VCA 合成器入门

shongrong · 发表于 2021-2-21

VCA 合成器入门

本系列的文章中，我们经常提到一个部件，第三篇中我们对其进行了简单探讨，但没有深入研究。这一部件就是压控放大器（Voltage Controlled Amplifier，或简写为「VCA」）。对于任何模拟合成器，VCA 的存在都极为重要。事实上，非模拟合成器的世界中，你也不难找到类似于 VCA 的放大器的身影。数控模拟合成器拥有「DCA（数控放大器）」，纯数字合成器与采样器具备各种「时变放大器（TVA）」、运算器等级控制等其他数字放大器。本文将对 VCA 以及他们的变种进行介绍，以及你应该如何使用 VCA 来制作心仪的音色。

图 1: 一个简单的声音生成器

首先，我们需要将音频信号链中的放大器与改变控制电压用的放大器区别开来。让我们简单回顾本系列的第三篇文章，并观察上面的图 1。该图展示的是一个简单的合成器流程，其中包含一个音色生成器还有一个放大器，从而使得你可以听到生成的音色。很显然，这一流程中，放大器的作用和你的车内音响起的左右几乎一致。简单来说，这里的放大器仅仅用来使声音更响。

虽然「放大声音」这一对于放大器的解释完全没有问题，但我们今天的讨论远远不止这么简单。你有没有曾经考虑过「到底什么是放大器」？如果你是一位吉他手，对你来说放大器或许是一个用来给吉他添加失真或其他效果的装置。如果你是一位音频发烧友，放大器对你来说或许是一个巨大、昂贵的方盒子，里面装满了电子管等元件，其用途是在放大音频信号的同时，尽量减少对音质的影响。但如果你是一位音频工程师，或许对于你来说一个理想的放大器是一个能将振幅为 A1 的输入信号转换成一个波形相同，但振幅为 A2 的信号的装置。

算式1: 放大器的增益 G 的计算方法

很显然，如果 A2 大于 A1，输出信号将比输入信号更响。如果 A2 小于 A1，输出将比原始信号更安静。很简单，对吗？但只知道输出比输入更响或更安静还远远不够。我们还需要知道信号发生变化的幅度是多少。计算信号变化幅度的方式很简单，我们只需要计算 A2 对于 A1 的比例，这一比例就是放大器的「增益（Gain）」。所以，如果说 A2 是 A1 的两倍，这一比例即为 2，也就是说该放大器的增益为 2。不过，这并不意味着 A2 的声音听上去有 A1 的两倍响，因为人耳的工作方式并非如此。不过这是改天的话题了。

图 2: 一个收音机的简易信号流

现在让我们想一想放大器的实际运用。以一个简易的收音机的音量旋钮为例，音量旋钮用来增加或者减少你能够听到的信号的音量，也就是说它在以某种方式控制放大器的增益。图 2 展示的是该类音量控制的简易流程。

该图中，信号接收器电路生成一个低振幅的信号，该信号被直接输送至前置放大器。前置放大器将该信号放大至「线路等级（Line Level）」。该信号接着被输送至音量控制器，本例中的音量控制器仅仅是一个简单的被动分压器。如果音量旋钮位于顺时针最大的位置，信号将不受影响，直接被输送至功率放大器中。功率放大器将会把该信号放大至足以驱动扬声器的音量等级，从而使得你可以听到收音机的声音。然而，如果你将音量旋钮向逆时针方向逐渐旋转，声音的响度将会随之逐渐减弱，当旋钮位于完全逆时针的位置时，声音将完全消失。这是因为控制音量的分压器削减了到达功放的信号的量。

听上去或许有些奇怪，不过你可以将该音量旋钮看作某种放大器。只不过，这一装置并不会真正「放大」信号。当其处于「关闭」状态时，输出/输入的比例等于 0，当其位于最大值时，输出/输入的比例等于 1。理论上讲，这是一个增益永远处于 0 到 1 之间的放大器。不过通常情况下，我们一般把这类被动的装置叫做「衰减器（attenuator）」而非「放大器（amplifier）」。

对于图 2 中的放大/衰减信号链来说，还有一点重要的地方需要考虑。我们知道，不管旋钮位于任何位置，其增益数值 GATTEN 一定位于 0 和 1 之间。我们同样可以假设其前置放大器拥有一个较大的增益数值（这里我们将其称作 GPRE），紧接着的功率放大器的增益将会更大（这里我们将其称作 GPOWER）。这样，这一电路造成的总增益即为三处各个增益的乘积，如算式 2 所示。

算式 2: 整个系统的总增益

不管电路中具备一个还是多个放大器或衰减器，整个系统的总增益可以通过简单将各个增益的数值相乘进行计算。

尽管图 2 的电路很容易理解，其实际的作用并非十分理想。这是因为音频信号被输入进了衰减器。因为衰减器通常由廉价的分压器构成，这一电路八成会向音频信号中引入杂音和失真。大多数情况下，我们会希望尽量避免这类影响，所以我们需要一个能够实现相同效果，但不会引入副作用的电路。
下面的图 3 中展示的就是这样一种电路。这一电路具备和之前相同的电子元件，不过音量旋钮衰减的是一个控制前置放大器增益的电压源。换句话说，我们将前置放大器改造成了一个压控放大器（Voltage Controlled Amplifier），音频信号将不再通过音量旋钮。

