Привет, Хабр! Сегодня мы соберём любимый перегруз Ингви Малмстина и узнаем, почему педали овердрайва были и остаются настолько необходимым дополнением к ламповым усилителям, как винтажным, так и модерновым.
▍ Секрет британского звука
Когда заходит речь о перегруженном звучании электрогитары в рок-музыке, мы вспоминаем, прежде всего, усилители Marshall, давшие миру то, что называется «британский звук» и «кранч» («хруст»).
На самом деле, Джим Маршалл по прозвищу The Guv’nor («Босс») начинал с простого копирования «твидовых» усилителей Fender Bassman. В выходных каскадах усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) оригинальной продукции Лео Фендера стояли американские лампы 6L6 производства RCA.
А будущий Босс Маршалл, естественно, применил свои отечественные, британские EL34 марки Mullard от компании Philips. Это оказалось не только патриотичнее, но и дешевле, а ещё привело к неожиданному открытию, ставшему революцией в мире гитарного звука и подарившему компании Marshall головокружительный мировой успех, продолжающийся уже несколько десятилетий.
Лампы 6L6 (6П3С) и EL34 являются частично взаимозаменяемыми, но не аналогичными, хотя бы потому, что первая — лучевой тетрод, а вторая — пентод. Они даже выглядят по-разному: первые толстые с широкими анодами, вторые — тонкие, и, соответственно, с гораздо меньшей площадью анода (серой коробочки из листового металла, внутри которой находятся все остальные электроды лампы).
Однако лучевой тетрод потому и называется лучевым, что поток электронов в нём фокусируется специальными лучеобразующими пластинами, соединёнными с катодом и создающими пространственный заряд высокой плотности. Сфокусированные пучки электронов попадают не на всю внутреннюю площадь анода, а всего лишь на её треть, будучи сосредоточенными в двух 60-градусных секторах.
Благодаря такой конструкции, усилитель с лучевыми тетродами 6L6 в выходном каскаде предоставляет широкий динамический диапазон с минимальными искажениями. Как говорят музыканты, большой «headroom», что переводится с английского как «место для головы» или «высота потолка».
Это получило название «американского звучания» Fender, ассоциирующегося с чистым, «стеклянным» и «стреляющим» звуком культовой электрогитары Stratocaster от той же знаменитой компании.
Но оказалось, что если собрать усилитель по схеме Fender и установить в его выходной каскад британские пентоды EL34, то на большой громкости получится совсем другое звучание! Динамический диапазон более узкий, звук подвергается сначала компрессии, а затем и ограничению: наступает перегруз.
Именно эта компрессия и склонность к раннему перегрузу сформировала визитную карточку Marshall — «британское» звучание перегруженной электрогитары. Но для того чтобы получить настоящее звучание рока, даже таких роскошных и инновационных по тем временам усилителей оказалось недостаточно.
Гитаристам потребовался ещё один ингредиент, а именно, педаль перегруза, или овердрайва. И дело не только в том, чтобы перегрузить ламповый предусилитель вместо выходного каскада или вместе с ним. Но давайте обо всём по порядку.
▍ От Audio Services к MXR Innovations
История сегодняшней схемы началась более полувека назад, когда двое одноклассников из старшей школы Раш-Генриетта в пригороде Рочестера, штат Нью-Йорк, открыли лавку ремонта аудиоаппаратуры под незатейливой вывеской Audio Services.
Имена талантливых стартаперов, как их назвали бы сейчас, — Терри Шервуд и Кейт Барр. В 1973 году они разработали свою первую гитарную педаль, в связи с чем годом спустя зарегистрировали компанию под названием MXR Innovations, Inc.
Впоследствии педаль MXR Phase 90 на протяжении десятилетий оставалась любимым фейзером множества гитаристов, в том числе, Эдди Ван Халена и Владимира Холстинина из группы Ария.
По тем временам это была дорогая и довольно сложная схема, содержащая целых шесть одинарных операционных усилителей (ОУ) TL061. Впоследствии стали использовать сдвоенные TL062 и счетверённые TL064.
Первый ОУ U1a включён повторителем напряжения, для чего его инвертирующий вход соединён с выходом. Входной сигнал со звукоснимателей и темброблока электрогитары поступает на неинвертирующий вход U1a через последовательный резистор R3, защищающий вход ОУ от повреждения, и разделительный конденсатор C5, отсекающий постоянную составляющую.
Как и абсолютное большинство других гитарных педалей, MXR Phase 90 питается однополярным напряжением 9 вольт от батарейки «Крона» или внешнего блока питания. Минус в центре, как у игровых приставок нашего детства «Денди» и «Сега».
В схемах первых транзисторных радиоприёмников и магнитофонов преобладали германиевые транзисторы структуры PNP. Наилучшие усилительные свойства биполярный транзистор проявляет при включении с общим эмиттером.
В случае PNP-транзистора это означает плюсовой потенциал на общем проводе и соответственно минусовой на шине питания. Именно поэтому у первых штекеров питания минус был внутри, а плюс снаружи. Производители гитарных эффектов, за редкими исключениями, до сих пор придерживаются этого исторически сложившегося стандарта.
