Полевые транзисторы в устройствах distortion-overdrive

Азы проектирования гитарных примочек на полевых транзисторах от корифея-схемотехника Виктора Кемпфа

Данная страница написана по стопам статьи Виктор Кемпфа, человека далеко не последнего в сегменте корифеев-схемотехников, занимающихся проектированием устройств обработки гитарного звука. Эта замечательная статья под названием «ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В УСТРОЙСТВАХ DISTORTION» была обнародована автором в сети в 2004 году и послужила катализатором целой серии разработок гитарных примочек как у нас в стране, так и далеко за её пределами.

Поскольку оригинал статьи содержит большое количество теоретических выкладок, которые мешают визитёру, случайно зашедшему на огонёк, сосредоточиться на сути вопроса, приведём здесь сокращённое содержание материала. А получить полную, безусловно, полезную информацию по теме можно по ссылке – В. Кемпф - оригинал статьи. Итак, приступим:

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В УСТРОЙСТВАХ “DISTORTION” В.Кемпф

В настоящее время многие пытаются построить подобные устройства на полевых транзисторах, но некоторые специфические особенности этих электронных приборов зачастую отпугивают конструкторов, хотя эти транзисторы имеют много несомненных преимуществ в сравнении с биполярными транзисторами и электронными лампами. К числу основных преимуществ относятся: высокое входное сопротивление; малый шум; возможность питания напряжением 9V; плавность выходной ВАХ.
Основным недостатком полевых транзисторов является существенный разброс параметров в пределах даже одной партии, что создает определенные трудности при отладке устройств.

Далее рассматриваются распространенные (и не очень) схемы включения ПТ и проводится анализ возможностей их использования при усилении и спектральном преобразовании сигнала гитары.

Повторители на полевых транзисторах

Истоковый повторитель является аналогом эмиттерного и катодного повторителей. Повторители на ПТ имеют высокое входное сопротивление (>100 МОм) и выходное сопротивление равное сопротивлению канала в рабочей точке.

Ниже приведено несколько практических схем повторителей на ПТ.

Рис.1 Практические схемы повторителей на полевых транзисторах

Наиболее распространён истоковый повторитель по схеме Рис.1А.
Так как полевой транзистор нагружен на сопротивление R1, то его сопротивление вместе с сопротивлением канала транзистора образуют делитель напряжения, уменьшающий Ku до значения 0,8-0,9 (типичные значения для подобных схем).

Коэффициент усиления по напряжению несложно приблизить к 1, заменив резистор в цепи истока источником тока (Рис.1В). Кроме того, использование источника тока в цепи истока значительно снижает нелинейные искажения, вызываемые изменением сопротивления канала при работе с сигналами большого уровня.
Такой каскад можно рекомендовать как преобразователь импеданса для организации «байпаса» или при использовании в последующих каскадах малошумящих ОУ на биполярных транзисторах и т. д.
Транзисторы здесь следует использовать с существенно разными напряжением отсечки, например, в качестве Т1 – КП303Е (Uо=3..6V), в качестве Т2 – КП303Ж (Uо=0,5..0,8V). Выходной сигнал автоматически смещается «наверх», что позволяет подключать такой повторитель к источнику, гальванически связанному с землёй. Максимальная амплитуда положительной полуволны в этом случае на 0,3V больше Uзи.

И последняя схема (Рис.1С) построена на ПТ с каналами разного типа. Среди отечественных ПТ такие пары образуют КП303Ж-КП103Ж, КП303А-КП103И, КП303В-КП103К. При использовании транзисторов с отсечкой менее 1V (КП303Ж-КП103Ж) и отличающихся друг от друга начальным током стока не более чем на 20%, резисторы R2 и R3 можно исключить совсем. Емкость затвор-исток ПТ с каналом р-типа в несколько раз выше входной емкости n-канальных ПТ, поэтому единственный недостаток такого повторителя – примерно в пять раз большая входная емкость. Выходное же сопротивление такого повторителя приблизительно в два раза ниже, чем на схемах 1А или 1В.
Входная емкость такого повторителя – около 30пФ, выходное сопротивление – около 300 Ом.

