Ré-création DIY #6 : tremolo JFET

En lisant l’article de R.G. Keen sur le fonctionnement du footswitch dans les pédales Boss et Ibanez (The Technology of JFET Switching in Boss and Ibanez Pedals [1]), je me suis dit que je pourrais m’amuser à faire un tremolo – stutter – hacheur avec ça. En effet, je suis fan des sons à la Squarepusher et j’ai vu là l’occasion de fabriquer un effet qui coupe le son de manière très aggressive et périodique.

Dans les pédales Boss, l’effet est allumé ou éteint non pas avec un footswitch à 9 broches qui permet de faire du true bypass. La commutation est faîte avec des transistors de type JFET (Junction Field Effect Transistor). Le signal passe dans le canal du JFET. Si le JFET est dans l’état ON, le signal passe, si le JFET est dans l’état OFF, le signal ne passe pas. C’est très simple. Et L’état ON ou OFF est géré par la tension qu’on applique sur le canal par l’électrode de grille.

Je me suis dit qu’en appliquant une tension périodique carrée sur l’électrode de grille d’un de ces JFET monté en interrupteur, on obtiendrait un hacheur, c’est à dire un tremolo avec une forme d’onde carrée.

Je me suis donc lancé dans cette expérience et je veux vous la partager : la conception du « Tremolo JFET ».

Ça va être l’occasion d’apprendre plein de choses j’en suis sûr, en particulier sur le ticking ou tic-tic parasite de ce genre de circuits audio. Mais on va en parler dans un instant !

Si vous ne connaissez rien au transistors de type JFET, je vous invite à lire cet article qui traite du principe de fonctionnement du transistor à effet de champ JFET.

1 Les interrupteurs dans les pédales Boss et Ibanez

Vous avez certainement entendu parler du true bypass, présent dans bien des pédales. C’est une manière de câbler la pédale qui permet que le signal ne soit pas du tout traité lorsque la pédale est éteinte.

Dans les pédales Boss c’est différent, on a du buffer bypass. Et on a un système d’interrupteurs bien différent du typique footswitch 3PDT à 9 broches.

En effet, comme on peut lire dans l’article de RG Keen [1], Boss utilise des transistors pour faire la commutation. Cela signifie qu’on les arrange de manière à ce qu’ils fonctionnent comme des interrupteurs. Si celui-ci est fermé, le courant passe et le transistor est dans l’état passant. Et si l’interrupteur est ouvert le courant ne passe plus et on est dans l’état non passant. Cela a l’avantage de ne nécessiter qu’un simple interrupteur de commande mécanique à 2 broches au lieu du sus-mentionné interrupteur à 9 broches. Par contre, cela augmente pas mal le nombre de composants requis. Voir par exemple le schéma d’une pédale Boss en Ref. 2.

1.1 JFET switch

Je ne vais pas expliquer ici le fonctionnement du circuit d’allumage complet des pédales Boss. En effet, tout est déjà dit dans la Ref. 1. Par contre, pour faire mon tremolo je vais me centrer sur la portion du circuit des pédales Boss qui fait interrupteur électronique. Cet interrupteur est à base de JFET comme dit plus haut. Voici le circuit :

Mais qu’est-ce donc que cela ?

Le schéma est bien clair, la partie de gauche est équivalente à l’interrupteur de droite. Voyons comment cela fonctionne.

Regardons où rentre le signal, et par où il sort. Ceci est indiqué par « signal in » et « signal out ». Vous les voyez ? Le signal de la guitare (symbolisé par une sinusoïde) arrive donc dans « signal in ». Il passe par un condensateur de liaison. Nous verrons son rôle plus tard. Puis le signal entre dans une des pattes d’un transistor de type JFET que l’on appelle le drain. C’est l’électrode d’entrée du canal du JFET. Le signal traverse le canal du JFET puis sort par l’électrode de source. Il voit ensuite un autre condensateur de liaison. Puis le signal sort de ce circuit là où c’est écrit « signal out ».

