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PAM8403搭載のローコストデジタルアンプモジュールを購入

 電子工作するのに、小型のアンプモジュールをストックしておくと何かと便利です。ということで、Aliexpressから PAM8403というチップを使ったデジタルアンプモジュールを買ってみました。

▼Aliexpress のPAM8403搭載デジタルアンプモジュール
AliexpressのPAM8403デジタルアンプ
 この商品の Aliexpress のページはこちら

 これは3Wのステレオデジタルアンプモジュールで、値段は何と10個で送料込みで1.64ドル。つまり一つ約20円という衝撃価格です。

▼PAM8403モジュール到着
PAM8403搭載基板
 チャイナポストのトラッキング無し郵便で、注文から到着まで約10日で届きました。10個買ったのですが、写真のようにVカットされたままの状態で届きました。使う時は折り曲げて切り離すことになりますが、バラバラになっているよりこの状態の方が保管し易いです。

▼切り離したモジュール
PAM8403デジタルアンプモジュール
 下辺が信号の入力と電源。上の辺が出力端子です。BTLなので出力の二つの端子はどちらもGNDレベルから浮いています。なお、シルク印刷されている+、-の記号が間違っているという指摘がネットのあちこちに書かれていますが、そのあたりの話はあとで触れたいと思います。

▼標準接続図 (PAM9403のデーターシートより抜粋)
PAM8403接続図
 この図はTypical Apprication の回路図です。購入した物はRiが10kΩでした。コンデンサは、先人の方の解析結果によると、0.1μFと10μFの2種類だけが使われているようです。

 スピーカーの配線の上側に赤字で追記したのが基板のシルク印刷の極性で、PAM8403の端子名の極性とは逆になっています。

▼ブレッドボードに刺さるようにピンヘッダをはんだ付け
PAM8403アンプにピンヘッダを実装
 そのままではテストがやり難いので、ピンヘッダをはんだ付けしてブレッドボードに刺さるようにしました。なお、この基板の穴ピッチは2.54mmグリッドから微妙にずれているので注意が必要です。特に向き合う辺の穴間隔は7.5グリッドくらいになっているので、ピンヘッダの短い方の足を微妙に曲げて7グリッドになるように補正しました。

▼ブレッドボードで動作確認中
PAM8403をブレッドボードでテスト

PAM8403のテスト
 全体像です。スピーカーのインダクタンスが必須な回路になっているので、ダミー抵抗のような負荷は使えません。ということで、小さなスピーカーを接続してテストしました。BTL出力なので、差動測定する必要があるため、オシロのプローブを二本使っています。

 以下波形を見て行きます。波形は二つあり、上が入力信号で、下がアンプの出力端子の電圧です。信号源にはファンクションジェネレーターを使っています。また、アンプの電源電圧は3Vに設定しています。

▼無信号時
PAM8403無信号時
 入力信号が無いのに、出力端子には周期4.5μsで±3Vのパルスが交互に出ています。とは言っても、パルス幅は0.4μsしか無いので、スピーカーのインダクタンスの効果で、流れる電流はごくわずかになるはずです。なお、この写真のトリガは出力パルスのプラスエッジで掛けています。

▼入力信号ありの場合
信号入力あり
 一つ上の写真と同じ状態で、入力信号を加えた場合です。下側の出力波形が変化しています。もちろんスピーカーから音が出ています。

 これでは判り難いので、以下の写真では入力信号でトリガをかけます。

▼三角波の場合の波形
三角波応答
 三角波を入力した状態です。下の出力波形は、パルスの密度が入力波形で変調されている様子が良く判ります。これぞBTL出力のデジタルアンプ、という波形になっています。詳しく見ると、入力に対して出力波形は上下が反転していることが判ります。

 シルク印刷のプラス側にオシロの差動プローブのポジ側を接続しているので、シルク印刷を基準にすれば、このアンプは反転アンプ、ということになります。

 もう少し波形を見ていきます。出力ピンを見ても波形の様子が判り難いので、コイルと抵抗で簡単なローパスフィルタを作ってアナログ波形を観察することにします。具体的には、47μHのインダクタと8.2Ωの抵抗を直列にしたものを出力に接続し、8.2Ωの抵抗の両端電圧をオシロで観察します。なお、スピーカーは接続したままです。

▼正弦波の入力波形
大振幅正弦波
 ローパスフィルターを通したので波形が判り易くなりました。

 入力に対して出力波形が反転していることが良く判ります。また、大入力を加えた状態なので波形が少し歪んでいます。出力波形の幅が少し広いのは、スイッチング成分が少し残っているためです。なおこの写真の信号の周波数は1kHzです。

▼出力が飽和した状態
出力飽和波形
 上側が先にクリップしています。

▼高い周波数に対する特性
20kHzの応答
 周波数20kHzの矩形波を入れた状態です。しっかり喰らい付いていて、たいしたもので、流石デジタルアンプです。

◆出力端子の極性の話
 出力端子の極性について話を整理しておきます。結論を先に書くと、シルク印刷の極性は間違っているようです。

 こういう話はデーターシートを読むだけで結論を出せると良いのですが、ややこしいのは以下のブロック図です。

▼内部ブロック図(PAM8403のデーターシートより抜粋)
PAM8403ブロック図
 信号の極性を追うと、1段目のアンプはゲインコントローラで、ここでは信号の極性は変わりません。二段目のアンプは反転アンプになっているのでここで極性は反転します。その後の出力部の回路で極性がどうなるのかが書かれていないので、最終的な極性は判りません。

 出力端子に+OUT_Rと書かれていますが、これが出力部の極性なのか、アンプ全体の極性を表しているのかが判らないので、データーシートから結論が出せなかった訳です。

 で、しつこいですが実測した結論に基づき、このブロック図を使って説明すると、IN に入った信号の極性はそのまま増幅されて+OUTへ出ます(-OUTには逆極性で増幅されます)。つまりシルク印刷されている出力の極性は間違っています。

 (混乱するので括弧付きで書いておきますが、反転アンプと思えばシルク印刷は正しいです)

◆まとめ
 格安なパワーアンプが大量に手に入りました。持っていれば重宝すると思います。かなりのパワーがあるので、音に合わせてパワーLEDをバシバシ点灯させるようなことにも使えそうです。

 今回の調査では、世の中のオーディオアンプの入出力の極性がどうなっているのかが気になって、いろいろ調べてみました。しかし、検索して出てくるのは、電源の差し込みプラグの極性の話とスピーカーの片側逆接の話ばかりでした。まあ、アンプの入出力の極性なんて、マルチアンプとかやらなければ、全く問題にならない話ではあります。
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デジタルアンプの評価をするための、参考記事が欲しかったので助かります。
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これは最底辺のアンプですが、もっと上のクラスのアンプがどうなっているのか気になってます。
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