DIY audio - Harmonic Jerkulator

Expérimentation dans le cadre de ma fuzzquest. Un circuit simple, overdrive avec une topologie pas courante, adaptation en silicium de l'Harmonic Percolator.

L'Harmonic Percolator d'Interfax est assez légendaire. Steve Albini en est l'utilisateur le plus connu. D'ailleurs il en parle ici.

Le circuit est assez mythique, de par l'aura de mystère qui l'entoure d'une part (peu d'exemplaires fabriqué, composants rares et pas confirmés because références effacées ...) mais aussi par ses qualités intrinsèques (interactivité avec les micros de la guitares, son unique, permet des larsens "contrôlés"). Moi ce qui m'a surtout intéressé, c'est la topologie, qui n'est pas du tout courante. Ce n'est pas vraiment une fuzz, plus une overdrive, mais pas une overdrive à AOP + diodes. Il y a deux transistors, donc on pourrait penser à une fuzz, mais ce n'est ni une no-bias, ni une 2-transistor english fuzz, ni un dérivé de la Big Muff. La topologie de ce circuit est vraiment unique.

Voici les différents schémas que l'on peut trouver sur le web:

HarmonicPercolator_01.sch.png
HarmonicPercolator_02.gif
HarmonicPercolator_03.jpg

En gros, c'est un push-pull - plus exactement un double classe A en bridge - qui va driver en courant une capa de grosse valeur (47µF), et le signal est repris du collecteur du high-side, avec un écrêteur passif en sortie. Vraiment très simple, mais pas évident à comprendre à priori.

Vu que la topologie est en boucle ouverte, le son du circuit est très dépendant des composants utilisés, et surtout des transistors, qui sont bien entendu des transistors germanium - tiens donc. La ref exacte des transistors utilisé fait encore débat, visiblement, d'ailleurs. Mais perso je m'en fous, car je ne veux pas utiliser de transistors germanium, enfin ... surtout je ne cherche pas à reproduire le son original. Ca serait un peu du foutage de gueule, vu que je n'ai pas vraiment de moyen de comparaison. Et puis, ce qui compte, c'est que ça sonne bien, pas que ça soit "authentique".

Je me suis tourné vers un circuit de conversion en silicium assez connu : l'Harmonic Jerkulator. Voici le schéma de cette version silicium proposée par Tim Escobedo :

harmonicjerkulator.gif

Il s'agit d'une simple conversion, avec quelques valeurs de composants qui changent pour modifier la polarisation. Rien de très violent.

Je vais me servir de ce schéma pour tester une archi qui s'approche des TC mini, à savoir 2-PCBs, true-bypass à relai, le tout dans une Hammond 1590A. La miniaturisation c'est l'avenir de toutes façons.

Analyse du circuit

Parlons quand-même du circuit. Je l'ai saisi sous LTspice, ça donne ça:

Schéma de simulation

Présenté comme ça, l'on voit bien la topologie. Pour les modèles de transistors, on peut prendre du 2N3904 / 2N3906 pour avoir des transistors avec un gain pas trop élevé. Là sur ce schéma j'ai mis n'importe quoi pour tester.

  • R3-R2 et R1 : potar de gain, un simple volume d'entrée, fonction strictement identique au volume de la guitare
  • C1 : filtre DC d'entrée
  • C2 : la charge de sortie
  • R4-R6-Q1 : le low-side qui drive C2
  • R5-R7-Q2 : le high-side complémentaire de R4-R6-Q1
  • C3 : capa de découplage entre le high-side et le low-side
  • C4 : filtre DC de sortie
  • R8-R9 et R10 : volume de sortie
  • D1, D2, R11 et C5 : un écrêteur à diodes, qu'on va switcher.

Compliqué d'aborder ce circuit. On va attaquer par la polarisation DC, et prendre quelques hypothèses.

