Tube Screamer 電路介紹與分析

Tube Screamer 與 OD – 1 是 70 年代末期同一年,且電路幾乎一模一樣的效果器。(詳細的故事可以參考破音系的介紹文章 : https://reurl.cc/zyp3Wy )
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、或是簡化。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 (http://www.tonepad.com/getFile.asp?id=81)的電路圖如下,可以依功能拆為5個部分:

而訊號處理的流程如下:
聲音進到這顆效果器以後會通過輸入增益調整輸入阻抗並確保訊號沒有衰減,隨後進到放大截波級把在放大器的迴授路徑上做截波,隨後用可變電阻組成的一對濾波電路與放大器做主動式濾波後用一如前兩顆效果器一樣的音量控制,最後再到輸出增益確保輸出阻抗良好並維持訊號強度,接著我們來看這些部分的運作方式跟可以調整地方。

電源處理分析

先來電源的電路

這裡跟 Distortion + 一樣,用兩個同數值的電組產生出 4.5V 的偏壓。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 47uF 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,且價格貴很多。

輸入增益

這裡使用 NPN 型的 BJT 電晶體組成一種叫做 Voltage Follower 的電路。

仔細看有沒有覺得很像上次的 Fuzz Face 第一級放大?沒錯它們是一樣的東西,唯一的差異在於,這邊的 BJT 上方 Collector 端沒有接電阻而是直接吃 9V,這樣會確保輸出訊號沒有放大(增益 0db)那既然沒變,為什麼需要這東西?

還記得前兩顆效果器我們提到過,Distortion + 跟 Fuzz Face 的輸入阻抗都不夠高,導致訊號會有較高的損耗,這邊加上這個 Buffer 並在前面掛了一顆 2M2 就可以徹底解決這個問題。另外,TS-808 跟 OD -1 都是 Buffer bypass 的效果器,這個 Buffer 加上輸出端的 Buffer 也是 Buffer bypass 裡面的 Buffer,非常需要他們的存在。

那我們可以去除這個電路嗎?其實移除這個增益電路,留下 0.027uF 以及 2M2 基本上效果器還是可以正常運作,只是會有點吃痛的現象,為了音色,還是留下來吧!

Clipping Amp 放大截波級

這邊我們可以跟 Distortion + 做個比較:

第一個不同點是紅筐內的部分,簡單來說就是對調了!但是這不影響結果,只是可變電阻要反過來接。還記得放大器的公式嗎?在 Distortion + 裡,放大倍率是:

1 + R8 / ( R6 + R7 )

回到 Tube Screamer,套用一樣的公式,現在 R8 換成 51k + VR 500k ( 0~500k的可變電阻 )R6 + R7 變成 4.7k:

Gain = 1 + ( 51k + VR500k ) / 4.7k 

也就是說,Gain的範圍會在:

最小 Gain = 1 + 51k / 4.7k = 11.85 (倍)
最大 Gain = 1 + 551k / 4.7k = 118.23 (倍)

另外一個很大的不同是那些二極體 D1, D2, D3。一樣回想一下 Distortion +我們的 Clipping 二極體放在哪:

如果像 Distortion + 的放法,就會形成 Hard clipping,也就是超過二極體電壓限制範圍的訊號會完整的被截止,波型超過限制的部分都會被砍平 (就是混音軟體 Compressor 的 Hard Clipping)

但在 Tube Screamer,我們希望得到的是很自然的破音,希望波型雖有被破壞,但沒有那麼嚴重,因此將這一對二極體放到放大器的迴授電路中,讓放大器每次補償訊號進行放大的時候都會一點點的被截止(雖然實際情況有點不同,但可以想像是放大器依次放大 10 倍、20 倍、30 倍…,在 50 倍開始會截止導致失真,一直到我們的最大 Gain 範圍 118.23,而最後的波就是這些波的總和)這種截止方式就叫做 Soft Clipping,也就是柔和的砍他(?)這就會比較接近於真空管的失真。

那個 D3 呢?Clipping 不是兩個反向的二極體就好了嗎?是的,在 TS – 808 跟 TS – 9 中,其實都只用了兩個二極體。然而真正的真空管失真由於偏壓的不穩定,上下半部的波型失真程度往往是不同的,於是 70 年代末期 BOSS 就申請到了不對稱 Soft Clipping 的專利,方式就是再多加一個二極體,或是使用 Forward Voltage 不同的兩個二極體。同樣的方式也可以應用在 Hard Clipping,像是 Suhr Riot 其中三段切換就是切換不同的二極體配置,而其中一組就使用了 LED 做不對稱的設計。所以,不訪就仿造 Riot 在 D3 兩端接開關,去選擇要不要 Bypass D3 吧!

