Схемотехника пассивных темброблоков

Регуляторы тембра для усилителей и гитарных примочек во всём разнообразии. Однополосные, двухполосные, а также трёхполосные тонкорректоры – устройство и расчёт

При проектировании звуковой усилительной аппаратуры зачастую возникает вопрос – а какой, собственно говоря, использовать темброблок? И если для бюджетных устройств, не сильно претендующих на высокое качество звуковоспроизведения, приоритеты в основном склоняются в сторону активных устройств, то для качественной аппаратуры желательно использование пассивной схемотехники, то есть регуляторов тембра, не содержащих частотно-зависимых ООС. Этого же мнения придерживается и большинство производителей гитарных предусилителей примочек и комбоусилителей.
Определённым недостатком пассивных регуляторов является некоторое ослабление обрабатываемого сигнала, что зачастую требует введения дополнительного каскада усиления с Кu 14...20 дБ (в зависимости от схемотехники темброблока). Так же следует отметить, что такие регуляторы требуют низкого выходного сопротивления предшествующего каскада и высокого входного сопротивления последующего.

Существует огромное количество схем темброблоков, но, тем не менее, на практике используется лишь небольшая их часть в виде хорошо зарекомендовавших себя схем, которые подходят для большинства конструкций. В рамках данной статьи познакомимся с возможными вариантами схемотехники пассивных тембров, но для начала приведём ссылку на хорошую и очень полезную программу "Tone Stack Calculator", ориентированную на разработку различных вариантов темброблоков, а также на модификацию стандартных схем под имеющиеся в наличии номиналы деталей – duncanamps.com.

1. Классический вариант пассивного регулятора тембра (Баксандалла)



Рис.1 Классическая схема пассивного регулятора тембра Баксандалла

Классический вариант схемы пассивного регулятора тембра Баксандалла (Рис.1) состоит из двух RC звеньев первого порядка – низкочастотного R1C1R3C2R2 и высокочастотного C3R5C4R6R7. Аппроксимированные АЧХ регулятора и расчётные зависимости для определения постоянных времени точек перегиба АЧХ приведены там же – на Рис.1 (справа).
Крутизна АЧХ (с учётом влияния предшествующих и последующих каскадов) для RC звеньев темброблока составляет 4...5 дБ на октаву. При регулировании тембра фильтр Баксандалла меняет только наклон АЧХ без изменения частот перегиба.
Вносимое регулятором на средних частотах затухание определяется соотношением n=R1/R3.
В традиционном варианте рассматриваемого регулятора R1/R3 = C2/C1 = C4/C3 = R5/R6 = n, R2 = R7 = n*R1. При этом достигается приблизительное совпадение частот перегиба АЧХ в области ее подъёма и спада, что обеспечивает относительно симметричное регулирование АЧХ.
При обычно используемом n = 10 (для этого случая указаны минимальные значения номиналов элементов на Рис.1) и выборе частот раздела вблизи 1 кГц регулирование тембра на частотах 100 Гц и 10 кГц относительно частоты 1 кГц составляет ± 14...18 дБ. Как отмечалось выше, для обеспечения плавного регулирования переменные резисторы R2,R7 должны иметь экспоненциальную характеристику регулирования (группа "В") и, кроме того, для получения линейной АЧХ в среднем положении регуляторов соотношение сопротивлений верхнего и нижнего (по схеме) участков переменных резисторов при этом также должно быть равно n. При "хайэндовском" n = 2...3, что соответствует диапазону регулирования ± 4...8 дБ, вполне допустимо использовать переменные резисторы с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота движка (группа "А"), но при этом несколько огрубляется регулировка в области спада АЧХ и растягивается в области подъема, а плоская АЧХ получается отнюдь не в среднем положении движков регуляторов. С другой стороны, сопротивление секций сдвоенных переменных резисторов с линейной зависимостью лучше согласовано, что уменьшает рассогласование АЧХ каналов стереофонического усилителя, так что неравномерное регулирование в этом случае можно считать допустимым.

Приведенный "базовый" вариант регулятора применяется обычно в аппаратуре высшего класса. В бытовой аппаратуре используют упрощенный вариант (Рис.2).



Рис.2 Упрощённая схема пассивного регулятора тембра Баксандалла

На самом деле, данное схемотехническое построение было предложено ещё в 1949 году (до появления регулятора Баксандалла) под названием James (по имени изобретателя) Tone Stack. Данное упрощение высокочастотного звена приводит к некоторой расплывчатости характеристики регулирования в области высших частот и к более заметному влиянию предшествующего и последующего каскадов на АЧХ в этой области.
Вот как выглядят амплитудно-частотные характеристики данного темброблока при различных положениях регуляторов, снятые в программе "Tone Stack Calculator".




Рис.3 Схема James Tone Stack и АЧХ при различных положениях регуляторов

Резистор R5, подключенный к выходу регулятора, на этой и всех последующих схемах, имитирует либо входное сопротивление последующего каскада, либо сопротивление потенциометра регулятора уровня.

Помимо того, что данные темброблоки являются основой значительной части бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры, многие производители лампового гитарного оборудования также активно используют их в своих изделиях, в том числе в усилителях Ampeg, Dynato, Garnet, Orange и Fender ‘blonde’ Twin Amp. Однако наиболее популярной среди производителей гитарной техники по сей день остаётся схема тонкорректора FMV, которую мы приведём далее.

