對于任何模擬合成器，VCA 的存在都極為重要。事實(shí)上，非模擬合成器的世界中，你也不難找到類似于 VCA 的放大器的身影。數(shù)控模擬合成器擁有「DCA（數(shù)控放大器）」，純數(shù)字合成器與采樣器具備各種「時(shí)變放大器（TVA）」、運(yùn)算器等級控制等其他數(shù)字放大器。本文將對 VCA 以及他們的變種進(jìn)行介紹，以及你應(yīng)該如何使用 VCA 來制作心儀的音色。

圖 1: 一個(gè)簡單的聲音生成器

首先，我們需要將音頻信號鏈中的放大器與改變控制電壓用的放大器區(qū)別開來。讓我們簡單回顧本系列的第三篇文章，并觀察上面的圖 1。該圖展示的是一個(gè)簡單的合成器流程，其中包含一個(gè)音色生成器還有一個(gè)放大器，從而使得你可以聽到生成的音色。很顯然，這一流程中，放大器的作用和你的車內(nèi)音響起的左右?guī)缀跻恢隆：唵蝸碚f，這里的放大器僅僅用來使聲音更響。

雖然「放大聲音」這一對于放大器的解釋完全沒有問題，但我們今天的討論遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這么簡單。你有沒有曾經(jīng)考慮過「到底什么是放大器」？如果你是一位吉他手，對你來說放大器或許是一個(gè)用來給吉他添加失真或其他效果的裝置。如果你是一位音頻發(fā)燒友，放大器對你來說或許是一個(gè)巨大、昂貴的方盒子，里面裝滿了電子管等元件，其用途是在放大音頻信號的同時(shí)，盡量減少對音質(zhì)的影響。但如果你是一位音頻工程師，或許對于你來說一個(gè)理想的放大器是一個(gè)能將振幅為 A1 的輸入信號轉(zhuǎn)換成一個(gè)波形相同，但振幅為 A2 的信號的裝置。

算式1: 放大器的增益 G 的計(jì)算方法

很顯然，如果 A2 大于 A1，輸出信號將比輸入信號更響。如果 A2 小于 A1，輸出將比原始信號更安靜。很簡單，對嗎？但只知道輸出比輸入更響或更安靜還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們還需要知道信號發(fā)生變化的幅度是多少。計(jì)算信號變化幅度的方式很簡單，我們只需要計(jì)算 A2 對于 A1 的比例，這一比例就是放大器的「增益（Gain）」。所以，如果說 A2 是 A1 的兩倍，這一比例即為 2，也就是說該放大器的增益為 2。不過，這并不意味著 A2 的聲音聽上去有 A1 的兩倍響，因?yàn)槿硕墓ぷ鞣绞讲⒎侨绱恕２贿^這是改天的話題了。

圖 2: 一個(gè)收音機(jī)的簡易信號流

現(xiàn)在讓我們想一想放大器的實(shí)際運(yùn)用。以一個(gè)簡易的收音機(jī)的音量旋鈕為例，音量旋鈕用來增加或者減少你能夠聽到的信號的音量，也就是說它在以某種方式控制放大器的增益。圖 2 展示的是該類音量控制的簡易流程。

該圖中，信號接收器電路生成一個(gè)低振幅的信號，該信號被直接輸送至前置放大器。前置放大器將該信號放大至「線路等級（Line Level）」。該信號接著被輸送至音量控制器，本例中的音量控制器僅僅是一個(gè)簡單的被動(dòng)分壓器。如果音量旋鈕位于順時(shí)針最大的位置，信號將不受影響，直接被輸送至功率放大器中。功率放大器將會(huì)把該信號放大至足以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的音量等級，從而使得你可以聽到收音機(jī)的聲音。然而，如果你將音量旋鈕向逆時(shí)針方向逐漸旋轉(zhuǎn)，聲音的響度將會(huì)隨之逐漸減弱，當(dāng)旋鈕位于完全逆時(shí)針的位置時(shí)，聲音將完全消失。這是因?yàn)榭刂埔袅康姆謮浩飨鳒p了到達(dá)功放的信號的量。

聽上去或許有些奇怪，不過你可以將該音量旋鈕看作某種放大器。只不過，這一裝置并不會(huì)真正「放大」信號。當(dāng)其處于「關(guān)閉」?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸出/輸入的比例等于 0，當(dāng)其位于最大值時(shí)，輸出/輸入的比例等于 1。理論上講，這是一個(gè)增益永遠(yuǎn)處于 0 到 1 之間的放大器。不過通常情況下，我們一般把這類被動(dòng)的裝置叫做「衰減器（attenuator）」而非「放大器（amplifier）」。

