オペアンプ1石で作れるオーバードライブ【自作エフェクタ製作】

 

こんなこと、やります。

  • オペアンプ1石でオーバードライブを作ってみる
  • オーバードライブ動作原理を詳しく解説

オペアンプ1石で作れるオーバードライブ【自作エフェクタ製作】
オペアンプ1石で作れるオーバードライブ【自作エフェクタ製作】

はじめに

この記事では、自作エフェクタのオーバードライブの作り方をご紹介します。

やること

これからご紹介するオーバードライブは、オペアンプ1石で作れるとてもシンプルな電子回路です。オペアンプの非反転増幅回路をベースに、ダイオードを使ったクリッピング回路で歪みを作っていきます。

また本記事ではオーバードライブの回路図だけでなく、動作の原理をくわしく解説しています。理解しながら自作エフェクタを製作してみたいという方は、ぜひ、本記事をご参考になさってみてください。

オーバードライブとは

オーバードライブ(overdrive)とは、元々はギターアンプなどでゲインをあげた時に、過大な増幅で出力音が歪んでしまう状態のことをいいます。つまり、オーバードライブは「酷使」や「過負荷」の意味があります。

その後、1970年代に、意図的にオーバードライブを作り出すエフェクタが登場します。最初はゲインやボリュームなどのノブを持たないものでした。ただし、Maestro FZ-1 Fuzz-ToneやFuzz Face、Big Muffといったファズは、1960年代から作られています。

ディストーション型

1970年にディストーション型のMXR Distortion +が登場します。ディストーション型は、オペアンプで増幅後、ダイオードでクリッピングさせる方式です。

非対称クリッピング型

1977年に発売したBOSSのOD-1では、オペアンプの帰還回路にクリッピングダイオードが挿入されます。また、ダイオードの個数や種類を非対称にすることで、より多くの倍音を得ることを狙っています。

対称クリピング型

1979年に、IbanezのTS-808 チューブスクリーマ登場します。BOSSのOD-1と同様、クリッピングダイオードは帰還回路に挿入されますが、組とするダイオードは同じもので対称になります。非対称型くらべ、素直な歪が得られます(個人的感想)。

この記事で紹介するオーバードライブも、チューブスクリーマのような対称クリピング型になります。

つかうもの

この記事で電子部品を紹介します。なお、エフェクタケースやフットスイッチ、ジャックなどは、このページの末尾で紹介してますので、ご参考になさってみてください。

オペアンプ

オペアンプはTL072をオススメしておきます。TL072はFET入力型のオペアンプで、入力インピーダンスが高く、高周波特性も優れています。また何より、安価で手に入りやすいです。4558でもかまいませんがクリーントーンで鳴らす時、若干こもりがちになります。

ダイオード

シリコンダイオード1N4148を2つ使います。小信号用ダイオードであれば代替可能です。

また、ゲルマニウムダイオードに置き換えると、歪具合がガラッと変わりますのでおもしろいです。余裕のある方は、シリコンとゲルマニウムの両方で音の違いを聴き比べてみてください。

可変抵抗

100kΩのBカーブ可変抵抗を1つ使います。

抵抗

1k x 2、100k x 1、1M x 2の1/4W固定抵抗を使います。カーボン抵抗でも金属皮膜抵抗でもかまいません。

コンデンサ

フィルムコンデンサ:0.1u x 1、電解コンデンサ:10u x 1、100u x 1を使います。

自作オーバードライブ回路

オペアンプ1石で作れるオーバードライブ回路図がこちらになります。このオーバードライブ回路を「Overdrive One」と命名させてください。ギターはもちろん、ベースでも使えます。

自作エフェクタ、オーバードライブの回路図
自作エフェクタ、オーバードライブの回路図

回路図の左側が、オーバードライブの歪み音を作るエフェクタ回路となります。巷のオーバードライブ回路を調べると、大半がこのような回路図になっています。ギターやベースでそのまま使えるように定数を定めました。

一方、右側は安定したバイアス電圧を作る回路です。バイアス回路は、分圧抵抗で作ることも可能です。

市販のオーバードライブの核の部分は、大抵このような回路になっています。

オーバードライブ回路図の解説

さて、ここからは回路図をさらに詳しくみていきましょう。

入力インピーダンス

エフェクタ回路では、ギターやベースなどのハイインピーダンス出力の楽器が入力につながります。そのため、エフェクタの入力インピーダンスは高く設計するのが一般的です。ここでも、入力インピーダンスが高い非反転入力を使ってい、ハイ受けを実現しています。

