Bypass e tecniche di switching negli effetti per chitarra

Switches - 01

Lo switching e routing dei segnali analogici è una parte fondamentale del signal processing che richiede grande attenzione se si vogliono ottenere accuratezza e precisione.

Nel mondo dell’effettistica per chitarra spesso il routing del segnale si riduce unicamente al sistema di bypass, riducendo perciò la complessità del sistema. Nonostante questo, anni di marketing e cattiva informazione hanno contribuito a creare molta confusione sull’argomento.

Partendo dal presupposto che il sistema di bypass dovrebbe essere “invisibile” e non causa di mal di testa per il chitarrista, in seguito cercheremo di fare chiarezza analizzando le situazioni più comuni e soprattutto quelle che sono alla base dei problemi di degrado del suono.

La discussione si svilupperà nei seguenti punti:

  1. Che cos’è il buffer?
  2. Topologie circuitali
  3. Tecniche di switching
  4. Soluzione migliore e casi peggiori

Che cos’è il buffer?
Il buffer è un circuito attivo (realizzato tramite transistor o amplificatori operazionali) la cui funzione principale è quella di trasferire il segnale da una sorgente ad alta impedenza di uscita (es. la chitarra) ad un circuito con bassa impedenza d’ingresso (es. cuffie, effetti).
L’interposizione di un buffer evita che il circuito a valle carichi eccessivamente la sorgente andando a comprometterne il corretto funzionamento.

Ora prenderemo in considerazione il sistema costituito dalla chitarra connessa alla catena effetti fino ad arrivare all’amplificatore.
I cavi hanno una componente resistiva molto bassa ma una componente capacitiva non trascurabile, in aggiunta vanno tenute in considerazione le capacità parassite dei vari jack di collegamento. La somma di queste capacità, insieme all’impedenza di uscita del pickup della chitarra, forma un filtro passa basso con frequenza di taglio pari a:
f=\frac{1}{2 \pi Z C}

Più è alta l’impedenza (Z) o la capacità (C) minore sarà la frequenza di taglio (f) del filtro che, eliminando frequenze alte dal nostro segnale, renderà il suono ovattato.

Z=10kOhm e C che varia da 1nF a 10nF - fmin=1,6kHz

Mettendo un buffer l’impedenza di uscita si abbasserà (a qualche decina di Ohm) e quindi la frequenza di taglio si sposterà in alto (fuori dalla banda udibile) lasciando inalterato il segnale della chitarra.

Z=100Ohm e C che varia da 1nF a 10nF - fmin=160kHz

Un altro vantaggio nell’uso di un buffer è quello di aumentare l’immunità ai disturbi irradiati (lampade al neon, schermi a tubi catodici, ecc.). Di contro come per tutti i circuiti attivi andremo ad innalzare il noise floor.

Topologie circuitali
Verranno analizzate le tre topologie circuitali maggiormente adottate nei sistemi di bypass.

True bypass:

True bypass

True bypass

In uno schema di tipo True bypass, quando l’effetto è disattivato, il segnale passa direttamente dal jack d’ingresso a quello di uscita tramite una connessione meccanica. Quando ciò avviene il circuito dell’effetto viene completamente disconnesso dal segnal d’ingresso.
Il modo più semplice per realizzare una configurazione di questo tipo, se si vuole aggiungere un LED di stato, è di utilizzare un interruttore a 3 vie (3PDT). Esistono anche sistemi che non richiedono la terza via per il LED come il Millennium bypass ma per semplicità non verranno trattati.

Buffered bypass:

Buffered bypass

Buffered bypass

La configurazione Buffered bypass prevede l’uso di un buffer in ingresso, rendendo non necessario l’uso del primo interruttore per scollegare l’ingresso dell’effetto, e un buffer di uscita. Questo schema, unitamente all’uso di interruttori elettronici, è ampiamente utilizzato nei pedali Boss/Ibanez. Il vantaggio è che con questa soluzione si ha un sistema di switching completamente silenzioso (fast fade al posto di una rapida commutazione) e l’effetto restituice sempre gli stessi risultati indipendentemente da ciò che è connesso in ingresso ed in uscita. Lo svantaggio è che viene introdotta molta circuiteria attiva solo per permettere il passaggio del segnale, che dovrà sempre attraversare due stadi di buffer ed (eventualmente) uno switch elettronico. Tutto ciò comporta un aumento del rumore e delle non linearità, soprattutto se più effetti di questo tipo sono collegati in serie.

Hardwire bypass:

Hardwire bypass

Hardwire bypass

Veniamo alla configurazione Hardwire bypass, quella che con molta probabilità è la maggior causa del famoso “Tone Suck“. Questo sistema non ha nessun vantaggio rispetto ai precedenti se non quello di far risparmiare soldi al costruttore. In questo caso l’ingresso è permanentemente connesso (hardwired) al circuito dell’effetto (caricando la sorgente) e solo il segnale di uscita viene commutato. L’impedenza d’ingresso del circuito dell’effetto è così posta in parallello all’impedenza d’ingresso del circuito successivo (effetto o amplificatore); il risultato è un abbassamento dell’impedenza equivalente vista dalla chitarra con conseguente perdita di segnale.
Questa configurazione è usata frequentemente nei pedali Dunlop/MXR tanto per citarne alcuni. Purtroppo come si può intuire il classico test che consiste nello staccare l’alimentazione del pedale per sentire se il segnale bypassato lo attraversa ugualmente non è sufficiente a distinguere un pedale True Bypass da uno Hardwire Bypass.

