Fuzz Face 电路分析

全文译自: https://www.electrosmash.com/fuzz-face

Fuzz Face 是一种失真吉他踏板，由 Arbitrer Electronics Ltd 于 1966 年秋天在伦敦设计。它产生一种称为fuzz的特有的高失真声音。

Ivor Arbiter 从麦克风支架中汲取了圆形外壳的想法。另外，它是第一个使用 DPDT 单块开关的 TrueBypass 踏板。由于 Jimi Hendrix 演奏了这种效果器，因此该效果器变得非常流行，而且当时还没有很多失真效果器。

Fuzz Face 的特点是使用 11 个组件（2 个晶体管、4 个电阻器、3 个电容和 2 个电位器）的简单电路以及由它们产生的惊人音色；通过调节fuzz旋钮，使波形从不对称软削波(soft asymmetrical clipping)到硬削波(hard clipping)调整。

Arbitrer Electronics 从 1966 年到 1975 年制造了此踏板，Dallas Music Industries 在 1975-77 年生产最后一批后停产。在它的生命周期中，踏板经历了一些小的外观变化，但主要是声音变化。 fuzz face 在 1986 年至 2000 年间重新发行。1993 年，Dunlop 接手生产，销售不同口味的 fuzz face。今天，Dallas Arbiter 和 Fuzz Face 商标均归 Dunlop Manufacturing Inc 所有。

本文涵盖了第一款配备 PNP 锗晶体管的 Arbitrer Fuzz Face 版本，是自始至终被认为是音质最好的版本。

1. 版本

最早的版本覆盖着红色、浅色或深灰色的 Hammerite 油漆，带有白色或黑色的 Fuzz Face 标志，在笑脸部分的文字揭示了踏板的年龄。最早的是 Arbiter-England，1968 年变成了Dallas-Arbiter England，从那以后，微笑中出现了各种各样的词。

如今，Dunlop 使用不同的漆面和尺寸区分不同晶体管：

1.1 晶体管

晶体管是设计中最敏感的部分，围绕着它们形成了一个一些很玄学的内容。主要有两种可能性：

• 锗晶体管：据称具有更温暖、更细腻、更平滑的声音
• 硅晶体管：具有更高的增益，产生一些更硬的高频

锗晶体管被认为在这种效果方面具有整体更好的声音，但有一些缺点：锗制造不像硅那样一致和受控，而且它们的寿命更短，温度敏感性更高。

Dennis Cornell：“所有的晶体管都以非常相似的方式工作并且都完成了工作，但它们确实给出了稍微不同的音色。我认为 Arbiter-England 使用 AC128 而不是 NKT275 锗晶体管。”

“它们总是有问题，所以我会参与测试和维修，因为它们不能正常工作！”

D. Cornell 的最后一句话解释了为什么生产转向现代、温度无关、更便宜和稳定的硅晶体管，如 BC183L、BC183KA、BC130C、BC108C、BC109C、BC209C 和 BC239C。

锗管选择： 为了达到最佳效果，从整批中选择合适的晶体管非常重要。锗晶体管往往具有高漏电流和不一致的增益值。这种增益变化在设计中至关重要，最佳匹配在第一级使用低增益（约 β=70-80），在第二级使用高增益（约 β=110-130）。

但是，还有一些其他选择，对于压缩程度更高的声音，您可以对 Q₁ 使用 β=90-120，对 Q₂ 使用 β=150-190。

有一些电路 有助于测量晶体管增益。

2. 电路

该电路是一个带有反馈网络的简单 2 级放大器。它可以分为三个部分：输入级、输出级和反馈网络。反馈网络会影响最重要的参数：电压增益、输入阻抗、输出阻抗和频率响应。

Fuzz Face 设计的灵感来自其他现代 Fuzz 踏板，如 Maestro Fuzz Tone（由 Glen Snotty 设计）和 Sola Sound ToneBender（由 Gary Hurst 设计），尽管 Fuzz Face 比竞争对手更简单，只有 2 个而不是 3 个晶体管.

关于 2 晶体管电路出现的时间和地点存在一些争议：Tone Bender MK1.5 类似于 Dick Denney 设计的 Vox Distortion Booster 电路，几乎与意大利制造的 Vox Tone Bender 电路和 Arbiter Fuzz Face 电路相同.

