HDDかと思った？残念！オーディオアンプでしたーっ！ ←実は元ネタを知らないッス…
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■PC内蔵型オーディオアンプの製作■〜内蔵アンプにノイズが乗る原因と対策〜 ２０１２年１月２０日
■さて、今回のお題はコレである。
HDDかと思った？残念！オーディオアンプでしたーっ！ ←実は元ネタを知らないッス…
正確には「PCに内蔵出来るオーディオアンプ」でございます。
…って、明らかに出オチ臭い物体なのですが、本題はそこじゃないのです、ご安心を（？）。
さて、PCでmp3とかの適当なBGMを流したいとする。
もちろんアンプ内蔵スピーカー（アクティブスピーカー）をつなげても良いのだけども、
BGMとは言え、せっかくだからオーディオ用の大きなスピーカーで聞きたい人もいるわけだ、
単なる好みの問題だが。
もう随分古いゾ
当然その場合にはアンプも必要になるのだけど、
しかし「オーディオメーカーの立派なプリメインアンプ（100W+100W）」なんてのは、ちょっとBGM向きではない。
立派なアンプは消費電力とか発熱とかも相当に立派なので
なかなか気軽に1日中電源を入れっぱなしとはいかないわけだ。
※最大出力１００Wのアンプは同じく出力１Wのアンプと比較して（同じ音量で比較して）エネルギー効率が10倍くらい悪い（除くD級アンプ）。
そんなわけで小出力なアンプが欲しいな、と。
出来れば邪魔にならないようPCに内蔵できるようなモノがいい。
例えば3.5インチベイにすっぽり入るようなのが理想。
とはいえ、わざわざケースとか作るの大変だなぁ、などと悩んだ結果、
壊れたHDDを再利用すれば簡単という結論に至る。
そのような、極めて合理的かつ洗練された発想の産物が上の写真の物体なのである（笑）。
…と、ここまでが話のフリ。
このような「PC内蔵用オーディオアンプ」を製作するには、ちょっとだけ回路的にコツが必要だったりする。
なので、せっかくだからネタにしてみたというのが今回の本題。
ところが書き始めたら全然「ちょっと」じゃあ済まねぇじゃねぇかと後悔中。
＊ ＊ ＊
さて、少々調べてみれば判るのだけども、世の中には似たようなアンプ製品が既に存在する。
そりゃあPCのベイにアンプがスッキリ収納できれば嬉しいのはオイラだけじゃないし、
アンプの電源（大抵は12V）はPCのATX電源ユニットからお裾分けしてもらえば低コストで高効率で合理的だ。
すばらしいじゃないか。
しかしながら、この手の製品（PC内蔵型アンプ）では「ノイズが酷い」という、なぜか共通の欠点を目にする事が多い。
もっとも「電源を(PCのATX電源ではなく)ACアダプターから供給すると大丈夫」なのだけど
せっかく内蔵アンプなのにACアダプターが外置きでは、これはさすがに残念と言わざるを得ない。
そんなわけで今回は
アンプ内蔵の際にもっともありがちと思われる種類のノイズと、その対策について
自分にわかる範囲でぐちゃぐちゃと書いてみることにしたわけだ。
※当然ながら、全てのケースに対してノイズ軽減効果があると言ったような魔法みたいな話ではないので、念のため。
「多くのケースでこのようなノイズ発生メカニズムが考えられる、その対処法を考える」という内容だからね。
で、早速なのだけども、世の内蔵アンプで問題となっているノイズを再現してみた。
再現自体は割と簡単だ、１２Vで動作する普通のアンプを単につなげばノイズが出る。
アナログアンプでもD級(デジタル)アンプでも同じだ。
また、PCのATX電源が高品質であっても（仮にシリーズレギュレータでも）関係ない。
←こんなかんじ
要するに何のひねりも無く、普通に繋いでPCを起動すればノイズは再現する。
※ただし、後述するような何らかの対策がなされている「特殊な」アンプであれば、もちろんノイズは出ない。
まあ、ノイズと一言で言っても感じ方には個人差があるので、ここはやっぱり実測値を。
