Pro Co RAT 失真效果器电路分析

发表于 2023-02-14 分类于音乐相关阅读次数：

Pro Co Rat 是 Pro Co Sound 公司生产的失真踏板，由 Scott Burnham 和 Steve Kiraly 于 1978 年在密歇根州的卡拉马祖设计。电路和外观在不同版本中发生了一些变化，但音色保持不变。

由于踏板的成功，Pro Co 设计了多个版本，比如 Juggernaut (1979), R2DU (1984), RAT2 (1988), Turbo RAT (1989), Vintage RAT (1991), BRAT (1997), Deucetone RAT (2002), Juggernaut Bass RAT (2003), You Dirty RAT (2004), '85 Whiteface RAT Reissue (2010)。

ProCo Rat Pedal Intro Image

RAT 最初是在 1978 年作为定制产品制造的，1979 年开始批量生产。2008 年生产线转移到中国，现在由 Neutrik 为 Pro Co Sound 制造。

1. Pro Co Rat 电路图

Pro Co Rat 电路可以分解为四个子模块：电源（Power Supply）、削波放大器（Clipper Amplifier）、音色控制（Tone Control）和输出（Output）：

Pro Co Rat Schematic Parts

该设计基于 LM308 单运算放大器。失真是使用可变增益电路产生的，二极管对波形进行限幅。失真级之后是音色滤波器和输出缓冲级，最后以音色控制结束。

电路布局

它使用带有标准通孔组件的单层 PCB，可轻松安装在钢制外壳中。不同的版本/修订版使用不同的基材。

proco rats pcb

物料清单

序号	参数	序号	参数
C₁, C₉	22nF	D₃	1N4002
C₂	1nF	Q₁	2N5458
C₃	30pF	R_VOLUME,R_TONE,R_DISTORTION	100K-A
C₄	100pF	R₁, R₂, R₈	1M
C₅	2.2uF	R₃, R₆	1K
C₆, C₇	4.7uF	R₄, R₁₀	47
C₈	3.3nF	R₅	560
C₁₀, C₁₃	1uF	R₇	1.5K
C₁₁	100uF	R₉	10K
C₁₂	0.1uF	R₁₁, R₁₂	100K
D₁, D₂	1N914	U₁	LM308

2. 电源

电源级为有源电路（运算放大器和晶体管）提供 9V。使用一个简单的分压器（R₁₁、R₁₂）产生 4.5 伏电压，用作虚拟接地。

Pro Co Rat Power Supply

电容 C₁₁ 和 C₁₂ 消除 9V 电源的纹波，C₁₃ 在 4.5V 线路中起到同样的作用。
R₁₀ 47Ω 电阻过滤电源线噪声，这个低值电阻与电容 C₁₁ 和 C₁₂ 一起构成低通滤波器，衰减高频脉冲噪声。
二极管 D3 用于反极性保护。

3. 削波放大器

削波放大器是电路的核心，它由一个具有可变电压增益的非反相运算放大器和一些滤波器组成，以形成失真响应。两个二极管 D₁ 和 D₂ 将执行硬限幅操作。

Pro Co Rat Clipping Stage

输入插孔对地旁边的1MΩ输入电阻 R₁ 是下拉电阻，防止踏板打开时爆音。该输入下拉电阻成为踏板的最大输入阻抗。
22nF 电容 C₁ 可阻断直流电并提供简单的高通滤波。所有有趣的吉他信号都会通过，只有低于 7.2Hz 的谐波会被衰减。截止频率由以下公式定义：

$$f_{c1}=\frac {1} {2\pi \cdot R_{2} \cdot C_{1}}= \frac{1}{2\pi \cdot 1M \cdot 22nF}=7.2Hz$$

1K 电阻器 R₃ 保护运算放大器免受输入过电流的影响。 1nF 电容 C₂ 将高频信号分流到地面并输出以减弱信号。
大 C₇ 只是一个耦合电容器，可去除直流内容并将运算放大器连接到二极管级。电阻器 R₆ 将限制通过二极管的电流量。

输入阻抗

输入阻抗可以计算为：

$$Z_{in}= (R_{1}//R_{2})//(R_{3}+Z_{in LM308})$$
$$Z_{in}= (1M//1M) // (1K+40M)= 494K$$

注意：494KΩ 是一个高输入阻抗，对于失真踏板来说可以认为是相当不错的。无论如何，最好的做法是将输入阻抗至少保持在 1 MΩ，避免吸音。例如，通过将 R₁ 和 R₂ 的值增加到 2MΩ，踏板输入阻抗将增加到 1MΩ，并且踏板将更好地保留所有吉他原始声音特性。

3.1 电压增益

电压增益通过失真旋钮进行微调，在非反相拓扑中可以计算为：

$$G_{v}=1+\frac{R_{DISTORTION}}{R_{4}//R_{5}}$$
$$G_{v min}=1+\frac{0}{47//560}=1\: (0dB)$$
$$G_{v max}=1+\frac{100K}{47//560}=2305 \: (67dB)$$

注意：此电压增益对于失真踏板来说可以认为略高，类似于其他失真踏板，如 Big Muff Pi (G_vmax=60dB)、MXR Distortion + (G_vmax=46dB) 或 Tube Screamer (G_vmax=41dB) 然而，电压增益不会达到 67dB 的峰值，因为增益将受到运算放大器特性和限幅二极管作用的限制，这将在二极管限幅部分进行研究。

