Dans ce nouvel article, on va parler du fonctionnement d'un effet de modulation très apprécié des guitaristes fans d'atmosphère planante, j'ai nommé le chorus ! Il s'agit d'un effet de modulation basé sur une technologie similaire au délai analogique, mais qui présente quelques particularités. On va donc s'intéresser aux origines de l'effet de chorus et à son principe de fonctionnement. Puis on va étudier le circuit de la Boss CE-2, pédale de chorus analogique très célèbre.

qu'est ce que le chorus ?

Étymologiquement, chorus vient de l'anglais du même nom qui signifie "choeur". L'effet est conçu pour reproduire l'idée que plusieurs instruments jouent la même partition en léger décalage, avec de légères variations de hauteur. Cela donne l'impression d'un son massif provenant d'une chorale, d'où son nom ! Basé sur la modulation, mais également sur le retard, on peut schématiser l'effet de la manière suivante :

En bleu, le signal original de la guitare, sans effet. Ce signal est dupliqué, retardé et sa hauteur légèrement modifiée (en rouge). Les deux signaux mélangés forment l'effet de chorus.

origines de l'effet, fonctionnement du générateur de chorus mécanique de hammond

Le premier chorus apparaît dans les années 50 sur les orgues Hammond. Il s'agit alors d'un système mécanique intégré à la suite de critiques sur le son trop sec et manquant de réalisme que les orgues produisaient.

Schéma simplifié du générateur de chorus mécanique sur l'orgue Hammond. Source : theaterorgans.com.

Ici, un barreau magnétique sur lequel est enroulée une bobine de fil est approché près d'une roue "phonique" en acier lobée, qui tourne à une certaine vitesse, tout près du bord tranchant du barreau. La perturbation périodique du champ magnétique créée par le mouvement de la roue devant le barreau induit une tension dans la bobine.

En jouant sur la vitesse de rotation de la roue, on peut générer une tension de courant alternatif d'une certaine fréquence. La roue contient un certain nombre de lobes. Suivant le nombre de tours que fait la roue, on peut par exemple faire passer 440 lobes par seconde, ce qui donne un son d'une fréquence 440Hz.

En réalité, l'orgue est composé d'un empilement de plusieurs roues similaires, mais avec un lobe en plus ou en moins, produisant plusieurs notes très proches avec des hauteurs très légèrement différentes. D'où l'effet de chorus. Je vous laisse imaginer le poids et l'encombrement de la machine !

Empilement de roues phoniques avec système d'entrainement. Source : theaterorgans.com.

On obtient alors un générateur parfait de sons sinusoïdaux. Mélangé au signal direct de l'instrument, il produit un chorus d'une beauté rare. Plus d'informations sur l'orgue à roue phonique de Hammond.

l'effet de chorus analogique, et étude du fonctionnement de la boss ce-2

Dans les années 70, face au succès de l'ampli Roland JC-120, le Jazz Chorus, la marque commercialise le tout premier effet au format pédale, la Boss CE-1. Elle inclut alors le même circuit électronique que le JC-120.

La boss CE-1, la plus vintage des pédales de chorus.

Ici le retard est créé par une puce BBD. Cette petite puce, dont on a déjà parlé ici, a été la première solution permettant de proposer des délais au format pédale. On l'utilise d'ailleurs toujours, dans les chorus analogiques aujourd'hui. Elle procure un son très chaud et vintage, et on peut facilement la faire saturer en jouant sur son gain d'entrée.

Topologie classique d'une puce BBD.

Retenons simplement qu'un BBD renferme une ligne de condensateurs et de transistors, pilotés par une clock externe. Deux signaux d'horloge fonctionnent en alternance et commandent l'ouverture et la fermeture des transistors. Le signal est alors progressivement transmis de condensateur en condensateur, et met donc un certain temps pour arriver du début à la fin, ce qui créé le retard. Avec la puce que l'on a utilisé, on peut générer du retard jusqu'à 50ms, ce qui est largement suffisant pour le chorus, mais on peut les mettre en série pour créer des délais bien plus longs.