Tecniche di switching
Di seguito verrà fatta una breve panoramica dei quattro sistemi di switching maggiormente utilizzati.

Interruttori meccanici: un interruttore meccanico normalmente realizza una connessione solida ed inequivocabile quando è chiuso, ed è tanto “ON” quanto la sua resistenza di contatto permette; stiamo parlando di frazioni di Ohm che difficilmente causeranno problemi nello switching di segnali audio.
Più problematico è il funzionamento nello stato “OFF”. La resistenza di isolamento può essere dell’ordine dei peta-Ohm, ma ciò che crea problemi è l’inevitabile capacità presente tra i contatti. Questa, generalmente piccola (pF), può essere sufficientemente grande da dominare il “grado di spegnimento” (quanto si avvicina ad un isolamento ideale) ottenibile a frequenze audio elevate. Il suo effetto naturalmente dipende dall’impedenza vista dall’ingresso “ricevente” dell’interruttore. Con un’impedenza di 10kOhm ad esempio, un classico interruttore a scorrimento a tre vie restituisce un’attenuazione di -70dB a 10kHz.

Relè: i relè garantiscono un isolamento galvanico assoluto tra il segnale di controllo e quello audio, distorsione di contatto nulla e in termini audio hanno capacità di gestione dei segnali virtualmente illimitata. La resistenza serie è trascurabile così come le correnti di dispersione verso massa. Il “grado di spegnimento” è generalmente buono, ma come in tutti i casi dipende da un uso intelligente e consapevole da parte del progettista.
Ovviamente anche i relè hanno i loro svantaggi. Sono relativamente grandi, costosi e la loro vita operativa, così come per gli interruttori meccanici, non è illimitata. Richiedono circuiti di controllo e la potenza di funzionamento assorbita è significativa, anche se esistono diverse tecniche per ridurla.

CMOS analog gates: sono interruttori elettronici bidirezionali (es. 4016, 4066) costruiti con tecnologia CMOS, indicati per la trasmissione o il multiplexing dei segnali analogici.
Nonostante siano uno dei metodi più ovvi per implementare un sistema a interruttori elettronici, presentano svantaggi significativi quali alta THD (Total Harmonic Distortion) e basso “grado di spegnimento” nello stato “OFF”. Esistono diverse tecniche per arginare queste problematiche che non verranno discusse in questa sede per non appesantire ulteriormente la discussione. Per questa ragione l’esperienza del progettista ha una rilevanza fondamentale in questo caso.

JFET discreti: sono dei transistor che possono essere adoperati al posto delle porte CMOS analogiche per implementare un sistema di switching elettronico. Rispetto a quest’ultime presentano almeno due vantaggi. Come prima cosa sono in grado di gestire l’intera escursione di uscita degli opamp lavorando alla massima tensione di alimentazione, permettendo di commutare segnali con livelli di tensione più elevati. Il secondo vantaggio è che l’accesso diretto al gate del dispositivo permette lente variazioni dell’attenuazione (dell’ordine dei ms) piuttosto che la rapida commutazione on-off delle porte CMOS. Ciò è vitale nell’implementazione di circuiti di mute che essenzialmente implementano una dissolvenza veloce piuttosto che un taglio netto e quindi non generano click e pop interrompendo bruscamente il segnale.
Il rovescio della medaglia è che i JFET richiedono tensioni accuratamente calibrate per comandare i gate e queste non sono sempre facili da derivare dalla classica alimentazione degli effetti.

Conclusioni
Avendo sviscerato alcuni degli aspetti fondamentali che interessano il bypass del segnale negli effeti per chitarra è ora possibile trarre alcune conclusioni.

Partendo dal presupposto che il bypass di tipo Hardwire andrebbe sempre evitato si possono individuare due configurazioni di caso peggiore.
Il primo è il caso di un sistema totalmente True Bypass. Come già discusso in precedenza in questo caso l’impedenza di uscita della chitarra unitamente alla somma delle capacità parassite di cavi e jack forma un filtro passa basso che limita la banda del segnale rendendo il suono ovattato.
Il secondo caso è costituito da soli pedali Buffered Bypass. Questo sistema non presenta il problema del caso precedente ma il semplice segnale della chitarra è costretto ad attraverare un numero significativo di componenti attivi che aumentano inutilmente il rumore e distorcono il segnale anche quando gli effetti sono disattivati.

Allora qual’è la soluzione migliore e più raffinata per un sistema di effetti?
La soluzione è avere un sistema totalmente True bypass dove però viene posto all’inizio della catena un buffer di qualità, cioè un buffer che svolge il suo lavoro di abbassare l’impedenza rendendo innocue le capacità parassite e lasciando il più possibile inalterato il segnale (basso noise floor, bassa THD, banda piatta nel campo dei suoni udibili).

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s