至於音色方面,是不是對稱有什麼差異呢?當然是有的,不對稱的配置中低頻會稍微多一點,音色會更接近真空管,會帶有一點點 Fuzz 那樣顆粒有大有小,但由於沒有 Fuzz 那麼誇張,聽起來會自然很多。個人還有這次的來賓 Jimmy 都是比較喜歡不對稱的設計,喜歡哪種音色就讓大家自己實驗囉!

其他跟 Distortion + 相同的部分在此就不再贅述,忘記的話就再去複習一下吧!

Tone/ Volume Stage 音色音量控制

這裡的電路稍微複雜。最後的 100k 可變電阻跟 Distortion + 還有 Fuzz Face 最後的可變電阻一樣都是調整音量大小的,除此之外都是 Tone 的控制,很複雜的是這裡面同時有 Low pass Filter (低通濾波器)以及主動式 High pass Filter (高通濾波器),最後就成了這個 Band pass filter (帶通濾波器,也有人稱之為雙通濾波器。)因為這部分很複雜,我們再做拆解:

 左邊這張圖是訊號進入這一級最先碰到的部分,也是一個很標準的 Low pass Filter (電阻電容反過來就是 High pass Filter)截止頻率:

截止頻率 = 1 / ( 2 x 3.14 x 1k x 0.22 uF) = 723.4 Hz

這個截止頻率的低通濾波器,簡單來說,就是把高頻全砍了!

接下來要進到放大器,而這邊有掛一個可變電阻,也就是 Tone 鈕,為了方便理解我們拆成 Tone 全開、全關,兩個極端狀況做說明:

左邊是 Tone 全關,右邊是 Tone 全開。

先看左邊,Tone 全關時等同於可變電阻上的 0.22 uF 跟 220 ohm 接到放大器 + 級輸入。而這會讓 0.22 uF 跟最前面的 1k 形成第二個截止頻率 723.4 Hz 的 Low pass Filter,也就是說,高過於這個頻率的訊號會再更少,聲音就更暗了。

而右邊,放大器上的 1k 與掛載可變電阻上的 0.22 uF 以及 220 ohm 與放大器作用,產生放大效果:

Gain = 1 + 1k / 220  大約是6倍的放大

除此之外這個 0.22 uF 會跟迴授線路上的 1k 形成 High pass Filter ,

截止頻率 = 1 / ( 2 x 3.14 x 1k x 0.22uF) = 723.4 Hz

數值跟一開始的 Low pass filter 一模一樣,所以得到一樣的截止頻率,只是這裡是砍掉低於 723.4 Hz 的聲音。
(補充說明,仔細看會發現在前面放大節波級,以及 Distortion + 的訊號放大級也都有電容掛在同樣的位置,功能也跟這裡一樣是在回授形成主動式的 High pass filter 喔!)

如此一來 Tone 全開時就會由這個主動式的 High pass Filter 去把砍掉的高頻補回來。而開頭的 Low pass filter 跟後面的主動式 High pass filter 就形成了一個 band pass filter。

輸出增益

來到最後一個階段,一看電路,發現好似很眼熟啊!

跟輸入增益有夠像,讓我們再少看一點,然後比較一下兩者這部分的樣子:

 沒錯,他們是一樣的,都是 Voltage Follow。不同的部分就在於輸入增益是在這個 Buffer 前面掛電阻電容過濾外部進來的直流訊號(偏壓)以及調整輸入阻抗;這邊則是在 Buffer 後面掛上電阻電容,利用電容過濾 4.5V 的偏壓並調整輸出阻抗。

而這裡的 Ra、Rb 是 TS – 808 跟 TS – 9 唯一的不同,簡單來說,TS – 9 有比較高的輸出阻抗。因此,TS – 808 跟 TS – 9 的音色差異並不是因為他們本身的不同,而是後面接的東西會導致他們的音色有落差(基本上是訊號的損耗多寡。)所以我說,後來出一個 TS – 9 是不是來坑我錢的啊!(誤)

改造時間

這次如果想改造有哪些地方可以改呢?

  1. 如同在放大截波級提到的,在 D3 兩端掛上開關切換 TS <> OD-1 兩種音色
  2. 嘗試使用不同的 D1、D2、D3 二極體搭配,或用開關切換不同的組合,可以讓你得到千變萬化的 Overdrive
  3. 可以將兩個 NP (無極性)鋁電容改成有極性的,這樣比較容易買到料,正極接到靠近放大器那側即可: 

音色音量控制級的兩個 0.22 uF 電容可以嘗試換鋁電解電容,聲音理論上會比鉭電解電容更綿密,但也可能會覺得太單薄…也可以嘗試換稍微大一點或小一點的電容值(不要超過兩倍的範圍嘗試)這會讓 Tone 調整的範圍有所改變。

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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