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Ucdの独自カスタマイズについて – その2

今回は電源の音質への影響についての内容です。

電源による音質への影響はよく言われている内容なのですが、開発を進めていくと電源が当初想像していたよりもはるかに大きな影響を与えていることがわかります。その理由を考えてみるとすべてのアナログ信号は電圧によって表現されており、グラウンドや電源電圧の変動は間接的に信号自体の変動へとつながります。ですから電源回路の重要性の高さは信号回路と比較して決して劣ることない理由も伺えるかと思います。ですから理想的には電源は信号と全く同じレベルの慎重な対策を行うべきでしょう。

電源の変動を直接制御するのは電源回路の役割です。その電源回路に一般グレードのICを使うことは音質への対策として全く不十分であると逢瀬では結論づけました。そのため逢瀬のラインナップでは独自の電源回路Refine Unitを必ず搭載することにしています。

「Refine Unit」について

Ucdのデフォルト状態ではオンボードにある簡易電源回路によるレギュレータがバッファアンプの電源を供給しています。逢瀬ではこのレギュレータによる音質に与える影響が大きいと判断しています。特にスイッチング電源を使用した場合に劣化が顕著であり、デフォルトのレギュレータにスイッチング電源を組み合わせると大きく音質が損なわれてしまいます。具体的には高域が荒くなり繊細な表現が大雑把に感じられてしまいます。これらは質の劣るクラスDアンプの特徴でありわざわざUcdを使う意義がありません。

そこでWATERFALL Compactではそのような劣化を防ぐために独自のレギュレータである「Refine Unit」を独自の基板上に搭載しディスクリートバッファアンプと組み合わせることにしました。これによりスイッチング電源と組み合わせた場合であっても音質の劣化はトランス電源と比べはるかに減少し、結果としてトランス電源と同レベルといえる音質を確保しています。(トランス電源とスイッチング電源の音質傾向は厳密には異なるので完全な優劣にはなりませんが)

Refine Unit自体はICオペアンプをエラーアンプとして使用したハイゲインのレギュレータとなります。その基準電圧はローノイズ電圧リファレンスであり、ICオペアンプはこの基準電圧をもとに出力電圧を常に監視し、その高精度エラー訂正能力によって電圧を常に理想状態に保ちます。その性能はICオペアンプと基準電圧の品質が肝となります。ICオペアンプを使用することにより単なるローノイズ電源というだけでなく変動を強力に押さえに行く動作が特徴です。

しかし回路技術以外に重要となってくるのは、電源回路に使うパーツの組み合わせによって実際の音が大きく変化してしまうという点です。これは単なる性能だけで測れる部分ではなく、耳によるテストと選別が必須です。実際Spiceなどの回路シミュレータで電源回路の性能を検証すると十分な性能というのは比較的容易に達成出来ますが(下の図1、図2はその結果)、シミュレーションと実際では大分異なる部分も多いですし、音質的には単なる基準や目安にしかならないということになります。耳での評価になるとそのままの理屈だけの回路では音質的に素晴らしいものであるとは断言出来ません。もちろん三端子レギュレータ等と比較すれば十分高音質と言える領域にはあるのですが、更にここからパーツの組み合わせや定数を吟味することが必要で、それによって更に「逢瀬らしい個性を乗せた高音質」とすることが重要だと考えています。

このディスクリートアンプ+Refine Unitの搭載によりUcdの本来の音質を取り戻し、さらに逢瀬の個性を乗せたクラスDアンプ。それがWATERFALL Compactとなります。


図1.単段レギュレータによるノイズ除去シミュレーション結果


図2.多段レギュレータ+フィルタによるノイズ除去シミュレーション結果

 

ジッター対策の話 その1

今となっては広く知られた事項となり今更特筆すべき事ではないかもしれませんが、ジッターとは決してオカルトではありません。踏み込んでいくと大変難しい話なのですが、オーディオで簡単にいえばデジタルからアナログへの変換の際に基準タイミングのズレが波形の乱れ=音質変化につながります。全く同じデジタルデータであってもクロックにジッターが多い=タイミングがずれる、これによってオリジナルとは別の波形が再生されてしまうわけです。といっても文章で事例を具体的に説明するのは難しいです。個人的にわかりやすいと思った説明ページがありましたのでこちらを参照ください。(よくわかっている方は飛ばしてください)

