Síntesis (24): Los filtros en escalera

La descripción de la función de un filtro es tan simple que podemos estar tentados de pensar que todos más o menos son iguales. Pero en las características y especificaciones, y también en las discusiones entre hispasónicos, se debate mucho sobre si es mejor tal o cual filtro. Los diseños ‘ladder’ o ‘Moog’ son todo un clásico de gran prestigio, pero de nuevo no todos son iguales. Así que les prestamos hoy una atención específica.

No repetiremos las cuestiones sobre filtros ‘Moog’ que ya abordamos en artículos generales sobre filtros (serie sobre síntesis parte 8 y parte 9). Para esta ocasión vamos a hablar de otras cuestiones que no entraron entonces y que son específicas a los ‘ladder’.

El diseño 'ladder' es otro nombre habitual para hablar de filtros herederos del diseño 'Moog', pero sin citar la marca. La patente ya venció, por eso vemos tantísimos filtros ladder hoy en día, no necesariamente de la marca Moog o con su licencia. Se dice que el diseño original de Bob Moog tenía algunos errores de cálculo respecto a lo que era su pretensión original, y que al final dieron lugar a un carácter apreciable musicalmente. Lejos de ser un diseño de un filtro 'limpio' era un tanto 'sucio'. Entraba con facilidad en saturación/distorsión. El hecho de que coloreara fácilmente con algo de distorsión y el hecho de que en los primeros diseños la resonancia no fuera idéntica ni lineal en todo el recorrido (era menor en bajas frecuencias y bajos niveles) le daban un color que se apreciaba como distintivo y atractivo musicalmente.

El esquema del circuito físicamente se parece a una escalera, de ahí el nombre ‘ladder’. Incluso el reciente Moog Werkstatt lleva un diseño ladder. Desde la empresa Moog reinventan las formas de vendernos por enésima vez el diseño concebido por Bob Moog.

El esquema de ese sinte está disponible en la web de Moog, listo para los amantes del háztelo tú mismo. Es en todo caso un diseño que ya estaba omnipresente en la web y en los libros. Veis a continuación un fragmento, ligeramente retocado, de la parte relativa al filtro. Aunque no sepáis de electrónica, notaréis con claridad la escalera y sus ‘peldaños’ en el recuadro rojo . En cada peldaño aparecen dos transistores (los componentes que parecen circulares) y un condensador. Cada transistor actúa como una resistencia variables y junto con el condensador conforman una celda de filtrado RC, capaz de generar un comportamiento paso bajo con 6dB/octava de caída a partir de la frecuencia de corte. Cuantos más 'peldaños' tenga la escalera más polos y más dB/oct tiene el filtro. El ladder clásico tipo Moog es de 4 escalones y obtiene 24 dB/Oct, también llamado de 4 polos. Es de este tipo el filtro en Werkstatt:

Por cierto, además de los 4 peldaños veis un quinto par de transistores justo debajo del recuadro rojo. Cumplen otra función dentro del filtro, no están aportando más polos y más dB/oct. Son una forma de acoplar la señal de entrada y la señal realimentada (útil para el control de resonancia) hacia el recuadro. En la parte inferior de la escalera, ya fuera del recuadro rojo, vemos entrar (a través de uno de esos transistores de la quinta pareja) la señal audio y que ataca a la columna ‘izquierda’ de transistores (camino en verde). Vemos también que a la columna derecha llega, atravesando el otro transistor la realimentación de la señal de salida, cuyo nivel controlamos con un potenciómetro (camino en azul).

El potenciómetro de control de la frecuencia de corte alimenta una señal (camino morado) que actúa sobre la base de ambas columnas y consigue así sintonizar a una determinada frecuencia la actuación de todos esos conjuntos ‘RC’. Cómo no, hay otro par de transistores acoplando esa señal de control al bloque ‘nuclear’ del filtro, la escalera.

