BEY-HAN Overdrive：Marshall JVM に着想を得た 18 V MOSFET オーバードライブペダル

BEY-HAN Overdrive は、Marshall JVM410H の OD チャンネルを手本に私が設計したギターペダルです。4 個の BS170 MOSFET で真空管プリアンプのクリッピング特性を再現し、ヘッドルームを稼ぐために内部では約 17 V（9 V から倍圧）で動作します。部品はすべてスルーホールなので、はんだごてがあれば誰でも組み立てられます。基板は 84 × 70 mm の 2 層で、Hammond 1590BB のケースに収まります。

この記事では、まず回路を段ごとに見ていき、続いて基板のレイアウト、Rev 1 から Rev 2.2 までに何がなぜ変わったのか、そして設計をどう検証したのかを説明します。プロジェクトは KiCad 10 で描いています。この記事のために、3D レンダリングを作り直し、基板ファイルから直接 kicad-cli でチェックを再実行しました。

なぜ MOSFET で、なぜ 18 V なのか

真空管のオーバードライブは、トランジスタのディストーションとは音が違います。クリッピングが柔らかく始まり、信号は非対称にクリップし、偶数次倍音（2 次、4 次）が目立ちます。JFET や MOSFET のほぼ二乗特性の伝達曲線は、ダイオードのペアよりもずっとこの振る舞いに近いものです。BS170 は TO-92 パッケージの安価でどこでも手に入る N チャネル MOSFET で、このペダルのゲイン段はすべてこれで作っています。

18 V はヘッドルームのためです。9 V で動く MOSFET 段は、クリーンな信号でさえ早い段階で圧縮してしまいます。音がこもり、ローゲイン時の「クリーンだけど温かい」領域がなくなってしまうのです。このペダルはチャージポンプで内部的に 9 V を約 17 V に引き上げています。シミュレーションでは、最悪ケースでもすべての段が少なくとも 5 V のスイングを保ちます。

信号経路

入力バッファ

ギターの信号はまず TL072 の片側（U2A）に入ります。オペアンプはボルテージフォロワとして動作し、入力は 1M を介して電源の半分（VB = VCC/2）にバイアスされています。手前の 1M のプルダウンと合わせて、入力インピーダンスは 500 kΩ です。パッシブピックアップには十分な高さで、フォロワが低い出力インピーダンスで後段をドライブします。

Q1：最初のゲイン段

バッファの出力は 47 nF と 68k を通って Q1 のゲートに入ります。68k はゲートストッパーで、RF や発振を抑えます。Q1 のドレイン抵抗は 10k、ソースには 1k + 470 Ω があり、470 Ω の部分は 10 µF でバイパスされているので、AC ゲインは DC ゲインより高くなります。

この段で鍵となるのはバイアスです。BS170 のしきい値電圧は、個体ごとに 1〜3 V の範囲でばらつきます。ゲート電圧を固定すると、基板ごとにトリマーが必要になってしまいます。そこで私はドレイン帰還バイアスを使いました。ゲートはドレインから 2 本の 1M 抵抗を通して給電され、その中点は 100 nF でグラウンドにデカップリングされています。DC では段が自分で動作点を見つけます（ドレインが上がるとゲートも上がり、トランジスタがより導通してドレインが下がる）。AC ではコンデンサが帰還をショートするので、ゲインは下がりません。このペダルにはトリマーが 1 つもありません。

GAIN とブライト

Q1 のドレインは 22 nF を通して GAIN ポット（B500k）の上端につながります。上端の端子とワイパーの間には 100 pF のコンデンサがあります。ローゲイン設定のときに高域がポットをバイパスできるようにする、古典的なブライトキャップです。ポットの後、信号は 470k ‖ 470 pF を通って Q2 に届きます。これは Marshall のプリアンプにあるのと同じカップリングで、低域を少し削り、中高域を前に出します。

Q2：コールド段と MODE

Q2 はわざとコールドに動作させています。ドレイン抵抗は 33k、ソースには 1k + 3.3k です。電流をあまり流さないので、この段は波形の片側を早めにクリップします。ソース抵抗の 3.3k 部分をバイパスする 4.7 µF のコンデンサは MODE スイッチにつながっています。

• OD1（スイッチ開）：バイパスなしで、ゲインは低め。ポットの半分あたりまではクリーンで、そこから歪みが開いていきます。
• OD2（スイッチ閉）：バイパスありで、ゲインは高め。ローゲイン設定でもクランチします。

スイッチが開いているときは 100k の R42 がコンデンサを充電したままにしておくので、MODE を切り替えてもポップノイズが出ません。Q2 のドレインにある 1 nF は、最初の高域フィルターです。

CLIP セレクター

Q2 の後、信号は 10k を通って 3 ポジションの CLIP スイッチに届きます。

Si ポジションはあえて対称にしています。非対称性は Q3 が担います。LED はケースの中にあり、フタからは見えません。

Q3：非対称クリッピング

Q3 もドレイン帰還バイアスを使っていますが、ゲートはさらに 2.2M でグラウンドにつながっています。Rev 2 ではこの抵抗は 1M でした。2.2M にすると Q3 は少しホットに動作し、波形の上下を異なるポイントでクリップします。シミュレーションでは、フルディストーション時の偶数次倍音と奇数次倍音の比が 0.24-0.33 から 0.7-1.6 になりました。抵抗値 1 つで、倍音バランスが真空管プリアンプにぐっと近づくのです。

Q4：ソースフォロワ

Q3 のドレインは Q4 のゲートに DC 結合されています（10k を通し、コンデンサなし）。これは Marshall アンプでトーンスタックの前にあるカソードフォロワの MOSFET 版です。Q4 は電圧ゲインを持ちませんが、パッシブのトーンスタックを低インピーダンスでドライブするので、トーンスタックがどう負荷をかけても前段のゲインは変わりません。

Marshall トーンスタック

Q4 のソースと 1 µF のカップリングコンデンサの後には、古典的な Marshall の TMB トーンスタックがあります。トレブルに 470 pF、ベースとミドルに 22 nF、スロープ抵抗 33k。TREBLE B250k、BASS B250k、MIDDLE B25k です。このネットワークには独自の個性があります。3 つのポットは互いに影響し合い、すべてを 12 時にしても中域にはっきりとしたディップがあります。Marshall サウンドの一部は、まさにここから生まれています。

リカバリーと PRESENCE

トーンスタックでは音量が大きく失われます。それを取り戻すため、TL072 のもう半分（U2B）を非反転アンプとして動作させています。帰還は 4.7k / 22k で、帰還抵抗に並列に 2.2 nF を入れているので、アンプ自体が最高域をわずかにロールオフします。

PRESENCE は、アンプのプレゼンスコントロールとほぼ同じように働きます。帰還ネットワークのグラウンド側に 2.2k + B50k ポット + 47 nF の経路を追加します。ポットを開いていくと高域で帰還が減り、ゲインが上がります。プレゼンスはイコライジングではなく、周波数に応じて帰還を緩めることで高域を持ち上げるのです。アンプではこのコントロールはパワー段の帰還ループにありますが、ここでは同じ考え方をオペアンプのループで実現しています。

VOLUME とトゥルーバイパス

最後に 10 µF、VOLUME ポット（B100k）、100 Ω の直列抵抗、そして出力の 100k プルダウンです。3PDT フットスイッチがトゥルーバイパスを実現します。エフェクトがオフのときは入力ジャックが出力ジャックに直結され、回路は信号にまったく触れません。フットスイッチの 3 つ目の極はステータス LED を点灯させます。

コントロール

ポットはすべて B（リニア）カーブです。9 mm の Alpha ポットではこれがいちばん手に入りやすいからです。GAIN と VOLUME は自然な操作感のために対数的に振る舞う必要があるので、ワイパーとグラウンドの間にテーパー抵抗を追加しました。GAIN には R43（47k）、VOLUME には R44（10k）です。ポットの値のおよそ 10 分の 1 の抵抗をワイパーからグラウンドに入れると、リニアポットのカーブが対数カーブに近づきます。A500k や A100k のポットが手に入るなら、これらの抵抗は単に省略します。

電源：9 V から 17 V へ

電源系にも、信号経路と同じくらいの注意が必要でした。

1. D1 (1N5817)： 直列のショットキーダイオードです。アダプターを逆極性で挿しても何も起きず、ペダルが動かないだけです。ショットキーなので、電圧降下は約 0.3 V しかありません。
2. R45 (22 Ω, 0.5 W) + D10 (BZX85C10)： 過電圧保護です。チャージポンプ IC の耐圧は最大 10.5 V ですが、非安定化の「9 V」アダプターは無負荷で 12-13 V を出すことがあります。10 V のツェナーがそれをクランプします。12 V ではツェナーに約 77 mA が流れて 0.8 W、13 V では 123 mA で 1.2 W になります。そのため 1.3 W のツェナーと 0.5 W の直列抵抗を使っています。通常使用時に R45 で落ちるのは約 0.3 V だけです。
3. U1 (MAX1044 または ICL7660S)： 本来は負電圧を作るのに使うチャージポンプです。ここではその出力は使わず、代わりに 2 個のショットキーダイオード（D2、D3）で倍電圧回路にしています。ポンプコンデンサの下端が 0〜9 V の間で振れるあいだ、上端は 9〜18 V の間で振れ、D3 がそのピークを V18 レールに渡します。BOOST を接続すると、ポンプは約 35-60 kHz で動作し、可聴帯域よりはるかに上になります。
4. V18 → VCC → VMOS： 10 Ω と 100 Ω の抵抗と 100 µF のコンデンサで RC フィルターを構成し、オペアンプと MOSFET の電源を互いに、そしてポンプから分離しています。VB は VCC を 2 本の 47k 抵抗で半分にしたものです。
5. D9 (1N4148)： ポンプの未使用の負出力とグラウンドの間に入れています。Renesas と Maxim のデータシートで推奨されている予防策で、この出力がグラウンドより上に上がって IC をラッチアップさせるのを防ぎます。

シミュレーションでは、出力でのポンプノイズは最悪ケースで 10 kHz において -102 dBV、BOOST ありでは 45 kHz において -160 dBV 未満です。ペダル全体でアダプターから約 17 mA を消費します。

基板

基板は 84 × 70 mm、厚さ 1.6 mm の FR-4 で、2 層です。抵抗はすべて縦置きにしています。スペースの節約になりますし、109 個の部品からなる回路をこのサイズに収めるにはこれしか方法がありません。IC ははんだ付けせず、DIP-8 ソケットに挿しています。

いちばん難しかったのは機構面です。1590BB の中では、基板とフタの間にポット本体ぶんほど、約 7 mm のスペースしかありません。Rev 1 ではポットがほかの部品と同じ面にあり、11 mm のコンデンサがフタに当たってしまいました。Rev 2 ではポットとステータス LED を裏面に移しました。ポット本体はフタ側を向き、ほかの部品はすべてケースの内側を向きます。ポットが基板にぴったり座るよう、あえてポットの下には部品のリードを置いていません。

Rev 2.2：再配線

Rev 2.2 では、回路、部品、定数は Rev 2.1 と同じで、変わったのは銅箔とシルクスクリーンだけです。基板は fastroute で一から再配線しました。

• 電源配線はどこでも 0.5 mm 以上。 Rev 2.1 では VCC の約 29 mm と VMOS の約 19 mm が 0.15 mm まで細くなっていました。数 mA なので電気的には問題ありませんでしたが、堅牢性と製造マージンのために太くしました。
• 17-18 V のネット用に「HV」ネットクラス： V18、PUMP、VCC、VMOS はほかの銅箔から少なくとも 0.25 mm 離します。唯一の例外は Q4 自身の足です。TO-92 の 1.27 mm ピッチでは、ドレインとゲートの間隔は 0.22 mm にしかできないため、beyhan.kicad_dru のカスタムルールでそこだけを除外しています。
• ネジ受けボス用の切り欠き： Rev 2.1 では、基板の上側の 2 つの角がケースの角にあるネジ受けボスに当たっていました。上側の角には現在、半径 6.1 mm の丸い切り欠きがあります。この寸法は、Hammond の公式図面に、クローンケースの大きめのボス分として 0.6 mm と位置誤差分として 0.5 mm を足して決めました。スペースを空けるため、C6 は小さい缶のものに、D3 は縦置きに、C31 はフィルムから C0G セラミックに変えました。定数は変わっていません。
• 基板をケース内で 1 mm 下げた： 上壁と側面に対して約 1.6 mm のクリアランスがあります。ポットと LED の穴も 1 mm 下に移動し、穴あけテンプレートも作り直しました。
• 読みやすいシルクスクリーン： IC のラベルを表面に移し、ソケットの内側には MAX1044 と TL072 と書き、1 番ピンの横に 1 を入れました。どちらも DIP-8 で、取り違えると MAX1044 に 17 V がかかってしまいます。シルクスクリーンはその間違いを起こしにくくするためのものです。
• シルクスクリーンの線は、JLCPCB の最小値である 0.15 mm まで太くしました。185 個あったグラウンドステッチングビアのうち 161 個を残しています。

この記事のために基板をもう一度チェックしました。kicad-cli sch erc は違反ゼロ、kicad-cli pcb drc は未接続パッドゼロで、警告は 1 つだけでした。U1 のソケットのフットプリントがライブラリのものと異なるという警告ですが、これは切り欠きに近すぎたソケットの外側のシルク枠を、私が意図的に削除したためです。

検証

基板を発注する前に、回路図そのものから生成したネットリストを使って ngspice で回路をテストしました。つまり、シミュレーションした回路は基板上の回路とまったく同じです。

モンテカルロの結果こそが、トリマーなしの設計の本当の証明です。各トランジスタに 1.0〜3.0 V のランダムなしきい値を与えても、ドレイン電圧は 6.6〜12 V の範囲に収まります。

組み立てとケース

発注パッケージは、それだけでペダルを組み立てられるようにまとめてあります。組み立てノート、部品表（買い物用のスプレッドシートを含む）、リファレンス番号版と定数版の両面の組み立て図、ケースの穴あけテンプレート、フットスイッチの配線図、そして JLCPCB にそのままアップロードできるガーバーパッケージです。ドキュメントはトルコ語です。

最初の電源投入は段階的に行います。IC を抜いた状態で V9 が約 8.4 V であることを確認し、次に U1 を挿して VCC が 16-17 V まで上がるのを確認し、それから U2 を挿します。その後、MOSFET のドレイン電圧と、U2 の出力が VCC/2 付近にあることを確認します。この順番なら、高価な部品を焼いてしまう前に、最初のステップでミスを見つけられます。

ケース用には、100% のスケールで印刷する穴あけテンプレートがあります。テンプレート上の 100 mm の線を定規で確認します。クローンの 1590BB ケースは Hammond のものより 0.5-1 mm 大きいことがあるので、テンプレートはケースの上端と中心線に合わせます。

部品選び

• トランジスタは必ず BS170 にしてください。 2N7000 は電気的には似ていますが、ピン配置が逆です。使う場合は 180° 回転させる必要があります。
• U1 には ICL7660S がいちばん安全です： 13 V まで耐えられます。MAX1044 でも動きますが、13 V のアダプターでツェナーのクランプ電圧が約 10.9 V まで上がると余裕がありません。
• 17 V レールの電解コンデンサ（C6、C7、C9）は 35 V 品です。25 V 品だと定格の 70% で動作することになります。
• 安定化された 9 V のペダル用アダプターを使ってください。 ツェナーは短時間の過電圧からは守ってくれますが、12 V 以上の電源が常時かかると発熱します。恒久的な対策ではありません。

まとめ

BEY-HAN Overdrive でいちばん嬉しいのは、真空管サウンドに近づくのに高価な部品や珍しい部品が必要なかったことです。4 個の BS170、適切なバイアス、Q3 の抵抗 1 本の変更、そして何十年も変わらない Marshall のトーンスタック。あとは機構面の根気です。ポットを裏面に移し、ネジ受けボスのために角を切り欠き、17 V のネットに専用のクリアランスルールを与えること。Rev 2.2 の発注パッケージは、KiCad 10 のソースファイルも含めて準備できています。