Технология Fuzz Face

Автор: R.G. Keen

Данный текст является переводом статьи “The Technology of the Fuzz Face” опубликованной на сайте http://www.geofex.com/.

Copyright 1998 R.G. Keen Все Права Защищены. Термин "Fuzz Face" является зарегистрированной торговой маркой Dunlop.

Эффект Fuzz Face остается интересным даже сегодня, спустя три десятилетия, после его первого появления на рынке. Эта простая схема, собранная на двух транзисторах, является для многих самим определением гитарных эффектов. Почему о такой простой схеме ходят легенды?

С одной стороны известность этого эффекта. Гитаристы знают о том, что многие песни Джими Хендрикса были исполнены с использованием эффекта Fuzz Face. Прежде всего, у Джими был хороший слух. Он бы не использовал этот эффект, если бы ему не нравилось его звучание, кроме того, в те времена, когда он начал его использовать, этот эффект не имел большой известности. Отзывы об этом эффекте дают хороший повод, чтобы более подробно его рассмотреть, начнем по порядку.

Принцип работы схемы

Давайте посмотрим на схему. Она очень проста, кажется невероятным, что она может искажать сигнал. Два транзистора, четыре резистора, три конденсатора, и два потенциометра создают "то самое" звучание. Первый транзистор имеет простейшую обвязку - входной сигнал через разделяющий конденсатор подается прямо в базу, эмиттер подключен к земле, и один резистор в цепи коллектора, управляемой нагрузкой которого является база второго транзистора, непосредственно подключенная к коллектору.

В обычных условиях такая схема будет давать максимально возможный коэффициент усиления, за исключением резистора, включенного в эмиттерную цепь второго транзистора, давайте рассмотрим, какую функцию он выполняет.

Обратная связь по напряжению позволяет получить максимальный коэффициент усиления для транзистора - это хорошо для искажающих устройств. Схема с таким типом обратной связи имеет очень низкий входной импеданс (входное сопротивление), таким образом, она сильно нагружает источник входного управляющего сигнала. Это важное свойство будет рассмотрено позже. Наконец, данную схему труднее перевести в насыщение, чем другие транзисторные схемы. Представим, что на базу первого транзистора подан большой уровень входного сигнала, напряжение эмиттера повторяет напряжение коллектора. Это сниженное напряжение смещения, через резистор обратной связи номиналом 100K, попадает на базу и  уменьшает уровень входного сигнала на некоторую величину. Насыщение мягкое - это хорошо для музыкальных устройств.

Было ли это сделано преднамеренно со стороны разработчика? Наверное, нет. Скорее всего, это было счастливой случайностью, так как такая схема с обратной связью по напряжению была распространена в то время, с целью выжать больше усиления из несчастных транзисторов.

При  напряжении на входе, когда входной сигнал пытается отключить первый транзистор, ограничение сильнее, чем при насыщении. Fuzz Face имеет естественное смещение, таким образом, что на коллекторе первого транзистора только 0,5 Вольта, и имеется большой верхний диапазон изменения сигнала. Таким образом, на одной полярности сигнала ограничение будет мягким (при насыщении транзистора), а при другой полярности, если сигнал имеет достаточный уровень, будет происходить резкий срез. Fuzz Face ассиметрично ограничивает сигнал!

Второй транзистор выполняет несколько функций. База, непосредственно связана с коллектором первого транзистора; в этом случае ток смещения, в значительной степени, устанавливается значением эмиттерного резистора – для данной схемы потенциометра 1K. Потенциометр устанавливает  статический ток через транзистор, равный напряжению на коллекторе первого транзистора минус напряжение между эмиттером и базой второго транзистора, поделенный на сопротивление потенциометра 1K. Этот же ток, по сути, проходит через сопротивление в цепи коллектора второго транзистора, и напряжение на коллекторе будет равно произведению постоянного тока на сумму сопротивлений в цепи коллектора. Так как первый транзистор смещен близко к земле, второй транзистор имеет достаточный размах напряжения коллектор-эмиттер для работы в линейном режиме.