多少の差はあるかも試練けども、典型的なPC内蔵アンプなら、概ねどれもこんな傾向のはず。
内蔵アンプを通した場合の特性
これは1KHzの信号を出力している様子。
だから本来ならば1KHzの信号「だけ」がグラフに出現するはずなのだけども、
それ以外の信号（つまりノイズ）がかなり高レベルで存在している様子がわかる。
この状態だとS/N比は大雑把に40dBくらいだろうか。
通常のデジタルオーディオならば軽く80dB以上のS/N比があるはずなので、
ざっと40dB足りない。つまりS/N比が1/100しかない、ということでございます。
比較例。本来なら1KHzだけが出現し、ノイズは低い位置にとどまる。こんな感じで↓。
ノイズは概ね-80dB程度。↑とは40dB（＝100倍）も違う。
内蔵アンプを通さない場合の特性
言い方を変えれば100倍うるさいノイズというわけですな。
にぎやかな曲とかだと大丈夫だけども、静かな曲とかだとザワザワ、ガサガサ音が耳に付く。
あと、Webブラウザでスクロールさせた瞬間とかにピギャとか音が入る（笑）。
正直、このレベルの商品を「PCに内蔵できます！」的に販売したとしたら、相当にアレな気がする。
で。
前述の通り、このノイズは、PC内蔵型アンプに共通する回路の原理上の問題。
だいたいどのアンプでも似たような悲劇に襲われる。
むしろPC側（電源・マザー・CPU・GPU）の構成によってノイズの程度は若干上下はするのだけど、
あくまで「若干」程度しか改善しない。
ちなみにこれは、いわゆる「相性問題」などには分類されないと思う。
なぜなら原因がかなり明確だからだ。
■では、なぜノイズまみれになるのか？
なるべく解りやすく書いてみるけど、自信は無い。途中で投げ出すかも。
まずはPCの大雑把な構成を書いてみる。
PCの構成
電源ユニットとマザーボード、あとそれをつなぐ電源ケーブルから
構成されている。ケーブルも重要な部品なのである。
ここでマザーボード全体をでっかい抵抗器だと考えれば、回路図はこんな感じになる。
PCの等価回路？
…随分と単純なPCだけども、まぁそんなもんさ。
仮にマザーボード（CPU等の搭載物含む）の消費電力が100Wくらいで、それが12V系から供給されているとすれば、
ケーブルに流れる電流はI=P/Eなので だいたい8A程度となる。
さて、太い銅の電源ケーブルといえども、厳密には電気抵抗がある。
太いケーブル
仮にこの電源ケーブルが「長さ50cmで太さはAWG18相当×8本パラ」だとすると、
銅の電気抵抗率が1.68×10-8Ωmなので
このケーブルの抵抗値は0.0013Ω（＝1.3mΩ）という事になる。
※AWGナンバーから断面積(mm2)への換算式は、拙著「CPUの創りかた」のどこかにあったはず。
非常に小さいが、確実に電気抵抗を持っている。
この抵抗に、先のマザーボードの消費電流8Aが流れると、
抵抗の両端（ケーブルの上流側と下流側の落差）の電圧は
E= IR= 1.3mΩ×8A≒10mV
となる。
回路で書くとこう。
ケーブルの上流と下流には10mVの落差がある。
つまりマザーボード側のマイナス（グランド）は、「ホントの0V」に対して
10mVだけ上流だ。
だから、マザーボードのグランドは0Vではなくて10mVほど水位が高い。
えーと、
いきなりだけど、リアル河川の水位の話。
河川の河口付近では、例えば秋葉原あたりの神田川とかは
もうほとんど海水面レベルと同じ高さなわけなのだけど、
集中豪雨的な水量が流れ込めば、それなりに水位が上昇してしまう。
そいえばこの前、お茶の水あたりで露出してる地下鉄丸ノ内線が
水没しそうになってましたよ、あんなに海に近いのに。
もちろん、雨が止めば元の水位に戻るわけだけど、
つまり雨量というか水量の変化によって、河川の水位はそれなりにふわふわと上下する。
同様に、CPUの消費電流の変化によって、マザーボード上のグランド（マイナス側）電位もふわふわ上下している。
先の例だと、マザーボードの消費電流が8Aの場合、マザーのグランドは10mVまで浮き上がっている。