2.1 布局

带有通孔组件的单层 PCB 安装在超大铸铁外壳内。在下图中，您可以看到原始外壳（左）与新的紧凑型 Dunlop 盒子（右）的对比：

原始的 Fuzz Face 使用带有通孔组件的单层 PCB。电路板的右侧通过电缆连接到电池夹、插孔、电位计和 DPDT 脚踏开关。

2.2 组件零件清单/物料清单:

这是构建 Fuzz Face 所需的简化组件列表：

1    C₁:    2.2 uF
1    C₂:    20 uF
1    C₃:    0.01 uF
1    R₁:    33KΩ
1    R₂:    470Ω
1    R₃:    8.KΩ
1    R₄:    100KΩ
1    R_vol:    500KΩ (Audio tap)
1    R_fuzz:    1KΩ (Linear tap)
2    Q₁, Q₂:    AC128
输入插孔、输出插孔、电池夹、DPDT 脚踏开关。

2.3 电路偏置:

下图展示了电路中最重要的直流偏置点。

注意:

• 对于上面显示的偏置值，fuzz 电位器设置为中点 (500Ω)
• 由于晶体管 β 的变化，直流电压可能会发生变化，在本例中，我们使用的是 β=85 的 Q₁ 和 β=120 的 Q₂。如果您想查看AC128 PSpice 仿真模型，请查看本文的最后一部分
• 从 Fuzz Face 获得最佳声音的重要设置是 Q1_VC=-0.5 ~ -0.7 和 Q2_VC=-4.5V。为此，一些设计人员使用微调电阻来替代 R1 和 R3，以便轻松调整晶体管的 VC。的更多信息可参考physics.mcgill.ca/~grant/Stuff/fuzzface.txt

3. 输入级

输入级是一个共发射极（集电极跟随器, Common Emitter, Collector Follower）PNP 放大器，它提供具有低输入阻抗和高输出阻抗的高电压增益。对于信号完整性来说，它不是理想输入级；但却是最佳的简单和快速高增益的输入级。

• 2.2uF 输入电容器 C₁ 可阻止任何直流电平，消除嗡嗡声并保护踏板/吉他免受危险直流电平的影响。
• 33KΩ R₁ 电阻设置主要的输入级参数，如电压增益、偏置点和最大集电极电流。

3.1 输入阻抗

等于共发射级的输入阻抗。它可以计算为：

Zin = PNP 共发射极的 Zin = rπ

$$r_{\pi } = \frac{(\beta +1)\cdot Vt}{I_{EQ}}=\frac{(\beta +1)}{gm}= \frac{(70+1)}{0.0088}= 8K$$

对于这个数学计算，反馈网络被忽略，但在实践中，它会将输入阻抗降低到大约 5KΩ。 Fuzz Face 具有非常低的输入阻抗，会随着 R_FUZZ 电位器的位置而变化（在仿真中介于 5.2KΩ 和 8.4KΩ 之间）。所以反馈网络对该参数有负面影响。

根据经验，Z_in 应至少为 1 MΩ。在具有类似输入级的其他踏板中 如 Big Muff Pi 中的踏板，在输入端放置了一个串联电阻，以提高阻抗（以创建一个降低可用输入信号的分压器为代价）。

Fuzz Face 的低输入阻抗将过载吉他拾音器。这就是为什么将它们放在其他踏板之后反应不佳的原因。一个实用的建议是将 Fuzz Face 首先放在踏板链上，紧跟在吉他之后。锗晶体管需要关注吉他拾音器的电感/阻抗。如果Fuzz Face之前有 buffer，音色将会很糟糕。

3.2 输入级的电压增益

在共发射极 晶体管中，电压增益可以按照以下等式计算：

$$A_{V}=-g_{m}\cdot R_{C}= -g_{m}\cdot R_{1}= 0.0088 \cdot 33K = 290\: (49dB)$$

注意：晶体管的 gm 值定义为：

$$g_{m}=\frac{I_{e}}{V_{T}}= \frac{0.22mA}{25mV}= 0.0088$$

其中:

• I_E 是直流发射极电流，可以通过查看电路的偏置点 以简化形式计算I_E=(V_CC-V_C)/R₁=(9V-1.6V )/33K= 0.22毫安
• V_T 是晶体管的热电压，在室温下该值约为 25mV。

实际使用时，输入级不会达到 49dB 的增益，反馈网络会将电平降低到大约 18.6dB。下图展示了改变fuzz电位器时，输入级的电压增益。

上图显示了一个由 C₁ 和输入阻抗（约 5KΩ）创建的，截止频率为 14Hz (18.6 - 15. 6 = 3dB) 的高通滤波器，所有低于 14Hz 的频率都会衰减 6dB/oct。

$$fc=\frac{1}{2\pi R C}=\frac{1}{2\pi \cdot Z_{in}\cdot  C_{1}}=\frac{1}{2\pi \cdot 5K \cdot 2.2uF}= 14Hz$$

