Привет, Хабр! Сегодня я соберу ещё одну педаль для электрогитары, претендующую на характер звучания легендарного 100-ваттного стека Marshall Super Lead по прозвищу «Плекси».

Схема эффекта построена на четырёх полевых транзисторах с управляющим p-n переходом. Эти полупроводниковые приборы давно пользуются заслуженной любовью энтузиастов гитарного усиления и аналогового синтеза.

▍ Какие бывают транзисторы?

Когда мы читаем или слышим слово «транзистор», чаще всего первым приходит на ум «обычный», то есть, биполярный транзистор — радиодеталь с тремя выводами, называемыми базой, коллектором и эмиттером.

Такие транзисторы мы применяем для усиления тока. Слабый ток базы управляет большим током коллектора, причём коэффициент усиления многих распространённых транзисторов составляет несколько сотен.

▍ Чудесный эмиттерный повторитель

Транзисторный каскад с общим коллектором, также называемый эмиттерным повторителем, используется в качестве буферного повторителя напряжения, обладающего высоким входным и низким выходным сопротивлением.

Это бывает необходимо не только для умощнения сигнала на выходе, но и для устранения влияния нагрузки на генератор или преобразователь сигнала. В статье про педаль дисторшна «Пурпурный Плекси» мы рассматривали важность буферов для сохранения тембра электрогитары при передаче сигнала через кабели и цепь эффектов.

Эмиттерный повторитель на выходе или входе, или в обоих местах сразу мы можем наблюдать на схемах множества гитарных педалей. Вот, например, легендарный Tube Screamer, построенный в лучших традициях эффектов BOSS.


А в этом эксперименте именно эмиттерный повторитель помог заставить плату контроллера многоканальной охранной сигнализации заработать так, как требуется, а не так, как получилось у её авторов.

Или, если вам нужно повторить напряжение в точности, без «ступеньки» смещения на эмиттерном переходе, или построить ИТУН — источник тока, управляемый напряжением, например, для регулятора яркости светодиода, то к эмиттерному повторителю можно добавить операционный усилитель (ОУ), как в моём гитарном тремоло на самодельной резистивной оптопаре.



Здесь напряжение отрицательной обратной связи для инвертирующего входа операционного усилителя берётся не с его выхода, а с эмиттера транзистора, к которому подключена нагрузка. Напряжение на этой нагрузке будет равно напряжению на неинвертирующем входе. И, соответственно, ток через эмиттерный резистор будет равняться входному напряжению ИТУН, делённому на сопротивление этого резистора.

▍ Усиливаем сигнал

А если включить транзистор по схеме с общим эмиттером, то мы сможем усиливать не только ток, но и напряжение. Усиленный транзистором ток, проходя через сопротивление коллекторной нагрузки, вызовет на нём падение напряжения. И амплитуда колебаний этого напряжения может быть значительно выше, чем амплитуда входного сигнала.

Прекрасным примером может служить палитра гитарных бустеров от Electro-Harmonix, явившаяся результатом творческой переработки легендарной схемы Dallas Rangemaster.


При нулевом токе базы коллекторный ток биполярного транзистора также нулевой. Про такое состояние говорят, что транзистор закрыт, или заперт. Чтобы открыть биполярный транзистор, необходим ток базы.

А чтобы протекал ток базы, к эмиттерному переходу необходимо приложить напряжение прямого смещения. Именно этой цели служит резистор с плюса питания на базу, с коллектора на базу, либо резистивный делитель напряжения в цепи базы, как в схемах на рисунке выше.

▍ Наши любимые полевики

Второй привычный нам полупроводниковый прибор — полевой транзистор с изолированным затвором, он же металл-оксид-полупроводник, МОП или MOSFET. Это тоже деталька с тремя выводами, называемыми затвором (вместо базы), истоком (вместо эмиттера) и стоком (вместо коллектора).

В отличие от биполярного транзистора, протекающий через MOSFET ток управляется не током, а напряжением на затворе. Хотя ток перезарядки затвора при изменении этого напряжения также присутствует, ведь у затвора имеется ёмкость.