つまりCPUもチップセットもD-RAMもPCI-E拡張スロットも、それぞれGND（グランド）端子があるわけだけども
当然それらは「0Vでございます」って事になってるんだけど、
でも、実際には結構ふわふわしているわけだ。
それでも問題なく動作してるのは、それらが運命共同体として同じ船（マザーボード）の上で
一緒にふわふわしてるからだ。
同じ船に乗船してる限りは、隣に座ってる客は常に同じ目線にいることになる、川の水位に関係なく。
CPU「オレたち、ふわふわ上下してるのか？」
PCI-E「…さあ？」
ふわふわしてるのに気がつくのはマザーボードの外の視点、たとえば東京湾上に停泊してる船の乗客たちだ。
彼らは（集中豪雨に関係なく）常に海水面上ゼロメートルにいるわけので、
マザーボードとその乗客が神田川でふわふわ上下してる様子を客観的に見ることが出来る。
電源ユニット＠東京湾「あいつらふわふわしてやがるぜ、HAHAHA!」
さて、そのマザーボードの乗客の中にD/AコンバータというかLineOutがいるわけだ。
LineOutさんは「このくらいの信号でございます」などと信号の大きさを懐中電灯の高さで合図してくれる。
LineOutさん＠マザーボード
なので、東京湾上からは遠くで光がちらちらと上下する様子から信号の大きさを知る事が出来る。
…のだけど、実際には船の甲板が上下しているわけだ。
LineOutさん自身は、同じ動作をしているのだけどね、信号波形が変形しちまっている。
つまりここでノイズが混入することになるだ。
【別に読まなくてもいい詳細】回路図で真面目に書くとこういうことになる↓。
D/Aは正確に1V(=1000mV)を出力しているのだが、
それはあくまでマザーボード上の話。電源ユニットを起点として見た場合、
LINE OUTの信号側は1010mVだし、本来0ＶであるはずのGND（マイナス）側は10mVだ。
どちらもマザーと一緒に10mVだけ「浮き上がっている」状態だ。
※ここではD/A（オーディオ回路）がマザー上にある場合（オンボード）で説明してるけど
拡張スロットにオーディオカードを挿した場合でも事情は全く同じ。
この状況はデジタルテスターがあれば簡単に計れるし、
頑張ればアナログテスターでも読めることも多い。
実測風景。
見ての通り「電源の4PコネクタのGND」と
「LINE OUTから引っ張ってきたオーディオケーブルのプラグのGND」の間の電圧を計っている。
ちなみにCPU負荷100%のフルパワー状態にて撮影。
測定レンジは（写真には写ってないけど）300mVにセットしているので、この時のテスターの指示値は約10mVである。
つまりマザーボードのグランドが実際に10mVほど浮き上がっているわけだ。
この10mVという値は、先ほどまでの試算とも概ね近い。
※というかズバリ一致なのだけど、これは単なる偶然です、念のため。「大雑把に仮説通り？」くらいのニュアンスだと思ってくり。
※PCの構成に因っても違ってきますぜ。
当たり前だけども、この浮き具合はCPU（というかマザー）の消費電力の変化と連動する。
なので、PCの動作状況に連動して活発に変動する。
簡単だし面白いので、テスター持ってる人は一度見てみると良いかも。
さて、随分と長く引っ張ってしまったが（いい加減オイラも疲れた）
これの何がいけないのか。
若干浮き上がっているとは言え、プラグから出力されているのは正確に1Vなのだ。
そう、これ自体は問題ない。
実際これを「外付け」オーディオアンプに接続しても、何も問題は起きない。
問題はあくまで内蔵型アンプにつなげた場合に起きる。
＊ ＊ ＊
さて、ここまではマザーボードのグランドがふわふわするという話だったのだけども、
当然ながら内蔵アンプ側でも全く同じ事が起きている。
内蔵アンプの電源は、大抵は旧HDD用の４ピンコネクタからいただく。
こんなの。
こちらも立派で太いケーブルが使用されているが、マザーボード側ほど本数は多くないし、大抵は長めだ。
