Изучаем и собираем Klon Centaur
Привет, Хабр! Действительно ли влияют на звук аудиофильские операционные усилители? Сегодня мы рассмотрим культовый прибор для обработки аудиосигнала, призванный улучшить звук лампового гитарного усилителя. Изучим схему, построим опытный образец и послушаем, как он звучит.
Инструментальные усилители для электрогитар имеют отличия от аппаратуры для высококачественного воспроизведения музыкальных записей. Во втором случае от усилителя и акустической системы с громкоговорителями требуется максимальная линейность и минимум искажений по всему спектру частот слышимого звука.
А гитарный усилитель с инструментальной акустической системой, называемой кабинетом и оснащённой специальной динамической звуковоспроизводящей головкой, должен, наоборот, выделять из спектра сигнала специфические «гитарные» частоты, чтобы обеспечить выразительное и приятное слуху звучание, особенно в миксе с другими музыкальными инструментами и вокалом.
Более того, в гитарном аудиотракте используются нелинейные искажения и ограничения на всех ступенях: в предварительном усилении, усилителе мощности и выходном трансформаторе, насыщение магнитопровода которого вносит значительный вклад в столь любимый гитаристами и ценителями гитарной музыки драйв. От лёгкого винтажного блюзового до экстремально сумасшедшего модернового хайгейна.
Также используются нелинейности, частотно-зависимые свойства и инертность электромеханической системы в виде одного или нескольких громкоговорителей в акустическом оформлении — кабинете. То, что в звуковоспроизведении обычно считается и объективно является недостатком, в создании художественного звука является желательным, полезным и нужным инструментом.
Хотя и звуковоспроизводящая аппаратура с приятными уху «тёплыми ламповыми» искажениями имеет немало своих ценителей. Наш человеческий слух устроен так, что любит чётные гармоники, свойственные ламповым искажениям, и не любит нечётных, склонность создавать которые имеют транзисторы.
Итак, гитарный усилительный тракт состоит из целой последовательности каскадов, в классическом варианте ламповых, трансформатора с ферромагнитным сердечником и кабинета. И на каждом из этих элементов теряется часть высокочастотной составляющей спектра сигнала. В итоге звук становится глуховатым и, как говорят гитаристы, «тёмным».
Для джаза это даже хорошо, поскольку избавляет звук от гармоник, нежелательных для данного стиля музыки, в котором господствуют «многоэтажные» аккорды, диссонирующие интервалы и хроматизмы. Разборчивость звука в джазовой гитаре создаётся низкой добротностью полуакустического корпуса, толстыми струнами и медиаторами.
Но року, кантри и множеству других стилей требуется более звонкий, «светлый» звук. Fender Telecaster с кленовым грифом, декой из ясеня и одинарными звукоснимателями, — «синглами», создаёт яркий звук сам по себе.
Чего нельзя сказать о Gibson SG, (именной модели известного гитариста и композитора Сергея Головина), у которой гриф и корпус из красного дерева, а звукосниматели с двойными катушками в противофазе для устранения электромагнитных помех, то есть «хамбакеры».
Можно не верить в третий закон Ньютона и считать, будто колебания струн никак не взаимодействуют с рамой из грифа и деки, хотя факт состоит в том, что грифу и деке колебания струн передаются, то есть, передаётся часть энергии колебаний.
Можно не верить в то, что физические свойства материалов деки и грифа приводят к различному угасанию колебаний на разных частотах. Хотя куда тогда переходит энергия механических колебаний, если не в тепло? Придётся не верить и в закон сохранения энергии.
Но уж влияния на звук гитарных звукоснимателей почти никто, кроме единиц саунд-продюсеров, рекламирующих свои услуги по реампингу, не оспаривает. Музыкантам хочется играть на разных гитарах и получать от них разный, при этом разборчивый и красивый звук.
Потому в некоторые усилители стали встраивать переключатели или даже отдельные входы для получения более «яркого» звучания. А если такой опции у усилителя нет, либо она не удовлетворяет исполнителя, он может воспользоваться педалью эффектов. Например, примитивным однотранзисторным Dallas Rangemaster. Либо гораздо более сложным и продвинутым Klon Centaur, о котором сегодня и пойдёт речь.
Разработка прибора началась в 1990 году и заняла у Билла Финнегана и двух его друзей из Массачусетского технологического института 4 года.