新人エンジニアの赤面ブログ 『 なぜ Jitter に注意しなくてはならないのか? 』

デジタルからアナログへの変換の場合、このようなジッターの少ない基準クロックを用意することが音質にとって重要ということです。実際にクロックの扱い一つで実際の再生スペクトルに影響があります。

ところでオーディオでは一時期クロックの周波数確度=ppmスペックの高さを重要視する流れがあったと思います。しかし音質のためにはこのppmスペックだけ確保すれば良いというものではありません。上記のような波形そのものに影響するのはppmではなくジッター(ps)であり、オーディオで重要になるスペックはこちらだと逢瀬では考えています。これについても次のリンクを参照いただけたらと思います。

新人エンジニアの赤面ブログ 『クロック信号の精度表記について』

周波数確度ppmとは音楽で言えば音程のズレに関する指標です。この精度が悪いならば音程が微妙にずれてしまうというわけです。対してジッターは上側のリンクの画像にあるような波形単位の乱れに直結します。こちらは音程ではなく音質の変化です。ですからオーディオの設計においてはジッターの低さこそが音質のためには重要であって、周波数精度については通常の精度があれば十分でありオーディオにおいて最重要課題ではないと判断しています。厳密な音程は一流のクラシック含めた伝統的音楽の奏者ならば非常に微細な音程の違いに敏感かもしれませんが、一般人にとっては無縁な世界だと思います。

もちろん逢瀬ではクロックについても当然気を配っています。上記の事項を基本とし周波数確度ppmよりも低ジッターであることを優先したクロック(jitter RMS 0.5ps typ)を使いデジタル再生に必要とされる低ジッター特性を確保しています。

その結果が次のJ-testの測定データです。J-testはジッターに敏感な信号を送信し、その再生スペクトルを見ることでジッターの発生レベルを調べる方法です。(日本語の資料がなくなってしまいましたが、詳しくはこちら(PDF英文))下の画像をみていただければ、逢瀬のDACでは余計なノイズや高調波が発生しない=ジッターが全く発生していないことがよくわかると思います。またノイズフロアはここが測定系の限界であり、実際のDACそのもののノイズフロアはもう少し低いと思われます。

図、44.1kHz J-testの様子

ただし実際のDAC設計では低ジッタークロックをなんでも使えばいいというものではなく、きちんと性能を出して使う上で注意点がありますがそれについては次回以降に書きたいと思います。

歪率と音質の関係2

以前こちらの記事にて歪率が最重要課題ではないということを書きましたが、今回は逢瀬が歪率を無視している設計ではないことを示しておきたいと思います。次に示すデータは正式な測定機によるものではないため、完全に正しいデータではなくあくまで目安の歪率にとどまりますが、特定の測定条件に特化して歪率を減らす試みが可能であるという一例だとお考えください。

また共通の注意点として画像のFFTには表示されておりませんが測定系依存の低周波ノイズの影響で+Nは一定より良い数字が出ませんので基本THD表示を元に判断しています。


図1

図1に示したデータは試作DACのアンバランス出力を測定したものです。I/V変換と差動合成にはそれぞれ逢瀬ディスクリートオペアンプを使用しています。このような測定結果は部品の公差、個体差を微調整することで、ディスクリートのアンプを使った場合であっても達成が可能です。もちろんディスクリートオペアンプの内部設計において部品の個体差の影響があっても高いオープンループゲインを稼げるような設計を心がけていますが、最終的な手作業による調整が必須であるのは差動の精度についてはやはり部品の個体差の影響を排除できないからです。


図2

図2は別の試作DACでICオペアンプをI/V変換、差動合成に使用したものです。ディスクリートのほうが優秀であるのは、そもそも測定器そのものに誤差がありその誤差を含めて調整可能なディスクリートの優位性からかもしれません。正確な原因は不明ですが測定器そのものが正式なものではないため正しい測定器で測定した場合は上記と全く異なる結果になる可能性もありえることを断っておきます。

どちらにせよ本測定に限定すれば概ねDACのスペックに近い数字は得られています。ICオペアンプの最大の利点はもともと内部の精度が高く個別での調整が不要のため量産において個体差が少なく安定したスペックを確保しやすいところかと思います。

前回に書いたように歪率による音質差というのは比較的小さいと逢瀬では考えていますが、上記のように決して歪率を無視した設計をしているわけではありません。たとえ音質面で歪率が10%以下の比重であったとしても、逆に言えば10%の重要性はあるわけです。(注意:10%というのは感覚的なたとえ話で実際の話ではありません)ですので、より音質的に重要な対策とトレードオフでない場合であれば、歪率も決して無視をしてよいわけではないと考えています。