注意：当模糊控制设置为最小值（最低的深绿色迹线）时出现的驼峰是由于 C2 旁路电容器也构成了滤波器 (C₂ - R_FUZZ)。当踏板的增益较低时，这种效果会更加明显，因为它有更多的信号反馈来自通过 R₄ 的输出。当增益变高时，反馈变小，高通滤波器的影响就不那么重要了。 反馈网络部分中解释了反馈和增益之间的关系。

声音特征 I：不对称削波： 对于最大动态范围，普通发射极放大器通常偏置为集电极电压 (V_C) = V_CC /2，在这种情况下，它应该是-4.5V。在 Fuzz Face 中，Q₁ 集电极电压位于 -1.6V 左右，因此正半周期的电压摆幅比负半周期的电压摆幅 (voltage swing) 大得多。

对于小信号（小于 50mV_pp），输入级首先会在信号的负半周期达到软饱和，如下图所示，这种不对称削波失真非常悦耳。

当输入信号具有较高电平时，输入级将在两个半周期内软饱和，如下图所示。这种为小信号提供柔和的不对称失真并在大输入信号（强和弦）的两个半周期中进行更硬削波的功能提供了很好的触感 (touch sensitivity)，增强了表现力。

4. 输出级

输出级也是一个 PNP 共发射极放大器，并带有可变发射极退化电阻 (variable emitter degeneration resistor, R_FUZZ=1KΩ)。

4.1 输出阻抗

输出阻抗的值可以使用以下公式计算：

Z_out = R_VOL//470Ω
Z_{out MAX} = R_VOL//470Ω=500K//470Ω = 469Ω

fuzz face 输出阻抗受反馈网络的影响，实际值为 15KΩ（在 1KHz 下测量，R_VOL=500KΩ）。该值随音量控制级别和模糊控制位置而变化。然而，它可以被认为是一个糟糕的输出阻抗，它太高并且当它被放置在踏板链中时会带来问题。

输出电容器 C₃ 阻止 Fuzz Face 之后的任何直流电平。它与 R_VOL 一起创建一个高通滤波器，该滤波器将确定从踏板输出的最低频率。它的上限更大将会输出更多低频。此高通滤波器的截止频率为：

$$fc=\frac{1}{2\pi R C}=\frac{1}{2\pi \cdot R_{vol}\cdot  C_{3}}=\frac{1}{2\pi \cdot 500K \cdot 0.01uF}= 31Hz$$

最低截止频率为 31Hz ，当 R_VOL 下降时，截止频率会更高。这意味着在低音量水平下，信号的低频数量会略有减少，使 C₃ 变大将输出更多的低谐波。您可以在频率响应部分中阅读更多相关信息

4.2 总电压增益

发射极退化电阻 (emitter degeneration resistor) R_FUZZ 产生局部负反馈，使第二个放大器级更加稳定并且不受温度、偏置电流等晶体管固有特性引起的增益变化的影响。

添加这个发射极电阻后，共发射极 PNP 的主要参数（忽略反馈网络）可以由集电极电阻和发射极电阻之间的比率来确定。其中， 集电极电阻(R₂ + R₃) 发射极电阻（R_FUZZ 的部分没有通过 20uF 电容短路接地）。

$$A_{V}=\frac{R_{C}}{R_{E}}= \frac{R_{2}+R_{3}}{R_{pot1}}$$

$$A_{V}min=\frac{470+8K2}{1K}= 8.2\: (18dB)$$

电压增益 (A_V) 可以从 8.2 到与晶体管的基本内部增益一样高（当 R_FUZZ 达到最大值时）。

如果我们考虑反馈网络，第二级将再次达到 18dB 的值。在这种情况下，在 Q₂ 集电极测得的总电压增益约为 19.5dB。请记住，输入级的增益为 18.6 dB，第二级的增益总量为 1dB (19.5-18.6=0.9dB)。由于反馈网络，一般增益量会大大减少。

上图中展示了音量调到最大时， Q₂ 的输出电压与 R_FUZZ 电位器关系。它表现出低频衰减（高通滤波器），其中 f_c=14Hz 继承自输入级。

但是踏板的输出并非直接取自Q₂集电极，有一个由R₂和R₃创建的分压器（电源有效地位于交流接地）。该分频器将增益降低了R₂/（R₂+R₃）=470/（470+8K2）=0.054（-25dB），因此输出级的实际增益为：

