В статье рассмотрены усилительные устройства, реализующие эффект Distortion для электрогитары. Это самый используемый электроакустический эффект, который применяют гитаристы на протяжении многих лет, его звучание знакомо даже начинающему исполнителю. В настоящее время существует множество видов устройств, реализующих этот эффект, но все они различаются схемотехническим построением и придают звучанию разный оттенок.

Описываемые устройства по характеру звучания напоминают эффект Distortion, достигаемый в аналогичных конструкциях на электронных лампах, но выполнены они на полевых транзисторах.

В сравнении с биполярными транзисторами и электронными лампами полевые транзисторы (ПТ) с p-n переходом имеют ряд положительных качеств: высокое входное сопротивление, возможность питания низким напряжением (для удобства использования большинство подобных устройств питаются от компактной батареи напряжением 9 В), малый шум, небольшая нелинейность проходных характеристик.

Пожалуй, основной недостаток этой группы транзисторов - существенный разброс параметров в пределах даже одной партии, и это создает определенные трудности при отладке устройства.

Входной усилитель осуществляет предварительное усиление сигнала гитары, проводя заодно (но не всегда) и частотную обработку сигнала: спад АЧХ на частотах ниже 100...700 Гц или выделение полосы частот в районе 0,6...1,5 кГц (либо выше). При использовании ПТ разумнее использовать "ламповый" подход к вопросам тембровой обработки сигнала, т. е. применять для формирования тембра лишь простые RC-фильтры.

Рис. 1

После входного усилителя сигнал обрабатывается ограничителем. Для построения "псевдолампового" ограничителя (независимо от стиля исполняемой музыки) наиболее подходит каскодная схема усилителя-ограничителя, показанная на рис. 1. Так как такой каскад способен обеспечить высокое усиление, то даже одного его достаточно для получения овердрайва с красивым и приятным ограничением и высокой чувствительностью.

В позициях VT2 и VT4 желательно использовать ПТ с напряжением отсечки UOTC = 2...3 В (КПЗОЗГ, КПЗОЗД, КПЗОЗЕ; J202; 2N5458 и др.), а в позициях VT1, VT3 - КПЗОЗА, КПЗОЗБ, J201 и т. п. (отсечка должна быть в пределах 0,7...1 В). Наилучшие результаты по усилению в каскаде получаются в случаях, когда напряжение отсечки у транзисторов VT2, VT4 приблизительно в три раза больше, чем у VT1, VT3.

Диод в цепи истока VT1 служит для увеличения максимального значения входного сигнала до размаха приблизительно 2 В.

АЧХ каскада по схеме рис. 1 при усилении около 3000 имеет спад 6 дБ на октаву на частотах выше 10 кГц. В позиции Л*5 не стоит использовать ПТ с большой входной емкостью, например, 2SK117 и подобные, так как частота среза может уменьшиться до 3 кГц.

Снижению уровня собственных шумов способствует применение малошумящих транзисторов. В позициях VT1 и VT3 наиболее подходят КПЗОЗА, КПЗОЗБ; транзисторы КПЗОЗЖ при аналогичных вольт-амперных характеристиках имеют в полосе 80...5000 Гц уровень шума примерно в 2...3 раза выше.

Так как коэффициент усиления по напряжению транзистора VT1 невелик, то большое значение для минимизации шума всего каскада имеет правильный выбор транзисторов VT2, VT4 - например, малошумящего КПЗОЗГ; его ЭДС шума не превышает 0,3 мкВ (в полосе 80...5000 Гц). КПЗОЗД, КПЗОЗЕ имеют, как правило, высокую частоту сопряжения избыточных шумов и поэтому их использование нежелательно (ЭДС шума до 1,5 мкВ) По этой же причине нежелательно применение ПТ серии КП302. Еще одно преимущество отечественных ПТ серии КПЗОЗ - металлический корпус с отдельным выводом, что тоже помогает в борьбе с наводками.

Этот каскад малочувствителен к пульсациям напряжения, но чувствителен к наводкам сети переменного тока, поэтому его обязательно размещают в металлическом экране, а вывод корпуса транзистора VT1 соединяют с общим проводом. Корпуса остальных транзисторов серии КПЗОЗ также можно соединить с общим проводом.

Рис. 2

К выходу ограничителя целесообразно подключать темброблок. Его можно собрать по классическим схемам. применяемым в устройствах известных фирм Marshal, Fender (на рис. 2,а, б показаны трехполосные регуляторы) или воспользоваться более простыми вариантами, изменяющими спектр в двух частотных полосах (схемы на рис. 2,в, г).

Рис. 3

После регуляторов тембра, имеющих большое выходное сопротивление, всегда полезно установить повторитель также на ПТ, вариант которого показан на рис. 3, как самый простой, с непосредственной связью с резисторами темброблока. На рис. 4 показан повторитель с генератором тока и дополнительной RC-цепью коррекции АЧХ. Здесь емкость конденсатора выбирают исходя из спектра звучания гитары и необходимости его ограничения снизу.

Рис. 4

Если предполагается использование инструмента с гитарной акустической системой (АС), которую музыканты называют "кабинетом", то на выходе этого повторителя следует установить регулятор уровня (его варианты показаны на последующих схемах) и на этом успокоиться. Если же АС - обычная (широкополосная), то с выхода повторителя сигнал полезно пропустить через ФНЧ, ослабляющий частоты выше 5 кГц. Лучшие результаты получаются при использовании фильтров Бесселя или Баттерворта третьего и более порядка со спадом 18 дБ на октаву и более. Схемы, как и формулы расчета частот среза, таких фильтров на повторителях напряжения, выполненных на ОУ, известны [1, 2], поэтому их здесь не приводим. Вместо ОУ в такие фильтры можно ставить повторители на ПТ. Следует лишь иметь в виду, что выходное сопротивление повторителей на ПТ составляет 0,2... 1 кОм, и номиналы резисторов в фильтрах лучше выбирать в интервале 47...470 кОм.

