DYI audio - Menatone PIG clone

Petite pédale d’overdrive que j’ai fait pour tester la fabrication d’une pédale d’effet, de la conception à la fabrication du PCB, le montage, et la fabrication du boîtier.

Présentation

L’idée est de faire un clone de la pédale Menatone PIG, de façon à tester un process de fabrication complet, de la conception, simulation, layout PCB, fabrication du PCB, fabrication du boîtier. Je m’impose quelques contraintes:

Faire petit: si possible tout le circuit en CMS autant que possible), éviter les gros éléments (genre les 3PDT de true bypass).
Eviter les composants chers / rares / pénibles à utiliser, donc pas de transistors germanium (introuvables, sensibles à la température, pas fiables), pas de composants exotiques chelous, pas de boîtier compliqué introuvable.
Faire pratique, ne pas chercher à tout prix à reproduire une interface si elle est merdique. Sur cette pédale ce n’est pas très pertinent vu la simplicité, mais ça le sera quand je ferai des pédales plus compliquées, voire numériques.
Faire stylé autant que possible.
Que ça soit fiable mécaniquement
Que ça ne soit pas trop chiant à fabriquer.

Partant de ces postulats, voici différents choix généraux que j’ai fait sur ce projet particulier:

Utiliser des boîtier aluminium typiques “à la EHX”, à savoir les Hammond / Eddystone 1590B, 1590BB …
Utiliser des potars avec axe transparent et LED interne, parce que c’est joli (je trouve), et ça m’évite d’avoir à réfléchir à où et comment mettre une LED.
Les potars sont montés sur le PCB et tiennent le PCB, pas de fils à l’intérieur autant que possible. Vu que la hauteur sous PCB sera définie par ces potars, il faut que j’accorde la hauteur en conséquence, donc:
- Composants sur une seule couche.
- Footswitch et connecteur d’alim non montés sur le PCB (ce seront les seuls à avoir des fils).
Les jacks seront des jacks avec barillet exterieur, du même genre que sur les pédales EHX.
Il y a aura un emplacement pour une pile.

L’originale

La pédale d’origine:

Visiblement c’est un modèle custom, elle n’est pas au catalogue.

Le principe

Cette pédale émule le circuit de préampli du Marshall M-200, surnommé “the pig”, d’où le nom de la pédale.

http://www.marshallforum.com/index.php?threads/schematics-for-a-60s-marshall-200-watt-pig.40968/

C’est un ampli de 1966/1967 à lampes (évidemment) de 200W (ce qui était énorme à l’époque, et l’est encore aujourd’hui vu que les plus gros amplis guitare ne montent que très rarement au-delà de 100W). Il est original car le contrôle de tonalité n’est pas fait avec un baxandall ou un filtre de tonalité passif “standard”, mais par un crossover bass / treble avec un volume pour chaque bande.

C’est un ampli utilisé à l’époque par les bruyants, The Who, Hendrix, et surtout Mick Ronson qui a “fait” le son Ziggy Stardust avec cet ampli.

La pédale fait une émulation assez basique et courante : reprendre le circuit à lampes et remplacer les triodes de préamplification (ECC83/12AX7) par des JFET canal N. Ici on utilise des J201, JFET très facile à obtenir, qui ne coûte rien, et existe aussi bien en traversant (TO-8) qu’en CMS (SOT-23). Le composant parfait en somme.

Conception

Globalement: simulation / mise au point théorique sous TINA, saisie schéma et routage sous KiCAD, fabrication à l’Electrolab, fabrication du PCB au perchlo, boîtier Eddystone 1590B percé à l’Electrolab.

Electronique

J’ai récupéré le circuit en faisant un relevé sur le site Guitar FX Layout. Ce site ne donne que rarement des schémas, mais propose des layout sur veroboard à bande.

http://tagboardeffects.blogspot.fr/2016/04/menatone-pig.html

J’ai donc relevé le schéma, qui donne ceci (avec quelques légères modifications de ma part):

menatone_pig_02.TSC

Le circuit est séparé en 4 étages:

Un buffer d’entrée, pour baisser l’impédance du signal et faire du gain en tension (le circuit autour de T1).
Le crossover qui sépare les basses et les aigus (T2 et T5).
Un étage de mix des aigus et des bases (T3).
Un étage de gain / buffer de sortie (T6 et T4).

