Привет, Хабр! 62 года назад англичанин Джим Маршалл скопировал гитарный усилитель Fender Bassman из США. Британские лампы зазвучали совсем не так, как американские. Различие в характеристиках громкоговорителей также ощутимо повлияло на звук.

Так появился мировой стандарт перегруженного электрогитарного звучания, благодаря которому, получило своё развитие множество стилей рока и металла.

К тридцатилетнему юбилею своего первого культового комбоусилителя компания «Маршалл» выпустила транзисторную педаль, повторяющую его звучание. А сегодня я соберу свой экземпляр этой педали.

Может ли аналоговая транзисторная педаль повторить звучание лампового усилителя? — Скорее, нет, или не совсем.



Завесу тайны «тёплых» чётных гармоник, которые склонна привносить в аудиосигнал электронная лампа, мы уже приоткрывали. В этом лампа не уникальна, и для получения таких гармоник можно использовать полевые транзисторы с управляющим P-N переходом.

▍ Октаверы

А ещё можно воспользоваться двухполупериодным выпрямителем, получив на его выходе сигнал удвоенной основной частоты, богатый дополнительными гармониками. Причём все эти гармоники будут чётными по отношению к частоте входного сигнала, а стало быть, благозвучными. На этом принципе основана работа октавера.

Двухполупериодный выпрямитель переворачивает отрицательную полуволну вверх, и благодаря этому, внутри одного периода входного сигнала получается два периода выходного. То есть, происходит удвоение частоты.

Первые в мире октаверы повторяли схему силового выпрямителя и использовали маленький трансформатор с двумя вторичными полуобмотками, имеющими среднюю точку. Такие трансформаторы были очень широко распространены, поскольку применялись в усилителях мощности звуковой частоты (УМЗЧ) транзисторных радиоприёмников.



Даже маленький трансформатор — это деталь относительно крупногабаритная, тяжёлая и дорогая. К счастью, для получения копии входного сигнала в противофазе использование трансформатора совершенно необязательно.

Например, в данной схеме полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET) Q2 включён одновременно по схеме с общим истоком и общим стоком.



Напряжение на резисторе R5, подключённом к истоку МОП-транзистора, равно напряжению на его затворе минус напряжение открытия. Получается истоковый повторитель.

Резистор R6 соединён со стоком Q2, и по отношению к этому выходу транзистор включён по схеме с общим истоком. Выходной сигнал инвертирован относительно входного, то есть, сдвинут по фазе на 180 градусов, или полпериода.

Транзисторы Q1 и Q3 также включены по схеме с общим истоком и служат, соответственно, предусилителем и выходным каскадом. А за удвоение частоты сигнала отвечает мостовой выпрямитель на диодах D1-4.

▍ Выпрямители и детекторы на ОУ

А если воспользоваться двухполупериодным выпрямителем на операционных усилителях (ОУ), то можно обойтись всего-навсего одним ОУ, одним диодом и тремя резисторами!



При входном напряжении выше, чем минус падение на прямосмещённом диоде, VD1 будет закрыт, и напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя равно входному.

ОУ будет поддерживать на выходе такое напряжение, чтобы потенциалы обоих его входов сравнялись. Таким образом, падение напряжения на R1 должно быть равно нулю. Соответственно, равен нулю и ток через резистор R1, протекающий и через R3.

При нулевом токе падение напряжения на R3 равно нулю, то есть, выходное напряжение узла равно напряжению на обоих входах ОУ, равному входному напряжению. Узел действует как повторитель.

При более низком входном напряжении на неинвертирующем входе ОУ, (а соответственно, и на инвертирующем), будет минус падение на прямосмещённом диоде. VD1 открыт, и через R2 протекает ток со входа узла.

Исходя из закона Ома для участка цепи, ток через резисторы R3 и R1 описывается следующей системой уравнений:

I = (Uвых-Ud1)/R3 = (Ud1-Uвх)/R1.

Если сопротивления резисторов R1 и R3 равны, то

Uвых-Ud1 = Ud1-Uвх;
Uвых = -Uвх + 2Ud1.

Если Ud1 = -0.65 В, то
Uвых = -Uвх - 1.3 В.