Рис. 5

При необходимости играть "в линию" в любой блок эффекта Distortion полезно добавить "эмулятор кабинета", формирующий АЧХ определенного вида. Его можно собрать полностью на полевых транзисторах, например, по схеме рис. 5. На истоках ПТ напряжение должно составлять +4,5 В. Для снижения чувствительности к наводкам корпуса транзисторов здесь также следует соединить с общим проводом.

Преимуществом использования здесь ПТ вместо ОУ является мягкость ограничения при перегрузке, которое при использовании комплементарных ПТ симметрично. Чтобы перегрузить устройство, напряжение на входе должно быть не менее 4...5 В двойной амплитуды. На транзисторах VT1, VT2 собран полосовой фильтр с некоторым подобием "резонанса" в области 100 Гц. Сместить центральную частоту этого фильтра, например вниз, можно пропорционально увеличив емкость конденсаторов С1, С2. Высоту низкочастотного "резонанса" можно снизить, увеличив сопротивление резистора R3, при этом понизится и частота среза фильтра.

На транзисторах VT3-VT6 собран ФНЧ четвертого порядка с подъемом в области 3...4кГц и спадом крутизной 24 дБ на октаву на частотах выше 5 кГц. АЧХ этого узла подобна характеристикам эмуляторов в известных устройствах Sunsamp GT2 и Marshall Speaker-simulator.

В области "верхней середины" тембр можно смягчить, уменьшив емкость конденсаторов C3 и С5 в 1 5 раза и во столько же раз увеличив емкость С4 и С6.

Приведенные ниже схемы - это различные комбинации представленных ранее каскадов, использованных в обычных для устройств обработки узлах.

Рис. 6

Начнем с относительно простой схемы устройства (рис. 6), формирующего сигнал на выходе, подобный сигналу на выходе двухкаскадного лампового ограничителя, в котором первая лампа усиливает сигнал, а вторая ограничивает.

Функции входного усилителя и ограничителя выполняет один каскад с транзисторами VT1, VT2 и VT3, VT4 в каскодной схеме включения (как на рис. 1). Емкость конденсатора С2 подбирают "по вкусу" под конкретный инструмент. Степень перегрузки регулируется с помощью переменного резистора R2 - от практически неискаженного звука до хорошего, сочного овердрайва. На выходе каскада добавлен простой повторитель, и далее тембр сигнала регулируется обычным "маршалловским" темброблоком. Делитель R12R13 уменьшает уровень выходного сигнала на порядок и заодно снижает влияние входного сопротивления последующего устройства на работу темброблока.

Такое устройство будет весьма полезно любителям нетяжелых стилей, использующим "правильную" гитарную АС. Оно хорошо воспроизводит "хардовский" звук семидесятых годов.

Рис. 7

Следующий вариант устройства, схема которого показана на рис. 7, создает гораздо более "тяжелый" звук, без потери его музыкальности.

Для получения более плотного звука на входе добавлен предварительный усилитель на VT1, VT2. Максимальный входной сигнал каскада - до З В двойной амплитуды. В качестве VT1 желательно выбрать ПТ с напряжением отсечки 1,5...2 В. На выходе добавлен простейший буферный каскад на двух ПТ. Начальный ток стока у VT4 должен быть меньше, чем у VT3 При использовании типов ПТ, указанных на схеме, это требование удовлетворяется практически всегда (для КПЗОЗЖ обычно начальный ток стока - 0,5...0,8 мА, а для КПЗОЗА - 0,8...2 мА).

Диоды VD3, VD4 ограничивают сигнал на входе второго усилителя до 1 В в размахе. Исключение этих диодов приводит к перегрузке по входу второго усилителя и к гораздо менее музыкальному звуку на выходе. Кроме того, цепь C4R6VD3VD4 формирует атаку звука, так как для небольших сигналов частота среза ФВЧ C4R3R6 близка к 70 Гц, а для больших сигналов диоды VD3, VD4 шунтируют резисторы фильтра и повышают частоту среза, формируя таким образом четкую атаку. Не пугайтесь наличия в схеме встречно-параллельно включенных диодов; так нередко их включают в ламповых предварительных усилителях и именитые производители: взять, к примеру, ламповый Marshall 900 preamp (только там диоды включены группой из пяти штук, но ограничивают сигнал точно так же).

Далее сигнал с движка регулятора степени искажений поступает на каскодный усилитель с динамической нагрузкой, собранный на транзисторах VT5-VT10. Максимальный коэффициент усиления каскада снижен до 700 установкой резистора R7 меньшего сопротивления (в сравнении с резистором R3 на рис. 6), главное же качество каскада - плавное ограничение - при этом сохранилось. Коэффициент усиления каскада регулируют с помощью переменного резистора R8 в интервале 20...700.

Звук от обоих устройств может быть значительно облагорожен, если на их выход добавить эмулятор, собранный по схеме рис. 5.

1. Джонсон Д., Мур Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам. - М Энергоатомиздат, 1983.
2. Операционные усилители и компараторы. Справочник. - М.: Додэка-XXI, 2001, с. 53-58.

Автор: Д. Пустовой, г. Москва; Публикация: radioradar.net