オリジナル ノイズゲート 面実装チップ部品ミニサイズエフェクタ自作レポート オリジナル ノイズゲート 面実装チップ部品ミニサイズエフェクタ自作レポート

オリジナル ノイズゲート 面実装チップ部品ミニサイズエフェクタ自作レポート

ノイズゲートを自分で設計

まだ作ったことのないエフェクタの1つ、ノイズゲートを自分で設計してみました。ノイズゲートは、自動的に信号があるときにオープン、信号がなくなったらクローズするボリュームに相当する回路(VCA = Voltage Controlled Amplifier)が必要です。今回は、最も簡単なJ-FETを使ってみました。

普段から誰かが作った回路図はよく見ていますが、自分で考えて回路図を描くことは殆どありませんが、いろいろなエフェクタの回路図を見ながら、見様見真似で作ってみました。

【関連ページ インデックス】

信号処理ブロック図
検出したレベルを上げるDC AMP
ブレッドボードで試作し回路図完成
面実装チップ部品を使ってミニサイズ化
基板到着 部品実装開始
動作をチェック
ケースの穴あけ加工
サウンドサンプル
オリジナル設計のノイズゲート完成!

【追記】その後の改良
【追記】オリジナルラベルを作成し模様替え

中国の激安ノイズゲート「Rowin NOISE GATE」を購入して試してみました



信号処理ブロック図

信号のON/OFFのVCAにはJFET(接合型電界効果トランジスタ)を使いました。動作原理は非常に単純で、GATEにかける電圧で、SOURCE-DRAIN間を流れる電流が制御できます。簡単に言うと、GATEに高い電圧をかけるとSOURCE-DRAIN間が導通し、GATEの電圧を低くするとSOURCE-DRAIN間が閉じる動きをします。

そこで、入力信号のレベルを電圧に変換し、これをJFETのGATEに入れれば、入力信号があるときだけVCAがONになる回路が作れます。

今回は、音質が良いことで、オーディオ回路に頻繁に使われる 「2SK30A」と言うJFETを使いました。BOSSの電子スイッチには、この素子が使われています。

そのブロック図を書いてみました。入力信号のレベルを電圧に変換する回路は、ダイオードと抵抗、コンデンサを使った単純なものです。原理は、入力信号をコンデンサに溜め、DCの電圧に変換します。このとき、入力信号はダイオードで電流が一方通行になっており、入力信号がコンデンサの電荷よりも高くなったときだけ、コンデンサに電荷が溜まるようになっています。コンデンサには大きい抵抗がパラに付いており、溜まった電荷がゆっくりと抜けてゆきます。これにより、信号がなくなったときにバサッと信号が切れずに、なめらかにOFFになる動作をします。


ブロック図(あまり芸がありませんが...)

FETをフルにONにするには、電源電圧と同じレベルの電圧を与える必要があるため、DC AMPでDCレベルを上げています。


FETを駆動するDC AMP信号イメージ

検出したレベルを上げるDC AMP

コンデンサに溜めた電荷(DC電圧レベル)はFETのGATEに与えるには小さいため、この電圧レベルを増幅し、FETを制御できるレベルにする必要があります。単純にオペアンプを使い、DCレベルを増幅しています。

このときの注意点は、一般のオペアンプ(4558など)には「出力反転」と言う現象があります。これは、負電源(-V)や正電源(+V)付近、あるいはこれを超える入力を与えると、出力が逆方向の電圧に反転する現象です。今回のようなGNDと電源電圧の間のDCレベルを増幅するには、この様なオペアンプは使えません。

これには、GNDに近い電圧を入力しても出力反転を起こさない「片電源用オペアンプ」を使用する必要があります。今回は、代表的な「LM358」を使用しています。


DCアンプには使用できない「出力反転」が起こる一般のオペアンプ



ブレッドボードで試作し回路図完成

回路の動作を確認したり、定数を調整したりするために、初めてブレッドボードを購入しました。これは、電子工作や試作のために、ボードの穴に部品のリードを挿して、回路を組むためのものです。¥5,000で購入したポータブルのデジタルオシロスコープで信号の様子を確認しながら、定数を決めてゆきました。

ただし、ブレッドボードは、部品がむき出しになっているためシールド効果がなく、実際に出力をアンプにつないで音を出すと、ノイズが大きく乗ってしまいます。作った回路を実際に万能基板やプリント基板に乗せ、アルミケースに入れれば改善すると思いますが、ノイズレベルはブレッドボードでは判断できません。

