Sintetizzatore analogico e drum machine

Quando l'elettronica digitale era appannaggio dei soli laboratori di ricerca l'unico modo per costruire circuiti elettronici era con la tecnologia analogica. C'è stato un momento in cui, addirittura, si è pensato di costruire computer analogici che, tra l'altro, sono molto vicini ai sintetizzatori (il modulo Maths di Make Noise è un tipico esempio).

Il primo modo che è venuto in mente per generare suoni diversi da una stessa macchina è stato quello della sintesi sottrattiva. Se si prende un segnale con molte armoniche lo si può successivamente manipolare togliendone alcune (con uno o più filtri). Se si riesce poi a controllare anche come il segnale filtrato evolve nel tempo (sia in termini di contenuto armonico che di inviluppo) ecco che abbiamo fatto il primo sintetizzatore.

Come ormai sapete benissimo, i segnali con molte armoniche sono quelli non sinusoidali (la sinusoide ha una sola armonica, ricordate?). Come regola del pollice più i fronti di salita e discesa sono ripidi più è alto il contenuto armonico del segnale. L'onda quadra avrà quindi un grande contenuto di armoniche.

Questo può essere ancora aumentato se si rende il segnale non simmetrico come nella figura che segue (presa, come la precedente, da https://www.electronics-tutorials.ws/waveforms/waveforms.html)

Anche l'onda triangolare e quella a dente di sega, però, si difendono bene, come si può vedere dalle figure che seguono.

I componenti chiave per realizzare circuiti in grado di generare queste forme d'onda sono il transistor e il condensatore.

Il transistor può svolgere due ruoli. Quello di amplificatore e quello di interruttore. Il simbolo del transistor è quello della figura che segue:

Vediamo cosa si può fare se lo consideriamo come amplificatore:

Oscillatore sinusoidale

Vi ricordate dell'effetto Larsen per cui se si mette un microfono davanti a una delle casse che lo amplificano si genera un fischio? Beh, questo è proprio il principio che si usa per generare un segnale sinusoidale. Il principio è quello di prendere un l'uscita di un amplificatore e riportarla all'ingresso (come accennato nelle puntate precedenti questa cosa si chiama “feedback”). Questa va sfasata di 180° perché l'amplificatore (per ragioni che non approfondiamo) sfasa di altri 180°. Così facendo il segnale di ingresso si somma a quello di uscita che torna all'ingresso e... così via fino a generare un segnale stabile. Se scegliamo in modo opportuno componenti e valori del circuito che riporta in ingresso il segnale di uscita, possiamo fare in modo che l'oscillazione sia stabile a una frequenza ben determinata.

Lo schema di base è il seguente:

L'amplificatore è quello a destra (dove c'è il transistor). I condensatori C1, C2 e C3, insieme alle resistenze R1, R2 e R3 costituiscono la rete di feedback (le resistenze sono i componenti disegnati a “zig-zag”).

Questo circuito (quelli reali sono più complessi) si usa, ad esempio nei Low Frequency Oscillator (LFO) o come segnale di base per generare il Kick.

Il condensatore e la carica elettrica

Facciamo una digressione sul condensatore che sarà utile nel seguito. Questo è rappresentato con i simboli di figura:

Quello con il segno “+” è un cosidetto condensatore elettrolitico che è caratterizzato da alta capacità (microFarad invece che nanoFarad o picoFarad) che deve essere collegato con il polo positivo ad una tensione positiva (e indicato dal simbolo “+”) pena la sua rottura.

Se si applica una tensione costante ai capi di un condensatore le cariche elettriche cominciano a circolare ma poi si fermano per effetto del dielettrico (che è un isolante e non lascia passare le cariche elettriche). A un certo punto si raggiunge un equilibrio e sul condensatore si trova una tensione che dipende dalla sua capacità e dalla carica elettrica accumulata. Il condensatore si dice carico.

Il tempo impiegato a caricarsi dipende dalla resistenza del circuito e dalla capacità del condensatore. L'andamento della curva di carica è logaritmico ma, se se ne prende una porzione, lo si può considerare quasi lineare.