もちろん歪率以外にも重要な音質を決める要素は多数あり、全てにおいてバランスよく対策することがトータルの音質のためには重要であるということだと思われます。

Ucdの独自カスタマイズについて – その1

もし未見の方は、まずは逢瀬がクラスDアンプを選んだ理由の記事を御覧ください。

逢瀬で採用しているクラスDアンプであるUcdモジュールは、もともとのデフォルト状態であっても特性は十分ですが、オンボードのICオペアンプバッファとレギュレータの質は十分とはいえません。そこでWATERFALL Compactではこの部分をオリジナルのディスクリートバッファアンプと電源回路Refine Unitに置き換えています。これにより分離とキレにおいて数段優れた音質として改善させしています。

ここまでは製品情報でも簡単に触れている部分ですが、ではこのディスクリートアンプ、そしてRefine Unitとは具体的にどのようなものか、何が優位性なのか、ということについてもう少し掘り下げて書いてみたいと思います。

カスタマイズその1…独自ディスクリートオペアンプによるバッファアンプ

Ucdアンプのコアはフルディスクリート構成であることは前回お伝えしたとおりです。Ucdのパワーアンプ部はIC=集積回路を使用しない個別素子によるアンプ回路であるということです。しかしUcdのパワーアンプ部はそのままではゲインが低いこと、入力インピーダンスが低いこと、これらの特徴があります。そのため汎用的なパワーアンプとして仕上げるためには、入力にもう一段バッファアンプを入れることが必要であり、これによりパワーアンプとして十分なゲインと入力インピーダンスの高さを確保しているのです。

ですのでこのバッファアンプのクオリティが音質に与える影響は非常に大きいものがあります。アンプの半身はこのバッファアンプといっても過言ではありません。はっきり言ってデフォルト状態ではUcdにとって十分なものではありません。使用されているのは今となってはやや古い設計となるICオペアンプである5532です。採用例も多く特性面から言えば特別悪いICではないものの、Ucdアンプの素性からするとトータルの音質はこの5532によって制限されているといってもいいような状態といえるでしょう。

そこで逢瀬ではこのボトルネックを改善するため独自のディスクリートバッファアンプを開発しました。17の能動素子を組み合わせた高いオープンループゲイン(動作条件により120dB~140dB程度)、FET入力でありながらローノイズ(約3nV/√Hz)、低バイアス電流(約1nA)なアンプであり、通常のICオペアンプと同様NFBを大量に掛けて特性を確保する設計となっています。また入力回路にはFET+カスコードブートストラップ回路を使用しているのでアンプの入力段として最適なハイインピーダンス入力に強い、特にバッファアンプ用として安定した性能を確保しやすい設計としています。

ではなぜディスクリートアンプを採用したのでしょうか。現代においてICオペアンプで特性上優れた製品はいくつも存在します。それで十分ではないかというのは当然の疑問だと思います。

しかし耳で比較した結果によれば、どれほど優れた特性のICであってもディスクリートオペアンプとICオペアンプの間には、原因は不明ですが超えられないベールのようなものがあります。逢瀬で実際にオペアンプの特性を測定し比較した結果によれば、特性の優れていないディスクリートオペアンプであっても、最高特性のICオペアンプより、音質上で言えばクリアで分離のよい音=逢瀬にとっての高音質であることがわかっています。測定特性以外による音の変化、その理由ははっきりしていませんが、様々な実験結果からの仮説はいくつかあります。

ここから先は厳密な理論や検証のとれた結果ではないことを断っておきますが、仮説として現在逢瀬が有力視しているのは配線による音質差です。まずディスクリートではGND、電源、これらの導体は銅線であり、絶縁は空気やレジスト基板です。それに対してICというのは半導体の上にすべての回路が入っています。半導体は導体や絶縁体になったりするので、このような性質を利用することによりICとして様々な複雑な回路を形成することが可能なわけですが、便利な反面、半導体は絶縁体としても導体としてもディスクリート構成に比べて不完全なことが原因ではないかということです。