Усиление второго каскада приблизительно определяется отношением переменного тока нагрузки в коллекторе к переменному току нагрузки в эмиттере. Нагрузкой коллектора по переменному току является сумма коллекторных резисторов, нагрузкой эмиттера является часть сопротивления 1К потенциометра, не зашунтированная 20мкФ конденсатором. Так что усиление может варьироваться от низких значений, порядка 8, до больших, определяемых внутренним коэффициентом усиления транзистора при максимально выкрученном потенциометре. Существует так же вторичный эффект, заключающийся в том, что обратная связь по переменной составляющей на первый каскад также задается с потенциометра через резистор 100K, поэтому при обратном повороте регулятора, обратная связь уменьшает усиление первого каскада. В случае выкручивания регулятора в большую сторону, меньшее количество переменной составляющей передается на вход , так что усиление растет.

Второй каскад управляется более высоким уровнем сигнала, он ограничивает сигнал резче в то время как первый каскад имеет более мягкое ограничение, таким образом при малых уровнях входного сигнала ограничение имеет более мягкий характер (коэффициент усиления более низкий), и становится более резким при интенсивной игре –появляется чувствительность к манере звукоизвлечения!

Разделенный на два резистор в коллекторной нагрузке второго транзистора работает как регулятор громкости, постоянно установленный в нижнее положение. Это происходит потому, что источник питания будет эффективно выполнять функцию земли на переменном токе из-за низкого импеданса  батареи. Вот, кстати, почему FF звучит по-разному с разными батареями и с одной и той же батареей, когда она начинает разрежаться – внутреннее сопротивление батареи может увеличиться до значительной величины.

Уровень сигнала в точке соединения резисторов заведомо мал, не намного больше, чем уровень входного сигнала, чтобы не дать (относительно!) высокому уровню сигнала, перегрузить вход усилителя, включенного далее в звуковую цепь. Выходной регулятор громкости -это совершенно обычный потенциометр. Выходной конденсатор блокирует постоянную составляющую от попадания на вход любого устройства, включенного после Fuzz Face, он также определяет наиболее низкую частоту, которая попадает на выход. Увеличение емкости конденсатора позволит получить более низкие частоты на выходе.

Номинал выходного регулятора уровня стал предметом обсуждения. Эрик Джонсон якобы предпочитает номинал 100K вместо стандартных 500K. Это может иметь эффект, так как резистор 100K больше нагружает коллекторный резистор. Что более важно, он режет больше низких частот, при взаимодействии с выходным разделительным конденсатором, и меньше подвержен изменению емкостной нагрузки, ослабляющей высокие частоты, чем регулятор номиналом 500K; Регулятор номиналом 100K должен звучать ярче.

Транзисторы; появилась целая мифология, связанная с этими транзисторами. Первые FF делались с использованием транзисторов AC128, как наиболее распространенных в Европе в период разработки FF. Похоже, AC128 были выбраны из за своей невысокой цены и доступности (в прошедшем времени), а не из за звуковых качеств.

Люди, которые не занимались электроникой 30 лет назад, уже не вспомнят, но не все транзисторы были хороши и надежны. Технология перешла на кремний при изготовлении транзисторов потому,  что германий склонен к утечкам (невозможно выключить прибор!) и тепловому повреждению (если паять слишком долго прибор выйдет из строя). Кремний в этом отношении лучше, современные технологические процессы позволяют получить очень близкие значения коэффициента усиления и высокие частотные характеристики.

Дело в том, что AC128 не высококачественный транзистор, и не был им. Это прибор со средним коэффициентом усиления (типичное значение 90), не высокой частотой пропускания и большим разбросом коэффициента усиления. Я измерил коэффициент усиления нескольких сотен AC128, результаты варьировались от 16 до, приблизительно, 180. Я говорю, приблизительно, потому, что измеренные коэффициенты усиления, доходили до 500 или около того, что явно было следствием утечки, а не высокого коэффициента усиления приборов. Полупроводниковая промышленность была молодой, и еще не были разработаны технологии, которые позволяют нам делать дешевые, надежные, с хорошей повторяемостью приборы, к которым мы привыкли.

