對于任何模擬合成器，VCA 的存在都極為重要。事實上，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。數控模擬合成器擁有「DCA（數控放大器）」，純數字合成器與采樣器具備各種「時變放大器（TVA）」、運算器等級控制等其他數字放大器。本文將對 VCA 以及他們的變種進行介紹，以及你應該如何使用 VCA 來制作心儀的音色。

圖 1: 一個簡單的聲音生成器

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。該圖展示的是一個簡單的合成器流程，其中包含一個音色生成器還有一個放大器，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音響起的左右幾乎一致。簡單來說，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遠不止這么簡單。你有沒有曾經考慮過「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燒友，放大器對你來說或許是一個巨大、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，盡量減少對音質的影響。但如果你是一位音頻工程師，或許對于你來說一個理想的放大器是一個能將振幅為 A1 的輸入信號轉換成一個波形相同，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遠不夠。我們還需要知道信號發生變化的幅度是多少。計算信號變化幅度的方式很簡單，我們只需要計算 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，因為人耳的工作方式并非如此。不過這是改天的話題了。

圖 2: 一個收音機的簡易信號流

現在讓我們想一想放大器的實際運用。以一個簡易的收音機的音量旋鈕為例，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簡單的被動分壓器。如果音量旋鈕位于順時針最大的位置，信號將不受影響，直接被輸送至功率放大器中。功率放大器將會把該信號放大至足以驅動揚聲器的音量等級，從而使得你可以聽到收音機的聲音。然而，如果你將音量旋鈕向逆時針方向逐漸旋轉，聲音的響度將會隨之逐漸減弱，當旋鈕位于完全逆時針的位置時，聲音將完全消失。這是因為控制音量的分壓器削減了到達功放的信號的量。

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，這一裝置并不會真正「放大」信號。當其處于「關閉」狀態時，輸出/輸入的比例等于 0，當其位于最大值時，輸出/輸入的比例等于 1。理論上講，這是一個增益永遠處于 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，其增益數值 GATTEN 一定位于 0 和 1 之間。我們同樣可以假設其前置放大器擁有一個較大的增益數值（這里我們將其稱作 GPRE），緊接著的功率放大器的增益將會更大（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增益的乘積，如算式 2 所示。

算式 2: 整個系統的總增益

不管電路中具備一個還是多個放大器或衰減器，整個系統的總增益可以通過簡單將各個增益的數值相乘進行計算。

盡管圖 2 的電路很容易理解，其實際的作用并非十分理想。這是因為音頻信號被輸入進了衰減器。因為衰減器通常由廉價的分壓器構成，這一電路八成會向音頻信號中引入雜音和失真。大多數情況下，我們會希望盡量避免這類影響，所以我們需要一個能夠實現相同效果，但不會引入副作用的電路。

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: 一個更好的收音機電路。

讓我們把這一「收音機」架構運用至簡易的模擬合成器中。顯然，收音機的信號接收器電路可以產生任何音頻信號：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「音色發生器」。接著，讓我們考慮一下圖中的功放元件。一些內置揚聲器的合成器（比如 ARP 2600，Roland HS60 和 Yamaha YS200）具有功放，但大多數合成器將音頻輸送至外部揚聲器和音響中。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的例子相似，但前置放大器由包絡生成器控制，包絡生成器又由某種觸發器觸發。盡管圖 4 與圖 3 看上去十分不同，但兩圖本質上描述的發生器、放大器與音量控制三者之間的關系幾乎相同。讓我們對其進行分析。

比方說音色生成器生成的原始信號電壓為 ±2V。同時假設圖 4 中的包絡發生器產生的是電壓為 0V 到 +5V 的 ADSR 包絡。假設圖中的 VCA 在其 CV 輸入電壓為 0V 的時候，它將不會輸出任何信號。當其 CV 輸入為最大值 +5V 的時候，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，讓我們假設該放大器的響應模式為「線性」響應，也就是說，當 CV 輸入為 1V 的時候 VCA 的增益為 2，CV 輸入為 2V 的時候增益為 4，以此類推。這也意味著任意時刻下的音頻信號增益的數值將與放大器的 CV 輸入數值成比例關系。

