Dans cet article, on va parler du headroom, un argument souvent mis en avant par les constructeurs de pédales d’effets. On va s’intéresser à l’influence du headroom sur le circuit même, pour comprendre de quelle façon changer la tension d’alimentation peut modifier le caractère d’un effet.
quelques rappels d’électronique audio
Avant de se lancer dans la théorie pour expliquer ce qu’est le headroom et comment il va agir sur le circuit, on va faire un rappel sur les bases des signaux et de l’électronique audio.
qu’est ce qu’un signal audio ?
Le signal audio est un signal alternatif, c’est à dire qu’il va évoluer dans le temps de façon répétitive. On peut le caractériser par plusieurs valeurs : son amplitude en Volts, et sa fréquence en Hertz, c’est à dire le nombre de fois que le signal va osciller ou se répéter, par seconde. Le signal alternatif le plus classique est la sinusoïde, que l’on utilise souvent pour représenter un signal audio.
La sinusoïde est un peu la brique élémentaire du signal audio. En effet, n’importe quel signal alternatif peut être décomposé en une somme de sinus de différentes amplitudes et fréquences. C’est pour ça qu’on l’utilise si souvent pour simplifier la représentation d’un signal audio.
signal de basse à 55hz et sa transformée de fourier. source wikipedia.
Le signal de gauche provient d’une basse jouant une note à 55Hz. On voit que le motif entre 0 et 0,018s se répète au cours du temps, c’est la période du signal. Le signal ne ressemble pas du tout à une sinusoïde, mais il peut pourtant être décomposé en une somme de différents sinus. Pour visualiser la décomposition d’un signal alternatif, on fait ce qu’on appelle sa transformée de Fourier.
Le graphique de droite représente la transformée de Fourier du signal de basse. Ce graphique montre la somme de tous les sinus qui composent le signal de gauche. Chaque pic indique un sinus, avec sa propre fréquence et sa propre amplitude. On peut voir par exemple que le signal est composé d’un premier sinus à 55Hz, c’est la fondamentale. Puis d’un autre sinus à 110Hz et d’amplitude un peu plus faible, puis un autre à 165Hz plus fort, puis à 220Hz, etc… Ce sont les harmoniques du signal. Ces harmoniques font la signature du signal, c’est elles qui font le timbre d’un instrument, mais qui sont aussi à l’origine de la saturation dans un signal.
l’amplification avec les composants actifs
Pour réaliser une pédale de boost ou de saturation, on va chercher à amplifier le signal. On utilise pour cela ce qu’on appelle des composants actifs. Les composants actifs permettent d’amplifier les signaux en augmentant leur amplitude, mais ils ont besoin pour ça d’être alimentés. On peut retenir deux types de composants actifs utilisés pour faire de l’amplification : le transistor et l’amplificateur opérationnel (AOP).
un montage à transistor et à aop qui permettent d’amplifier le signal.
les limites des composants actifs et la saturation
Une chose à savoir sur les composants actifs est qu’ils ne peuvent pas amplifier un signal au delà de leur tension d’alimentation. Si un circuit est alimenté en 9V, et qu’il amplifie un sinus de 1V d’amplitude d’un facteur 10, le signal en sortie ne pourra pas avoir 10V d’amplitude. La sortie ressemblera plutôt à un sinus dont les bouts ont été coupés. Le signal en sortie ne peut pas aller au delà de la tension d’alimentation du montage.
En rouge, un sinus qui sature en sortie d’un AOP TL072.
C’est ce que l’on appelle le clipping, qui est à l’origine de la saturation d’un signal. Vu que le signal en sortie est toujours un signal alternatif, mais qu’il ne ressemble plus à un sinus pur, on peut en déduire que le montage a rajouté des harmoniques au signal d’origine, et donc de la saturation. C’est le principe de base de n’importe quelle pédale de saturation !
Le choix des composants va directement agir sur la façon dont le circuit va saturer, de façon plus ou moins brutale, et générer des harmoniques différentes. Ces harmoniques vont faire le son caractéristique des différentes pédales de saturation.
le headroom dans les circuits à transistor
On a vu que le signal sature dès que son amplitude s’approche de la tension d’alimentation. Suivant comment un circuit est conçu, cette saturation peut arriver assez vite, au moment d’attaquer les cordes de sa guitare. La limite à partir de laquelle le signal va commencer à saturer dépend donc de la tension d’alimentation. C’est ce qu’on appelle le headroom.