入力にある2つの抵抗の並列合成値が、この回路の入力インピーダンスになります。つまり、入力インピーダンスは500kΩです。ピックアップの出力インピーダンスは数百kΩですので、これで問題ありません。

非反転増幅回路

オーバードライブ回路のメインは、いわゆる非反転増幅回路です。

非反転増幅回路
非反転増幅回路

非反転増幅回路では、RsとRfの2つの抵抗で増幅率が決められます。その増幅率の計算は次のとおりです。

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

ここで、「Overdrive One」の回路をもう一度みてみましょう。

オーバードライブの非反転増幅回路
オーバードライブの非反転増幅回路

「Overdrive One」では、100kBの可変抵抗と、直列に繋がっている1kΩの抵抗の合成抵抗値1kΩ〜101kΩがRfとなります。また、Rsは1kΩですから、先ほどの増幅率の計算式に当てはめると、1〜101倍までの増幅率変化になります。

ただし、Screamスイッチは短絡されているものとします。

ダイオードのクリッピング回路

次に、ダイオードによるクリッピング回路の動作を説明します。

オーバードライブのクリッピング回路
オーバードライブのクリッピング回路

オペアンプのイマジナルショートを考慮すると、オペアンプの非反転入力(3番)と反転入力(2番)はショートしています(オレンジの注釈)。よって、反転入力(2番は)1MΩの抵抗を介して、バイアス電位に落とされます(青の注釈)。交流信号において、バイアス電位は仮想GNDです。また、出力信号がダイオードの順方向電圧(Vf)を超えると、それぞれのダイオードがオンになります(赤の注釈)。よって、ダイオードのVfを超えた出力信号は、バイアス電位へ落とされ、出力信号がクリップされるわけです。

ダイオードによる出力信号のクリップ
ダイオードによる出力信号のクリップ

歪みの大きさを変えるには、ダイオードによるクリップ具合を変えます。その歪みのコントローラーが、100kΩの可変抵抗(Gain)であります。「Overdrive One」では、可変抵抗1つで、クリーンな音から複雑な歪みまでを実現します。

▼ イマジナルショートについて詳しく知りたい方は、これらの書籍をご参考になさってみてください。

Screamスイッチ

フィードバック抵抗Rfに接続されている「Screamスイッチ」を説明します。

このScreamスイッチは、いわば、さらに過激に歪ませるためのスイッチです。

Screamスイッチが短絡の状態では、先に述べたとおり、最大101倍までの増幅率に制限されました。一方、Screamスイッチを開放にすると、Rfは絶縁された状態になります。このことは、Rfが無限大の抵抗であると考えることができます。したがって、次の計算のとおり、理論上は無限大の増幅率を得ることができます。

$$A=\frac{\inf}{Rs}={\inf}$$

もちろん、現実的に信号が無限大になることはありません。ですが、このScreamスイッチの開放によって、激しい歪みが得られることは確かです。音色の印象としては、ディストーションやファズに近くなります。

また、Screamスイッチを開放するとオペアンプが発振し、叫んだような音が鳴ります。これを面白がって、わざと発振させたままにしました。そういうわけで「Screamスイッチ」なのですが、オペアンプを発振させたくない場合は、2つのダイオードと並列に10pFほどのコンデンサを入れれば、落ち着かせることができます。

ハイパスフィルタ

最後に、100uのコンデンサCの役割を説明します。

非反転増幅回路のハイパスフィルタ効果
非反転増幅回路のハイパスフィルタ効果

このコンデンサは、一種のハイパスフィルタの効果をもたらします。

交流信号におけるコンデンサの特徴として、高い周波数になるほど抵抗値が下がり、低い周波数になるほど抵抗値が上がる性質があります。また、コンデンサの容量が大きいほど、低い周波数帯域の信号を通しやすいです。

仮に、コンデンサCの交流的な抵抗をRcとします。

回路図では、RsとRcは直列に繋がっています。よって、増幅率Aは次式で表されます。

$$ A = \frac{Rf+1k}{Rs + Rc}$$

高音域では、Rcはゼロとみなすことができますが、低音域ではRcは無視できません。よって、周波数が低くなるにつれてRcが大きくなるので、増幅率Aは下がります。ですから、ハイパスフィルタ(ローカットフィルタ)と同じ効果になるのです。

もしも、ギターを弾いた時に重低音が気になる方は、コンデンサCの容量を小さくしてみてください。

また、コンデンサCを省略すると、ダイオードのオンオフが激しくなり、音を伸ばした時に不自然に聞こえてしまいます。そのため、コンデンサCは省略しないようにしてください。

