Авторы:  Сергей Лузан (lart), Антон Калина, Михаил Семенов (aka Old Mike)

1.Теоретическая часть

Сергей Лузан (lart)

Взгляд на историю вопроса.

Особенности работы лампового каскада в режиме перегруза подробнейшим образом исследованы и описаны в следующих публикациях уважаемых авторов:

- ПТ-эмуляция триодного ораничения. В.Кемпф (xbananov)

- К вопросу об эмуляции лампового триода на ПТ. М.Семенов (OldMike)

За что им отдельная благодарность.

Несмотря на очевидную разницу в подходах к решению проблемы, в обеих статьях, тем не менее, был сделан вывод о необходимости применения дополнительного диода в каскаде на полевом транзисторе (далее по тексту – ПТ) параллельно переходу затвор-исток для имитации процессов, происходящих в ламповых каскадах. Достоинства такого решения никоим образом не оспариваются. Однако в самом ПТ уже имеется собственный диод – переход затвор-исток. И почему бы не использовать этот абсолютно «халявный» диод для имитации процессов лампового ограничения? Проблема только в одном – порог срабатывания такого диода довольно высок, что вкупе с низким (9В в нашем случае) напряжением питания накладывает определенные лимиты на коэффициент усиления каскада на ПТ: он не может быть достаточно большим, ибо в таком случае не избежать жесткого ограничения нижней полуволны на стоке ПТ. Ну что ж, придется смириться с уменьшением коэффициента усиления каскада. Посмотрим, что из этого выйдет.

Немного как бы теории…

Принимая во внимание область интересов предполагаемой целевой аудитории, не будем вдаваться в тонкие материи и загружать читателя графиками, формулами и т.п. Остановимся вкратце лишь на основных моментах, необходимых для понимания принципа построения еще одного варианта полупроводникового каскада, имитирующего работу лампового триода в режиме перегруза.

В основе принятой к рассмотрению схемотехники лежит обычный каскад на ПТ, включенном по схеме с общим истоком. В общем случае отметим, что особенностями каскада являются небольшой коэффициент усиления, определяемый достаточно малым сопротивлением нагрузки в стоке, и соответственно – рабочие токи, близкие к максимальным для рассматриваемого режима работы ПТ, а также некоторое положительное смещение, приложенное к затвору.

Для практической реализации прибора на описываемых каскадах со стандартным автономным питанием 9В требуются ПТ с достаточно низким (-0,2…0,6В) напряжением отсечки и малым начальным током стока (0,2…0,6мА). Посему перечень более-менее доступных ПТ, соответствующих этим условиям, сокращается до нескольких наименований: из ПТ отечественного производства это микросборка КПС104А/Б (2ПС104А/Б) и возможно (но очень маловероятно) – отобранные КП303А, из импортных – отобранные по вышеупомянутым параметрам J201, 2SK118R и 2N4338. Возможно, есть еще варианты, тщательных исследований в этом направлении не проводилось.

Номинал стокового резистора следует выбирать таким образом, чтобы при входном синусоидальном сигнале любой амплитуды (в пределах реально достижимой при питании 9В, разумеется) форма искаженного сигнала на стоке ПТ имела плавное мягкое скругление нижней полуволны, без жестких изломов и плоских «полочек», независимо от номинала истокового резистора.

Истоковый резистор может, в принципе, отсутствовать, с некоторым совершенно несущественным ущербом для температурной стабильности каскада. Надо лишь понимать, что наличие этого резистора уменьшает размах сигнала на стоке ПТ, при котором еще не наступает жесткое ограничение нижней полуволны. И чем больше номинал резистора – тем сильнее урезан размах «правильно» ограниченного сигнала на выходе каскада. Проблема частично устраняется установкой параллельно истоковому резистору конденсатора, блокирующего местную ООС (возникающую как раз по причине наличия упомянутого резистора) по переменному току. Смысл использования в нашем каскаде истокового резистора с блокирующим конденсатором заключается в получении требуемой АЧХ (частотно-зависимого коэффициента усиления) каскада и его ФЧХ. Другими словами – при установке конденсатора определенной емкости ООС будет полноценно блокироваться лишь в некоторой области частотного диапазона, поэтому коэффициент усиления будет разным: относительно невысоким в более низкочастотной части сигнала, где влияние блокирующего конденсатора будет минимальным, и максимально возможным в более высокочастотной части сигнала. Однако увлекаться большими номиналами истоковых резисторов нежелательно, так как для обеспечения нормальной работоспособности такого каскада (в нашем, «гитарном» понимании J) придется предпринимать ряд мер, в конечном счете все дальше и дальше удаляющих картину получаемого ограничения от схожести с процессами, происходящими в ламповых каскадах.