图3: 一个更好的收音机电路。

让我们把这一「收音机」架构运用至简易的模拟合成器中。显然，收音机的信号接收器电路可以产生任何音频信号：可以是说话声，可以是贝多芬的乐曲，也可以是锯齿波的声音。所以让我们把电路中的信号接收器元件换成合成器的「音色发生器」。接着，让我们考虑一下图中的功放元件。一些内置扬声器的合成器（比如 ARP 2600，Roland HS60 和 Yamaha YS200）具有功放，但大多数合成器将音频输送至外部扬声器和音响中。因此，我们可以把「功放」从电路中删去。这样我们只剩下前置放大器和音量控制两个放大器元件。

图 4: 合成器中的 VCA 流程

回顾本系列的第三篇文章，其中有提到我们可以使用某种控制器电路来替代音量控制。经过这样的修改，我们可以得到图 4，其音频流程与之前收音机的例子相似，但前置放大器由包络生成器控制，包络生成器又由某种触发器触发。尽管图 4 与图 3 看上去十分不同，但两图本质上描述的发生器、放大器与音量控制三者之间的关系几乎相同。让我们对其进行分析。

比方说音色生成器生成的原始信号电压为 ±2V。同时假设图 4 中的包络发生器产生的是电压为 0V 到 +5V 的 ADSR 包络。假设图中的 VCA 在其 CV 输入电压为 0V 的时候，它将不会输出任何信号。当其 CV 输入为最大值 +5V 的时候，其输出的最高音频幅度为 5 x 2 = ±10V。这就意味着这一放大器的最大增益为 5（G=10V/2V），其最小增益则为 0（G=0V/2V）。最后，让我们假设该放大器的响应模式为「线性」响应，也就是说，当 CV 输入为 1V 的时候 VCA 的增益为 2，CV 输入为 2V 的时候增益为 4，以此类推。这也意味着任意时刻下的音频信号增益的数值将与放大器的 CV 输入数值成比例关系。
把这些电压写成文字或许并非十分易懂，希望下面的图 5 可以帮助你理解这一过程。

图 5: 量化放大器上包络合成器的作用

但实际的 VCA 的作用并非如此简单。观察 ARP Odyssey 或者 ARP 2600 的前置面板，你会发现一个叫做初始增益（Initial Gain）或者 VCA 增益（VCA Gain）的滑杆。这一滑杆可以为包络生成器生成的 CV 增添一个初始 CV 或者「偏移电压」（见图 6）。

图 6: 为 VCA 添加初始增益

打比方说，如果我们向图 5 中的包络上添加一个增益为 +3V 的初始增益，那么我们就能得到图 7 中的包络。这一偏移的效果是即时的，因此 VCA 生成的增益将总会大于零。因为 VCA 的 CV 控制拥有恒定的 +3V 偏移，输出的位置将总会有信号生成：如果滤波器位于开放位置，这一合成器将会不停地制造声音，直至其电源被切断。

图 7: 初始增益及其对于包络整体的偏移

到此为止我们的讨论都是在以我们的 VCA 拥有无限的余量（headroom）这一假设的前提下进行的。也就是说，无论放大多少倍，它都能准确地保持音频信号的波形，不会引入失真或者其他我们不想要的结果。当然，这在现实情况下是不可能的。如果你让 VCA 制造超过其能力的信号，这种情况下就会造成失真。

让我们再次观察图 5，可能你还记得，当该图中的控制 CV 位于 +5V 电压时，图中的 VCA 达到其最大输出值 ±10V。所以，如果我们用图 7 中的 +8V 包络取代之前的 0V 至 +5V 的 ADSR 包络的话会发生什么呢？很显然，在包络的最高值处，VCA 会尝试生成 ±16V 的电压，但其并不能完成这一任务，因为它的最大输出无法超过 ±10V，因此它的输出信号将会被「削波（clipped）」，如图 8 所示。

图 8: 超过负荷的 VCA 造成的削波失真

仔细观察图 8 中的波形，你会发现在 ADSR 包络的峰值处，VCA 输出的信号并非原始信号的锯齿波。包络的起音与衰减位置处，波形的「顶部」被截断，因为放大器不具备产生 ±10V 信号的能力。这也将因此造成一种刺耳的音频失真（削波失真），当包络的数值下降到 VCA 能力范围后，这一失真随之消失，波形也随之恢复至原始的锯齿波的形状。当然，许多人利用 VCA 的这一特性，为音频添加失真效果，尤其在放大器的削波处理为「软」削波时，这一效果最为理想，因为软削波会对削断的波形进行平滑处理，从而使得结果更加自然、柔和。同样的原理也适用于模拟磁带压缩与饱和效果，这也是导致模拟录音与数字录音之间存在差异的原因之一。不过这一话题也要留给改天再来讨论了。

