのVUメータとしました。 そのため、ここでステレオ音声をモノラルにします。 ［下図・左］ モノラル化するとき左右音声の配線をただ繋げるだけだと、合流してモノラルになったあと、左右音声はそれぞれさらに先へ流れて、ヘッドホンアンプ部まで伝わってしまいます。 つまりステレオで入力した音声が、ヘッドホンからモノラルで聞こえてしまいます。 音声信号がモノラル化された後、ヘッドホンアンプ部まで行かないような工夫が必要です。 ［下図・右］ モノラル化の手前、左右音声それぞれに抵抗を入れます。 この状態で音声Rの流れを見てみます。入力された音声Rはヘッドホンアンプ側とVUメータ側に分岐します。VUメータ側は抵抗を通り、モノラル化の線へ流れます。またそこでも分岐して、今度は音声L側の抵抗を通ります。ここまでで音声Rの信号は2個の抵抗を通り、強さ（電圧）が減衰しているので、ヘッドホンアンプ部のL側まで伝わりません。 同様に音声Lの入力も、2個の抵抗を通り、減衰し、ヘッドホンアンプ部のR側まで伝わりません。 このようにして、ヘッドホンアンプ部のステレオ音声を保ちつつ、VUメータ部へはモノラル化した音声信号を渡すことができます。 回路図の抵抗R9,R10が上記説明の抵抗です。試行錯誤の末、1kΩにしました。 開発環境では入力音声が5〜6mV(*)、これは合計2kΩの抵抗で十分減衰され、左右の音声が混ざっている感じはしませんでした。試しにR9,R10を470Ωにすると（合計1kΩ弱）、左右の音声が微妙に混ざっていることが耳で聞いて分かりました。 (*)…テスターの分解能的に、音声の周波数では正確な測定ができません。実際はもっと大きな値だと思います。 抵抗R9,R10を大きくするほどヘッドホンアンプ部のステレオ状態を確保することができます。 その代わりVUメータ部へ流れる信号（モノラル化された音声信号）が小さくなります。 ただでさえ微弱な信号がさらに小さくなると、アンプの力を持ってしても十分に増幅できません。 その辺のバランスを考慮して抵抗R9,R10の値を決めます。 (B) カップリング 後に続くOPアンプはLM358、バイポーラ型のOPアンプです。よってヘッドホンアンプ部と同様、カップリングコンデンサC4は2.2uF、ハイパスフィルタを形成する抵抗R11は10kΩにしました。 C4は一般的な電解コンデンサです。+側をOPアンプに配線します。 (C) 増幅と整流 図をクリックで拡大 (A)の説明で出した図と同じです。 OPアンプで理想ダイオード・兼・反転増幅回路を構成しています。 非反転型の理想ダイオードでは増幅機能を兼ねることができないので反転型にしました。 OPアンプの入力端子の+-に注意してください。+側が接地です。 出力信号を半波整流（波形の負の成分をカット）することでVUメータのLEDの明るさが稼げます。 ダイオードは汎用の小信号用を使います。検波用ダイオードである必要はありません。 帰還抵抗VR2を半固定抵抗にして増幅率を変更できるようにします。 これはVUメータの振れ幅を調節することになります。 LM3915のLEDを全点灯させるには、一番小さい電圧で使う場合でも1.2V必要です。 入力信号5〜6mVを1.2Vにするとなると、OPアンプの増幅率は200〜250倍になります。 よってVR2は、ツマミを中立前後の位置で調節できるよう500kΩにしました。 増幅率は入力抵抗R12と帰還抵抗VR2で決まります。大抵の場合、入力抵抗は数kΩ、帰還抵抗は数百kΩまで、増幅率は数百倍程度までを目安に設計するようです。 R12=1kΩ、VR2（の中点）=250kΩは、まぁなんとか収まった、といったところです。 音楽再生機器がもっと大きな音声信号を入力してくれるなら、増幅率は小さくてよいことになります。 上記の「入力信号5〜6mV」「増幅率200〜250倍」は一例として見てください。 【参考】ショットキバリアダイオードを使う方法 OPアンプで非反転増幅回路を構成し、ショットキバリアダイオードで半波整流します。普通はOPアンプの出力直後にダイオードを入れますが、帰還ループの外に出した方がLEDのちらつきが少なく見やすかったので、その形で紹介します。 開発終盤までこの回路で動かしていました。最終的には理想ダイオードの回路に変えました。ショットキバリアダイオードの電圧降下は0.3Vで確かに小さいですが、理想ダイオードでは0Vです。ごく小さな音の時、LEDが点灯するかしないかで違いが確認できました。 (D) 平滑化 半波整流された波形を平滑化します。VUメータがシャバシャバせず滑らかに動くようになります。 電解コンデンサC5の-側は仮想GNDではなくVEEに配線することに注意してください。仮想GNDに配線すると急激な電圧変化のとき（ドン！ドン！と大きな音が出るとき）、音声にノイズが混ざります。 電解コンデンサC5と抵抗R13によってLED点灯の俊敏さが変わります。好みの光り方になるよう、試しながら適当な値に変えてください。主にコンデンサの容量が影響します。抵抗で微調整します。 例えば10uFと10kΩだとゆっくり落ち着いた光り方です。1uFだと素早く反応します。 VUメータ部（回路図：右下） このサイトでお馴染みの回路です。今回は「LM3914/LM3915/LM3916と両電源、仮想GNDとレールスプリッタ」の結果より、LM3915のV-端子をVEEに配線しています。仮想GNDにではありません。 なおVUメータとして、より適切なのはLM3916です。手に入るならそちらをお勧めします。 本システムは自分から近いところに置いて使うと思います。LEDが眩しいと目障りなので、やや暗めにR14=10kΩとしました。好みに合わせて1k〜10kΩで適当に変えてください（小さいほど明るい）。 蛇足ですが…　LEDを10個も光らせる機器なので、ここで消費電力を気にしても仕方ないと思います。 LEDアレイは例えばB-1000M（緑緑緑緑緑黄黄黄赤赤）を使います。この場合、回路図通りの向きで配線すると色の並びが逆順になります。ケーブルで反転させて配線してください（ねじる）。 単色のLEDアレイ（B-1000SR[赤10個]、など）の場合は向きを気にしなくてよいです。 LEDアレイを使わず、バラバラのLEDを10個並べても構いません。

部品について（補足）