JP4337737B2 - アナログコンプレッサ - Google Patents
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Description
図8は、従来の一般的なコンプレッサの入出力特性図である。横軸は入力レベル[dBu]、縦軸は出力レベル[dBu]であり、31は入出力特性曲線である。
入力レベルが「スレッショルド」以下のときは、所定のゲイン(利得)で増幅されて出力信号が出力され、入力レベルが「スレッショルド」を超えると、利得を下げることにより出力レベルを圧縮する。圧縮比は「レシオ」と呼ばれ、入力レベル(a)に対する出力レベル(b)の比(a:b)として表わされる。
「スレッショルド」を下げると聴感上の音量が低下する。これを補償するため、「スレッショルド」を下げると同時に、入出力特性曲線32に示すように、コンプレッサの出力利得を全入力レベルについて上げる場合もある。
上述したコンプレッサは、単に入力信号の過大入力を圧縮する効果だけではなく、低レベルの信号が高レベルの信号に対して相対的に大きく増幅されることになるために、音の厚みが増すという効果を奏する。また、「リリースタイム」を長くすれば、弦振動の減衰期間が延びたように感じられる効果を奏する。
このように、コンプレッサは、楽器用においては、エフェクタの一種としても用いられている。
アナログコンプレッサは、制御信号(制御電圧あるいは制御電流)の大きさに応じて利得が制御される可変利得増幅器を用いることにより実現される。
このような可変利得増幅器には、例えば、専用のIC(半導体集積回路)、例えば、RCA社の製品「CA3080」を用いたものや、電界効果トランジスタ(FET:Field-effect Transistor)を用いたものがある。
しかし、FETを用いた場合はもちろん、専用のICを用いた場合でも、特性のばらつきがあるために、個々の部品の特性に応じて調整しなければ製品を出荷できない。
また、専用のICは品種が少ないので、音質のチューニングが余りできないという問題もある。
「Guitar Magazine Mooks エフェクター・ブック」(雑誌コード 69771-25),株式会社リットーミュージック,(平成6年10月1日),p.52−55
従って、入力レベルがスレッショルドを超えると、入力信号を圧縮した出力信号を出力するアナログコンプレッサであって、単一の操作子の操作により抵抗値が変化する可変抵抗器により、スレッショルドを変化させるとともに、このスレッショルドが低くなるほど圧縮比が大きくなる構成を実現できる。
スレッショルドが低くなるほど圧縮比が大きくなるという関係は、コンプレッサ効果を付加するのに適している。
また、可変利得増幅手段の出力信号と非線形増幅手段の出力信号との比較結果に応じて可変利得増幅手段の利得を制御していることから、可変利得増幅手段にフィードバックによる自己調整機能が働くので、可変利得増幅手段の特性のばらつきの影響を受けにくい。
さらに、抵抗値が変化する第2の可変抵抗器と、この第2の可変抵抗器により利得が調整される増幅手段を設け、この増幅手段を上述した可変利得増幅手段に接続し、上述した可変抵抗器と第2の可変抵抗器とを、スレッショルドが低くなるほど増幅手段の利得が大きくなるように、共通の操作子により連動して操作されるようにしてもよい。
このようにすれば、圧縮処理による出力信号の聴感上の音量低下を補償できる。
また、可変利得増幅手段の特性のばらつきの影響を受けにくいという効果がある。例えば、可変利得増幅手段にFETを用いた場合、FETの動作点を調整する必要がない。
このアナログコンプレッサは、入力信号電圧(以下、単に入力信号という)Viのレベルがスレッショルドを超えると、入力信号Viのレベルを圧縮した出力信号電圧(以下、単に出力信号という)Voを出力するアナログコンプレッサであって、操作子の操作により抵抗値が変化する可変抵抗器VR2を有し、この可変抵抗器VR2の抵抗値の変化により、スレッショルドを変化させるとともに、このスレッショルドが低くなるほど、圧縮比が大きくなるように制御する手段を有する。