Причём этот ток бывает значительным, и его приходится учитывать при проектировании электронных схем. Именно поэтому полевым транзисторам могут требоваться мощные драйверы, а в цепь затвора включают последовательный резистор, чтобы не вызвать перегрузку этого драйвера или выхода микроконтроллера.

Две общеупотребительные схемы включения МОП-транзисторов — истоковый повторитель и каскад с общим истоком — как две капли воды похожи на схемы с общим коллектором и эмиттером для биполярного варианта. И напряжение смещения в них также требуется.

В подавляющем большинстве случаев мы имеем дело с МОП-транзисторами c индуцированным каналом, также называемыми транзисторами режима обогащения. При нулевом напряжении затвор-исток они заперты. Чтобы MOSFET режима обогащения начал проводить электрический ток, к его затвору необходимо приложить напряжение открытия.

Но существуют и мосфеты режима обеднения со встроенным каналом, открытые по умолчанию. Напряжение на затворе закрывает их канал вплоть до полного запирания транзистора.

Среди МОП-транзисторов со встроенным каналом следует отметить и двухзатворные полевые транзисторы. Они применяются для смешивания и модулирования сигналов. По своим свойствам двухзатворный транзистор подобен каскоду из двух полевых транзисторов.

Мосфеты режима обеднения используются довольно редко. Напишите в комментариях, если встречали их на практике.

▍ Самые музыкальные транзисторы

Зато очень часто, по крайней мере, в сфере электронной аппаратуры для создания музыки и шумовых эффектов, применяются их братья-близнецы — полевые транзисторы с управляющим переходом, в англоязычных источниках называемые «JFET». Вместо изолированного затвора у них p-n переход, отсюда и название.

При обратном смещении управляющего перехода на величину ниже напряжения отсечки такой транзистор проводит электрический ток, причём в любом направлении. Поэтому JFET нашёл широкое применение в качестве электронного ключа для аналоговых сигналов.

Вот, например, перед нами схема уже упоминавшегося Tube Screamer Overdrive Pro, в которой два полевых транзистора с управляющим переходом Q2 и Q4 осуществляют переключение между чистым и перегруженным сигналом.



Резисторы R17 и R18 отвечают за подачу постоянного напряжения смещения. Каждое нажатие кнопки ножной педали SW перебрасывает симметричный бистабильный триггер на двух биполярных транзисторах Q5 и Q6.

Это кнопка без фиксации. В отличии от механических ножных переключателей с фиксацией, при нажатии она не производит резкого щелчка, который не нравится некоторым музыкантам.

Однако довольно широкому кругу гитаристов не нравится и буферизованный обход (buffered bypass) на транзисторах Q1 и Q3, о котором мы говорили в начале. Они предпочитают настоящий обход (true bypass), когда при неактивном эффекте вход и выход педали просто замкнуты механическими контактами без каких-либо транзисторов и микросхем в цепи.

А что, если музыкант разделяет одновременно и первое, и второе предпочтение? — Существует техническое решение и на такой случай. И осуществляется оно посредством электромагнитного реле, управляемого электронным триггером.

Далее, самый первый и главный параметр полевого транзистора с управляющим переходом — сила тока при нулевом напряжении затвор-исток. Если просто соединить затвор с истоком, получится токоограничивающий диод, который применяется в составе многих микросхем, а также выпускается в двухвыводном корпусе.

Сток-затворная характеристика транзистора с управляющим переходом (слева) и семейство его стоковых характеристик (справа) изображены на рисунке.



Это довольно близко к характеристикам электровакуумного пентода, благодаря которым, получается «магия» тёплого лампового звука. Последний богат чётными гармониками, приятными человеческому слуху.

Поэтому полевые транзисторы с управляющим переходом часто используются в гитарной электронике. Вспомним, например, Xotic Effects EP Booster.

▍ Runoffgroove Thor distortion

Схема динамичного дисторшна, который я сегодня соберу из набора от «Гитаромании», также основана на этих «лампоподобных» «музыкальных» транзисторах.