Le buffer d’entrée est un schéma standard de JFET en source commune, polarisé en classe A. Le signal bufferisé est ensuite filtré:

Par deux R-C pour filtrer les basses, puis bufferisé par T2 en source commune (avec strictement la même polarisation que le buffer d’entrée soit dit en passant). Le trimmer de 100k P2 permet de changer la polarisation du JFET et aussi de régler le “volume générale de basses”, pour équilibrer éventuellement avec les aigus.
Par trois C-R pour filtrer les aigus, puis bufferisé par T5, monté en drain commun - donc en opposition de phase par rapport aux basses à priori.

Les deux “canaux” sont ensuite remixés à travers R12 (pour les basses) et R28/C21 (pour les aigus) et bufferisés par T3, monté en drain commun. Chaque canal a son potar de volume. Le signal est ensuite passé dans un potar qui fait office de gain, qui règle l’amplitude de signal qui est injectée dans le dernier étage, composé de deux étages de gain en source commune (T6 et T4). Petit filtre pass-bas R21/C18, puis potar de volume.

Le circuit est prévu pour être alimenté en 18V, on ajoute donc une petite pompe de charge montée en doubleur de tension pour passer le 9V de la pile en 18V (présente sur le layout de Guitar FX Layout). J’ai choisi très arbitrairement l’ICL7662 de Maxim. J’aurais tout aussi bien pu prendre le LTC1144 de Linear. D’ailleurs, les deux sont compatibles pin à pin. Petit défaut de ces composants : leur oscillateur interne génère un signal de découpage à 10kHz, totalement dans le spectre audible. Le fait de shunter la pin “TEST” (pin 1) à l’alimentation d’entrée (V+) permet de faire passer la fréquence à \~35kHz, hors de la bande audible - à part pour les animaux - et qui sera de toutes façons filtré par la bande passante globale du circuit. Cette pompe de charge, comme toute pompe de charge, ne peut pas sortir énormément de courant, il faudra donc tâcher d’alimenter le moins de composants possible avec (je vais d’ailleurs par la suite faire la connerie de surcharger cette alim).

Pour le switch, je n’avais pas l’intention de faire à tout prix du true-bypass. Déjà parce que c’est surfait et surtout parce qu’un switch 3PDT prendrait trop de place dans l’espace déjà bien confiné du boîtier (je partais sur du 1590B, le plus petit). J’ai donc utilisé le bon vieux schéma de switch DPDT à base de 4013 / 4053: un CD4013 (double bascule D) utilisé en bascule T avec un bouton poussoir sur la clock, qui commande les LEDs et un CD4053 (triple multiplexeur analogique bi-directionnel). Sur les sites spécialisés on conseille plutôt le CD4066 (quadruple switch mono-pôle) pour son Rdson plus faible et ses caractéristiques plus adaptées à l’audio. Sur ce circuit, je comptais l’alimenter sur le 18V, et je n’ai pas trouvé de déclinaison du 4066 qui encaisse 18V (alors que j’en ai trouvé sur le 4053). Vu que le multiplexeur sera alimenté en 0-18V, il faudra polariser le signal audio pour que le signal ne sature pas, ce qui est dommage vu que le circuit de disto en lui-même ne nécessitait pas de polarisation, mais bon, il faut ce qu’il faut. Plutôt que de générer un Vref avec un pont diviseur - dont je n’aurais besoin nulle part vu qu’il n’y a aucun ampli-op dans le circuit - je vais utiliser le 9V de la pile comme polarisation. Le switch en lui-même sera juste un bouton poussoir à contact momentanné acheté sur Thomann. A noter qu’il faut faire attention aux tension d’alimentation des 4013 / 4053, il faut bien prendre des modèles qui encaissent au moins 18V (certains n’encaissent que 15V …). Là j’ai pris un CD4013BNSR et un CD4053BM.

Les LEDs seront alimentées directement par le 4013 (ce qui est une connerie, voir plus bas), et il y en aura une par potar, donc 4.

Le schéma final est le suivant:

Erreurs et corrections du schéma

Après montage j’ai réalisé les conneries que j’avais faites sur ce schéma.

