Korg MS10-MS20 la tensione di controllo dei VCOs

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Categoria principale: Audio Categoria: Musica Elettronica
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Korg MS10-MS20 la tensione di controllo dei VCOs

La soluzione adottata dalla casa giapponese negli anni '70 per ovviare il problema della stabilità in temperatura.

INTRODUZIONE

La stabilizzazione in temperatura degli oscillatori nei sintetizzatori, è stato uno dei punti cruciali nel dimensionamento di questi strumenti musicali. Il cuore del problema giaceva nel fatto che tutte le tensioni di controllo, per comodità erano generate come scala lineare, ed inviate a circuiti che convertivano il valore da lineare ad esponenziale. La conversione esponenziale non è di per se complicata, ma per sua natura (o per meglio dire per la fisica dei semiconduttori), varia la sua caratteristica dello 0,33% al °C. Per ovviare a questo problema sono state studiate molte soluzioni, con risultati più disparati.

 

L' ingresso sulla scena degli strumenti musicali elettronici, da parte delle case giapponesi, era come nelle loro abitudini, teso a fornire il massimo con il minore costo.

Quindi mentre i synth americani proponevano filtri a 4 poli, i giapponesi puntavano sui 2 poli.

Mentre in occidente si sprecavano transistor per fare un VCA, i giapponesi lo facevano con 1 transistor, o magari qualche diodo.

 

Ovviamente da un punto di vista strumentale la qualità dei synth americani era migliore ma, al miglior giudice, l' orecchio, la differenza non era poi così marcata.

 

Sta di fatto che questi sintetizzatori, soprattutto l' MS20, sono ancora molto utilizzati, anche da musicisti di un certo spessore, e comunque chi li possiede loda la loro stabilità nell' accordatura.

 

 

DIFFERENZE NELLA TENSIONE DI CONTROLLO

Le principali differenze dai synth MS10-20, rispetto ad esempio ai MOOG, risiedono nella diversa generazione della tensione di controllo da parte della tastiera, e ad un uso "non convenzionale" del convertitore esponenziale.

LA TASTIERA

La prima differenza riscontrabile è nella generazione della tensione di comando, la tastiera.

Tradizionalmente veniva generata una tensione lineare con progressione di 1V/ottava, quindi 1/12 di Volt era l' intervallo tra i semitoni.

KORG utilizzò invece una tastiera con risposta direttamente esponenziale, sfruttando un sistema di resistenze interessante.

Per meglio comprendere la differenza tra i due sistemi, proverò a descriverli entrambi.

La tastiera "Moog"

Il sistema è piuttosto intuitivo: un partitore formato da una serie di resistenze (all' 1% di tolleranza), pilotato da un generatore di corrente costante.

Tramite questo sistema anche premendo più tasti contemporaneamente, la tensione di controllo era determinata dalla differenza di potenziale provocata dal passaggio di corrente nella parte del partitore selezionato con il tasto della nota più bassa.

Parallelamente ai contatti di cui sopra, era presente una seconda serie di contatti che funzionava come una sorta di OR, generando la tensione di gate alla pressione di uno o più tasti.

 

+

Figura 1

La tastiera "KORG"

Il concetto è completamente diverso da quello precedente.

Qui non si ha un partitore, ma una serie di celle resistive (una ogni due semitoni) pilotate non da una corrente ma da una tensione.

Nella figura di seguito un estratto dal Service Manual del MS20:

 

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Figura 2

 

Per meglio analizzare il circuito ho riportato sinteticamente il partitore nella figura di seguito:

 

+

In questo circuito non c' è un generatore di corrente, ma si usa una tensione.

La priorità è comunque garantita alla nota più alta (verso destra).

Se si analizza l' ultima cella (quella verso destra), composta da Ra-Rb-Rc, si può subito notare che il rapporto tra Ra e Rb:

 

 

e che:

 

 

cioè il rapporto di frequenza che esiste tra una nota e il semitono successivo.

Perchè la tensione segua il rapporto tra le note occorre naturalmente disporre di un partitore, cioè inserire Rc.

 

 

dove k=1,0594531 (il rapporto tra semitoni), al numeratore la tensione generata dal tasto più a destra, e al denominatore la tensione un semitono sotto.

Semplificando:

 

 

Che è più o meno il valore che si trova utilizzando le resistenze R33-R34-R35 e VR4 (posizionato a metà scala), sullo schema originale (Figura 2).