ノイズゲートの良し悪しは、ギターの音が減衰してゆくに従って、なめらかにゲートが閉じるかどうかにかかっています。市販のノイズゲートの悪いレビューには、「ブツッと音が切れる」とか、「音の減衰が不自然」などがあります。単純な回路なので、この調整は難しいのですが、一応機能するところまで定数をいじって絞り込みました。ですが、そもそも、もっと良いレベル検出の回路があるとは思うのですが、MXRや他の製品の回路図を見ても動作原理は理解できなかったため、自分の設計を信じて作ってみることにしました。

オリジナル設計した回路図(PDF、動作確認済み、2021/7月)

面実装チップ部品を使ってミニサイズ化

面実装プリント基板を設計

今回も、前回の「Suhr Riotクローン」の制作と同じ様に、面実装チップ部品を実装するプリント基板を制作することにしました。「KiCAD」を使用して両面プリント基板を設計し、2週間弱で基板を製造してくれる中国の「FusionPCB」に発注しました。$5のクーポンをもらっているので、今回も制作費用はゼロ、DHLの送料負担($15)だけでした。


KiCADで設計した基板(パターン図、3Dイメージ画像)

チップ部品の購入

面実装チップ部品は、個人の工作向けに扱っている部品の種類が少なく、20個〜100個の最小購入単位があり、安く購入することが難しいのですが、いつも購入している「千石電商」、「秋月電子通商」、「共立エレショップ」、「Garretto Audio」の4社から、買いやすい部品の種類ごとに分割して購入しました。
以下の様にしました。

●チップ抵抗:共立エレショップ(20個単位だが安い)
●チップコンデンサ:千石電商(1個単位で買える、1個30円くらい)
●面実装IC、FET、ダイオード:「秋月電子通商」(ここでしか売っていなかった)
●ケースやジャックなどエフェクタ部品:Garretto Audio(専門ショップのため種類が豊富)

面実装チップ部品エフェクタ 共立エレショップさんから届いた部品

基板到着 部品実装開始

拡大鏡付き作業台を購入

発注から10日間で注文した基板が、FusionPCBから到着しました。早速部品の実装に入りました。前回のRiot制作時に、面実装チップ部品があまりに小さく、老眼の私には実装作業が辛かったため、今回は虫眼鏡のついた作業台を購入しました。拡大率は2倍弱だとおもいますが、レンズ越しに基板に近づいて見た場合でも、老眼の私にもピントが合いやすく、また両目で見られるくらい十分にレンズが大きいため、快適でした。

ピンセットで地道に部品を取り付け、約3時間で実装を終えました。



動作をチェック

今回はケースに組み込む前に、基板だけの状態で動作を見てゆきました。いつもどおり、PCのフリーソフトで正弦波を発生させ、オーディオi/o(steinburg UR22mkII)から出る信号を基板に入力して行いました。

いきなり回路のミスを発見

残念ながら一発動作はできず、出力に信号は出ていませんでした。それ以前に、GATEの状態を示すグリーンのLEDが全く点灯しない状態でした。

回路をおってゆきましたが、レベル信号を作る初段のオペアンプ(LM358)の入力(3番ピン)には信号は来ていますが、出力(1番ピン)から信号が出ておらず、電源レベルに張り付いた状態でした。

回路図を見直したところ、オペアンプ(−)の接続先がGNDになっており、間違っていました。多分ですが、ブレッドボードで設計を終え、回路図に書き起こした際に間違ってしまったようです。この配線を+4V(リファレンス電圧)につなぎ直し、修正を行いました。

動作は良好 ポッドを回しながら定数を微調整

上記の配線間違いを修正したとところ、ブレッドボードと同じ動作が確認できました。ブレッドボードの際に気になっていたノイズはまったくなく、SNは良好でした。

このペダルには、ギター入力の感度を調整する「SENSE」と、ゲートが閉じる時間を決める「DECAY」の2つのポッドがあります。「SENSE」については、出力の小さいストラトの場合にゲイン不足だったため、初段のオペアンプ(LM358)のゲインが上がる様に定数を調整しました。

オリジナル設計した回路図(PDF、動作確認済み、2021/7月)

ケースの穴あけ加工

今回のケースもRiotを制作した際に使ったのと同じHAMMOND 1590Aを使いました。スイッチやジャック、ポットの穴位置はRiotと同じにしました。

パーツの配置

小さなケース内の部品の配置は、下の断面図を想定しました。LEDは基板直付けのため、位置に注意しながら穴あけ加工しています。基板の固定は、暑さ2mmの厚紙をケースの内側に貼って行っています。