なので、ケーブルの抵抗値は10mΩくらいだろか。
要するにマザーボード側と同じ状況だ。
アンプの消費電力次第でふわふわ状態になる。
もっともマザーボードに比べればアンプの電流は小さいことが多いので浮上量は小さめではあるが。
そしてアンプ側のふわふわは、マザーボードの上下動とは基本的に連動しないふわふわだ。
お互いがデタラメに、ちぐはぐに、勝手にふわふわ浮き上がる。
それぞれ勝手にふわふわタイム
つまりマザーボード側のGNDとアンプ側のGNDは、どちらも大雑把には0Vなのだけども、
厳密には10mVオーダーの微小な食い違いが生じているわけだ。
さて、音を出すためにはオーディオケーブルで両者を接続しなければならない、当たり前だが。
同時にこれは、マザーのGNDとアンプのGNDを直結する、という意味でもある。
ケーブルで直結すれば、勝手にふわふわしてた両者はガッチリと固定されるはずだ。
さて、どうなるか？
…強度不足であった。
そんなオチかよ。しかしこれが現実なのだ。
理由はオーディオケーブルの抵抗だ。まぁ一応は銅線とかなのだけど
先ほどから何度も登場しているAWG18とかの電源ケーブルに比べるとかなり見劣りする。
物にもよるけど0.1〜1Ω程度だろうか、結構大きい。
「直結」と言い張るには苦しい抵抗値である。
そんなわけで「力及ばず…」な結末を迎えるのがこのイラストなわけだ。
ケーブルのあっちとこっちは、繋がっているのに電圧が違う状態となる。
※かなり大雑把というかいい加減な説明なので、興味のある人は自分で真面目に各部の電圧を計算してみるといいよ。
強度不足なので、何の役にも立たない。何も変わらない。
銅線で直結したにもかかわらず、両者のGNDは勝手にふわふわなままだ。
そんなわけで、ここまでの状況を整理すると
・マザーボードのグランド電位はふわふわ状態
・アンプ側のグランド電位もまた、勝手にふわふわ状態（ただし、ほぼ0Vに近いが）
ここでオーディオケーブル登場。
マザーとアンプのGND同士を直結するわけだが…
・通常のオーディオケーブルでは抵抗が大きすぎて、両者からはガン無視される。
・マザーとアンプは依然として勝手にばらばらにふわふわタイム。それが現状。
＊ ＊ ＊
さて、グランド(GND)は重要だ。
なぜかと言えば、電気回路はコイツを基準に動作してるからだ。
マザーボードもアンプも、グランドの電圧が基準だ。
…が、ご覧の通り、マザーボードもアンプも独自規格乱立というか勝手なグランド電位な状態なので、
もちろん自分の中で完結してる分にはすこぶる快調に動作するし何の問題も無いのだけども、
自分の外との、別ユニットとのコミュニケーションでは問題がおきる。
なんたって基準がズレてるのだ。
※ほのかに漂う神崎真理子＠トラ技風味。気のせいか？
これでは、どう見ても正確に信号が伝わるはずが無い。
本来の信号の上にオーディオとは無関係なふわふわ分が加算されてしまっている。
つまり、ふわふわがノイズの主犯だった！とは言えないものの、
ふわふわは確実にノイズとなる。
ではどの程度の大きさのノイズになるのか？実際に有害なレベルなのか？
適当で良いので試算をしてみることは重要。そうしないと実験結果を考察出来ないし、
そのまま都合の良い結論を出したら似非科学になっちまう。
オーディオ信号のLINE OUTの電圧は1V程度だ。
一方、今回の試算ではマザーボードの浮上量は10mV程度。
概ね100:1の比率ということになる。
なので（非常に大雑把だけど）-40dBくらいの、相当うるさいレベルのノイズが予想される。
これは概ね実測値での感覚に近い気がする。
【詳細】実際には浮上量10mVではなく、その変動分がノイズの「振幅」となるので、
実効値としては2mVとかそのくらいかと思う。
一方オーディオ出力は、常用するのはボリューム1/4位置とかだとおもうので、こちらは250mVくらいか。
なので、S/N比は2:250と推定されるのだけども、まぁ似たようなモノじゃないかと思う。
なお、上のノイズ計測も実はボリューム1/4位置で行っている。
