Злой гитарный фузз Hawk-Drive

Автор: КотоЛев
Опубликовано 01.11.2021
Создано при помощи КотоРед.

Данная статья является продолжением https://radiokot.ru/artfiles/6655/

Немного истории
Fuzz-эффект (фузз, фус, фаз – так его называли в старых отечественных журналах) ведет свою историю практически от начала электрогитарных времен, когда разработчики музыкального оборудования решили попробовать получить звук, искажаемый биполярным транзистором – тогдашней технической новинкой. Драйв, который дает «разогретый» ламповый усилитель, искажающий сигнал электрогитары, был уже вполне известен, и применяем музыкантами (иные товарищи даже диффузоры динамиков резали, лишь бы получить больше искажений, так делать, конечно, не надо), а вот биполярные транзисторы в этой роли оставались terra incognita. Результаты эксперимента оказались неоднозначны, поскольку, с одной стороны, «ламповых» искажений не получилось, звук вышел совсем другой, гораздо более «жесткий» и «жирный» (выражаясь в терминах профессионального жаргона), но вполне интересный и своеобразный, кроме того, низкое входное сопротивление схем на биполярных транзисторах с ОЭ тоже внесло свои коррективы, поскольку, взаимодействие с ручкой мастер-громкости гитары (фузз отзывается на поворот ручки громкости гораздо заметнее, полностью меняя характер звучания, на Fuzz Face можно даже получить бустерообразный по звучанию «clean up») и с гитарным кабелем оказалось совсем не таким, как при игре в ламповый усилитель с его высокоомным входом.

Ближе к схеме
В общем и целом схемы фуззов имеют определенные общие черты, например, небольшое количество транзисторов (как правило, 2-5 штук, хотя есть и минималистичные варианты на одном транзисторе и монстры с десятком активных каскадов, иногда даже на микросхемах, как же без исключений...), включенных по схеме с ОЭ, низкое входное сопротивление (если поставить перед фуззом каскад с высоким входным сопротивлением звук изменится, как правило, до неузнаваемости, нередко в худшую сторону), более широкую, по сравнению с ламповыми усилителями и овердрайвами АЧХ (что важно, в сторону НЧ тоже), использование таких нетипичных для «гитарных» схем вещей, как Триггер Шмитта (пишется именно так, а не «Шмидта», поскольку ни к Остапу Бендеру, ни к его мнимому папе отношения не имеет), дифференциальный каскад, включение транзисторов отличной от остальных, используемых в схеме проводимости, для получения искажающей сигнал цепочки и прочая и прочая...
Одним из распространенных вариантов фузза является схема, входной каскад которой работает усилителем по напряжению (нередко с большим коэффициентом усиления, отчего этот каскад начинает вносить определенные искажения в сигнал), а последующие каскады (как правило, один-два, редко больше), будучи построены таким же образом, имеют в цепи обратной связи ограничительную цепочку на диодах (например, таким образом устроены легендарный Big Muff, Metal Simplex, Apocalypse Audio Dirty Boost и многие другие), после всей это красоты следует регулятор громкости (так же, может быть регулятор тона). За своеобразный характер звучания, довольно жесткий и тяжелый по сравнению с классическими фуззами, устройства подобного рода даже получили название «дисто-фузз».
Поскольку, именно такая структурная схема и реализуется в устройстве, которому посвящена статья, не будем более тянуть кота за рога, а перейдем к ее рассмотрению.

Схема
Вариаций подобного схемотехнического решения история «фуззостроения» знает немало, но все они отличаются множеством нюансов в номиналах компонентов и конкретных реализациях отдельных узлов, что при общей простоте схемы изрядно сказывается на звуке, в общем, дьявол в деталях, как говорят.