Ora per fare in modo che tutto funzioni occorre che ogni cella veda la stessa resistenza, cioè Rc1=Rc, Rc2=RC, Rcn=RC, insomma:

 

 

Come si può vedere sullo schema originale di Figura 2, Korg ha messo delle resistenze da 61,9k che significa un errore di circa lo 0,4%, decisamente accettabile.

 

Avere generato una tensione di comando con andamento esponenziale, risolve una parte del problema ma non tutti.

I moduli che vengono pilotati hanno comunque bisogno di altre modulazioni, ad esempio un LFO che però genera delle forme d' onda con andamento lineare.

I VCO hanno bisogno di una regolazione del detuning di vari semitoni, il pitch-bend.

Tutti controlli che era impensabile generare in forma esponenziale a basso costo, da qui l' utilizzo comunque di un convertitore esponenziale, in un modo alternativo.

LA CONVERSIONE ESPONENZIALE

Alla fine si ritorna sempre su questo circuito. Lo schema generalmente usato è:

 

+

Figura 4

 

Qui sono riportati i due tipici modi di impiegarlo. La formula che regola il circuito è sempre la stessa:

 

 

Dove deltaVbe rappresenta la differenza tra le due Vbe (in sostanza la tensione di ingresso), mentre Vt è una tensione dipendente dalla temperatura, cioè l' errore introdotto.

Come si può notare se deltaVbe=0 non vi sarà alcuna dipendenza dalla temperatura, questo è proprio il principio che è stato introdotto nei sintetizzatori Korg.

 

  • Le basi dei due transistor vengono collegate a massa (deltaVbe = 0).

  • Al posto di una Vref costante viene inviata la tensione generata dalla tastiera.

 

 

 Quindi Iref sarà dipendente dalla tensione della tastiera, e Io sarà uguale a Iref, insomma uno specchio di corrente.

Allora a cosa serve?

Basta guardare lo schema (MS20):

Figura 5

 

Le basi dei transistor (Q6 e Q7) sono collegate a massa da due resistenze (R18 e R38 da 100 ohm), quindi deltaVbe=0.

Mediante due commutatori ("VCO-1-SCALE" e "VCO-2-SCALE"), la corrente di riferimento viene divisa per 2, 4, 8, in modo da spostare le ottave dell' oscillatore interessato.

Le due coppie di transistor, Q6 e Q7 i convertitori, vengono anche pilotate sulle basi per ottenere una conversione esponenziale dei segnali di modulazione.

In particolare l' operazionale IC4 (in alto sullo schema)  è usato come sommatore per i segnali di LFO ("MG"), per un segnale di modulazione esterno ("VCO-1+2 EXT FREQ"), e per l' accordatura generale ("MASTER TUNE"). La somma di queste tensioni viene inviata in parallelo ai due convertitori esponenziali.

 

Vi sono anche altre regolazioni: i trimmer VR1 e VR6, che servono a centrare l' accordatura in fase di taratura dei due oscillatori (in pratica ad annullare la deltaVbe).

E' inoltre presente un potenziometro (VR2), che viene utilizzato per scordare il secondo oscillatore di ± 12-14 semitoni.

 

Evidentemente tutta questa serie di tensioni provocheranno un discostamento da deltaVbe=0, e quindi una introduzione dell' errore in temperatura.

In realtà non è così per tutte le modulazioni, ad esempio l' LFO ha un valore medio nullo, anche una eventuale modulazione tipo PITCH-BEND ha una profondità che è regolata dall' orecchio del musicista; il problema rimane per il MASTER TUNE (anche se si suppone che la sua incidenza sia minima), e per il detuning del secondo oscillatore.

 

Sulla base dei valori rilevati sullo schema, si possono fare alcune considerazioni sulla stabilità in temperatura della conversione.

Assumiamo che Iref = 1uA (può essere qualunque valore in quanto Io=Iref in condizioni normali).

 

  • Vt25°C = 25,670411mV

  • Vt26°C = 25,756554mV

 

A questo punto derivando la formula del convertitore esponenziale, rispetto alla Vt:

 

 

La variazione del master tune (VR11) è intorno a ± 3mV, quella invece del detuning del secondo oscillatore (VR2) è di circa ± 20mV (più di una ottava), queste sono le variazioni di deltaVbe imposte dalle regolazioni.

 

Ora se si valuta l' incidenza della temperatura per la variazione massima di VR1 (3mV), si ottiene che Io = 1,124uA e la variazione in temperatura sarà dello -0,0392% ossia -392ppm/°C.

 

Se lo stesso calcolo si applica alla massima variazione di VR2 (20mV), il risultato è che la Io= 2,18uA e la variazione diventa dello -0,26% cioè -2600ppm/°C.