Vu que le circuit est symétrique autour de C2, on va partir de principe que les deux moitiés (le high-side et le low-side) sont polarisés symétriquement. C2 a une valeur très élevée, il est très peu probable que la tension à ses bornes puisse bouger, donc on part du principe qu'elle a une tension fixe. Vu qu'elle est drivée par deux moitiés symétriques, on va donc supposer que sa tension est à la moitié de l'alim des transistors, donc 4.5V.

J'ai dit plus haut qu'il s'agit d'un push-pull, ce n'est pas exact, dans le sens où il ne s'agit pas d'une topologie d'ampli classe B ou AB. Ici les deux transistors sont polarisés en classe A, donc leur Vbe est à ~0.6V (moins pour des germanium). On arrive donc aux polarisations suivantes:

Polarisation

Maintenant on peut calculer les autres tensions du circuit. Pour avoir un ordre de grandeur, on peut faire une petite hypothèse sur la polarisation R7-Q2-Q1-R4, et on peut faire l'approximation suivante:

Ic = Vcc-Vbe-Vbe R4+R7 = 9-0.6-0.6 22k+22k = 177.3µA


Vc_Q1 = R4Ic = 3.9V

et

Vc_Q2 = Vcc- ( R7Ic ) = 5.1V

En DC les capas sont des circuits ouverts, donc on ouvre C1, C2, C3 et C4. On va calculer pour le low-side (R4-R6-Q1) et on fera l'analogie pour le high-side. Là on voit bien le transistor polarisé en émetteur commun. Un petit tour sur Wikipedia pour gagner du temps.

L'idée serait d'avoir le gain en tension, qui sur un émetteur commun est donné par G = -gm x Rc avec gm qui est la transconductance et qui se calcule gm = Ie / VT où Ie est le courant émetteur en DC, et VT la tension thermique, ~25mV sur du transistor silicium.

Ie = Ib+Ic = Ib+ ( hfeIb ) = Ib ( 1+hfe )


Vc = Rc ( Ic+Ib ) = RcIe


Vb-Vc = IbRb


On a trois équations, on cherche Ie, Ib et Vc, donc c'est soluble.

Vc = Rc ( hfe + 1 ) ( Vb - Vc ) Rb


Vc(1+ Rc (hfe+1) Rb ) = Rc ( hfe + 1 ) ( Vb - Vc ) Rb


Vc = Rc ( hfe + 1 ) Vb Rb+ Rc ( hfe + 1 )

Et on trouve un gain inférieur à 1. Quand je dis que cette topologie est surprenante. Je reprendrai peut-être les calculs un jour, pour le moment je vais en rester là.

Lorsqu'on simule, on obtient des choses dans ce genre, déjà entrée (vert) et sortie (bleu):

spice_graph_01.PNG

Si on regarde le courant dans la capa C2 (bleu), on voit que c'est bien ce qui est amplifié dans le circuit:

spice_graph_02.PNG

Et si on regarde les tensions au niveau des collecteurs des transistors (Q2 : bleu, Q1 : rouge), et au niveau de la capa C2 (vert foncé V(n005)):

spice_graph_03.PNG

Schéma

J'ai donc repris le circuit tel quel. J'ai ajouté des connecteurs en 2.54mm pour les deux transistors et les deux diodes, pour pouvoir monter des IC headers et tester plusieurs transistors traversants différents. Par défaut, le circuit est conçu pour un couple 2N3904 / 2N3906, transistors general purpose très classiques, avec un gain très raisonnable.

Au niveau découpage des fonctions, comme sur l'archi TC, je vais donc avoir la carte du dessous qui accueille les connecteurs (jack + alim) le switch et le frontend. La carte du dessus accueillera le circuit en lui-même, les contrôles et l'affichage. Et donc, entre les deux cartes les signaux à transmettre sur le connecteur inter-cartes seront:

  • Alim
  • Masse
  • Audio in
  • Audio out
  • Commande bypass (i n'y a qu'une LED de bypass en affichage).