Возможно, использование истокового резистора в паре с блокирующим конденсатором и даст некоторое дополнительное (хотя и весьма спорное) удобство  при конструировании правдоподобных копий ламповых прототипов. Но если не ставить целью получить как можно более достоверную по звучанию копию лампового прототипа, то проще и целесообразнее использовать вариант каскада с заземленным истоком, а требуемую форму АЧХ сигнала формировать межкаскадными пассивными элементами.

И, наконец, еще одна «фишка» описываемого каскада – некоторое положительное смещение на затворе ПТ, снижающее  порог срабатывания диода «затвор-исток» и одновременно устанавливающее рабочую точку каскада на уровне примерно половины напряжения питания, поскольку из-за стокового резистора небольшого номинала рабочая точка, как правило, при «нулевом» смещении на затворе и питании 9В находится в районе 6…7В (а то и за отметкой 8В в случае наличия истокового резистора), что, как уже упоминалось, не благоприятствует достижению наших целей. Подача положительного смещения на затвор может осуществляться различными способами: и опорой на «виртуальную землю», потенциал которой выше общей «земли», и резистивным делителем, как для биполярных транзисторов. Свои «плюсы» и «минусы» есть у каждого из этих способов.

Примеры реализации:

Настроенный с учетом вышеизложенных рекомендаций каскад на стоке ПТ имеет форму сигнала, весьма схожую с той, что получается на аноде перегруженного триода. Полного соответствия, конечно же, нет, и процессы, происходящие в описываемом каскаде, лишь отчасти напоминают поведение лампы при перегрузе. Но итоговый результат по характеру и структуре звучания весьма и весьма близок к звучанию ламповых гитарных аппаратов. Да и субъективные ощущения от игры в прибор, построенный на базе описываемого каскада, очень похожи на ощущения от игры в ламповый аппарат: адекватная реакция на нюансы звукоизвлечения и работу ручкой громкости на гитаре, достаточно «правильное» звучание во всем диапазоне рабочих гейнов.

На приведенных ниже осциллограммах представлена визуализация процессов, протекающих в описываемом каскаде (рассматривается поведение второй из упомянутых выше схем).

Сток 2 каскада (http://www.guitarjfet.ru/video/stok2.avi)

Сток 3 каскада (http://www.guitarjfet.ru/video/stok3.avi)

Сток 4 каскада (http://www.guitarjfet.ru/video/stok4.avi)

Исток повторителя (http://www.guitarjfet.ru/video/istok5.avi)

Видеоролики в формате AVI, примерно по 4М каждый. Демонстрация процесса ограничения в нескольких точках. Входной сигнал – синус 100мВ, 1кГц. Ку первого каскада на КП303В – около 10. Крутилась ручка гейна от нуля до максимума.

За качество видео не судите строго. При хорошем увеличении, однако же, можно различить масштабную сетку на экране. Одно деление – 2В.

Как видно, происходящее весьма напоминает то, что происходит с усиливаемым сигналом в ламповых каскадах.

И еще… Просьба не относиться к данной публикации как к очередной (и, как всегда – безуспешной) попытке «похоронить» лампу. Скорее, следует рассматривать весь этот сыр-бор как один из многочисленных способов получить нечто весьма похожее на ламповое звучание, и дать возможность наслаждаться «почти настоящим» звуком тем, кто не в состоянии позволить себе в силу различных причин владеть ламповым аппаратом.

Возможно, статья заинтересует и тех, кто хочет, не надрываясь от тяжести, повсюду носить с собой собственный, достаточно «взрослый» ламповый звук в кармашке гитарного чехла. J

А вот насколько удачным оказалось представляемое решение – судить вам, читателям.

2. Практическая часть. Hi-gain preamps.

Антон Калина (http://www.guitarjfet.ru)

UBERSCHALL JFet

Вооружившись знаниями принципов подобной схемотехники, решено было построить на этой основе копию какого-либо лампового преампа, дабы воочию убедиться в преимуществах и достоинствах новой технологии. Выбор пал на широко известный усилитель UBERSCHALL немецкой фирмы BOGNER. Ну, во-первых, этот преамп еще не макетировался на ПТ, а во-вторых, было очень любопытно сравнить звучание нового «каменного» варианта с ламповым оригиналом.

