VCA V2164を使ったISP Decimator MOD 自作レポート

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ISP Decimator MOD

VCA V2164を使ったISP Decimator MOD 自作レポート

自作ギターエフェクターの作り方を一覧で紹介

エフェクタ自作歴代作品自作エフェクトペダルの一覧ページから、好きな記事を探してみてください。ペダルを使用したオリジナル楽曲もあります。

【目次】

● ISP Decimator の技術に興味津々で自作してみました
● Decimatorの巧妙な音量コントロール
● VCAデバイスの選定
● 2系統のノイズリダクションを作ってみることにしました
● 回路図と内部動作
● エフェクタメーカー製品の様にワイヤーを最小限にした設計
● チップ部品を基板に手ハンダ（Hand-soldering）
● ケースの穴あけ加工
● 基板の動作確認
● 応答特性
● サウンドサンプル
● ケースに組み入れて「Breath Holder」完成

ISP Decimator の技術に興味津々で自作してみました

ギター用のノイズゲート、ノイズリダクションといえば、ISP Decimatorが有名です。ノイズが大きく出てしまうハイゲインのディストーションを多用するヘビメタ系では、よく使われているそうです。

私はヘビメタ系はやらないので、そもそも、ノイズゲートはそれほど必要ないのですが、評判が良い中国の激安ノイズゲートを買ってみて試したところ、出音が素晴らしく、仕組みに興味津々でした。回路を調べたところ、どうもISP Decimatorのコピーっぽいことがわかり、Decimatorの技術にどんどん興味が湧き、作って見ようと思い立ちました。

ISP Decimatorは、出力をON/OFFするノイズゲートというより、エキスパンダー（コンプレッサーの逆）の技術を応用した、ノイズリダクションの動作をします。一昔前にあった、DBXやDolbyの技術に似ています。

Decimatorの巧妙な音量コントロール

VCAによる音量制御

ノイズリダクションを行うための音量のコントロールをするデバイスがVCA（Voltage-Controlled Amplifier）です。電圧信号で音量を変えられるデバイスです。

Decimatorは、ギターの入力音をレベル信号（エンベロープ）に変え、この信号でVCAを制御しています。入力音が大きいときにはVCAをスルー状態にし、小さいときには音量に合わせてレベルを絞る様な動作です。音が小さくなったときに、いきなりスパッとボリュームをゼロにするのではなく、だんだんボリュームを絞る動作をするところがミソで、これにより、ギター音が減衰したときの不自然な音の消え方が軽減されます。

DecimatorのVCA制御信号生成回路を調査

ネットに転がっているDecimatorの回路図を基に、VCA制御信号生成回路をブレッドボードに組み上げて、その動作を調べるところから始めました。Decimatorの音量制御回路には、ISP社が特許を取得しているらしい「Time vector processing」(時間音量処理？)と言う技術が使われています。中身はオペアンプとダイオードで作られる音量信号の帰還回路です。

DecimatorのVCA制御信号生成回路を調査

通常、ギター入力などの音声信号を音量（レベル）信号にするには、信号をダイオードで半波整流し、コンデンサで平滑するのですが、ギターのハムノイズやギター音そのものにより、音量（レベル）信号が波形に追従してしまい、音が減衰したときに、レベル信号が上下に乱れる（バタバタと振動する）現象が起きます。音量の変化（エンベロープ）がギザギザになり、VCAでの音の減衰が荒れて不自然になってしまいます。

Decimatorの「Time vector processing」は、これを改善する巧妙な技術です。信号を平滑する回路に、追従の早い平滑回路（Fast time constant）と、変化がなめらかな追従の遅い平滑回路（Slow time constant）の２つを用意します。オペアンプの差動増幅（早い平滑回路から遅い平滑回路の信号を引き算する）を使って得た補正信号を遅い平滑回路にフィードバックして加えることで、追従の早いエンベロープに適応して、レベル信号がなめらかに（追従の遅い時定数で）変化するようになります。その結果、ギター入力への追従性と、音の消え際の滑らかさが両立するようになります。

