Distortion+ 電路介紹與分析

Distortion + 與 DOD 250 據說是人類史上第一顆積體電路破音效果器。關於破音系效果器的介紹可以參考之前的文章:點我
這裡我們要更進階的來了解,這些電路到底怎麼讓聲音變成破音、怎麼做可以修改音色。首先,來看整個電路工作的方式吧!

音訊處理流程

作為第一顆積體電路效果器,結構其實也非常單純,但也會有雜訊較大、容易吃痛的問題。
我們採用 TonePad 網站的電路圖如下,可以依功能拆為3個部分:

而訊號處理的流程如下:

先撇開聲音不會經過的電源,聲音進到這顆效果器以後會通過訊號放大級放大訊號,隨後進到截波與輸出級把超過限制的聲音壓掉並控制輸出強度,接著我們來看這三個部分的用作方式跟可以調整方式。

電源處理分析

先來看這部分獨立出來的電路

這裡的兩個同數值的電組是為了產生出 4.5V 的偏壓。說明結束(誤)

如果仔細看元件清單( PARTS LIST )會發現 Distortion+ 跟 DOD 250 兩種的元件是不同的,分別是 1M 與 20k。

所以這裡到底用哪種比較好?

其實是夠大就好,主要是要用夠大的電阻來限制電流的大小(同電壓下的電阻跟電流成反比,也就是電組愈大,電流就愈小)如此一來就可以避免元件因功率過高燒毀。可是太大也會有壞處,當主要訊號的電流太小,雜訊就會相形明顯,而 C1 就是過濾雜訊以確保電源穩定性的。這裡因為需要很大的電容才能過濾供給給整個電路的電量,因此只能選用鋁或鉭電解電容。理論上鉭電解電容最適合作為穩壓電容,但因為功率不大,鋁電解電容一樣可以使用。

替代方案:其實這種電路會因為溫度、焊錫均勻度、電路板品質……等因素而有些許的不穩定。比較好的做法是使用可調壓的降壓器模組來提供 4.5V 。這樣做法的缺點是比較佔體積,且貴很多。

OP-Amp 訊號放大級

一樣看到拆解電路

先看 INPUT  音訊輸入端,聲音進來之後會先經過 C2 跟 R5,而旁邊掛了一個 C3,其中 R5 一樣是限制電流用的,主要是跟 C3 要防止靜電或是其他突波(例如插入導線,就是音箱開著的時候突然插導線會讓 PA 破口大罵那個聲音)C2 則是跟後面的電路形成一個「高通濾波器」( High-Pass Filter )就是砍掉低頻的東西,至於砍多少就跟後面的電路輸入阻抗有關(阻抗可以當成是電阻值,但功能不見得是電阻,像這邊就不是。)這裡的阻抗主要由 R4 決定,因此 R4 選用 1M。可是這樣跟後面的放大器(阻抗約 2M 用查的,我們這不做一個加減乘除以外的計算),一併算起來其實只剩下 680k 左右,而過濾掉的頻率(專有名詞是截止頻率)就會是 23.5 Hz 以下,也就是一些人耳聽不太到但有時會跟其他頻率有反應的雜音,這種低頻的雜音會讓破音顆粒變得鬆散。截止頻率計算方式很簡單:1/ (2 x 3.14 x R x C) 3.14 是圓周率,其實只要知道截止頻率跟電阻電容成反比就好,這個公式是影響音色本質的主要因素,如果想要自己改電路,這個關係要不斷考慮到。

直到這邊可以更改的地方是 R4,如果你用的拾音器是雙線圈或 P90,你可以試著把 R4 換成 2M,把輸入阻抗從 680k 變高成 1M,讓吃痛的現象完全消失。但這樣會讓被過濾掉的頻率減少成 0.5 倍,因此 C2 也要跟著變成一半也就是 0.005 或相近的數值(個人建議高一點,但也沒試過多少是最好的,或許維持不變更好聽。)關於阻抗的匹配,我們放在結束後說明。