サウンドサンプル

3つサンプルを試聴できます。同じフレーズが2回流れますが、最初がノイズゲートOFF、続いてノイズゲートONになっています。
3つめのロングトーンのフレーズを聞くと、減衰の途中で音が切れてしまうような感じですが、ライブでの演奏であれば、十分に対応できるレベルと思います。
弾いていない間は完全に無音になるため、ディレイやリバーブなどのエフェクトが際立ってきれいに聞こえます。

ストラトでRiotの様なハイゲインディストーションを使うと、ノイズが気になって仕方がなかったのですが、このノイズゲートを入れると、ディストーションサウンドが切り取られ、塊になって聞こえ、迫力が増し、ボリュームが上がったように感じます。

サンプル:短く音を切ったサンプル、DECAYを長めにしています(MP3)

サンプル:コードフレーズサンプル(MP3)

サンプル:ソロ、ロングトーン、ポットを調整しましたがこれが限界です(MP3)

サンプル:ソロ、ロングディレイを付けた場合、ディレイが際立ちます(MP3)

録音環境は:

ギブソンレスポール(リア・ハムバッカー) → 自作ノイズゲート → 自作Riot → MOOER Preamp006 (Fender blues deluxe クリーン、キャビネットON) → UR22mkII → DAW(Studio One)

上の写真からアップデートした最新のエフェクターボードはこちら

オリジナル設計のノイズゲート完成!

今回のケースは、シルバーの網目塗装がされた「シルバー ハンマートーン」と言う色です。「N」のイニシャルマークとノブの名称のシールを貼り、完成させました。

【追記】その後の改良

FETのゲートをスムーズに閉じるために、オペアンプのリファレンス電圧を作る回路を、抵抗による分圧回路から、ツェナーダイオード(D5)による安定化回路に変えてみました。ここからは想像ですが、初段のLM356のリファレンスが安定し、その結果、レベル信号の精度(ノイズに対する堅牢さ?)が上がったように感じます。現象としては、ゲートが閉じる際の音が、以前はバタバタと暴れる事がありましたが、ほぼなくなりスムーズになりました。

また、レベル信号の電荷を貯める電解コンデンサ(C7)にパラにダイオード(D6)を入れてみました。本来なら、この回路では、C7の電荷のレベルがマイナスに振れることは無いので、ダイオードは無意味ですが、リリースタイムを小さくしたときのゲートが閉じる際の音が、スムーズになった様に感じます。ここからは想像ですが、整流のためのショットキーダイオード(D1)に逆バイアスがかかったときの漏れ電流で、以前はC7に若干のマイナス電荷が溜まっていたものを、この追加したダイオードで防ぐように働いているかも知れません。

さらにFETのGATEのラインにコンデンサ(C14)を入れています。これは、FETのGATE信号のノイズを取ることと、急峻な立ち上がりのエッジをなまらせて、ポップノイズを軽減させることが狙いです。波形で見ると確かにエッジが取れていますが、聴感上は、あまり変化が無いかも知れません。

この様なアナログ回路の改良は、ちょっとしたことの積み重ねで変わってくるものだと実感しました。また、なにかアイデアを思いついたら、試してみます。

【追記】オリジナルラベルを作成し模様替え

ステッカーシールですが、オリジナルのラベルを作成してみました。フリーの素材をダウンロードし、デザインした後、専用のステッカーシールにインクジェットプリンタで印刷しています。

自作エフェクター オリジナルラベルの作り方(←パワポでの作り方)

中国の激安ノイズゲート「Rowin NOISE GATE」を購入して試してみました

中国の激安ノイズゲートは素晴らしい音がする!