Par conséquent, le chemin emprunté par le signal audio est le suivant, représenté par une flèche rouge :

1.2 Fonctionnement du JFET en commutateur

Je rappelle que si vous voulez des explications sur le fonctionnement basique du JFET, j’ai écrit un article ici. Pour résumer brièvement, on peut moduler l’intensité du signal qui passe dans le canal en faisant varier la tension de grille. En anglais on appelle la grille « gate » ou porte. Elle est représentée par la flèche sur le symbole du transistor. Pour que le montage fonctionne, la tension appliquée sur la grille doit être nulle ou plus petite que 0 (donc négative).

Si on applique une tension nulle sur la grille, le canal est ouvert. On a alors le maximum de signal qui peut passer. Si on augmente la tension de grille dans le négatif, on ferme de plus en plus le canal. Enfin si la tension de grille atteint ce qu’on appelle la tension de pincement, le canal est fermé. Le signal ne peut donc plus passer.

Par conséquent, pour faire fonctionner le JFET en interrupteur c’est très simple ! On fait passer le signal par le canal entre les électrodes de drain et de source. On va soit :

• mettre la grille au même potentiel que source et drain, en général 0 V. Le canal est alors passant on a donc un interrupteur fermé.
• appliquer une tension négative suffisamment grande sur la grille. On ferme alors le canal et on a l’équivalent d’un interrupteur ouvert.

Il faudrait donc appliquer une tension négative sur la grille d’une valeur typique de quelques volts (la tension de pincement du transistor) pour fermer le canal du transistor.

1.3 Tension d’alimentation positive

Cependant, la pédale est alimentée en 9 V, c’est une tension positive. On n’a donc pas facilement là comme ça la possibilité de fournir une tension négative à la grille du JFET…

On pourrait certes utiliser un circuit intégré (CI) pour inverser la tension.

Mais l’astuce utilisée par Boss est de rehausser la tension au niveau des électrodes de source et de drain. Et c’est une bonne idée 😄.

C’est le rôle de V_bias sur les schémas précédants. On donne à V_bias une valeur positive comprise entre 0 V et 9 V, disons 4,5 V, que l’on applique sur source et drain. Dès lors, si la tension de grille vaut aussi 4,5 V, les 3 électrodes du transistor sont à la même tension. Ceci entraîne que le canal est ouvert (donc l’interrupteur fermé : le signal passe).

Maintenant si la tension de grille est 0 V, celle-ci est 4,5 V négative comparée à la tension de source et de drain. En effet, imaginez que vous montiez au 5è étage d’un immeuble. Ceux qui sont au rez-de-chaussée sont à 5 étages en dessous de vous, soit à -5 étages. Tout est question de référentiel !

Par conséquent pour résumer, si on applique la même tension que V_bias (positive) sur la grille, le canal est passant. Si on applique 0V le canal est fermé. Ceci permet de ne travailler qu’avec des tensions positives !

1.4 Problème du ticking

Il ne reste plus qu’à comprendre comment on applique la tension à l’électrode de grille. On veut ouvrir et fermer brusquement le canal. Pour cela, on applique soit 4,5 V, soit 0 V à la grille, en passant brusquement d’une tension à l’autre. On pourrait faire ça, mais une variation de tension brusque fait apparaître un bruit parasite très fort. Ceci est dû à un fort pic de courant.

Voici un audio qui montre le tic-tic du circuit pour lequel j’ai enlevé le condensateur de 47 nF :

Gênant n’est-ce pas ??

Sur cet exemple, à 8 sec j’ajoute un buffer, bien utile car il augmente l’intensité du signal, mais il ne diminue pas le bruit.

Pour remédier au bruit, on ajoute donc une résistance et un condensateur qui ont pour but d’adoucir le changement brusque de tension et de minimiser ce bruit. À 22 sec j’ajoute dans le circuit le condensateur de 47 nF de la figure précédente et là c’est sans appel, le tic-tic disparaît !!!