En augmentant la tension d’alimentation d’un circuit, on peut donc reculer ce seuil de saturation. On fait ainsi saturer le circuit uniquement sur les attaques les plus fortes, gagnant ainsi en dynamique. Sur les montages à transistor, la saturation vient directement du transistor qui est en limite d’amplification. L’alimentation va donc avoir une grande influence sur la dynamique du circuit.
C’est ce que l’on propose dans notre Tape Preamp, un boost à transistor JFET, avec un circuit d’alimentation spécial qui permet de faire varier la tension de 3 à 27V. On peut ainsi contrôler directement la dynamique de la pédale grâce à un potard, pour une grande polyvalence.
Autant les transistors sont connus pour offrir une saturation naturelle et chaleureuse, mais ce n’est pas le cas des AOP, qui saturent d’une façon assez brutale et peu musicale. C’est pourquoi on trouve souvent sur les AOP un montage avec des diodes de clipping, ayant pour but de limiter le signal et de le faire saturer bien avant d’atteindre les limites de l’alimentation.
Une diode est un composant avec une tension de seuil, c’est à dire que la tension à ses bornes ne peut pas dépasser une valeur donnée. La tension de seuil varie suivant le type de diode. Pour donner un ordre d’idée, la tension de seuil est d’environ 0,3V pour une diode germanium, entre 0,5 et 1V pour les diodes silicium, et jusqu’à 2 ou 3V pour les LEDs.
Des diodes germanium et silicium.
On met généralement 2 diodes dans des sens opposés, qui vont chacune couper les extrémités négative et positive du signal. Et bien sur, on peut mettre plusieurs diodes en série pour additionner leurs tensions de seuil et repousser le seuil de clipping. Mais aussi ne pas mettre le même nombre de diodes dans un sens et dans l’autre, pour faire un clipping asymétrique.
Les deux montages les plus courants sont les circuits de soft et hard clipping. Le premier produit une saturation plus douce, tandis que l’autre va produire un clipping plus net avec plus d’harmoniques.
un ampli à aop avec des diodes configurées en soft clipping et hard clipping.
Lorsque l’on place des diodes de clipping, le signal ne peut donc pas atteindre la tension d’alimentation. On peut alors se demander l’intérêt d’augmenter la tension d’alimentation d’un AOP.
Mais les AOP ont une autre limite, qui s’appelle le slew rate, ou vitesse de balayage. Pour faire simple, la sortie d’un AOP ne peut pas reproduire des variations de signal trop brèves. Lors d’un changement rapide en entrée, par exemple avec un signal carré, la sortie va avoir tendance à réagir avec une pente qui va progressivement atteindre la bonne valeur au bout d’un certain temps. Plus le signal a une grande amplitude et présente des changements brefs, plus l’effet du slew rate sera marqué.
en bleu le signal d’entrée, en rouge la sortie d’un aop. source texas instruments.
Bien sûr, ce temps est extrêmement court, et n’est pas perceptible sur des signaux basses fréquences. Mais comme on l’a vu, un signal audio est bien plus complexe qu’une simple sinusoïde, et peut présenter des pics brefs et des variations rapides, notamment au moment de l’attaque. Et c’est d’autant plus le cas dans une pédale de saturation, qui a pour but de rajouter des harmoniques au signal. Un mauvais slew rate peut donc altérer la définition des hautes harmoniques et de l’attaque, là où l’amplitude est la plus élevée.
Certaines pédales ont joué avec ce phénomène pour produire un son caractéristique, à l’image de la ProCo RAT et son AOP LM308, connu pour son mauvais slew rate. Mais pour réaliser une overdrive transparente qui respecte le signal d’entrée, mieux vaut privilégier un bon slew rate.
l’intérêt du headroom sur les aop
Lors du développement de la Klon Centaur, dont notre Savage s’inspire, les ingénieurs se sont aperçus que augmenter la tension d’alimentation de l’AOP améliorait son slew rate. Ils ont ainsi développé un circuit d’alimentation spécifique permettant de convertir en interne le 9V classique en 27V, pour alimenter une partie du circuit.
Le schéma de la Klon Centaur. Source Electrosmash.
On ne va pas analyser le schéma de la Klon ici, ça fera peut être l’objet d’un prochain article. Mais on peut remarquer cependant que seuls les AOP situés après le clipping (D2 et D3) sont alimentés en 27V. Ce qui permet de conserver un maximum d’harmoniques ajoutées lors du passage du signal dans la section de clipping.