Педаль продавалась за 329 долларов США, и настолько понравилась и продолжает нравиться гитаристам, что сегодня оригинальные экземпляры продаются по астрономическим ценам.
Финнеган и до сих пор ограниченно выпускает обновлённую версию Klon KTR, которую можно купить за «скромные» 459 евро.
А что касается клонов Клона, среди производителей гитарных эффектов их не выпускает только ленивый. На фото всего лишь несколько из множества вариантов. В чём же причина такого грандиозного хайпа?
▍ Изучаем схему
Печатная плата оригинальных Клонов была замазана чёрным компаундом, чтобы затруднить реверс-инжиниринг, но умельцев это не остановило, и схема эффекта давно стала общедоступной. Что же мы на ней увидим?
На входе ничего интересного, просто повторитель на операционном усилителе. Зато в секции перегруза с ограничением на германиевых диодах после ОУ, а также в цепи обхода имеется множество RC-цепей частотной коррекции. Что они делают, и зачем нужны?
Секция перегруза создаёт пологий частотный горб в районе 1 килогерца, что для гитарного диапазона относится к верхней середине, с усилением до 40 децибел. Такой коэффициент усиления настолько значителен, что возможно ограничение сигнала не только германиевыми диодами, но и напряжениями питания ОУ.
Амплитудное ограничение сигнала приводит к появлению в его частотном спектре новых гармоник. Чем выше усиление, тем более крутые фронты и более высокие гармоники будут у ограниченного сигнала.
Постоянно действующая цепь R7 C16 R19 подмешивает часть входного сигнала в выходной, причём часть низкочастотную. Частота среза этого пассивного фильтра порядка 100 Гц. Это позволяет избежать неприятного захлёбывающегося характера звука в области басов.
Сложная цепь вокруг потенциометра RV GAIN_b служит целям частотной коррекции управляемого подмешивания входного сигнала в выходной. Этот потенциометр сдвоенный. Чем меньшее усиление задано его половиной RV GAIN_a, тем больше входного сигнала поступит на вход суммирующего усилителя, минуя секцию перегруза. Видно, что над этой цепью авторы потрудились с любовью. В ней целых четыре частотно-зависимых узла с разной добротностью.
Фильтр высоких частот в цепи обратной связи суммирующего усилителя, образованный резистором R20 и конденсатором C13, снижает уровень сигнала на частотах ниже 500 Гц, что делает звук менее «мутным» и более «читаемым».
Регулятор тембра представляет собой активный фильтр низких частот, усиливающий или ослабляющий, в зависимости от положения щётки потенциометра, частоты выше 400 Гц.
И наконец, на выходе ничего особенно интересного. R242 и R243 параллельно контактным группам ножного переключателя избавляют музыканта и слушателей от неприятных щелчков. Когда за спиной у гитариста сотни ламповых ватт, а из микшерного пульта звук идёт на многокиловаттные порталы, два скромных резистора могут оказаться полезными.
Так как сигнал проходит от входа к выходу через целых три пути, со множеством RC цепей, которые сдвигают фазу, причём по-разному на разных частотах, форма и гармонический состав получаются гораздо интереснее, чем у обычных педалей овердрайв и дисторшн.
Вроде бы рассмотрели всю схему. Но что мы видим в правом нижнем углу? Преобразователь напряжения питания? Тогда почему на схеме нет индуктивности?
Да, это преобразователь на переключаемых конденсаторах, который в индуктивности не нуждается. Работает он на высокой частоте, благодаря чему помех в аудиосигнал не привносится.
И благодаря ему, внутри маленькой гитарной педальки с «Кроной» и стандартным гнездом для блока питания 9В с минусом в центре, прямо как у нашей Денди, которую бессовестно скопировали японские якудза Нинтендо, операционные усилители питаются со «взрослым» размахом 27 вольт. Почти ±15, как в профессиональных модульных аналоговых синтезаторах и многой другой аппаратуре.
Микросхема TC1044 вырабатывает отрицательное напряжение -9В и удваивает +9В питания, так получается 27 вольт. И этот преобразователь является одним из главных секретов культового эффекта. Дело в том, что от напряжения питания операционного усилителя в значительной мере зависит его параметр, называемый скоростью сваливания, она же slew rate.
Чем выше этот параметр, тем меньше ОУ заваливает фронты сигнала и высокие частоты, то есть, именно то, что делает звук разборчивым и искристым.
