OSCと矩形波変換回路にまつわるトラブル覚え書き2021年01月16日 20時30分58秒

ことの発端は、DDCが不調となって盛大にノイズを発生するという現象(最近のはやりのことばなら事象と言うべきか)から始まった。不具合を引き起こすようなきっかけが明確であれば対策もしやすいのだが、今回はまったく思いつかない。とにかくある日突然にゲリラのごとく出没し、おおいにとまどった。

まず最初に疑ったのがOSCの発振停止。しかしオシロスコープをつなぐと、いつもきれいな正弦波が見えて、これはシロとなる。(これが罠であることが後で判明する)

次に疑ったのが定電圧回路。出力の波形を観測すると、100Hzののこぎり波が見えて、確かになにか不具合がある。これを機会に、制御素子をDN2540からGS66502Bに入れ替えた。しかしそれでもDDCの不具合は起きる。これも直接の原因ではなかった。

いつものようにここで迷路にはまり、すったもんだしてやっと真の原因にたどり着いたときには、調査開始から数週間が経過していた。

長い話を短くすれば、原因はOSCの発振停止だった。OSCの出力は、SMAケーブルを経由して矩形波変改回路のLTC6957に入力される。このときOSCは負荷(LTC6957)の影響を受けるのだが、ずっと正常動作していたので、なにも問題がないと思っていた。

しかしOSCが時間経過とともに微妙に特性が変化して、最適動作点が移動し、その結果発振停止に至ったものと推測。ちなみに50Ωターミネータでは安定して発振するので、OSCだけをオシロスコープで見たとき、原因がつかめなかったわけである。電源が入っていないLTC6957でも問題が起きないのだが、電源を入れたとたんに不安定になる。

再度OSCの調整をし直したところ、動作が安定した。いまはその状態でフタを閉じている。しかしいつかまた再発するだろう。恒久対策を施す必要がある。

こういうことに関しては高周波屋さんが詳しい。「トロダル・コア活用百科」を開くと、OSCが負荷の影響を受けにくくするために、例えば3dBのパッド入れることが明記されている。そうだったのか。調べると秋月電子でも売られている。後で買っておこう。

ということで原因は特定できたのだが、試行錯誤の途上で大きな発見があった。LTC6957の出力についてである。データシートには次のような回路が掲載されている。(画像はデータシートから)
これを見ると出力はなにもターミネートされず、そのままDDCの外部クロック端子につないでよいかのように解釈できる。それでそのとおりにしていた。

しかし今回の不具合調査をしているうちに、もしかしてこれも関係があるかもしれないとの仮説を立て、91Ωでターミネートしてみた。これがその様子。丸印で囲んだところ。
結論から言えば、これは不具合には関係がなかった。しかし、出力波形は、前回の記事にあるとおりにオーバーシュートやアンダーシュートはほとんどなくなり美しい波形に大きく改善され、音も大きく変わった。これまで発振回路ばかりに注力していたけれど、矩形波変換回路がここまで音に影響するのかと今更ながら驚くとともに、オーディオの奥の深さを思い知った。

矩形波変換(LTC6957)の出力波形2021年01月14日 22時23分42秒

励磁型スピーカー用電源の製作がなかなかはかどらない。理由は、ここにきていろいろな不具合が発生して、その対処に追われていたから。ただ、禍転じて福となるとのことわざにあるように、トラブルシューティングをしているときに、予想外の進展があって、音が大きく改善された。その顛末はまた後で書くことにして、まずは写真を見ていただく。

これは、Laptech水晶を使ったOSCの正弦波を矩形波変換するLTC6957の出力(対策前)である。ただし、使っているオシロスコープとプローブの限界から、立ち上がりがなまっている。大きなオーバーシュートやリンギングが発生していることが見て取れる。
これが今回の対策(後述)で次のようになった。
恥ずかしながら、これまでどんなに努力してもこれほどきれいな矩形波を得ることはできなかった。それがいとも簡単に出てきたときには思わずうなってしまった。

そして出てきた音を聴いたときには、今度は思わず声が出た。いつも厳しい批評をする妻が「音が良くなったね」とおっしゃってくれたことから(涙)、いちおう客観性がある結果であることは間違いないだろう。

いったい何をしたらこうなったのか。それは次の記事で。

試作12号 その6(水晶発振子 4個シリーズ接続)2020年11月16日 13時38分55秒

対策後の出力をしっかり観測しておく。
まずはオシロスコープの波形。
回路は、11月12日に掲載したものと同じ。それなのに出力電圧が大きくなっている。はっきりした理由は不明だが、実装の違いによる影響と推測される。恐るべし高周波.