J'ajoute une deuxième masse pour faire genre je prévois l'isolation entre les signaux audio et les signaux numériques et l'alim, ce qui fait 6 voies, et je mets la masse supplémentaire entre audio out et commande bypass.

Pour les contrôles, je pars sur des potars PCB mount verticaux, de petites taille. Sur Banzai Music il y a des Alpha qui sont pas mal pour ça - axe rond lisses sans méplat - sinon des ALPS RK09L, trouvables sur Farnell / Mouser à un prix raisonnable, quoique, bien entendu, il n'y ait pas trop le choix au niveau valeurs et options. Je vais mettre un switch pour pouvoir enlever les diodes de shunt de sortie. Pour éviter de perdre de la surface, il faut que je puisse mettre le switch sur la carte du haut, et donc que le switch ait la même hauteur que les potars, donc il faut du subminiature. J'ai trouvé sur Farnell des Multicomp série 2MD qui vont parfaitement bien pour cet usage. Pour la LED, je vais mettre une LED 3mm et faire un trou, à l'ancienne.

Pour ce qui est de la carte du bas, on va donc avoir un relai sub-miniature, les TQ2SA de chez Panasonic sont très bien. je prends un modèle 5V, j'ajouterai une résistance en série en 0805 pour adapter le 9V en 5V, à priori sur ces modèles une résistance de 150 ohms fait l'affaire. Pour le commander - le relai et la LED - bien entendu j'utilise comme d'habitude un CD4013. Il faudrait que je voye si je peux trouver un composant plus petit pour ça. Pour le footswitch je vais rester sur les switches bouton-poussoir à monter sur panneau que j'ai acheté en masse sur Thomann. Ça prend de la place, mais ça marche bien. Plus tard il faudra que j'utilise des switches montés sur PCB comme sur les pédales TC. Il faut vraiment que je me mette sur ça, ça me fera gagner un max de place.

Pour les jacks il faut du petit, parce que c'est un peu serré quand-même. Pour ne pas les payer trop cher j'ai pris des Cliff FCR50051. Sur le papier ça tient. Au niveau frontend il n'y a pas grand chose, juste la polarisation. Vu que le schéma de base a prévu le filtrage DC, il n'y a que des pull-down à ajouter.

Et c'est à peu près tout.

Routage

Rien de spécial à signaler, à part que je suis passé en largeur de piste 0.25mm, pour tirer parti du nouveau process de fabrication de PCB de l'Electrolab, qui permet normalement de faire de la classe 5. Et encore, 0.25mm je ne prend pas trop de risque. Vu que je n'ai pas encore l'intention de descendre le diamètre des vias en-dessous de 0.8mm, je vais rester sur des pads de via en 1.5mm. Il faudra que je teste le perçage en 0.4mm, ce qui me permettra, si ça marche, de passer à 1mm de pad de via. Gain de place, gain de place.

harmonic_jerkulator-B.Cu.svg

harmonic_jerkulator-FB.Cu.svg

Mécanique

Les Hammond 1590A sont vraiment petits. Le problème c'est surtout la hauteur. Les jacks sont quand-même très hauts, et il faut pouvoir plaquer les deux cartes l'une sur l'autre pour que ça rentre. Or, pour pouvoir faire ça, il faut qu'il n'y ait pas de via sur la carte du haut en vis-à-vis des parties métalliques des connecteurs. Idéalement même pas de cuivre du tout ça sera pas mal. Une isolation peut suffire, j'ai d'ailleurs été obligé d'en ajouter une parce que j'avais des courts-circtuits.

Connecteurs

Parlons des connecteurs, tiens. On ne peut donc pas prendre des jacks "classiques", car ils seront trop hauts et trop larges. Il en faut des "slim".

J'ai pris par défaut des Cliff FCR50051: http://fr.farnell.com/cliff-electro...

Les FCR50055 c'est le même chose avec des petits ergots pour pouvoir les stacker. Aucune intérêt ici.