Таким образом, мы получили двухполупериодный выпрямитель с минимумом компонентов, но для его адекватной работы входному сигналу необходимо придать смещение. А хуже всего то, что между положительной и отрицательной ветвями графика передаточной функции имеется ступенька величиной в удвоенное падение на прямосмещённом диоде.

▍ «Идеальный диод»

Если воспользоваться «идеальным диодом» на операционном усилителе, этих смещения и ступеньки можно избежать.



При отрицательном входном напряжении ОУ2 поддерживает нулевое напряжение на неинвертирующем входе ОУ1, так как неинвертирующий вход ОУ2 заземлён. Тогда ОУ1 функционирует в качестве инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи -1.

При положительном напряжении на входе ОУ2 переходит в режим компаратора. Его выходное напряжение становится отрицательным и запирает диод. Тогда ОУ1 работает таким же образом, как в предыдущей схеме.

▍ И выпрямлять, и усиливать

Один из более совершенных вариантов схемы двухполупериодного выпрямителя с усилением, который можно использовать как в гитарном октавере, так и в качестве прецизионного амплитудного детектора, содержит два ОУ, два диода и четыре резистора.

Напряжения на обоих входах операционного усилителя равны, если замкнута петля отрицательной обратной связи (ООС). Питание данной схемы двуполярное, поэтому напряжение на выходе ОУ может быть как положительным, так и отрицательным.

В случае отрицательного напряжения на входе, петля ООС операционного усилителя DA1 замыкается через диод VD1. Чтобы поддерживать падение на резисторе R1 равным входному напряжению, потенциал выхода ОУ DA1 будет ниже входного на величину прямого падения на VD1.

При отрицательном напряжении на выходе DA1 диод VD2 закрыт. Тогда через резистор R4 не идёт ток, и падение на нём равно нулю. Таким образом, напряжения на входах DA2 равны нулю. А напряжения на входах DA1 равны входному.

Выходное напряжение можно рассчитать через силу тока, проходящего по резисторам R2 и R3:

I = (Uвых-0)/R3 = Uвых/10R2;
I = (0-Uвх)/R2 = -Uвх/R2;
Uвых/10R2 = -Uвх/R2;
Uвых = -10Uвх.

При положительном напряжении на входе схемы петля ООС не может быть замкнута через диод VD1, так как он позволяет смещать потенциал инвертирующего входа DA1 только в минус.

Смещение этого входа в плюс возможно током через R3 и R2 с выхода ОУ DA2, получающего сигнал с выхода DA1 через диод VD2.

I = Uвх/R1;
I = (Uвых-Uвх)/(R2+R3) = (Uвых-Uвх)/9R1;
(Uвых-Uвх)/9R1 = Uвх/R1;
Uвых = (9+1)Uвх = 10Uвх.

Итак, у нас получился безупречный прецизионный выпрямитель с усилением. Входное сопротивление и модуль коэффициента передачи одинаковы для положительного и отрицательного напряжения на входе. Смещение и ступенька отсутствуют.

Такое устройство пригодится и для детектирования слабых радиосигналов с амплитудной модуляцией, и для измерения переменного напряжения, и в качестве гитарного эффекта.

Также для удвоения частоты входного сигнала можно обойтись парой транзисторов разных типов проводимости. Здесь Q2 открывается положительной, а Q3 — отрицательной полуволной сигнала. Каскад на транзисторе Q1 обеспечивает предварительное усиление.

Напишите в комментариях, какие схемы выпрямителей, детекторов и удвоителей частоты встречались вам.

Кроме приятных человеческому восприятию чётных гармоник, ламповым гитарным усилителям свойственно насыщение магнитопровода выходного трансформатора при работе на номинальной мощности. Существуют педали, использующие реальные маленькие трансформаторы наподобие тех, что в простейших октаверах, для имитации этого эффекта.

Однако большинство педалей предусиления «со вкусом» того или иного культового усилителя не используют ни удвоителей частоты, ни катушек индуктивности с насыщающимся сердечником. Дело в том, что назначение таких педалей — не заменить реальный ламповый усилитель, а заставить один усилитель звучать как другой.

То есть, ламповые гармоники и специфическое насыщение обеспечивает настоящий усилитель, а амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и отклик на динамику входного сигнала — педаль.

