ギターエフェクターで使える!オペアンプ回路図特集



エフェクトはeffectで効果という意味だ。だからエフェクター効果というのは効果の効果ということでおかしな日本語になる。他にもAM変調とつい言ってしまう。AMとAmprifier Modulationのこと。つまりは増幅変調の変調ってこでなんのこっちゃわからない。

そんなことはさておき、今回の記事はギターエフェクター製作というより、ギターエフェクターでよく使うオペアンプの実例回路を紹介する内容になっている。

いろいろなエフェクター回路を参考にしているうちに、自分は音色変化の楽しさよりも電子回路の動作に興味を持ってしまった。
そんな中で実験して覚えた回路を紹介していく。

小さな単位に回路を分けて説明しているので、回路の役割や働きを理解しやすいようになっている。
どんな複雑な回路も小さな回路の積み重ねでできているので、ひとつひとつ回路の役割を理解することは重要だ。
自分だけのオリジナルエフェクターを作りたい人にはぜひ参考にしてみてほしい。






バッファー回路


ギターやベースなどのピックアップは出力インピーダンスが高いため、電圧は取り出せても電流を取り出せない。だからピックアップの出力を受け取ってエフェクト処理するためには、入力インピーダンスが十分に高いバッファー回路をはさむ必要がある。
次の回路はどちらとも電圧に対しての増幅はほぼ0dBであるが、出力インピーダンスを十分に下げる効果がある。つまりこれは電流増幅回路とも言える。




実用例はこちら

【自作エフェクター】オペアンプ5532で作るベースギターバッファ回路/アンバランスアクティブDI


ちなみにFETは2SK30Aの他に2SK303や2SK369が代替可能だが、FETの端子は統一されていないので注意が必要だ。どのFETもTO-92パッケージだが表のように端子の割り当てはどれも違っている。



FET 端子(1、2、3の順)
2SK30A S G D
2SK303 G S D
2SK369 D G S





非反転増幅回路


オペアンプによる非反転増幅回路である。
非反転というややこしい名前がついているが、要するに位相は変えずに信号レベルだけを増幅する回路。


増幅率は、抵抗RsとRfによって決まり、次の式で簡単に求めることができる。

$$ A = \frac{Rs + Rf} {Rs} $$

たとえばRs=10kΩ、Rf=100kΩの場合、上の式に当てはめて計算すると11倍の増幅率となる。

Rinは入力インピーダンスとなる抵抗。
また単一電源で動かす場合は、RsとRinにつながっているアースをバイアス電位に接続する。





位相反転回路(インバーター)


今度は位相反転回路(インバーター)の紹介。


非反転増幅回路と同様に、RsとRfの値でゲインが決まる。
$$ A = \frac{Rs + Rf} {Rs} $$


よってRsとRfを同じ値にすることで、信号レベルは変えず、位相だけを反転させる回路ができ上がる。
出力インピーダンスを下げる役割もあるので、反転のボルテージフォロワと言えよう。

また、Rcはドリフト成分を最小限に収めるための抵抗で、RsとRfの並列合成値に設定するのがよい。

Rsの値が入力インピーダンスとなるので注意。
なぜ入力インピーダンスとなるかは、イマジナル・ショートを理解する必要があるため、ここでの説明は省く。



トレモロの原理


ギターエフェクターで使われるトレモロ(振幅変調)の原理を紹介する。

トレモロとはギターの音量を上げ下げすることでウォンウォンと不思議な音がするエフェクターだ。
これをオペアンプで実現するには反転増幅回路が使える。



増幅回路は、RsとRfの抵抗値でゲインが決まるのだった。
$$ A = \frac{Rs + Rf} {Rs} $$

たとえばRfの抵抗値を何らかの方法で周期的に変えることができれば、音量変化させることができ、トレモロ効果が得られるはずだ。

そして、抵抗値が入力信号によって変わる素子がフォトカプラーである。

フォトカプラーとは、LEDと光センサーであるCdSが向かい合ってパッケージされたものである。
実はこれ自分でも簡単に作れてしまう。もし余っているCdSがあれば試してみるとおもしろい。

