L'électronique pour le musicien 16

Adoles­cent, j’étais fan de Nirvana. Voilà un phrase sans surprise, mais bon, conti­nuons. Souvent, les sains engoue­ments adoles­cents ont le mérite d’ou­vrir des portes vers des domaines plus ardus ou obscurs de l’art. Zappa m’avait fait décou­vrir Éric Dolphy, Edgar Varèse et Captain Beef­heart. Tom Waits m’avait fait décou­vrir Marc Ribot, John Lurie, et à travers eux, Arto Lind­say et toute la scène No Wave new-yorkaise. Et sur une compile rare de Nirvana, une reprise d’un morceau inti­tulé D-7 allait me faire entrer dans la disco­gra­phie de The Wipers, et d’un excellent guita­riste, Greg Sage.

J’ai­mais beau­coup l’ap­proche mini­male et inven­tive qu’il faisait de la guitare, et il avait un tone assez magni­fique. Plus tard, je décou­vrais qu’il enre­gis­trait tout lui-même, qu’il fabriquait son propre maté­riel de studio, qu’il gèrait lui-même son site Inter­net (au design exquis) et la vente de ses disques. DIY de A à Z ! Mais c’est lui aussi qui me fit vrai­ment décou­vrir la MXR Distor­sion +.

Il en exploite une facette inté­res­sante (facette qu’elle partage avec la Tube Screa­mer, la Proco Rat et bien d’autres) : sa capa­cité à parcou­rir le terrain entre pure distor­sion (avec un signal bien écrété, lorsque l’on monte le gain) et boost (lorsque l’on règle le gain au mini­mum) qui permet égale­ment de forte­ment colo­rer le son de l’ins­tru­ment (dans son cas une SG avec des P-90) avant de rentrer très fort dans un premier étage d’am­pli (dans son cas, un Ampeg Gemini).

La Distor­sion + a un autre avan­tage, en ce qui nous concerne : elle présente un circuit simple à abor­der, avec une topo­lo­gie très clas­sique, mais qui réserve, néan­moins, des subti­li­tés inté­res­santes. Cette semaine, nous allons donc nous foca­li­ser prin­ci­pa­le­ment sur ce circuit, pour en donner une analyse qui, si elle ne prétend pas à l’ex­haus­ti­vité, essaiera malgré tout de vous donner un aperçu clair et cohé­rent de son fonc­tion­ne­ment. Et puis, n’ou­blions pas que, comme l’in­diquait le circuit imprimé des premières versions, c’est une pédale « manu­fac­tu­rée par des guita­ristes » ! Ça promet !

Analyse rapide

Commençons avec le schéma présenté ci-dessous. Dans cette partie nous allons tenté d’étu­dier rpide­ment la topo­lo­gie du circuit, avant d’en­trer dans une analyse plus précise des diffé­rentes parties qui le composent. La première chose qui doit nous frap­per, c’est le fait qu’il n’y a qu’un seul étage d’am­pli­fi­ca­tion, sous la forme d’un ampli­fi­ca­teur opéra­tion­nel LM741.

On remarque ensuite que le pédale n’est pas True Bypass, c’est-à-dire que lorsqu’elle n’est pas en marche, le circuit n’est pas complè­te­ment décon­necté de la source (la guitare), et donc certains compo­sants inter­agissent encore avec le signal. Voilà un point sur lequel nous pour­rons appor­ter une modi­fi­ca­tion évidente.

Ci-contre, vous pouvez voir le trajet du signal, en vert, lorsque la pédale est off. On voit ainsi que le signal est seule­ment prélevé à l’en­trée, sans commu­ta­tion. Ce qui veut dire, à tout le moins, que C1 est toujours connecté en paral­lèle avec la source de signal, autre­ment dit avec le micro de la guitare. Alors, bien sûr, cela nous renvoit aux derniers articles de cette série : la capa­cité du circuit passif (qui est composé des poten­tio­mètres de la guitare, du micro, du câble…) va être augmen­tée par ce compo­sant qui n’est jamais mis hors circuit.

Pour analy­ser ce circuit, nous allons le divi­ser en trois parties prin­ci­pales : l’ali­men­ta­tion, l’étage d’am­pli­fi­ca­tion, et les compo­sants char­gés, en sortie, de l’écré­tage (réali­sée de façon passive) et du filtrage. Cette pédale ne possède pas de contrôle de tona­lité. Cela ne l’em­pêche pas d’avoir une courbe très spéci­fique, résul­tat de l’in­ter­rac­tion de divers compo­sants, à divers endroit du circuit (nous analy­se­rons cela plus en profon­deur dans le second article !)

