电吉他中的阻抗匹配和线性失真

输入输出阻抗

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电吉他的系统是典型的交流电电压驱动电路，在电压驱动的电路中：

对于负载而言，我们往往希望负载输入端的阻抗远大于电压源和导线阻抗（理想情况为无限大），这样才能在分压电路中使负载尽可能分到电压源的电压（尤其是对于信号系统而言，我们往往希望负载能获取到完整振幅的电平信号）

对于电压源而言，我们往往希望电源输出端的阻抗远小于负载阻抗（理想情况为0），这样才能在分压电路中使电源尽可能少得分到电压源的电压

而在电路中，“负载”和“电源”永远是一个相对的概念，在含有放大器的电路中

• 对于运放的输入端而言，运放毫无疑问是一个负载
• 对于运放的输出端而言，运放本身相当于一个信号电压源

阻抗匹配

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• 当运放（或者其他的什么）作为一个负载时，其阻抗（输入阻抗）需要尽可能地高以尽可能捕获输入端的电压
  • 尤其是此时的输入端供电还是信号源的情况下，输入阻抗过低会导致信号电平被其他部分分压而衰减失真
• 而当运放作为一个信号电压源时，其阻抗（输出阻抗）需要尽可能地低以保证信号尽可能地输出给输出端对面的另一个负载

所以我们往往要求一个含有输入输出端的模块

• 其输入阻抗尽可能地高（至少要远大于输入端对面的输出阻抗）
• 其输出阻抗尽可能地低（至少要远小于输出端对面的输入阻抗）

这样高进低出的连接叫做阻抗匹配的连接方式，而反过来阻抗不匹配的连接方式如10kΩ输出阻抗的电吉他直插10kΩ输入阻抗的调音台（一个相对高阻抗输出和一个相对低阻抗输入）就会导致电吉他输出的信号至少有一半会损耗在导线和拾音器本身上，这时候我们就需要一个可以提供阻抗匹配功能的DI盒（Direct Input Box）来转接

导线电容

对于交流电而言，对于信号传输起阻碍作用的还有电路中的容抗

• 阻抗实际上是电阻、电抗的向量和，其中电抗还可分为由于感生电动势引起的感抗和电容的容抗

在交流电的并联电路中，阻抗仍然满足公式

一条导线（可能是吉他连接线，也可能是一个关闭后trueBypass的效果器）或多或少会由于金属屏蔽、线材长度等原因带有一定的电容，而这条电容我们认为他是以并联的方式与输出端负载连接的

这里有容抗的计算公式：

• f:交流电频率
  • 这里可以知道，电容是阻直流的，因为直流电可以认为其频率为0
• c:电容大小

我们希望导线电容和输出端负载形成的并联电路其阻抗尽可能地高以“捕获”输出的信号，由上述的并联电路阻抗计算公式可知我们需要其电容尽可能地小，使其容抗尽可能大以增大这个并联电路的阻抗（此时这个电容的存在就像串联电路中的导线内阻一样讨厌）

但是我们还能从容抗公式中发现另一个问题：电容的容抗是会随着信号电平频率而发生变化的

线性失真

对于电吉他输出的交流信号而言，它可不是简简单单的一个频率唯一的正弦波，而是可以近似认为的全频信号（实际上大约覆盖20-20khz），对于其时域波形实际上是无数个不同频率的波形线性组合得到的结果，而导线电容对于不同频率的信号，其频率响应是不同的

还是以上述的并联电路为例，越高频的信号，f越大，容抗越小，并联电路的整体阻抗就会越小，分压能力更差，输入端的信号衰减就会越严重，即导线电容对于信号的高频分量的衰减效应是大于低频分量的，信号衰减对于中高频的信号分量要更加明显，在频域图上看，其频率响应曲线是随信号频率呈现下降趋势的，而这种衰减效应还会随着导线电容的增加进一步加剧。