目前为止我们都在假设 VCA 存在于音频信号流之中，但实际情况下，大多数合成器中的 VCA 并非位于此处，而是位于控制电压的电路中。

让我们再次回过头观察图 6 中控制振幅的包络发生器。该 ADSR 包络在其起音阶段结束的时候输出的电压为 +5V。回想本系列的上一篇文章，你或许还记得大多数模拟包络发生器都不具备更改起音末尾时输出电压幅度的能力：无论 A、D、S 和 R 四个参数的数值为多少，起音幅度将永远为 +5V（即该放大器的最大电压参数）。因此，正如我们在上文中讨论的，该 VCA 将制造幅度为 5 的增益。但很多情况下，我们并不希望包络对信号产生如此剧烈的影响。所以我们应该如何才能减少 VCA 对信号的影响幅度呢？

图 9: 使用 VCA 控制包络幅度

观察图 9，你可以看到我将 VCA 放在了控制信号的流程中。该 VCA 由一个经衰减器控制的 CV 控制。该 VCA 会对 ADSR 施加增益（增益幅度由衰减器的参数控制），从而在保持包络形状不变的情况下对其进行放大或衰减。

如果 ADSR 是影响信号放大器的唯一 CV，这一结果并没有太大作用。这一情况下，减少包络的幅度与减少合成器的整体响度效果并无任何差异。但是 ADSR 并非合成器中唯一的 CV，图 9 中的初始增益控制、LFO 等其他控制器都可以作为影响音频响度的控制器。这时，衰减器用于控制 ADSR 影响初始响度的相对等级以及其他控制器对于振幅影响的强弱。

图10: 使用 ADSR 和 VCA 控制低通滤波器

以便理解，让我们以一个更加常见的情况为例。观察图 10，它与图 9 十分相似，但是这里的 CV 控制的是低通滤波器，而非放大器。可以看到，图中最顶端的推子控制的是滤波器的初始值，通常被叫做「截止频率（cutoff frequency）」，VCA 控制的是包络对于截止频率影响的强弱。很显然，你八成不会希望让每一个音色的滤波器都进行全开或全闭所以几乎所有合成器都允许你通过 VCA 对滤波器包络的强度进行控制。

许多人讨论合成器时，通常会忽视 VCA 扮演的重要角色。确实，当你观察许多模拟合成器的面板时，你可以看到它们的「放大器（Amplifier）」或者「VCA」区域通常只有一个 ADSR 包络以及包络等级（Amount）以及初始等级旋钮。这也是许多合成器新手经常将包络发生器、CV 信号流中的 VCA 以及音频信号放大器本身这三者搞混的原因。同样的，合成器面板上的滤波器区域中在截止频率与共振值控制之外，通常也还包含一个单独的包络生成器及其包络量（Amount）控制的旋钮。当然，这也意味着，VCF 电路中也存在 VCA 的身影。

图 11: 实际的 VCA 模块之一

本文的最后，让我们观察由一个英国厂商生产的模块化合成器的 VCA 模组。正如图 11 所见，该装置具备四条输入，五个旋钮以及一条输出。四条输入中的其中两条为音频信号输入（标记为 SIG 1 IN 和 SIG 2 IN），这也说明该模组的电路中包含音频信号混合器。剩下的两条输入为 CV 输入，用于控制 VCA 自身的幅度，这也意味着该电路中同样包含 CV 信号混合器。两条 CV 输入分别标记为 CV1-IN LIN 和 CV2-IN LOG。四条输入均具有专用的电平控制，除此之外，该模组还具备一个初始信号等级控制，正如我们在前文所讨论的。图 12 为该模块的简易电路流程。

图 12: 一个强大的 VCA 模块流程

可以看到，这类模块里具备许多不同的电子元件。当然，严格来说，这一模块并不仅仅只是一个简单的 VCA，但合成器厂商通常为了便于用户理解，牺牲一些命名的准确性。你或许好奇该装置的两个 CV 输入为什么分别叫做 LIN 和 LOG。这一问题涉及现实电路中信号存在与彼此交互的方式，这一话题我们也要留给后续的文章讨论。

收笔之前，我还想请各位思考这一问题：本文中我们讨论的主信号流程均为音频信号，但我们能否以 CV 信号取代图 4、5、6、8、9、10 和 12 中的音频信号呢？答案是当然可以！

VCA 的最常见的用途之一就是使用一个 CV 来调制其他 CV 的行为。尽管在本文开头我有让各位分开考虑 CV 和音频信号流，但其实音频信号链中的放大器和控制电压信号流中的放大器两者并无任何差异。

同时，一条信号链中并非只能存在一个 VCA，你完全可以将经过一个 VCA 处理的信号输送至另一个或者多个 VCA 中。无论你总共使用多少个 VCA，本文最初总结的第一条规律仍然成立：

不管信号链中包含一个还是多个放大器和/或衰减器，任何时刻，整个系统的增益都可以通过将各个放大/衰减器的增益相乘进行计算。

这也是使得模块化合成器如此强大的原因之一：无论是音频还是 CV 信号，都可以被一种或多种动态信号进行剧烈地改变。通常被人忽视的 VCA 则是这一特性的幕后英雄。

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