Al final, aunque se llamen 'ladder', cada diseño y su uso dentro de cada sinte es un mundo. No tienen porqúé sonar iguales aunque sean todos ladder, hay muchas diferencias entre unos y otros diseños. Incluso entre los propios filtros en los Moog hay diferencias según las épocas. Generalmente están basados en el uso de transistores: a veces bipolares, a veces FET... Los propios diseños de Moog fueron adoptando unos u otros tipos de transistor a lo largo del tiempo. Incluso se realizaron desde Moog diseños basados en amplificadores operacionales como elemento ‘activo’ dentro de la escalera.

Otros fabricantes realizaron diseños basados en diodos en vez de transistores (es el caso del EMS VCS-3). Seguramente no tanto por el menor precio de los diodos, como por esquivar los posibles conflictos de patente. De hecho muchos filtros de diodos llevan internamente transistores, pero ha anulado una de sus tres patas y pasan a funcionar como meros diodos. Por cierto, ojo y que no os engañe el que un filtro lleve dentro transistores, quizá se comporte como un ladder de diodos (no es raro, hay varios Roland así, como el RH-5, el System 100, o el TB-303 Bassline contruidos con transistores pero que operan en modo diodo).

Este es el esquema del filtro del TB-303, en él veis transistores, pero usados como diodos (es finalmente un ladder de diodos):

A la postre, son los diseños con transistores los que realmente están detrás del sonido ‘Moog’. Por ejemplo el Roland SH3 original usaba un ladder de diodos, pero para el SH3A Roland decició pasar a usar transistores en una réplica más cercana a las ideas y resultados del filtro Moog. Las diferencias más evidentes radican en que el diseño con diodos tiene un peor aislamiento de la actuación de cada etapa de la escalera, hay más interacción. Los transistores aíslan bien cada etapa, y eso no sucede con los diodos. Como consecuencia, hay una respuesta muy diferente en términos de cómo afecta la resonancia y cómo se mueve la frecuencia de corte. El efecto más significativo es que el codo de la respuesta en frecuencia del filtro con diodos se ‘suaviza’. Os lo he intentado aclarar en la figura que viene a continuación, jugando con un concepto no muy estricto pero fácil de entender: pensad algo así como que en el filtro con diodos no todos los polos están perfectamente sintonizados a la misma frecuencia.

[Tenéis una mucho más precisa explicación (en inglés) sobre diferencias entre ladder con transistores y con diodos en http://www.timstinchcombe.co.uk/index.php?pge=poles]

Además, como apreciáis en la figura, en el caso de actuar sobre la resonancia, el alineamiento mejor de las etapas con transistores favorece que sea más concentrada, más nítida, y que, con menor necesidad de realimentación, ya ‘pite’ a una frecuencia concreta. Esa menor cantidad de realimentación necesaria con transistores es una ventaja en el rendimiento del circuito y el color del sonido resultante. Exigir subir la cota de realimentación para conseguir que aparezca una resonancia destacable tiene como consecuencia que el filtro de diodos chilla más (y de una forma más ‘fea’) que el de transistores.

Pero ninguna preferencia absoluta puede marcarse. Y sino que se lo digan al exitoso caso del ladder de diodos en el conocido Roland TB-303 Bassline. Esas ‘impurezas’ son marca de la casa del sonido de un filtro tipo ‘303’. Por cierto, es también este uso de diodos en lugar de transistores el responsable de que pese a existir en el TB-303 una escalera de 4 niveles al final se aprecie una pendiente de 18dB/oct en lugar de los 24dB/oct. Lo que sucede es que ese codo amplio que manifiesta la región de corte en el filtro de diodos hace que la pendiente en la zona justo por encima de la frecuencia de corte aún no se haya desarrollado del todo. Sólo ya a cierta distancia de la frecuencia de corte podremos apreciar (también en un TB303) una caída de 24dB/oct. Pero en la zona donde la acción del filtro es más notable (en la región de corte) se aprecia una pendiente reducida, aún no completa.