On applique donc la tension de grille sur l’entrée notée V_switch. Cette entrée est suivie d’un filtre RC qui ralentit la montée ou descente de tension appliquée sur la grille et donc supprime le tic-tic.

La diode quant à elle permet de protéger le transistor si la tension V_switch est trop grande. Et c’est pas mal, car ça nous donne pas mal de liberté sur la conception du LFO (Low Frequency Oscillator), le circuit que l’on va concevoir pour faire varier la tension de porte.

2 Conception du LFO pour le tremolo JFET

2.1 Timer NE555

Dans les pédales Boss, en appuyant sur l’interrupteur au pied, on fait varier V_switch de 0 V à 9 V. Ce circuit met en jeu 2 transistors.

Mais ce n’est pas ce qu’on veut ici. On veut quelqu’un, un volontaire pour appuyer périodiquement sur l’interrupteur pour ouvrir et fermer le canal et obtenir ainsi notre tremolo-hacheur-chopper-stutter.

Mais vu que je n’ai trouvé personne pour faire ce boulot 😅, j’ai dû chercher un moyen d’obtenir un signal carré qui varie de 0 V à 9 V.

Et ça n’est pas si compliqué. Il y a plusieurs possibilités, c’est monnaie courante dans le monde des synthétiseurs. On peut par exemple utiliser un amplificateur opérationnel, une porte inverseuse, un CI de temporisation, etc…

C’est cette dernière solution que j’ai choisie ici, je vais utiliser un timer bien connu du nom de NE555.

2.2 Circuit du LFO basé sur un NE555

Et voici le schéma que j’ai utilisé pour obtenir mon signal carré à partir du NE555 :

Décrivont rapidement ce circuit. La broche numéro 3 est la sortie. L’alimentation se fait au niveau des broches 4 et 8. Lorsque la sortie en 3 est à un niveau haut (un peu moins que la tension d’alimentation), cette tension va charger le condensateur de 470 nF. Lorsque la tension au niveau du condensateur donc au niveau de la broche 2 est à 2/3 de la tension d’alimentation, la sortie passe à un niveau bas, soit 0 V. Ceci va provoquer la décharge du condensateur de 470 nF et une diminution de la tension aux bornes du condensateur. Lorsque la tension à ses bornes est de 1/3 de la tension d’alimentation, la sortie en 3 repasse à un niveau haut [4].

Nous avons donc ainsi en sortie une oscillation en forme carrée qui passe de 0 V à 9 V périodiquement (en fait c’est un peu moins que 9 V).

L’idée est donc simplement de connecter ce LFO à la grille du JFET.

3 Adaptation de l’alimentation

Ça y est on a le circuit qui va couper ou non le signal (la partie JFET), on a le LFO qui va faire varier la tension de grille. Il me reste à vous donner quelques mots sur la partie alimentation.

En effet, les transistors originaux dans les pédales Boss japonaises sont des 2SK30A ou 2SK117, introuvables maintenant. Selon ce post [5], R.G. Keen (encore lui !) recommande des 2N5485 ou des 2N5292.

Mais c’est pas de bol, j’en ai pas chez moi, j’ai des 2N5458. Est-ce que ça va aussi ? Et vous peut-être avez vous un autre modèle de JFET ? Si c’est le cas, le raisonnement qui suit vous sera utile.

3.1 Comparaison des tensions de pincement V_P ou V_GS(off)

Comparons le 2N5485 et le 2N5458. Ce sont tous les 2 des JFET à canal N, donc c’est déjà ça. Comme commenté au dessus, la tension de pincement V_P que l’on note V_GS(off) en anglais va avoir un effet déterminant sur le fonctionnement du circuit.

Notons que dans la suite je vais utiliser la notation anglaise car nous allons faire une incursion dans les datasheets des transistors.