Le headroom a donc aussi un intérêt sur les circuits à AOP, mais en jouant cette fois sur la transparence et la fidélité du signal, plutôt que sur la dynamique. Pour changer la dynamique d’un circuit à AOP, on jouera plutôt sur les diodes de clipping, en choisissant différentes tensions de seuil.
C’est le cas de la Ego Driver, qui s’inspire d’une overdrive verte bien connue utilisant un AOP et deux diodes de clipping. La Ego Driver offre non seulement une plus grande fidélité et richesse grâce à un headroom de 18V généré en interne, mais aussi différents niveaux de dynamique et de compression grâce aux multiples diodes de clippings interchangeables.
Augmenter la tension d’alimentation pour changer le headroom peut modifier le caractère d’une pédale. L’alimentation a un réel impact sur la dynamique dans le cas des circuits à transistors, tandis que sur les circuits de clipping à AOP, le headroom favorisera la transparence et la fidélité du signal audio. On peut également jouer sur la dynamique d’un AOP en utilisant différentes diodes de clipping avec différentes tensions de seuil.
Il est donc parfois intéressant de jouer avec la tension d’alimentation d’une pédale lorsque le fabricant indique que c’est possible. Mais attention, UNIQUEMENT si le fabricant indique une plage de fonctionnement ! Au risque de voir sa pédale et sa garantie partir en fumée.
2 replies to “Qu’est ce que le headroom d’une pédale d’effet ?”
Jacques LAURENT
Merci pour ces rappels, notamment concernant le head room et le clipping, qui me permettront de tester plus intelligemment les options fournies avec l’ego driver.
Si j’avais disposé de ces conseils quand j’ai acheté ma little Muff et mon electric Mistress EHX il y a presque 50 ans, j’aurais sans doute gagné du temps…
Bravo pour ces aspects pédagogues de la marque,
bon courage à et bon vent à ANASOUNDS,
Jacques
Merci beaucoup pour ton retour Jacques, ça nous fait plaisir de savoir que nos conseils t’ont été utiles.
On met un point d’honneur à entretenir cet aspect pédagogique avec la gamme FX TEACHER et ce genre de messages nous motivent à continuer dans cette voie.
Merci encore pour ta confiance, et à très bientôt pour de nouvelles explorations sonores ! 🙂
Antonin
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Qu’est ce que le headroom d’une pédale d’effet ?
Dans cet article, on va parler du headroom, un argument souvent mis en avant par les constructeurs de pédales d’effets. On va s’intéresser à l’influence du headroom sur le circuit même, pour comprendre de quelle façon changer la tension d’alimentation peut modifier le caractère d’un effet.
quelques rappels d’électronique audio
Avant de se lancer dans la théorie pour expliquer ce qu’est le headroom et comment il va agir sur le circuit, on va faire un rappel sur les bases des signaux et de l’électronique audio.
qu’est ce qu’un signal audio ?
Le signal audio est un signal alternatif, c’est à dire qu’il va évoluer dans le temps de façon répétitive. On peut le caractériser par plusieurs valeurs : son amplitude en Volts, et sa fréquence en Hertz, c’est à dire le nombre de fois que le signal va osciller ou se répéter, par seconde. Le signal alternatif le plus classique est la sinusoïde, que l’on utilise souvent pour représenter un signal audio.
La sinusoïde est un peu la brique élémentaire du signal audio. En effet, n’importe quel signal alternatif peut être décomposé en une somme de sinus de différentes amplitudes et fréquences. C’est pour ça qu’on l’utilise si souvent pour simplifier la représentation d’un signal audio.
Le signal de gauche provient d’une basse jouant une note à 55Hz. On voit que le motif entre 0 et 0,018s se répète au cours du temps, c’est la période du signal. Le signal ne ressemble pas du tout à une sinusoïde, mais il peut pourtant être décomposé en une somme de différents sinus. Pour visualiser la décomposition d’un signal alternatif, on fait ce qu’on appelle sa transformée de Fourier.
Le graphique de droite représente la transformée de Fourier du signal de basse. Ce graphique montre la somme de tous les sinus qui composent le signal de gauche. Chaque pic indique un sinus, avec sa propre fréquence et sa propre amplitude.