對于圖 2 中的放大/衰減信號鏈來說，還有一點(diǎn)重要的地方需要考慮。我們知道，不管旋鈕位于任何位置，其增益數(shù)值 GATTEN 一定位于 0 和 1 之間。我們同樣可以假設(shè)其前置放大器擁有一個(gè)較大的增益數(shù)值（這里我們將其稱作 GPRE），緊接著的功率放大器的增益將會(huì)更大（這里我們將其稱作 GPOWER）。這樣，這一電路造成的總增益即為三處各個(gè)增益的乘積，如算式 2 所示。

算式 2: 整個(gè)系統(tǒng)的總增益

不管電路中具備一個(gè)還是多個(gè)放大器或衰減器，整個(gè)系統(tǒng)的總增益可以通過簡單將各個(gè)增益的數(shù)值相乘進(jìn)行計(jì)算。

盡管圖 2 的電路很容易理解，其實(shí)際的作用并非十分理想。這是因?yàn)橐纛l信號被輸入進(jìn)了衰減器。因?yàn)樗p器通常由廉價(jià)的分壓器構(gòu)成，這一電路八成會(huì)向音頻信號中引入雜音和失真。大多數(shù)情況下，我們會(huì)希望盡量避免這類影響，所以我們需要一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)相同效果，但不會(huì)引入副作用的電路。

下面的圖 3 中展示的就是這樣一種電路。這一電路具備和之前相同的電子元件，不過音量旋鈕衰減的是一個(gè)控制前置放大器增益的電壓源。換句話說，我們將前置放大器改造成了一個(gè)壓控放大器（Voltage Controlled Amplifier），音頻信號將不再通過音量旋鈕。

圖3: 一個(gè)更好的收音機(jī)電路。

讓我們把這一「收音機(jī)」架構(gòu)運(yùn)用至簡易的模擬合成器中。顯然，收音機(jī)的信號接收器電路可以產(chǎn)生任何音頻信號：可以是說話聲，可以是貝多芬的樂曲，也可以是鋸齒波的聲音。所以讓我們把電路中的信號接收器元件換成合成器的「音色發(fā)生器」。接著，讓我們考慮一下圖中的功放元件。一些內(nèi)置揚(yáng)聲器的合成器（比如 ARP 2600，Roland HS60 和 Yamaha YS200）具有功放，但大多數(shù)合成器將音頻輸送至外部揚(yáng)聲器和音響中。因此，我們可以把「功放」從電路中刪去。這樣我們只剩下前置放大器和音量控制兩個(gè)放大器元件。

圖 4: 合成器中的 VCA 流程

回顧本系列的第三篇文章，其中有提到我們可以使用某種控制器電路來替代音量控制。經(jīng)過這樣的修改，我們可以得到圖 4，其音頻流程與之前收音機(jī)的例子相似，但前置放大器由包絡(luò)生成器控制，包絡(luò)生成器又由某種觸發(fā)器觸發(fā)。盡管圖 4 與圖 3 看上去十分不同，但兩圖本質(zhì)上描述的發(fā)生器、放大器與音量控制三者之間的關(guān)系幾乎相同。讓我們對其進(jìn)行分析。

比方說音色生成器生成的原始信號電壓為 ±2V。同時(shí)假設(shè)圖 4 中的包絡(luò)發(fā)生器產(chǎn)生的是電壓為 0V 到 +5V 的 ADSR 包絡(luò)。假設(shè)圖中的 VCA 在其 CV 輸入電壓為 0V 的時(shí)候，它將不會(huì)輸出任何信號。當(dāng)其 CV 輸入為最大值 +5V 的時(shí)候，其輸出的最高音頻幅度為 5 x 2 = ±10V。這就意味著這一放大器的最大增益為 5（G=10V/2V），其最小增益則為 0（G=0V/2V）。最后，讓我們假設(shè)該放大器的響應(yīng)模式為「線性」響應(yīng)，也就是說，當(dāng) CV 輸入為 1V 的時(shí)候 VCA 的增益為 2，CV 輸入為 2V 的時(shí)候增益為 4，以此類推。這也意味著任意時(shí)刻下的音頻信號增益的數(shù)值將與放大器的 CV 輸入數(shù)值成比例關(guān)系。

把這些電壓寫成文字或許并非十分易懂，希望下面的圖 5 可以幫助你理解這一過程。

圖 5: 量化放大器上包絡(luò)合成器的作用

但實(shí)際的 VCA 的作用并非如此簡單。觀察 ARP Odyssey 或者 ARP 2600 的前置面板，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)叫做初始增益（Initial Gain）或者 VCA 增益（VCA Gain）的滑桿。這一滑桿可以為包絡(luò)生成器生成的 CV 增添一個(gè)初始 CV 或者「偏移電壓」（見圖 6）。