Вариации коэффициента усиления очень важны, так как они оказывают критическое влияние на звучание FF. Надежные сообщения от людей, которые на самом деле покупали и продавали большие объемы FF в "золотые годы" говорят, что из пятидесяти устройств, нормально искажали все, но только несколько, будучи извлечены из заводской коробки, звучали действительно хорошо. Гитаристы договаривались о предварительной сортировке партии, чтобы отобрать одно хорошо звучащее устройство. Эта практика продолжается и сегодня, техники Эрика Джонсона ищут и прослушивают FF, чтобы найти несколько "волшебных". Без настройки и подбора транзисторов у Fuzz Face не обязательно будет хороший звук.

Разберемся в этом подробнее. Я промоделировал много схем FF, с разными коэффициентами усиления транзисторов, анализируя форму ограниченного сигнала и получающийся в результате спектр гармоник. Наиболее приятные на слух ограничения получаются при коэффициенте усиления транзисторов порядка 80-110. Если вы сделаете комбинацию из одного устройства с малым коэффициентом усиления и другого с большим, диапазон будет лежать примерно от 70 для прибора с малым коэффициентом усиления и 130 для прибора с большим коэффициентом усиления. Не стоит забывать, что характер искаженного звука, безусловно, является делом личного вкуса, некоторые комбинации транзисторов AC128, не отобранных по коэффициенту усиления, в этой схеме будут давать посредственный звук.

Это, подтверждается практикой. Майк Фуллер, создатель педали Fulltone "69", опубликовал свои предпочтения значений коэффициентов усиления транзисторов Fuzz Face в группу новостей usenet, и они попадают прямо в этот диапазоне. Он отметил, что может изменять соотношение искажений между симметричным и ассиметричным, подбором разных коэффициентов усиления первого и второго каскадов. (Майк так же предпочитает транзисторы с определенным цветом эпоксидного герметика, я не заметил разницы, за исключением случайных совпадений, но кто знает?)

Частотные характеристики транзисторов также имеют значение. Оригинальные AC128 не особенно выделялись по этому параметру; это также оказалось счастливым совпадением, так как мы теперь знаем, что если музыкальный сигнал будет иметь резкий срез ... ну,  слушать его будет не очень приятно. Большинство гитаристов (это так же личное мнение), хотят сгладить острые углы (при ограничении сигнала). При максимальном усилении, частотные характеристики любого усилителя ограничиваются характеристиками транзистора. Транзистор AC128 имеет паразитные емкости, типичные для германиевых устройств, это означает, что он с трудом отрабатывает  полный звуковой диапазон. Это почти наверняка оказывает влияние на смягчение краев звука. При моделировании, я мог играть с паразитной емкостью моделируемого устройства, и обнаружил, что добавление емкости с коллектора на базу делает искажения мягче. Урок состоит в том, что вы можете смягчить звук FF, еще больше, подключив конденсатор номиналом 10-100pF  с коллектора на базу транзисторов. Эта хитрость была использована в более поздней кремниевой версии FF.

Если у вас есть некоторое количество германиевых транзисторов, каким образом вы можете сказать, какие будут хорошо звучать, а какие нет? Для начала, вы можете просто произвести отбор транзисторов по коэффициенту усиления с помощью мультиметра. Однако, все современные мультиметры сделаны с расчетом, что транзистор во время тестирования не имеет утечек. Они просто устанавливают заданный ток базы, и отображают, на сколько больше ток коллектора. С германием, изначально имеющим более высокую утечку, это выглядит как будто прибор с большой утечкой имеет очень высокий коэффициент усиления.

Вот способ отличить утечку от реального коэффициента усиления. Вам понадобится пара резисторов и цифровой мультиметр, резисторы создадут условия, с помощью которых вы сможете увидеть, что есть что. Если вы хотите проделать этот эксперимент, вам понадобятся резисторы номиналом 2.2М и 2.4кОм ; Еще лучше подойдут металлопленочные резисторы 2.2М и 2.49кОм точностью 1%. Они обойдутся в $0,30, если заказывать их в Mouser, и чуть больше или меньше, если заказывать в других местах. Если вы собираетесь проводить много опытов, стоит заказать разъем для транзистора, таким образом, вы сможете легко протестировать большое количество устройств.

