Схематека

Скажу сразу, чтоб потом тапками по лбу не получить. Я только начинаю разбираться и понимать, что и как устроено. Люди годами в универах изучают радиоэлектронику и физику. Я же подчерпываю знания из открытых источников по мере необходимости. Поэтому, я не буду лезть в дебри, стараться умными словами объяснять то, в чем не разбираюсь достаточно, поскольку рискую очень сильно накосячить с терминами, принципами, и подобными вещами. Но иногда без этого будет не обойтись.

Моей главной задачей сейчас является общее понимание того, как те или иные узлы влияют на звук гитары, и как формируется этот самый гитарный перегруз.

Уверен, что кто-то тут этим уже занимался. Я не объясню ничего нового. Но для меня самого подготовка данного материала является неким закреплением в своей голове информации, которую я получил за время изучения. А если для кого-то он будет полезен - буду только рад.

И да, буду рад любым замечаниям, если что-то где-то буду объяснять неправильно. Для того оно все, собственно, и делается. Многие вещи я буду объяснять так, как сам понял. Опять же, если ошибусь - поправьте, не стесняйтесь.

В роли "испытуемого" у нас будет педаль Electra Distortion. Попалась она мне на глаза совершенно случайно, и я решил, что для подобного исследования она подойдет как нельзя лучше. Вот ее принципиальная схема. Она слегка модифицирована, но это в данном контексте роли не играет абсолютно.

Для всего этого безобразия буду использовать среду моделирования электронных схем Proteus. Она позволит не только построить схему, но и посмотреть на влияние компонентов на сигнал, ради чего все это и затевалось.

Вот такой "стенд" я собрал:

В левой части установлен источник напряжения, который выполняет роль генератора синусоидальной волны. Она заменит звуковой сигнал (который, по своей сути, и есть синусоида). Амплитуда сигнала - 0.5 вольт, частота - 1000 герц.
В правой части - динамик, который нужен просто как нагрузка, для того, чтобы схема корректно работала. Так то, в Proteus есть динамик, который позволяет работать со звуков в режиме реального времени. Но мой калькулятор его не осилил.
Под номерами 1 и 3 - выводы на осциллоскоп, на котором мы будем наблюдать всю "магию". Номер 2 так же будет задействован, не удивляйтесь странной нумерации.
Так же, можно увидеть два "зонда", In и Out. Первый мне так и не понадобился, просто забыл его убрать. Со второго буду снимать данные для графика частотных характеристик, который покажет изменения ее относительно исходного сигнала. И не только, но об этом в конце. Для самых пытливых и терпеливых, так сказать.
Красная стрелочка просто указывает направление сигнала, на всякий случай.

Желтая волна - исходный сигнал, красная - сигнал на выходе схемы. Частотный график пришлось очень сильно ужать по ширине, но меня сейчас интересует больше сама линия, чем значения на нем. Так что этого будет вполне достаточно.

График частот вы увидите только в начале, и в конце. Форму свою он не меняет при промежуточных изменениях, меняются только значения на осях. При такой демонстрации, как само можете видеть, их все равно не видно. А отдельно вставлять их слишком накладно из-за ограничений на количество изображений.

Добавляем конденсатор C1.

Первое его назначение - фильтрация сигнала. Из-за своего принципа работы (последовательной зарядке и разрядке под действием тока) на выходе конденсатора образуется переменный сигнал, который очищен от влияния постоянного тока (различные наводки, шумы). Так же, при последовательном включении с источником сигнала, конденсатор фильтрует нижние частоты.

Вообще, о фильтрах, а конкретно об RC-фильтрах, стоит говорить отдельно. В данном же случае просто примем этот момент как факт. Другое подключение конденсатора, уже для обреза высоких частот, вы увидите в самом конце. Ну, и все таки стоит сказать, что это не полноценные фильтры. Если рассматривать конкретно этот узел - здесь не хватает резистора, который одним выводом будет подключен после конденсатора к сигнальной линии, а вторым - к "земле". В таком случае это уже будет полноценный RC-фильтр высоких частот. С наименованием узла могут возникнуть трудности, поэтому поясню (и для себя же повторю в очередной раз). Если мы обрезаем низкие частоты: Фильтр высоких частот, High-Pass, Low-Cut. Если обрезаем высокие - Фильтр низких частот, Low-Pass, High-Cut. На английском все более понятно и логично, на нашем же родном - все наоборот. И лучше запомнить все варианты.

Срез частот, в данном случае, начинается примерно от 500 герц. Уже интересно, правда?

Синусоиды я сдвинул просто для удобства. Совершил бесполезное действие, на самом деле, но переделывать ни сил, ни желания нет. Прошу за это прощение.