La pompe de charge est trop chargée, donc dès qu’on active l’effet le 18V perd quasiment 1V . Pour la soulager, j’ai passé l’alimentation du 4013 - et donc des LEDs - sur la tension batterie 9V. Conséquence : la commande du 4013 devient un signal 9V alors que le 4053 est alimenté en 18V, ce qui fait qu’il ne peut plus commander le 4053 (dans la DS, déjà à 15V d’alim il faut au moins 11V de Vih). J’ai donc ajouté un transistor numérique NPN genre PDTC123Y pour faire la commande du 4053 avec une pull-up de 10k au 18V. Vu que la commande est inversée il faut commander le transistor par Q au lieu de /Q. Enfin, il faut une protection contre les inversions de polarité sur le 9V, sinon on crâme le 4013 - j’ai déjà fait la connerie ! Or, quand on allume les LEDs, le courant consommé devient très important, et la chute de tension (Vf) aux bornes de la diode anti-retour change violemment. Il ne faut donc pas que cette chute de tension perturbe le circuit audio, donc la pompe de charge, il faut donc une diode dédié à la pompe de charge et une diode dédiée au circuit 9V.
Le CD4013 n’est pas capable de sortir le courant requis pour alimenter 4 LEDs. Donc j’ai ajouté un transistor numérique NPN genre PDTC123Y, commandé par la sortie Q du 4013 qui alimente effectivement les LEDs sur la tension batterie 9V.
Le debounce ne marche pas bien, il ne faut pas mettre de capa entre l’entrée d’horloge du 4013 et la masse. Par contre la capa en parallèle du switch permet de lisser le bounce correctement.
Les pins TEST et V+ de la pompe de charge ne sont pas reliés, donc par défaut on entend parfaitement bien le découpage.
Pour économiser quelques euros j’ai voulu mettre un circuit de pompe de charge moins cher, j’ai donc pris un ICL7662. Grave erreur, ce composant découpe entre 5kHz et 10kHz, pile dans la bande audio. Il n’y a pas le choix, il faut impérativement une pompe de charge qui découpe plus haut que 20kHz, le LTC1144 le fait.
J’ai ramé pour faire fonctionner le footswitch. En fait il faut bien placer une capa aux bornes du switch, mais il ne faut surtout pas mettre de capa entre l’entrée clock du 4013 et la masse. J’ai provisionné un RC entre le /Q et le D, pour pouvoir ajouter du délai et être sûr de la synchro, mais en fait, le simple fait de ne pas mettre de capa au niveau de l’entrée clock suffit. Donc ne pas monter la capa, et monter un strap (0 Ohms) pour la résistance.

PCB

Tous les passifs sont en 0603 parce qu’on est en 2016, merde ! Les JFET et les diodes sont en SOT-23, les CI (4053, 4013, ICL7662) sont en SO-8 / SO-14 / SO-16. Les capas électrolythiques sont en CMS aussi. Au final les seuls composants tranversants sont les LEDs 3mm, les pins pour le switch et le connecteur d’alim + pile, les conncteurs audio (jack) et les potars.

Pour les potars, j’ai trouvé sur Banzai des potars traversants avec axe transparent, pour montage sur PCB. Ils ne coûtent vraiment pas cher comparé à des potars achetés sur Farnell. Par contre attention: sur Banzai il y a 15€ de frais de transport. En fait l’axe en “creusé” pour laisser la place à une LED 3mm. L’axe fileté est à un diamètre de “potar standard”. On peut vraiment bien tenir le PCB avec ça. Il y a aussi une famille sans axe fileté, avec juste l’axe plastique, pratique si on veut rapprocher les potars et qu’il y ait suffisamment d’expace entre deux pour pouvoir les manipuler. Mais on ne peut pas tenir le PCB avec. Sur ces potars il y a 9 trous à faire par potar, ce qui est beaucoup, mais au moins ça va garantir la tenue mécanique. Par contre les trous sont très mal indiqué sur les plans mécaniques, je les ai fait au jugé et c’est pas bien en face … Les LEDs se placent en plein milieu de l’axe.

Les jacks sont encore un autre problème. A priori il vaut mieux les mettre l’un en face de l’autre. Or, la largeur d’une 1590B est très faible, et certains modèles de Jacks 6.35 pour montage PCB ont un corps plastique trop long qui fait qu’on ne peut pas en mettre deux de front. Par contre certains le permettent. Les Neutrik passent, ce qui est cool, parce que Neutrik c’est bien, généralement. Bien prendre des modèles à barillet extérieur, sinon on ne peut pas monter la carte dans le boîtier - à moins d’être Gérard Majax.

Le connecteur d’alim m’a bien fait chier. Pour des pédales d’effet il faut prendre du 2.1mm. NE PAS PRENDRE DE 2.5mm ! Généralement ils sont très gros, et là ça rentre difficilement. Le moins compliqué à intégrer c’est de prendre un modèle qui se monte de l’intérieur du boîtier. Ca va dépasser à l’extérieur, mais ça ne prend pas trop de place à l’intérieur, et en plus ça simplifie le montage.