加えて、上述した可変抵抗器VR2と出力利得を調整する可変抵抗器VR1とを2連ボリュームにして、両者の抵抗値の変化を連動させることによって、スレッショルドの低下による音量の低下を補償する。
図1に示した回路では、両者とも同方向に抵抗値が変化するようにする。操作量(回転角)に対する抵抗値の変化は、直線特性(Bカーブ)とするとよい。
FETは、ソースドレイン間に印加される直流電圧が0[V]で使用されている。ゲートに印加される制御信号V5の電圧がゲート−ソース間遮断電圧(ピンチオフ電圧)よりも負側において抵抗値は∞[Ω]であり、0[V]に近づくにつれて抵抗値が下がる。ゲート−ソース間遮断電圧は、直流電圧が0[V]のとき、約−0.3[V]であって、個々の製品によってばらつきがある。
第2反転増幅部2は、出力信号V1を入力し、反転増幅して出力端子に出力信号Voを出力する。その利得は、入力路の抵抗器R4と帰還路の抵抗器R5,可変抵抗器VR1の各値に応じて決まる。
初段は、オペアンプOp3、入力端子とオペアンプOp3の反転入力端子との間に直列接続された可変抵抗器VR2と抵抗器R6、オペアンプOp3の第1の負帰還路に挿入されたダイオードD1、第2の負帰還路に直列に挿入されたダイオードD2と抵抗器R7、からなる。ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとは、オペアンプの反転入力端子側になる。
反転増幅の利得は、入力信号Viが正のとき、入力路の可変抵抗器VR2,抵抗器R6と第1の帰還路のダイオードD1により決定され、入力信号Viが負のとき、入力路の可変抵抗器VR2,抵抗器R6と第2の帰還路のダイオードD2,抵抗器R7により決定される。
ダイオードD1,D2は、順方向電圧に対する順方向電流が指数関数となることから、非線形特性を有している。
入力信号Viが正のとき、出力信号V2が−0.6[V]付近までは傾き(利得)が急で、その後は入力信号Viが大きくなるほど傾き(利得)が緩やかになる。
一方、入力信号Viが負のとき、出力信号V2が0.6[V]付近までは傾き(利得)が急で、その後は、入力信号Viの絶対値が大きくなるほど、可変抵抗器VR2の抵抗値に応じた所定の傾きに近づく。すなわち、初段の利得(傾き)は、抵抗器VR2,R6,R7の抵抗値、および、入力信号Viで決まる次の値
[R7/(R6+VR2)+0.6/Vi]
に近づく。
従って、可変抵抗器VR2の抵抗値が大きくなるほど、出力信号V2の傾きが小さくなる。
その結果、初段は、入力信号の一方の極性(図示の例では、負極性)において、入力信号の絶対値が小さいときは急な傾きであり、入力信号の絶対値が大きくなるにつれて可変抵抗器VR2の抵抗値に応じた所定の傾きに近づく非線形入出力特性(ノンリニア特性)を有している。
この実施の形態では、入力信号Viの一方の極性(負極性)の瞬時値に応じてコンプレッサを制御するものである。従って、入力信号Viが他方の極性(図示の例では、正極性)であるときには、望ましくない制御がなされないように、全波整流部が設けられている。
ダイオードD3のカソードとダイオードD4のアノードとはオペアンプOp4の出力端子側にある。ダイオードD4と抵抗器R10との接続点と、全波整流部の出力端子との間に抵抗器R11が接続されている。また、全波整流部の出力端子とアース間にコンデンサC2が接続されている。
V3=[(15k+15k)/(15k+15k+15k)]×V2=0.667×V2
一方、出力信号V2が負のとき、ダイオードD4がオンとなる。ダイオードD4のカソード側の電圧Vd4は、次のとおりである。
Vd4=−(15k/12k)×V2
出力信号V3は、図示の具体例(抵抗器R8と抵抗器R11の抵抗値が等しい)では、次のとおりである。
V3=(V2+Vd4)/2=−0.125×V2となる。
従って、出力信号V2に対し正負で利得が異なる全波整流が行われている。