La costumbre de asociar 6dB/oct por polo o etapa, hace que en la literatura de sintes un filtro como el del TB303 se mencione como de 3 polos, cuando en realidad es una escalera de 4 etapas y con 4 polos. No es el único caso en que a menudo (yo mismo a veces) tiramos de la regla del 6dB/oct por polo y no somos todo lo precisos que deberíamos.

Cuando Moog comenzó a vender modulares y los primeros MiniMoogs, aún no existían los circuitos integrados, y se usaban transistores individuales. Es lo que se llaman componentes ‘discretos’, en contraposición al hecho de que un chip siempre agrupa varios. Habréis oído leído en muchos filtros hablar de que usan un diseño ‘discrete ladder’. Como podéis ver no es que sea un filtro ‘tímido’, sino que está montado con componentes individuales.

Realmente en inglés tienen dos palabras ‘discrete’ (‘aislado, separado, con pausas o espacios’) y ‘discreet’ (‘que no llama la atención’). El filtro Moog usaba, porque no había entonces otra cosa y no tanto porque lo prefiriera, ‘discrete transistors’, es decir, transistores individuales, separados.

Sobre esa cuestión siempre habrá opiniones, pero hay que tener en cuenta que las diferencias entre un transistor y otro de una misma serie escapan al control del fabricante de sintes. Si introducen algún efecto es siempre un efecto ‘descontrolado’ y ‘no repetible’. Me interesa recalcar la diferencia entre totalmente discreto (transistores individuales), transistores apareados, o un diseño que monte todos los transistores en un mismo integrado. De ahí la referencia a ‘solteros, casados y poligámicos’.

Muchos Moog posteriores y desde luego los de años más recientes (por algo será) usan ya ‘paired transistors’. Los transistores apareados son fabricados de dos en dos dentro de un mismo dispositivo, para así mejor garantizar que sean lo más idénticos posibles. Son algo así como dos transistores que se fabricaron a la vez y metidos en un mismo encapsulado. El esquema del Werkstatt es un ejemplo: en cada peldaño veis que los transistores están marcados como Q4-A y Q4-B, etc. (Q4 llevaría dos transistores A y B). Fabricados a la vez y obligados, por estar ‘reunidos’ a trabajar en las mismas condiciones de temperatura, etc. Todo ello son garantías de una perfección de equilibrio entre ambos.

Otros fabricantes han usado integrados chips analógicos que incluyen varios transistores fabricados sobre la misma oblea de silicio, de forma que, de nuevo, sus características son idénticas, o al menos mucho más que lo que podrían ser reuniendo transistores discretos. Pero al estar encerrados todos en tan pequeño espacio como suponen las minúsculas dimensiones de un integrado pueden inducirse efectos que trasladan parte de la acción de una etapa a las adyacentes.

Por ejemplo en el Waldorf Pulse se usan dos CA3046 (cada uno con 5 transistores) o el Moog Voyager usar el CA3086. Como podéis ver en la imagen son chips, sí, pero chips en los que lo que encontramos es la reunión de unos cuantos transistores.

Personalmente no veo sentido o preferencia justificable al ‘totalmente discreto’. De hecho Moog (como en el esquema mostrado) usa preferentemente transistores apareados. Esa mejor ‘identidad’ entre los dos transistores de cada peldaño de la escalera es teóricamente superior, porque consigue que la escalera esté mejor equilibrada, que no esté ‘torcida’. Es una analogía pero que habla bien de lo que sucede electrónicamente si los dos transistores de un peldaño no son iguales. La escalera se queda un poco coja, y el comportamiento final del filtro sufre, poco pero algo.