続いて発振周波数の近傍に分布するスプリアスの様子。詳しい人ならばいろいろと意見を言うことができるだろう。

続いて高調波の様子。前回、同じ回路で測定したときは二次までしか観測されなかったのに、今回は三次まで写っている。ただ、高調波の観測は難しくて、測定条件を変えるところころ変化する。このあたりのノウハウはまだよくわかっていない。
ちなみに高調波のレベルは以下の通り。

1次   +0.6dBm
2次   -47dBm
3次   -54dBm

前回ほどには低ひずみ率とはいかなかった。調整中、バリコンをちょっとでも動かすとどんどん変わってしまう。低ひずみ率であれば低位相雑音であるのか、そこあたりの相関まではつかめていない。そもそも調整があまりにもクリティカルなので、安定した発振状態を確保するのが精一杯であった。

続いてSpanが1KHzのときの波形。位相雑音が小さくなれば、中心周波数近傍のピークは鋭くなるはず。しかし使っているスペアナ(HP 8560A)の測定限界で、これ以上は観測不能である。

もっとも知りたかったのは、中心周波数の左右にあった側帯波が消えているかどうかである。ご覧の通りほとんど見えなくなっている。対策が功を奏し、仮説の正しかったことが証明された。ただし完全に消えたかと言えば微妙である。中心周波数から左右100Hzのところに若干残っているように見える。これを完全に消すには実装方法をさらに追い込む必要がある。ただ、私にはこのあたりが限界。

最後に、実装状態。
当初、増幅基板をアルミボックスに固定する予定であったが、まだ実施していない。前回までは、ポリエステル布を間に挟んで緩衝材としたのを、今回はαゲルに置き換えた。
おもしろいことに、対策前はアルミボックスに基板を近づけると動作不良となったのが、対策後はアルミボックスから基板を離すと発振が停止するようになった。Qがブロードにはならないので、対策の方向性は合っていると思われる。

調整について。
前述の通り、調整は非常にクリティカルで、バリコンをもっと小さな容量にしないとこれ以上追い込むことは困難であろう。

予想していたことではあるが寄生容量の影響を非常に受けやすくなった。スペアナで観測しながらシャーシのフタをすると、発振周波数のピークが移動するので、再度ピークのスキャンをかけなければならない。

驚いたのは、バリコンにセラミック製の調整用ドライバーを近づけてもドリフトしてしまったこと。これにはまいった。ドライバーを離したときの状態を予測しながら調整するのだから、ほとんど勘の世界である。

根本的な対策としては、ゼロから実装方法を見直すしかない。そこに待っているのは、HPのスペアナの構造に見るような、部品や基板、そしてケーブルさえも非常にリジッドに固定されて、厳しくシールドされている、「超」の字がつくような世界であろう。

そんなわけで、この発振器をつくるにはオシロスコープだけでは難しく、スペアナは必須。それだけでハードルはかなり高くなる。追試する方がいるとは思えない。
ただ、発振器はプロの世界と思ってこれまで敬遠していたけれど、アマチュアでもやる気さえあればここまでできるということを知ったことは非常に有意義であった。

壊れている中古のスペアナを買ったときは、まるで清水の舞台から飛び降りる気持ちであったが、今は買って本当によかったと思う。
それからもう一つ、優れた性能を有するLaptechの水晶発振子を個人的に購入できたことも幸運だった。これを紹介してくださったdiyAudioのandrea_moriさんに感謝したい。

試作12号 その5(水晶発振子 4個シリーズ接続)2020年11月16日 09時31分54秒

前回(11月12日報)の記事で、スパン1KHzで観測したときに中心周波数の左右に側帯波があることを書いた。なぜこれが出てしまうのか。当初は、水晶発振子の励振レベルが大きいためと推測していた。結果から言えば、これは誤りであった。
なので、これまでの記事で「励振レベルが大きいため」と書いてあるところはすべて削除訂正する。

当初、この仮説が正しいという前提で増幅回路の定数、特にWE404Aの第二グリッド(SG)の抵抗と、カソード抵抗の値をいろいろ変更してみた。ところが、発振するぎりぎりのところまでレベルを落としても、側帯波は依然として残ったままで変わらない。これはおかしい。この間、費やした時間は二日。