コンパレータ部4は、入力信号Viの一方の極性(図示の例では負極性)において、出力信号V1と出力信号V3とを比較し、比較結果信号V4を出力する。この実施の形態では、比較結果信号V4の電圧値そのものは重要ではなく、どちらが大きいかがわかればよい。以下の説明では、出力信号V1の方が小さいとき比較結果信号V4を「1」、出力信号V1の方が大きいとき比較結果信号V4を「0」であるとしている。
第1反転増幅部1の利得は制御信号V5によって可変制御されるため、その出力信号V1は制御信号V5によって変化する。図3に示す出力信号V1は、第1反転増幅部1において圧縮処理が行われていない非圧縮時における出力信号、すなわち、第1反転増幅部1の利得が最大の状態を維持していると仮定したときの出力信号である。
このとき、入力信号Viの入力レベルが小さくなってから十分な時間が経過していれば、後述する制御信号V5により、FETの等価抵抗は∞[Ω]になっており、第1反転増幅部1の利得は、入力路の抵抗器R1,R2と帰還路の抵抗器R3の各抵抗値で決まる最大の利得、図示の例では約O[dB]である。
交差するときの入力信号Viの瞬時値が、コンパレータ部4の出力する比較結果信号V4が反転する「スレッショルド」となる。
比較結果信号V4が、「1」から「0」に反転すると、後続の制御信号発生部5が出力する制御信号V5によって、第1反転増幅部1の利得を下げる圧縮動作が開始される。入力信号Viの入力レベルが大きくなるにつれて、出力信号V3よりも出力信号V1の方が大きくなる時間の比率が増すので、比較結果信号V4が「0」になる期間が長くなる。
図2を参照して説明したように、可変抵抗器VR2の抵抗値に応じて出力信号V3の傾きが変化している。従って、「スレッショルド」は、可変抵抗器VR2の抵抗値を大きくすると低くなり、可変抵抗器VR2の抵抗値を小さくすると高くなる。
また、整流部に代えて、出力信号V2に正のオフセット電圧を加えたものを出力信号V3として(図2においては、入出力特性をy軸の正方向にシフトさせる)、出力信号V3の値が常に正になるようにして、コンパレータ部4に供給し、入力信号Viの正側における望ましくないコンパレータ部4の反転を防止することも可能である。
しかし、上述した代替回路では、スレッショルドの可変範囲が狭まったり、制御動作がうまく行かないなどの不具合が生じたりする場合がある。なお、コンデンサC2も不具合が生じないように設けている。
この並列回路の一端が、制御信号発生部5の出力端子となる。
比較結果信号V4を入力し、この比較結果信号の「1」,「0」に応じて、放電および充電を繰り返すことにより制御信号V5を発生し、第1反転増幅器1のFETのゲートに供給する。入力信号Vi(瞬時値)の負側において、出力信号V1(瞬時値)が出力信号V3(瞬時値)よりも大きいときに、動作の時間遅れを伴って第1反転増幅部1の利得を圧縮する。
一方、コンパレータ部4の出力が「0」になると、トランジスタQは「オン」となり、コンデンサC3は正負の電源電圧が抵抗器R14,R15で分圧された電圧になる方向に充電され、制御信号V5が上昇する。ただし、ダイオードD5によりクランプされるので、ダイオードの順方向電圧を超えない。
FETの等価抵抗値は、制御信号V5が、直流電圧の印加されていないときのゲート−ソース間遮断電圧(約−0.3[V])まで上昇すると低下し始め、その結果、第1反転増幅器1の利得も低下し始めて圧縮動作が開始される。
コンパレータ部4の出力が「1」から「0」に反転し始めるようになった時点から、圧縮動作が開始されるまでに時間がかかる。この時間(アタックタイム)は、上述した抵抗器R14,R15の抵抗値、コンデンサC3の静電容量値などで変化する。
コンパレータ部4の出力が「1」の状態を続けるようになった時点から、圧縮動作が停止するまでに時間がかかる。この時間(リリースタイム)も、上述した抵抗器R15の抵抗値、コンデンサC3の静電容量値などで変化する。リリースタイムは、通常、上述したアタックタイムより長くなるよう設定される。
入力信号Viの入力レベルが大きくなると、一時的に、出力信号V1の方が、出力信号V3よりも大きくなる。すなわち、通常は、出力信号V3の方が大きいが、波形のピークの近傍で、時々、出力信号V1の方が大きくなる。その結果、コンパレータ部4の出力電圧V4は、通常は「1」を出力しているが、出力信号V1が一時的に大きくなったとき「0」を出力する。