Если вам хочется определить коэффициент усиления, но готовы довольствоваться меньшей точностью, можно использовать углеродистые 5% резисторы, но необходимо учитывать, что точность будет меньше. Если вы достанете несколько резисторов на 2.4K и измерите их, вы можете подобрать номинал ближе к 2.472 кОм, наиболее подходящий в данном случае. Я подобрал эти значения потому, что если вы используете резисторы номиналом 2.2М и 2.472 кОм и батарею с напряжением 9.0V, вы обнаружите, что напряжение на резисторе будет численно равно отображаемому коэффициенту усиления! Вот почему мы обсуждали величину этих резисторов и номиналы имеют такие странные значения. Помножьте цифры на вашем мультиметре начиная с права на 100, это и будет коэффициент усиления.

Для того чтобы провести тестирование, вставьте транзистор в гнездо, и измерьте постоянное напряжение на резисторе 2.4K. Резистор будет конвертировать любой ток утечки транзистора в напряжение, которое вы можете считать с помощью мультиметра. При протекании тока 1мА через резистор сопротивлением 2472 Ом возникнет падение напряжения 2.472 Вольт, поэтому ток утечки 1мА будет отображаться как 2.472 Вольт. Это значение утечки очень большое, так что любой транзистор, имеющий такую утечку, лучше не использовать в FF. Фактически, хотя и с небольшими вариациями, любой транзистор, который показывает ток утечки более, чем несколько микроампер является сомнительным. Так как резистор масштабирует, на вашем мультиметре будет отображаться "ошибочный коэффициент усиления утечки", вычитаемый из общего, который вы измерите следующим.

Для измерения общего коэффициента усиления, нажмите на кнопку, которая соединяет резистор 2.2М на базу. При этом через базу протекает ток чуть больше 4 микроампер. Транзистор умножает этот ток на свой внутренний коэффициент усиления, и суммируется с током утечки (который не меняется с изменением тока базы). Если транзистор имеет коэффициент усиления 100 и нет утечки, напряжение на резисторе 2.4K будет равно (4мкА)*(100)*(2472Ом) = 0.9888В – которое приблизительно равно 1/ 100 реального усиления. Здорово, да?

Но мы знаем, что в реальных условиях германий имеет утечку, поэтому мы проделали описанные ранее измерения. Итак, для начала, допустим, что устройство имеет ток утечки 100мкА. Мы установим транзистор в гнездо, и прежде чем нажать на кнопку, считаем напряжение. Отображаемое число (100E-6)*(2472) = 247мВ. Мультиметр отображает коэффициент усиления 25, вызванный током утечки, хотя через базу вообще не течет ток.

Какая утечка является слишком большой? 100мкА является общим случаем, 200 попадается часто.

Более 300мкА показывает, что транзистор является подозрительным, и больше 500мкА я бы сказал, плохое значение.

Допустим, что утечка транзистора составляет 93мкА и усиления 110 – хороший образец. Что происходит, когда мы тестируем? Мы вставляем устройство в гнездо, считываем значение (93мкА)*(2472) = 0.229В. Затем мы нажимаем на кнопку, и считываем значение 1.330В. Чтобы получить реальный коэффициент усиления, мы вычитаем 0.229В из 1.330В и получаем 1.101В. Реальный коэффициент усиления составит 110.

