Привет, Хабр! Действительно ли влияют на звук аудиофильские операционные усилители? Сегодня мы рассмотрим культовый прибор для обработки аудиосигнала, призванный улучшить звук лампового гитарного усилителя. Изучим схему, построим опытный образец и послушаем, как он звучит.

Инструментальные усилители для электрогитар имеют отличия от аппаратуры для высококачественного воспроизведения музыкальных записей. Во втором случае от усилителя и акустической системы с громкоговорителями требуется максимальная линейность и минимум искажений по всему спектру частот слышимого звука.

А гитарный усилитель с инструментальной акустической системой, называемой кабинетом и оснащённой специальной динамической звуковоспроизводящей головкой, должен, наоборот, выделять из спектра сигнала специфические «гитарные» частоты, чтобы обеспечить выразительное и приятное слуху звучание, особенно в миксе с другими музыкальными инструментами и вокалом.



Более того, в гитарном аудиотракте используются нелинейные искажения и ограничения на всех ступенях: в предварительном усилении, усилителе мощности и выходном трансформаторе, насыщение магнитопровода которого вносит значительный вклад в столь любимый гитаристами и ценителями гитарной музыки драйв. От лёгкого винтажного блюзового до экстремально сумасшедшего модернового хайгейна.

Также используются нелинейности, частотно-зависимые свойства и инертность электромеханической системы в виде одного или нескольких громкоговорителей в акустическом оформлении — кабинете. То, что в звуковоспроизведении обычно считается и объективно является недостатком, в создании художественного звука является желательным, полезным и нужным инструментом.

Хотя и звуковоспроизводящая аппаратура с приятными уху «тёплыми ламповыми» искажениями имеет немало своих ценителей. Наш человеческий слух устроен так, что любит чётные гармоники, свойственные ламповым искажениям, и не любит нечётных, склонность создавать которые имеют транзисторы.

Итак, гитарный усилительный тракт состоит из целой последовательности каскадов, в классическом варианте ламповых, трансформатора с ферромагнитным сердечником и кабинета. И на каждом из этих элементов теряется часть высокочастотной составляющей спектра сигнала. В итоге звук становится глуховатым и, как говорят гитаристы, «тёмным».

Для джаза это даже хорошо, поскольку избавляет звук от гармоник, нежелательных для данного стиля музыки, в котором господствуют «многоэтажные» аккорды, диссонирующие интервалы и хроматизмы. Разборчивость звука в джазовой гитаре создаётся низкой добротностью полуакустического корпуса, толстыми струнами и медиаторами.



Но року, кантри и множеству других стилей требуется более звонкий, «светлый» звук. Fender Telecaster с кленовым грифом, декой из ясеня и одинарными звукоснимателями, — «синглами», создаёт яркий звук сам по себе.



Чего нельзя сказать о Gibson SG, (именной модели известного гитариста и композитора Сергея Головина), у которой гриф и корпус из красного дерева, а звукосниматели с двойными катушками в противофазе для устранения электромагнитных помех, то есть «хамбакеры».

Можно не верить в третий закон Ньютона и считать, будто колебания струн никак не взаимодействуют с рамой из грифа и деки, хотя факт состоит в том, что грифу и деке колебания струн передаются, то есть, передаётся часть энергии колебаний.

Можно не верить в то, что физические свойства материалов деки и грифа приводят к различному угасанию колебаний на разных частотах. Хотя куда тогда переходит энергия механических колебаний, если не в тепло? Придётся не верить и в закон сохранения энергии.

Но уж влияния на звук гитарных звукоснимателей почти никто, кроме единиц саунд-продюсеров, рекламирующих свои услуги по реампингу, не оспаривает. Музыкантам хочется играть на разных гитарах и получать от них разный, при этом разборчивый и красивый звук.



Потому в некоторые усилители стали встраивать переключатели или даже отдельные входы для получения более «яркого» звучания. А если такой опции у усилителя нет, либо она не удовлетворяет исполнителя, он может воспользоваться педалью эффектов. Например, примитивным однотранзисторным Dallas Rangemaster. Либо гораздо более сложным и продвинутым Klon Centaur, о котором сегодня и пойдёт речь.



Разработка прибора началась в 1990 году и заняла у Билла Финнегана и двух его друзей из Массачусетского технологического института 4 года.



Педаль продавалась за 329 долларов США, и настолько понравилась и продолжает нравиться гитаристам, что сегодня оригинальные экземпляры продаются по астрономическим ценам.