La conductivité du canal lorsqu’il est complètement ouvert a aussi un effet car celui-ci se comporte comme une résistance, mais au pire on perdra un peu de signal. Par conséquent le paramètre déterminant dans notre application est V_GS(off), car si on n’applique pas suffisamment de tension sur la grille, on ne fermera pas le canal. Celui-ci sera donc toujours ouvert.

Regardons les valeurs de V_GS(off) pour le 2N5485 :

Si on regarde la colonne 2N5485, on voit que V_GS(off) est compris entre -0,5 et -4V (je rappelle que V_GS(off) est négatif pour un JFET à canal N). Vous noterez une certaine dispersion sur les valeurs due aux procédés de fabrication, c’est pour cela que le datasheet donne une valeur MIN et une valeur MAX pour chaque paramètre.

Regardons maintenant le datasheet du 2N5458, on espère trouver des valeurs de V_GS(off) semblables :

Et là c’est le drame… V_GS(off) est assez différent, elle est comprise entre -1 et -7 V. En quoi est-ce un problème : on ne pourra pas fermer le canal et donc hacher le son.

Spoiler : il y a une solution !

3.2 Obtention de V_bias

Dans les pédales Boss, on obtient V_bias en divisant la tension d’alimentation par 2, juste à l’aide d’un pont diviseur de tension. C’est un circuit très simple, on met deux résistances de même valeur par exemple de 33 kohms entre le 9 V et la masse. Les 2 résistances provoquent une chute de tension. Puisque les résistances ont la même valeur, entre les 2 résistances on a une chute de tension de moitié, soit 4,5 V.

Cette tension de 4,5 V est appliquée sur les électrodes de source et de drain au travers d’une résistance de 1Mohms. Vu que très peu de courant passe par là, on a donc à peu près 4,5 V également (un petit peu moins) sur les électrodes de source et de drain.

Pour pouvoir fermer le transistor, il faut que la différence de tension entre source/drain et grille soit plus grande que V_GS(off).

Dans le cas du transistor 2N5485, on a vu que V_GS(off)=4 V au maximum. Lorsque la tension de grille vaudra 0 V, on aura une tension entre source et grille qui vaut 4,5 V, supérieure à V_GS(off). Par conséquent on est sûr que le canal se fermera lorsque la grille est à 0 V.

Par contre pour le 2N5458, si le transistor que vous avez entre les mains a un V_GS(off) de 7 V, le canal ne se fermera jamais. On n’obtiendra pas une coupure du son.

3.3 Adaptation de V_bias

Mais ceci a une solution facile, il suffit d’augmenter V_bias ! Regardez :

Sur ce schéma, au lieu d’avoir 2 résistances de même valeur, j’ai mis une valeur plus petite en haut. Comme pour une balance qui pencherait plus du côté qui a plus de poids, la différence de potentiel est plus grande sur la résistance de 330 kohms. Elle est donc plus petite sur la résistance de 100 kohms. On peut calculer avec la formule du pont diviseur de tension que V_bias vaut maintenant à peu près 7 V.

Et donc si vous avez bien suivi ce qui précède, lorsque la tension sur la grille sera de 0 V, la différence de tension sera de 7 V ce qui sera suffisant maintenant pour fermer le canal dans le cas où la tension de pincement V_GS(off) de votre JFET soit de 7 V.

4 Assemblons le circuit du tremolo JFET

Nous avons parlé du switch à base de JFET, du LFO et de l’alimentation. Il ne reste plus qu’à tout assembler.

Voici à quoi ressemble le schéma électrique final :

On reconnaît en rouge la partie alimentation, en vert la partie LFO et en bleu la partie switch à base de JFET.

L’alimentation se sépare en 2 partie. D’un côté on alimente le NE555 sous 9 V. De l’autre côté on soumet une tension de 7 V aux électrodes de source et de drain du JFET.

Une petite parenthèse, à quoi servent les condensateurs de 100 nF dont nous avons parlé plus haut entre les entrées/sorties du signal et le transistor ?