Чтобы усиливать переменное напряжение гитарного сигнала, операционному усилителю с однополярным питанием необходимо напряжение смещения, которое он получает с искусственной средней точки, часто называемой «виртуальной землёй».
Последнюю обычно организуют в виде делителя напряжения из двух одинаковых резисторов. Среднюю точку делителя заземляют по переменному току электролитическим конденсатором, и получается опорное напряжение, равное половине напряжения питания.
Но в схеме Барра и Шервуда вместо резистора в нижнем плече делителя использован стабилитрон D2. Получился шунтирующий параметрический стабилизатор напряжения, и поэтому опорное напряжение +Vref равняется 5.1 вольтам вне зависимости от напряжения питания, (если последнее не упадёт слишком низко).
Стабилизация опорного напряжения понадобилась затем, чтобы смещение полевых транзисторов Q2-Q5, речь о которых пойдёт ниже, не зависело от напряжения питания педали. Величина этого смещения +Vbias задаётся подстроечным резистором Rtrimmer и является долей от +Vref, задаваемой положением бегунка Rtrimmer. Данная настройка производится однократно при сборке и наладке педали.
Входной повторитель напряжения служит буфером для обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивления. Для чего нужно первое — это понятно: звукосниматели и особенно потенциометры электрогитары довольно высокоомные, поэтому и входы гитарных эффектов должны иметь высокий импеданс.
А низкое выходное сопротивление необходимо в данной схеме потому, что сигнал с выхода фазосдвигающего тракта и буферизованный входной сигнал смешиваются перед выходным каскадом на транзисторе Q1 через резисторы R8 и R16.
Заметим, что выходной каскад не является эмиттерным повторителем, а построен по схеме с общим эмиттером. 2N4125 — это как раз PNP-транзистор. Землёй для этого каскада служит виртуальная земля +Vref, а шиной питания — общий провод (шасси) схемы эффекта.
И наконец, ключевыми и самыми интересными узлами схемы фейзера являются четыре одинаковых фазовых фильтра на базе фильтра верхних частот (ФВЧ). Каждый из них построен на одном операционном усилителе U2a — U2d.
Коэффициент усиления такого активного фильтра не зависит от частоты входного сигнала, поэтому по-английски эти фильтры называются «всё пропускающими», «all pass filter».
Зато от частоты зависит фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами. Это происходит следующим образом.
Вспомним, что операционный усилитель при включении с замкнутой петлёй отрицательной обратной связи (ООС) будет устанавливать напряжение на выходе таким, чтобы потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов сравнялись. Также вспомним, что через входы идеального ОУ не протекает ток.
Рассмотрим первый фазовый фильтр на ОУ U2a. При низких частотах сопротивление переменному току конденсатора C1 стремится к бесконечности, что эквивалентно соединению неинвертирующего входа с виртуальной землёй +Vref.
Ток в делителе R5R1 будет протекать от выхода U2a к входу узла, соединённого с выходом U1a. Сопротивления R5 и R1 одинаковые, и равны R = 10 кОм. Получаем такие уравнения.
Ir5 = (Vвых-Vref)/R = Ir1 = (Vref-Vвх)/RVвых-Vref = Vref-VвхVвых = 2Vref-VвхИными словами, на частотах, стремящихся к нулю, получился инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом передачи, то есть, сдвиг фазы на 180 градусов.
При высоких частотах сопротивление C1 стремится к нулю, что эквивалентно соединению неинвертирующего входа ОУ со входом фильтра. Получается повторитель напряжения, то есть, нулевой сдвиг фазы.
На граничной частоте фильтра, равной 1/(2πRC), фазовый сдвиг будет равняться 90 градусам. Здесь C = C1 = 47 нФ, а R = 1(1/R6 + 1/Rq2), где Rq2 — омическое сопротивление транзистора Q2. Сопротивление сток-исток полевого транзистора с управляющим переходом зависит от напряжения между затвором и истоком.
Это управляющее напряжение поступает на затворы четырёх транзисторов Q2-Q5 c регулятора смещения и времязадающего конденсатора С10 релаксационного генератора, собранного на ОУ U1b. Принцип работы такого мультивибратора на операционном усилителе мы рассматривали здесь.
Получается, что граничная частота среза RC-цепочек четырёх фазосдвигающих узлов модулируется с частотой, задаваемой положением бегунка переменного резистора R36.
В каждый конкретный момент узкая полоса частот гитарного сигнала будет сдвигаться четырьмя фазовыми фильтрами на 180 градусов, то есть, приходить на смеситель через резистор R8 в противофазе с точной копией этого же сигнала, поступающего через резистор R16.
Таким образом, провал амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) будет двигаться вверх и вниз по спектру аудиосигнала с частотой, задаваемой ручкой регулятора R36. Это и есть эффект фейзера.