Дальше начинается самая страшная часть. Усилительный каскад. Построен он на одном транзисторе. Добавляю его в схему, и подключаю еще один источник напряжения. Это питание нашей схемы, напряжение 9 вольт. В реальной жизни на его месте будет либо блок питания, либо батарейка "крона". Но вот в этой схеме я бы не стал ее использовать. Чуть позже объясню почему.

И вот в данном моменте я больше всего боюсь накосячить с определениями. Остановимся, пожалуй на том, что при таком включении в условиях нормальной работы транзистора он будет усиливать ток, текущий через его коллектор и эмиттер (синяя стрелка). А усиление будет зависеть от тока, который будет подаваться на базу транзистора (красная стрелка).

Сейчас, на самом деле, сигнал остается таким, каким он и был изначально. А на выходе не видно никакой синусоиды.

Немного изменил масштаб, чтобы изменения были более читаемыми.

Оси отцентрированы без смещения. Можно увидеть, как уползла вверх красная линия. Как я понял, это произошло из-за подключения дополнительного источника напряжения.

Да, осциллоскопом я умею пользоваться только на уровне "показывает красивое".

Соединяю сигнальную линию параллельно транзистору к линии, которая питает коллектор. к эмиттеру подключается нагрузка в виде резистора. Ииии...магии не происходит. Дело в том, что на сам коллектор нужно подать определенное напряжение, которое позволит ему работать в нужном нам режиме. Для транзистора 2N3904, который используется в схеме, это значение равно 6 вольт. Достигается это напряжение нагрузкой, в роли которой выступят резисторы. Добавлю их в схему.

Кроме того, можно наконец-то увидеть утерянный вывод под номером 2.

Сделано. Смотрим на нашу синусоиду:

Получается усиленный сигнал. Кроме того, он развернул свою фазу. Неплохо. Добавим переменный резистор на линию питания, который позволит управлять усилением, то есть, регулятор гейна.

При крайнем левом значении влиять на ток он не будет. А вот если начать увеличивать сопротивление - можем наблюдать интересную картину:

Здесь сопротивление выставлено на 50%. Как видим - сигнал еще больше усилился, а верх нашей синусоиды как будто срезался.
Кроме того, если мысленно разделить сигнал горизонтальной осью на две равные части, то станет еще более заметна разница в длине верхней и нижней полуволны.
Мы получили, собственно, перегруз. Еще не совсем тот, который нужен, но все же.
Дальнейшее увеличение сопротивления на этом этапе ни к чему особо не приведет. Но, когда мы доработаем нашу схему - она начнет работать так, как должна.

И сейчас стоит поговорить о том, что меня больше всего заинтересовало в этой примочке.
Обычно, уровень гейна регулируется подобным образом:

Мы как бы меняем баланс между сигналом и заземлением. И в таком виде, в общем-то, получается банальный бустер (тоже разновидность гитарного эффекта). Если его до ума довести, конечно. На гейн мы влиять никак не можем, но регулируем уровень выходного сигнала.
Так же, после этого каскада могут идти последующие, которые будут дальше работать с характером и усилением звука.

А у нас этот потенциометр регулирует напряжение, которое подается на коллектор.

Момент для меня был крайне любопытным, поскольку в первый раз столкнулся с подобным. И результат-то довольно интересный. В отличии от других педалей, которые построены по схеме выше, при минимальном значении гейна мы получаем именно минимальное значение гейна. Звук не пропадает, просто искажения становятся не такими явными.

Следующим элементом будет конденсатор C2. Функции у него те же самые, что и у первого.

Смотрим на волну:

Выходной сигнал сместился, так как напряжение немного упало.

Как вы могли заметить - появилась еще одна волна, синяя. Это как раз показания с зонда номер 2. До этого ее просто не было видно за красной, поскольку они полностью совпадали.

Сейчас сигнал довольно сильно разогнан по громкости относительно входного. Добавим второй потенциометр, который будет управлять выходной громкостью.

Подобный пример включения я рассмотрел в примере с регулировкой гейна.

Ручка гейна на максимум, громкость в центре, смотрим:

Форма не изменилась, но ощутимо снизилась амплитуда сигнала, а соответственно - его громкость.

И наконец-то, специально оставил напоследок. Вишенка на нашем безобразном торте - диодное ограничение. С помощью него мы окончательно сформируем наш сигнал. Сперва просто шунтируем сигнальный проводник одним диодом.

В исходной принципиальной схеме использовались другие, германиевые, диоды. К сожалению, тех моделей, которые предлагает использовать автор, в библиотеке Proteus нет, аналогов тоже. Поэтому использую кремниевые 1N914.

Уже можно заметить изменения, особенно явно их видно на синей волне. При этом, если присмотреться - нижняя полуволна осталась точно такой же. Мы повлияли только на верхнюю. Добавим второй диод, подключается он параллельно первому, но в обратном направлении.

