目 次

設計・シミュレーション編は
こちらです

グラフィック・イコライザとは/動作原理/基本回路/共振周波数1KHzでの設計とシミュレーション

▼ 単電源で動作させる

設計・シミュレーション編で検討した回路を、実際に製作し、特性確認と試聴を行います。

★回路

シミュレーションではオペアンプを両電源動作としていましたが、実際に製作となると、両電源を準備するのは面倒です。 そこで、電源は9Vの006P電池を1個とし、単電源で動作させることにします。

図14に回路を示します。

実際にはステレオ構成になり、図14では片チャンネル分しか表現していませんので注意してください。
また、半導体インダクタ部は1バンドしか表現していません。

単電源動作 グラフィック・イコライザー 回路図(片チャンネル分)

★バッファーが必要

イコライザー部は非反転アンプですが、カット時は図15のようにR5の抵抗値が低いです。
信号源側の出力抵抗Roが無視できない場合、これによりカット量に誤差が発生します。

図15 入力抵抗が低いので誤差が出る

このような場合、図16のようにイコライザーの前段にバッファーアンプを設けることにより誤差を少なくすることができます。

つまり、ある程度せ高い入力インピーダンスで信号源からの信号を受けて、低い出力インピーダンスで次段のイコライザー部へ信号を渡ば良いわけです。

図16 バッファーを間に入れる

★バイアスを供給

単電源動作のためのバイアス供給を図17に示します。

R2,R3およびR4にてバッファーアンプへバイアス供給し、R2 = R3 ですから、オペアンプのプラス端子には、ほぼ、電源Vccの半分の直流が印加されます

R4はバッファーアンプの入力抵抗(インピーダンス)を決めるための抵抗です。

コンデンサC2のリアクタンスを扱う交流信号に対して、十分小さくなるようにすれば、C2のプラス端子のポイントは交流的にGNDとみなせることができます。
したがって、バッファーアンプの入力抵抗はR4の値そのものになり、47kΩ です。

図17 バイアス供給とバッファーアンプ部

(1/2)Vccのポイントは半導体インダクタへのバイアスも兼ねています。
接続が分かりにくいと思いますので、図18に接続詳細を示します。

なお、(1/2)Vccは余ったオペアンプの入力処理にも用い、図14を参照願います。

図18 1/2Vccの接続詳細

▼ 半導体インダクタ(イコライザ)部の定数と使用部品

★定数

図19に定数を示します。

10KHzは前回のシミュレーションではCB3 = 330p,Rc3=75kΩでしたが、手持ち部品の関係でCB3を470pFとしました。
これに伴い、Rc3は51kΩです。ボリュームは、これも手持ち部品の関係で50kΩです。

図19 3バンド イコライザー部の定数

★用いるコンデンサ

表1に用いたコンデンサを示します。
手持ち部品の関係で1μFのコンデンサが容量誤差±10%品です。

表1
品名 型番 誤差 メーカー
フィルムコンデンサ 470pF WDQC-471/100V ±5% Linkman
マイラーコンデンサ 1000p EOL100D10J0-9 ±5% FARAD
マイラーコンデンサ 3300p EOL100D33J0-9 ±5% FARAD
マイラーコンデンサ 0.01μF EOL100S10J0-9 ±5% FARAD
マイラーコンデンサ 0.033μF EOL100S33J0-9 ±5% FARAD
マイラーコンデンサ 0.033μF EOL100P10J0-9 ±5% FARAD
フィルムコンデンサ 1μF PCMT36771105 ±5% -

★ボリューム

イコライザー用ボリュームはBカーブでセンタークリック付が望まれます。

例えば図20のようにボリューム位置センターで「フラット」、右方向で「ブースト」、左方向で「カット」としたい場合、センター位置が機械的に分かると便利です。
センタークリックとはボリューム位置がセンターでクリック感があるボリュームです。