▍ Гитарист Стива Джобса

Не является исключением и педаль Marshall Bluesbreaker, повышенный интерес к которой во многом обусловлен творчеством Джона Мейера, который является большим ценителем этого эффекта. На фото с презентации программного пакета GarageBand справа Стив Джобс, а посередине с акустической гитарой Джон Мейер.



Кроме акустических гитар, Джон, как и положено верному последователю Стиви Рэй Вона, любит стратокастеры. В 2011 году он выпустил свой подписной Стратокастер с компанией Fender, а в 2018 году — PRS Silver Sky в сотрудничестве с Полом Ридом Смитом.

Джон Мейер является большим гурманом гитарного усиления и владельцем не только мечты многих гитаристов Soldano SLO 100, но и целых трёх усилителей Dumble, не говоря о Klon Centaur, множестве разных Тьюб Скримеров и недорогой, но легендарной педали MXR Distortion+. Транзисторный фузз с трансформаторным октавером Tycobrahe Octavia также является одной из любимых педалей маэстро.

▍ Изучаем схему

Что же такого сделала компания Marshall для того, чтобы упаковать характер усилителя Bluesbreaker в корпус педали? На схеме мы видим две секции — предусиления и перегруза.



Каждая из секций выполнена на половинке сдвоенного операционного усилителя TL072, снискавшего заслуженную любовь у разработчиков гитарных эффектов и модулей для субтрактивного аналогового синтеза. Начнём рассмотрение схемы с секции предварительного усиления.

Конденсатор малой ёмкости между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя служит для предотвращения самовозбуждения на высоких частотах.

Этот конденсатор встречается на схемах многих педалей с однополярным девятивольтовым питанием. А уж во «взрослой» аналоговой аппаратуре с двуполярным питанием операционных усилителей напряжением ±12, ±15 или даже ±18 вольт вы увидите такие конденсаторы практически обязательно.

Дело в том, что скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя растёт с увеличением питающего напряжения. Именно в этом состоит главный секрет культового «прозрачного овердрайва» Klon Centaur, в котором для получения размаха питающих напряжений в 24.8 вольта применён повышающий преобразователь на переключаемых конденсаторах — «зарядовый насос».

Для получения «гитарно-усилительной» амплитудно-частотной характеристики, конечно же, используются частотнозависимые RC-цепочки между инвертирующим входом и виртуальной землёй, представляющей собой половину напряжения питания, образованную резистивным делителем, средняя точка шунтирована по переменному току электролитическим конденсатором на землю.

В версии 1992 года частоты среза этих цепочек равны 589 и 965 Гц, а в обновлённом варианте, который соберу и я, соответственно, 3.39 и 9.65 кГц. Это очень большая разница.

Старые блюзбрейкеры пытались сымитировать гитарный громкоговоритель совсем не в том месте, где его нужно имитировать. Получился хороший звук, но с ограниченным диапазоном настроек.

Новые версии педали предоставляют гораздо более гибкий и многогранный динамичный овердрайв, от почти прозрачного до почти кранча. У них гораздо больше шансов понравиться современному гитаристу, чем у коллекционных винтажных раритетов из первых партий.

В правом по схеме положении щётки потенциометра Drive, соответствующем максимальному усилению, частота среза фильтра верхних частот, образованного сопротивлением и ёмкостью между выходом первого ОУ и входом второго, составляет 159 герц, в левом положении минимального усиления — 14 герц.

Встречно-параллельные диоды секции перегруза подключены в цепь ООС второго операционного усилителя не непосредственно, как в большинстве педалей, а через резистор сопротивлением 6.8 кОм. Это делает перегруз более мягким и чувствительным к динамике звукоизвлечения. То, что нужно для блюза.

Регулятор тона представляет собой пассивный фильтр нижних частот (ФНЧ) с диапазоном частот среза от 612 Гц до 15.9 кГц. Далее следует ещё один неперестраиваемый ФНЧ с граничной частотой 2.34 кГц.

▍ Что у меня получилось

Как всё это звучит при игре на телекастере с синглами, и как была собрана плата эффекта, можно посмотреть и послушать на видео.

Этот динамичный овердрайв мне понравился. Marshall умеет разрабатывать и совершенствовать педали. В следующий раз надо будет собрать что-нибудь на тему Plexi.

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?