Insomma quando il detuning aumenta, anche l' errore aumenta e non di poco.

Per rendere meglio l' idea ho fatto una simulazione proponendo al convertitore un salto di ± 1ottava (deltaVbe circa ± 18mV), e il risultato è nella figura di seguito:

Figura 6

 

 

RIDUZIONE DELL' ERRORE

Come si è visto esagerando con il detuning, si introduce un errore mica poi così irrisorio, dovuto alla variazione della temperatura.

Nel caso si volesse mettere una toppa, ma senza ricorrere a soluzioni complesse, è possibile migliorare la situazione anche solo utilizzando una NTC.

Questo perchè la possibilità di usare il detuning al massimo livello è una ipotesi remota, esiste già un selettore di ottava, preciso per altro.

 

Anche in questo caso occorre compensare la variazione della Vt dovuta alla temperatura, cioè aumentare la tensione di controllo al convertitore esponenziale di circa 3300ppm/°C.

Naturalmente le NTC non sono componenti molto lineari e occorre fare una piccola rete, resistiva per cercare di centrare l' obbiettivo.

Quella che ho messo su io al simulatore (ma sicuramente si può fare di meglio), utilizza una NTC piuttosto standard, da 33k modello 2322 640 63333.

Il circuito proposto è quello della figura di seguito:

 

+

Figura 7

La rete così costituita ha un andamento come illustrato nel grafico di seguito:

 

Figura 8

 

Come si può notare la variazione della rete, al variare della temperatura tra 0 e 60°C, si mantiene tra 2500 - 3400ppm/°C.

Una ulteriore simulazione, applicata al convertitore esponenziale, da il seguente risultato:

 

Figura 9

 

Facendo un confronto con la Figura 6, si può notare la differenza.

TRANSISTOR PAIRS

Tutte le considerazioni fatte in precedenza, devono tenere conto di un fattore principale, per realizzare un convertitore esponenziale decente occorre che la coppia di transistor usata, sia composta da dispositivi il più simili possibile.

Si potrebbero anche selezionare, a questo proposito segnalo un articoletto del grande Bob Pease:

http://www.national.com/rap/Story/transistors.html

Comunque sarebbe anche indispensabile farli reagire alla temperatura alla stessa maniera, ad esempio tenedo a contatto i due case.

La soluzione più semplice è quella di impiegare transistor realizzati direttamente sullo stesso silicio.

Purtroppo la perfezione non esiste e anche transistor "matched" conservano comunque una certa quantità di errore.

 

Nella scelta del componente occorre tenere in considerazione almeno due fattori:

 

  1. La tensione di offset (la deltaVbe)

  2. La deriva dell' offset i temperatura (deltaVbe/deltaT)

Il componente usato da Korg è il 2SC1583, del quale ho trovato un solo datasheet, peraltro in giapponese.

L' unico dato che sono riuscito a trovare è quello della tensione di offset, che è dichiarato come tipico a 1mV e massimo 10mV.

Usare questo tipo di componente è impensabile, chissà se si trova ancora, meglio utilizzare quello che offre il mercato.

Di seguito riporto un sunto dei componenti più diffusi, solo a scopo comparativo.

 

2N2223A

Questo componente appartiene alla fascia bassa, vengono solo dichiarati i valori massimi:

 

  • deltaVbe              5mV max

  • deltaVbe/deltaT   25uV/°C max        (970ppm/°C max)

CA3046

Probabilmente il transistor array più utilizzato:

 

  • deltaVbe               0,45mV typ.    5mV max

  • deltaVbe/deltaT    1,1uV/°C typ  (42ppm/°C)

 

Il grande vantaggio di questo componente risiede nel fatto che è possibile realizzare due convertitori esponenziali.

 

LM394

Questo componente possiede ottime caratteristiche, ma è di difficile reperibiltà, credo anche fuori produzione:

 

  • deltaVbe                50uV typ        200uV typ.

  • deltaVbe/deltaT     0,2uV/°C typ (7,8ppm/°C)  1,5uV/°C max (58ppm/°C)

 

SSM2210

Questo è un componente di pregio, oltre a possedere ottime caratteristiche in continua, è anche un componente a bassissimo rumore idoneo ad applicazioni audio:

 

  • deltaVbe                220uV max

  • deltaVbe/deltaT     80nV/°C  (3ppm/°C)    1uV max (39ppm/°C)

 

MAT12

Praticamente è uguale all' SSM2210. 

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