▍ MXR Distortion +
Второй по счёту, и ничуть не менее успешной гитарной педалью, разработанной Барром и Шервудом, стал дисторшн на операционном усилителе и двух встречно-параллельных германиевых диодах, включённых после выхода ОУ.
Переменный резистор регулировки перегруза VR1 расположен в нижнем плече делителя ООС операционного усилителя IC1. Последовательно с VR1 включён резистор R6, не позволяющий установить нулевое сопротивление плеча делителя, а также конденсатор С4, который не только отсекает постоянную составляющую сигнала, но и образует вместе с двумя резисторами частотнозависимую RC-цепочку.
В свойствах частотнозависимых цепей Барр и Шервуд, незадолго до дисторшна разработавшие фейзер, разбирались очень хорошо, и осуществили регулировку усиления именно таким образом неспроста.
При нулевом сопротивлении переменного резистора постоянная времени RC-цепочки составляет 221 микросекунду, а частота среза — 720 герц. При полном сопротивлении VR1 470 кОм постоянная времени равна 22.3 миллисекунды, а граничная частота — 7.1 Гц.
Получается, что чем большее усиление задано, тем более подавляется низкочастотная часть диапазона. Это позволяет получить не фузз с его специфическим звучанием, характерным для винтажного усилителя, перегруженного басами, а именно дисторшн, с перегруженной верхней серединой и подчёркнутыми верхами.
Педали необходимы для получения перегруженного звучания лампового усилителя именно затем, чтобы сформировать необходимую амплитудно-частотную характеристику перед ограничением сигнала.
Эта АЧХ называется структурой перегруза, в отличие от итоговой АЧХ, получающейся после регуляторов тембра, громкоговорителя и микрофона.
▍ Overdrive Preamp 250
Продажи MXR Distortion + начались в 1979 году, и в том же году DOD — компания Дэвида Оресте ДиФранческо и Джона Джонсона из Солт-Лейк-Сити, штат Юта — успела произвести реверс-инжиниринг, внести некоторые изменения и начать выпуск своего «предусилителя-перегруза» модели 250.
Даже внешне две педали очень похожи, только у MXR Distortion + регулятор выходной громкости слева, а перегруза — справа. Это логично, ведь входные гнёзда гитарных педалей располагаются справа, а выходные — слева, потому что педалборд располагается перед гитаристом, а кабель выходит из гитары с правой стороны.
На корпусе DOD Overdrive Preamp 250 ручки расположены наоборот, и рядом с выходным разъёмом добавлено гнездо внешнего питания, которого у первых MXR Distortion + не было. Схема потребляет совсем небольшой ток, и 9-вольтовой батарейки хватало надолго. Впоследствии на педалях MXR стали устанавливать разъём для блока питания с правой стороны.
Почему эффект от MXR называется «дисторшн», а разработанная на его базе педаль DOD — «овердрайв-предусилитель»? — Основное отличие состоит в применении разных диодов. Перед нами схема DOD 250.
Германиевые диоды имеют примерно вдвое меньшее падение напряжения в прямом включении, соответственно, получается более сжатый динамический диапазон и более низкая амплитуда выходного сигнала. Перегруз происходит преимущественно в педали, а не в усилителе, отсюда и эффект MXR называется «дисторшн».
Кремниевые диоды обеспечивают больший динамический диапазон и высокую амплитуду сигнала на выходе. DOD Overdrive Preamp 250 позволяет более плавно доводить амплитуду сигнала до ограничения, в том числе, играя с блюзовой динамикой, и предоставляет больше свободы настройки степени перегруза в педали и в усилителе.
С другой стороны, германиевым диодам свойственна меньшая крутизна вольтамперной характеристики, поэтому осциллограмма ограниченного сигнала получается более скруглённой, а звучание воспринимается на слух как более мягкое и музыкальное.
Поэтому каждый из вариантов нашёл в среде гитаристов своих приверженцев. Например, Ингви Мальмстин настолько полюбил Overdrive Preamp 250, что выпустил свои подписные версии этой педали в сотрудничестве и с DOD, и с Fender.
▍ Собираем и слушаем
Мой экземпляр Overdrive Preamp 250 собран из набора от Интернет-магазина GuitaraMania.
К схеме добавлена модификация в виде тумблера, подключающего встречно-параллельную пару германиевых диодов 1N34A параллельно регулятору выходной громкости.
Отключать штатные кремниевые диоды 1N4148 при этом не нужно, так как они при работе 1N34A будут просто оставаться в закрытом состоянии, не оказывая никакого влияния на работу схемы и звучание эффекта.
Благодаря этому тумблеру, мы можем использовать педаль в режиме как кремниевого овердрайва, так и германиевого дисторшна. То есть, получились два эффекта в одном.
Этот овердрайв-дисторшн очень винтажный. У него низкий коэффициент усиления, и он практически не поднимает уровень сигнала в сравнении с модерновыми высокоомными хамбакерами. Зато он ненавязчиво подкрашивает звук как чистого, так и хайгейнового канала усилителя, что может пригодиться, наверное, во всех музыкальных стилях, где есть электрогитара.
Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале ?
