ロック・ギターに欠かせない「ディストーション」の試聴

■問題

【ひずみ】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，エレキ・ギターで，音をひずませるときに使用する，ディストーションと呼ばれるエフェクタの回路を簡略化したものです．この回路に，次の条件で，1kHzの正弦波信号を入力したとき，Out端子の波形がクリップする(ひずみだす)入力信号の実効値(Vrms)は，(a)～(d)のどれでしょうか．

・使用しているダイオード(D₁，D₂)は，図2のような特性となってる
・DistVRは，Bカーブ特性(抵抗値が直線的に変化)の，100kΩの可変抵抗器で，摺動子の位置がセンターになっている
・Out端子の信号のピーク・ツー・ピーク値が，A点の信号のピーク・ツー・ピーク値よりも0.4V小さくなった状態を，クリップしたものとする

図1　簡略化した，ディストーション・エフェクタの回路図
Out端子の波形がクリップする入力信号レベルはいくつ？

図2　ダイオード(D₁，D₂)の電圧電流特性

(a)1.82mVrms　(b)3.64mVrms　(c)7.28mVrms　(d)14.56mVrms

※Vrms(ボルト・アール・エム・エス)は，信号を実効値(RMS)で測定するという条件での電圧

■ヒント

　この回路は，In端子の入力信号を大きくしていくと，Out端子の信号の振幅が制限され，クリップしたひずみ波形になります．Out端子の波形がクリップする場合，ダイオードが導通し，R₅に電流が流れます．
　クリップの条件から，R₅に流れる電流を求め，ダイオードの特性図からそのときのダイオードの電圧を調べれば，A点の振幅が求められます．A点の振幅が分かれば，2つのオペアンプ回路のゲインから入力信号レベルが求められます．

■解答

(b)3.64mVrms

　問題文のクリップの条件から，Out端子の波形がクリップした場合，R₅に0.2Vの電圧降下が発生していることになります．そのときR₅に流れる電流は「0.2/R₅=100μA」となります．ダイオードにも同じ電流が流れますが，そのときのダイオードの電圧は，図2から，0.48Vと読み取れます．そのため，このときのA点の電圧のピーク値は「0.2+0.48=0.68V」になります．
　DistVR(可変抵抗器)を，2本の抵抗(摺動子を境に右がDistVR₁，左がDistVR₂)と考えると，In端子からOut端子のゲイン(G)は，式1のように132倍と計算できます．

・・・・・・・・・(1)

　そのため，Out端子がクリップする入力信号のピーク値は「0.68/132=5.15mV」です．これを，実効値とピーク値の変換係数(√2)で割ると，3.64mVrmsになります．

■解説

●エレキ・ギターに使用するエフェクタとは
　エレキギターは，弦の振動をピックアップと呼ばれる部品で電気信号に変換し，その信号をアンプで増幅してスピーカから音を出します．このとき，ギターとアンプの間に挿入して，ギターの音色を変化させるものがエフェクタです．
　エフェクタには，いろいろな種類がありますが，ハード・ロックでよく使用されるのが，「ディストーション(distortion)」と呼ばれるエフェクタです．ディストーションは文字通り，信号を故意にひずませるためのエフェクタです．音をひずませることで高調波成分を増やし，迫力のある音にします．

●ディストーション・エフェクタの回路構成
　図3は，1970年代に発売開始されてからいまだに販売されている，有名な「ディストーション・エフェクタ（以下：ディストーション）」のブロック図です．エレキ・ギターのピックアップ出力を，固定ゲイン増幅回路で増幅した後，可変ゲイン増幅回路で増幅し，ダイオード・クリッパに入力します．
　ダイオード・クリッパが信号をひずませるための回路ですが，動作については後述します．ディストーション調整可変抵抗器で，可変ゲイン増幅回路のゲインを変えることで，信号のひずませ方を調整します．
　ダイオード・クリッパの出力は，トーン・コントロールや音量調整可変抵抗器，バッファ・アンプを経由して，Out端子から出力されます．図1の回路図は，図3のブロック図の上半分を取り出したものになります．

図3　ディストーションのブロック図
可変ゲイン増幅回路のゲインを変えることで，信号のひずませ方を調整する

●ダイオード・クリッパ回路
　ディストーションにもいろいろな回路方式がありますが，信号をひずませるために最もよく使用されるのが，ダイオード・クリッパ回路です．図4のように1本の抵抗と2本のダイオードで構成された，シンプルな回路です．
　ダイオードは，図2のように，アノード・カソード間電圧が小さいときは電流がほとんど流れませんが，0.4V～0.5V以上の電圧が加わると，急激に電流が大きくなります．そのため，図4のように抵抗を介して電圧を印加すると，0.4V～0.5V以上でダイオードに電流が流れ，R₁に電圧降下が発生するため，Out端子の電圧が制限されます．
　ダイオードD₁とD₂が互いに逆方向に接続されていますが，これは正負両方の信号に対して振幅を制限するためです．図4では，In端子の電圧を-2Vから+2Vまで1mVステップで変化させ，Out端子の電圧がどのように変化するか，シミュレーションします．

