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JFET差動増幅ブースターにトレブルコントロールを付ける

JFET差動増幅回路を使ったブースターにトレブルコントロールを付けた話です。

前回・前々回の回路でほぼブースターとしての基本機能はできていたのですが、それだけだとちょっと地味なのでトーンコントロール回路を追加しました。また、細かい改善も加えています。回路全体はこんな感じです。

以下、各ブロックを解説していきます。ちなみに「INPUT_B」のように「_B」で終わっているラベルがありますが、これは基板分割を行うために用意したもので、「_B」が付いていないラベルとJ5～J11で接続されています。

電源ブロック

本回路は消費電力が約4mAと少ないため（実測値）、9V電池駆動でも100時間程度は動かせそうです。そのため、電池駆動を想定した回路にしています。R16、C2、C10は電源ノイズ低減のためのローパスフィルタ（カットオフ周波数は約16.9Hz）です。R16に流れる電流が4mAの場合、ここで0.4Vの電圧降下が発生しますが、この程度であれば許容範囲だと判断しています。

D3のツェナーダイオードは瞬間的な大電圧（サージ電圧）からの保護目的で入れていますが（参考：過電圧保護に適したツェナーダイオード）、厳密な検証はしていないのでおまじないだと思ってください。

D4のシ��ットキーダイオードは逆電圧保護用です。R16での電圧降下もあるため、可能な限り順方向の電圧低下が少ないものを使いたいところです。

フットスイッチとLEDブロック

ON/OFF切り替えは一般的な3PDTフットスイッチを使用しています。RV4はLEDの明るさを調整するための半固定抵抗器で、D2は電源電圧が低下した場合にLEDを消灯させるためのツェナーダイオードです。電源電圧がD2のツェナー＋約2Vを下回るとLEDが光らなくなります。たとえば5.1Vのツェナーダイオードを使用している場合、電源電圧がおよそ7.1Vより小さくなるとLEDが消灯します。

LEDへの電源供給は電源ブロックのD4より手前から分岐して行っています。これは、D4に流す電流を少しでも少なくして、D4での電圧降下を減らすためです。そのため、もし電源をプラスマイナス逆に接続するとLEDにもプラスマイナス逆方向に電圧がかかります。これによる破損を防ぐため、LEDには逆方向にも電圧を加えられる無極性LEDを使用します。ちなみに、LEDに直列に接続している抵抗は抵抗値が10kΩと大きいため、1/4Wの抵抗器を使用していれば理論上はだいたい50Vまでの電圧に耐えられるはずです。

電流制限回路ブロック

カレントミラー回路を使った電流制限回路です（参考：END Japanの記事）。Ic1、Ic2に流れる電流を約0.8mAに制限します。

プリゲインブロック

デュアルJFETを使った差動増幅回路です（参考：nahitech.com）。前段に接続する機材によっては信号電圧に直流電圧成分が含まれている場合があるので、誤動作を防ぐためコンデンサ（C1）を入れて入力信号の直流成分をカットしたうえで増幅回路に入力しています。RV1はこのブロックでの増幅率を調整するための、いわゆるゲイン調整ポットになります。また、JFETのゲート・ドレイン間にはわずかに漏れ電流が流れ、これがRV1を経由してノイズ源となります。この漏れ電流をGND側に流して低減するためにC9を入れています。このブロックでの増幅率は約28dB（およそ25倍）です。

トーンコントロールと後段ゲインブロック

トーンコントロールには可変抵抗器とコンデンサを使ったシンプルな回路を使いました。RV2を反時計回りに回しきった状態では単純に信号の全帯域が6分の1に（20k/120k、約-16dB）減衰します。RV2を時計回りに回していくとC3およびR17にも信号が流れるようになり、この部分は高音域ほど抵抗値が少なくなるため、それによって高音域の減衰が少なくなって結果として相対的に高音域が増えます。また、C6は一定以上の高音域をカットするために入れています。その結果、周波数特性としてはおよそ6kHzあたりをピークとして最大12dBのブーストができるようになっています。

このトーンコントロール回路では全体のゲインを下げたうえで高音域だけを上げる動作になるため、トータルでの出力音量は下がります。それを補うために出力前に信号を再度差動増幅回路で増幅します。ここではすでに信号レベルがある程度大きくなっているので、再度コンデンサ（C4）を通して直流成分をカットしたうえでR14とR19で信号レベルを半分に減衰させています。

出力ブロック

RV3は出力レベル調整用（ボリューム）の可変抵抗器です。C7はRV3で交流成分のみを減衰させるために入れています。また、Q5周辺はトランジスタのエミッタフォロワを使ったバッファ回路になっており、最後にC5を通して再度直流成分をカットして出力しています。

テスト実装

回路規模が小さいので、秋月電子のブレッドボード配線ユニバーサル基板（Dタイプ）上で実装できます。

また、デュアルトランジスタ（HN4C06J）とデュアルJFET（2SK2145）はDIP化基板を使って実装します。ちなみに秋月電子では2SK2145-BL/GR/Yとドレイン電流（IDSS）が異なる複数バージョンが販売されていますが、差動増幅回路で利用する場合はどれを使っても大きな違いは発生しないはずです。

実際に実装したものがこちら。コンデンサはジャンク箱にあったあまりものを使っているのでバラバラです。

これをケースに収めるとこんな感じになります。ケーブルの配線が雑ですが、このようにいわゆる「Bサイズ」のケースに収まります。

回路の差し替えがしやすいようにコネクタを使って配線しているため奥行きがぎりぎりですが、ケーブルの長さを適切にして直接基板にケーブルをはんだ付けすればもう少し奇麗に収まるかと思います。

出音について

接続する楽器にもよりますが、ゲインを12時あたりに設定するとほぼクリーントーンになります。この場合でも最大でおよそ+18dB（8倍）の増幅率ができるので、ブースターとしては十分実用的でしょう。また、トレブルを上げていくとさらにそこから6kHzをピークに高域を最大で約+12dBブーストできます。そこからゲインを上げていくと歪んでいくのですが、信号レベルが増えるにつれて歪みが増えていくソフトクリッピングのため、ピッキングの強さで歪み方をコントロールできる感じです。

高音域は強めにブーストできますが、ローカットはしていないのでベースでも問題なく使えます。ギターで使う場合はトレブルを上げ目にして全体のボリュームを下げると相対的にローが減ってギター向けエフェクターっぽくなるかと思います。

回路のカスタマイズポイント

2つの差動増幅回路どちらも入力レベルが大きくなると歪みが発生するのですが、特に後段では歪みが大きくなりがちです。そのため、後段の差動増幅回路の前でどれだけ信号レベルを下げるか（つまりR14とR19の値）で歪み方が変わります。また、RV2、C3、R13の値の組み合わせでブーストする周波数帯やブースト量を調整できます。このあたりをカスタマイズすることで歪み方や出音を細かく調整できそうです。

[mild-apple-sauce]

Blog Post #9

This week I worked on finishing up RV6, RV12, RV13, and RV4 for our 3D animatic!

[wdtoys]

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[postsofbabel]

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ok it’s time to delete half of RV 4 and See How It Goes

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Making sure the neighbors know I've arrived...

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