■さて、対策を考えてみる。
例えば、お互いのGNDが勝手にふわふわしないよう、もっとガッチリと丈夫なモノで繋ぐ方法が考えられる。
先のオーディオケーブルでは強度不足だったので、もっと太いケーブルで、それはもうガチガチにする。
理屈は合っているので、相応のケーブルで繋げることが出来れば効果が期待できそうなのだけど、
問題はその「相応のケーブル」ってやつで、計算してみるとかなり非常識な太さが必要となることがわかる。
またその場合、アンプの消費電流の多くがオーディオケーブルに流れ込む事になり、これはまた別の問題を引き起こす。
まぁ多少は改善したりもするので、「これだ！コレが効く！」などとむやみやたらに太いケーブルに交換を始める人もいるけど、
結局は大きな改善は見込めない、袋小路みたいなところだと思う。
なので、一般的には差動増幅器を使う事が多いのだけども、
動作原理の説明が面倒（本筋と離れる）だし、
調整も必要だったりするので、雑記のネタにはしにくい。
そんなわけで、今回は古典的手法であるトランスを使ってみた。
トランスってのは、概ね回路記号から推測できる通りの構造で
鉄芯にコイルを巻き付けたようなものなのだけど、
入力側と出力側（1次側と2次側）は別々のコイルなので、つまり繋がっていない。
もちろんテスターで測っても∞Ωである。
繋がってないので、入力側は入力側の基準電圧で、出力側は出力側の基準電圧で、
それぞれ別々の電位で動作出来る。
なんか「それはそれ、これはこれ」みたいなデバイス。
つながってないのに、どうして信号が伝わるのかと言えば
これは、いったん磁力になってコイル間を飛び越えている。
つまり非常に短距離ではあるけども「ワイヤレス通信」をしているとも言えるわけで、
今回は、その「ワイヤレス属性」を利用するわけだ。
ま、普通はワイヤレスとは言わずに「絶縁」というのだけども。
※細かい事を言うと1次２次間の静電容量経由で、高周波ノイズが若干だが漏れてはくる。
今回使ったトランスは、これまた伝統の山水トランスなのだけど、現在は製品名そのままで別会社に移管されたらしい。
←写真はST23ではないです。撮り忘れたです。
そんなわけで、今回我々がご提案させていただくソリューションがこちら↓。
絶縁オーディオケーブルである。
オイラはST-23というのを二つ使った。入出力の巻き線比が1:1という、いかにも絶縁用って感じなのだけど
だいたい一個500円くらい、マルツとか千石あたりだったと思う。
カタログより抜粋
ちなみに周波数特性は意外に（？）良好。上がトランスを通した信号（負荷は10KΩ）、下は比較用でトランス無し状態。
トランスを通した信号
トランスを通さず測定（比較用）
トランスの原理上、低域が心配だったのだけども、20Hzでも-3dB。
全く問題ないレベル。大したもんだ。（なお高域が20KHz手前で落ちてるのは、測定側の特性だろうね）
なお、一応は他の磁気を発生する部品、例えばファンモーターとかからは離した方がよいかもしれない。
話が横にそれるけど、オイラはこう見えても意外に若くて（笑）、トランジスタ世代というよりIC世代なのだ。
だからオイラが半田ごてを握り始めた頃には、既にオーディオアンプはICに駆逐されていて
トランジスタとかトランスでアンプを組むなんて機会には、今までほとんど縁がなかったりする。
なので、実はちょっと新鮮だったりするのですよ。
さて。
「見せてもらおうか、絶縁ケーブルの性能とやらを！」
先の内蔵アンプの動作条件はそのままで
絶縁ケーブル交換前と交換後のノイズを比較。
ノイズは概ね40dB（つまり1/100に）減少しており、まず耳では聞こえないレベル。
こういうところが面白いんだよな、電気回路は。
ちゃんと原因を考えて勘所を押さえれば劇的に改善する。
…って、まぁ今回のは、そこまで偉そうな例でもないけども。
※そいえば鎌ベイアンプという商品のノイズが酷いと聞くけども、そう言うのって逆に興味が湧くよなぁ（笑）。
ちなみにこの手の問題は、