図20 ボリュームのセンタークリック付き

ボリュームのAカーブ、Bカーブの特性を図21に示します。
イコライザー特性がフラットになる条件は図21のボリューム端子「1-2」と「2-3」の抵抗値が同じであり、しかも、ボリューム位置がセンターであることが望まれます。
したがって、Bカーブの特性を用います。

図21 ボリュームのAカーブ、Bカーブ

今回はクリック付ではありませんが、基板用のボリュームを用いています。
写真1にボリュームと各コンデンサを示します。

写真1 ボリュームとコンデンサ

▼ 製作

★回路

ステレオ構成なのでオペアンプは2回路入りのNJM4558Dを6個用います。

入力バッファーとイコライザアンプを同一パッケージとし、半導体インダクタ部はそれぞれ2個用いますので、オペアンプが2回路余ります。

ただし、バッファー部を同一パッケージとすればオペアンプは5個で済みます。今回はL/Rを独立させたかったので、あえて、6個使いとしました。

図22 単電源動作グラフィック・イコライザ 回路図

★部品表

半導体インダクタ部を除いた主な部品を表2に示します。オペアンプはICソケットを用います。

表2
部品番号 部品名 型番 メーカー 数量 備考
C1,C3 ケミコン 1u/50V 50PK1MEFC Ruby-con 2
C4,C6 ケミコン 1u/50V 50PK10MEFC Ruby-con 2
C2,C5,C7 ケミコン 1u/50V 25PK47MEC Ruby-con 3
CF1,CF2 マイラー 1000pF EOL100D10J0-9 FARAD 2
C8~C13 セキセラ 0.1μF CT4-0805B104K Linkman 6 10個入り
IC1~IC6 オペアンプ NJM4558D 新日本無線 6
J1,J2 Φ3.5ジャック MJ-073H マル信 2
LED1 LED 青 LLED-B501 Linkman 1
R1,R4,R7 カーボン抵抗 47k 3 1/4W
R8,R11,R14 カーボン抵抗 47k 3 1/4W
R2,R3 カーボン抵抗 10k 2 1/4W
R9,R10 カーボン抵抗 10k 2 1/4W
R5,R6 カーボン抵抗 3k 2 1/4W
R12,R13 カーボン抵抗 3k 2 1/4W
R15,R16 カーボン抵抗 1k 2 1/4W
R17 カーボン抵抗 10k 1 1/4W
S1 スライドスイッチ 5FD1-S1-M2-S-E Linkman 1
VR1~VR3 2連ボリューム50k RD925G-QA1-B503 Linkman 3 基板実装
ICソケット8P 21208NE Linkman 3 板バネ式
ユニバーサル基板 ICB-96GU サンハヤト 1
電池ホルダー BH-9V-3P タカチ 1 基板実装
ボリューム用つまみ B-15黒 レックス 3
電池 006P 1
スペーサ、ネジ等 1式

★製作

写真2のように最初にICソケットの配置を決め、電源パスコンを配線します。
用いた基板「ICB-96GU」はICパターンなので、電源、GNDの配線が楽です。

写真2 ICソケットとパスコンを実装

写真3に完成外観を示します。

製作には1日かかるかなと思っていましたが、意外と早かったです。
ICB-96GUのICパターン、連結パターンをうまく利用すれば早いです。4時間ほどで完成しました。
基板の裏は汚いのでお見せ出来ません。

写真3 完成外観

▼ 実験基板の特性を測定

出来上がった実験基板の特性がどうなっているか測定します。

★使用機材と接続

写真4に使用機材、図23に接続図を示します。

写真4 使用機材 図23 測定接続図

ファンクションジェネレータを信号源とし、ボリュームを変化した時の周波数特性を電子電圧計にて測定します。


信号源

今回はファンクションジェネレータを用いています。オーディオ帯域のCR発振器でも良いですが、この機種は周波数がディジタル表示なので、今回のようなフィルター測定には便利です。

メーカー:インステックジャパン  型番:AFG-2105

電子電圧計

オーディオ帯域の電子電圧計で、今回はアナログメーター式を用いています。
写真4のものは古い機種なので、同等品の現行機種を参考までに以下に記します。
(2014年6月現在)