圖 6: 為 VCA 添加初始增益

打比方說，如果我們向圖 5 中的包絡(luò)上添加一個(gè)增益為 +3V 的初始增益，那么我們就能得到圖 7 中的包絡(luò)。這一偏移的效果是即時(shí)的，因此 VCA 生成的增益將總會(huì)大于零。因?yàn)?VCA 的 CV 控制擁有恒定的 +3V 偏移，輸出的位置將總會(huì)有信號生成：如果濾波器位于開放位置，這一合成器將會(huì)不停地制造聲音，直至其電源被切斷。

圖 7: 初始增益及其對于包絡(luò)整體的偏移

到此為止我們的討論都是在以我們的 VCA 擁有無限的余量（headroom）這一假設(shè)的前提下進(jìn)行的。也就是說，無論放大多少倍，它都能準(zhǔn)確地保持音頻信號的波形，不會(huì)引入失真或者其他我們不想要的結(jié)果。當(dāng)然，這在現(xiàn)實(shí)情況下是不可能的。如果你讓 VCA 制造超過其能力的信號，這種情況下就會(huì)造成失真。

讓我們再次觀察圖 5，可能你還記得，當(dāng)該圖中的控制 CV 位于 +5V 電壓時(shí)，圖中的 VCA 達(dá)到其最大輸出值 ±10V。所以，如果我們用圖 7 中的 +8V 包絡(luò)取代之前的 0V 至 +5V 的 ADSR 包絡(luò)的話會(huì)發(fā)生什么呢？很顯然，在包絡(luò)的最高值處，VCA 會(huì)嘗試生成 ±16V 的電壓，但其并不能完成這一任務(wù)，因?yàn)樗淖畲筝敵鰺o法超過 ±10V，因此它的輸出信號將會(huì)被「削波（clipped）」，如圖 8 所示。

圖 8: 超過負(fù)荷的 VCA 造成的削波失真

仔細(xì)觀察圖 8 中的波形，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在 ADSR 包絡(luò)的峰值處，VCA 輸出的信號并非原始信號的鋸齒波。包絡(luò)的起音與衰減位置處，波形的「頂部」被截?cái)啵驗(yàn)榉糯笃鞑痪邆洚a(chǎn)生 ±10V 信號的能力。這也將因此造成一種刺耳的音頻失真（削波失真），當(dāng)包絡(luò)的數(shù)值下降到 VCA 能力范圍后，這一失真隨之消失，波形也隨之恢復(fù)至原始的鋸齒波的形狀。當(dāng)然，許多人利用 VCA 的這一特性，為音頻添加失真效果，尤其在放大器的削波處理為「軟」削波時(shí)，這一效果最為理想，因?yàn)檐浵鞑〞?huì)對削斷的波形進(jìn)行平滑處理，從而使得結(jié)果更加自然、柔和。同樣的原理也適用于模擬磁帶壓縮與飽和效果，這也是導(dǎo)致模擬錄音與數(shù)字錄音之間存在差異的原因之一。不過這一話題也要留給改天再來討論了。

目前為止我們都在假設(shè) VCA 存在于音頻信號流之中，但實(shí)際情況下，大多數(shù)合成器中的 VCA 并非位于此處，而是位于控制電壓的電路中。

讓我們再次回過頭觀察圖 6 中控制振幅的包絡(luò)發(fā)生器。該 ADSR 包絡(luò)在其起音階段結(jié)束的時(shí)候輸出的電壓為 +5V。回想本系列的上一篇文章，你或許還記得大多數(shù)模擬包絡(luò)發(fā)生器都不具備更改起音末尾時(shí)輸出電壓幅度的能力：無論 A、D、S 和 R 四個(gè)參數(shù)的數(shù)值為多少，起音幅度將永遠(yuǎn)為 +5V（即該放大器的最大電壓參數(shù)）。因此，正如我們在上文中討論的，該 VCA 將制造幅度為 5 的增益。但很多情況下，我們并不希望包絡(luò)對信號產(chǎn)生如此劇烈的影響。所以我們應(yīng)該如何才能減少 VCA 對信號的影響幅度呢？

圖 9: 使用 VCA 控制包絡(luò)幅度

觀察圖 9，你可以看到我將 VCA 放在了控制信號的流程中。該 VCA 由一個(gè)經(jīng)衰減器控制的 CV 控制。該 VCA 會(huì)對 ADSR 施加增益（增益幅度由衰減器的參數(shù)控制），從而在保持包絡(luò)形狀不變的情況下對其進(jìn)行放大或衰減。

如果 ADSR 是影響信號放大器的唯一 CV，這一結(jié)果并沒有太大作用。這一情況下，減少包絡(luò)的幅度與減少合成器的整體響度效果并無任何差異。但是 ADSR 并非合成器中唯一的 CV，圖 9 中的初始增益控制、LFO 等其他控制器都可以作為影響音頻響度的控制器。這時(shí)，衰減器用于控制 ADSR 影響初始響度的相對等級以及其他控制器對于振幅影響的強(qiáng)弱。

