エフェクターのトーン回路に関する質問です。

Question

質問をご覧頂きありがとうございます。

エフェクターの回路を勉強し始めた初心者なんですが、

なんど考えても少しわからないことがありまして質問させていただきました。

http://gaussmarkov.net/layouts/ts808/ts808-schem.png

こちらの回路図の２段目のオペアンプの周辺のToneのところなんですが、

ここの仕組みを考えていたところ３つほど問題にぶち当たりました。



ややこしいのでトーンのポットの２番を基準にC6側に行く信号と、オペアンプの＋入力端子に行く側で別々に考えました。



まず、C6側に行く信号についてです。

C6の片足がアースにつながっている理由がわかりません。

ここはバイアスにつなげるべきではないのですか？

例えばオペアンプの１段目の増幅のところでは、

同じ役割をしているC3はバイアスにつながっています。

非反転増幅の仕組みを考えますと、バイアスにつながってないとダメだと思います。


同じようなことを添付させていただいた回路で考えてみました。

C4の先がGNDにつながっているとすると、

4.5V中心のVp-pが2Vの1kHzで上下対象の信号を入れたとき、

1kHzの信号なのでC4のリアクタンスを無視して、


まず入力が5.5Vのとき

5.5V = 10k x I　（バイアスにつながっているなら5.5V-4.5Vで+1Vになる）

30kの両端の電圧 = 30k x 5.5V/10k = 16.5V

Vout = 16.5V + 5.5V = 22V


次、入力が3.5Vのとき

3.5V = 10k x I       （バイアスにつながっているなら3.5V-4.5Vで-1Vになる）

30kの両端の電圧 = 30k x 3.5V/10k = 10.5V

Vout = 10.5V + 3.5V = 14V

Cの先をGNDにしたがあまり、入力のプラスマイナスが、4.5Vに対してどちらもプラスで出てくるので、おかしなことになりますよね？

やはりバイアスでないとダメなようなきがするのですが実際これで正常に動きます。

どうしてでしょうか？



次に、オペアンプの入力端子側に行く信号について考えました。

ポットの2-1間を通って信号は非反転入力端子に戻ってきます。

ポットの2-1間の抵抗値とC5でLPFになっていると思います。

そのLPFを通った信号がまた入力端子に入るということは、位相が同じまま入ってしまうことになりませんか？

非反転入力端子にでてくる信号は入力と同位相ですよね。

同位相の信号が、また非反転入力端子にはいってくると発振するのでは？

と思うのですが実際発振しません。

これは一体どうしてでしょうか？


総合的に見た時トーンポットはLPFに行く信号とHPFに行く信号の割合を変えているということで私のは理解は正しいのでしょうか？



初心者であるがあまり、言葉の使い方に少し語弊があるかもしれませんが、

どうか寛大な対応をお願い致します。

xpopo · Accepted Answer

回答NO.8の添付図

https://srv07.bitsend.jp/download/8974225046b765e7e30b61aae22fb22a.html

回答NO.７の添付図

https://srv07.bitsend.jp/download/d39b7e208427fc0dce6f7f461d31ed0b.html

xpopo · Answer

回答NO.7です。前の回答で回路の設計意図と回路設計があってないんじゃないかと書きましたが、添付図のように点線で囲んだヴォルテージバッファをR7,C5のLPFの後ろに挿入すると何となく意味のある特性になります。このバッファーを入れることによりR7,C5のLPFと後ろの２５ｋVRとR9,C6のLPFのインピーダンスの相互干渉をなくしてみました。多分、このバッファーを入れなかったのが設計ミスじゃないかな？と思います。