Посмотрим на волны. Сразу в глаза бросается синяя. Вместо ровной синусоиды у нас теперь практически пилообразный сигнал, при этом верхняя и нижняя полуволны теперь симметричны и равной длины.

Выходной сигнал, в свою очередь, обладает характерной "квадратностью", которая присуща педалям Fuzz.

Подобные каскады могут иметь разный вид. Если в одно из плеч добавить еще один диод - мы получим уже несимметричное ограничение. То есть, одна полуволна будет искажена сильнее, чем другая. Таким образом обычно стараются добиться большей схожести с ламповыми искажениями. Кроме того, в некоторых схемах могут использоваться светодиоды. Оригинальная схема овердрайва Marshall Gov'nor как раз использует такое решение. Так же каскад на светодиодах может быть дополнительным, для расширения функционала педали. Если сейчас ничего не путаю, в Suhr Riot присутствует такой каскад в дополнению к каскаду на обычных диодах. В общем, поле для экспериментов тут крайне обширное. Но в рамках этого материала я ограничусь тем, который присутствует на схеме.

На этом уже, собственно, можно было бы закончить. Но есть еще один компонент схемы, который все еще не на своем месте.

Конденсатор С3 выполняет роль High-Cut фильтра, т.е. обрезает верхние частоты выше определенного значения (Low-Cut фильтр мы уже видели). Благодаря переключателю, можно включать и выключать его. При включении график частот принимает вот такой вид.

Вообще, в течение всех манипуляций он так же менялся. Но форма его не изменялась, только масштаб относительно осей. Поэтому, в целях удобства, я решил его опустить в демонстрациях.

Посмотрим, как поведет себя волна в крайних положениях громкости и гейна. То, что волны более вытянуты - опускайте, это те же показатели, но пришлось снова изменить масштаб для большей наглядности. И тут включен срез верхних частот, о котором я говорил выше.

Так как я добрался до лимита медиа-файлов - придется схитрить.

На двух верхних квадратах громкость установлена на середину, гейн - 0 и 100% соответственно.

На двух нижних: громкость на 100%, гейн так же 0 и 100%.

Вот, в принципе, и все. Педаль, на самом деле, довольно любопытная. Когда я впервые ее увидел - решил, что фигня какая-то. Не интересно. Но чем дольше я копался с ней - тем сильнее во мне проявлялось желание реализовать ее. Начал было разводить плату, но потом понял, что с таким количеством компонентов она прекрасно соберется и просто навесным монтажом. Чем и собираюсь заняться в дальнейшем.

Мне крайне понравилось копаться во всем этом. Да, при моем уровне теоретической базы много тут кажется магией. Но это и есть самое крутое в подобных занятиях - когда с пониманием постепенно осознаешь как все работает. Надеюсь, что дойду до этого момента.

Как я в самом начале упоминал - бонус для "выживших". Оставлю ссылку на файлы, которые загружу на Яндекс.Диск. Там будут лежать изображения, используемые в рамках данного материала, но без сжатия и стягивания, а так же те, которые я не использовал для экономии места. Думаю, что проблемы с соотнесением их друг с другом не возникнет. Так же - проект в Proteus, который можно покопать самостоятельно при наличии желания.
Но, самое главное - Proteus позволяет не только смотреть, как цветные "червячки" бегают по клетчатому полю, но и прогонять реальный звуковой сигнал через схему. Чем я и воспользовался. Да, к сожалению, я использовал далеко не самый удачный семпл для этих экспериментов. Он был когда-то записан для немного других целей, но больше нарыть у себя в закромах звук гитары без обработки я не смог. Но даже такой семпл позволит примерно оценить, как педаль будет звучать в тракте. Записывалось все на нековом сингле.
Понимаю, что оно звучит как извращение. Я моделирую на компьютере работу аналоговой цепи, построенной на транзисторе, в которую загружаю реальный аудио-файл, и результат прогоняю через цифровую эмуляцию лампового гитарного кабинета. Ух.
А если серьезно - это прямо очень крутая возможность попробовать реализовать схему на компьютере, протестировать, прослушать, и решить - стоит оно вообще того, чтобы собирать реальный аппарат, или нет.
Ссылка на материалы к посту.

На этом точно все. А вам я пожелаю всего хорошего. Спасибо за то, что дочитали до этого момента.

Вы с нуля освоите все, что должен уметь QA-инженер для работы: тестировать разные продукты, искать баги, предлагать улучшения и «делать» пользователям удобно. И да, таких поломанных сайтов во время учебы будет много — набьете руку!

Следующий поток стартует 28 марта, приходите!

В полевом транзисторе величина протекающего тока регулируется зарядом (Электрическим полем) на затворе транзистора (а не током эмиттера, как в биполярном транзисторе). Отсюда происходит второе название — полевой транзистор.