On peut voir par exemple que le signal est composé d’un premier sinus à 55Hz, c’est la fondamentale. Puis d’un autre sinus à 110Hz et d’amplitude un peu plus faible, puis un autre à 165Hz plus fort, puis à 220Hz, etc… Ce sont les harmoniques du signal. Ces harmoniques font la signature du signal, c’est elles qui font le timbre d’un instrument, mais qui sont aussi à l’origine de la saturation dans un signal.
l’amplification avec les composants actifs
Pour réaliser une pédale de boost ou de saturation, on va chercher à amplifier le signal. On utilise pour cela ce qu’on appelle des composants actifs. Les composants actifs permettent d’amplifier les signaux en augmentant leur amplitude, mais ils ont besoin pour ça d’être alimentés. On peut retenir deux types de composants actifs utilisés pour faire de l’amplification : le transistor et l’amplificateur opérationnel (AOP).
les limites des composants actifs et la saturation
Une chose à savoir sur les composants actifs est qu’ils ne peuvent pas amplifier un signal au delà de leur tension d’alimentation. Si un circuit est alimenté en 9V, et qu’il amplifie un sinus de 1V d’amplitude d’un facteur 10, le signal en sortie ne pourra pas avoir 10V d’amplitude. La sortie ressemblera plutôt à un sinus dont les bouts ont été coupés. Le signal en sortie ne peut pas aller au delà de la tension d’alimentation du montage.
C’est ce que l’on appelle le clipping, qui est à l’origine de la saturation d’un signal. Vu que le signal en sortie est toujours un signal alternatif, mais qu’il ne ressemble plus à un sinus pur, on peut en déduire que le montage a rajouté des harmoniques au signal d’origine, et donc de la saturation. C’est le principe de base de n’importe quelle pédale de saturation !
Le choix des composants va directement agir sur la façon dont le circuit va saturer, de façon plus ou moins brutale, et générer des harmoniques différentes. Ces harmoniques vont faire le son caractéristique des différentes pédales de saturation.
le headroom dans les circuits à transistor
On a vu que le signal sature dès que son amplitude s’approche de la tension d’alimentation. Suivant comment un circuit est conçu, cette saturation peut arriver assez vite, au moment d’attaquer les cordes de sa guitare. La limite à partir de laquelle le signal va commencer à saturer dépend donc de la tension d’alimentation. C’est ce qu’on appelle le headroom.
En augmentant la tension d’alimentation d’un circuit, on peut donc reculer ce seuil de saturation. On fait ainsi saturer le circuit uniquement sur les attaques les plus fortes, gagnant ainsi en dynamique. Sur les montages à transistor, la saturation vient directement du transistor qui est en limite d’amplification. L’alimentation va donc avoir une grande influence sur la dynamique du circuit.
C’est ce que l’on propose dans notre Tape Preamp, un boost à transistor JFET, avec un circuit d’alimentation spécial qui permet de faire varier la tension de 3 à 27V. On peut ainsi contrôler directement la dynamique de la pédale grâce à un potard, pour une grande polyvalence.
le headroom dans les circuits de clipping à aop
rappels sur le clipping
Autant les transistors sont connus pour offrir une saturation naturelle et chaleureuse, mais ce n’est pas le cas des AOP, qui saturent d’une façon assez brutale et peu musicale. C’est pourquoi on trouve souvent sur les AOP un montage avec des diodes de clipping, ayant pour but de limiter le signal et de le faire saturer bien avant d’atteindre les limites de l’alimentation.
Une diode est un composant avec une tension de seuil, c’est à dire que la tension à ses bornes ne peut pas dépasser une valeur donnée. La tension de seuil varie suivant le type de diode. Pour donner un ordre d’idée, la tension de seuil est d’environ 0,3V pour une diode germanium, entre 0,5 et 1V pour les diodes silicium, et jusqu’à 2 ou 3V pour les LEDs.
On met généralement 2 diodes dans des sens opposés, qui vont chacune couper les extrémités négative et positive du signal. Et bien sur, on peut mettre plusieurs diodes en série pour additionner leurs tensions de seuil et repousser le seuil de clipping. Mais aussi ne pas mettre le même nombre de diodes dans un sens et dans l’autre, pour faire un clipping asymétrique.
Les deux montages les plus courants sont les circuits de soft et hard clipping. Le premier produit une saturation plus douce, tandis que l’autre va produire un clipping plus net avec plus d’harmoniques.
les aop et le slew rate
Lorsque l’on place des diodes de clipping, le signal ne peut donc pas atteindre la tension d’alimentation. On peut alors se demander l’intérêt d’augmenter la tension d’alimentation d’un AOP.