オーディオでは電源ケーブルや信号ケーブルを変えることで音が変わりますが、銅線、銀線などで音が変わる世界ですから、ICによる音質変化は信号・電源ケーブル、シールドをシリコンに置き換えた変化のようなものではないかという話です。思えば新日本無線のMUSES01、02ではICの足に銅を使用していました。これが耳による選定ならばこのような対策が無効だとは思いません。技術系の方からは何かと物言いの入りやすいMUSESシリーズですが、もしかしたら半導体上の配線による音質劣化を少しでも和らげようという試みだったのかもしれません。後継の8820、8920は足が銅線ではなかったように記憶していますので内部でも色々と音質上の対策がされているのではないかと思います。

脱線しましたが、WATERFALL Compactで採用されているディスクリートオペアンプによるバッファは、Ucdの本来の実力、音質を取り戻すために必要と判断し採用したものだということです。逢瀬ではこのようなカスタマイズを一つ一つ手作業で行なっています。

もう一つのカスタマイズ、電源=Refine Unitについては次回以降の記事にて触れたいと思います。

歪率と音質の関係1(音声ファイルによる比較)

本日は歪率と音質の関係について書きたいと思います。オーディオのスペック表などで伝統的に用いられている歪率、THDですが、その音質差を実際の音声ファイルにて比較出来る形にしてみたいと思います。簡単なテストなので厳密性はひとまずおいて気軽に聞いていただければと思います。

ちなみに歪率を悪化させるのに使うエフェクトはFocusrite社のLiquidMixという畳み込み演算によるエフェクターをそのまま通過させたものです。アナログ機材を実際にレコーディングした波形応答を元にした演算処理のため、周波数特性やレベルは原音と全く同じではなくてわずかに変動してしまっているのですが、なかなか綺麗に足せない高調波をそれらしく足すことができます。まずは実際に1kHzのサイン波を通過させる前と通過させた後のWaveSpectraによる歪率の画像を次に示します。


図1.LiquidMix通過前


図2.LiquidMix通過後

このようにエフェクターを通過させるだけで大幅に歪率が悪化することがわかると思います。しかも「音に良くない」といわれる奇数次倍音が大きく出ています。見るからにこれは音が悪そうですね。

しかしサイン波のままでは実際の音楽での変化はよくわかりませんから、簡単な音楽ファイルにこれらと同じエフェクトを通過させてみましょう。次の3つのファイルは音楽の断片素材であるパートごとのループ素材を組み合わせてMixしたものです。1-3のうち画像のようなエフェクターを通過させたものが2つ、1つは何もしていないファイルです。フォーマットは44.1k、24bitのWAV形式です。

いかがでしょうか。
早速答えですが、1が原音、2はManley Massive Passive、3はAmek Angela Consoleという機材を元にした音です。図2はファイル2と同じもの、ファイル3も図2と似たような感じです。

聞いた印象は人によって異なる部分もあると思うのですが、私の感想で言えば上記の画像から受けるような「すごく悪化しているイメージ」よりも大きく音は変わっていない、または若干色がついた程度に感じます。強いて言えば1の原音ファイルが少し引き締まったクリアな音ですが、解釈を変えれば色気不足とも言えそうです。しかも歪の大きさ自体ではなくレベル差(3が若干大きいです)や周波数特性の僅かな変化のほうが音に影響している程度は大きいかもしれません。

このようにデジタル演算で歪率を再現してみましたが、ほとんどの方は実際のオーディオ機器における変化はこれよりももっと大きいと感じられていると思います。これはオーディオの音の違いの原因というのはもっと様々な要素があり、歪率以外にもさまざまなあらゆる要因で音は常に変化しているということではないでしょうか。

開発においても歪率のみが変化した場合は当然このファイルの違いと同じ程度の変化を感じます。しかし歪率は実際のオーディオ機器開発における音質判断にとっては「最も重要ではない」というのが逢瀬での結論でした。もちろん歪率を無視しても良いということではなく、最重要課題ではないということです。もし、より大きな音質差を生む要因があったとしてそれが歪率の悪化とトレードオフの関係にあった場合、歪率ではなくもう一方の要因を選択することでトータルな高音質を目指すということになります。そのような科学的に完全に解明されていない音の違いの原因を解明し、一つ一つ対策をしていくのはオーディオ開発者の役目だと思います。

もちろん上記のファイルを聴いて全く違う感想を持った方もいるかと思いますが、逢瀬ではこのような考え方で開発を進めているという参考例となればと思います。

歪率と音質の関係についての記事は今後ももう少し続きます。

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