NPN Fuzz Face 電路介紹與分析

Fuzz 是最早的破音效果器,源自音箱箱體破洞的音色。而後來,Fuzz Face 因為 Jimi Hendrix 愛用而名聲大噪。

(詳細的故事可以參考破音系的介紹文章 : https://reurl.cc/zyp3Wy

在這篇文章裡我們要更深入的去了解,這些電路到底怎麼讓聲音變成 Fuzz 、
而怎麼做將可以修改音色讓聲音更好。

因此,我們先來看整個電路的運作方式吧!

電路修正

這裡針對電晶體形式變動而作出修正。

主要是由於配電方便,現在流行的電晶體是 NPN,跟早期 Fuzz Face 用的 PNP 是相反的
( N: Negative 負極;P: Positive 正極,NPN 與 PNP 差異就是正負極排列方式,功能是完全一樣的 ),所以我們先修正一下電路方便找到便宜好聽的料件。

原始設計
( 其中 R1 是最早的 Fuzz Face 沒有的,後面再做說明 )
更新後的設計
( 其中看到又多了 C4 , C5 兩個電容,後面會說明它們的功用 )

音訊處理流程

作為最早的破音效果器,結構其實也非常單純,但也會有雜訊較大、容易吃痛的問題,因此需要做修正。我們先採用 TonePad 網站紀錄的原始電路圖如下,可以依功能拆為三個部分:

而訊號處理的流程就是很單純的一級處理完進到二級(也可以說是前級跟後級)而這邊的電路是採用共射極(Common-Emitter)的設計。

這裡的放大是放大器的基礎,利用電晶體對訊號進行放大。電晶體在放大器上面的功用跟真空管是一樣的功能,只是因為有些特性有落差所以音色是不同的。由於功能一樣,造成破音的方式也一樣:透過迴授那邊的可變電阻調控放大倍率(電阻愈大,放大倍率愈大)大到超過電晶體的承受範圍就會開始失真。而二級放大上面 R4,R5 兩個電阻決定了基準電壓偏移量,照這個設計大約會落在 3.1V 左右,而我們上次在 Distortion+ 有提到,正常應該要落在 0V 跟 9V 的正中間,也就是 4.5V,才能對稱。3.1V 這樣的偏壓就導致過度放大後的失真是不對稱的(也就是一邊失真較多的狀態)導致 Fuzz 的破音聽起來有粗有細,也因為有失真較少的部分,所以透過動態反應可以做出一種要破不破的音色。

改良電路-R1

首先要先講為什麼要加上這個 R1 。我們單獨看這個 R1 (把後面遮起來)會發現是跟後面對於 GND 做並聯,因此,這個電阻的功用在於調控輸入阻抗。

Common-Emitter 的輸入阻抗計算方式還算單純,只要用三用電表量一下增益值套公式就好:

輸入阻抗 = 增益 x (電晶體內阻 + Emitter 接的電阻)

內阻算法:25mV/(BE 電壓差/Collector 接的電阻),這裡電壓差 Google 元件資料表是 0.65V ~ 0.85V,Collector 接的電阻是電路圖裡的 R2,也就是 33k 歐姆。而第一級放大的 Emitter 直接接地,沒過電阻,所以輸入處抗約會是:380k~291k

很顯然,這樣的輸入阻抗是很低的(輸入阻抗最好是超過拾音器輸出阻抗的 100 ~ 1000 倍,這樣拾音器的聲音才能決大部分進到效果器,以 PAF 雙線圈來說大約是 9k 歐姆的輸出阻抗;單線圈約 5k,所以效果器跟音箱的輸入阻抗多會設定在 1M 左右。)因此我們必須要並聯一個夠大的電阻調整輸入阻抗,即使這樣,輸入阻抗其實還是沒辦法很高,但要再做更近一步的修正就必須加入 Buffer 了(或是使用增益更大的電晶體,可是 2N3904 的 300 已經遠遠大於最早的鍺晶體 AC128 的 80 了。)

改良電路-C4、C5

這兩個電容唯一的功能是消除高頻率的電流音。不能使用太大的電容,因為這樣的電容配置其實很不正常,加上高頻的訊號通常不大,100pF 很剛好。

參考資料:
Electrosmash
TonePad
維基百科:雙極性電晶體
清華大學 電子學、電子學實驗 筆記

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