И так:

Установленный по входу резистор R1 несет единственную, но крайне важную функцию – убирает потенциал, который непременно при его отсутствии окажется на входе схемы, и будет порождать громкий хлопок в динамике усилителя при переключении кнопки bypass устройства. Номинал резистора R1, в общем-то, может быть в диапазоне 330кОм – 5МОм, но лучше не заходить слишком далеко (в обе стороны) и выбрать что-то около одного мегаома или полумегаома (классика), иначе можно или слишком зашунтировать вход устройства (при низком номинале), или резистор просто не окажет необходимого действия.
Переключатель SA1 позволяет включить по входу схемы один из трех конденсаторов (С1, С2, С3). Это очень важный момент, потому что емкость входного конденсатора крайне заметно сказывается на звуке. Ключевую роль здесь играет много раз помянутое низкое входное сопротивление каскадов с ОЭ, вкупе с которым конденсатор образует ФВЧ первого порядка. Положим, если на высокоомном входе лампового каскада вы включите конденсатор емкостью 0,1 мкФ или 1 мкФ (разница в целых десять раз!), то особых различий не услышите, потому что этот конденсатор и сеточный резистор образуют вместе ФВЧ с такой полосой среза (для дотошных, единицы и доли Герц), что она все равно будет лежать за пределами гитарного диапазона. В данном же случае конденсаторы с емкостями того же порядка окажут заметное влияние на звук. Так, с конденсатором С1 звук будет «острым», с малым количеством НЧ, с конденсатором С2 звук станет заметно «тяжелее», увеличится количество НЧ, увеличится сустейн, подрастет уровень искажений, при подключении же С3 схема начнет пропускать много НЧ (включая басовый диапазон), что на слух выразится как «тягучий» басовитый звук с очень протяжным сустейном и сильной компрессией.
Следует отметить, что номиналы конденсаторов С1-С3 в схеме указаны довольно условно и их стоит подобрать при макетировании на свой вкус (возможно, вы решите ограничиться двумя конденсаторами, дающими полярно разное звучание, или вообще оставите только один). Я пробовал диапазон 10nF…47uF (неполярный электролит), могу сказать, что с этими номиналами все точно работает хорошо. На мой взгляд, не имеет смысла использовать больше трех разных конденсаторов, потому что, разница будет уже не так заметна, но тут уж, хозяин-барин, как говорится. Переключатель SA1 может быть, разумеется, любой конструкции. Автор использовал тумблер с алгоритмом работы on-off-on на три положения (в схеме же нарисован более интуитивно понятный вариант), впаяв в плату С1, к которому в зависимости от положения рычажка тумблера подключается либо С2, либо С3 (в обоих случаях номинал постоянно включенного в цепь С1 серьезно ничего не изменит), либо ничего не подключается и С1 работает в одиночку.
Далее по схеме идет первый каскад усиления на транзисторе VT1 (тот самый, упоминавшийся уже, каскад усиления по напряжению). В его обратную связь (участок Б-К) включена цепочка из двух включенных последовательнорезисторов, постоянного R3 (он задает минимальный уровень усиления схемы) и переменного R4. От их суммарного сопротивления напрямую зависит усиление каскада, а значит уровень искажений, создаваемых схемой, то есть R4 является регулятором усиления, он же «Gain», он же «Fuzz» («он же Гога, он же Жора» из другой оперы) и чем движок R4 ближе к коллектору, тем глубина обратной связи меньше, а усиление больше. Переменный резистор, по идее, лучше использовать группы «А» (логарифм), но, как показала практика, и группа «В» (линейный) при таком способе регулировки усиления работает неплохо.
Да, но ведь перед первым каскадом у нас еще есть резистор R2, о котором мы ничего не сказали. Дело в том, что о нем и нечего особенно сказать. R2 немного увеличивает входное сопротивление, позволяя фуззу лучше «дружить» с разными гитарами, ведь уровень их выходного сигнала может заметно разниться. В принципе, этот резистор можно даже вовсе не ставить, но тогда не исключено, что при работе с активными звукоснимателями (или очень мощными пассивными) фузз будет «захлебываться» (следует отметить, что большинство фуззов вообще лучше работают с «винтажными» звукоснимателями, особенно с синглами и совсем плохо дружат с "активами"). Номинал резистора должен составлять несколько килоом, этого вполне достаточно, чтобы он исполнял свою функцию, не внося при этом ненужных корректив в работу схемы (поэтому, не переборщите и не ставьте R2 больше 10…12кОм).