興味のある方は、ISP社のホワイトペーパーにある2ページ目の図を参照してください。下の「回路図と内部動作」に、私なりの解説を記載しています。

VCAデバイスの選定

Decimatorで使っているVCAチップを「V2164」に変更

ネットに転がっているDecimatorの回路図を見ると、VCAに「THAT2181」が使われています。中国の激安ノイズゲートも同じシリーズの「THAT2180」が使われています。ただ、このチップは、国内の通販では扱っているショップがありませんでした。

同様のVCAデバイスに、アナログシンセのVCAモジュールによく使われているCoolaudio社「V2164」があります。これであれば、そこそこの価格で購入できるため、これを使ってみることにしました。(GarrettAudioに在庫があるみたいです。秋月電子通商も扱っていたのですが、2022/11現在、品切れになったみたいです。)

Coolaudio V2164

VCAチップ「THAT2181」と「V2164」の違い

これらのVCAチップは、制御信号端子へ与える電圧で、入出力の抵抗値が変わる動作をします。デバイスマニュアルに載っている標準回路では、オペアンプの反転増幅器の回路の入力抵抗の位置にこのチップを挿入するような使い方が推奨されています。

この２つの大きな違いは、「THAT2181」は制御信号の電圧を上げると入出力の抵抗値が小さくなり音量が上がるのに対し、「V2164」は電圧を上げると抵抗値が大きくなり、音量が小さくなります。この２つのチップの制御信号の動作は逆になっています。

SSM2164 VC
SSM2164（V2164の先発チップ）のマニュアルの記載

「V2164」を使うための制御信号を生成するには、Decimatorの回路をモディファイする必要があります。

2系統のノイズリダクションを作ってみることにしました

「THAT2181」は1回路のVCAが入っていますが、「V2164」には4回路のVCAが入っています。DecimatorのG-Stringと言う機種には、ギターの入力に追従して、プリアンプとパワーアンプのセンド/リターンの間にVCAを入れて、ノイズリダクションが行える機能があります。

そこで、「V2164」のVCA回路のうち2回路を使って、１つはギター入出力、もう1つはギターの入力に追従するセンド/リターンの２つを入れてみることにしました。

私はアンプのセンド/リターンは使わない（そもそもギターアンプを持っていない）ため、無音時でも「サー」と言うホワイトノイズが大きいハイゲインペダル（RiotとBB-Preamp）のラインに挿入して使うことを想定しています。スイッチャーのハイゲインペダルのループにこのセンド/リターンを挿入して、ハイゲインペダルを使っているときだけ、2つ目のノイズリダクションも同時にかかるようにしてみます。

常時掛けっぱなしで使用することを想定しています。

さらに、1つ目のギター入力にかかるVCAには無効にする（スルーにする）スイッチをつけ、ハイゲインペダルだけにノイズリダクションがかかる使い方もできる様に考えてみました。

回路図と内部動作

今回作ってみた回路図は以下のとおりです。抵抗やコンデンサが、パラレルまたはシリーズになっている箇所がありますが、これはちょうど良い定数の表面実装部品でが入手できず、合成抵抗/容量で設計しているためです。

●自作したノイズリダクションペダルの回路図（PDF）

次のように信号が処理されています。この内容は私の自己解釈であり、ISP社から正式発表されているものではありません。

１）ギター入力のレベル検出

入力ジャックからのギター信号は、入力バッファ（U1B）を通りハイゲイン（+72dB）のオペアンプ（U6A）に入ります。+72dBも増幅すると当然オペアンプがオーバーフローしますので、帰還に双方向のダイオード（D2、D3）があり、オーバドライブペダルと同様に、オペアンプがオーバーフローしないように、先にクリップさせています。

続くオペアンプ（U6B）は、位相反転アンプです。ダイオード（D4）でオペアンプ（U6A）からの正相の波形を半波整流し、反転させたオペアンプ（U6B）からの逆相の波形をダイオード（D6）で半波整流し、これを合成して全波整流しています。