Mais les AOP ont une autre limite, qui s’appelle le slew rate, ou vitesse de balayage. Pour faire simple, la sortie d’un AOP ne peut pas reproduire des variations de signal trop brèves. Lors d’un changement rapide en entrée, par exemple avec un signal carré, la sortie va avoir tendance à réagir avec une pente qui va progressivement atteindre la bonne valeur au bout d’un certain temps.
Plus le signal a une grande amplitude et présente des changements brefs, plus l’effet du slew rate sera marqué.
Bien sûr, ce temps est extrêmement court, et n’est pas perceptible sur des signaux basses fréquences. Mais comme on l’a vu, un signal audio est bien plus complexe qu’une simple sinusoïde, et peut présenter des pics brefs et des variations rapides, notamment au moment de l’attaque. Et c’est d’autant plus le cas dans une pédale de saturation, qui a pour but de rajouter des harmoniques au signal. Un mauvais slew rate peut donc altérer la définition des hautes harmoniques et de l’attaque, là où l’amplitude est la plus élevée.
Certaines pédales ont joué avec ce phénomène pour produire un son caractéristique, à l’image de la ProCo RAT et son AOP LM308, connu pour son mauvais slew rate. Mais pour réaliser une overdrive transparente qui respecte le signal d’entrée, mieux vaut privilégier un bon slew rate.
l’intérêt du headroom sur les aop
Lors du développement de la Klon Centaur, dont notre Savage s’inspire, les ingénieurs se sont aperçus que augmenter la tension d’alimentation de l’AOP améliorait son slew rate. Ils ont ainsi développé un circuit d’alimentation spécifique permettant de convertir en interne le 9V classique en 27V, pour alimenter une partie du circuit.
On ne va pas analyser le schéma de la Klon ici, ça fera peut être l’objet d’un prochain article. Mais on peut remarquer cependant que seuls les AOP situés après le clipping (D2 et D3) sont alimentés en 27V. Ce qui permet de conserver un maximum d’harmoniques ajoutées lors du passage du signal dans la section de clipping.
Le headroom a donc aussi un intérêt sur les circuits à AOP, mais en jouant cette fois sur la transparence et la fidélité du signal, plutôt que sur la dynamique. Pour changer la dynamique d’un circuit à AOP, on jouera plutôt sur les diodes de clipping, en choisissant différentes tensions de seuil.
C’est le cas de la Ego Driver, qui s’inspire d’une overdrive verte bien connue utilisant un AOP et deux diodes de clipping. La Ego Driver offre non seulement une plus grande fidélité et richesse grâce à un headroom de 18V généré en interne, mais aussi différents niveaux de dynamique et de compression grâce aux multiples diodes de clippings interchangeables.
conclusion
Augmenter la tension d’alimentation pour changer le headroom peut modifier le caractère d’une pédale. L’alimentation a un réel impact sur la dynamique dans le cas des circuits à transistors, tandis que sur les circuits de clipping à AOP, le headroom favorisera la transparence et la fidélité du signal audio. On peut également jouer sur la dynamique d’un AOP en utilisant différentes diodes de clipping avec différentes tensions de seuil.
Il est donc parfois intéressant de jouer avec la tension d’alimentation d’une pédale lorsque le fabricant indique que c’est possible. Mais attention, UNIQUEMENT si le fabricant indique une plage de fonctionnement ! Au risque de voir sa pédale et sa garantie partir en fumée.
2 replies to “Qu’est ce que le headroom d’une pédale d’effet ?”
Jacques LAURENT
Merci pour ces rappels, notamment concernant le head room et le clipping, qui me permettront de tester plus intelligemment les options fournies avec l’ego driver.
Si j’avais disposé de ces conseils quand j’ai acheté ma little Muff et mon electric Mistress EHX il y a presque 50 ans, j’aurais sans doute gagné du temps…
Bravo pour ces aspects pédagogues de la marque,
bon courage à et bon vent à ANASOUNDS,
Jacques
Antonin Savigny
Merci beaucoup pour ton retour Jacques, ça nous fait plaisir de savoir que nos conseils t’ont été utiles.
On met un point d’honneur à entretenir cet aspect pédagogique avec la gamme FX TEACHER et ce genre de messages nous motivent à continuer dans cette voie.
Merci encore pour ta confiance, et à très bientôt pour de nouvelles explorations sonores ! 🙂
Antonin