xpopo · Answer

回答NO.5です。すみません、今まで説明を簡単にしようと信号源を抵抗R7の右側に入れた状態で説明してました。しかしR7の左側からちゃんと信号を入れると周波数特性は今まで説明したのとはだいぶ違ってきます。ただ、今まで、反転入力が非反転入力に一致するように出力が動作するという説明はそのまま変わりません。
　抵抗R7の左側から信号を入れた場合の周波数特性をシミュレーションした結果を添付しました。添付のシミュレーションでは25kΩのVRを1-2間抵抗R1を10Ωから25kΩまでステップ上に変化させてます。その変化はVRの1-2間の抵抗値R2を
　　　　10 Ω
　　 2,510 Ω
       5,010 Ω
      10,010 Ω
      12,510 Ω
      15,010 Ω
      20,010 Ω
      21,260 Ω
      22,510 Ω
      25,010 Ω
とステップ状に変化させてます。
　１）まずOPアンプの出力V(out_op)の周波数特性はVRの1-2間の抵抗が1０Ωでは黄色の特性でVRの1番端子の電圧は周波数が約300Hzから上の周波数で-6dB／octの割合で減衰してます。 そして周波数3.3kHzあたりから減衰率が小さくなってきて周波数7kHzあたりからまたｰ6dB／octの減衰率に戻ってます。
　２）次にVRのR1値が2.51kΩから22.51kΩの範囲ではゲインが下がり始める周波数が300Hzから少しづつ上昇し、真ん中の値12.51kΩでその周波数は約600Hzと最高になり更にR1が増えてゆくと今度はゲインが下がり始める周波数は下がり初め、R1の値が22.51kΩで約300Hzに戻ってます。しかも周波数特性の減衰率は-18dB／oct一定になってます。
　このVRのR1値が2.51kΩから22.51kΩの範囲はVRの回転角のほとんどのポジションに相当しますが結果としてのOPアンプの出力V(out_op)の周波数特性は単なるCR1次LPFを2段シリーズに接続した特性となり、VRの変化で遮断周波数とゲインの変化はたったの３ｄB程度しかありません。
　３）VRの全てのステップでVRの1番端子の電圧（OPアンプの非反転入力の電圧）V(1)と3番端子の電圧（OPアンプの反転入力の電圧）V(3)の比　V(3)／V(1)　を見ると周波数100kHzまでほぼ0mdBで一定です。これはV(1)とV(3)がほとんど同じ電圧で動いてるということを表してます。

以上から、この回路もともとの設計意図が良くわかりませんが、どうも設計意図と結果が合ってない設計ミスの回路のように思われます。

m-jiro · Answer

IC1Bの出力はR10から－入力に帰還されます。さらにPOTを通って＋入力にも入ります。
ここでPOTの抵抗値が25KΩと大きいことに注意。
＋入力への帰還量はPOTの25KΩとR7の1KΩで分圧され、＋入力に入る量は－入力への量の1/26でしかありません。つまりごく僅かなので＋入力への帰還は無視して良いのです。
（厳密には僅かでも入っているのでゲインが変わるなど、影響はあります。ですが「微量」ということで無視してよいのです）。
同様に前段からR7、POTを通って－入力へ入る量もPOTとR10で分圧されるのでごく僅かということになり、無視します。
つまり考え方の最初の段階ではPOTは無いとします。するとIC1Bは単なるボルテージホロワになっていることがわかると思います。

次にトーンコントロールです。
まずR7とC5でPOTの位置に無関係なLPFになっています。話が複雑になるのでまずはC5を無視して話します。

POTの２番端子が１番側にある場合。
R7とC6、R9でLPFを構成しています。C6のインピーダンスがR7(1KΩ)と等しくなる周波数724Hzから下がり始め、R9(220Ω)と等しくなる3290Hzで下げ止まります。
低音と高音のゲイン差は　3290Hz ÷ 724Hz ＝ 4.5 (13dB)　となります（これが最大減衰量）。
POTを回していくと１番２番間の抵抗値が増しますが、等価的にはR9が増したことになります。すなわち下げ止まり周波数が3290Hzから低下、その分高音の減衰は少なくなります。
（現実にはC5があるので下がり始める周波数は362Hzです。下げ止まり周波数はなく高い音はどこまでも下がっていきます。）

