Dompter le germanium.

Il existe un controverse qui traverse la communauté guitaristique depuis des siècles : la fuzz au germanium vs. la fuzz au silicium.

Les amateurs de fuzz au germanium y trouvent leur dose de mojo, mais l’authentique son des sixties ne vient pas sans quelques embétements : les pédales de type Fuzz Face ou Tonebender sont souvent incompatibles avec une alimentation 9 volts classique, la selection et l’appairage des transistors relèvent parfois de l’ésotérisme, et surtout les caractéristiques des transistors varient fortement en fonction de la température ambiante.

Du côté des partisans du silicium on voit le germanium comme une truanderie estampillée « vintage ». Il est vrai que les fuzz au silicium permettent de s’affranchir des problèmes cités plus haut, mais avec un son différent. « Plus sec » diront certains.

Aujourd’hui, je vous propose de nous écarter un peu des débats et de parer aux inconvéniants qui accompagnent généralement ces bonnes vieilles fuzz au germanium.

L’alimentation.

Du temps des premieres pédales fuzz, les transistors les plus courants étaient des transistors au germanium de type PNP.

Les deux types de transistor bipolaire.

Cette famille de transistors oblige le courant à circuler dans un sens donné: pour faire simple on peut dire que les pédales qui utilisent des transistors PNP sont alimentées en -9V. Dans les sixties ce n’était pas vraiment un problème, car on alimentait les pédales avec des piles. Il suffisait donc pour les constructeurs de connecter le pole positif de la pile à la masse.

Le schéma de la Fuzz Face Germanium avec son alimentation en -9V.

Plus tard les transistors de type NPN sont devenus plus facile à produire notamment grace à l’utilisation du silicium. Cette technologie permet d’alimenter les pédales en +9V, en reliant le pole négatif de la pile à la masse. Depuis lors les alimentations en +9V sont devenus la référence, ce qui rends pénible l’utilisation des pédales au germanium sur un pédalboard moderne. Heureusement pour nous, des solutions existent pour palier au problème.

Le schéma de la Fuzz Face Silicium avec son alimentation en +9V.

Le renversement du circuit d’alimentation.

La première solution consiste à modifier le circuit de l’alimentation de la pédale, en remplaçant la masse par du +9V, et le -9V original par la masse (cf. le schéma plus bas). Cette solution est élégante et économe en moyen; pour ceux d’entre vous qui lisent l’anglais, elle est détaillée sur le site de Jack Orman . C’est également ce design qui a été choisi, il y a quelques dizaines d’années par Zachary Vex pour sa Fuzz Factory.

Attendez, c’était pas trois fois le même schéma ?!

Les fuzz qui utilisent cette configuration ont une fâcheuse tendance à auto-osciller dans certaines conditions. Pour observer le phénomène, il suffit d’amener le potentiometre de volume de la guitare à zéro (cela permet d’entendre le bruit propre de la pédale). Là on se rends compte que la pédale est tout bonnement possédée. Ce type de sons incontrolables est assez caractéristique de la Fuzz Factory d’ailleurs.

Les circuits intégrés inverseurs de tension.

Pour les gens plus raisonnables, il existe une deuxième posibilité pour venir à bout du problème d’alimentation, qui consiste à utiliser un circuit intégré inverseur de tension.

Le LT1054 est un convertisseur de tension à capacités commutées. Pour faire simple, il s’agit d’un circuit intégré permettant de transformer une tension de +9V en -9V à condition de l’utiliser de la manière suivante :

Le LT1054

Le LT1054 comme le MAX1044 sont des inverseurs à pompe de charge. Dans un premier temps, ils accumulent des charges dans un condensateur faisant office de receptacle temporaire (que nos amis anglophone appellent simplement « bucket capacitor »). Puis dans un second temps, ces charges sont transferrées dans un condensateur reservoir. La figure suivante illustre ce principe:

