電子ボリューム（その４）

またまたR.さんから資料をいただきました。電子ボリュームの２方式に関するものです。

１．アナログスイッチをつかった電子ボリュームの方式
ａ．電流加算方式

基本的な回路構成は下のようになります。入力の電圧信号を１６個の１／２〜１／65536の
電流源に分割します（別に１６分割である必要はない）。
そしてアナログスイッチで電流合成をして、最後にＩＶ変換するといったものです。
これはアキュフェーズに使われているようです。
この方式だと、アナログスイッチの内部抵抗は関係ありませんし、抵抗の非線形の影響も抑制されます。
また電流駆動ですからS/Nもよさそうです。
問題はＶＩ変換に必要な素子が多くなる点です。どのくらい多くなるかはあとでまとめましょう。



ｂ．Ｒ−２Ｒラダーネットワーク方式

基本的な回路構成は下のようになります。入力信号をＲ−２Ｒラダーで分割して
アナログスイッチで電流合成して、最後にＩＶ変換するといったものです。
この方式はレビンソンに使われているようです。
この方式では、Ｒ−２Ｒの出力をアナログスイッチで受けているため、アナログスイッチの内部抵抗の誤差が、
設定音量の非線形性を生じさせる原因になりますが、ＤＡＣではないのでこの誤差は音質に影響はありません。
上記の電流加算方式に比べて部品点数が少ないメリットがあります。

２．部品点数は？
　アマチュアが自作する場合は、部品の点数はもろに製作費用に響いてきます。また部品が多いとつくるのも大変です。
電子ボリュームをつくる場合、どのくらいの部品点数が必要か比較してみましょう。

３．どれにしようか？

結構悩んでしまいます。いっそのこと全部つくっちゃいましょうか（汗）。
しかし、電子ボリュームをつくるということは（わたしの場合）プリアンプを作ることとほとんど等価になるので、
電子ボリュームの方式の選択以前に全体の構成をよく考えておかなければなりません。
こんな構成になるでしょうか？

ケースの中の部品構成（考え中）

電子ボリュームに裂けるスペースはあまり大きくありません。
ん〜電源と２階建てにするか、電子ボリューム自体を２枚にするか・・・・
液晶もつけるように考えると、いまのケース（タカチの幅２３ｃｍ）では小さいなな・・・
将来的には電子ボリューム６ｃｈをいれて、マルチシステム用のボリュームコントローラにしたいし・・・
あれもこれも考えると発散しそうです。

すくなくともボリューム自体は汎用性をもたせて、３線制御できるようにしたおいたほうが無難なようです。
変換用のＩＣはＮＪＵ３７１２（８ビット）を２個並べれば済みますしね。

４．やっぱりＲ−２Ｒ方式かな？
規模もそこそこで、作りやすいR-2R方式がまずは最有力でしょうか。
ちなみになぜこのような回路で1/2ⁿ電流加算ができるかみてみましょう。
下図は４ビットのR-2Rラダーネットワークを表しています。

４ビットでもＲ−２Ｒラダーの出力電流

2Rの抵抗（図ではR2,4,6,8)はすべてGND接続されています。
流れ出る電流は１〜１／８に変化していきますので、どの出力を合成するかを選べば電子ボリュームになります。
注意する点は出力は対GND電位として接続しないといけません。そのためオペアンプをつかったＩＶ変換に入力する必要があります。
そして、電流合算しない出力もGNDに落とさなければなりません。これは余分にスイッチが必要になることを示しています。

さて、アナログスイッチが１出力あたり２個必要ですが、DG201に代表されアナログスイッチは４個のスイッチが入っています。
中でもDG213は２個のスイッチの論理が逆になっているので、この電子ボリュームの用途には最適です。ふつうにDG201などをつかうと、
論理反転のためのINVERTORが16個必要になり、結局素子数が増えてしまいます。


アナログスイッチの論理の種類。正論理、負論理そしてそのミックスもあるのが便利。

５．具体的な構成は？

さて具体的に使う石も考えながら構成をまとめていきましょう。
石の選択が結構難しく、入手できなければ意味がありませんからメジャーなところで購入できるものを選択していきます。

しかし、結構かかりそうです。部品代だけでも１万円はこえちゃいますね。
ＰＩＣ＋ＰGA2310がお手軽に思えてきました（笑）。

電子ボリューム部

制御部

６．どのくらいの大きさになる?