POTの２番端子が３番側にある場合。
R10とC6、R9でLPFを構成しています。周波数が高くなると－入力への帰還量が減少します。
この場合、OP-AMPは＋入力と－入力の値が同じになるよう出力を増加させるので結果として高音が増します。
周波数はR10(1KΩ)、C6(0.22μ)、R9(220Ω)で決まります。724Hzから上がり始め、3290Hzで上げ止まります。ゲイン差の式は前出と同じで、最大13dBの増加になります。
（現実にはC5があります。C5とR7のLPFで724Hz以上が低下します。トーン回路で724Hz以上を上げるわけですから総合の結果は3290Hzまでは平たんになり、以上は低下します。）

xpopo · Answer

＞これ要するに、バイアスに繋いでもGNDにつないでもどっちでもいいんですよね？
＞だとすると、一番最初のurl先のC3の先もバイアスではなくGNDでもいいんですね？
＞この理解であっていますでしょうか。

回答＞＞その通りです。「一番最初のurl先のC3の先もバイアスではなくGNDでも」いいです。

＞「ポットの2-1間の抵抗値とC5でLPFになっていると思います。」これはC5では無くてC6のことではないですか？
＞ここの部分の話です

回答＞＞要は出力信号が帰ってきてC5のところまで影響するんじゃないか？っていう疑問ですね？
　これはOPアンプの負帰還（出力信号を入力の反転入力に戻す）を考えると解決するんじゃないかと思います。
OPアンプの動作は非反転入力に加わる信号に反転入力が全く一致するように出力が動くということです。その結果出力電圧からのフィードバック信号は抵抗1kΩを経由して反転入力のところで電圧は非反転入力に加わってる信号と全く一致します。結果、出力信号からのフィードバック信号はTONE25kVRより前のポイントである非反転入力へは全く影響を与えることはありません。
ですからコンデンサC5はR7の左から入ってくる入力信号を抵抗R7とコンデンサC5及びC5に並列に接続されている抵抗R8からなるLPFでフィルタリングしていることになります。
　回路の動作は上で説明したLPFを通った後が非反転入力につながってます。一方反転入力にはTONE25k　VRとコンデンサC6、抵抗R9からなるLPFを経由して信号が入力されてます。
もしコンデンサC6が無ければ反転入力にはTONE25k　VRだけを通って反転入力に加えられますから、OPアンプで構成されるいわゆる反転アンプの動作に近くなります。反転アンプの場合は非反転入力がGNDに接続されるんですがこの場合、それが入力信号につながれてるところが異なります。その結果、C6が無い場合は反転入力の信号は非反転入力の信号に一致するようにOPアンプは動きますので、結果TONE25k　VRの両端の電圧（1-3間）は同じ電圧が加わる結果になります。つまりTONE25k　VRの両端間（1-3間）には電圧が掛からないので電流も流れません。そうするとOPアンプの帰還抵抗R10（1kΩ）にも電流が流れませんのでOPアンプの出力電圧は反転入力と同じ電圧になります。反転有力の電圧は非反転入力の電圧に一致するように動作しますので結果、出力は入力信号の電圧に一致して動作することが分かります。
　つぎにコンデンサC6がつなげられるとTONE25k　VRの1-2間の抵抗とコンデンサC6で構成されるLPFでTONE25k　VRの2の端子にはLPFでフィルタされた信号が現れます。この時、非反転入力にはTONE25k　VRの端子1の信号と同じ信号が加えられてます。また、OPアンプは出力を動かして反転入力を非反転入力に加わってる信号に一致させるように動作してますので、結果反転入力の電圧は非反転入力の電圧と一致する電圧になってます。
　その結果、TONE25k　VRの2-3間にはLPFでフィルタされた信号（端子２の信号電圧）と入力信号の差分の電圧が加わってることになります。その結果TONE25k　VRの2-3間の抵抗にはLPFでフィルタされた信号（端子２の信号電圧）と入力信号の差分の電圧をVRの2-3間の抵抗値で割った電流が流れます。その電流はそのままOPアンプの帰還抵抗R10に流れますから、抵抗R10の端子間にはその電流にR10の値を掛け算した電圧が現れます。その結果、OPアンプの出力電圧は非反転入力の信号電圧にこの電圧を加えた電圧になるわけです。