Что касается операционных усилителей, в них Финнеган применил два общеупотребительных для гитарных эффектов и аналогового синтеза сдвоенных TL072. Это ОУ на полевых транзисторах с управляющим P-N переходом, JFET.
Почему не один корпус счетверённого TL074? Для удобства трассировки платы, или может быть, с намерением избежать межкаскадных наводок? Посмотрим на схему внимательнее.
Видим, что от 27 вольт запитан только второй корпус ОУ, задействованных в суммирующем усилителе и регуляторе тембра. Это именно те узлы, в которых важно не терять фронтов сигнала и высоких гармоник.
А входной буфер и секция перегруза питаются от обычных девяти вольт. Что весьма разумно, так как на данных этапах обработки сигнала высокая скорость сваливания поспособствует усилению скорее неприятных шумов, чем музыкальных обертонов и художественных нюансов звукоизвлечения.
В итоге схема получилась гораздо сложнее, чем у большинства педалей перегруза и искажения. По уровню сложности это скорее гитарный предусилитель, чем просто перегруз. И возможностей музыканту действительно предоставляет больше, чем многие другие педали.
▍ Сколько же функций имеет эта чудо-коробочка на трёх микросхемах?
Она усиливает сигнал звукоснимателей электрогитары, и может применяться просто в качестве бустера.
Она имеет собственный перегруз на операционном усилителе и встречно-включённых германиевых диодах, то есть, двухуровневый.
Ручкой GAIN регулируется не только усиление, но и баланс между окрашенным и исходным сигналом, а оптимальный для подачи на вход имеющегося усилителя в данной художественной ситуации уровень высоких гармоник регулируется ручкой TONE. Также предусмотрен регулятор уровня выходного сигнала.
Таким образом, Билл Финнеган создал почти 30 лет назад могучий инструмент для усиления и подкрашивания электрогитарного звука. У него нет трёхполосного графического или однополосного параметрического эквалайзера, потому что это перегруз, а не преамп.
Иными словами, Klon Centaur предназначен для подключения на вход не усилителя мощности, или линейный микшерного пульта, а гитарного предусилителя, следом за которым идут усилитель мощности, кабинет с громкоговорителями и микрофоны, если речь не о репетиции, а о записи или выступлении. И весь этот последующий тракт осуществляет дальнейшее преобразование сигнала.
▍ Сборка и испытания
Для самостоятельной сборки данного чуда технологий обработки звука существует немало схем и вариантов трассировки платы. Можно даже купить набор для пайки. Например, такой, от китайской фирмы Landtone.
В комплекте печатная плата, все необходимые компоненты, инструкция с цветными фото, корпус и даже ручки переменных резисторов с клювиками, очень похожие на оригинальные.
А теперь можно посмотреть и послушать процесс сборки и испытания моего экземпляра.
▍ Выводы
Итак, заслуживает ли легендарная схема Klon Centaur того громкого хайпа, который вокруг неё сложился? — Во-первых, педаль действительно прекрасно звучит, в том числе в контексте современной музыки. Потому многие гитаристы продолжают покупать тысячи экземпляров десятков вариантов от разных производителей.
Во-вторых, «чистый прозрачный овердрайв» действительно содержит сложную (по сравнению с другими эффектами перегруза), продвинутую и продуманную схемотехнику.
В-третьих, гитаристы такие идиоты гуманитарии, которые создают звучание своего инструмента путём нагромождения заведомо ущербных технических решений. Они даже усилители мощности нагружают на стоваттные резисторы, если играют не в большом зале или на стадионе, потому что им кажется, что только на определённой громкости усилитель звучит как надо.
Или не кажется. Если вникнуть в эти вопросы с технической стороны, выясняется, что все эти искажения, насыщение магнитопровода выходного трансформатора, инертность подвижной системы громкоговорителя и массы воздуха в акустическом оформлении и так далее, действительно делают звук электрогитары не просто синусоидой или меандром на частоте ноты, а средством музыкального выражения.
Другое дело, что необязательно гнаться за чем-то очень бутиковым, раритетным и винтажным. Иногда можно просто повторить бутиковую схему на доступных деталях, и получить результат. Будет ли он отличаться от оригинала? — В нюансах, конечно же, будет, ведь разброс параметров компонентов имеет место быть. Они не прецизионные. Но сделать шаг к своему звуку и попутно изучить много нового и интересного получится.
Спасибо за внимание! В следующий раз ещё что-нибудь изучим и спаяем.