Её история началась с редчайшего усилителя Marshall 200. В отличие от других номеров моделей Маршалл, здесь число означает мощность. Это был экспериментальный аппарат для тех, кому даже ста ватт «Plexi» Super Lead 1959 оказалось недостаточным.



Впоследствии усовершенствованная двухсотваттная голова пойдёт в серийное производство под названием Marshall Major. А экспериментальная коллекционная редкость получила в среде музыкантов прозвище «Pig» — «Свинья», конечно же, за большие размеры и массу.

Из числа тех немногих артистов, которым достался этот бегемот гитарного усиления, наибольших успехов в применении Marshall «Pig» 200 достигли Ричи Блэкмор из Deep Purple и Мик Ронсон из The Spiders from Mars. Так называлась одна из рок-групп Дэвида Боуи.

И так случилось, что основатель бутиковой мастерской гитарных эффектов Menatone, американец Брайан Мена, является большим поклонником творчества Мика Ронсона. Поэтому он захотел «упаковать» в корпус педали звучание не какого-нибудь мейнстримного стека или комбика Marshall, а именно той самой, сегодня практически недостижимой «Свиньи» с любимых записей.

Педаль получила название Custom Shop PiG, изготовляется под заказ вручную и полностью построена на полевых транзисторах с управляющим p-n переходом, которых в её схеме насчитывается целых шесть.



Особенностью педали является раздельное предусиление высоких и низких частот, соответственно, транзисторами Q2 и Q3, для чего предусмотрены многоступенчатые пассивные RC-фильтры.

Далее был разработан The King, на этот раз, призванный повторять звучание не краснокнижной «Свиньи», а всеми любимого «Плекси». Здесь кастомный двухполосный аудиотракт заменён на более общепринятое решение. А именно, на полный трёхполосный эквалайзер — «тонстек», подключенный через истоковый повторитель.



Куда более разительным отличием является вторая особенность схемы — активный фильтр на выходе, призванный имитировать амплитудно-частотную характеристику инструментальной акустической системы (гитарного кабинета) Marshall.

А это уже схема эффекта Thunderchief c сайта runoffgroove.com, разработанная под явным влиянием авторской схемотехники Брайана Мены.



Затем к схеме добавился мю-каскад класса А с активной нагрузкой без общей обратной связи. Трёхполосный эквалайзер был заменён двумя переключателями — «яркость» и «низ», а основой активного фильтра стал операционный усилитель вместо дискретных транзисторов. И получилась схема Thor.



Обратите внимание на подстроечные резисторы в стоковых цепях. Их бегунки следует установить в такое положение, чтобы потенциалы стоков транзисторов при отсутствии входного сигнала соответствовали обозначенным на схеме. Иначе эффект зазвучит совсем не так, как предполагается, если вообще зазвучит.

▍ Результаты и впечатления

На видео можно послушать, как звучит этот предусилитель, а также понаблюдать за процессом сборки его платы.

Лично мне, как и многим другим гитаристам, включая Владимира Холстинина, не раз говорившего это на видео и писавшего на своём сайте, нравится такая концепция. Без лишних регулировок, только две ручки — громкость и усиление. И два переключателя — стандартная мягкая тонкомпенсация, предназначенная, прежде всего, для гитар с хамбакерами, и подъём басовой части спектра электрогитары.

Звучание мне тоже понравилось. А что касается отклика на динамику звукоизвлечения, то в этом аспекте выигрывает всё же педаль Bluesbreaker на сдвоенном операционном усилителе.

По сравнению с другим дисторшном на полевых транзисторах с управляющим переходом —
«Brown Sound в коробочке» — сегодняшняя педаль гораздо менее шумная, будучи точно так же собранной без экранирующего корпуса, на демонстрационной панели.

Чем больше разных педалей, тем больше вдохновения. Особенно если собирать их своими руками. Напишите в комментариях, какие эффекты для электрогитары вам доводилось собирать.

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