Si on ne met pas ces condensateurs, les 7 V de la source et du drain pourraient affecter le fonctionnement des pédales d’effet qui viennent avant et après notre tremolo. Il faut donc annuler ces 7 V au niveau de l’entrée et de la sortie et c’est la fonction des 2 condensateurs car ils bloquent toute tension continue (voir condensateurs de liaison). Grâce à ces condensateurs on a donc 0 V de part et d’autre du circuit. Voilà.

Revenons au circuit du tremolo JFET. En vert on voit le LFO. La tension carrée générée par le LFO est connectée à la grille du JFET par l’intermédiaire du circuit RC (R=1 Mohms et C=47 nF) et de la diode. Rappelons que le rôle du circuit RC est d’adoucir le signal carré pour éviter au circuit d’émettre un tic-tic en sortie. Et la diode permet de protéger le JFET et d’empêcher la grille d’avoir une tension plus grande que la tension de drain si la tension fournie par le LFO est trop importante.

Revoyons le schéma électrique sans les lignes pointillés pour plus de clarté :

5 Quelques mots sur le tic-tic ou ticking

Lorsqu’on ouvre et ferme un interrupteur sur le chemin audio, il est inévitable d’avoir un bruit parasite [5].

Nous avons vu plus haut le rôle du condensateur de 47 nF pour supprimer ce tic-tic.

Il y a toutefois d’autre facteurs sur lesquels il faut veiller pour minimiser le tic-tic ou ticking :

• On prendra soin de séparer les connections de masse du LFO des connections de masse du circuit audio. On reliera ces deux points de masse en un seul point situé très près du condensateur de découplage de 100 uF au niveau de l’alimentation (masse en étoile).
• De même avec les alimentations du NE555 et du JFET
• On doit adoucir le signal carré (déjà commenté plus haut)
• Très important : éloigner au maximum la résistance de 1 Mohms (celle qui connecte le LFO à la diode du switch) de la diode. Cette résistance agit comme une antenne et entraîne un gros tic-tic.

6 Un peu de son du TREMOLO JFET

7 Variations du circuit

On peut si on le souhaite adoucir le hachage en rajoutant un filtre RC au 1er. Dans l’exemple suivant j’ai rajouté une résistance de 10 kohms en série et un condensateur de 220 nF à la masse. À 39 secondes, j’enlève le condensateur de 220 nF pour comparer avec le signal carré d’origine :

On peut également jouer sur le « duty cycle » ou rapport cyclique. C’est-à dire rendre le moment où il y a du son très bref comparé à la fréquence du signal. J’ai utilisé le circuit suivant pour le LFO :

Et voici un exemple d’application :

Finalement, on pourra rajouter un buffer en entrée pour améliorer la qualité du signal de la guitare, voir par exemple l’article sur le Duende JFET.

Conclusion

En conclusion, on a vu comment utiliser un JFET pour faire un interrupteur, et comment contrôler celui-ci électriquement et périodiquement avec un LFO. Et ce qui est cool, c’est qu’on peut lui envoyer un peu la forme qu’on veut, suivant ce qu’on aime bien.

Cet article a bien sûr un but pédagogique (en plus d’un but artistique) et il reste encore beaucoup à explorer sur la partie LFO. Par exemple on pourra se pencher d’avantage sur le duty cycle, sur l’adoucissement du carré avec un filtre. On peut aussi imaginer sommer deux signaux carrés !

N’hésitez pas à partager cet article s’il vous a plu, ou à le comenter !!

Références
[1] http://geofex.com/Article_Folders/bosstech.pdf
[2] https://www.hobby-hour.com/electronics/s/od1-overdrive.php
[3] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/Signetics_NE555N.JPG
[4] https://www.electronics-tutorials.ws/waveforms/555-circuits-part-1.html
[5] https://www.diystompboxes.com/smfforum/index.php?topic=99592.0
[6] https://www.mouser.com/datasheet/2/68/2n5484-5486-51207.pdf
[7] https://pdf1.alldatasheet.es/datasheet-pdf/view/50040/FAIRCHILD/2N5458.html