Analyse de l’ali­men­ta­tion

Pour commen­cer, il convient d’ana­ly­ser le circuit du point de vue de son alimen­ta­tion. Sur le schéma ci-dessous, je n’ai inclus que la pile (et non le connec­teur pour une alim externe). Bien entendu, la pédale possède les deux options, mais étant mutuel­le­ment exclu­sives, il était plus simple de n’en consi­dé­rer qu’une.

Rien de compliqué : la pile four­nit une tension de +9V. Elle est direc­te­ment reliée, pour une part, à l’am­pli op, pour l’ali­men­ter (port +9V, au milieu). Un second rail d’ali­men­ta­tion est dévié du +9V, à travers la résis­tance R8, vers la LED. Il n’a pas d’autre fonc­tion que de signa­ler la mise en marche de la pédale. La résis­tance R8 ajuste le courant (en le limi­tant) qui traverse la LED. Cette partie du circuit n’a pas d’in­fluence sur le fonc­tion­ne­ment de la pédale.

D’autre part, R2 et R3 forment un pont divi­seur de tension. Comme les deux résis­tances ont la même valeur, à leur point central on trouve 9/2 = +4,5 V. Cette tension secon­daire servira à régler le courant d’en­trée de l’am­pli op (input bias current) : lorsque nous avions parlé des étages d’ampli­fi­ca­tion à tran­sis­tor, j’avais noté l’im­por­tance de régler le courant de base (Ib) du tran­sis­tor (ce qu’on appelle souvent le biasing). Dans un ampli op, les deux entrées (+ et -) sont chacune reliée direc­te­ment à la base d’un tran­sis­tor. Il est donc néces­saire de pola­ri­ser les entrées (de leur appliquer une tension) de manière à régler les courants d’en­trée de l’am­pli op : c’est la fonc­tion de cette tension. Sa valeur, de moitié la tension d’ali­men­ta­tion, permet d’ob­te­nir un signal maxi­mal non écrété à l’en­trée comme à la sortie de l’am­pli op. C’est un montage tota­le­ment clas­sique, que l’on retrouve dans les tous les manuels d’élec­tro­ni­ciens.

Comment l’autre entrée (l’in­ver­seuse) est-elle pola­ri­sée ? Réponse dans la partie suivante.

Le conden­sa­teur C3 a pour fonc­tion de filtrer (c’est-à-dire d’éli­mi­ner) toute fluc­tua­tion de tension de l’ali­men­ta­tion (inutile avec une pile, mais toujours pratique pour une alimen­ta­tion externe). Il forme égale­ment, avec R2 et R3, un filtre passe-bas, qui permet­tra d’éli­mi­ner tout bruit apporté par l’ali­men­ta­tion.

Passons main­te­nant au gros du circuit, l’étage d’am­pli­fi­ca­tion !

Analyse du circuit d’am­pli­fi­ca­tion

On recon­nait tout de suite un étage d’am­pli­fi­ca­tion non inver­seur : le signal arrive sur l’en­trée +, l’en­trée – servant à régler le gain par une boucle de contre-réac­tion.

Quelques compo­sants ont une fonc­tion évidente : R5 et le couple R6/VR1 servent à régler le gain. Nous avions expliqué ce montage dans l’ar­ticle sur les amplis op, je vous y renvois. Comme nous l’avions vu le gain d’un étage non-inver­seur comme celui-ci peut être calculé par l’opé­ra­tion suivante : G = 1+ré­sis­tance contre-réac­tion/résis­tance gain = 1+1M/4,7k = 213. Avec le potard de gain (VR1) au maxi­mum (c’est-à-dire à 0Ω, je sais c’est contre-intui­tif), le signal d’en­trée (mesuré en volt) sera multi­plié par envi­ron 200.

D’autres compo­sants méritent une courte expli­ca­tion :