МОП-транзистор (MOSFET)

По-настоящему широкое распространение полевые транзисторы получили лишь с появлением транзисторов с изолированным затвором. У таких транзисторов затвор представляет собой металлический слой, изолированный от полупроводникового канала тонкой диэлектрической пленкой. В названии таких транзисторов учтена их структура (металл — диэлектрик — полупроводник).

Наибольшее распространение получили кремниевые транзисторы, диэлектриком в которых является окисел (двуокись кремния), так называемые МОП-транзисторы (со структурой металл — окисел — полупроводник) (см. рис.1). Особенно широко МОП-транзисторы используются в интегральных схемах ввиду простоты технологии их изготовления и малой мощностью потребления. Имеется две разновидности МОП-транзисторов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В свою очередь, каждый из них может быть как с каналом п-типа (n-канальный), так и с каналом р-типа (р-канальный).

МОП-транзистор со встроенным каналом

На рис.1 приведена структура МОП-транзистора со встроенными каналами n-типа и схема включения с общим истоком. Исток и сток такого транзистора образованы сильно легированными n+ областями в относительно высокоомной подложке — кристалле p-типа. Между стоком и истоком технологическими приемами создается тонкий канал n-типа с большим сопротивлением из-за малой толщины канала. Такой транзистор называют МОП-транзистором со встроенным каналом. Канал между стоком и истоком покрыт пленкой диэлектрика – двуокиси кремния. На пленку диэлектрика наносится металлическая пленка М, являющаяся затвором. Длина канала составляет единицы мкм. Условное обозначение такого транзистора и схема его включения ОИ показаны на рис.1. При сильном упрощении принцип действия такого транзистора можно объяснить так:

1. При отрицательном напряжении на затворе Uз (относительно истока) электроны «отталкиваются» электрическим полем от поверхности (т.е. из канала) в глубь подложки, а дырки подходят из подложки к поверхности. Проводимость канала уменьшается.

МОП-транзистор со встроенным каналом

Рис. 1

Такой режим называют режимом обеднения (как в унитроне).

При некоторой величине отрицательного напряжения на затворе, называемом напряжением отсечки Uотс, n-канал исчезает совсем. Остаются только сток и исток n+—типа и окружающая их подложка р-типа, с которой сток и исток образуют два встречно включенных р-п перехода. Ток стока при этом не протекает. Таким образом, МОП-транзистор со встроенным каналом в режиме обеднения подобен унитрону, только ток затвора в нем во много раз меньше.

2. При положительном напряжении на затворе электроны «вытягиваются» полем из подложки (в подложке электроны — неосновные носители) к поверхности, т.е. в канал. Электроны в канал поступают и из полуметаллических n+-слоев истока и стока. Дырки же «отталкиваются» полем в глубь подложки. Проводимость канала при этом увеличивается. Такой режим называют режимом обогащения (в унитроне он невозможен). На рис.2 приведены статические выходные (стоковые) характеристики МОП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Они аналогичны характеристикам унитрона с той лишь разницей, что МОП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. На рис.2 показаны затворно-стоковые характеристики (характеристики прямой передачи), отличающиеся от аналогичных характеристик унитрона использованием положительных (UЗИ > 0) и отрицательных (UЗИ < 0) напряжений на затворе, соответствующих режимам обогащения и обеднения соответственно.

Рис. 2

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Этот транзистор отличается только тем, что при изготовлении не получают проводящего канала между истоком и стоком (рис.3).

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Рис. 3

Сильно легированные области стока и истока n+-типа образуют с подложкой p-типа два встречно включенных p-n перехода, поэтому ток между стоком и истоком (Iс) при U3н≤0 протекать не может. Режим обеднения в этом транзисторе невозможен. При положительном напряжении затвора UЗ, под действием электрического поля электроны «вытягиваются» из р-подложки и из областей истока и стока к поверхности под затвором, а дырки отталкиваются в глубь подложки. При некотором положительном напряжении затвора, называемом пороговым Uпор, на поверхности под затвором концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. возникает (индуцируется) канал n-типа. Такой транзистор называют МОП-транзистором c индуцированным каналом. Условное обозначение такого транзистора и схема его включения показаны на рис.3. При увеличении напряжения затвора сверх порогового Uз>Uпор проводимость канала увеличивается, т.е. наступает режим обогащения. На рис.4 приведены статические входные (стоковые) характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом. Основное отличие этих характеристик от предыдущих обусловлено тем, что МОП-транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения (Uз>0) и имеет параметр – пороговое напряжение Uпор. На рис.4 показаны затворно-стоковые характеристики этого транзистора. МОП-транзисторы с индуцированным каналом проще в изготовлении, т.к. отсутствуют технологические операции по «встраиванию» канала. Они более перспективны для применения в микросхемах.

Рис. 4