• 2012-09-30 初版

はじめに

• CMOSロジックを使ったヘッドホンアンプです。
• 74HCU04を使ったアンプです。
• NXP社(旧Philips Semiconductors)のデータシートを元にしています。
• 74HCU04はバッファを持たない特殊なCMOSロジック回路のため、アンプとして利用できます。
• Uの有り無しで大きな違いがあります。74HC04はアンプとして機能しません。
• CMOSロジックICですので、2Vから6Vの電源範囲で動作します。
• 詳細な解説をみかけないので、測定と解析を行いました。
• 駆動電流の大きいACシリーズの方が有利ですが、74ACU04を製造しているメーカはありません。
• 74AHCU04は製造されています。

著作権と免責事項

• 個人利用に限定され、著作権者の許可なく商用利用できません。
• 直接間接に関わらず、使用によって生じたいかなる損害も筆者は責任を負いません。
• 仕様は予告なく変更されることがあります。

原理

• NXPの74HCU04データシートに記載されているアンプ回路です。
• 74HCU04はバッファを持たず、電力増幅のプッシュプル構造をしています。
• そのためアンプとして機能します。
• 電圧増幅度Gvは次の式で表されます。大雑把な計算をするときはGv=R2/R1とします。
• R1,R2には正しく動作するための条件があります。
• 負荷抵抗ZLは10KΩ以上が推奨です。
• 出力電圧はVdd/2を中心に動作しますので、DCカットのためC2が必要になります。
• もちろんCMOSですので、使用しない入力ピンはプルアップかプルダウン処理します。

実験回路

• R1=10K、R2=10Kとして基本性能を測定します。
• 電圧増幅度Gv=-0.91です。マイナス符号は振幅が逆転(位相反転)することを意味します。
• もともとオープンループゲインが一般のアンプと比べて20と低いため、大きな電圧増幅度は望めません。
• ちょっとしたアンプが必要な用途に向いています。
• 電源範囲が2Vから6Vのため、電池駆動も可能です。
• 最終的にはヘッドホンアンプの利用を想定しています。
• ヘッドホンのインピーダンスは32Ω前後であるため、工夫が必要になります。

出力インピーダンス測定

• アンプ出力の駆動能力を確認するためです。
• アンプの出力インピーダンスが低いほど、駆動能力があります。
• ここでは、簡易的に1KHzでの出力インピーダンスを測定します。
• 周波数によって多少の変動はありますが、目安を知るだけですので簡易方式としました。
• 測定原理は簡単です。
• 可変抵抗なしの状態で、1KHzの交流出力電圧V0を測定しておきます。
• 可変抵抗を接続して、出力電圧がV0の半分になるように、可変抵抗を調整します。
• あとは可変抵抗を外して、その抵抗値VRを測定するだけです。
• オームの法則でアンプの出力インピーダンスR2=VRとわかります。
• 測定の結果、アンプの出力インピーダンスは203Ω@1KHzでした。負荷抵抗ZL=10K以上推奨となっていますが、随分低いようです。
• これは74HCU04のロジック一つの場合です。２つ併用すれば100Ω、４つ併用すれば50Ωになります。
• ヘッドホンのインピーダンスが32Ωですので、どうやら駆動できそうです。

ヘッドホン・アンプの設計

• 一般的にヘッドホン･アンプの増幅度は３(10dB)程度です。大きな増幅度は必要ありません。
• 電圧増幅度Gv=2.52(8dB)としました。
• ヘッドホンを駆動できるようにアンプの出力インピーダンスを低く設定する必要があります。
• ヘッドホン・アンプの目的は増幅度ではなく、ヘッドホンを駆動することです。どんなに高い電圧でも弱い力では駆動できません。
• 車のエンジンに例えるなら、回転数だけではなくトルクが必要です。
• 74HCU04のロジックを６つ併用すれば32Ωを下回り十分駆動できるでしょう。
• ステレオの場合、片チャンネルあたり６回路使用しますので、74HCU04が２つ必要になります。
• スピーカを駆動する場合には24併用すれば、8Ωを下回ります。

評価

• 周波数特性は非常に良好です。
• ヘッドホンを力強く駆動します。
• 下手なアンプよりいいでしょう。
• 問題は少々消費電流が大きいことです。Vdd=2Vで3mAですが、Vdd=3Vで20mAもあります。