このように、一時的に出力信号V1の方が大きくなる場合における、各部の出力電圧の関係を図4に示す。
比較結果信号V4のチャンネルの電圧レンジは10[V/div]、その他のチャンネルの電圧レンジは1[V/div]である。時間レンジは、200[μs/div]である。
図示の例では、出力信号V1の正のピーク近傍で、比較結果信号V4が一時的に「0」を出力する。比較結果信号V4が「0」になる期間の割合は、図示していない入力信号Viの入力レベルが大きくなるにつれて大きくなる。
なお、比較結果信号V4は、負の電源電圧(−15[V])までは下がっていない。しかし、制御信号発生部5において、トランジスタQでスイッチング動作をしているために、制御信号V5の出力電圧には影響を与えない。
比較結果信号V4の「0」,「1」に応じて、制御信号発生部5のコンデンサC3が充放電を繰り返し、図示の例では、約+0.2[V]の制御信号V5を発生している。この制御信号V5に応じて、FETが制御されて、第1反転増幅部1の利得を低下させ、入力信号Viが圧縮された出力信号V1が得られる。
従って、圧縮動作中でも、コンパレータ部4の出力は、入力信号Viの瞬時値の1周期毎に「0」と「1」とを交互に出力して、コンデンサC3の充放電を繰り返している。
そして、その1周期内で「0」である時間(充電時間)と「1」である時間(放電時間)がバランスするように、制御信号V5の電圧が自動調整される。すなわち、充電時間の充電量が放電時間の放電量より大きければ、制御信号V5の電圧が徐々に上昇し、小さければ下降する。制御電圧V5の電圧の変化に応じて第1反転増幅部1の利得が変化し、充電時間の充電量と放電時間の放電量とが一致したところで、制御信号V5の変化が停止する。
コンパレータ部4の出力が「0」から「1」に反転したタイミングから、圧縮動作が停止するまでに時間がかかる。この時間も、上述した抵抗器R15の抵抗値、コンデンサC3の静電容量値などで変化する。
このような負帰還制御により、制御信号V5による特性のばらつき、例えば、図1に示したFETのゲートソース間遮断電圧のばらつき、などの影響を受けにくい。
なお、出力信号V3の入出力特性は、ダイオードD2の非線形特性により実現されているので特性のばらつきが非常に小さい。
なお、上述した可変利得制御機能を有するICを用いた場合に生じる歪は、奇数次高調波歪になることが知られている。これに対し、FETを用いた場合は、偶数次高調波歪になる。
従って、第1反転増幅部1に、FETの等価抵抗値の変化で利得を制御する回路を用いれば、このFETのばらつきの影響を受けることなく、聴感上好ましくない奇数次高調波歪みの発生を防止することができる。
図5(a)は、入力信号Viの入力レベル(実効値)[dBu](1dBu=0.7745Vrms)に対する出力信号V1の出力レベル[dBu]の特性を示すグラフである。
可変抵抗器VR2を右回転させ、その抵抗値を最小値(MIN)から最大値(MAX)まで変化させたときの特性変化を示している。中間の抵抗値を示す代わりに、回転式ボリュームの角度を時計の文字盤の時刻で表している。
圧縮の効果を効かせるために、可変抵抗器VR2を9時,12時,3時の角度にして、その抵抗値を上げて行くと、スレッショルドが低下し、その抵抗値がMAXになったとき、入力信号Viのスレッショルドは約−10[dBu]となる。
しかし、入力信号Viが約20[dBu]以上では、約20[dB]に圧縮される。この理由は、図1に示した全波整流部の出力電圧が、電源電圧になる前に飽和してしまうことによる。
なお、可変抵抗器VR2が9時の角度においても、同じ圧縮特性が現れている。
一般に、入力レベルが過大になると、その出力信号のピーク部分が電源電圧の限界によって瞬時にクリップされて、大きな飽和歪みを発生する。上述した入力レベルが大きくなったときの圧縮特性は、このようなクリップを防止する作用を奏する。