Через пару вечеров были просчитаны номиналы межкаскадных цепей для версии на ПТ. Честно говоря, это оказалось не так просто именно из-за существенной разницы в коэффициентах усиления лампового  и «полевого» каскадов.

Рыхлый грязный перегруз и зернистая структура мощного рычащего саунда Soldano, доведенные в усилителе Uberschall практически до абсурда, безусловно, снискали немало поклонников среди современных продвинутых гитаристов.

Можно сказать, что звучание этой схемы на все 100% оправдало мои самые смелые ожидания. Настолько похожего на лампу по динамике, по структуре перегруза и ощущениям от игры девайса на ПТ я еще не слышал! Респект Сергею!

Примеры звучания:

Трек1 (http://www.guitarjfet.ru/audio/uber2.mp3)

Трек2 (http://www.guitarjfet.ru/audio/uber3.mp3)

Настройку собранной схемы весьма желательно проводить при помощи генератора и осциллографа, но если таковых в наличии нет…

На стоке первого каскада подбором резистора R3 устанавливаем напряжение равное половине напряжения питания. Аналогичным образом поступаем со вторым, третьим и четвертым каскадами, только в этом случае напряжение на стоке должно быть 3-4 вольта (здесь: кому как больше понравиться). Далее: в зависимости от получившегося значения сопротивления R12, подбираем конденсатор С10 так, чтобы обеспечить плавный спад АЧХ в третьем каскаде, примерно с частоты 1800 Гц. Это очень важно для получения соответствующего итогового звучания.

SLO RECTO JFet

Однако, после того, как схема Uberschall была готова и удачно запущена, Михаил Семенов предложил использовать в истоках ПТ резисторы и конденсаторы, аналогичные по номиналам, используемым в ламповых каскадах. Признаюсь, эта идея показалась чрезвычайно заманчивой с точки зрения упрощения расчета каскада и макетирования нужной АЧХ, хотя меня и предупреждали о возможных «подводных камнях» J.

Для практической реализации теоретических измышлений была выбрана известная и простая схема канала Lead преампа Slo-Recto-Twin by AZG (http://www.aznaur.spb.ru/azgschemes/slo-recto-twin.gif) от «лампового гуру» Азнаура Гишяна. Вот что получилось на выходе:

Как видно, все предельно просто. Однако настройка этой конструкции потребовалась более тщательная и скрупулезная, нежели в первом случае. Как оказалось, схема весьма критична к параметрам ПТ, и ввиду разброса характеристик ПТ рекомендовать какие-либо методики настройки по напряжению нецелесообразно. Подгонку номиналов лучше всего производить с помощью генератора звуковых частот и осциллографа, что позволит отслеживать процессы ограничения в динамике.

На стоке первого каскада, как обычно, выставляем половину напряжения питания. Затем  исток второго ПТ сажаем на общий, а резистор R8 заменяем подстроечным номиналом 6,8-10кОм, и подаем на затвор сигнал с генератора через делитель 220кОм/220кОм. Амплитуда сигнала генератора должна быть около 4 вольт. Цепи смещения при этом должны быть отключены. Вращая движок подстроечного сопротивления, добиваемся мягкого ограничения нижней полуволны на осциллографе при максимальном усилении. Измерив получившееся сопротивление подстроечника, заменяем его постоянным резистором чуть меньшего номинала. Подаем на затвор напряжение смещения, и подбором этого напряжения подгоняем осциллограмму так, чтобы нижняя полуволна начинала ограничиваться заметно раньше верхней. Ну, примерно, как на приведенных выше клипах, любезно предоставленных Сергеем Лузаном.

Чтобы регулировать напряжение смещения, резистор R20 целесообразно на время настройки заменить подстроечным 5,1 кОм.

Аналогичным образом выполняется и настройка четвертого каскада. Чтобы не подбирать напряжение смещения для четвертого ПТ, имеет смысл использовать одну сборку КПС104А для второго и четвертого каскадов, поскольку параметры обеих транзисторов в сборке идентичны. Но если по каким-либо причинам это неприемлемо, или используются другие ПТ, то напряжение смещения для получения требуемой формы ограничения выставляется подбором сопротивления резистора R14.