こればっかりは実際にアートワークを描いてみないところがありますが、
もっとも部品点数の多い電流加算式でＤＩＰパッケージをつかって必要な部品を配置してみると、
こんな感じです。基板サイズで155×124mm（片ｃｈ）と大きくなりますから、ステレオの場合は２段になりそうです。


電流加算式の部品配置案。結構大きくなっちゃいます。

こちらはＲ−２Ｒ型です。こちらもＤＩＰパッケージだけををつかって必要な部品を配置してみました。
サイズは115mm四方程度とすこし小さめです。
ついでに配線もしかかりはじめました。入力のバッファーアンプは出力と同じ側（右）にもってくるか、
反対側（左）にもってくるか、すこし悩んでしまいます。R-2Rネットワークに近い方がいいのでしょうが、
左右に配線を出してしまうと、ケースに入れたときがすこし面倒です。


Ｒ−２Ｒ方式の部品配置案。こちらも結構大きいですね。
DIP部品を使っているので仕方がないところがあります。

７．部品の選定（その１） 2006.9.12

電子ボリュームでのキーパーツはなんといってもアナログスイッチ。
レビンソンではビシェイのDG213が使われている。このDG213のスイッチ抵抗は45Ω。
でも、これはDIGIKEYでは取り扱いなし。

DIGIKEYのリストをみていて手に入りそうなものを探していると、DG413があった。
http://www.intersil.com/data/fn/fn3681.pdf

これはスイッチ抵抗は35ΩでDG213より低い。そして、INTERSILのものでDIP16のものがあった。
ということで、今回の電子ボリュームはこれに決定しました（@220円と比較的安いこともある）。
決定しました、と過去形で書いたのは試作も必要なのでとりあえず買っちゃいました。

また、シリアル−パラレル変換につかう石もNJU3712ではなく74HC4094にしようと思います。
これも同じ機能に対して安い（＠87円）のが最大の理由です。

8.ＭＡＲＵさんから評価用に貸してもらいました。2006.9.19
ADG623(アナログスイッチ）をつかったR-2Rラダーの電子ボリュームです。
非常にコンパクトに収まっています。基板は多分４層ですね。アナログスイッチのOn/OFF制御がないので
すぐには動かすことはできませんが、動作チャレンジしてみたいと思います。
チップ部品で組めばここまでコンパクトに出来ますね。


サイズは約100×55mmです。これでステレオ分


裏面はチップコンデンサが集中してついています。


ピッチ0.5mmの半田付け！これは機械付け？


（追補）
回路図もいただきました。
また実装における貴重なコメントもいただきました。
　１．OPAx227、OPAx604、OPAx134を試しましたが、OPAx134が特性BEST。（音が良いとは別）
　２．R-2Rの抵抗値と引き回し方で、ｆ得は変化します。
　３．R-2Rの前段のopampは容量負荷に強い方が良い。（OPAx227は最悪）

なにより驚くのが、「半田付けは「全て私の手付け」です。（１枚作るのに３時間位かかっています。）」だそうです。
いやいや、綺麗な仕上がりに参りました！


9.Ｒ−２Ｒ型のボリューム基板のアートワークはとりあえず完了。

DIP部品を使用したため少し基板サイズは大きいです。片チャンネルで96×125mです。
ユニバーサルスペースはPICマイコンをのせる場合のことを想定しています。
制御は３線制御で、ボードセレクト用のジャンパーを配置しました。このボリューム基板を最大で８枚まで
独立してコントロールできるようにしてみました。4Wayマルチのボリュームコントロールセンタをイメージしています。
出力はNOSDAC3と同じ回路でOPアンプＩＶ変換にダイヤモンドバッファwithＤＣサーボです。


（クリックすると大きくなります）

つぎはコントローラ用のマイコンを搭載できる基板の設計にかかります。
秋月のH8/3048あるいは3052を搭載するように考えています。ボリュームだけにはオーバスペックですが、
いろいろと拡張するためにも、ＩＯの多いものを選びました。いや、本音は比較的使い慣れているという理由です（汗）。
コントローラの横幅はボリューム基板の高さと同じにしていますので、並べたときに配置が整うようにしています。


コントローラ基板（クリックすると大きくなります）

（つづく）