圖10: 使用 ADSR 和 VCA 控制低通濾波器

以便理解，讓我們以一個(gè)更加常見的情況為例。觀察圖 10，它與圖 9 十分相似，但是這里的 CV 控制的是低通濾波器，而非放大器。可以看到，圖中最頂端的推子控制的是濾波器的初始值，通常被叫做「截止頻率（cutoff frequency）」，VCA 控制的是包絡(luò)對于截止頻率影響的強(qiáng)弱。很顯然，你八成不會(huì)希望讓每一個(gè)音色的濾波器都進(jìn)行全開或全閉所以幾乎所有合成器都允許你通過 VCA 對濾波器包絡(luò)的強(qiáng)度進(jìn)行控制。

許多人討論合成器時(shí)，通常會(huì)忽視 VCA 扮演的重要角色。確實(shí)，當(dāng)你觀察許多模擬合成器的面板時(shí)，你可以看到它們的「放大器（Amplifier）」或者「VCA」區(qū)域通常只有一個(gè) ADSR 包絡(luò)以及包絡(luò)等級（Amount）以及初始等級旋鈕。這也是許多合成器新手經(jīng)常將包絡(luò)發(fā)生器、CV 信號流中的 VCA 以及音頻信號放大器本身這三者搞混的原因。同樣的，合成器面板上的濾波器區(qū)域中在截止頻率與共振值控制之外，通常也還包含一個(gè)單獨(dú)的包絡(luò)生成器及其包絡(luò)量（Amount）控制的旋鈕。當(dāng)然，這也意味著，VCF 電路中也存在 VCA 的身影。

圖 11: 實(shí)際的 VCA 模塊之一

本文的最后，讓我們觀察由一個(gè)英國廠商生產(chǎn)的模塊化合成器的 VCA 模組。正如圖 11 所見，該裝置具備四條輸入，五個(gè)旋鈕以及一條輸出。四條輸入中的其中兩條為音頻信號輸入（標(biāo)記為 SIG 1 IN 和 SIG 2 IN），這也說明該模組的電路中包含音頻信號混合器。剩下的兩條輸入為 CV 輸入，用于控制 VCA 自身的幅度，這也意味著該電路中同樣包含 CV 信號混合器。兩條 CV 輸入分別標(biāo)記為 CV1-IN LIN 和 CV2-IN LOG。四條輸入均具有專用的電平控制，除此之外，該模組還具備一個(gè)初始信號等級控制，正如我們在前文所討論的。圖 12 為該模塊的簡易電路流程。

圖 12: 一個(gè)強(qiáng)大的 VCA 模塊流程

可以看到，這類模塊里具備許多不同的電子元件。當(dāng)然，嚴(yán)格來說，這一模塊并不僅僅只是一個(gè)簡單的 VCA，但合成器廠商通常為了便于用戶理解，犧牲一些命名的準(zhǔn)確性。你或許好奇該裝置的兩個(gè) CV 輸入為什么分別叫做 LIN 和 LOG。這一問題涉及現(xiàn)實(shí)電路中信號存在與彼此交互的方式，這一話題我們也要留給后續(xù)的文章討論。

收筆之前，我還想請各位思考這一問題：本文中我們討論的主信號流程均為音頻信號，但我們能否以 CV 信號取代圖 4、5、6、8、9、10 和 12 中的音頻信號呢？答案是當(dāng)然可以！

VCA 的最常見的用途之一就是使用一個(gè) CV 來調(diào)制其他 CV 的行為。盡管在本文開頭我有讓各位分開考慮 CV 和音頻信號流，但其實(shí)音頻信號鏈中的放大器和控制電壓信號流中的放大器兩者并無任何差異。

同時(shí)，一條信號鏈中并非只能存在一個(gè) VCA，你完全可以將經(jīng)過一個(gè) VCA 處理的信號輸送至另一個(gè)或者多個(gè) VCA 中。無論你總共使用多少個(gè) VCA，本文最初總結(jié)的第一條規(guī)律仍然成立：

不管信號鏈中包含一個(gè)還是多個(gè)放大器和/或衰減器，任何時(shí)刻，整個(gè)系統(tǒng)的增益都可以通過將各個(gè)放大/衰減器的增益相乘進(jìn)行計(jì)算。

這也是使得模塊化合成器如此強(qiáng)大的原因之一：無論是音頻還是 CV 信號，都可以被一種或多種動(dòng)態(tài)信號進(jìn)行劇烈地改變。通常被人忽視的 VCA 則是這一特性的幕后英雄。