On va maintenant s'intéresser au fonctionnement du reste de l'effet, en étudiant le schéma de la Boss CE-2, célèbre pédale de chorus analogique, pour comprendre comment moduler la hauteur du signal retardé.

architecture globale du circuit

Comme on l'a vu plus haut, le signal est d'abord séparé en deux. Une partie, le DRY, va directement vers la sortie et l'autre, le WET va dans un premier bloc de filtrage. Ce signal filtré passe ensuite dans le BBD et est retardé. Remarquez que le BBD est piloté par une clock externe, elle même pilotée par une LFO, pour produire une variation de pitch. Puis le signal retardé passe par un nouvel étage de filtrage avant d'être mixé avec le DRY, c'est ce signal que l'on entend en sortie de la pédale.

Mais qu'est-ce que la LFO ?

l'oscillateur basse fréquence

La LFO, ou Oscillateur Basse Fréquence, est le choeur de l'effet de chorus. Comme son nom l'indique, c'est un générateur d'onde basse fréquence dont on peut choisir la forme. Pour un chorus, on va du mHz à quelques Hz seulement, c'est suffisant pour notre utilisation. Le chorus est ainsi créé par la lente modulation du temps de retard. Et cette modulation provient de la LFO !

En effet, au fur et à mesure des cycles de la LFO, le temps de retard produit dans le BBD augmente et diminue en permanence et par conséquent, la hauteur du signal audio retardé se déplace légèrement vers le haut et vers le bas.

Schéma électronique de la LFO, c'est celui de la Boss CE-2.

Le circuit de la LFO implémente un AOP double en cascade. Le premier op-amp est un détecteur de seuil en configuration Trigger-Schmitt à rétroaction positive. Cette première partie de circuit génère un signal carré, dont la fréquence varie avec le potard RATE. On peut customiser la LFO pour obtenir une vitesse maximale beaucoup plus rapide en diminuant la résistance R45, avis aux amateurs de vibrato...

Le second op-amp est un montage intégrateur, qui donne en sortie .... un signal triangle ! Cette fois-ci le potard DEPTH permet de régler l'amplitude du signal, en d'autres termes la profondeur de l'effet.

On a étudié le fonctionnement de plusieurs circuits de pédale de chorus (dont la Boss CE-2), et la grande majorité des LFOs générés par l'effet sont des signaux triangulaires. Les changements de hauteurs sont donc plus rapides et soudains qu'avec une LFO générant un signal sinusoïdal, qui est plus compliqué à faire en analogique...

quelques mesures à l'oscilloscope

Les mesures ci-dessous correspondent aux deux sorties de la LFO. La courbe bleue correspond au signal carré pris en sortie du potentiomètre RATE, tandis que la courbe violette correspond au signal triangulaire en sortie du potentiomètre DEPTH.

  • a gauche une première mesure avec les 2 potards tournés à fond, la fréquence d'oscillation est 3,5hz.
  • au milieu, on baisse le depth, l'amplitude du signal varie, et la fréquence reste identique.
  • a droite on baisse le rate et la fréquence diminue, jusque 300 mhz environ, l'amplitude reste maximale.

En résumé, on a un signal triangulaire qui pilote la clock, ce qui a pour effet de moduler les deux signaux d'horloge qui rentrent dans le BBD. Ainsi, le retard créé par le BBD est toujours variable. Observez ci-dessous l'effet de la modulation de la clock par la LFO :

on fait varier ici le potard rate de l'oscillateur basse fréquence, le signal de la clock est modulé !

Donc on l'a dit, cette modulation du signal d'horloge, entraîne la variation du temps de retard dans le BBD, et donc une variation de hauteur du signal ! Mais on peut tout à fait retrouver cette modulation sur un délai analogique. Prenez votre pédale de délai analogique préférée et faites varier lentement le temps de retard pendant que vous jouez - pas évident j'en conviens - mais vous entendrez une modulation semblable à celle d'un chorus ! Et pour ceux que ça intéresse, on a justement une pédale de délai qui ajoute de la modulation sur le signal retardé ! Ça se passe par ici :

On va maintenant parler du fonctionnement des autres blocs de traitement analogique nécessaires à un effet de chorus.

le buffer d'entrée

La première étape de filtrage consiste à bufferiser le signal d'entrée afin de préserver sa qualité audio. On en a déjà parlé dans l'article sur la Ego Driver, mais il est toujours bon de rappeler son utilité.