Эй! Как получилось, 110.1, а не 110? Ну, это связанно с разбросом параметров при проведении эксперимента, и с тем, что тестер делался с некоторым допуском. Точное значение тока базы 4.046...мкА при условии , что прямое падение напряжения база –эмиттер равно 0,1В (разумное значение для германия при таких токах), и при том, что напряжение батареи *точно* 9.0000В, и что резистор имеет номинал  2.20000 мОм, и... ну, вы поняли. Точность 0.5% чертовски хороша для такого примитивного устройства, и гораздо лучше, чем на самом деле нужно, чтобы сделать прекрасным звучание FF. Кроме того - если вы проявите смекалку, вы включите кнопку и посмотрите на изменение напряжение, при прикладывании пальца к транзистору. Простой нагрев пальцем вызывает быстрый рост усиления. Каков реальный коэффициент усиления? Все вариации – при конкретных температуре и условиях в данный момент.

Не стоит слишком зацыкливаться на точности цифр – они, в любом случае,  будут изменяться с течением времени, так как прибор нагревается или охлаждается. Ищите низкие значения утечки, и приблизительно правильные значения коэффициента усиления.

Правильные *реальные* коэффициенты усиления лежат в диапазоне от 70 до 130. В пределах этого диапазона, как говорят люди, звучание улучшается. Некоторые предпочитают равные коэффициенты усиления, другие предпочитают более низкий коэффициент усиления 70-100 для первого транзистора и от 90 до 130 для второго.

Кремниевая версия FF???

Да. FF делался с разными типами транзисторов, в том числе с кремниевыми. Первыми, видимо были AC128, PNP германиевые транзисторы, далее были ново выпущенные NKT275, который очень похожи. Я получил партию NKT275 и они выглядели гораздо более повторяемыми, чем AC128, но в остальном очень схожи. Было несколько версий с BC108C и/или BC109/BC109C. Это NPN кремниевые транзисторы, и BC108C, в частности, является транзистором с высоким коэффициентом усиления, типичное значение 500. Мнение о NPN кремниевых устройствах является неоднозначным, хотя некоторые владельцы (еще раз их личные предпочтения...) отзываются о них с большой любовью.

Некоторое время назад, Dunlop делал копии FF. JH1 и JH2 были попытками объединить схему Fuzz Face с приобретенными ими правами на использование имени Джими (О чем говорится в нижней части педали). Оба устройства были сделаны с использованием кремниевых транзисторов с высоким коэффициентом усиления и звучали ужасно (по моему мнению). В JH2 использовались MPSA18, с типичным для них усилением 900! Для моего слуха, это было похоже на "очень неприятный", "сжатый" звук.

Позже, Dunlop купил товарный знак FF и начал перевыпуск FF. Dunlop на самом деле договорились о производстве новых германиевых транзисторов "NKT275", для использования в последнем переизданий. Отзывы говорят о том, что эти устройства хорошо звучат, гораздо лучше, чем злополучная JH серия.

JH1 и JH2 очень полезны для самодельщиков. Вы сможете достать оригинальный круглый корпус дешево, так как звучит этот эффект ужасно. Затем вы можете заново сделать оригинальную схему FF с использованием готовой печатной платы менее чем за час, и иметь свой собственный великолепно звучащий FF.

Это имеет смысл, - любое устройство, в котором так мало деталей, качество этих деталей имеет решающее значение.

Я также сделал некоторые эксперименты с другими германиевыми транзисторами помимо AC128 и NKT275. Я нашел несколько типов германиевых транзисторов, измерил их усиление, а затем прослушал их. Результаты довольно хороши – если отобрать правильный коэффициент усиления и полосу пропускания, то цифры, напечатанные на корпусе, не имеют значения. Мне понравился 2N527 от GE (очень хорошие результаты!) и 2N508, тоже GE. 508-чуть горячее, с более металлическим тоном. Результаты с ECG158 не столь однозначны. Некоторым людям они очень нравятся, некоторым нет. Я подозреваю, что это можно отнести к разбросу параметров транзисторов. Измеряйте то, что есть у вас!!

Модификация и Магия

Что еще, кроме транзисторов, влияет на звук? Роджер Мейер пользуется репутацией человека, переделывавшего для Джими его оборудование, так давайте посмотрим на его модификации.

Модификации Fuzz Face Роджера Мейера.

