USB/スイッチング電源ノイズフィルター

  • 2015.05.26 Tuesday
  • 12:38
USBDAC開発時に通信エラーの根源が電源ノイズだったと判明したことから、
電源ノイズフィルターを開発することになりましたが、今回はUSBのノイズフィルター
を開発検討中です。

手軽に音楽が楽しめるUSB接続だが、電源をPCなどのUSB接続にて供給されるもの。
もしくは、電源アダプターなどのスイッチング電源にて供給されるのだが、
スイッチング電源は、強烈にノイズが重畳している電源がほとんどです。

いくら元電源のノイズを除去しても、繋ぐUSB機器にスイッチング電源で
ノイズを製造していては、まず上の音を望めません。

これは、NASも同様です。

壁コンセントに、直接スイッチング電源アダプターをさした時のDC出力波形を
400msまで拡大した波形がこれです。
スイッチング電源 DC出力
*縦レベルはオフセットかけており、本当の電圧と違います。また、オシロスコープで
ノイズを見るには、DCモードでなくACモードでないと見られません。

次の波形は、壁コンセントとスイッチング電源の間に当社の電源ノイズフィルターを
噛まして元電源のノイズ除去後のDC出力波形です。
FIL-MASTER-PRO + スイッチング電源 DC出力
微妙に減っていますが、スイッチング電源の前にフィルターを噛ましても、元電源の
ノイズ除去を含めて、0.1V程度しか効果が得られないことが分かります。

これでも、視聴すると大きな差が出るので驚きです。

スイッチング電源を用いてクロックを駆動させ、クロック波形を1nsのレンジまで
拡大すると揺らぎが見えてきます。

今回使用したクロックは、CK1100AC 11.05920MHz

<オーディオに向かない電源>
クロック波形 1ns
スイッチング電源ノイズが多いとこのようにクロックの立ち上がりが大きく揺らぎます。
この揺らぎは周波数カウンターでは見れません。

この揺らぎが音像を鈍らせている原因の一つです。

以前にも、ノイズの影響はクロックの揺らぎにつながると話しましたが、拡大すると
恐ろしいほど揺らいでいます。

何も対策していないUSBから電源供給すると、スイッチング電源ノイズによる影響を
受けて揺らいでいる分かります。

次の測定波形は、優良なスイッチング電源を使用しただけで、これだけクロックの
揺らぎが押さえられます。

<今回使用したスイッチング電源>
スイッチング電源を使用しても、ノイズ除去した場合。

<試作のUSBノイズ除去フィルターを使用>
5V用に制作した電源ノイズフィルターを通したクロック波形
試作したノイズ除去フィルターを通すと、更にクロックの揺らぎが押さえられます。

測定では、少し良くなっただけに見えますが、試聴ではかなり改善します。

空気感や音の細部に至るまで再現できるようになります。

今までのASUKA電源は、元の100V電源ノイズを除去しても、機器内部で作くられる
5Vなどの電源を大幅に改善することはできませんでした。だが、USBやスイッチング
電源などの外部から電源を供給される機器は、ノイズを除去した電源を直接、電気回路に
供給することができるため、劇的な変化を体感して頂けます。

ここまで揺らぎを押さえると、かなり良い感じになるのだが、物量をかなり投資
しなければならず、大型化するため価格を抑えることは難しいです。

スイッチング電源の性能は千差万別です。
DC5Vの波形と見ている波形に含まれるノイズをFFT解析した波形です。

比較的優秀なスイッチング電源とリップルノイズも大きく出てオーディオに向かない
スイッチング電源とPCは音が悪いといわれているので参考に。

<今回の測定で使用したスイッチング電源>
スイッチング電源その他 比較的優秀

<スイッチング電源アダプターを使用しているノートPCのUSB電源>
PCのUSB電源

<オーディオに向かないスイッチング電源>
スイッチング電源その他 リップルノイズも出ている駄目な電源

ここで問題が・・・リップルノイズが出る電源まで面倒見ないといけないのか?

リップルノイズが多いDC電源は、当社のUSB・スイッチング電源ノイズフィルターを
使用すると、リップル成分を吸い込んで電圧降下が発生するショボイ電源が存在する。

電圧降下が発生する様な駄目電源は、オーディオに向かないということが分かる
判断材料にして頂こう!

もう少し拡大して見るとまた違った波形が見えてきます。

この波形で見るのと同様に音の変化となって現れます。

次の測定データの上段は、1メモリ10mV 50mmSです。下段は、FFT解析 500KHzまで
の周波数分布です。


<PC USB出力波形>
PC USB出力 10mV
そんなに悪くないと思っていたPCのUSB電源も拡大すると結構ひどい波形でした。


<今回使用したスイッチング電源>
フィルターを通す前の拡大波形
優良と思っていた電源も拡大するとこんなにひどい。


<試作フィルターを通した波形>
FIL-MASTER-PRO&USB電源ノイズフィルター
FIL-MASTER-PROと試作のUSB・スイッチング電源ノイズフィルターを通した測定データです。

FFTを見てください。ノイズ除去フィルターでここまでノイズを無くすと音は
確実に向上しますし、ノイズがあると分かっていると精神衛生よくない。

スイッチング電源アダプターなど小型化された電源では、どんなに優秀でも、
スイッチングノイズが必ず重畳しており、当社の推奨レベルに達していないため、
一線を越えることはできません。

ノイズのない良い電源は、オーディオ機器の能力を何倍にも引き出すことが可能です。

リップルノイズまでとなると小型化は少々難しいが、松竹梅のグレード分けを予定しています。


以前、USBケーブルの違いによってエラー率がどう変わるのかを検証したときに、
USBロゴ認証マークが付いているUSBケーブルが最もエラーが少なく、オーディオ用
と謳ってある物でもエラーが多いという結果になり、ブラインドテストの視聴でも
エラー率と比例して音が良いという結果になりました。

酷いのは、数十行のプログラムが、通信エラーで再送が何万回も発生する現象がUSBケーブルで起きました。

パケット通信で使用するUSBケーブルでなぜ? 電源環境が悪い? エラー率がケーブルの個性?

メガHzを超える速度での通信は、信号がボロボロに壊れ、通信のやり直しを何度も行っているのが現状です。
そのため、理論値の通信速度が出ないのです。

PCは、こんな信号で良く動いているな!と関心しました。

取り敢えずUSBケーブルを購入するのに迷ったら、このマークが付いているケーブルを試してみてください。

USBロゴ認証マーク



 

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