ミレニアムバイパスの動作と、残る寄生容量

3PDTを使わずにLEDを点ける

フットスイッチには、効果を切ったときに回路を信号経路から外すこと（トゥルーバイパス）と、LEDで状態を示すことの2つの役目があります。素直に配線すると音声に2極、LEDに1極で3PDTが必要ですが、3PDTは高価で、踏み心地も硬く、寿命も短めです。

R.G. Keen が1999年に発表したミレニアムバイパスは、DPDTのまま、余った接点が開いているかをトランジスタで読み取ってLEDを点けます。そのかわり、10¹¹Ω 級のノードが1つできます。

DPDTの2極の使いかた

極の割り当ては図の凡例のとおりです。後半の症状の説明の前提になります。

エフェクトの入力は、どちらの状態でも入力ジャックにつながったままです。切り替わるのは出力側だけで、原典の配線図でもそうです。トゥルーバイパスと呼ばれてはいますが、入力側は切れていません。

検出しているのは「センス線が開放かどうか」だけ

バイパス時は、極2がセンス線をエフェクト出力につなぎます。出力コンデンサの先のボリュームかプルダウン抵抗がグラウンドへの直流路になり、ゲートを0Vに保つので、MOSFETはOFFでLEDは消えています。

エフェクトON時は、極2がセンス線から離れて開放になります。検出回路が見ているのは、センス線が開放かグラウンドに落ちているかだけです。ゲートを引き下げるものが無くなるので、+9V から 1N914 の逆方向リーク電流（10〜15nA）がゲートを持ち上げ、しきい値を超えるとMOSFETがONしてLEDが点きます。

プルアップに抵抗ではなくダイオードのリークを使うのが要点です。10MΩでプルアップすると900nAが流れ、バイパス中にエフェクトの出力コンデンサを充電して、踏み替え時のポップノイズになります。

以下の10〜15nAや寄生容量は動作を説明するための仮定です。1N914の逆方向電流は電圧・温度・個体差で変わります。データシートの最大値は、実際に流れる電流の代表値や最小保証値ではありません。

MOSFETがONするまで

MOSFETのゲートは酸化膜で絶縁されていますが、リーク電流はゼロではありません。以下では、ほかの経路へ逃げる電流を差し引いた正味の充電電流を10nA、ゲートと配線の合計容量を60pFと仮定します。電圧の変化は ΔV = I × t ÷ C で見積もれます。

正味の電流を一定とみなす近似では、ゲート電圧は時間に比例して上がります。10nA と60pFを仮定すると0.17V/msです。実際のリークは電圧や温度に依存するため、この傾きが常に成り立つわけではありません。

BS170はNチャネルのエンハンスメント型で、V_GS = 0V ではドレイン電流が流れません。デプレッション型だと V_GS = 0V でも電流が流れ、消灯状態を作れません。

この仮定では、ゲートが2Vに達するまで12ms、3Vまでは18msです。ただし、データシートの V_GS(th) は規定の小さなドレイン電流で測る値で、LEDが必要な明るさになる電圧を直接示しません。MOSFETが十分にオンし、その電圧降下を無視できる場合、赤色LEDの順方向電圧を2.0V、直列抵抗を2.2kΩとすると、電流は (9 − 2.0) ÷ 2200 ≈ 3.2mAです。

プルアップ電流とクリック音

プルアップ電流 I は、エフェクト出力の直流抵抗 R_int に流れ込んで出力コンデンサを V = I × R_int まで充電し、踏んだ瞬間にクリックとして次段に渡ります。ギターの出力は100mV程度なので、10mV以下に抑えます。

ミレニアムが後付けしやすいのは3行目のためで、プルアップをダイオードのリークに変えただけで、使える回路の幅が2桁変わっています。

LEDがゆっくり点く理由

点灯時間は、ゲートに流れ込む正味の電流と容量に依存します。たとえば、容量60pFを0Vから2Vまで充電するのに0.5秒かかると仮定すると、I = C × ΔV ÷ t から正味の電流は240pAです。これは条件を仮定した計算例で、当サイトの実測値ではありません。ダイオード、MOSFET、基板表面のリークによって正味の電流は変わるため、点灯時間だけで遅れの原因を断定することはできません。

検出ノードの容量は、C_iss、配線、ダイオード2本の接合容量で合わせて30〜80pFです。

実装上の注意

• フラックスの拭き残しや湿気でLEDが点かなくなります。表面の抵抗が数百MΩまで落ちると10nAはそちらへ逃げるので、洗浄を省けません。
• ノードを指で触ると点灯が変わります。10¹¹Ω に対しては、人体もハンダの汚れも導体です。
• 高インピーダンスのノードはハムを拾います。センス線を電源やトランスの近くに這わせると、LEDがちらつくことがあります。
• 点灯が遅いのは仕様で、リークの大きい金ドープ品（1N914、1N4148）が向きます。R.G. Keen が2004年に低リークのダイオードを避けるよう注記したのもこのためです。

バイパス中に音が漏れる

一番多い相談は、バイパスなのにファズやディストーションの音がうっすら聞こえる、です。バイパス中もエフェクトの入力は切り離されていないので、60dBのゲイン段は歪んだフル出力を作り続けていて、それを止めているのは開いたスイッチ接点1つだけです。

接点は開いていても 0.3〜1pF の容量が残ります。0.5pFとして、次段の入力インピーダンス1MΩに対する減衰を計算するとこうなります。

正規のギター信号は約100mVなので、5kHzで15.7mVは −16dB で、無音時にはっきり聞こえます。漏れは周波数が上がるほど増える（20dB/dec）ので、高域だけが漏れてジリジリしたノイズになります。

漏れを減らすには

「入力が切れていない」「歪み段のゲイン」「接点間容量」の掛け算なので、対策もこの3つのどれかに向けます。

1. 接点間容量を減らす。使う接点を端側に寄せ、隣は空けると数分の1になります。
2. センス線を短くするか、シールド線にする。歪んだフル出力が乗っているので、バイパス線と並走すると接点間容量より大きな結合になることがあります。
3. エフェクト出力側にプルダウンを追加する。漏れは減りますが、下げすぎるとポップノイズが出るので R_int は数百kΩまでです。
4. 入力も切る。これが一番効きますが、極がもう1つ要るので3PDTに戻ることになります。

ゲインの高いペダルほどミレニアムとは相性が悪いということです。バッファやブースト、モジュレーションのように出力が数百mVで収まる回路なら、漏れは −50dB 以下に埋もれるので実用上問題になりません。

いま作るなら

今は3PDTが安いので、ゲインの高い回路なら入出力とも切るほうが確実です。それでも、接点を1つ減らすかわりに超高インピーダンスのノードを作るトレードの例として読む価値があります。そうしたノードでは、寄生容量と表面リークが設計値になります。