Существует набор модификаций, совокупно именуемым "Hendrix" модификация или "Roger Mayer" модификация. Вот они

Заменить резистор 8.2K  в коллекторе второго транзистора на 18K

По-видимому, эта модификация, служит в первую очередь для повышения уровня выходного сигнала и повышения усиления второго транзистора.

Изменение номиналов входных и выходных конденсаторов изменяет передачу устройством басов. Чтобы получить больше баса, вы можете удвоить номинал каждого из этих конденсаторов. Для выходного конденсатора 0.01мкФ, может быть полезным увеличение его номинала до 0.47мкФ. Это предотвратит уменьшение низкочастотной составляющей сигнала из-за влияния импеданса разделительного конденсатора.

Майк Фуллер размещал некоторые рекомендации по модификации Fuzz Face в сети. В частности, можно включить переменный резистор 1K последовательно с резистором 470 ом в коллекторной цепи второго транзистора, продолжая снимать выходной сигнал с верхнего вывода резистора 8.2К. На входе добавляется переменный резистор, средний и крайний выводы которого замкнуты между собой. Другой вывод переменного резистора 50К  подключается последовательно на вход схемы, перед входным конденсатором 2.2мкФ.

Последнее кажется немного странным, если вспомнить, что я говорил по поводу низкого входного сопротивления. Низкое входное сопротивление значительно нагружает сигнал, поступающий от гитары; Напряжение на базе может изменяться только на несколько десятков милливольт, прежде чем будет происходить ограничение или насыщение первого транзистора. Если вы поставите резистор последовательно с гитарным звукоснимателем, это вызовет явное увеличение выходного сопротивления звукоснимателя, что сделает его больше похожим на источник тока (хотя и небольшим), а не источник напряжения. Сигнал от источника тока дает возможность входу стремиться к собственному уровню напряжения, просто обеспечивая разные значения тока. Это режим может быть гораздо более линейным, чем управление напряжением. В результате, переменный резистор позволяет радикально убирать искажения, которые производит FF, получая слабое ограничение с мягкими оттенками.

По сути, модификация на выходе регулирует "увеличение", а модификация на входе регулирует "уменьшение" (искажений, прим. п). Как и можно было ожидать, добавленные резисторы могут взаимодействовать  для получения множества оттенков искажений.

Один человек, сделал обратный инжиниринг эффекта Fulltone "69" и опубликовал схему на своей веб-странице. Как вы  можете увидеть на этой схеме, это решенее Фуллера более ранних версий. Эффект "69" имеет хорошие отзывы по звучанию.

Если Вам нравятся мягкие искажения, вы можете добавить конденсаторы, уменьшающие верха. Добавление конденсатора от 10 до 100пФ с коллектора на базу второго транзистора, или 100-680пФ параллельно коллекторному резистору первого транзистора будет немного смягчать звучание.

Схема Fuzz Face породила рад копий в золотой век. Vox Tone Bender (не путать с Colour Sound Tone Bender), был копией с минимальными изменениями в значениях компонентов и адаптирован к NPN кремниевым транзисторам. Было несколько версий Vox Tone Bender и Vox Distortion Booster, все были вариациями базовой схемы.

Существует также новый "Classic Fuzz" Роджера Мейера, который работает на германиевых транзисторов и по сути построен по схеме FF, с изменением небольшого числа компонентов. Я подозреваю, что есть много других копий, учитывая легкость и простоту изготовления схемы FF. На самом деле, любая из схем, приведенных в этой статье (исключая, возможно, эффект Fulltone "69", из-за переменных резисторов) может быть построен на платах, изготовленных методом перенос тонера, продающихся на GEO.

Итак – Fuzz Face является удачным сочетанием схемы, комбинирующей первоначально мягкое и ассиметричное ограничение, изменяющееся к симметричному ограничению под действием большего драйва. Его легко сделать, легко модифицировать, и имеет очень широкий диапазон возможных звучаний. Эта штука дает, как я полагаю, наибольшие возможности для находчивых хакеров эффектов. Покопайтесь в нем... посмотрим, какое волшебство вы сможете выжать из этой схемы.

Публикуется с разрешения R.G.Keen.

Перевел Бережной  А.В.