図3に示したように、入力信号Viの負側において、可変抵抗器VR2の抵抗値を大きくすると、出力信号V3は入力信号Viよりも鈍った形状となる。この場合、コンパレータ部4の反転が急に発生するので、圧縮比は大きくなる。出力信号V3が鈍っていない場合は、コンパレータ部4の反転が徐々に増えて行くので、圧縮比は小さくなる。
別の見方をすれば、可変抵抗器VR2の抵抗値を大きくすると、出力信号V1の負帰還制御の目標値である出力信号V3と、入力信号Viとの差が大きくなるから、コンパレータ部4が「0」に反転している期間が長くなり、利得を抑圧する負帰還制御の期間が増すので、圧縮率が大きくなるといえる。
既に説明したように、可変抵抗器VR2と可変抵抗器VR1とを連動させて、コンプレッサの出力する出力信号Voの音量が、「スレッショルド」の低下によって小さくなることを補償する。図示の例では、可変抵抗器VR2の抵抗値がMAXのとき、約6[dB]だけ利得を上げている。
従って、上述した実施の形態では、入力信号Viの一方の極性において、第1反転増幅部1の出力信号V1と第3反転増幅部3の出力信号V3の出力信号とを比較し、比較出力に応じて充電および放電を繰り返すことにより制御信号V5を発生し、この制御信号V5を第1反転増幅部1に供給することにより、入力信号Viの一方の極性において、第1反転増幅部1の出力信号V1の絶対値が第3反転増幅部3の出力信号V3の絶対値よりも大きくなるときに、第1反転増幅部1の利得を下げる方向に制御している。
制御信号V5は、入力信号Viの周期に比べて十分長い期間にわたって充放電して得られる信号であり、かつ、音声信号である入力信号Viに直流成分は含まれていないから、上述した実施の形態のように、入力信号Viが負のときにのみ実質的な比較動作を行っても問題がない。
あるいは、入力信号Viがいずれの極性であっても、常に、第1反転増幅部1の出力信号と第3反転増幅部の出力信号との比較動作を行うようにすることもできる。その実施の一形態を次に説明する。
図中、図1と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。
第3反転増幅部3の初段の非線形特性を正側と負側で対称形にし、入力信号Viの両極性において、入力信号Viの絶対値が小さいときは急な傾きであり、入力信号Viの絶対値が大きくなるにつれて可変抵抗器VR2の抵抗値に応じた所定の傾きに近づく非線形入出力特性を有している。第3反転増幅部3の全波整流部(以後、第1全波整流部という)では正負対称の全波整流を行う。
第1反転増幅部1の出力信号V1は、第2全波整流部11で全波整流して、出力信号V6とする。第2全波整流部11は、第3反転増幅部(第1全波整流部)3に対応するものであり、第1反転増幅部1の出力段となる。
その結果、第3反転増幅部3の利得が元の3/4に減少する。また、第2全波整流部11を通した後の第1反転増幅部1の利得は元の1/2に減少する。そのため、第1反転増幅部1の抵抗器R3の抵抗値をR3’(抵抗値76kΩ)に変更することにより、第1反転増幅部1の利得を3/2倍して、第2全波整流部11を通した後の第1反転増幅部1の利得と第3反転増幅部の利得とを一致させた。
原理的には、図1に示した実施の形態と同様である。入力信号Viの両極性において、
第2全波整流部11の出力信号V6と第3反転増幅部3の出力信号V3とを比較し、比較出力に応じて充電および放電を繰り返すことにより制御信号V5を発生し、この制御信号V5を第1反転増幅部1に供給することにより、入力信号Viの両極性において、第2全波整流部11の出力信号V6の絶対値が第3反転増幅部3の出力信号V3の絶対値よりも大きくなるときに、第1反転増幅部1の利得を下げる方向に制御している。
図7は、本発明のアナログコンプレッサを実装したオーディオミキサのブロック構成図である。
図中、211〜21nは、内部構成を同じくする第1〜第n入力チャンネル部である。各入力チャンネル部は、個別に音声信号を入力し、独立してパラメータ値を制御する。
入力信号は、トリム部22、コンプレッサ部23、イコライザ部24、フェーダ部25を経由する。フェーダ部25の出力は、パン部26およびAUXセンド部27に分岐される。