• 这也可以解释为什么当采用了劣质的线材或者线路过长（总之就是整个电路的导线内电容过大）的情况下，音色会从明亮转变为暗淡（中高频相对被更多的衰减导致低频分量更加突出）的原因
• 而当线材的质量比较好，采用了低电容的制作方式（更好的屏蔽层、传导率更高的线基等），这种线性失真的现象就相对不那么严重一些

效果器旁通

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大部分被动式拾音器的吉他都属于高阻抗输出的范畴，其输出阻抗约为10-30kΩ（主动式拾音器可以有更低的输出阻抗，这里不在讨论”范围中）

以Roland BOSS的SD-1过载效果器在官网放出的技术指标为例：

• SD-1的输入阻抗为1MΩ；输出阻抗为1kΩ
  • 当电吉他直插SD-1时，输入阻抗是输出阻抗的约100倍，那么只会有极少的信号因为拾音器和导线本身的阻抗而被衰减
  • 而当SD-1插入其他效果器时，输出阻抗只有1kΩ又能够保证输出信号不会有太多损耗在自己身上
• 这里还有一些其他有趣的指标
  • 建议负载阻抗说明了输出端对面的输入阻抗应当至少大于10kΩ
  • 旁通方式为bufferedBypass

Buffer电路

Buffer电路（缓冲门）可以近似认为是一个一倍增益（即无放大和衰减）的放大电路

• 通过运放高进低出的阻抗特性可用于实现实现阻抗匹配（DI盒原理）
• 也可用作“抵消Buffer之前部分的高阻抗对于之后部分的信号传输衰减的影响”（Buffer效果器原理）

单独的一个Buffer电路模块我们也叫做Buffer效果器

• 在一个没有接入Buffer效果器的电路中，一个10kΩ的电吉他输出阻抗相对于1MΩ的输入阻抗已经足够小，但还不够完美，尤其是过长的吉他连接线，6m以上长度的线材很容易达到一个无法轻易忽视的阻抗，更别提开启trueBypass的效果器本身也是一段导线
• 当接入Buffer效果器后，从其输出端我们会获得一个强度和波形与原信号几乎一样的电平信号，但此时输出阻抗大大降低，大大增强了后续电路的负载能力

实际上大多数效果器本身都具有Buffer的能力，最直接的就是过载效果器了，它们本身就是基于放大电路实现的，只不过Buffer效果器为了不改变原信号而不对信号进行增益而已

• 我手里的一块清音激励Valvenergy的Silk Drive有三种模式：Standard、PreAmp和CabSim，其中的CabSIm（箱体模拟）模式本质上就是串接了一块Buffer电路以转换阻抗，将其放在效果链末端时可以直插调音台等低输入阻抗设备

Buffer旁通

当我们关闭效果器时，信号需要无视这个效果器继续往下行进，而效果器通常有两种旁通方式

• bufferedBypass
  • 这种方式是信号继续通过放大电路达到输出端，但是不对信号进行增益，仅仅进行阻抗转换，此时的效果器在关闭后本身就相当于一个Buffer效果器
    但是缺点就是在没有供电的情况下会对信号形成完全隔绝，无法传输到后续电路
• trueBypass
  • 这种就很好理解了，在关闭效果器后信号不经过放大电路，而是直通到输出端，此时效果器本身就相当于一段导线
    即使在无供电的情况下也能正常传输信号，但是会加剧电路整体对于信号传输的线性失真

为什么在大多数效果器都具有Buffer功能的情况下仍然有Buffer效果器的需求呢？

原因就在于效果器并不一定是bufferedBypass的（它们仅在开启的时候有缓冲功能），也不一定是常开的。很多吉他手喜欢在效果器板上塞各种各样的效果器，有时光是失真和激励类就要放上四五六个，然后用可编程的线路选择器来切换效果链，这就导致整个效果器的电路系统中总有一部分效果器是trueBypass旁通的，而这些效果器的存在只是给电路添加捣乱用的信号衰减而已。就像过载效果器在开启的时候有Buffer效果，但是旁通后它也只不过是一段捣乱的导线而已，那么这时候我们就需要一个常开的，始终能起作用的Buffer效果器了。