さて、フォトカプラーの中のLEDを明るくすればCdSの抵抗値は下がり(数100Ω〜数kΩ)、逆にLEDを暗くすればCdSの抵抗値は上がる(数十MΩ)。

だからさきほどの反転増幅回路のRfにはフォトカプラーが使える。

ちなみに振幅変調は英語でAmplitude Modulationという。
AMラジオのAMは振幅変調のこと。
トレモロ回路もその仲間と言って良いかもしれない。





トレモロ回路の実践


トレモロの原理で説明した増幅回路を、LFO(Low Frequency Oscillator)で制御すればトレモロ効果が得られるはずだ。

ところで反転増幅回路を採用した理由は、非反転増幅回路だと1倍以上の増幅からの変化になってしまうからだ。
反転増幅回路なら、簡単に0〜1倍の間で音量を変化させることができる。

そしてこちらが今回考えてみたトレモロ回路だ。


ギター入力の場合はこの回路の全段にバッファー回路を入れておこう。
全段のオペアンプは入力と出力の位相を同じにするためのインバーター。
位相を気にしないのであれば、オペアンプのバッファー回路に置き換えても良いかもしれない。

回路図のRfにフォトカプラーのCdSをつなぐ。
Rfと並列につないでいる47kΩの抵抗は、増幅率が大きくなりすぎないようにするため。

ここではLFO回路の部分は省略する。

さて、実際にトレモロ回路を組み上げて、ギターを録音してみたので参考に。

Fry · Test Tremolo Circuite




LEDドライバー


フォトカプラー内のLEDを点灯させるためのドライバー回路を紹介する。



この回路は電流制御を電圧信号で行うことができる回路といってよい。AnodeとGND間にLEDを接続する。ただし注意としてLEDと直列に1kΩくらいの抵抗を入れるのを忘れずに。そうしないとLEDが壊れてしまう。
また上の回路ではバイアス電圧を可変抵抗で調整できる様にしている。バイアス電位を変えることで、LEDの明るさの中心点を変更することができるのだ。


LFO回路




バイアス回路





ローパスフィルター




この回路は2次のローパスフィルター(LPF)であり、-12dB/octで減衰する。カットオフ周波数は200kHz程度まで可能だ。コンデンサーの0.02μと0.01μがペアになっていて、二倍の関係になるように調節することでその中間値の0.015μFが理論上のCとなる。私は可変抵抗を2連の50kΩにして組んだ。

$$ fc = \frac{1} {2πCR} $$


この記事もオススメ

【自作エフェクター】ベースで使えるローパスフィルター回路


クリッピング回路


歪み系エフェクターで使われるダイオードを使ったクリッピング回路だ。
オーバードライブ、ディストーション、ファズに明確な定義があるわけではないが、一応ディストーションとオーバードライブはクリッピングダイオードの位置が次のように異なっているようだ。

ディストーション



オーバードライブ





絶対値回路


理想ダイオードを利用した全波整流回路で、絶対値回路という。
単一電源の場合ではバイアス回路は設けず、GNDを基準にすること。
なお入力と出力のカップリングコンデンサーは省略している。



波形をみてもわかるが周波数が2倍になっている。ギターのエフェクトに使うとオクターバーのような効果になっておもしろい。この回路はもともと歪系エフェクターに使われておりトランジスタで組み立てられていたのだが、それをオペアンプでやってみたところ同じような効果が得られた。
トランジスタでやる場合は次のようになる。



前段のトランジスタはそのままの信号と位相が反転した信号を同時に作り出すC-E分割回路。その後の2つのペアになった差動回路を通ると周波数が2倍になって出てくる。

歪みを作る場合、奇数倍音と偶数倍音が音色を特徴付ける重要な要素となるようだ。
ゲインを単純に増幅しただけだと矩形波になってしまい、つまりこれは奇数倍音で構成されることになる。一方で偶数倍音を発生させたい場合はこのような回路で強制的に偶数倍音を作り出し、その後クリッピングすることになる。



ミキサー回路




フェイザー回路




自作4連フォトカプラー


フェイザーエフェクターの回路をみると4つのフェイザー回路を使って位相を360°変化させている。このためフォトカプラーを4つ使うことになるのだが、ふとおもしろいアイデアを思いついた。

ひとつのLEDで4つのCdSを制御するフォトカプラーを作れないだろうか?