再來是核心的放大器,這裡影響破音聲音本質以及 Gain 的極限。先來說說為什麼要做一個 4.5V。理論上,放大器的電源供應應該要是 +- 對稱的數值,常見的是 +- 12V,然而,這邊用的是 9V 跟 0V(GND),所以我們要把音訊震盪的中央平面拉高到 4.5 V(也就是偏壓 Bias 4.5 V),如此一來新的中央到 9V 跟 0V 也就是 +- 4.5V 了。再來計算 Gain,這種在輸出端會接一的電阻回到前面輸入端接一個電阻接地的做法(放大器 2 號端接到 R6、R7 接地)叫做 ”non-inverting op-amp”,總之長這種形狀的放大器輸出訊號大小,直接以這個電路為例,會是輸入的 1 + R8 / ( R6 + R7 ) 倍,也就是說 R7 轉到最小的時候 Gain 會是 213 倍,就是最大值;反之最小值會是約 2.9 倍。依照公式可以試著調整 R8 的與 R6 的大小來改變最大最小值,但破音量不建議用這裡的電阻改,影響因素太多。這裡的 C4 雖然不影響 Gian 值,但一樣跟 R6、R7 形成高通濾波器(砍掉低頻),有趣的是,這裡的截止頻率是會隨著 Gain 變化的,依樣透過濾波器的公式可以得到:Gain 最小時砍掉 6.7Hz 以下聽不到的聲音;Gain 最大時砍掉 720Hz,也就是會造成破音鬆散(顆粒比較大)的聲音,隨著 Gain 遍小而變小。就是這個隨著 Gain 改變砍掉低頻多寡的設計配上最老的放大器,讓 Distortion+ 有著 Low Gain 時,有種類似Fuzz 的音色這樣的特徵喔!

最後要來看這個用虛線接起來的 C5,也就是可有可無的 C5。它的功用是在放大器的回授(Feedback)中行程低通濾波器,過濾高過 15.9kHz 的聲音(一樣用濾波器的公式,R 用 R8)這是避免高頻讓破音踢起來太銳利、僵硬(想想 2000 年那附近的 DS-1,就是那麼硬。)C5 這個電容對這個破音的音色起到很大的渲染效果,可以對 C4、C5 做替換,嘗試不同的音色看看!

Hard Clipping 截波與輸出級

來到最後一個階段,一樣看電路 

C6 是個重要的分隔點,它讓我們拉上去到 4.5V 的偏壓回到 GND。這裡其實不需要用有極性的電容,但是,他要夠大,因為他會跟後面的電阻行程高通濾波器,因此要大到不可能在效果器電路中的任何電阻值可以跟它形成高過 20 的截止頻率,1uF 很夠了!所以拜託不要試著換這顆電容,然後因為他直接影響電路,請使用鋁電解電容。如果希望顆粒大一點可以改成鉭電解電容,但通常不建議。

D1、D2 是所有 Distortion 效果器一定要有的東西,這兩個二極體這樣擺會讓聲音震幅超過他們截止電壓的部分直接被砍掉,就是所謂的 Hard Clipping,所以就直接造成了 Distortion 的方波。這裡可以嘗試替換成不同的穩壓二極體,例如:原始設計是停產的 1N34A,常溫下的截止頻率 1V 左右;常見的穩壓二極體 1N914、1N4148(我們影片中用的)是 0.7V 左右。截止電壓愈小,破音程度就愈大、輸出的最大音量愈小。像 Surh Riot 3 段不同的 Gain 量,就是用 3 組不同的二極體以及串連的顆數。也可以嘗試使用不對稱的數量造成類似 Fuzz 的效果。C7 的功能是跟前面的 R9 形成低通濾波器,只讓低於 15.9 kHz 的聲音通過(跟前面放大器的一樣。)之所以再做一次是因為聲音被截成方波等於是多了很多高頻,因此還是需要再做一次避免太尖銳。

參考資料:
Electrosmash
TonePad
維基百科:放大器、濾波器
清華大學 電子學、電子學實驗 筆記

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