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: 量化放大器上包絡合成器的作用

但實際的 VCA 的作用并非如此簡單。觀察 ARP Odyssey 或者 ARP 2600 的前置面板，你會發現一個叫做初始增益（Initial Gain）或者 VCA 增益（VCA Gain）的滑桿。這一滑桿可以為包絡生成器生成的 CV 增添一個初始 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 中的包絡上添加一個增益為 +3V 的初始增益，那么我們就能得到圖 7 中的包絡。這一偏移的效果是即時的，因此 VCA 生成的增益將總會大于零。因為 VCA 的 CV 控制擁有恒定的 +3V 偏移，輸出的位置將總會有信號生成：如果濾波器位于開放位置，這一合成器將會不停地制造聲音，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）這一假設的前提下進行的。也就是說，無論放大多少倍，它都能準確地保持音頻信號的波形，不會引入失真或者其他我們不想要的結果。當然，這在現實情況下是不可能的。如果你讓 VCA 制造超過其能力的信號，這種情況下就會造成失真。

讓我們再次觀察圖 5，可能你還記得，當該圖中的控制 CV 位于 +5V 電壓時，圖中的 VCA 達到其最大輸出值 ±10V。所以，如果我們用圖 7 中的 +8V 包絡取代之前的 0V 至 +5V 的 ADSR 包絡的話會發生什么呢？很顯然，在包絡的最高值處，VCA 會嘗試生成 ±16V 的電壓，但其并不能完成這一任務，因為它的最大輸出無法超過 ±10V，因此它的輸出信號將會被「削波（clipped）」，如圖 8 所示。

圖 8: 超過負荷的 VCA 造成的削波失真

仔細觀察圖 8 中的波形，你會發現在 ADSR 包絡的峰值處，VCA 輸出的信號并非原始信號的鋸齒波。包絡的起音與衰減位置處，波形的「頂部」被截斷，因為放大器不具備產生 ±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），當包絡的數值下降到 VCA 能力范圍后，這一失真隨之消失，波形也隨之恢復至原始的鋸齒波的形狀。當然，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，這一效果最為理想，因為軟削波會對削斷的波形進行平滑處理，從而使得結果更加自然、柔和。同樣的原理也適用于模擬磁帶壓縮與飽和效果，這也是導致模擬錄音與數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 VCA 存在于音頻信號流之中，但實際情況下，大多數合成器中的 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 中控制振幅的包絡發生器。該 ADSR 包絡在其起音階段結束的時候輸出的電壓為 +5V。回想本系列的上一篇文章，你或許還記得大多數模擬包絡發生器都不具備更改起音末尾時輸出電壓幅度的能力：無論 A、D、S 和 R 四個參數的數值為多少，起音幅度將永遠為 +5V（即該放大器的最大電壓參數）。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，我們并不希望包絡對信號產生如此劇烈的影響。所以我們應該如何才能減少 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 由一個經衰減器控制的 CV 控制。該 VCA 會對 ADSR 施加增益（增益幅度由衰減器的參數控制），從而在保持包絡形狀不變的情況下對其進行放大或衰減。

如果 ADSR 是影響信號放大器的唯一 CV，這一結果并沒有太大作用。這一情況下，減少包絡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，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 控制的是包絡對于截止頻率影響的強弱。很顯然，你八成不會希望讓每一個音色的濾波器都進行全開或全閉所以幾乎所有合成器都允許你通過 VCA 對濾波器包絡的強度進行控制。

許多人討論合成器時，通常會忽視 VCA 扮演的重要角色。確實，當你觀察許多模擬合成器的面板時，你可以看到它們的「放大器（Amplifier）」或者「VCA」區域通常只有一個 ADSR 包絡以及包絡等級（Amount）以及初始等級旋鈕。這也是許多合成器新手經常將包絡發生器、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域中在截止頻率與共振值控制之外，通常也還包含一個單獨的包絡生成器及其包絡量（Amount）控制的旋鈕。當然，這也意味著，VCF 電路中也存在 VCA 的身影。

圖 11: 實際的 VCA 模塊之一

本文的最后，讓我們觀察由一個英國廠商生產的模塊化合成器的 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: 一個強大的 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。當然，嚴格來說，這一模塊并不僅僅只是一個簡單的 VCA，但合成器廠商通常為了便于用戶理解，犧牲一些命名的準確性。你或許好奇該裝置的兩個 CV 輸入為什么分別叫做 LIN 和 LOG。這一問題涉及現實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？答案是當然可以！

VCA 的最常見的用途之一就是使用一個 CV 來調制其他 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，一條信號鏈中并非只能存在一個 VCA，你完全可以將經過一個 VCA 處理的信號輸送至另一個或者多個 VCA 中。無論你總共使用多少個 VCA，本文最初總結的第一條規律仍然成立：

不管信號鏈中包含一個還是多個放大器和/或衰減器，任何時刻，整個系統的增益都可以通過將各個放大/衰減器的增益相乘進行計算。

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