Конденсатор С5 призван разделять каскады по постоянному току, не оказывая при этом серьезного влияния на АЧХ, поэтому его номинал выбран довольно большим (но в разумных пределах), можно даже сказать, максимально большим из адекватных значений, вообще же, емкость С5 может быть и на порядок меньше, то есть 1мкФ, особой разницы не будет (можно и больше, тоже не критично).
Следующий усилительный каскад на транзисторе VT2 реализует функцию искажения сигнала, собственно, фузз, мякотка. Его коэффициент усиления определяется резистором R6, номинал которого можно менять в довольно широких пределах. Зависимость тут, разумеется, та же, что и в первом каскаде, чем больше сопротивление, тем больше усиление. Главное не переборщить, поскольку, с одной стороны, чем усиление каскада больше, тем больше и искажения сигнала, с другой же стороны, чрезмерно увеличив усиление каскада можно попасть в забавную ситуацию, когда даже минимальный уровень искажений будет столь велик, что вращение ручки «Gain» не окажет заметного на слух эффекта, как будто ничего не меняется. Рекомендую остановиться на номинале 50…150кОм.
Помимо резистора в обратную связь каскада включены конденсатор С6 и диод VD1. Функция конденсатора проста: ослабить усиление каскада на высоких частотах. С одной стороны это спасает от таких неприятных артефактов, как возможное самовозбуждение схемы, с другой – «смягчает» звук, делает вносимые устройством искажения более музыкальными (такой конденсатор ставят в искажающие цепочки практически всех транзисторных овердрайвов, дисторшнов, фуззов) тем не менее, практика показывает, что в данной схеме все прекрасно работает и без него, поэтому в схеме С6 изображен пунктиром.
Диод VD1 напрямую влияет на звучание, формируемое устройством, поскольку образует вкупе с переходом К-Б транзистора VT2 цепочку из двух встречно-параллельных диодов. С переходом К-Б транзистора мы ничего сделать не можем, уж какой есть (разве что, поменять транзистор, что не особенно существенно скажется на звуке, впрочем, об этом еще поговорим), а вот с диодом перед нами раскрывается широкое поле для экспериментов. Дело в том, что разные типы, марки, даже экземпляры диодов не только заметно различаются между собой по ключевым для схем ограничения сигнала (амплитудного, разумеется) характеристикам, таким как напряжение смещения и емкость p-n перехода, но они по-разному входят в режим ограничения. Как правило, маломощные кремниевые диоды и диоды Шоттки, способные на быстрые переключения, переходят к ограничению сигнала резко, как бы скачком (только была синусоида и вот уже у нас прямоугольник), германиевые, особенно совсем старые (типа Д2 и тому подобных в больших стеклянных корпусах-колбочках и с ножками-лепестками), а так же, светодиоды (опять же, в особенности старые, которые раньше стояли во всей отечественной аппаратуре и вводили пользователя в заблуждение, ибо решительно нельзя было понять светится такой светодиод, или нет) входят в режим ограничения плавно, то есть, сначала (при небольшом усилении схемы) сигнал приобретает только легкие искажения, такой специфический окрас – небольшая компрессия и легкий «рык» («кранч» или легкий «овердрайв» на слух), потом (по мере увеличения усиления, то есть, мы вращаем ручку «Gain» вправо) сигнал, изначально условно синусоидальный, все больше приближается по форме к прямоугольному, на слух растут искажения и компрессия.
Тут, как и всегда, когда дело обстоит с музыкальным оборудованием, которое, по сути, и не оборудование вовсе, а творческий инструмент музыканта наравне с гитарой, нельзя сказать, что вот это априори хорошо, а вот то априори плохо. Можно только расписать какая характеристика элемента схемы как и на чем скажется. Этим и займемся.
О влиянии на работу второго каскада конденсатора в цепи обратной связи уже было сказано выше, так вот, емкость p-n перехода, разумеется, влияет ровно так же. У транзистора емкость перехода, как правило, достаточно мала (во всяком случае, для звуковой аппаратуры), тем более, современные транзисторы сплошь высокочастотные (во всяком случае, если сравнивать со всякими архаичными МП42), а вот у диода емкость перехода может составлять от единиц (у маломощных) до десятков (у выпрямительных) пикофарад.