メーカー:インステックジャパン  型番:GVT-417B

オシロスコープ

波形観測用です。波形クリップ、発振などによる測定ミスを防ぐ目的で用います。アナログ、ディジタルどちらの方式でも良いです。

ダミー抵抗

特別なものではありません。図24のようにφ3.5ステレオプラグに抵抗10kΩを2個(ステレオ)接続して自作しています。

図24 ダミー抵抗

★電子電圧計のメモリの読み方

写真5に電子電圧計のメーター目盛例を示します。
この例ではデシベル値が主目盛で一番上がdBV、その下(赤)がdBm、3番目と4番目が電圧(V)になっています。
機種によっては電圧値が主目盛となるものもあります。

写真5 電子電圧計の目盛例(デシベル値主目盛)

dBVとdBmはどちらも相対値ではなく絶対値です。

(dBV)

1Vrmsの電圧を0dBVとしています。
例えば、
2Vrms → +6dBV
1Vrms → 0dBV
0.1Vrms → -20dBV
0.01Vrms → -40dBV

(dBm)

電力1mWを基準0dBmとしたもので、オーディオ系の場合、回路抵抗は600Ωとしています。


フィルター特性などはデシベルが単位になりますので、dBV目盛で値を読んだほうが楽です。

写真6にdBV目盛の読み方例を示します。例えば、「-10dBレンジ」の場合、
(赤) 読み値が0なので「-10dBV」
(青) 読み値が+3なので、-10+3 = -7dBV
(黄) 読み値が-4なので、-10-4 = -14dBV

写真6 電子電圧計のdBV数値の読み方(-10dBレンジの場合)

★測定手順

(手順1)

始めに、各ボリュームがセンターでのフラット時の出力基準レベルを設定します。
この出力レベルは回路部で飽和しないレベルであることが必要で、今回の場合、「-10dBV」の設定としています。

図25のように1KHzの正弦波を基板に加え、電子電圧計の読みが「-10dBV」となるようにAFG-2105の出力レベルを調整します。

図25 基準レベルの設定

(手順2)

最大ブーストまたは最大カット時の特性を測定します。
例えば、1KHzバンドの特性を測定したい場合、100Hzおよび10KHzのボリューム はセンターとし、1KHzのボリュームは最大または最少にしておきます。

図26のようにAFG-2105の周波数を変えて、電子電圧計のレベルを読みます。この時、メーターが振り切れ、または小さい場合、値(レベル)が良く読めるように適当にレンジを切り替えます。

測定はすべての周波数帯域で行う必要はなく、1KHzバンドの場合、100Hz~2KHzの範囲で100Hzステップで良いです。

図26 周波数を変えてレベルを読む

周波数を変えて電子電圧計のレベルを読むわけですが、この場合、dBV値で読むと、後で相対値のデシベル(dB)に換算するのが面倒です。そこで、最初から読み値をdBで読んでおくと楽です。

図27のように電子電圧計のレンジは10dB毎(ステップ)です。
この各レンジはdBVのレンジでもあるわけですが、この読みを相対値のdBと読めば、そのまま、dBに置き換えられます。

例えば図25で基準レベルを-10dBVとしましたが、この読みを「頭の中で0dBと思う」ことです。つまり、この位置(読み)が0dBであり、レンジを0dBにした時にメーターの位置が同じであれば、その値は+10dBです。

また、レンジを-20dBにしてメーターの読みが-4dBVであれば、それは基準レベルに対して-14dBということになります。

図27 レンジ切り替えをdbで見ると

このようにして頭の中でdBとしてメーターを読めば、そのまま、dBとして測定できますので、作業は早いです。
ただし、慣れないうちはdBVで読んで、後でdBに換算してください。