Финнеган и до сих пор ограниченно выпускает обновлённую версию Klon KTR, которую можно купить за «скромные» 459 евро.



А что касается клонов Клона, среди производителей гитарных эффектов их не выпускает только ленивый. На фото всего лишь несколько из множества вариантов. В чём же причина такого грандиозного хайпа?

▍ Изучаем схему

Печатная плата оригинальных Клонов была замазана чёрным компаундом, чтобы затруднить реверс-инжиниринг, но умельцев это не остановило, и схема эффекта давно стала общедоступной. Что же мы на ней увидим?



На входе ничего интересного, просто повторитель на операционном усилителе. Зато в секции перегруза с ограничением на германиевых диодах после ОУ, а также в цепи обхода имеется множество RC-цепей частотной коррекции. Что они делают, и зачем нужны?



Секция перегруза создаёт пологий частотный горб в районе 1 килогерца, что для гитарного диапазона относится к верхней середине, с усилением до 40 децибел. Такой коэффициент усиления настолько значителен, что возможно ограничение сигнала не только германиевыми диодами, но и напряжениями питания ОУ.



Амплитудное ограничение сигнала приводит к появлению в его частотном спектре новых гармоник. Чем выше усиление, тем более крутые фронты и более высокие гармоники будут у ограниченного сигнала.

Постоянно действующая цепь R7 C16 R19 подмешивает часть входного сигнала в выходной, причём часть низкочастотную. Частота среза этого пассивного фильтра порядка 100 Гц. Это позволяет избежать неприятного захлёбывающегося характера звука в области басов.

Сложная цепь вокруг потенциометра RV GAIN_b служит целям частотной коррекции управляемого подмешивания входного сигнала в выходной. Этот потенциометр сдвоенный. Чем меньшее усиление задано его половиной RV GAIN_a, тем больше входного сигнала поступит на вход суммирующего усилителя, минуя секцию перегруза. Видно, что над этой цепью авторы потрудились с любовью. В ней целых четыре частотно-зависимых узла с разной добротностью.



Фильтр высоких частот в цепи обратной связи суммирующего усилителя, образованный резистором R20 и конденсатором C13, снижает уровень сигнала на частотах ниже 500 Гц, что делает звук менее «мутным» и более «читаемым».



Регулятор тембра представляет собой активный фильтр низких частот, усиливающий или ослабляющий, в зависимости от положения щётки потенциометра, частоты выше 400 Гц.

И наконец, на выходе ничего особенно интересного. R242 и R243 параллельно контактным группам ножного переключателя избавляют музыканта и слушателей от неприятных щелчков. Когда за спиной у гитариста сотни ламповых ватт, а из микшерного пульта звук идёт на многокиловаттные порталы, два скромных резистора могут оказаться полезными.



Так как сигнал проходит от входа к выходу через целых три пути, со множеством RC цепей, которые сдвигают фазу, причём по-разному на разных частотах, форма и гармонический состав получаются гораздо интереснее, чем у обычных педалей овердрайв и дисторшн.



Вроде бы рассмотрели всю схему. Но что мы видим в правом нижнем углу? Преобразователь напряжения питания? Тогда почему на схеме нет индуктивности?

Да, это преобразователь на переключаемых конденсаторах, который в индуктивности не нуждается. Работает он на высокой частоте, благодаря чему помех в аудиосигнал не привносится.

И благодаря ему, внутри маленькой гитарной педальки с «Кроной» и стандартным гнездом для блока питания 9В с минусом в центре, прямо как у нашей Денди, которую бессовестно скопировали японские якудза Нинтендо, операционные усилители питаются со «взрослым» размахом 27 вольт. Почти +-15, как в профессиональных модульных аналоговых синтезаторах и многой другой аппаратуре.

Микросхема TC1044 вырабатывает отрицательное напряжение -9В и удваивает +9В питания, так получается 27 вольт. И этот преобразователь является одним из главных секретов культового эффекта. Дело в том, что от напряжения питания операционного усилителя в значительной мере зависит его параметр, называемый скоростью сваливания, она же slew rate.



Чем выше этот параметр, тем меньше ОУ заваливает фронты сигнала и высокие частоты, то есть, именно то, что делает звук разборчивым и искристым.