G_VTOTAL = GV_PEDAL - Attenuation of R2/(R2+R3)= 19.5 - 25 = -5.5dB

这个由 R2 和 R3 创建的分压器将大大降低输出电平。该值通常不会低至-5.5dB，应考虑电池的串联电阻，这会提高输出电平。

它可能看起来很有趣，但它有一个原因：输出信号不会比输入信号大很多，以防止大量信号过度驱动跟随它的踏板或放大器的输入。 fuzz 的设计目的不是按级别过载后面的效果器。

注意：fuzz face 在不同电池和电池不同电量时听起来不同。因为电池的内部串联电阻被添加到 470Ω R₃ 电阻器，大幅影响了该值。

发射极退化电容C₂:

C₂发射极与地（R_FUZZ）之间的任何阻抗都会降低输出级的增益，这是一种局部负反馈。增加此阻抗会降低增益。如果我们正在寻找高增益，通常的做法是将部分或全部发射极电阻器与旁路电容器接地。

电容器呈现的阻抗随频率降低，偏置 (DC) 点将保持不变，但高频的吉他 (AC) 信号将获得更高的电压增益。在设计方面，旁路电容器C2的电抗应在您想要放大的最低频率下，并小于 R_FUZZ 的值。我们可以使用以下公式计算：

$$f_{c}=\frac{1}{2\pi R C}=\frac{1}{2\pi \cdot R_{pot1}\cdot  C_{2}}=\frac{1}{2\pi \cdot 1K \cdot 20uF}= 7.9Hz$$

所有超过 8Hz 的频率都会得到充分放大。 20uF 太大了，几乎所有的频率都得到了充分的放大。

声音特征II：软削波-硬削波: 当第二级被充分驱动时，它可使信号的两个半周期均达到硬削波。对于较小的信号（和增益），削波开始时很柔和，然后随着 FUZZ 电位器增加，削波会随着演奏的加剧而变得更硬。第二个放大器级可以增大削波的程度，使输出呈现更尖锐的方波。

4.3 电源

为了节省组件，电源不包含任何电容器来滤波，这在原始法兹踏板中很常见。吉他踏板中通常的解决方案是通过将 47~100uF 电容与从 +9v 接地的 100nF 电容放在一起来添加一些电源滤波。

5. 全局反馈网络

放大器使用电流或电压作为输入或输出，您可以查看放大器分类。fuzz face 有一个称为 分流系列反馈 的负反馈（电流控制电流源 CCCS）。部分输出电流取自Q₂发射极，作为电流引入Q₁基极，故并联反馈电阻R₄与输入串联并与输出串联。

为什么要使用反馈？

在放大器设计中，负反馈用于：

-降低增益灵敏度：使增益值对晶体管不太敏感（即温度引起的组件变化）。
-减少非线性失真：使增益恒定。
-降低噪声：最小化对不需要的电信号输出的影响。
-控制输入/输出阻抗：提高或降低其值。
-扩展放大器的带宽。

上述特性是以减少增益为代价获得的。根据经验，反馈越多，全局增益越小，遵循以下公式：

$$A_{FB}=\frac{A_{OL}}{1+B_{FB}A_{OL}}$$

其中：

• A_FB : 放大器在闭环中的总电流增益。
• A_OL : 开环放大器的当前增益
• B : 反馈常数（不要与晶体管β参数混淆）。

Fuzz Face 中的反馈是如何工作的？

反馈网络的主要功能是减少 Fuzz Face 的巨大增益，使整个电路更加稳定并独立于有问题的锗晶体管：

• 当 fuzz 旋钮（1KΩ 电位器）设置为最小值时，大量信号被发送回输入，形成一个大的反馈回路并降低总踏板增益（下左图）。

• 当fuzz 旋钮增加时，20uF C₂ 电容会逐渐将负反馈分流到地面，从而让电路以更大的增益运行（下右图）。

6. 频率响应

FF 频率响应由三个电容器 C₁、C₂ 和 C₃ 形成：

• C₁：2.2uF 输入电容与输入踏板阻抗（约 5KΩ）一起形成的高通滤波器，消除危险的直流电平、嗡嗡声和过载低音。

$$f_{c}=\frac{1}{2\pi R C}=\frac{1}{2\pi \cdot Z_{in}\cdot  C_{1}}=\frac{1}{2\pi \cdot 5K \cdot 2.2uF}= 14Hz$$