その後に、追従の早い平滑回路（Fast time constant）として、コンデンサと抵抗の回路（R44、C14、C29）があります。この回路に溜まった電荷をオペアンプ（U7A）でバッファし、ギターの入力に早く追従するレベル信号を生成しています。

２）スレッショルドレベルとの比較

生成されたギターの入力レベル信号（U7Aの出力）は、NPNトランジスタ（Q3）でスレッショルドと比較されます。別途オペアンプ（U8B）で生成されたスレッショルドレベル電圧（THRES）がトランジスタ（Q3）のコレクタに接続されており、この回路により、ギターの入力レベル信号がスレッショルドレベル電圧よりも小さい部分の入力レベル信号がトランジスタのエミッタに出力されます。スレッショルドレベルを超えた場合は、スレッショルドで飽和し、エミッタ出力が入力レベルに反応しないようになります。このようにして、コレクタに印加するスレッショルドレベル電圧で、ギター入力への感度（Sensitibity）が調整されています。

３）Time Vector Processing

ISP社の特許でもあるTime Vector Processingの動作は、２つのオペアンプ（U7B、U5A）で行われています。オペアンプ（U5A）で追従の早い平滑回路（R44、C14、C29）と、追従の遅い平滑回路（R61、R49、C15、C30）の差を求め、差分をフィードバック（R50、D8を介して）して加算することで、ギターレベル信号のエンベロープに適応(素早く追従)し、同時になめらかなエンベロープを作っています。

この回路はフィードバック制御ですので、動作を説明するのが難しいのですが、差動オペアンプ（U5A）で求めた追従の早い平滑回路の電圧から追従の遅い平滑回路の電圧を引いた差分（U5Aの出力）が、追従の遅い平滑回路に溜まっている電荷（C15、C30）よりも小さい場合（この比較はダイオードD8で行われる）に、電荷（C15、C30）を抜く（電圧を下げる）様に動作します。

結果的に追従の早い平滑回路のエンベロープに沿うように追従の遅い平滑回路の電荷（C15、C30）が変化します。これにより、追従性は早い平滑回路（R44、C14、C29）の時定数を保ちますが、エンベロープのなめらかさは追従の遅い平滑回路（R61、R49、C15、C30）の時定数が維持されます。ギター入力への追従性の速さと、音が減衰する際の消え際の滑らかさが同時に実現されます。

Decimatorの回路図では、追従の遅い平滑回路の時定数を決める抵抗（R61、R49）は10MΩですが、試した結果、追従が遅いと感じたため、２つの抵抗で、半分の5MΩにしています。

４）VCA制御信号生成

最終的にVCAに与える制御信号は、オペアンプ（U5B）で生成されています。使用するVCA「V2164」は、Decimatorの「THAT2181」と制御電圧の方向が逆ですので、出力が逆になるようにオペアンプ（U5B）への（＋、－）差動入力信号を、Decimatorの回路とは逆にしてあります。オペアンプには、数箇所スレッショルドが加算されていますが、これは、前段のトランジスタ（Q3）により、信号レベルがスレッショルドレベルに飽和させているため、このつじつま合わせをするためのものです。

これにより、信号レベルがスレッショルドを超えた場合に、VCAのゲインがフルになり、スレッショルドレベル以下の場合は、入力レベルに応じてゲインが決まり、エキスパンダーの様な動作をします。

生成された制御信号は、VCA「V2164」の3番ピン、14番ピンに入力されています。

５）VCA回路

VCA「V2164」の回路は、デバイスマニュアルの推奨回路と同じです。反転増幅オペアンプ（U2B）の負入力の抵抗（R13）の間にVCAの入出力が挿入されています。
オペアンプ（U2B）で位相が反転するため、元の位相に戻すために、反転オペアンプ（U3B）を介して、出力ジャックに出ています。