どこかの部品を高価なモノとか高級なモノに交換しても全く解決しない、
というのは見てきた通り。
根本原因を放置したままでは、何をしても解決しない。
例えばコレが、お金（財政）とかの問題であるならば、
仮に無駄遣いが多くても、それ以上に稼いでさえいれば破綻には至らない。
どこかがマイナスでも、それ以上にプラスがあればＯＫ。
これは「プラス分もマイナス分も、全てまとめて合算」タイプの問題だ。
一方、健康の問題とかだと、いくらビタミン剤を飲み込んだところで運動不足とか塩分過多は（原則）挽回できない。
塩分過多を解決するには塩分を控える以外の解決法は無く、どこかのプラス分の備蓄を回すことは出来ない。
つまり、あくまで「マイナス分だけの合算」で決まる。
そしてオーディオ信号というものは、一度ノイズが混入して劣化してしまうと、これは二度と戻せない。
何か魔法のデバイスとか高品質なナントカで回復挽回することなどはできない。
その意味では、ノイズというのは「マイナス分の合算」タイプの問題といえる。
だからもうこれはマイナスの発生源を何とか見つけ出して潰すしかないのだし、
その「勘所」を外してしまうと何をやっても全く効果が無い。
例えば電源系コンデンサを交換増量したとしても、少なくてもこの手のノイズには無関係だ。
ホントの原因以外のところでいくら努力しても、神様は採点を甘くしてはくれない。
＊ ＊ ＊
そんなわけで今回は「HDD型アンプという出オチ」を実現するための
とても地味な回路技術のお話でした。
※なお実際には「絶縁ケーブル」というカタチでは製作せずに、トランスはアンプに内蔵させたのでした。
さて、その肝心のアンプの回路はというと、
逆にこちらは説明すべき点もネタもない。
STマイクロのTEA2025（秋葉原で100円だった）というオーディオアンプICを普通に使っただけ。
STMicroelectronics社のデータシートより引用
なので説明は略。
多少ゲインを下げて使ってはいるが、そのあたりもデータシート通り。
というか、このあたりは普通に組めば充分に良い音が出るような、たぶん30年前には枯れてしまった分野だ。
むしろアンプ部分を自作する場合に気をつけるべきは安全性と言う事になる。
なんたってATX電源は強力だ。
仮にアンプ内でショート等が起きて火を噴いたとしても電源は耐え続けるかもしれないし、
電源が耐え続ける限り火を噴き続けることになるかもしれない、アーク放電とか。
（電流の大きさにおいて）AC100Vよりもむしろ危険と考えた方がよいくらいだ。
＊ ＊ ＊
今回はマザーボードとアンプを例にしたけども、このようなグランドの問題（考え方）というのは
複数のユニット間、複数の基板間で（程度の差はあれ）必ず起きているといったような
どこにでもある、非常ありふれた事象なのだが、
困った事に結構難しい問題だったりするわけだ。
実際、本職の回路屋でも悩むことが多々ある。
というか、正直おいらも自信が無い。
システムがでかくなってくると泣きたくなる。というか泣く。
「一点アース」などというセオリーもあるし、もちろん基本ではあるのだけども
世の中そんなに甘くはない。
例えば今回のPC内蔵アンプが良い例だ。
そもそも本来であれば、
・回路を「D/A部」「パワーアンプ部」「CPU等のロジック部」に分離
・そしてそれぞれのグランド（アース）を１点で接続すれば良い
そりゃそうなんだけどね、先生。
しかし現実にはオーディオ回路（D/A）はマザーボードの上に載ってしまっていて、くっついて離れないのだ。
※もちろん拡張スロットにオーディオカードを挿しても状況は変わらない
だから教科書通りに１点アースなんて無理なのだ。
しかしそれでも技術屋は何とかしなくちゃいけない。
ほら、面倒だ。
これが何十ものユニットから構成されるシステムだと、
それぞれのユニットのイロイロな都合により、
セオリーを守れない部分があちこちに出てきてしまう。
だからシステムがでかくなってくると泣きたくなるのだ。というか泣くのだ。