Что касается операционных усилителей, в них Финнеган применил два общеупотребительных для гитарных эффектов и аналогового синтеза сдвоенных TL072. Это ОУ на полевых транзисторах с управляющим P-N переходом, JFET.

Почему не один корпус счетверённого TL074? Для удобства трассировки платы, или может быть, с намерением избежать межкаскадных наводок? Посмотрим на схему внимательнее.

Видим, что от 27 вольт запитан только второй корпус ОУ, задействованных в суммирующем усилителе и регуляторе тембра. Это именно те узлы, в которых важно не терять фронтов сигнала и высоких гармоник.

А входной буфер и секция перегруза питаются от обычных девяти вольт. Что весьма разумно, так как на данных этапах обработки сигнала высокая скорость сваливания поспособствует усилению скорее неприятных шумов, чем музыкальных обертонов и художественных нюансов звукоизвлечения.

В итоге схема получилась гораздо сложнее, чем у большинства педалей перегруза и искажения. По уровню сложности это скорее гитарный предусилитель, чем просто перегруз. И возможностей музыканту действительно предоставляет больше, чем многие другие педали.

▍ Сколько же функций имеет эта чудо-коробочка на трёх микросхемах?

Она усиливает сигнал звукоснимателей электрогитары, и может применяться просто в качестве бустера.

Она имеет собственный перегруз на операционном усилителе и встречно-включённых германиевых диодах, то есть, двухуровневый.

Ручкой GAIN регулируется не только усиление, но и баланс между окрашенным и исходным сигналом, а оптимальный для подачи на вход имеющегося усилителя в данной художественной ситуации уровень высоких гармоник регулируется ручкой TONE. Также предусмотрен регулятор уровня выходного сигнала.

Таким образом, Билл Финнеган создал почти 30 лет назад могучий инструмент для усиления и подкрашивания электрогитарного звука. У него нет трёхполосного графического или однополосного параметрического эквалайзера, потому что это перегруз, а не преамп.

Иными словами, Klon Centaur предназначен для подключения на вход не усилителя мощности, или линейный микшерного пульта, а гитарного предусилителя, следом за которым идут усилитель мощности, кабинет с громкоговорителями и микрофоны, если речь не о репетиции, а о записи или выступлении. И весь этот последующий тракт осуществляет дальнейшее преобразование сигнала.

▍ Сборка и испытания

Для самостоятельной сборки данного чуда технологий обработки звука существует немало схем и вариантов трассировки платы. Можно даже купить набор для пайки. Например, такой, от китайской фирмы Landtone.



В комплекте печатная плата, все необходимые компоненты, инструкция с цветными фото, корпус и даже ручки переменных резисторов с клювиками, очень похожие на оригинальные.

А теперь можно посмотреть и послушать процесс сборки и испытания моего экземпляра.

▍ Выводы

Итак, заслуживает ли легендарная схема Klon Centaur того громкого хайпа, который вокруг неё сложился? — Во-первых, педаль действительно прекрасно звучит, в том числе в контексте современной музыки. Потому многие гитаристы продолжают покупать тысячи экземпляров десятков вариантов от разных производителей.

Во-вторых, «чистый прозрачный овердрайв» действительно содержит сложную (по сравнению с другими эффектами перегруза), продвинутую и продуманную схемотехнику.



В-третьих, гитаристы такие идиоты гуманитарии, которые создают звучание своего инструмента путём нагромождения заведомо ущербных технических решений. Они даже усилители мощности нагружают на стоваттные резисторы, если играют не в большом зале или на стадионе, потому что им кажется, что только на определённой громкости усилитель звучит как надо.

Или не кажется. Если вникнуть в эти вопросы с технической стороны, выясняется, что все эти искажения, насыщение магнитопровода выходного трансформатора, инертность подвижной системы громкоговорителя и массы воздуха в акустическом оформлении и так далее, действительно делают звук электрогитары не просто синусоидой или меандром на частоте ноты, а средством музыкального выражения.

Другое дело, что необязательно гнаться за чем-то очень бутиковым, раритетным и винтажным. Иногда можно просто повторить бутиковую схему на доступных деталях, и получить результат. Будет ли он отличаться от оригинала? — В нюансах, конечно же, будет, ведь разброс параметров компонентов имеет место быть. Они не прецизионные. Но сделать шаг к своему звуку и попутно изучить много нового и интересного получится.

Спасибо за внимание! В следующий раз ещё что-нибудь изучим и спаяем.