早速やってみることに。回路は次の様になる。



LEDは光分散のためスモークタイプの3mm赤色LED 70°を使った。CdSは1MタイプのCdSセル(1MΩ)GL5528を使った。


4つのCdSを向かい合わせて並べ、その中心にLEDを配置して半田付けをする。LEDには保護抵抗100Ωを付けている。抵抗なしでLEDをうっかり点灯させてしまうと壊れる可能性があるからだ。(実際すでに自作フォトカプラーを壊してしまった。)



CdSは少しの光でも反応するので外部の光をきっちり遮断することが大切だ。LEDとCdSの間に少し空間を残し、黒のホットボンドでパッケージ化した。



4連のフォトカプラーのでき上がりだ。

ところでフォトカプラーは英語でPhotocouplerである。couplerはcoupleの「対」という意味で、LEDと光センサーが対になっているからだろう。

そこでこの4連のフォトカプラーを「Photoquadrupler(フォトクアッドルプラー)」と命名することにする。(couple → tripple → quadrupleより。)





Photoquadruplerの性能測定


フォトクアッドルプラーの出力抵抗値を測定してみた。
ただし先ほど制作したLEDドライバーでLEDを点灯させている。また、LEDは1kΩの抵抗を挟んでいる。

測定結果はこちら。1.5VあたりからLEDが点灯している。



グラフに表すと次の様になる。



各CdSの出力にばらつきはあるが、エフェクター 用途ではこの性能で十分だった。
4V以降は電圧を上げても抵抗値があまり変わらないので、1.8Vから4Vの範囲で入力電圧を設計するのが良さそうだ。そのとき抵抗値は1kΩ〜2kΩから20kΩ〜40kΩの変化となる。






アナログ開発環境のアイデア


怠け者な私?は共通部分の回路を使いまわせないだろうかと考た。エフェクター回路に触れてみればわかると思うが、バッファーや増幅回路、クリッピングやミキサーなど共通の回路が結構多いものである。
プログラミングだったら関数やクラス化するように、電子回路でも使いまわせる単位にできるのではないだろうかと。そこで写真の様に使いまわせそうな回路を小さな単位でモジュール化してみることにした。



モジュールの入れ替えを可能にするため、ピンの配線はできるだけ統一することにした。この様に小さな単位にすることは入れ替え可能の便利さだけでなく、何か不具合があっても原因を見つけやすいというメリットがある。

配線方法はちょっと変わっているかもしれない。エッチングでプリント基板を製作し、ランド法による半田付けを採用した。



怠け者な私にとってピンバイスでの穴あけ作業はとても億劫な作業だ。ところがランド法なら穴あけ作業を省くことができる。また配線図も上からみてわかりやすいメリットがある。さらに裏面はキレイな平らになるので、そこへシールを貼り付けコメントを書き込むことができるのだ。

しかしこの方法だと強度に不安が残る。モジュールをそのまま過酷な現場のエフェクターに実装するには危険だろう。足で力任せに踏みつけられるエフェクター達。あくまで実験ボード上での使用をオススメする。



エフェクター製作にオススメな書籍!


最後にエフェクターの電子工作でオススメな書籍を紹介しておこう。

どちらとも大好きな大塚明先生の書籍となる。
廃盤になっているようなので品切れか、高価格になっているかもしれないが、もしも安く手に入るようだったらかなりお買い得だと思う。

  • 専門的知識がない方でも、文章が読みやすくおもしろい!
  • エレキギターとエフェクターの歴史に詳しくなれる!
  • 回路での電子部品の役割のがみるみるわかる!

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