シミュレーションでお勉強：やっぱBOSSはすごい DS1 は単純なディストーションペダルで無いことが判った

2021年8月18日2021年8月23日カバ野郎

ハードクリッピングディストーションペダルをシミュレーションしてみる4機種目は日本のBOSSが最初にリリースし今も大人気のBOSS DS-1です。

これまでの結果は以下の通りです

MXR Distortion+ ：典型的なオペアンプで増幅した信号をダイオードでハードクリッピングする回路。
ProCo RAT：オペアンプ＋ハードクリッピングの二段で歪みを作る回路
Roland AF-60 BeeGee：初段トランジスタ＋オペアンプ＋クリッピングダイオードの三段で歪みを作る回路

それではDS-1はこれらのどの回路に似ているのでしょうか？それとも違うのでしょうか？
シミュレーションの結果をご報告いたします。

BOSS DS1のシミュレーション回路

こちらがDS-1のシミュレーションに用いた回路です。DS-1は初期型と再販型があるようで今回は再販型の回路を参考にさせていただいております。

DS-1が一旦生産終了したのは（おそらく）初期型で採用されていたシングルオペアンプTA7136（など）が終了したため作れなくなったのではと予測しています。
その後再販型では、デュアルタイプのオペアンプが使われていますが、そのうち1つは増幅率1の（つまりバッファ）回路として使われていました。（無くても基本変わらない）

これも予測ですが、この回路には抵抗もコンデンサ必要無く、ノーコストで実装できますので遊ばせておくのも勿体無いので追加されたのかとも思います。

次にBOSS DS-1は BOSS最初のペダルとして画期的なFET電子スイッチが採用されたのですが、そのFETスイッチを安定動作させるために悪名高い？入力＆出力バッファ回路が搭載されたのではと予測しています。

しかし実はDS-1ではこの入力バッファも音質的にかなり重要の役割があるということも判りましたので最後に記述します。

BOSS DS-1の歪みを分析する

でDS-1の回路の特徴は、初段のトランジスタ増幅回路（上の図の②の部分）なので、②初段トランジスタの出力部の波形（黄線）、③オペアンプの出力波形（青線）、④ハードクリッピング後の波形（赤線）、の各部分の波形を出してみます。　

更に入力レベルを増大させながら見て行きます。

まずはギターの出力を20mVのとき、DISTツマミを変化させた時の、②、③、④です。

初段のトランジスタ（黄線）は歪んでいません。ですがオペアンプ（青線）がやや歪み始めていますね、そしてダイオードクリップ（赤線）し始めるという絶妙の状態になっています。

次に入力が50mVの波形を見てみます。

初段のトランジスタ（黄線）はをよく見ると上下の波形が非対処になりはじめました。
そして、オペアンプ（青線）は飽和し始めているようですが未だ余裕がある状態、一方のダイオードクリップ（赤線）はしっかりとコンプレッションの仕事しており大きく歪んだ方形波に近い出力となります。

次に入力が100mVにしてみます。

ここで初段トランジスタの波形のマイナス側でクリップが始まりました。
オペアンプも余裕が無くなり飽和気味になっています。
ダイオードクリップも常にクリップしている状態です。

次に入力を200mVにします。

初段トランジスタはや限界に達して上下がクリップしてますが、非対称クリップしているということが見れます。

更に入力を500mVしてみます。

初段トランジスタも完全に飽和状態ですが、非対称波形は継続されています。

このようにDS-1は、入力値によって、初段トランジスタ、オペアンプ、ダイオードクリップで発生させる歪みのバランスがダイナミックに変化することが判りました。

初段のトランジスタ＞オペアンプ＞ダイオードクリップの順でダイナミックレンジが広いので初段でピッキングニュアンスに反応出来るということですね。

BOSSはOD-1で非対称クリップによって真空管のようなオーバードライブ回路を作りましたが、実はDS-1もそうなっています。更にDS-1の前身であるBeeGeeも非対称クリップですので、まさにこの時代にそれを追求していたことが予測出来ます。

そしてこの特性を実感するにはDISTツマミとギターのボリュームコントロールのベストポイントを探る必要がありそうですね。

DS-1の初段トランジスタの役割を見てみる

上の波形分析でも大方判ったと思いますが、初段トランジスタはDISTツマミとは関係無く、入力値だけで歪みの深さがコントロールされます。

ですので初段トランジスタだけに着目して、入力値の方を変化させてたグラフを纏め、これをFFT（周波数分析）にかけてみます。

こちらが、入力値を赤＞10mV、青＞20mV、黄＞50mV、薄青＞100mV、紫＞200mV、灰＞500mVとした時の初段トランジスタの波形まとめです。

そしてFFTするとこんな感じ、、、もう驚くほど綺麗な倍音発生機になっていますね。

特に注目なのが、2次倍音が入力に応じてリニアに発生していることです。
一方の3次倍音は、入力値と発生量が逆転の関係になっている時もあるのが面白いですね。

とにかく、DS-1の初段トランジスタは、お飾りでは無く、倍音発生回路ということが判りました。

ProCo RATでは初段トランジスタを使わなくてもオペアンプだけで高い増幅率出来ていたのですが、それでもDS-1がわざわざ部品コストを掛けてまでも初段トランジスタを配置した理由は」、まず初段で豊富な倍音を作るため、特に2次倍音、4次倍音などの偶数時倍音を発生させる為に追加さているということは確実だと思います。