６）レベル表示回路

NPNトランジスタ（Q2、Q1、Q4）で構成される回路は、VCAの制御信号に追従して、LEDを点灯させるためのものです。トリマー（TM1）で、LEDが点き始める入力レベルが調整できます。VCAがスルー状態になっているか、レベルを絞った状態になっているかを見るための目安に使っています。この部分は無くても動作には影響ありません。

エフェクタメーカー製品の様にワイヤーを最小限にした設計

プリント基板上にポットと入出力ジャックを実装

前回の「DM-3 BBD追加ディレイタイム延長MOD」自作と同様に、今回も一般のエフェクターメーカーの製品のように、プリント基板上にポットと入出力ジャックを実装して、ケース内の配線を最小限にする設計をしてみました。

トグルスイッチとポット、入出力のフォーンジャックをプリント基板上に実装しています。

使用した部品の選定の詳細は、「DM-3 BBD追加ディレイタイム延長MOD」のページを御覧ください。

CLIFF S4 ALPS RK09

KiCADで表面実装プリント基板を設計

今回も、面実装チップ部品を実装するプリント基板を制作しました。「KiCAD」を使用して両面プリント基板を設計しました。ポットやフォーンジャック、DIP型ICの表面実装版は、KiCADのライブラリには用意がないため、自分でフットプリント（部品の形状データ）を作成しました。

V2164 noise reduction pedal pcb 1

V2164 noise reduction pedal pcb silk print

KiCad基板設計データ

「KiCad (Windows 64-bit) Version: (6.0.4), release build」を使用して作成したKiCADデータです。回路図と基板デザインデータ、自分で追加した部品データが入っています。このデータの利用規約については、添付の「readme.pdf」を御覧ください。

■KiCad基板設計データ（zip）

プリント基板は「PCB gogo」に発注しました

今回も前回同様「24時間」以内に製造してくれる中国深センの「PCB gogo」を使ってみました。実際に製造は24時間で終わり、DHLで出荷から3日で到着しました。土曜日の15時に発注し、翌週水曜の午前中に到着しました。いままでで最短でした。

V2164 noise reduction pedal pcb gogo

基板の品質は申し分なく、気になっていたシルク印刷も鮮明に印刷されており、まったく問題はありませんでした。PCB gogoの製造費用は10枚で$5です。DHLの配送を含めても、$25で制作できました。中国企業のコストには、どこも追従できないのではないかと思います。

V2164 noise reduction pedal pcb completed

チップ部品を基板に手ハンダ（Hand-soldering）

面実装部品は本当に小さく、ピンセットを使ったハンダ付け作業になります。もう慣れてしまいましたが、私のように老眼持ちは、かなりしんどいですが、楽しい作業でもあります。

電源部分に使う47μFのコンデンサは電解を使っていますが、それ以外の1μF以下のコンデンサは、全てチップ部品の積層セラミックコンデンサです。

DIP型のICは、足の細くなった部分を横に曲げて短くカットし、表面実装を行っています。ポットは基板実装タイプ（ALPS社製 RK09Lシリーズ）を千石電商で購入し、取り付けています。トグルスイッチは、一般のものを基板に実装しています。

また、フォーンジャックはCLIFF社製の基板実装タイプですが、ケースの内側の幅にピッタリ合うようにハンダ付けする必要があります。HAMMOND社のケースは、蓋の方に向かって、台形に2mmほどサイズが大きく広がっているため、ケース寸法の誤差を考慮してリード穴を細長く作っています。基板にジャックを挿し、実際にケースに当てて見て、ジャストの位置を決めてからハンダ付けしました。

CLIFF S4 Coolaudio V2164

ケースの穴あけ加工

今回はポット、LED、ジャックをすべて基板に実装しているため、その部品位置に合わせて穴あけを行う必要があります。確実に位置を出せるように、基板をケースの底に置き、穴位置の印をペンで書いて合わせました。側面のジャックの高さは、ポットの寸法図と基板の厚さ、ジャックの寸法図を参考に慎重に決めました。