Усилители на ПТ в режиме ограничения сигнала

Кроме усиления, каскады в гитарной электронике иногда должны ещё и красиво ограничивать сигнал, оставляя его при этом музыкальным.
Характер ограничения выходного сигнала определяется в первую очередь выходными ВАХ используемых в ограничителе активных элементов. Всенародная любовь к ламповым устройствам такого рода вызвана именно плавностью ограниченного лампой сигнала, что снижает уровень высокочастотных гармоник и продуктов интермодуляционных искажений. Наиболее жесткое ограничение формируют биполярные транзисторы, у которых, как известно, крутой переход из режима усиления в режим насыщения.
Полевые транзисторы (ПТ), имея ВАХ, подобную пентодной, занимают положение промежуточное между ламповыми триодами и биполярными транзисторами. Но использование динамической нагрузки, позволяет получить ограничение каскадов на ПТ, подобное ограничению лампового каскада.

Рассмотрим характер ограничения сигнала различными каскадами на ПТ.


Рис.2 Усилительные каскады на ПТ и их выходные сигналы

Как видно из рисунка, форма сигнала на выходе классического каскада с резистором в качестве нагрузки плавно ограничена снизу и жёстко – сверху (Рис.2А). Спектр выходного сигнала содержит большое количество нечетных и четных высокочастотных гармоник (так называемый «песок»).

Гораздо более приятное ограничение формирует каскад с динамической нагрузкой, схематично изображенный на Рис.2Б. Эффект закругления верхней полуволны наблюдается из-за уменьшения усиления верхнего ПТ при приближении сигнала на выходе к «+питания». Такой каскад, в зависимости от типа ПТ, обеспечивает усиление в линейной области от 20 (для ПТ с высоким напряжением отсечки Uо) до 400 (для ПТ Uо = 0,3...0,4 В).
Использование полевого транзистора с большим Uо требует применения трех таких каскадов для обеспечения достаточного усиления. Использование же ПТ с низким Uо, во-первых, ограничивает максимальную амплитуду положительного полупериода входного сигнала на уровне 0,6...0,8 В, во-вторых, формирует достаточно протяженную «линейную» область (от 0,05 до 0,95 напряжения питания). Т. е. переход от почти вертикальной части выходного сигнала к горизонтальной части, соответствующей полностью открытому или закрытому ПТ, происходит всего за 1/20 напряжения питания, что излишне увеличивает уровень высокочастотных гармоник в спектре выходного сигнала.

Наиболее мягко по форме выходной сигнал ограничивает каскад на составных ПТ по схеме каскода, схематично изображенный на Рис.2В. Усиление такого каскада в линейной области (0,3...0,7Uпит) составляет до 3000 и более, плавно уменьшаясь до единиц при приближении рабочей точки на выходе к «+Uпит» или «земле».
(Страшно и неудобно произносить эти слова, но ограничение такого каскада ничем не отличается от ограничения лампы с резистором в цепи катода. Для любителей ламп: плевки с мониторов лучше вытирать ватным тампоном, смоченным смесью 1:3 ректифицированного и гидролизного спиртов).

СХЕМЫ

Не будем вдаваться в пространные рассуждения о том, как получает свой звук тот или иной производитель искажающих устройств. Большинство исказителей строят по стандартной схеме: Входной усилитель –> ограничитель –> темброблок.

Входной усилитель

Входной усилитель осуществляет предварительное усиление сигнала гитары, проводя заодно (но не всегда) и частотную обработку сигнала: завал частот ниже 100..700Гц или выделение полосы частот в районе 0,6...1,5кГц или выше.
При реализации искажающих устройств на ОУ обычно используют активные резонансные цепи, настроенные на частоты 0,7...1кГц и делающие звук однообразно гнусаво-певучим, но зато с четкой атакой и без выраженных хрипов.
В ламповых устройствах резонансные фильтры применять не принято, т. к. при этом во многом теряется тембровая выразительность самой гитары, да и звук перегруженной лампы не так безобразен, как звук ОУ в режиме ограничения (и даже ОУ с диодами в ООС).
При использовании ПТ разумнее использовать «ламповый» подход к вопросам тембровой обработки сигнала, т. е. применять для формирования тембра лишь простые RC цепи.
С функцией входного усилителя прекрасно справляется схема, приведённая на Рис.2 Б, с добавленным на выходе повторителем.