ところで、コンデンサCの片側はアースへ落とされています。もしも、コンデンサがなければ、Rsはバイアス電位へ繋がれるはずです。ところがバイアス電位へコンデンサを落としてしまうと、回路がまともに動作しません。実は、これにハマって数時間も費やしました。なぜ動作しないのかは、今でも理由は分かっていません。どなたか分かる方いらっしゃいましたら、ご教授のほどよろしくお願いいたします。m(_ _)m

自作オーバードライブの製作

自作オーバードライブ「Overdrive One」を作るに当たって、銅基板でエッチングして、回路を組み立てました。ここでは、製作のようすをすこしだけ紹介したいと思います。

基板製作

手書きで回路の配線を作成しました。パズルのような感じで、合理的な配線にむけて何度かやり直します。

Overdrive ONEの配線図
Overdrive ONEの配線図

▼ 銅基板にレジストペンで配線を書き、液化第2鉄液で銅を腐食させて基板を作ります(エッチング作業)。ルーターで穴をあけて、背の低い部品からはんだ付けします。

Overdrive ONEの基板製作
Overdrive ONEの基板製作

▼ 可変抵抗は、ジャンパワイヤを使ってホットボンドで固定しました。このままエフェクタケースに入れられるように、スイッチの配置など考えています。

Overdrive ONEモジュールの完成
Overdrive ONEモジュールの完成

以前制作したFuzz Faceを作ろう!NPNシリコントランジスタ版エフェクタ製作もそうでしたが、歪み系エフェクタは、周囲のノイズを拾いやすいのでケースに入れてしっかりシールドすることをオススメします。

オペアンプの入れ替え

また、オペアンプを取り替えられるように、ソケットを取り付けています。最初は4558で試しましたが、クリーントーンの音抜けがわるかったので、TL072を使っています。

いろいろなオペアンプを試して、自分好みのサウンドを見つけてみてください。オペアンプによる音色の違いは【5532・4558・TL072】オペアンプによる音の違いを比較検証してみたに書きました。

ただしこの回路に、オペアンプ5532をそのまま付け替えることは推奨しません。

5532の入力インピーダンスが低いため、1Mの抵抗を入れても100k程度になってしまうからです。どうしても5532を使いたい場合は、前段にFETなどでバッファ回路を設けましょう。

バッファ回路の作り方は、最も簡単なFETバッファ回路【エフェクタ製作】 あたりをご参考になさってみてください。

モジュラーエフェクタ

「Overdrive ONE」は、モジュラーエフェクタとしてラックマウント可能にしました。これ一台あれば、幅広い用途に役立ちそうです。オールインワンなオーバードライブという意味も込めて「Overdrive ONE」と名付けた次第です。

Overdrive ONE Modular Effector
Overdrive ONE Modular Effector

さいごに

今回作った「Overdrive ONE」はなかなか実用的な楽しいオーバードライブに仕上がりました。ゲインを絞ったときはクリーントーンになりますので、バッファアンプやブースターのような使い方ができます。また、ゲインを中にすると管楽器のようなベースファズ【自作エフェクタ製作】で作った音色に近づきます。

さらに、ゲインを大にすれば、いわゆるオーバードライブらしい歪みが得られます。

そして、Screamモードに切り替えた瞬間「過激な叫び」が得られます。もはや、オーバードライブといった雰囲気は存在しません。その叫びに「喜び」!?を感じるのであれば、ぜひScreamスイッチを省略せず付けてみてくださいね。

記事に関するご質問などがあればTwitterへお返事ください。
この記事で紹介した商品
エフェクタ製作オススメ商品

エフェクタ製作に必要なオススメの工具をご紹介します。

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▼ ジャック端子はある程度しっかりしたものを買いましょう。安ものはすぐヘタります。

▼ フットスイッチは一番負荷がかかる部品です。少し高くても、長く使いたいなら頑丈なものを選びましょう。

▼ ギターシールドなどに使うケーブルは、CANAREがオススメです。耐久性が良く、長持ちします。値段もお手頃価格です。

オススメの自作エフェクタ本

エフェクターの電子工作でオススメな書籍を紹介します。どちらの書籍も大塚明先生が書いたもので大変良書だと思います。残念ながら現在廃盤になってしまい品切れまたは高価格になっている可能性が高いですが、もし安く手に入るようなら買っておいて損はないです!

  • 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
  • 疑問だった電子部品の役割がわかってスッキリする

こちらは別の方が書いた本ですが、写真や図が多く初心者の方でも安心して自作エフェクターが作れる内容となってます。実際に製作する時の、ちょっとした工夫もたくさん詰まっているので大変参考になりました。

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