Ce circuit préserve le contenu harmonique du signal d'entrée, son spectre est donc plat dans la bande passante :

le filtrage d'entrée

Une fois le signal adapté à la bonne impédance, on rentre dans les blocs de filtrage suivants :

Le premier filtre (juste avant C5) est un filtre qui booste les aigus. On utilise pour cela une topologie de filtre Shelving :

Le postulat est le suivant : En appliquant un boost des aigus ainsi qu'une atténuation identique au signal DRY en sortie, on retrouve le même signal qu'en entrée, ce qui n'a pas grand intérêt vous en conviendrez. En revanche, en appliquant cette même atténuation au signal WET en sortie du BBD, on supprime tout le potentiel bruit présent dans les hautes fréquences acquis dans le BBD ! On retrouve donc un filtre complémentaire d'atténuation des aigus dans l'étage de sortie du circuit.

Ici l'amplitude des fréquences élevées est augmentée (à partir de 1khz).

Le filtre suivant (après C5) est ce que l'on appelle un filtre anti-aliasing. Il s'agit d'un filtre passe bas actif utilisant une structure de Sallen-Key, qui est dimensionné pour couper les harmoniques du signal qui ne respectent pas le théorème de Shannon. Si ce théorème vous parle, vous saurez qu'on l'utilise normalement lorsque le signal est échantillonné par un convertisseur analogique numérique. Mais alors, quel intérêt dans notre cas ? Et bien il se trouve que le BBD n'est en réalité pas tout à fait analogique. La puce BBD échantillonne en effet le signal en stockant des charges (des valeurs discrètes donc) dans ses condensateurs. Pour éviter que des harmoniques du signal ne viennent perturber le BBD et créer du repliement spectral, on les supprime avec ce filtre passe bas.

Le filtre passe bas coupe vers les 5khz.

le bbd : analogique ou numérique ?

Attention, si le BBD n'est pas tout à fait analogique, il n'est pas à 100% numérique non plus, mais plutôt analog-voiced. Car un signal numérique est aussi quantifié. C’est-à-dire que chaque échantillon ne peut pas prendre la valeur qu’il veut. Il ne peut être arrondi qu’à certains paliers, qui sont généralement associés à des nombres qui pourront être ensuite traités par un processeur. Dans le BBD ce n’est pas le cas, nos échantillons peuvent avoir n‘importe quelle valeur, ils ne sont pas quantifiés. Donc le BBD est analog-voiced.

le filtrage de sortie

Ça y est, notre signal est retardé et modulé par la LFO ! Il reste donc un dernier bloc de filtrage à voir. Comme on l'a expliqué plus haut, le BBD n'est pas à 100% analogique car il créé des échantillons de notre signal. On a donc en sortie du BBD un signal échantillonné, ressemblant à un escalier, qu'il faut repasser en analogique. On utilise alors à nouveau un filtre passe pas (similaire au filtre anti-aliasing) pour reconstruire un signal analogique "lisse" à partir du signal échantillonné. En jouant sur les capas de ce filtre mais également sur le filtre passe haut formé par R20 et C12, on peut modifier la tone du circuit, et donc proposer plusieurs couleurs d'effet : on peut ainsi passer d'un chorus clair à un chorus plus sale, plus sombre.

Enfin le dernier filtre est le filtre d'atténuation des aigus. Complémentaire au filtre de boost vu plus haut, il ramène le signal à sa réponse fréquentielle originale en atténuant l'amplitude des hautes fréquences. Tout en mixant le DRY et le WET. Et voilà pour le schéma de la CE-2. Pas si compliqué non ?

conclusion

On a fini avec cette présentation rapide du chorus analogique. On n'en a pas parlé, mais on trouve également sur le marché des chorus numériques avec DSP. Ces derniers proposent une restitution plus fidèle des aigües, avec contrôle d'égalisation sur certaines pédales. Mais bon, l'analogique c'est tout de même beaucoup plus charmant... J'ai l'impression qu'un kit FX Teacher de chorus vous tenterait bien, je me trompe ?

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