Ограничитель

После входного усилителя сигнал обрабатывается ограничителем. Для построения псевдолампового ограничителя наиболее подходит каскодная схема по Рис.3. (независимо от стиля исполняемой музыки):

Рис.3 Ограничитель по каскодной схеме с динамической нагрузкой

Т. к. каскад по схеме Рис.3 способен на огромное усиление, то даже одного такого каскада достаточно для получения овердрайва с красивым и приятным ограничением и высокой чувствительностью (ниже такая схема приводится).
В качестве Т2 и Т4 желательно использовать ПТ с Uотс = 2...3V (КП303Г,Д,Е; J202; 2N5458 и т. д.), в качестве Т1, Т3 – КП303А,Б; J201 и т. п. (отсечка должна быть в пределах 0,7...1V). Наилучшие результаты (с точки зрения коэффициента усиления каскада) получаются, когда Uотс Т2,Т4 приблизительно в три раза больше Uотс Т1,Т3.

Диод в цепи истока Т1 служит для увеличения максимальной амплитуды входного сигнала до приблизительно 2V двойной амплитуды.
АХЧ схемы при усилении около 3000 имеет спад -6 дБ/окт на частотах выше 10 кГц. В качестве Т5 не стоит использовать ПТ с большой входной емкостью, например, 2SK117 и подобные, т. к. верхняя частота может уменьшиться до 3 кГц и ниже.
Частота среза нижних частот усилителя-ограничителя определяется емкостью С2, и при указанных номиналах составляет примерно 150 Гц.

Для снижения уровня входных шумов обязательно применение малошумящих транзисторов. Из отечественных в качестве малосигнальных Т1 и Т3 наиболее подходят КП303А.
Т. к. коэффициент усиления по напряжению транзистора Т1 составляет единицы, то большое значение с точки зрения шума всего каскада имеет правильный выбор транзисторов Т2, Т4. В качестве «сильносигнального» выбран малошумящий КП303Г, предназначенный для применения в зарядочувствительных усилителях. КП303Д,Е имеют, как правило, высокую частоту сопряжения избыточных шумов и поэтому их использование нежелательно (ЭДС шума до 1,5мкВ). По той же причине нежелательно использование приборов КП302.
Российские КП303А и Г по шумовым параметрам, ВАХ и μ в целом соответствуют зарубежным J201 и J202, и поэтому могут заменять друг друга в большинстве схем.
В качестве Т1 вполне подойдут и знаменитые 2SK170 и даже 2SK117, они обеспечат примерно на 10 дБ меньший уровень шума), а влияние на АЧХ повышенной проходной емкости этих ПТ будет нейтрализована каскодной схемой, в которой эффект Миллера отсутствует. (Только убедитесь, что отсечка используемого ПТ в пределах 0,7...1V).

Внимание!!! Мю-каскад на каскодных ПТ малочувствителен к пульсациям питающего напряжения, но чувствителен к наводкам сети переменного тока частотой 50 Гц, поэтому обязательно его размещение внутри металлического экрана (наводки устраняются полностью).

Темброблок

На выходе ограничителя стандартным устройством является темброблок. При построении «примочек» на ПТ можно непосредственно использовать хорошо зарекомендовавшие себя обычные пассивные темброблоки ламповых устройств. Схему темброблока можно построить по классической «маршаловской» (3 ручки, обычно для утяжеленного звука) или «фендеровской» (три ручки, обычно чистый канал). Можно использовать также вариант «хотбокс» с двумя регуляторами либо собрать упрощенный вариант с одним.

Рис.4 Пассивные формирователи тембра

После регуляторов тембра, имеющих большое выходное сопротивление, всегда полезно установить повторитель. Т. к. выход темброблока гальванически связан с «землей», то наиболее подходит здесь повторитель по схеме Рис.1А или ещё лучше Рис.1В.

Практические схемы

Приведенные ниже схемы – это различные комбинации рассмотренных ранее каскадов, использованных в обычных для искажающих устройств узлах.
Начнем с самой простой схемы, формирующей сигнал на выходе, подобный сигналу на выходе двухкаскадного лампового ограничителя, в котором первая лампа усиливает сигнал, вторая – ограничивает.



Рис.5 Овердрайв для нетяжелых стилей

Функции и входного усилителя и ограничителя выполняет один мю-каскад по схеме Рис.3 на каскодных ПТ Т1,Т2 и Т3,Т4. Емкость С2 подбирается по вкусу под конкретный инструмент. Степень перегруза регулируется с помощью R2 от практически неискаженного до хорошего сочного овердрайва. На выходе каскада добавлен простой повторитель и далее тембр сигнала регулируется обычным «маршаловским» темброблоком. Делитель R12 и R13 снижает уровень выходного сигнала с 3V до 200mV и заодно исключает влияние входного сопротивления следующих устройств на работу темброблока.