中国のミニサイズエフェクターが数多く発売されており、その中にノイズゲートもあります。元々は、MOOERと言う会社が作ったNOISE KILLERのコピー品らしいものが、DonnerとRowin、NEEWERの3つのブランドで売られています。SOUNDHOUSEでなんと、¥2,980で買えます。

そこで、Rowinと言うブランドのノイズゲートを買って試してみました。到着するやいなや、エフェクターボードに入れている自作したNOISE GATEと交換し、音を出してみました。

結論から言うと、出音は素晴らしく、脱帽モノです。NOISE GATEで一番難しいとされる、音がOFFになる間際の音の消え方ですが、とにかく絶妙で違和感が全くありません。逆にピッキングのニュアンスについても、NOISE GATEをOFFにしている時と比較すると、確かにピックが弦に当たったときの音がソフトになり違うのですが、違和感があるかと言うとそうではなく、弾き方で何とでもなる範囲です。

Rowin NOIZE GATE disassemble 1

Rowin NOISE GATEを分解、内部を観察

早速分解して、中の基板を観察してみました。何を処理しているかは未だわかりませんが、LF353のオペアンプが6個使われており、さらに心臓部のゲートコントロール部分には、THAT2180という高性能なVCAが使われています。予想を遥かに超えた複雑な処理と、正統派のVCAチップによるボリュームコントロールが行われているようです。ノイズ「ゲート」と言うよりも、インテリジェントな「オートマチックボリューム」といった感じです。

GATE disassemble 2

GATE disassemble VCA chip

この内容のエフェクターを¥2,980円で販売できる中国のコスト力は、敵うものはないかもしれません。自分が自作したエフェクターでは、ケースだけで1500円かかっているのに...。

Rowin NOISE GATEの回路はおそらくISP Decimator?!

この回路は、MOOERと同じらしいことが、海外のエフェクターマニアの間で言われています。筐体の形やスイッチ、LED、ポットの位置まで同じですので、OEMでもしているのかと思ってしまうほどです。

ネットに転がっている、ノイズゲートの名器とされる「ISP - Decimator 」の回路図を見ると、「THAT 2181」が使われていて、Rowinと同じVCAです。回路図は10個を超えるオペアンプの三角マークがあり、Rowinの基板のLF353の個数と一致します、もしかしたら、この中国ノイズゲートは、Decimatorが基になっているのかもしれません。

アナログものは直ぐにコピーされてしまいますね。最初にこの回路を設計した人は、多分相当苦労したと思います。

とにかく安いし高性能ですので、気になる方は買ってみて、損はないと思います。

ISP Technologiesのホワイトペーパーを読むと...

ISP Technologiess社のホワイトペーパー(技術白書)を読むと、Decimatorは入力のレベルに反応するゲート(ON/OFF)スイッチではなく、エキスパンダーの技術を使っていると書いてあります。レベルがスレッショルド(しきい値)より小さくなると、ゲートを閉じるのではなく、音量を急峻に絞る(エキスパンダーのレシオを上げる、可変応答比率を上げる)のだそうです。これにより、音がプツッと切れるのでなく、フワッと消える出音が作られているそうです。

また、ギターの音量レベルを検出する部分に「時間ベクトル処理」と言う技術を使っていて、スレッショルド付近で、ノイズによりレベルがバタバタと変化する現象が起こらないように、レベルのエンベロープをなめらかにするそうです。

これらをオペアンプとVCAチップのアナログ回路でどの様に実現しているのか、興味津々です。

ゲートのON/OFF状態を表示するLED追加を模索中

何でも目で見て確認したい性分のため、このRowinにもゲートのON/OFFをLEDで表示できないか、回路基板を観察しています。THAT2180のVCAチップの周りを見ていますが、どうもこのRowinは、ISP Decimaterの回路に酷似しているようです。レベル検出部分は抵抗の定数まで全く同じようです。

THAT2180は、2番ピンがVCAコントロールの信号入力ですので、ここに入る信号(LF353の出力、下写真の赤丸)をLED点灯の信号に使えば実現できると思います。

オシロで観察したところ、VCA制御信号(LF353の出力)は、ゲートOFF時に約0.8V、ゲートON時に約4.5Vに変化しています。そこで、2VくらいでLEDが点き初め、4Vで完全に点く様に考えてみようと思います。

下のような回路でLEDを点けるようにしてみました。トランジスタのエミッタ側に、LED(Green)とダイオードを入れて、順方向電圧(VF)を利用してLED(Yellow)の点き始めを調整しています。LED順方向電圧はVF=1.8〜2.6V、1N914はVF=1.0Vです。スレッショルドが-40dBくらいから、音が実際に聞こえ始めますので、ここから点き始めるようにLEDと1N914の本数を調整しました。点き始めをもっと遅くしたければ、もう1本1N914を追加しても良いと思います。

 GATE level indicator schematic

自作のノイズゲートはお蔵入りとし、このRowinノイズゲートをしばらく使ってみることにします。

 GATE level indicator

Rowin NOISE GATE level indicator



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