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Raspberry Piのオーディオ出力 その4 - オーディオ出力回路

目次: Raspberry Pi

Raspberry Pi 3のオーディオ出力はHW PWMの出力（矩形波）を何らかのフィルタ回路を通しているのではないか？という疑問を解決するため、オーディオ出力回路を調べます。

会社のみなさまに回路をシミュレーションするLTspiceというツールを教えていただいた（ありがとうございます！）ので、Raspberry Pi 3のSchematics通りに回路を組んで回路シミュレーションをしました。Spiceという名前は聞いたことありましたけど、使うのは初めてです。

私が使っているのはRaspberry Pi 3 model B rev 1.2ですので、rpi_SCH_3b_1p2_reduced.pdfという回路図が該当します。オーディオ出力回路だけ抜粋すると下記のとおりです。

Raspberry Pi 3 model B rev 1.2のオーディオ出力回路

（5/17訂正）
オーディオ出力回路が微妙に違う回路図だった（C58, C60の番号が違う）ので上げ直しました。

前段がRCローパスフィルタ回路、後段がRCハイパスフィルタ回路と思われます。この回路の1ch分をLTspiceで組んでAC特性をシミュレーションしますと、こんな感じになりました。

オーディオ出力回路のAC特性解析

参考までにゲインが -3dBになる周波数（フィルタのカットオフ周波数）に線を足しています。低いほうが1.7〜1.8Hz辺り、高い方が21〜22KHzくらいに見えます。素人目にはfs = 48KHzのとき再生帯域24KHzですから、発生してはならない不要な高周波を落としているフィルタに見えます。

過渡応答特性

フィルタのAC特性はわかったので、矩形波を入れたときにどんな波形になるかも見ておきたいと思います。主に回路の入力やシミュレーション方法をミスっていないか確認のためです。初めて使うので、これで合っているのか？と何かと不安なんです……。

V1の設定を変更して12.5kHzの矩形波を出す設定に変えます。RasPiのPWMは変調速度が少なくとも50MHzはありそう（※）なので、立ち上がり立ち下がりは20nsにしています。

（※）PWMで0と1が交互に出力されるであろうDuty比1/2にすると50MHzとオシロ様がおっしゃっているので、変調速度は50MHzだと思うのですが、本当はもっと速いけど我が家のオシロTektronix TBS 1052Bの測定限界（50MHzモデル）を超えていて、正しく測れていないだけかもしれません。

我が家のオシロは信号の周波数20MHz辺りから波形がミミズみたいになって、何が表示されているのかわからなくなるので、HW PWM信号を直接見るのは無理です。仮に正しく表示できても波形から値を読み取るのは困難ですし、波形の正確性は気にしなくて良いのです。

電圧源の設定

12.5kHz矩形波に対する過渡応答解析

対して実際の出力がこんな感じです。PWMが矩形波に近くなっている中央部分の波形を見ると、オシロの波形とシミュレーションの波形がほぼ同じ波形になっています……よね？

fs = 48kHz, 12kHz Sin波の周波数スペクトル（Raspberry Pi 3）

不明点

Rasberry Pi 3のHW PWMはレジスタに設定した値をDuty比だと思ってずっと出力し続けます。最大値（0x800、設定で変えられる）を書き込むとずっと3.3V、0を書き込むとずっと0V、半分の値を書くと3.3Vと0Vを交互に出力します。特に不思議なところはありません。

Raspberry Pi 3のオーディオ出力はPWMのDuty比を100％に固定すると、なぜオーディオ出力が減衰していくのか？という点が良くわからないままです。以前、ボリューム設定をミスっていたときの波形がわかりやすいです。数カ所でPWM出力がDuty比100％に張り付いていますが、なぜかオーディオ出力は上限値に張り付かず減衰します。

fs = 44kHz, 30Hz Sin波の周波数スペクトル（Raspberry Pi 3）0.4dBゲインあり

LTspiceの過渡応答シミュレーションの結果ではDuty比100％が続いたら0.9Vに張り付いており、減衰するような波形にはなりません。何かシミュレーションをミスっているんでしょうか？それともまだ隠し要素があるんでしょうか……？