Voici le résultat final:

Le package du projet KiCAD.

Et après corrections:

Le package du projet KiCAD.

Mécanique

Le boîtier final est donc un Eddystone 1590B. Eddystone est une sous-marque de Hammond qui fabrique des versions “pas chères” des boîtiers Hammond. En gros les Eddystone sont plus carrés (les coins sont beaucoup moins chenfreinés) et la finition est moins nickel sur l’état de surface, le couvercle est moins précisément ajusté. Rien de bien grave, ça vaut le coup de prendre ces boîtiers. Pour le coup ils sont tous moins chers sur Farnell que sur Banzai.

Les trous sont percés à la perceuse à colonne. Les axe des potars sont en 9mm, l’axe du footswitch est en 11mm.

Je préfère vraiment avoir le footswitch “en l’air”, pas soudé au PCB, car il va se prendre les plus grosses constraintes mécaniques, donc il vaut mieux éviter de les transmettre au PCB.

J’ai peint le boîtier à la main, au pinceau, en utilisant une peinture spécial aluminium, plus un colorant jaune, le tout acheté à casto. Deux couches, avec 24h de séchage entre chaque. Ca me fait une texture grumeleuse à la fin. C’est inhabituel mais j’aime bien. Le marquage est fait à la bombe noire spécial électroménager avec un pochoir.

Résultat

Photos

Son

Au final elle sonne bien pour un design “choisi au pif”. Les réglages graves / aigus sont peu efficaces, je n’ai pas entendu de différence en réglant le trimmer. Une fois bien configurée la pompe de charge ne fait aucun bruit, c’est un circuit très silencieux. L’overdrive est très très très légère, mais quand on la pousse à fond on a des sons très intéressants et très cools. Et elle a beaucoup de gain !
Quelques samples, enregistrés en direct dans la carte son, avec juste la pédale devant. J’ai mis Amplitube et une émulation d’ampli à lampe standard (“classic american tube”, un truc du style) avec tout à midi et pas de réverbe.

Telecaster US deluxe, bridge + neck

A sec sans la pédale, pour avoir le son dry. Attention, sur cette gratte les micros sont des Noiseless N3, qui sont des humbucker “stacked” au format single coil, donc ce n’est pas exactement du simple bobinage, mais ça n’a pas le son de humbuckers non plus.

Telecaster US deluxe, bridge + neck, gain 10, volume 2, hi-pass 10, low-pass 10.

Telecaster US deluxe, bridge + neck, gain 7, volume 5, hi-pass 10, low-pass 10.

Telecaster US deluxe, bridge + neck, gain 4, volume 8, hi-pass 10, low-pass 10.

Telecaster US deluxe, bridge + neck, gain 5, volume 5, hi-pass 5, low-pass 10.

Telecaster US deluxe, bridge + neck, gain 5, volume 5, hi-pass 0, low-pass 10.

Telecaster US deluxe, bridge + neck, gain 5, volume 5, hi-pass 10, low-pass 5.

Telecaster US deluxe, bridge + neck, gain 5, volume 5, hi-pass 10, low-pass 0.

Telecaster US deluxe, bridge, gain 10, volume 2, hi-pass 10, low-pass 10.

Telecaster US deluxe, neck, gain 5, volume 5

Je joue sur le low-pass, puis le high-pass, pour montrer l’effet sur le son.

PRS SE (humbuckers).

Bonus :) Cyclone #1, micros Lollar Imperial (humbuckers).

Améliorations possibles

Utiliser des LEDs CMS avec une meilleure luminosité.
Détecter le fait qu’on ait une pile connectée et n’allumer qu’une ou deux LEDs dans ce cas pour améliorer l’autonomie.
Utiliser un connecteur d’alim à monter sur le PCB, préférablement traversant pour la tenue mécanique.
Trouver un moyen de mettre le logo directement sur le PCB dans KiCAD.
Ajouter une protection sur-tension si on essaye de mettre plus de 9V (les CI ne supporteront pas plus de 18V).
Passer le multiplexeur en 9V (impose de créer une polarisation à 4.5V) pour éviter de lui faire subir l’alim à 18V.
Passer la flip-flop à base de 4013 en discret (à base de BC807/817 par exemple), quoique je doute qu’on y gagne au niveau place ou prix. Mais ça aura l’avantage de permettre de câbler le switch en low-side, et on aura plus de tension batterie qui se ballade sur un fil volant, donc meilleure fiabilité.