xpopo · Answer

＞次に、オペアンプの入力端子側に行く信号について考えました。
＞ポットの2-1間を通って信号は非反転入力端子に戻ってきます。
＞ポットの2-1間の抵抗値とC5でLPFになっていると思います。
＞そのLPFを通った信号がまた入力端子に入るということは、位相が同じまま入ってしまうことになりませんか？
＞非反転入力端子にでてくる信号は入力と同位相ですよね。
＞同位相の信号が、また非反転入力端子にはいってくると発振するのでは？
＞と思うのですが実際発振しません。
＞これは一体どうしてでしょうか？

回答＞＞発振するしないの問題はアンプの入力と出力からの帰還信号の間の位相Φと一巡開ループゲインGopenが関係します。Gopenが0dBの周波数で入力と出力からの帰還信号の間の位相Φが-180度（負帰還の理想状態の位相を0度とした場合）に近づくと発振しやすくなります。しかし、差動入力のそれぞれの非反転入力と反転入力の間の位相には発振は無関係です。

xpopo · Answer

＞例えば、添付しました画像の
＞R11の下側の足はイマジナリーショートでVinです。
＞R11に流れる電流は？と考えた時、R11の上側が0Vであるか4.5Vであるかでは変わりませんか。
＞じゃないとオームの法則に矛盾します。

回答＞＞書き直された回路ならば、おっしゃるとおりです。しかし書き直した回路ではコンデンサC4(0.22uF）が削除されてます。このjコンデンサがあるためにR11にはDC電圧が印加されません。R11のDC電圧降下は0V！！！ですよ。コンデンサC4が無ければ「R11の下側の足はイマジナリーショートでVin」になりますが、コンデンサC4でDC電流は流れませんのでR11にはDC電流＝０の状態になります。ですからC4があればR11の反対側の接続先はVRでもGNDでもR11にはDC電流が流れません。コンデンサが無ければ　R11の上側が0Vであるか4.5Vであるかでは変わりますが。
結果、R11にはC4があるためにイマジナリーショートでVinの交流成分が加わることになります。

xpopo · Answer

回答NO.1です。質問内容に沿って以下に詳しく説明します。
＞まず、C6側に行く信号についてです。
＞C6の片足がアースにつながっている理由がわかりません。
＞ここはバイアスにつなげるべきではないのですか？

回答＞＞C6経由でGNDにつながってるので、VRにつながってるのと等価です。GNDもVRも電圧が動かないので交流的に接地ポイントになるので。この場合はバイアス（DC的に）は抵抗R8を経由してVRに接続されてます。

＞C4の先がGNDにつながっているとすると、
＞4.5V中心のVp-pが2Vの1kHzで上下対象の信号を入れたとき、
＞1kHzの信号なのでC4のリアクタンスを無視して、
＞まず入力が5.5Vのとき
＞5.5V = 10k x I　（バイアスにつながっているなら5.5V-4.5Vで+1Vになる）
＞30kの両端の電圧 = 30k x 5.5V/10k = 16.5V
＞Vout = 16.5V + 5.5V = 22V

回答＞＞入力が5.5Vの時　5.5V = 10k x I　のIはどこに流れる電流？ですか？非反転入力に加えられてる信号が4.5Vを中心に振れてる信号ならば、4.5Vに対する変化分の信号、即ち5.5V－4.5V＝１VがR11に加わるAC信号になります。5.5Vも変化してるわけではないので。
　そうすると抵抗R10（30kΩ）の両端に現れるAC電圧V30kは
　　　V30k＝30k×1V／10k＝3V
従ってVoutのAC成分（変化分）VoutACは
　　　VoutAC＝１V＋3V＝4V
になります。一方OPアンプの非反転入力に対するDCバイアス電圧はこの回路図には描かれてないので分からないのでそのDCバイアス電圧をVbias＋とすれば、OPアンプの出力のDC電圧VoutDCは
　　　VoutDC＝Vbias＋　＋　VoutAC＝Vbias＋　＋　4V
となります。もしVbiasが4.5Vならば、
　　　VoutDC＝4.5V　＋　４V　＝8.5V
になります。