取り付ける部品の中央位置が決まったら、穴位置をズラさないように、センターポンチで穴の中央を凹ませてから、凹みを中心に最初に1.2mmのドリルで小さな穴を開け、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm ... 6mm の様に穴を広げてゆきました。6mm以上はハンドタイプのテーパーリーマーで広げました。

２個のLEDのハンダ付けは、ケースに穴を開けた後で行いました。高さを確実に合わせるために、LEDのリードを基板に通した状態で、ポット、ジャックをケースに仮止めし、ケースの穴からLEDの頭が出るようにしてからハンダ付けしました。

V2164 noise reduction pedal pcb enclosure processing

基板の動作確認

動作確認は、PCのフリーソフト（WaveGene）を使用し、宅録で使っているオーディオ・インタフェース（Steinburg UR22mkII）からの正弦波を入力して行いました。

毎回そうですが、残念ながら一発動作にはならず、原因をオシロスコープで追ってゆきました。その結果、オペアンプの＋－の極性が、回路図を書いたときに間違っている箇所があり、パターンをカットし、ワイヤーでつなぎ直して対処しました。ブレッドボードで動作確認したときと全く同じ動作が確認できました。

V2164 noise reduction pedal operation check

応答特性

400Hz正弦波を入力したときのアタックタイム（レベル追従立ち上がり時間）とリリースタイム（レベル信号が元に戻る時間）を測ってみました。

下が400Hz正弦波（黄）を入力してからVCA制御信号（青）が完全に立ち上がるまでの時間を計測した様子です。VCAが0dBに開き切るまでに300us(=0.3ms)かかっています。この時間は、3.3kHzの1周期に相当しますが、実際のギター音では、追従の遅れは感じないと思います。

下が、入力した400Hz正弦波（黄）を切ってからVCA制御信号（青）が元に戻るまでの時間を計測した様子です。制御信号が元に戻るまでに約500msかかっています。ただし、波形が半分程度戻った位置で-20dB以上の減衰率となりますので、聴感上はもっと短く感じると思います。

サウンドサンプル

自作したノイズリダクションペダルの後にディストーション（BB-preamp、GAIN 2時）を通したサウンドサンプルです。

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。

ギター出力にVCAを通した場合（センド/リターンのVCAは未使用）

録音環境は：

フェンダーストラト（リア・ハムバッカー） → 自作ノイズリダクション(VCA1のみ)→ 自作BB-Preamp → MOOER Preamp006 (Fender blues deluxe クリーン、キャビネットON) → UR22mkII → DAW(Studio One)

サンプルはすべて、前半がノイズリダクションOFF、後半がONです。ヘッドホン、イヤホンで聴くと、より明確に違いがわかります。

サンプル1：短く音を切ったサンプル（MP3）、塊になって聞こえ、迫力が増します

サンプル2：ソロサンプル（MP3）、最初のクリックへの追従性を聞いてください。最後の音の消え方が絶妙です！

サンプル3：ソロサンプル（MP3）、ギターへの追従性が優れていて、ノイズが全く聞こえません

ギター出力にVCAを通し、さらにハイゲインディストーションの後にもう1つのセンド/リターンのVCAを通した場合

録音環境は：

フェンダーストラト（ミドル・シングル） → 自作ノイズリダクション（VCA1） → 自作BB-Preamp → → 自作ノイズリダクション（VCA2）→ MOOER Preamp006 (Fender blues deluxe クリーン、キャビネットON) → UR22mkII → DAW(Studio One)

下のサンプルは、ピッキングに対する応答のサンプルです。最初、ノイズのみが入っています。その後同じメロディーを、強いピッキングで弾いた場合と、弱いピッキングで弾いた場合が収録されています。弦をミュートすると直ぐに無音になります。後半の弱いピッキングへの追従性は、不自然なところが全く無いことがわかります。

サンプル4：ソロサンプル（MP3）、ピッキングへの追従性