所有低于 14Hz 的谐波都会有 6dB/oct 的衰减

• C₂：将部分信号分流到地，但它的值非常高 (20uF)，在最坏的情况下只有低于 8Hz 的信号（和音频频谱）会受到影响，因此贡献对于一般的频率响应可以舍弃。

• C₃：输出旋钮还形成了一个高通滤波器，去除了 Fuzz Face 提

$$f_{c}=\frac{1}{2\pi R C}=\frac{1}{2\pi \cdot R_{vol}\cdot  C_{3}}=\frac{1}{2\pi \cdot 500K \cdot 0.01uF}= 31Hz$$

所有低于 31Hz 的谐波都会有 6dB/oct 的衰减。如果电平下降，500KΩ 电阻将减小，滤波器将去除更多低音。

Eric Johnson 似乎更喜欢 100KΩ 电平电阻而不是原厂的 500KΩ 电阻。使用较小的电阻器，滤波器将削减更多的低频 (f_c=160Hz)，从而产生更明亮的声音。

下图代表了 fuzz face 的总频率响应，不同的线条显示了不同音量电位器的效果。随着音量变低（蓝线），高频部分会更陡。这是由于 C₃ 输出的高通滤波器的作用（C₃ - R_VOL）

该图还显示了 14Hz 以下低音谐波的一般衰减，这是由于 C₂ 和 Z_in（踏板的输入阻抗）创建的高通滤波器.

从广义上讲，Fuzz Face 的频率响应并不是很创新，它只是去除了一些低音并保留了所有有助于产生强大失真的高音。 Big Muff Pi 等其他法兹踏板具有更独特的频率响应，可以以更具创新性的方式塑造音色。

下面的最后一张图片以红色显示了典型的输出信号，当 fuzz 电位器达到最大值时，其特征是波形不对称和硬削波。大量的增益将很容易地削波信号，产生大量的高次谐波含量。请注意，输出信号在削波时并不完全平坦（略微倾斜），此功能为声音增加了更多特征。

7. 打造完美Fuzz

Fuzz Face 电路有 9 个组件。看起来很简单，原则上确实如此，但踏板的实际实现有很多相关的黑魔法和神秘，需要付出很多努力才能让声音听起来恰到好处。

我们创建了一个项目，因此您可以利用我们拥有的所有知识和经验构建完美的 Fuzz，同时保持调整和特性这种复古踏板失真听起来圆润和谐悦耳。

8. Resources

The Technology of the Fuzz Face by R.G Keen.
Fuzz Face Description by ScreaminFX.
Electrical Engineering Thesis by William E. Overton focused on the Fuzz Face.
Discussion Paper About Fuzz FAce Batteries by DingoTone.com
Arbitrer Fuzz Face by Fuzzcentral.  

8.1 Datasheets

AC128 Transistor datasheet 1 pdf
AC128 Transistor datasheet 2 pdf

用于 AC128 Fuzz Face 模拟的 PsPice 模型：

• AC128 with β=85

.MODEL GERPNP\_LOWGAIN PNP(IS=85.8N BF=85.000 NF=1.000 VAF=102.207  
+IKF=9.981M ISE=0.435N NE=1.200 BR=20.000 NR=1.000 VAR=20.000  
+IKR=1.248M ISC=120.8N NC=1.200 RB=173.312 IRB=5.000U RBM=43.328  
+RE=20.000 RC=60.000 CJE=6.000P VJE=0.400 MJE=0.400 TF=0.150U  
+XTF=9.996 VTF=2.000 ITF=9.983M PTF=1.000 CJC=3.750P  
+VJC=0.600 MJC=0.330 XCJC=0.650 TR=2.865U  
+CJS=0.0 VJS=0.700 MJS=0.500 XTB=1.000 EG=0.670  
+XTI=4.000 KF=5.000F AF=1.000 FC=0.750)  
.END

• AC128 with β=120.

.MODEL GERPNP\_HIGHGAIN PNP(IS=120.8N BF=120.000 NF=1.000 VAF=102.207  
+IKF=9.981M ISE=0.435N NE=1.200 BR=20.000 NR=1.000 VAR=20.000  
+IKR=1.248M ISC=120.8N NC=1.200 RB=173.312 IRB=5.000U RBM=43.328  
+RE=20.000 RC=60.000 CJE=6.000P VJE=0.400 MJE=0.400 TF=0.150U  
+XTF=9.996 VTF=2.000 ITF=9.983M PTF=1.000 CJC=3.750P  
+VJC=0.600 MJC=0.330 XCJC=0.650 TR=2.865U  
+CJS=0.0 VJS=0.700 MJS=0.500 XTB=1.000 EG=0.670  
+XTI=4.000 KF=5.000F AF=1.000 FC=0.750)  
.END

衷心感谢 D.Clark 的支持。感谢阅读，原作者邮箱 info@electrosmash.com.