私のような人間は、追い詰められないと物事の本質に近づくことができない。万事休すというときに、ふと思いついたのが水晶発振子と増幅回路を結ぶリード線のことである。

リード線の処理の仕方、特に二本のリード線を近づけるとQが極端にブロードになって発振器として機能しなくなることは、すでに書いた。それでこれまでは、ふたつのリード線の間隔をできるだけ開けるように配置して対応してきた。
それからもう一つ気にかかっていた現象がある。増幅基板を固定しようとして発振子を収納したアルミボックスとの間隔を数mm程度まで近づけようとすると、Qがブロードになってしまうこと。これも、基板を固定せずにボックスとの間隔をあけることで現象を回避した。下の写真がそれ。

ここに何か重大な見落としがあるのではないか。結論から言おう。発振子を収納しているアルミボックスのグランドの取り方に問題があった。これまでは、増幅基板とは別ルートでシャーシにアースとして落としていた。DCを含むオーディオ周波数領域ではこれでよい。しかし高周波という視点から見るとまったく不適切で、増幅基板から見ればグランドが浮いているのと等価である。その結果、アルミボックスと基板の間に寄生容量が発生し、これがなにか悪さをしているのではないか。新たに立てた仮説がこれ。

対策は簡単。発振子のグランドのリード線を最短でアルミボックスに接続し、そこから増幅基板のグランドを最短で結ぶ。対策前は、アルミボックスに落とさずに、発振子と増幅基板を直接結んでいた。
写真の説明  銅箔がグランド線。ボックスにあけた穴は、中に入れがグリーンカーボランダムがこぼれてこないようガラステープでふさいでいる。

結果は次の欄で。

試作12号 その4(水晶発振子 4個シリーズ接続)2020年11月12日 21時55分52秒

調整はかなりセンシティブで、Qが高くなっていることが肌でわかる。
余談であるが、調整用ドライバーは写真にあるセラミック製ものを使った。これを入手した経緯は偶然である。妻の友人が30年近く住んだ家から引っ越しすることになり、妻が荷物の片付けを手伝っていたとき、そこの家のご主人が「もう使わないから」と言ってくださった工具箱から出てきたもの。欲しいと思っていたものがこんな風に手に入るとは、実に不思議である。物事が一気に進むときには、こんなことも起こるのだろうか。
さて肝心の出力波形である。今回はよく確認しておく。
まずはオシロスコープの観測波形から。
非常に美しい正弦波である

次にスペアナ波形。1MHzスパンでは側帯波は全く見えなかったので省略。
しかしスパンを1KHzにしたとき、次のような波形となった。中心周波数の左右に「側帯波」が見える。これが音にどう影響するか。

そして最後に10MHzから300MHzまでスパンさせたときの基本波と高調波の様子。これを見たときは驚いた。一次波と二次波は見えても、三次以降がまったく観測されない。何かの間違いかと思って、三次波(135MHz付近)をスパンさせて目をこらしてみたが、ノイズ以外は何も見えなかった。
マーカーでピーク値を測定してみると、一次波と二次波の相対差は70dBmで、これをもとに計算するとひずみ率は0.03%だった。ほかの発振器の性能がどうなのか詳しくないが、かなり低い値であることは確かだろう。

さて、音はどうなったか。
試作11号機から大幅な進化を遂げた。
耳に聞こえないような空気の動きさえも感じ取れる。よく「重心が低い音」とか、「よく沈み込んだ音」という表現がある。しかし、これは全くふさわしくない。コントラバスを生で聴いて、「重心が低い音」と言う人はいないだろう。出てくる音が自然の音により近くなったのだからもはやそのようは形容ができないわけである。とにかく何を聴いても新鮮で、楽器の姿形はもとより、演奏者と演奏者の間、ホールの空間、すべてがまるで目に見えるかのように判別できる。まさかここまで変化するとは、作った本人が驚いた。とにかく何を聴いても楽しい。音が身体にしみわたる。

もう一つ。いままでスピーカーのせいで低音がこもっていたのかと思っていたら、実は発振器のせいであったことがわかった。

この音を聴いていたら、アンプを作る意欲がますます湧かなくなった。オーディオ全体で見ると、アンプで変わるのはごくわずかでしかなく、結局全体の品位を決定づけているのは発振器ではないのか。
これまでDACによる音の違いを追求していたときもあったが、それも興味がなくなってしまった。DACを比較するなら発振器の性能まで含めなければほとんど意味がないと思うようになったからである。
今回のことは、私のオーディオ人生の中でかなり大きな事件となったようである。