Напряжение смещения перехода будет влиять напрямую на искажения сигнала, поскольку во встречно-параллельной цепочке из двух диодов (не забываем, что один из этих «диодов» у нас сформирован переходом К-Б транзистора) входной сигнал срежется по амплитуде на уровне напряжения смещения (при этом, за срез каждой полуволны сигнала будет отвечать свой диод, то есть, один – за положительную полуволну, второй – за отрицательную).
Опять же, смещение перехода транзистора у нас уже есть, с ним мы ничего сделать не можем (составляет примерно 0,6V), а вот с диодом можно поиграться. Так, если мы поставим в схему диод с меньшим или большим, нежели у транзистора напряжением смещения, получим несимметричное ограничение сигнала (одна полуволна искажена сильнее), что дает особенно интересный эффект на совсем малых уровнях усиления, когда «срезана» только одна полуволна, а вторая не претерпела ни каких изменений и искажений, что на слух выражается в обогащении звука гармониками в небольшой степени (звук, как будто, одновременно и чистый и немного искаженный). Именно поэтому в авторском варианте конструкции использован германиевый диод, с ним и искажения несимметричные и наступают они при меньшем уровне усиления, поскольку напряжение смещения p-n перехода у германиевых диодов примерно вдвое меньше (0,2…0,4В), чем у кремниевых.
Но ничуть не хуже германиевых (они просто больше всего нравятся автору) зарекомендовали себя и светодиоды. Напряжение смещения у светодиодов начинается примерно от 0,9В (красные, особенно старых серий), в основном же составляет единицы вольт (самое больше, насколько мне известно, у белых светодиодов, около 3В), то есть мы опять же получаем несимметричные искажения, но при этом амплитуда выходного сигнала будет больше, правда, для получения тех же искажений, что дает германиевый диод понадобится и большее усиление сигнала. Однако, и в этой особенности есть положительный момент, поскольку нюансы игры музыканта будут лучше заметны, расширится динамический диапазон, да и большая максимальная громкость никогда не бывает лишней (стоит отметить еще один момент из серии «не баг, а фича» - современный яркий светодиод будет загораться в такт извлечению нот наподобие светомузыки, что можно использовать в оформлении педали, сделать ее дизайнерской «фишкой»).
Самый простой вариант будет при использовании обычного кремниевого диода, поскольку его напряжение смещения примерно равно оному у транзистора и сигнал будет ограничен по амплитуде примерно симметрично. Тем не менее, подводные камни (в данном случае полезные, поскольку дают возможности выбора) есть и здесь. Дело в том, что многие современные силовые диоды (например, 1N4005) имеют вполне вменяемые для применения в гитарных педалях габариты, при этом, так как они не рассчитаны на работу на высоких частотах, обладают довольно приличной емкостью перехода, кроме того, склонны, как и германиевые и светодиоды (о чем говорилось выше) входить в режим ограничения сигнала постепенно, в отличие от своих маломощных собратьев (низкочастотные ребята, что с них взять).
Подводя итог «диодной» теме, которая и так несколько растянулась, скажу, что тут действует правило «на вкус и цвет…», то есть, имеет смысл попробовать разные варианты и остановиться на том, который вам понравился больше всего, или даже, на нескольких вариантах, просто переключая разные диоды с помощью тумблера (автор все таки остановился на германиевом диоде из-за нежелания загромождать педаль дополнительными переключателями и из-за специфических «грязных» искажений, особенно, на затухании сигнала, которые дает этот тип диодов, а эксперименты показали, что в этом плане «германий» абсолютно заменим на Шоттки). Можно установить на плату кусочек панельки (для микросхемы) и менять диоды по настроению. Много чего можно, в общем.
Поскольку, с диодами, вроде бы разобрались, идем дальше. Конденсатор С8 развязывает выход второго каскада по постоянному току и единственное требование к нему – не срезать НЧ-составляющие сигнала, поэтому желательно, чтобы он был большой емкости (в схеме 10мкФ, но можно использовать номиналы в диапазоне 1…10мкФ). Резистор R8 призван несколько ограничить уровень выходного сигнала и если вам надо, чтобы запас по громкости был как можно больше, не ставьте его (на самом деле, запас по громкости у схемы очень большой даже при использовании германиевого диода в ограничителе, по этому, рекомендую все таки, поставить R8, возможно подобрав его номинал, тем более, опыт использования