3.2 低/高通滤波

在失真踏板的削波阶段或之前，通常会使用低通和高通滤波器的组合。失真使原始吉他信号的谐波更加复杂，这意味着越多的失真，在乐队中区分为每种声音会更加困难。使用高通和低通滤波器对失真信号人为地进行频带限制，可以防止其频谱扩散到太宽的区域，以助于更好的混音。

pro-co-rat-clipping-response

上图显示了限幅放大器的响应。信号在高频和低频中被抑制，在 1KHz 左右的中频波峰有助于使吉他的声音在乐队中更突出。

低于 1.5 KHz 和 60Hz 的谐波被高通滤波器衰减；由于低通滤波器和运算放大器的增益带宽，高频也会衰减，这两种效应在高增益（蓝线）下更为明显。

低通滤波器

反馈电阻两端的 100pF 小电容 C₄ 用作低通滤波器，软化吉他波形的角并在削波前使高频变得柔和。

滤波器的截止频率由以下公式定义：

$$f_{c1}=\frac{1}{2\pi \cdot R_{DIST} \cdot C_{4}}$$

$$f_{c1 min}=\frac{1}{2\pi \cdot 100K \cdot 100pF}= 16 KHz$$

R_DISTORTION 电位器控制 f_c1 频率，当失真控制在 100K 即达到最大值时， 100pF 的作用更加显着，从而使截止最小值频率到可听频率（16 KHz），从而软化失真。当失真旋钮没有达到最大值时，f_c 变得更高，不太明显。

高通滤波器

从（-）输入到接地，有由 R₄C₅ 和 R₅C₆ 形成的两个并联 RC 网络。它们是一个有源高通滤波器，放置两个极点并衰减低于截止频率的频率：

$$f_{c2}=\frac{1}{2\pi \cdot R_{4} \cdot C_{5}} =\frac{1}{2\pi \cdot 47 \cdot 2.2uF}= 1539 Hz$$

$$f_{c3}=\frac{1}{2\pi \cdot R_{5} \cdot C_{6}} =\frac{1}{2\pi \cdot 560 \cdot 4.7uF}= 60 Hz$$

低于 1.5KHz 的谐波将具有 20dB/dec 的衰减，而低于 60Hz 的较低谐波将以 40dB/dec 的大程度衰减。这种过滤会导致低音音符在削波动作之前衰减，从而减少低端削波并产生频率选择性失真。

3.3 运算放大器的选择

原始 Rat 踏板使用 Motorola LM308N 运算放大器，Texas Instruments OP07DP 是新型号中使用的替代运算放大器。RAT 的部分音色仍然取决于芯片的选择，这取决于转换率(Slew Rate)、增益带宽乘积(Gain-Bandwidth Product)和补偿电容器(Compensation Capacitor)：

转换率

它指运算放大器摆动输出的速度。如果要放大的信号_过快_（高频），运算放大器将无法正常工作，只能放大低于转换速率限制的信号。

lm308-slew-rate

在上图中，TL071（单块效果器中使用的标准运算放大器）转换率为 13V/us，LM308 为 0.3V/us，慢了大约 40 倍，这表明 Rat 运算放大器有多慢。

转换速率与补偿电容成反比，电容越小，转换速率越快。

对于吉他信号（近似于正弦信号），运算放大器的转换速率将限制信号的上升速度，如下所示：

$$Slew\: Rate \geq 2 \pi f\cdot V_{p}$$

$$f_{max}=\frac{Slew\: Rate}{2\pi \cdot V_{p}}=\frac{300000}{2\pi \cdot 9V}=5.3\: KHz$$

其中 V_peak 为 9V，数据表图像中的转换速率为 300000 V/s。

这意味着运算放大器输出将无法处理高于 5.3KHz 的谐波，因此高频不会通过放大器，从而限制或抑制高次谐波。

增益带宽乘积 (The Gain-Bandwidth Product)

与增益设置有关；下面从数据表中提取的_开环频率响应_（增益带宽积）图显示，并非所有频率都可以放大相同的数量。

lm308-gain-bandwidth-product

对于 67dB 的 Rat 最大电压增益，低于 500Hz 的频率将毫无问题地被放大，但频率越高增益越小，如图所示。例如，在 10KHz 时，最大电压增益将不超过 30dB。

因此，吉他信号的放大是频率相关的，低音谐波将获得最大增益，而较高频率将获得较小的增益。

补偿电容

带宽和转换率与 1/C_compensation 成正比，上限越小，带宽和转换率就越大。数据表中的典型和建议值为 30pF（与 Rat 设计中使用的相同）。

pro-co-rat-badwidth

上图再次显示了如何使用 30pF 电容衰减高频。使用更大/更小的上限，带宽和转换率将降低/提高。

总结这 3 种效果，Rat 的标志性声音的一部分本质上是运算放大器产生的失真，以及高频非线性的衰减方式。所有这些的结果最终会在下一步被二极管削波。

3.4 二极管削波

硅二极管 D₁ 和 D₂ 对预放大信号进行硬削波，产生类似于 MXR Distortion+ 或 Boss DS-1 的对称失真。当运算放大器输出与地之间的电压差（正或负）大于二极管的正向电压 V_F 时，二极管将导通。当二极管开启正向偏置时，信号将被削波至 V_F 值。二极管 D₁ 会将正半周期信号削波至 +V_F 并且 D₂ 会将负信号半周期削波至 - V_F。

Rat 使用 1N914 标准二极管，可以换成其它硅管，如 1N4148、1N4448 或 1N916。

pro-co-rat-clipped-waveform