パン部26は、図示しない操作子でLチャンネルとRチャンネルの分配比が調整された2本の出力を、ステレオバスに出力し、このバス上で、その他の入力チャンネル部のパン部26の出力とミキシングして「ステレオ出力」として出力する。
一方、各入力チャンネル部211〜21nのAUXセンド部27は、図示しない操作子で送り量が個別に調整された2本の出力を、それぞれ、第1,第2のAUXバスに出力し、これらのAUXバス上で、その他の入力チャンネル部のAUXセンド部27の出力とミキシングして、「AUX1」,「AUX2」として出力する。
なお、各入力チャンネルのパン部26とAUXセンド部27では、それぞれ、ステレオバスと各AUXバスへの出力をオンオフすることが可能である。
そのため、本発明の実施の形態のアナログコンプレッサを、上述した各入力チャンネル部211〜21nのコンプレッサ部23に採用することにより、限られた面積のコントロールパネルに、アナログコンプレッサの操作子を配置することが容易になり、また部品数も削減できる。
第1反転増幅部1において、FETの配置は、図1に示したとおりの配置でなくてもよい。第1反転増幅部1は、既に説明したように、利得を制御信号で変化させる専用のICを用いてもよい。
第3反転増幅部3において、可変抵抗器VR2を固定抵抗とし、帰還路に挿入されている抵抗器R7を可変抵抗器にしてもよい。第2反転増幅部2においても、抵抗器R4の方を可変抵抗器としてもよい。
ダイオードD1,D2の順方向電圧対順方向電流の非線形特性を得る素子として、ダイオードそのものに代えて、トランジスタ(ベース−エミッタ間のPN接合)を用いてもよい。ダイオードの非線形特性に代えて、同様な特性を有する非線形抵抗素子を用いてもよい。
コンパレータ部4を差動増幅器に置き換えて、制御信号発生部5を差電圧に応じて制御信号V5の大きさを変化させるようにしてもよい。
制御信号発生部5は、制御信号を第1反転増幅部1に供給することにより、入力信号Viの少なくとも一方の極性において、第1反転増幅部1の出力信号V1(あるいは第2全波整流部11の出力信号V6)の絶対値が第3反転増幅部3の出力信号V3の絶対値よりも大きくなるときに、第1反転増幅部1の利得を下げる方向に制御するものであれば、異なる接続形態の充放電回路を用いてもよい。
また、抵抗器を可変抵抗器として、入力信号Viの瞬時値がスレッショルドを超えてから圧縮動作が開始されるまでの時間や、入力信号Viの瞬時値がスレッショルドを超えなくなってから圧縮動作が停止されるまでの時間を操作子で調整できるようにしてもよい。
Claims (1)
- 入力信号を可変利得で増幅する可変利得増幅手段と、
操作子の操作により抵抗値が変化する可変抵抗器と、
前記入力信号を入力し、前記入力信号の少なくとも一方の極性において、前記入力信号の絶対値が小さいときは急な傾きであり、前記入力信号の絶対値が大きくなるにつれて前記可変抵抗器の抵抗値に応じた傾きに近づく入出力特性を有する非線形増幅手段と、
前記入力信号の少なくとも一方の極性において、前記可変利得増幅手段の出力信号と前記非線形増幅手段の出力信号とを比較する比較手段と、
該比較手段の出力に応じて充電および放電を繰り返すことにより制御信号を発生し、該制御信号を前記可変利得増幅手段に供給することにより、前記入力信号の少なくとも一方の極性において、前記可変利得増幅手段の出力信号の絶対値が前記非線形増幅手段の出力信号の絶対値よりも大きくなるときに、前記可変利得増幅手段の利得を下げる方向に制御する制御信号発生手段、を有し、
前記入力信号の少なくとも一方の極性において前記可変利得増幅手段の出力信号の絶対値と前記非線形増幅手段の出力信号の絶対値とが等しくなるときの前記入力信号の絶対値が当該アナログコンプレッサのスレッショルドとなり、前記操作子の操作により前記スレッショルドが変化し、前記スレッショルドが低くなるほど当該アナログコンプレッサの圧縮比が大きくなることを特徴とするアナログコンプレッサ。
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