＞次、入力が3.5Vのとき
＞3.5V = 10k x I （バイアスにつながっているなら3.5V-4.5Vで-1Vになる）
＞30kの両端の電圧 = 30k x 3.5V/10k = 10.5V
＞Vout = 10.5V + 3.5V = 14V

回答＞＞この時は入力電圧の動作中心のDC電圧が4.5Vならば
　　-1V＝10kΩ×I
となります。
　したがって
　　30kの両端の電圧 = 30k x -1V/10k = -3V
　　VoutDC＝4.5V　＋　-3V　＝1.5V
になります。

結果的に4.5Vに対してどちらもプラスで出てきません、おかしくないです。バイアスへコンデンサで接続されてる場合はDC電圧は絶縁されてますからAC成分だけで考えなければいけません！

＞次に、オペアンプの入力端子側に行く信号について考えました。
＞ポットの2-1間を通って信号は非反転入力端子に戻ってきます。
＞ポットの2-1間の抵抗値とC5でLPFになっていると思います。
＞そのLPFを通った信号がまた入力端子に入るということは、位相が同じまま入ってしまうことになりませんか？
＞非反転入力端子にでてくる信号は入力と同位相ですよね。
＞同位相の信号が、また非反転入力端子にはいってくると発振するのでは？
＞と思うのですが実際発振しません。
＞これは一体どうしてでしょうか？
　　　　　
回答＞＞「ポットの2-1間の抵抗値とC5でLPFになっていると思います。」これはC5では無くてC6のことではないですか？
　C5がC6の間違いだとして以下に回答します。
ポット2ではポット1-2版の抵抗値R1-2とC6とR9でLPFになってますねここまでは合ってます。その信号がポット2-3間の抵抗R2-3を介して反転入力に接続されてます。入力信号がLPFのカット・オフ周波数以上の周波数に向かうとこの抵抗R2-3の入力信号は非反転入力を基準に考えると位相が90度遅れて周波数の上昇に対して-6dB／octの割合で下がってゆきます。その結果OPアンプの出力は＋６ｄB／octの割合で上昇してゆきます。発振はしません。発振は出力からの信号が入力信号（この場合は非反転入力に加えられる信号に相当）に対して位相が-180度にはならないので発振条件は成立しませんので発振は起こりません。
　ちなみにこの部分の回路の周波数特性をシミュレーションした結果を添付しておきます。

xpopo · Answer

何か混乱してるようですね。まず電源電圧9Vを1/2にしてる基準電圧VR（4.5）とGNDですが、この二つの電圧の関係ですが、DC的には4.5Vの電位差があります。また、AC的には（交流信号を考える場合には）同電位です。ACである交流信号ではDC電圧がどんな電圧であろうが変化しない電圧はGNDとみなせます。ですから、コンデンサ経由でVRに接続するのとDC的にVRに接続するのは交流信号で考えると同じです。即ち、VRもGNDも変化しない電圧ですから、両方とも信号のGNDと考えてよいわけです。RaymondSeoさんはこの点を何が何でもDC的に同じでないとダメじゃないかと考えておられるようですね。この観点でもう一度回路を見直してみてください。其れでも分からない場合はその部分について補足欄で質問をしてください。

エフェクターのトーン回路に関する質問です。

回答NO.8の添付図

回答NO.7です。

回答NO.5です。

IC1Bの出力はR10から－入力に帰還されます。

＞これ要するに、バイアスに繋いでもGNDにつないでもどっちでもいいんですよね？

＞次に、オペアンプの入力端子側に行く信号について考えました。

＞例えば、添付しました画像の

回答NO.1です。

何か混乱してるようですね。

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