Un inverseur de tension idéal

Durant la première moitié de chaque cycle, les switchs S1 et S3 se ferment et les switchs S2 et S4 s’ouvrent, permettant au condensateur bucket C1 de se charger au potentiel V+. Durant la seconde moitié d’un cycle, les switchs S2 et S4 se ferment et les switchs S1 et S3 s’ouvrent, connectant la borne positive de C1 à la masse et la borne négative à VOUT. A ce moment là, le condensateur bucket C1 et le condensateur reservoir C2 sont connectés en parallèle. Si la tension à travers C2 est plus petite que celle à travers C1, alors les charges voyagent de C1 vers C2 jusqu’à ce que les tensions à travers les deux condensateurs soient égales. Au cours des cycles successifs, C1 va continuer de transmettre des charges à C2 jusqu’à ce que la tension à travers C2 atteigne la valeur – (V+).

En pratique, la tension de sortie d’un inverseur de tension est moindre que – (V+) car les switchs présentent une resistance équivalente non négligeable qui va drainer des charges depuis C2.

Pour comprendre ce phenomène de résistance équivalente, il faut se pencher sur le principe de la commutation de capacités :

Schéma de principe de la commutation de capacités, extrait du datasheet du LT1054

Sur la figure précédente quand le switch est dans la position de gauche , le condensateur C1 se charge à la tension V1. La charge électrique totale dans C1 est :

q1 = C1 × V1

Quand le switch est déplacé vers la position de droite, C1 est déchargé à la tension V2. Après le temps de décharge, la charge électrique dans C1 est :

q2 = C1 × V2

La charge a été transférée de la source V1 à la sortie V2. La quantité de charge transféré est :

Δq = q1 – q2 = C1(V1 -V2)

Si le switch est actionné un nombre f de fois par seconde, le transfert de charge par unité de temps ( qu’on appelle aussi, courrant) est :

I = f × Δq = f × C1(V1 -V2)

Afin d’obtenir une resistance équivalente pour ce réseau de commutation de capacités, on peut réécrire l’équation en terme de tension et d’impedance équivalente :

I = (V1 – V2) / Req = (V1 – V2) / [1/(f × C1)]

On peut donc définir une nouvelle variable Req tel que Req = 1 / (f × C1). Par conséquent le circuit équivalent est le suivant :

Les inverseurs de tension comme le LT1054 ou le encore le MAX1044 ont le même comportement que ce réseau de commutation de capacités. Cette simplification ne tient pas compte de tous les paramètres, mais elle permet d’avoir un aperçu du fonctionnement de l’appareil.

On observera également que la chute de tension en sortie est fonction de la frequence de l’oscillateur. Quand on diminue la frequence de l’oscillateur, la Req augmente et donc la chute de tension devient plus importante.

La chute de tension est aussi plus importante quand la fréquence de l’oscillateur augmente. Cela est dû aux quelques charges perdues à chaque cycle de commutation; quand la fréquence de commutation devient élevée ces pertes deviennent importantes. On peut voir les zones en question sur le graphique suivant :

La chute de tension en sortie en fonction de la fréquence de l’oscillateur, et du courant de sortie, pour un LT1054

Le LT1054 est fait pour fonctionner dans une bande de fréquence centré sur 25kHz, là où les pertes seront moindres. On retiendra que la chute de tension en sortie peut être d’environ 1,2V pour un courant demandé en sortie de 100mA. Et cette chute de tension sera moindre quand la demande en courant sera plus faible.

Sur internet on trouve pas mal d’articles anglophones un peu anciens, qui préconisent d’utiliser le MAX1044 (qui s’appelle aussi ICL7660) dans des pédales fuzz ou autres. Du point de vue des pertes de tension en sortie, le MAX1044 est moins performant que le LT1054. Ces pertes peuvent être de 1,5V pour un courant de seulement 40mA. Pour cette raison je ne le recommande pas pour des pédales d’effets.

La selection des transistors.

Pour avoir une pédale Fuzz qui sonne, malheureusement on ne pourra pas prendre la première paire de transistors qui nous tombe sous la main. Il va falloir les selectionner en fonction de leurs courants de fuite et de leurs gains.