Se si toglie la tensione di alimentazione il condensatore si scarica sulla resistenza del circuito. Anche in questo caso l'andamento (che è esponenziale) per tratti brevi, può essere considerato lineare. Anche il tempo di scarica dipende da resistenza e capacità del circuito. Si usa definire una costante di tempo (indicata col la lettera greca τ - tau) che è proprio il prodotto tra resistenza e capacità (τ =R*C).

Generatori di onde quadre

Questa caratteristica dei condensatori viene utilizzata nei generatori di onde quadre per attivare o disattivare i transistor che, in questo caso, funzionano da interruttori (e non da amplificatori). Il circuito è quello di figura:

In questo i due condensatori si caricano e scaricano a turno aprendo e chiudendo i circuiti di uscita  (quelli tra gli elettrodi C – collettore – ed E – Emettitore – dei transistor). Regolando opportunamente i valori delle resistenze e le capacità dei condensatori si ottiene un'onda quadra simmetrica oppure asimmetrica.

Anche in questo caso questo è il circuito di principio. La realtà è più complessa.

Altri generatori

Se all'uscita di un generatore di onde quadre metto una rete RC con il condensatore che si carica e scarica in modo opportuno posso ottenere una tensione che va da zero a un valore massimo in modo quasi lineare e, nel semi-periodo successivo, farla scendere a zero sempre in modo quasi lineare. Ho ottenuto un generatore di segnali triangolari.

Se invece faccio caricare il condensatore e poi lo faccio scaricare velocemente (con un tempo che tende a zero) ottengo un segnale a dente di sega.

Per generare il rumore bianco (utilissimo, ad esempio, nella sintesi di percussioni) si amplifica il rumore termico (dovuto alle oscillazioni energetiche del reticolo cristallino del silicio) che si può misurare i capi di una giunzione (serve quindi un diodo o un transistor).

Generatore di inviluppo

Se prendo un condensatore e modifico la sua carica in quattro fasi:

1. Fase 1: carica con un tempo dato fino a un valore massimo
2. Fase 2: scarica con un tempo dato fino a un certo valore
3. Fase 3: mantenimento del valore raggiunto per un tempo determinato
4. Fase 4: scarica completa del condensatore

Ottengo un tipico generatore di inviluppo ADSR con le fasi che corrispondono a:

• Fase 1: Attack - A (tempo impiegato ad arrivare al valore massimo)
• Fase 2: Decay - D (tempo di decadimento fino al livello di Sustain)
• Fase 3: Sustain - S (livello del segnale fino a quando si tiene premuto il tasto)
• Fase 4: Release - R (tempo impiegato a d arrivare al silenzio)

Si noti come A, D ed R sono tempi mentre S è un livello.

Utilizzando la tecnologia dei circuiti integrati è possibile inserire molti dei sistemi di cui abbiamo parlato in un solo chip come, ad esempio con lo 8030 che è in grado di generare onda quadra, sinusoidale e triangolare con pochi componenti aggiuntivi:

Nella figura il componente indicato con la sigla 1N914 è un diodo a semiconduttore. Anche in questo caso la figura proviene da  https://www.electronics-tutorials.ws/waveforms/waveforms.html.

Drum machine

I suoni percussivi vengono generati con sinusoidi smorzate (a cui si fa, a volte, variare il pitch, ovvero la frequenza). Un circuito molto famoso per ottenere questo risultato è quello della Roland TR-808:

Che fa uso di un amplificatore operazionale e una rete RC a T con la R2 che è collegata a “ponte” da cui il nome del circuito.

Per il suono del rullante si usano due componenti:

Cordiera: c'è ancora il Bridged T network al cui ingresso viene mandato un rumore bianco. All'uscita di questa si inserisce un circuito denominato da Roland Swing Type VCA:

Tamburo: il circuito è del tutto analogo a quello di cassa e tom (Bridged T).