На этом настройку можно считать законченной.

Несколько примеров звучания:

Трек1 средний гейн (http://www.guitarjfet.ru/audio/slo_recto_low_gain1.mp3)

Трек2 средний гейн (http://www.guitarjfet.ru/audio/slo_recto_low_gain.mp3)

Трек3 гейн на 9 часов (http://www.guitarjfet.ru/audio/slo_recto_high_gain1.mp3)

Трек4 подогрев Ранджемастером (http://www.guitarjfet.ru/audio/slo_recto_max_gain.mp3)

Был опробован также вариант реализации канала Crunch, с обходом второго каскада, и возникла мысль сделать полную копию этого лампового преампа на ПТ, включая и канал чистого звука, но, наверное, это дело ближайшего будущего.

BOOGAZZY (Bogner Ecstasy Jfet)

Как уже упоминалось, основное достоинство предлагаемой схемотехники – это полностью адекватное (ламповое) звучание на малых и средних значениях гейна.

Я давно уже приглядывался к широко известному девайсу Bogner Ecstasy, очень уж нравился его светлый, яркий звук драйва на канале OD2, да и звучание хайгейнового канала OD3 тоже весьма юзабельно. А с применением новой схемотехники «сваять» этот преамп на JFet транзисторах оказалось не так уж и сложно.

Однако, должен признать, что в этой конструкции я еще дальше ушел от основ схемотехники, предложенной Сергеем, но тем не менее, итоговое звучание макета получилось очень даже неплохим.

В процессе макетирования решено было отказаться от переключателя OD Structure (имеющегося в оригинальной схеме лампового прототипа), так как при переключении элементов в истоковой цепи, слишком сильно «уплывал» режим ПТ. Отказался я также и от другого переключателя – Pre EQ, дабы не усложнять конструкцию примочки. Впрочем, желающие могут смело добавить этот переключатель, так же, как и переключатель Plexi (см. схему лампового оригинала), когда сигнал проходит с первого каскада сразу на четвертый. У меня была своя концепция, а у кого-то может быть совсем другая, так что делайте так, как больше нравится.

Несколько замечаний по схеме.

Я не стал устанавливать конденсатор с верхнего вывода на средний на потенциометре Gain, поскольку в гитаре у меня стоит on-board preamp SAGE, и, соответственно, корректирующая емкость на регуляторе гейна в данном случае не нужна. Впрочем, при других вариантах использования, этот конденсатор, конечно же, можно поставить.

Со схемой переключения каналов, думаю, все понятно и так. Вторые пары контактов переключателя Clean/Lead используются для включения/выключения индикации, реализованной, как обычно, на светодиодах (на схеме изображать не стал). А вот переключатель OD/Dist пришлось использовать с тремя группами контактов, чтобы свободная группа подключала светодиод в режиме OD. Для подключения светодиодов служат токоограничивающие резисторы R33 и R34, устанавливаемые на печатной плате (см. рис.).

Печатная плата может быть и меньших размеров, просто я ее делал под свой конструктив. У меня печатка крепится к корпусу примочки, но можно сделать крепление за счет потенциометров, впаиваемых непосредственно в печатную плату.

Печатная плата (82×43мм) в формате Sprint Layout здесь (скачать).

Методика настройки этой схемы точно такая же, как и предыдущей схемы SLO RECTO JFet.

Примеры звучания:

Трек1 OD средний гейн (http://www.guitarjfet.ru/audio/boogazzy_drive2.mp3)

Трек2 Dist макет (http://www.guitarjfet.ru/audio/boogazzy1.mp3)

Трек3 Dist с барабасами (http://www.guitarjfet.ru/audio/boogazzy_drive5.mp3)

Трек4 Dist подогрев Ранджемастером (http://www.guitarjfet.ru/audio/boogazzy_drive6.mp3)

Трек5 становится ясно, почему этот преамп называется Ecstasy (http://www.guitarjfet.ru/audio/boogazzy_trash2.mp3)

Все семплы были записаны на гитаре Washburn Nuno Bettencourt Sigmature Model (заказная), звучки Schadow, on-board preamp SAGE А. Трошнева, усилитель мощности на полевых транзисторах NeoFet SONY, кабинет 4*12 с динамиками Gelestion Vintage V30, микрофон Shure M57.

3. Практическая часть. Overdrives.