Ça fait le taf ... mais je déconseille, en fait. Il vaut mieux prendre autre chose. Je n'ai pas retrouvé quel sont les connecteurs que TC utilise sur leurs pédales, quoiqu'il est fort probable que ça soient des Neutrik. Ceux-là: http://fr.farnell.com/lumberg/klbps.... Sinon on en trouve aussi chez Amphenol: http://fr.farnell.com/amphenol/acjs...

Mais je pense que le mieux serait de prendre ceux-ci chez Cliff: http://fr.farnell.com/pro-signal/mj.... Ils ont la même hauteur que les autres, par contre le fait qu'ils soient dans un boîtier full-plastique avec aucun contact qui dépasse fait qu'on peut coller la carte supérieure dessus sans aucun risque de court-circuit. Par contre, c'est deux fois et demi plus cher, et l'empreinte est différente ...

Ou ceux-là chez Amphenol: http://fr.farnell.com/amphenol/acjm.... Les contacts ont l'air de ressortir moins, on doit pouvoir plaquer la carte supérieure sans problème.

Corrections

Sur la v01 : pinout du relai incorrect, vias sur la carte du haut en vis-à-vis des parties métalliques des jacks, switch placé sur la carte du bas, un des signaux du connecteur inter-cartes est sur la mauvaise face. Sur la v02 : toutes les erreurs précédentes corrigées, mais un net non connecté :( et les jacks sont trop à l'intérieur, donc les boulons plastiques sont durs à mettre. Sur la v03 : à priori toutes les erreurs précédentes corrigées.

Réalisation et mise au point

Relai

Il n'y a pas de bruit audio à la commutation. Donc, comme je m'y attendais, il n'y a pas besoin de circuit de mute. Je pense que le trip "mute" sur les relais c'est du pipeau. Du gros pipeau. Si on polarise bien, ya pas de problème de bruit. Point.

Choix des transistors

Vu que j'ai mis des headers pour les transistors, je vais pouvoir tester plusieurs modèles. Voici les confis que j'ai essayé, avec des transistors silicium, et quelques germaniums que j'ai trouvé au fin-fond du Lab:

  • 2N3904 / 2N3906 (Si standard medium gain)
  • BC516 / BC517 (Si darlington)
  • OC77 (Ge PNP faibles signaux) / OC140 (Ge NPN spécial switching, conçu pour les signaux numériques à la base)
  • AC188 (Ge PNP medium power 3.5W) / AC187K (Ge NPN medium power 3.5W)
  • AC187 / 0C77
  • AC188 / OC140
  • 2N3906 / OC140
  • BC516 / AC187
  • BC516 / BD139 (Si medium power)
  • BC516 / AF115 (Ge PNP HF)
  • BC516 / AF118 (Ge PNP HF)
  • KSP44 / KSP94 (Si low-gain (40) high-voltage (400V))

Ouais, je me suis bien amusé :) mais en fait pas tant que ça, parce qu'il n'y a pas beaucoup de configs vraiment intéressantes et qui se démarquent des autres. On peut supposer que ça vient de mon setup, qui est très basique : volume pas très fort, Harmonic Jerkulator seul, sur un ampli 5W à lampes (Gretch Electromatic). Si je pouvais faire des larsens il y aurait surement des résultats plus intéressants.

L'on remarquera que, dans mon lot de germanium, et sans surprise, il y a beaucoup de PNP, mais seulement deux NPN.