Il n’y a pas de miracle, il faut acheter des lots importants de transistors que vous allez devoir trier pour garder ceux dont les courrants de fuite sont suffisament faibles et dont les gains sont intéressants pour les montages que vous prévoyez de faire. Pour tester les transistors au germanium le plus simple c’est encore d’utiliser un testeur dédié.

Pour ceux que ça intéresse, j’utilise un analyseur de semi-conducteur : le DCA55 de chez Peak Electronic. Ca fait déjà quelques années que je m’en sert, il est très pratique et permet de gagner un temps fou quand il s’agit d’analyser un gros paquet de transistors. Il existe aussi un modèle plus récent, le DCA75, qui dispose d’un écran avec un affichage en pixel et d’un port USB permettant de communiquer à un PC les infos et les courbes caractéristiques des composants.

Pour chaque transistor, je fais une étiquette pour noter le Hfe (= le gain) et j’utilise du vernis de couleur pour les trier en fonction du courant de fuite mesuré. Cela me permet par la suite de trouver rapidement ce que je cherche.

Vous pouvez aussi acheter des transistors sélectionnés par quelqu’un d’autre, en ayant à l’esprit que ces opérations de sélections ont un coût. Sans parler de l’amenuisement des stocks de transistors au germanium.

L’appairage des transistors

Chaque fabriquant de fuzz boutique a sa petite recette mais généralement pour une Fuzz Face on prendra un transistor avec un hFE de 70~85 pour Q1 et un autre de 120~140 pour Q2.

L’appairage des transistors en gains peut être « relativement » permissif à condition d’adapter les valeurs des composants environants. Pour cela, la plupart des fabriquants intègrent dans leur circuit un ou plusieurs trimmers qui vont permettre de regler le bias des transistors.

Exemple avec la Fuzz Face : les trimmers remplacent les résistances qui étaient connectées aux collecteurs des transistors.

Généralement, on règle le trimmer de Q1 pour avoir -0,7V sur son collecteur, puis le trimmer de Q2 pour avoir -4,5V sur son collecteur. (Les collecteurs correspondent aux bornes 3 des transistors sur le schéma).

Enfin le biasing des transistors ça reste une affaire de goût, c’est pour cela qu’on trouve parfois un potentiometre de réglage du bias de Q2 en façade de certaines pédales. De cette façon vous allez pouvoir expérimenter : quand on se rapproche du sweet spot on va avoir ce son de fuzz au germanium très vintage, et quand on va vers les extrêmes on obtient des sons pétés à la Jack White, avec ce coté « gate » caractéristique.

La dérive en température.

Ca y est vous avez réglé minitieusement vos bias dans une pièce à 20°C, puis un rayon de soleil vient caresser la pédale dont vous êtiez si fier, et là c’est la catastrophe : le son n’est plus du tout le même.

On touche au problème le plus pénible du germanium: les caractéristiques vont dériver fortement en fonction de la température ambiante.

Vous avez peut-être entendu cette légende qui dit que [ insérez le nom de n’importe quel guitar hero ] garde sa fuzz face au réfrigérateur avant de jouer. Je vous déconseille fortement d’opter pour cette option, car l’humidité de l’air à l’intérieur du boitier va avoir tendance à se condenser et vous allez accélerer la corrosion du circuit.

Si vous avez un réglage de bias en façade, vous pouvez refaire votre réglage en fonction de la météo, soit avec un multimètre, soit à l’oreille. Je vous l’accorde ce n’est pas très pratique, mais ça permet de compenser la dérive en température.

En somme, l’idéal serait d’avoir un potentiometre de bias avec une led qui s’allume quand on est sur le sweet spot:

C’est justement ce que permet de faire la Deitsch Mark 1, la pédale fuzz au germanium que j’ai développée. Le système utilise ce que l’on appelle un comparateur à fenêtre, mais je reviendrai sur ce point dans un autre article. Il y a déjà pas mal de choses à digérer pour aujourd’hui.