Эмулятор «лампового» звучания на полевом транзисторе

До сих пор у музыкантов неоспорим интерес к ламповой аппа­ратуре для электромузыкальных инструментов. Однако опреде­лённое сходство характеристик ламп и полевых транзисторов с р—n переходом позволяет в ряде случаев и с транзисторами достигать аналогичного эффекта в создании специфического звучания. Описываемый эмулятор с полевым транзистором можно использовать как отдельное устройство к транзисторному УМЗЧ промышленного производства, так и встроить его в изго­тавливаемый, например, для электрогитары, усилитель.

Основное достоинство полевых тран­зисторов с p-n переходом — низкий уровень гармонических и интермодуляционных искажений при усилении напряжения, вследствие чего звучание ЭМИ с УМ на их основе напоминает звучание с ламповыми усилителями. Коэффициент гармоник даже с местны­ми ООС не превышает 0,1…0,3 %, при­чём гармоники высших порядков отсут­ствуют. Благодаря этому обстоятель­ству конструкторы всё чаще применяют в выходных каскадах УМЗЧ так называе­мые латеральные транзисторы (струк­тура МОП с боковым каналом), напри­мер, 2SK1058, 2SJ162 производства Renesas Electronics. Однако в предвари­тельных каскадах полевые транзисторы применяют редко, в основном в люби­тельских разработках.

Достоинства полевых транзисторов особенно ярко проявляются в простых усилителях без общей обратной связи. Однако вследствие заметного техноло­гического разброса параметров звуча­ние с каждым экземпляром одного типа прибора становится индивидуаль­ным. Это обстоятельство становится преимуществом в тех случаях, когда вносимая окраска звучания является художественным средством — напри­мер, в усилителях для электрогитар.

Традиционно решение этой задачи возлагается на ламповые усилители, которые используются с электрогита­рами в двух режимах: «чистого» звуча­ния (с характерным для ламп окрашива­нием звучания чётными гармониками) и в режиме перегрузки (с большим уров­нем гармонических и интермодуляци­онных составляющих). Эксплуатацион­ные недостатки вакуумных ламп обще­известны, поэтому вполне естественно желание добиться того же эффекта другими способами.

Рис. 1

Сравним поведение электронной лампы и транзистора с затвором на основе р-n перехода, используя их характеристики (рис. 1).

В электронной лампе при сигнале плюсовой полярности на управляющей сетке появляется сеточный ток, сетка становится «конкурентом» анода, пере­хватывая эмитированные катодом элек­троны. Это замедляет рост тока анода и даже может привести к его снижению, когда ток катода начинает перераспре­деляться между анодом и сеткой. Ток насыщения лампы определяется мак­симальным током, который можно отбирать с катода.

В полевом транзисторе с p-n пере­ходом и каналом n-типа происходят подобные явления, однако ток затвора появляется после превышения напря­жения открывания p-n перехода (более +0,6 В). Ток насыщения полевого тран­зистора лишь незначительно превыша­ет начальный ток стока и с током затво­ра не связан. Напряжение стока, при котором наступает режим насыщения, можно определить из условия отсечки канала вблизи стока (U_{c нас} — напряже­ние насыщения): U_{с нас} +|U_з| = |U_{з нас}|. По­этому для транзистора с малым напря­жением отсечки различия тока насы­щения и начального тока стока невели­ки.

При всех различиях в механизме возникновения перегрузки для нас важно то, что их роднит: появление тока сетки или тока затвора приводит к резкому снижению входного сопротив­ления каскада и соответственно сни­жению коэффициента передачи цепи от предшествующего каскада (или ис­точника сигнала). Но, в отличие от диодных ограничителей сигнала, в ламповых каскадах это ограничение мягкое и лишь в небольшой степени затрагивает динамику сигнала. Порог ограничения «следит» за уровнем сиг­нала благодаря цепи утечки сетки. Таким образом, чтобы добиться того же эффекта в транзисторном каскаде, нужно использовать фиксированное смещение взамен автоматического и установить «гридлик» аналогично лам­повым схемам.

Рассчитать режимы каскада по постоянному току и коэффициент пере­дачи можно по методу линейной аппроксимации [1]. Этот метод сущест­венно проще и нагляднее приведённого в [2] и обеспечивает практически те же результаты.

Рис. 2

На рис. 2 приведена схема рас­считанного каскада. Кремниевые диоды VD1, VD2 (например, КД102, КД522 с любым буквенным индексом) в цепи истока полевого транзистора фиксируют его потенциал на уровне 1,3…1,4 В. Переменный резистор R5 изменяет напряжение смещения на затворе (отрицательное относительно истока) примерно в интервале 0…1,2 В. При использовании ПТ с небольшим напряжением отсечки (0,5…2 В) это позволяет установить рабочую точку на любом участке ха­рактеристики — линейном, в области верхнего или нижнего изгиба. Дина­мические изменения дифференциаль­ного сопротивления диодов VD1, VD2 (несколько десятков ом в сравнении с сотнями ом сопротивления истока ПТ) в интервале размаха сигналов не при­водят к заметному росту нелинейных искажений в каскаде: в конечном счётеэтот эмулятор пред­назначен для обога­щения спектра.

Цепь R3C3 обра­зует гридлик: при появлении тока за­твора конденсатор СЗ заряжается и рабочая точка дина­мически сдвигается влево к линейному участку амплитудной характеристики. Без этой RC-цепи огра­ничение сигнала бу­дет жёстким, «тран­зисторным». Посто­янная времени гридлика определяется, в частности, конденсатором С3, изме­нение его ёмкости в пределах 1…10 нФ оказывает влияние на характер динами­ческого ограниче­ния сигнала и тембр звучания.

Входной сигнал должен иметь амп­литуду напряжения 0,5… 1 В, поэтому на входе каскада необ­ходим линейный уси­литель, доводящий сигнал до этого уровня.

ЛИТЕРАТУРА

1. Межлумян А. О расчёте ступеней на полевом транзисторе. — Радио, 2000, № 6, с. 45-48.
2. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. — М.: Мир, 1991, с. 74-79.

Автор: А. ШИХАТОВ, г. Москва
Источник: Радио №3, 2016