Как работает автоматическая регулировка усиления

Привет, Хабр! Сегодня изучим автоматическую регулировку усиления, АРУ, на примере гитарного эффекта компрессора. Это прибор для сжатия не воздуха, а электрического сигнала. Из слабого сигнала он делает сильный, а из слишком сильного просто сильный.

Педаль на основе схемы культового DOD 280 я планирую не только собрать, но и немного усовершенствовать, добавив эффект тремоло (амплитудное вибрато). Дело в том, что и компрессор, и тремоло построены на основе усилителя с управляемым усилением. Для тремоло нужно добавить только генератор медленных колебаний (LFO, low frequency oscillator).

Автоматическая регулировка усиления используется повсеместно. К примеру, во всех устройствах связи. Или для улучшения сигнала электрогитары.

Чтобы звучание ноты дольше не угасало, это называется сустейном. Чтобы сильно и слабо сыгранные ноты звучали ровно. Это особенно пригодится при игре легато. И чтобы придать звучанию особую окраску, которую мы сегодня услышим, если прибор заработает.

Почему компрессор называется компрессором, сжимателем? Потому что он сжимает динамический диапазон сигнала. Бывает широкий диапазон от низкого к высокому, и бывает узкий вокруг определённого среднего уровня.

▍ Изучаем схему

Начнём с входного гнезда. Через него сигнал гитары попадает в компрессор. Ещё стержень джека замыкает цепь батарейки, чтобы она не разряжалась, когда джек не вставлен. А разъём питания, наоборот, размыкает цепь батареи, когда подключен внешний источник питания.

Резистор 1 мегаом на входе обеспечивает определённое входное сопротивление и препятствует накоплению статики. Далее сигнал гитары через конденсатор и резистор попадает в неинвертирующий вход операционного усилителя.

Конденсатор пропускает переменный ток, а от постоянного напряжения изолирует. Последовательный резистор 10 кОм защищает вход прибора на случай, если туда попадёт нежелательное напряжение.

А по постоянному току неинвертирующий вход операционного усилителя соединён через резистор 470 кОм с искусственной средней точкой.

Сверху справа схемы видим делитель напряжения, создающий эту искусственную среднюю точку. Это два одинаковых резистора 22 кОм, последовательно соединённых между + 9 вольтами питания и общим проводом 0 вольт.

Этот делитель делит 9 вольт пополам, выходит +4.5 вольта. По переменному току искусственная средняя точка соединена с общим проводом 0 В через электролитический конденсатор.

Зачем нужна искусственная средняя точка? Дело в том, что переменный ток, в том числе аудиосигнал, колеблется не от нуля до плюса, а от минуса до плюса. Поэтому нам нужно настроить усилитель таким образом, чтобы он мог усиливать как положительную, так и отрицательную полуволну.

Это делается путём положительного смещения всего сигнала в направлении плюса питания. И смещаем мы его на половину питающего напряжения. Это и есть искусственная средняя точка.

На изображении видно, что происходит с сигналом при слишком низком или слишком высоком смещении. В таком случае он обрезается плюсом или минусом питания усилителя, и получается искажение. В гитарной музыке они часто применяются, потому что добавляют интересные гармоники. Но в компрессоре таких искажений не должно быть.

▍ Операционный усилитель

Далее рассмотрим цепь инвертирующего входа операционного усилителя. Вообще, что это такое – операционный усилитель? Это очень распространённый тип аналоговых микросхем. Чтобы понять, как они работают и как их использовать в схемах, нужно запомнить только два правила.

Во-первых, операционный усилитель будет выдавать такое выходное напряжение, чтобы напряжения на двух его входах, неинвертирующем и инвертирующем, сравнялись. Предполагается, что выход соединён с инвертирующим входом через делитель напряжения. Что мы и видим на схеме.

Это называется отрицательная обратная связь. Она очень распространена в технике, не только электронной. И вообще, в жизни. