KOR v1: HHH ストラト用 9 V アクティブ・バッファ兼ブースター、SMD 版と THT 版

ハムバッカー 3 基 (HHH) の自分のストラト用に、小さなアクティブ・プリアンプ KOR v1 を設計しました。ギターの配線には手を加えません。5 ウェイセレクター、Volume、Tone はそのままで、新しいポットも増やしません。基板は Volume の出力とジャックの間に入り、2 つの仕事をします。ピックアップからケーブルを切り離すこと (バッファ) と、必要なら信号を最大 7.7 dB 持ち上げること (BOOST) です。ピックガードに追加するミニスイッチ 1 つで、アクティブとパッシブを切り替えます。パッシブ時はプリアンプが信号経路から完全に外れ、電池の消費電流はゼロになります。

基板は 2 種類あります。32×20 mm の SMD 版と、手はんだ用の 48×28 mm の THT 版です。回路は同じで、オペアンプとパッケージだけが違います。

なぜバッファなのか

パッシブのギターでは、ピックアップ、ポット、ケーブルがまとめて 1 つのフィルターになります。ハムバッカーの約 4.5 H のインダクタンスがケーブルの容量 (3 m で約 300 pF) と共振し、その共振より上の高域は急に落ちます。ケーブルが長いほど共振は下がり、音はこもります。

バッファはこの容量をピックアップから隠します。ピックアップから見えるのは基板の入力と数センチの配線だけで、ケーブルはオペアンプが駆動します。ngspice で、ハムバッカーのモデル (4.5 H、9 kΩ、200 pF)、500k の Volume と Tone、22 nF のトーンコンデンサ、3 m のケーブル、1 MΩ のアンプ入力を使って 2 つの場合を比べました。

ピークは約 600 Hz 上がり、5 kHz 付近では約 4 dB 多く高域が残ります。Volume を絞ると差はさらに広がります。パッシブでは絞ったポットとケーブルがローパスフィルターになって音がこもりますが、アクティブではケーブルをオペアンプが駆動するので、この影響がなくなります。

この明るさを好まない人もいます。パッシブの太さはケーブルから来ているので、そのための空きパターンを基板に用意しました。入力と GND の間のコンデンサ C9 です。220-470 pF の NP0 を付けるとケーブルの容量が戻り、音がパッシブに近づきます。標準では実装しません。

回路

9V ── D1 (逆接続保護) ── 47µ ‖ 100n ── VCC
VCC ── 100k ── VREF (≈4.4 V, 10µ) ── 100k ── GND

IN ── 10M ── GND
IN ── 47n ──┬── 1M ── VREF
            └── 1k ── (100p → GND) ── オペアンプ +
オペアンプ − ── 33k ── 10µ ── GND
オペアンプ出力 ── RV1 47k (BOOST) ── オペアンプ −   (100p 並列)
オペアンプ出力 ── 100 Ω ── 10µ ──┬── OUT
                                 └── 100k ── GND

• 単電源と仮想グラウンド: 2 本の 100k で 9 V 電池の半分を取り出し、10 µF で平滑します。オペアンプの入力は 1 MΩ を通してこの電圧につながります。
• 入力: 47 nF の入力コンデンサが DC をカットします。10 MΩ が入力を GND に保ちます。コンデンサの両端が常に決まった電圧にあるので、スイッチ切り替え時のポップ音が減ります。1 kΩ + 100 pF が無線周波数をオペアンプの手前で落とします。入力インピーダンスは 1 MΩ を少し下回る程度で、パッシブのアンプ入力より強くピックアップに負荷をかけません。
• ゲイン: 非反転増幅器で、ゲインは 1 + RV1 / 33k。トリマーを左いっぱいにすると 0 dB (純粋なバッファ)、右いっぱいで 1 + 47/33 = 2.42、つまり +7.7 dB です。帰還側の 10 µF でゲインは AC にだけかかり、出力の DC レベルは VREF のままです。並列の 100 pF は超音波域のゲインを下げ、オペアンプを安定させます。
• 出力: 100 Ω がオペアンプをケーブル容量から切り離します。10 µF が DC をカットし、100k が出力コンデンサを放電します。
• 逆接続保護: 電池を逆に付けるとショットキーダイオード (SMD 版は BAT54J、THT 版は BAT85) が電流を止めます。ダイオードの電圧降下は約 0.1 V で、オペアンプは 8.9 V で動作します。

どこまで入力に耐えるか

オペアンプはレール・ツー・レールです。シミュレーションでは 8.9 V 電源で出力が ±4.35 V まできれいに振れます。BOOST 最大でも入力 1.8 V ピーク まではクリップせず、2 V で出力が電源に張り付きます。BOOST 0 dB ではこの限界が 4.4 V ピークに上がります。この基板はクリーンなバッファ兼ブースターとして設計しており、歪み系ではありません。

2 つの版: SMD と THT

電流値はオペアンプのビヘイビアモデル (開ループゲイン、GBW、静止電流) と回路の残りの部分から求めたものです。電池寿命は約 500 mAh のアルカリ 9 V 電池を想定しています。

SMD 基板の裏面は全面 GND です。基板は両面フォームテープでキャビティに貼り付けます。裏面がグラウンドでも、キャビティ内の配線やネジが触れないよう、熱収縮チューブかカプトンテープで絶縁してください。

THT 版では抵抗を寝かせて実装し、オペアンプは DIP-8 ソケットに挿します。電解コンデンサ (C1、C5、C7、C8) には極性があり、長い足をシルクの「+」がある角パッドに入れます。5 mm の電解コンデンサは高さが 11 mm ほどあるので、キャビティが浅ければ寝かせてはんだ付けします。おすすめの実装順は、抵抗とダイオード、ディスクコンデンサ、ソケット、フィルムコンデンサ、トリマー、電解コンデンサ、最後にオペアンプです。

2 枚の基板のパッドは同じ IN、OUT、GND、BAT+ なので、配線は変わりません。どちらも KiCad の DRC でエラー 0、未接続パッド 0 です。

配線

ピックガードに ミニ 3PDT on-on スイッチ (9 端子) を追加します。3 つの極にはそれぞれ別の役割があります。

              3PDT スイッチ (各極: 上 / 中央=コモン / 下)
              ON = 上、OFF = 下

極 A (出力):   上 ── PCB OUT
               中央 ── ジャック TIP
               下 ── Volume ワイパー

極 B (入力):   上 ── Volume ワイパー
               中央 ── PCB IN
               下 ── 空き

極 C (電池):   上 ── PCB BAT+
               中央 ── 電池 (+)
               下 ── 空き

電池 (−) ── PCB GND ── ギターの共通グラウンド (ポットのケース、ジャック SLEEVE)

• OFF: Volume の出力がそのままジャックへ行きます。プリアンプの入力は切り離され、電池も完全に切れます。トゥルーバイパスで消費電流ゼロです。
• ON: 信号が基板を通ります。
• 多くのストラトに付いているモノラルジャックのままで構いません。その場合、電池を切るのはジャックではなくスイッチなので、ギターを使わないときはスイッチを OFF にしてください。ジャックをステレオ (TRS) にして電池のマイナスをリングにつなげば、ケーブルを抜いたときにも電池が切れます。
• ミニ 3PDT スイッチの端子配置はメーカーによって違います。配線する前に、どの端子がどの位置でコモンとつながるかをテスターで確認してください。
• キャビティとピックガード裏は銅箔でシールドし、銅箔を GND につなぎます。アクティブ回路はパッシブ配線よりノイズを拾いやすいからです。

試作で確認すること

基板はまだ製造していません。上の数値はすべてシミュレーションと計算によるものです。基板が届いたら次を確認します。

1. 実際のギターでの ON と OFF の音の違いと、C9 の適切な値。
2. スイッチ切り替え時のポップ音。
3. シールドあり・なしでのハムとノイズ。
4. 電流: OPA170 で 155 µA、TLV2371 で 0.6 mA という見積もりが実機でも成り立つか。
5. BOOST 最大で強くピッキングしたときにクリップしないか。

ダウンロード

フットプリントはすべて KiCad 標準ライブラリのものなので、追加のライブラリは不要です。SMD 基板を JLCPCB で実装する場合、BOM と CPL は production/ フォルダにあります。実装プレビューで部品の向きを必ず確認してください。KiCad と JLCPCB では一部のパッケージで 0° の定義が異なります。パッケージ内の配線メモはトルコ語です。