En gros:

  • Les transistor silicium standard donnent un son très proche d'une overdrive très classique, rien de notable, presque décevant.
  • Les darlington donnent un son plus agressif, perso j'aime bien, mais rien de plus.
  • Les germanium small-signal ont un son quasi-identiques aux silicium. Ce qui me surprend puisque ce circuit est censé mettre en valeur les transistors germanium. A moins que ça ne soit du gros pipeau ? Bon, on va dire que c'est parce que je n'ai pas les bons modèles, à priori il faudrait un 2N404 en low-side.
  • Les darlington "de puissance" (AC187 / AC188) changent vraiment le son : ils ajoutent un effet gate très prononcé, quoique pas très musical, et une sorte d'octave, assez inattendu pour ce genre de circuit. Et il y a plus de volume de sortie, aussi.
  • Les mélanges SI / Ge ne donnent rien de très marquant, on retrouve les caractéristiques séparées plus ou moins mélangées. Le meilleur mélange que j'ai trouvé à mon oreille c'est BC516 (Si Darlington PNP) avec AC187 (Ge NPN).
  • Les transistors haute tension donnent plus de saturation et de volume, ce qui est surprenant, avec moins de gain je ne me serais pas attendu à ça. Bon, en tous cas moi j'aime bien.
  • Les AF115 / AF118 sont inutilisables : il y en a un qui fait un bruit monstrueux avec quasiment pas de gain, et l'autre qui a un volume tellement faible que c'en est ridicule. Pour celui qui fait du bruit, je me demande s'il n'est pas victime de whiskers, parait-il que cette famille de transistors souffre de ce problème voir ici et ici.
  • Inverser le sens des transistors peut donner des résultats intéressants.
  • D'une façon générale, ce circuit est quand-même beaucoup plus sensible au type de transistor utilisé, comparé aux circuits basés sur la Fuzz Face. Mais ce n'est pas très surprenant vu que la Fuzz Face est un circuit contre-réactioné, ce qui n'est pas le cas ici - on est en boucle ouverte. L'ajout d'une contre-réaction dans un circuit permet de le rendre moins sensible aux caractéristiques intrinsèques de sa chaîne directe, CQFD.

Donc j'ai deux configs qui me plaisent :

  • 2N3904 / AC188K à l'envers : très agressif, avec beaucoup de gate, ressemble vraiment à ce que j'imagine être un son de fuzz germanium vintage.
  • KSP44 / KSP94 : très smooth, la distorsion n'est pas du tout extrême, par contre on entend bien un "grain" spécifique, pas du tout transparent, on va dire.

Vu que je ne peux pas avoir les deux à la fois, hé bien je vais fabriquer une deuxième pédale, comme ça j'aurais les deux configs :) et je pourrai tester les corrections.

Choix des diodes

J'ai toujours beaucoup de mal à entendre les différences de son sur les diodes de shunt, donc je n'ai pas poussé l'expérimentation très loin:

  • 2 x 1N4148
  • 2 x LED
  • 1N4148 + LED
  • 1N4148 + Ge (j'ai utilisé la jonction BE d'un OC45)
  • LED + Ge

Au final, les deux config qui me plaisent c'est:

  • 1N4148 + LED (vert) : bourrin et baveux
  • LED (vert) + Ge : plus subtil. Vu que je n'ai pas de diode germanium j'ai utilisé la jonction B-E d'un OC45.

Quelques samples, déjà sur la config KSP44/KSP94, avec les deux potars à la moitié:

Si on joue sur le gain:

Si on joue avec les diodes (ON / OFF), avec des micros simples:

Si on joue avec les diodes (ON / OFF), avec des micros doubles:

Et la deuxième pédale, avec la config 2N3906/AC187K, avec des micros doubles et en jouant avec un peu tous les paramètres:

Mise en boîte

Donc, comme je l'ai dit plus haut, la mécanique c'est serré. J'ai eu plein de problèmes de faux-contact, donc j'ai dû mettre des isolations plastiques partout. Quelques photos, en boîtier noir avec les KSP, l'autre c'est avec le germanium, que l'on reconnait dans son boîtier carré bizarre:

harmonic_jerkulator_finished_01.jpg

harmonic_jerkulator_finished_02.jpg

harmonic_jerkulator_finished_03.jpg

harmonic_jerkulator_finished_04.jpg

harmonic_jerkulator_finished_05.jpg

harmonic_jerkulator_finished_06.jpg

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