★結果

グラフ1~グラフ3に測定結果を示します。

グラフ1 100Hz特性 グラフ2 1KHz特性 グラフ3 10KHz特性

それぞれのセンター周波数はそれほどズレていないようです。実際に用いた抵抗、コンデンサの誤差がどれほどか分かりませんが、ほぼ、シミュレーションに近い特性です。

グラフ1の100Hz特性で、10~30Hz付近がシミュレーションと異なっているのは、図28のようにC3,R7,RLの組み合わせでハイパスフィルター(HPF)を形成しているので、これによる影響のためです。

図28 出力部のHPF

周波数(Hz) ブースト カット 周波数(Hz) ブースト カット 周波数(Hz) ブースト カット
10 -8.5 -8 100 0 -0.5 1000 0.2 -0.1
20 -2 -4 200 0.8 -1 2000 0.9 -0.6
30 0.5 -3.6 300 1.8 -1.8 3000 1.8 -1.5
40 2.5 -4.3 400 3 -3 4000 3 -2.7
50 4.5 -5.5 500 4.5 -4.5 5000 4.5 -4.1
60 6.4 -7 600 6.1 -6.2 6000 6 -5.6
70 8.1 -8.5 700 7.8 -7.8 7000 7.7 -7.5
80 9.7 -10 800 9.4 -9.4 8000 9.2 -9
90 11 -11 900 10.5 -10.6 9000 10.3 -10.7
100 11.4 -11.5 1000 11.1 -11.2 10000 10.9 -11
110 11.1 -11 1100 10.9 -11 11000 10.8 -11.1
120 10.4 -10.2 1200 10.2 -10.4 12000 10.2 -10.5
130 9.5 -9.2 1300 9.5 -9.5 13000 9.5 -10
140 8.5 -8.3 1400 8.5 -8.6 14000 8.5 -9.2
150 7.7 -7.5 1500 7.8 -7.8 15000 7.6 -8.5
160 7 -6.5 1600 7 -7 16000 6.9 -7.7
170 6.4 -6 1700 6.4 -6.5 17000 6 -7
180 5.8 -5.5 1800 5.7 -5.9 18000 5.5 -6.5
190 5.3 -5 1900 5.4 -5.4 19000 4.7 -6
200 4.8 -4.5 2000 5 -5 20000 4 -5.5

▼ 試聴

図29に試聴のシステム図を示します。
普段はデジタルオーディオプレーヤーをヘッドホンアンプを用いて聴いているのですが、その間に本装置を入れて、音質をコントロールします。

図29 試聴のシステム図

音質等は個人差がありますので、ここではあまり詳しく表現しません。 一つ言えることは、低域をブーストさせると、ヘッドホンとの相性があるのかもしれませんが、筆者には好みの音になっています。


★気が付いた点

製作後に気が付いたのですが、消費電流が少し多いと思います。

当初、電源は単電源とし、用いる電池は006Pと思い込んでいました。
用いるオペアンプを決めないで、そのまま設計を進めてしまい、消費電流のことは気にかけていません。

手持ち部品の関係でオペアンプはNJM4558Dを用いようと思ったところで、消費電流のことに気づきました。

消費電流を測定すると約23mAです。電池持続時間が気になるところです。

したがって、NJM4558Dを用いた場合、電源は単3×6本にするか、消費電流の少ないオペアンプを用いたほうが良いです。

ちなみにNJM4558Dの電源消費電流はデータシートによると以下のとおりです。


【NJM4558D】 電源消費電流 標準:3.5mA 最大:5.7mA


今回、オペアンプは6個用いていますから、上記数値を6倍したものが本装置の消費電流になります。

図22の回路図のところで少し触れましたが、バッファー部を同一パッケージとし、オペアンプ5個使いでも良かった気がします。

▼ まとめ

グラフィック・イコライザをシミュレーションしながら設計、製作しました。

100Hz,1KHz,10KHzの3分割としましたが、これ以外の任意の周波数、分割数でもシミュレータを用いれば、設計、特性確認をすぐに行うことができます。

シミュレータを活用して、15分割などにチャレンジされてはいかがでしょうか。