• C1 a pour fonc­tion de shun­ter à la masse tout signal para­site (fréquences radio par exemple) récu­péré par les micros ou le câble.
• C2 sert à bloquer le courant continu à l’en­trée (voir expli­ca­tions précé­dentes sur les courants d’en­trée), et à éviter qu’il pola­rise la source en amont (la guitare).
• R4, en paral­lèle avec l’im­pé­dance de l’am­pli op, et en série avec le couple paral­lèle R2//R3 (voir schéma alim plus haut) permet d’ob­te­nir une forte impé­dance d’en­trée pour la pédale. Vous remarquez qu’il s’agit de la même résis­tance par laquelle s’ef­fec­tuait la pola­ri­sa­tion de l’en­trée que nous avions expliqué précé­dem­ment. Du point de vue du signal (en régime alter­na­tif), sa connec­tion à la masse, à travers C3, est effec­tive, il est donc en paral­lèle avec la source sonore.
• C2 et R4 forment un filtre passe-haut qui va, dès l’en­trée, limi­ter la bande passante de la pédale.
• C5 est un compo­sant crucial, qui n’est souvent analysé que du point de vue du signal, alors qu’il a égale­ment une grande impor­tance pour l’ali­men­ta­tion. Pour le signal, il forme avec R5 et VR1 un filtre passe-haut. Il va égale­ment permettre de s’as­su­rer que, sous une certaine fréquence (que sa valeur déter­mine), l’am­pli op four­nira un gain de 1, c’est à dire un gain unitaire. Dit encore plus simple­ment : sous cette fréquence, l’am­pli op n’am­pli­fie pas. C’est très impor­tant car, sinon, la tension de 4,5V appliqué à l’en­trée non-inver­seuse se retrou­ve­rait ampli­fiée à la sortie, et risque­rait de satu­rer le signal. Puisqu’il s’agit d’un courant continu (dont on pour­rait dire qu’il a une fréquence de 0 Hz, donc néces­sai­re­ment en dessous de cette fréquence de coupure), ce conden­sa­teur permet de s’as­su­rer que l’am­pli op ressort les mêmes 4,5V DC, non ampli­fiés, qui vien­dront pola­ri­ser l’en­trée inver­seuse pour en régler le courant d’en­trée. Voilà la réponse à la ques­tion posée dans la partie précé­dente !
• Le conden­sa­teur C4 bloque le courant continu en sortie (les +4,5V dont nous parlions), comme C2 en entrée.

Les deux filtres passifs, mention­nés ci-dessus, vont bien sûr avoir un impact sur le signal global, mais ils n’agissent pas de la même façon. Le premier (C2-R4) a une fréquence de coupure fixe, qui peut être calcu­lée à envi­ron 23 Hz (le résul­tat peut légè­re­ment varier selon l’im­pé­dance d’en­trée de l’am­pli op). Le second a une fréquence de coupure variable, selon le réglage de VR1, autre­ment dit du potard de gain. Ce qui veut dire que plus la pédale produit un gain impor­tant, plus elle va couper les fréquences bas-médiums et graves (au maxi­mum de gain, la fréquence de coupure est d’en­vi­ron 700 Hz). On se retrou­vera alors avec une bosse dans le médium, qui va donner sa signa­ture sonore à la Disto Plus.

Écré­tage et filtrage du signal

La dernière partie de la pédale est très simple à comprendre : il s’agit d’une paire de diode, posi­tion­nées tête-bêche, qui vont assu­rer l’écré­tage du signal et l’im­pres­sion de satu­ra­tion, d’un filtre passe-bas et d’un atté­nua­teur de volume.

À gauche, vous pouvez voir le schéma de cette partie seule : la résis­tance R7 forme, avec chaque diode (D1 et D2), et le conden­sa­teur C6 une série de filtre qui vont inter­agir. En premier lieu, chaque diode agit comme une « résis­tance variable » dépen­dante de l’am­pli­tude du signal (plus celle-ci est grande, plus la diode conduit, ce qui revient à dire moins elle ne présente de résis­tance). J’avais expliqué ce fonc­tion­ne­ment ici, je ne reviens pas dessus. Le résul­tat est l’écré­tage symé­trique du signal.

C6 quant à lui forme un filtre passe-bas avec R7. Sa fréquence de coupure est facile à calcu­ler, en voici la formule : Fc = 1/(2πRC) = 1/(2*π*10^4*10^*1e-10) = 15,9 kHz

Bon, si vous n’avez pas envie de dissé­quer le calcul ci-dessus, pas de problème, rete­nez seule­ment que R7-C6 coupe les aigus au dessus de 15 kHz. Pour quel résul­tat ? Avec la coupure des fréquences graves et bas-médiums (quand le gain est au max), on va se retrou­ver avec, en sortie, une forme de signal « en cloche », avec un forte accen­tua­tion à 1 kHz. On revien­dra sur cela dans le prochain article, en voyant comment l’on peut chan­ger cette réponse en fréquence.

C6 a aussi pour fonc­tion d’at­té­nuer les harmo­niques aigues qui appa­raissent avec un signal très écrété (qui se rapproche d’un signal carré) et donc de le rendre plus adouci, pour nos oreilles.

VR2, quant à lui, est le poten­tio­mètre de volume, en sortie, qui fait office d’at­té­nua­teur. J’ai assez parlé de cet utili­sa­tion d’un poten­tio­mètre pour ne pas reve­nir dessus.

Nous avons main­te­nant posé les bases pour comprendre ce qui donne sa sono­rité à la Disto Plus. Quel choix de compo­sant est crucial dans ce circuit ? Et quelles modi­fi­ca­tions simples pouvons nous propo­ser ? On verra cela dans le prochain article !