педали показывает, что больше, чем на 11 часов громкость выкручивать не приходится). Резистор R9 и конденсатор С9 образуют простой фильтр, который хорошо пропускает частоты выше приблизительно 3кГц, что позволяет не потеряться в сигнале гитарным «верхам» и «верхней середине», а так как НЧ-составляющая сигнала и так проходит замечательно (на резисторах склонны пропадать бесследно именно «верха»), получается небольшой завал СЧ, что положительно сказывается на «читаемости» звука. Если вам не понравится именно эта частота среза фильтра, просто подберите конденсатор (или резистор), рекомендации тут все те же – делайте так, чтобы нравилось вам. Так же, можно вовсе исключить из схемы R9 и С9 и тогда вы получите более басовитый звук, или более ровный по АЧХ при использовании тонкомпенсации регулятора громкости (простейший способ – шунтирование переменного резистора громкости между входом и движком конденсатором небольшой емкости).
По выходу схемы установлен переменный резистор R10. Его функция – регулировка громкости и единственным критичным параметром тут будет только зависимость изменения сопротивления от угла поворота, разумеется, для регулятора громкости это должна быть логарифмическая зависимость (группа «А» у импортных резисторов).
По цепям питания все традиционно для гитарных «примочек». Диод, защищающий от переполюсовки, так называемая, «защита от дурака» (а кто из нас не оказывался им хоть раз?), который не позволит пользователю сжечь педаль при попытке подключить блок питания с неверной полярностью выхода. Диод подойдет любой, если не хотите много терять на его переходе, поставьте германиевый или Шоттки, тут это решительно не имеет значения, а ток потребления педали столь мал (несколько миллиампер, что в основном определяется током светодиодного индикатора включения педали, который не изображен на схеме, дабы не загромождать ее), что самый маломощный диод будет иметь многократный запас. Конденсаторы С4 и С7 развязывающие и их емкости могут отличаться от указанных в схеме в несколько раз, критичный параметр только один – предельное напряжение, которое не должно составлять меньше 16В.
Стоит отметить, что как и все схемы «исказителей», данный фузз относительно критичен к качеству питающего напряжения. Если вы используете вместо нормального блока питания смешную поделку из одной азиатской страны, состоящую из раскаляющегося на холостом ходу трансформатора, диодного моста и сглаживающего конденсатора, то гарантированно получите фон по питанию (и это меньшее из возможных зол). Не надо так делать, не скупитесь на питании, в конце концов, используйте батарейку, благо, схема не прожорлива.
К транзисторам требование только одно, необходимо чтобы их коэффициент передачи по току не был маленьким, что с современной элементной базой не составляет проблем. Оптимальным значением будет 150…500. Так же следует отметить, что отечественные транзисторы, вроде КТ3102 дают несколько более «рыхлый» и «грязный» звук, нежели современный импорт. Но влияние транзисторов на звучание тем меньше, чем меньше напряжение смещения p-n перехода VD1, поскольку если оно будет меньше, чем у транзисторов, роль диода в ограничении сигнала будет заметнее. В общем, экспериментируйте, подбирайте, в конце концов, в свое время был очень популярен Green Russian Big Muff, собранный полностью на наших компонентах и основой его популярности был именно более «грязный» звук наших транзисторов.

***
Вместо эпилога...
В завершение сего (несколько многословного, каюсь) повествования скажу пару слов о печатной плате. Специально для этого фузза я ее не рисовал, поскольку он в авторской конструкции помещен в один корпус с овердрайвом, описанным в предыдущей статье, соответственно, оба устройства собраны на одной большой плате, но овердрайв в ходе экспериментов получил некоторые дополнительные функции, которые не предполагалось делать изначально (соответственно, сделано это все «навесом» на тумблерах, а не печатным способом), с фуззом же подобной петрушки не случилось и его часть платы можно просто вырезать из файла, что я и сделал, но так как вся эта комбинация овердрайва и фузза рассчитана на довольно широкий корпус, плата тоже габаритная.
В общем, прилагаемая к статье плата не претендует на универсальность и оптимальность, возможно лишь, кому-то будет проще, если есть хоть какая-то.

Файлы:
Как звучит
Плата

Все вопросы в Форум.