図4　ダイオード・クリッパ回路
1本の抵抗と2本のダイオードで構成されたシンプルな回路．

　図5は，図4のシミュレーション結果ですIn端子の電圧が±0.4Vを越えると，Out端子の電圧振幅が制限されることが分かります．

図5　ダイオード・クリッパ回路のシミュレーション結果
In端子の電圧が±0.4Vを越えると，Out端子の電圧振幅が制限される

●ディストーションの回路動作
　図6は，図1の回路をシミュレーション用に書き変えたえたものです．DistVRは，DistVR₁とDistVR₂の2つの抵抗で構成しています．オペアンプ(U₁)で反転増幅回路を構成しており，オペアンプ(U₂)は非反転増幅回路となっています．

図6　簡略化した，ディストーションのシミュレーション用回路
可変抵抗器(DistVR)は DistVR₁と DistVR₂の2つの抵抗で構成している．

　DistVRの摺動子の位置を変えることで，非反転増幅回路のゲインを変えることができます．In端子からAまでのゲイン(G)は，式2で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　DistVRの摺動子の位置を左端にしたときのゲイン(G)は式3のように64dBとなります．

・・・・・(3)

　摺動子の位置を右端にした場合，式4のようにゲイン(G)は37dBになります．

・・・・・・(4)

　また，問題文の条件である，摺動子の位置をセンターにした場合は，式5のようにゲイン(G)は42dBになります．

・・・・・(5)

　次に，問題文にあるクリップの定義で，Out端子の波形がクリップする入力レベルを計算してみます．問題文では，Out端子の信号のピーク・ツー・ピーク値が，A点の信号のピーク・ツー・ピーク値よりも0.4V小さくなった状態を，クリップした状態と定義しています．この状態では，波形の半波の振幅が0.2V小さくなっていることになります．つまり，Out端子の波形がクリップした場合，R₅に0.2Vの電圧降下が発生していることになります．そのときR₅に流れる電流(I_R5)を計算すると，式6のように100μAとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　ダイオードにも同じ100μAの電流が流れます．図2のダイオードの特性グラフで，ダイオードの電流が100μAのとき，横軸の電圧は0.48Vと読み取れます．そのため，このときのA点の電圧のピーク値は，ダイオードの電圧（0.48V）にR₅の電圧降下（0.2V）を足したものになり「0.2+0.48=0.68V」になります．A点の電圧のピーク値が0.68VになるIn端子の電圧ピーク値は，式7のように5.15mVになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

　これを実効値とピーク値の変換係数(√2)で割ると，3.64mVrmsになります．

　図7は，図6の簡略化したディストーション回路のVinに，3.64mVrmsの正弦波信号を入力したときの，A点とOut端子の波形です．Out端子の波形は振幅が制限されており，A点の波形よりもピーク値が0.2V小さくなっています．

図7　図6のシミュレーション結果
Out端子はA点の波形よりもピーク値が0.2V小さくなっている．

●ディストーションの効果をシミュレーションする
　図8は，ディストーションで，音がどのように変化するのかをシミュレーションするための回路です．図1の回路に入出力バッファやトーン・コントロール回路を追加し，図3のブロック図と同じになるように構成しています．

図8　ディストーションで音がどのように変化するのかをシミュレーションする回路
LTspiceのWAVファイル入出力機能を使用して，音の変化を試聴する

　LTspiceには音楽を記録したWAVファイルの入出力機能があります．電圧源(Vin)の電圧値の代りに，「wavefile=”WAVファイル名”」と記述することで，Vinの出力電圧がWAVファイルの内容になります．今回は「non_Distortion.wav」というギターの音を記録したWAVファイルを指定しています．このとき，WAVファイルのフル・スケールが，±1Vの電圧として出力されます．また「.wave」というコマンドを使用すると，任意のノードの電圧をWAVファイルとして出力することができます．「.wave」コマンドの，それぞれのパラメータは次のような意味があります．

　なお，WAVファイルに変換するとき，±1Vがフル・スケールとなるように変換されます．±1Vよりも大きな電圧は，正確に変換できないことに注意してください．
　また，図8では「ディストーション調整」，「音質調整」，「音量調整」の3つの可変抵抗器の摺動子の位置を「dist」，「tone」，「level」の3つの変数で表しています．それぞれの変数の値(0～1)を変えることで，ディストーションの音質を変化させることができます．

●ディストーションのひずみを試聴する
　図8の回路のシミュレーションをスタートすると，図9のシミュレーション結果の表示が開始されます．上段が入力WAVファイルの波形で，下段がディストーションの出力波形です．ディストーションの出力波形は，一定の振幅で制限されていることが分かります．シミュレーションが終了(約5分～10分)すると，回路図ファイルと同じフォルダに，「distortion.wav」というファイルが作られます．このファイルを再生することで，ディストーションで加工された音を試聴することができます．加工前の「non_distortion.wav」と聞き比べてみてください．

図9　ディストーションのシミュレーション結果
上段が入力WAVファイルの波形で，下段が”ディストーション”の出力波形．

　以上，ディストーションについて解説しました．図8の回路の，「dist」と「tone」の2つのパラメータの値を変えると，どのような音色に変化するか，いろいろシミュレーションしてみてください．

◆参考資料
トランジスタ技術2014年12月号　第3章　ロック・ギター用エフェクタ「ディストーション回路」

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice9_027.zip

●データ・ファイル内容
diode.asc：図2をシミュレーションするための回路
diode_Clipper.asc：図4の回路
Distortion_tran.asc：図6の回路
Distortion_tran_WAV.asc：図8の回路
Distortion_tran_WAV.plt:図9のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
non_Distortion.wav:入力音源ファイル