Схема будет весьма полезна любителям нетяжелых стилей, использующих «правильный» гитарный кабинет. Хорошо воспроизводит «хардовский» звук семидесятых прошлого века.
Не рекомендуется делать для нее пассивный байпас, т. к. часто в этом случае возникает сложноустранимое самовозбуждение (зависит в основном от монтажа). Если необходим байпас, лучше используйте активный (Рис.6). Прекрасно себя зарекомендовал байпас на ПТ с источником тока в цепи истока. (Такой байпас можно использовать совместно с другими устройствами, схемы которых будут приведены ниже).


Рис.6 Байпас на ПТ (напряжение отсечки Т7 должно быть 2,5...6V)

Те, кто играл на ламповых преампах-исказителях хорошо знают, чем отличается звук лампового устройства с тремя каскадами (усиление–ограничение1–ограничение2) от звука двухкаскадного устройства (усиление-ограничение).
Следующая схема, изображённая на Рис.7, даёт гораздо более насыщенный и «тяжелый» звук без потери его музыкальности.

Рис.7 Вариант схемы дисторшн для использования с тяжёлыми стилями

Для получения более плотного звука, на входе примочки добавлен предварительный усилитель на Т1-Т2 по схеме Рис.2Б.
Максимальный входной сигнал каскада – до 3V двойной амплитуды.
В качестве Т1 желательно выбрать ПТ с отсечкой 1,5...2V.

На выходе добавлен простейший буферный каскад на двух ПТ. Начальный ток стока у Т4 должен быть меньше чем у Т3. При использовании типов ПТ, указанных в схеме, это требование удовлетворяется практически всегда (для КП303Ж обычно Iо = 0,5..0,8 mA, для КП303А Iо = 0,8..2 mA).

Диоды D3, D4 ограничивают амплитуду сигнала на входе второго усилителя уровнем 1V двойной амплитуды. Исключение этих диодов приводит (из-за перегрузки по входу второго усилителя) к гораздо менее музыкальному звуку на выходе. Кроме того, цепь С4-R6-D3/D4 формирует атаку сигнала, т. к. для небольших сигналов частота среза ФВЧ, состоящего из С4(R6+R2), составляет около 70 Гц, а для больших сигналов диоды D3/D4 шунтируют R2, повышая частоту среза фильтра и формируя таким образом четкую атаку.

Не пугайтесь наличия в схеме встречно-параллельно включенных диодов, так нередко поступают в своих ламповых преампах и именитые производители: взять, к примеру, ламповый Marshall 900 preamp – только там диоды включены смешной кучей 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 Т5-Т8.
Максимальный коэффициент усиления каскада снижен до 700 установкой R7 относительно небольшого номинала, главное же качество каскада – плавное ограничение при этом сохранилось. Коэффициент усиления каскада регулируется с помощью R8 в районе 20..700.

Далее сигнал идёт на повторитель с источником тока, выполненный по схеме Рис.1В, после чего поступает на регулятор тембра.

Заключение

Каждая из приведённых схем не является истиной в последней инстанции, и может быть доработана с учетом индивидуальных потребностей.
Многое из того, что предлагается в статье построить на полевых транзисторах, можно сделать и на ОУ. Но ОУ – это материал для производства в первую очередь ширпотреба.
Уникальные качества полевых транзисторов – это крайне низкий шум при работе с высокоимпедансными источниками, а также плавность выходных ВАХ. Всё это при грамотных схемотехнических решениях позволяет собрать на них гораздо более качественно звучащие устройства. Причем, как и в ламповых устройствах, все огромные возможности таких устройств проявляются лишь при индивидуальной отстройке режимов полупроводников.

Цель настоящей публикации – показать, что качество звука искажающих устройств в гораздо большей степени зависит от схемотехники, нежели от характеристик использованных в них элементов, хотя и характеристики элементов играют важную роль.

Тем же, кто искренне считает, что в каком-нибудь зарубежном J201 или 2sk170 электроны движутся быстрее, чем в нашем КП303А, помочь трудно. Но мы надеемся, что умным людям статья что-нибудь полезное подскажет!!!