Per suoni più complessi (piatti e clap, ad esempio) si usano combinazioni dei circuiti appena indicati.

Modulazioni

Altro modo di aumentare il contenuto armonico è quello di modulare un determinato segnale. La modulazione può essere di ampiezza, frequenza e fase (quest'ultima meno utilizzata). La modulazione di ampiezza si ottiene con un Voltage Controlled Amplifier (VCA). Per modulare la frequenza si deve ricorrere a circuiti più complessi.

Un'altra tecnica di modulazione molto utilizzata è la modulazione ad anello (Ring modulation) realizzata, almeno in principio, con il circuito di figura:

Questo (come gli altri tipi di modulazione) è tratto dalle tecnologie per trasmissioni radio e serve a rendere più efficienti alcune tipologie di trasmissione per la radio AM. Nella musica, con la modulazione ad anello, sono possibili svariati tipi di suoni molto metallici (e, a volte, poco musicali).

I filtri

I circuiti utilizzati per filtrare le armoniche generate dagli oscillatori sono di vari tipi.

Il filtro passa-basso più famoso è quello progettato da Bob Moog che fu pioniere della sintesi analogica e padre della filosofia di sintesi definita “east-coast” (perché Moog ha iniziato a lavorare sul tema da Trumansberg, New York). Questa si poneva l'obiettivo di replicare i suoni naturali (cosa che poi è evoluta nel tempo) con circuiti elettronici. Il circuito Lop Pass Filter (LPF) di Moog è il famigerato Ladder Filter.

Dall'altro lato degli Stati Uniti (berkeley, California) Don Buchla seguiva una strada diversa immaginando la sintesi come cosa a sé che non dovesse, per forza, fare riferimento a fenomeni naturali. Questo atteggiamento si riflette nella tipologia di circuiti e, per quanto riguarda il filtro porta al Low Pass Gate (LPG) che è pertanto molto legato alla sintesi“west-coast”.

Trovate su questo link un articolo molto interessante sulle diverse filosofie.

Ladder Filter

Come anticipato, è un filtro passa basso con una pendenza di 24dB/oct. Ha una topologia molto particolare e fa parte della storia della musica. Si chiama così perché il comportamento selettivo in frequenza è ottenuto grazie ad una rete di transistor messi “a scala” (immagine tratta da: http://yusynth.net/Modular/EN/MOOGVCF/index.html):

Low Pass Gate

Con una veloce traversata coast-to coast passiamo allo LPG che è un filtro che si comporta come un VCA. Sostanzialmente il filtro è tutto chiuso fino a quando non c'è segnale sul punto di controllo. Appena si applica segnale il filtro si apre ma si ottiene contemporaneamente una modulazione di ampiezza (che dipende dal segnale di controllo) e una variazione della frequenza di taglio del filtro. Il risultato è particolare e... va ascoltato.

IL circuito dello LPG fa uso di un Vactrol. Il Vactrol è un accoppiatore ottico costituito da un LED (sorgente di luce) e una resistenza sensibile alla luce (la resistenza varia in base all'intensità dell'illuminazione). Il segnale di controllo fa variare la resistenza (in modo non lineare, e questo rende più interessante il gioco) e, se questa è inserita in un punto in cui riesce a far variare sia l'ampiezza del segnale che la frequenza di controllo del filtro si ottiene il Low Pass Gate. Lo schema di principio è nella figura che segue (tratta da: https://www.elby-designs.com/webtek/cgs/lpg/lpg.htm):

In principio (ma la moda è tornata grazie a Doepfer e i suoi Eurorack che hanno creato una vera e propria tendenza) tutti questi circuiti erano organizzati in moduli collegati con cavi telefonici (e non). Successivamente si è passati alla realizzazione di macchine pre-cablate e più pratiche da trasportare. Una storia, quella della sintesi, che è partita dagli anni '60 e sta trovando adesso nuovi appassionati.

Chiudiamo qui un discorso che potrebbe durare anni. La prossima volta vediamo cosa è successo quando è arrivata la tecnologia digitale.