Примочка OCHRENAISER

Михаил Семенов (aka Old Mike)

Простая примочка, предназначенная для  имитации слабо и среднеперегруженного лампового усилителя классического типа (Fender TWIN, например), и ориентирована на исполнение в стилях «блюз» и «рок-н-ролл», хотя ничего не мешает играть на ней и все остальное J.

Одной из особенностей схемы является изменение режима ПТ по постоянному току при регулировке гейна – это не ошибка схемотехники, а преднамеренное решение. Благодаря этому схема имеет широчайший диапазон регулировки подгруза – от клина и до мидгейна включительно. При малом гейне смещение на затворах минимально, при его увеличении оно плавно увеличивается, изменяя характеристики каскадов. Для повышения плавности регулировки и улучшении шумовых свойств примочки мною использован сдвоенный регулятор гейна R5/R10, что тоже способствует плавному входу схемы в режим ограничения.

Входной каскад на VT1 служит для согласования сопротивлений и уровня сигнала и никаких особенностей не имеет. Настройка его сводится к установке на стоке напряжения около 5В подбором R4.

Повторитель  VT4 служит для развязки основной схемы и выходного фильтра.

Еще один интересный элемент схемы – выходной фильтр/спикосимулятор на VT5 и VT6. Эта схема имеет большое преимущество перед обычными ТБ и спикосимами. Простой гитарный ТБ слабо помогает, если примочка включена не в гитарный усилитель с гитарным же динамиком в кабинете, то же самое очень часто можно сказать и о спикосиме. Предложенный же фильтр, по сути, является простейшим спикосимом, но с регулировкой среза и добротности, что позволяет его использовать хоть с мегафоном J. Описанная примочка испытывалась на 3-х разных гитарных аппаратах (включая Marchall 2000 и Fender HotRod) и даже в линию, при этом каждый раз удавалось получить от нее приемлемый звук. Использовались гитары LP Standart, Strat американец, Diamant, переделанный до неузнаваемости J, и даже японская акустическая гитара (не помню ее название) со звукоснимателем…

Подстроечник R17 служит для настройки напряжения около 6В на коллекторе VT6 при максимальной добротности фильтра (ручка Q).

Возможные моды.

  1. Выходной фильтр может быть выполнен на ОУ (схема на транзисторах не сложнее, и была выбрана с целью снижения электропотребления).
  2. Выходной фильтр может быть вообще выброшен, если предполагается работать только в гитарный аппарат (кроме фильтрации «песка», этот каскад очень меняет тембр звука и расширяет возможности примочки, выбрасывать его не рекомендую).
  3. Между VT3 и выходным фильтром может быть вставлен стандартный Маршалловский/Фендеровский ТБ (если фильтра нет – на выходе желателен повторитель).
  4. Все остальное, что придет в голову J.

Еще одна схема от lart.

Первый каскад – линейный усилитель с Ку~4…5 и немного куполообразно «задранным» верхним частотным диапазоном с центром в районе примерно 3кГц, далее – слегка пересчитанный фендеровский темброблок, регулятор гейна и два идентичных каскада усилителя-ограничителя.

Прибор позволяет получить отличный клин при малом гейне, красивый брейк-ап при среднем, и приятный кранч/овер при положениях гейна ближе к максимуму. Великолепно реагирует на всяческие грелки. А вариантов звучания можно нарулить тьму-тьмущую благодаря темброблоку перед секцией ограничения.

Настройка второго и третьего каскадов – как описано ранее: стоковым резистором добиваемся плавного ограничения нижней полуволны при любой амплитуде входного сигнала, а затем выставляем положительное смещение на затворе таким образом, чтобы на стоке каскада было 4…4,2В. Как видим, всего три транзистора (в нашем случае один полевик и одна полевая сборка) – и море различных вариантов звучания.

От авторов.

В заключение хочется сказать, что данная схемотехника предоставляет просто огромные возможности для конструирования самых различных гитарных преампов с почти ламповым звучанием. Мы показали всего лишь несколько примеров применения такого подхода, и хотели бы сказать следующее: имитация лампы предложенным способом – вовсе не фетиш или самоцель. Это, в первую очередь, очень «вкусный» звук и неплохая бюджетная эмуляция лампового перегруза.

Надеемся, статья оказалась интересной. Пообщаться с авторами можно на ресурсе forum.gtlab.net

С. Лузан

М. Семенов

А. Калина

© 2009