2. FMV темброблок

Это самая распространённая конструкция темброблока, применяемая в гитарных усилителях. Первоначально была разработана Fender, но позже подверглась переработке компаниями Marshall и Vox и стала использоваться в большинстве их усилителей, из-за чего получила название FMV (по первым буквам названий фирм).
С тех пор темброблок стал рассматриваться как стандарт для гитарных усилителей. Привлекательность схемы очевидна, она требует только три конденсатора и резистора в дополнение к потенциометрам Bass, Middle и Trable. На Рис.4 и Рис.5 приведены схемы FMV тонкорректоров, применяемых в усилителях Marshall и Fender соответственно.




Рис.4 Схема темброблока усилителей Marshall и его семейство АЧХ




Рис.5 Схема темброблока усилителей Fender и его семейство АЧХ

Две разновидности схем FMV, показанные на Рис.4 и Рис.5, отличаются лишь номиналами элементов и подключением регулятора средних частот. Разница в функционировании обеих цепей невелика и проявляется в основном при минимальных настройках всех регуляторов. В таком положении регуляторов у темброблока Fender сигнал полностью шунтируется на землю и усилитель молчит (что может сбить с толку некоторых музыкантов), схемотехника же, применяемая в Marshall, исключает это.
Номинал резистора R1 определяет минимальное входное сопротивление всей цепи и должен иметь достаточно большое значение, чтобы не сильно нагружать предыдущий каскад. Если темброблок стоит за катодным повторителем, то величина резистора R1 выбирается из диапазона 33...100кОм, но если темброблок стоит после лампового каскада усиления, то его значение берётся примерно 100...220кОм.

Ещё одним примером вариации FMV темброблока, но с духполосной регулировкой АЧХ (Bass, Trable) может служить схема, используемая в некоторых конструкциях усилителей Vox (Рис.6).



Рис.6 Схема темброблока усилителей Vox и семейство его АЧХ

Помимо FMV построений существует довольно большое количество регуляторов тембра, выполненных на базе частотно-зависимых делителей напряжения.

3. Двухполосные темброблоки на частотно-зависимых делителях

В качестве примера изящного схемотехнического решения регулятора тембра можно привести темброблок, использовавшийся в различных вариациях гитарных ламповых усилителей (Рис.7).



Рис.7 Схема двухполосного регулятора тембра, его АЧХ и расчетные зависимости для определения постоянных времени точек перегиба

Нетрудно заметить, что регулировка в области низших звуковых частот изменяет частоты перегиба, не меняя наклон АЧХ. Когда движок переменного резистора R4 находится в нижнем (по схеме) положении, АЧХ на низших частотах линейна. При перемещении же движка вверх на ней появляется подъём, причем точка перегиба в процессе регулирования сдвигается в область более низких частот. При дальнейшем перемещении движка верхняя (по схеме) секция резистора R4 начинает шунтировать резистор R2, что вызывает сдвиг высокочастотной точки перегиба в область более высоких частот. Таким образом, при регулировании подъем низких частот дополняется спадом средних.
Регулятор высоких частот представляет собой простейший фильтр первого порядка и особенностей не имеет.

На базе этой схемы можно построить ещё несколько вариантов темброблоков, позволяющих регулировать АЧХ в области низших и высших частот. Вариант такого темброблока с регулированием частоты перегиба и наклона АЧХ в низкочастотной области показан на Рис.8.



Рис.8 Двухполосный темброблок с регулированием частоты перегиба и наклона АЧХ в низкочастотной области

Как можно увидеть, в области низших частот возможен как подъём, так и спад АЧХ, а в области высших – только подъём. Резистор R2 регулирует частоту перегиба АЧХ, а R5 – её наклон. Совместное действие регуляторов позволяет получить значительные пределы и большую гибкость регулирования.

Ещё один вариант возможного двухполосного темброблока приведён в программе "Tone Stack Calculator" (Рис.9).




Рис.9 Схема простого 2-полосного темброблока и семейство его АЧХ

4. Регуляторы тембра с одним органом управления

Такие темброблоки используются в самых бюджетных устройствах, однако за счёт своей простоты и наличия всего одного регулятора вполне востребованы в некоторых конструкциях.



Рис.10 Регулятор тембра с одним органом управления

В нижнем по схеме положении движка переменного резистора R1 АЧХ близка к линейной во всем диапазоне частот. При перемещении его вверх появляется подъём АЧХ на низших частотах, причём низкочастотная точка перегиба в процессе регулирования сдвигается в область более низких частот. При дальнейшем перемещении движка верхняя (по схеме) секция резистора R1 включает в работу конденсатор C1, что приводит к подъёму высших частот.

А вот так выглядит темброблок гитарной примочки Electro Harmonix Big Muff:




Рис.11 Схема темброблока Electro Harmonix Big Muff и семейство его АЧХ

Из схемы видно, что она представляет собой два простых RC фильтра (ФВЧ и ФНЧ), соединённых со входом, и потенциометра, располагаемого между их выходами, чтобы смешивать между собой их выходные сигналы. Чтобы обеспечить хорошую степень разделения между фильтрами и широкий диапазон регулировок, номинал переменного резистора R3 должен быть значительно выше, чем R1 и R2.


5. Регуляторы тембра для высококачественной звуковой аппаратуры

Данной теме на страницах нашего сайта было уделено довольно большое внимание. Поэтому для того, чтобы лишний раз не повторяться, приведём несколько ссылок с подробными описаниями пассивных (т. е. не содержащих частотно-зависимых ООС) темброблоков для высококачественной (в том числе Hi-End) звуковой аппаратуры:

Классический темброблок по схеме Баксандалла на полевых транзисторах;
3 и 5-канальный темброблоки для высококачественного УМЗЧ;
Двухполосный регулятор тембра на полевиках для высококачественного УМЗЧ.

Литература:
1. https://duncanamps.com – Калькулятор тональных стеков популярных гитарных усилителей
2. Радио, 1999, №1 – А. Шихатов, Пассивные регуляторы тембра