El otro paso, el usar un chip que tenga todos los transistores necesarios en vez de 4+1 parejas, sin embargo no suele darse. Muchos fabricantes mantienen la preferencia por usar transistores apareados para cada peldaño y no optan por realizar todas las etapas con un único circuito multitransistor. El uso de parejas, sin llegar a la poligamia de meter todos en la misma casa, hace que la escalera no quede ‘torcida’ (mejora la estabilidad interna del filtro) porque cada etapa está equilibrada. No tengo elementos de juicio (no los he escuchado comparativamente) para decir si el salto a un diseño con todos los transistores en el mismo chip es o no un paso atrás respecto a los transistores apareados. Puede pensarse que haría fácil que hubiera interacciones, y eso nos devolvería a una situación en parte semejante a la del diseño con diodos (en donde no había un aislamiento tan bueno entre etapas como con transistores), pero me cuesta creer que lleguen a ser significativas. El que Waldorf o la propia Moog hayan acudido a ese tipo de integrados multitransistor no es mala referencia.

En lo que sí parece haber amplio consenso por los usuarios más ‘selectivos’ es porque el uso de transistores apareados es finalmente ventajoso, en forma y grado que se nota al oído, frente al diseño 100% discreto. Sin salir de la propia Moog, los modelos Source, Rogue o Prodigy usaban sólo pares acoplados de transistores en los peldaños extremos (el primero y el último) y las preferencias de muchos usuarios suelen al final decantarse por modelos que tengan ese emparejamiento en todas las etapas.

Si os fijáis en el filtro del TB-303, encontraréis esa misma idea de transistores apareados sólo en los extremos. Pero el en Werkstatt todos los niveles de la escalera aplican el criterio de que es mejor tener a cada oveja con su pareja.

Ya que hoy hemos mirado tanto ‘hacia dentro’ de los ladder, no está de más recordar lo importante que es mirar igualmente ‘hacia fuera’. Nunca deberíamos ser ajenos al resto de la circuitería en la que se encaja el filtro como un módulo más, modifica mucho el carácter final. Si el oscilador entrega ya de por sí una señal de nivel ‘caliente’ capaz por si misma de desbordar el margen ‘limpio’ del filtro, tendremos una mayor presencia de distorsión. Distorsión que, en un sinte, no tiene porque ser mala: estamos procesando la señal de un oscilador y por tanto una señal que admite bastante distorsión sin llegar a ser molesta (de eso ya hablamos en la entrega 18). Otro tanto sucede si el filtro actúa con un nivel excesivo sobre el VCA posterior.

No es por tanto sólo el filtro el que puede distorsionar y chillar, a veces es también cómo están adaptados o desadaptados los niveles de los sucesivos módulos (osciladores, filtros, amplificadores) lo que puede generar el calorcito goloso de una saturación controlada que encontramos en filtros agradablemente sucios.

Intervenir (o ‘tunear’ si queréis que lo diga en plan más moderno) en las ganancias que hay entre un módulo y otro es un truco fácil de llevar adelante en muchos sintes analógicos, y permite obtener una amplia gama de colores. Sustituir en los ‘buffers’ de salida (de osciladores, filtros,…) la resistencia que controla el nivel de ganancia por un pequeño pot nos permite jugar a nuestro antojo con la sobresaturación. Nos permite añadir con facilidad un control de ‘overdrive’ allí donde no lo había, y conseguir que cualquier sinte bien intencionado comience a chillar como si lo llevaran al matadero. Hay otros muchos trucos, pero ese es sencillo.

Con la cantidad importante de nuevos analógicos sencillos en el mercado (ahora el Moog Werkstatt, antes los Brute de Arturia, o el Rocket de Waldorf, los Korg Volca, y tantísimos otros) no está de más preocuparse por entender lo más básico de estos diseños en los que con un mínimo de conocimiento y de espíritu arriesgado, podemos hacer alguna modificación que amplíe el juego que nos dan. En el caso del Synth.com Q150 (un ladder para modulares) veis que las dos entradas de señal llevan pots de nivel, precisamente para poder decidir si queremos ‘sobreexictar’ al filtro o por el contrario darle una señal más tranquilita. Veis también la posibilidad de conmutar entre pendiente de 24 y de 12 dB/oct, lo cual sólo exige ser capaces de saltarse dos de las 4 etapas de la escalera. Ambas son modificaciones sencillas de realizar en otros equipos, especialmente cuando como con Werkstatt tenemos acceso a su esquema.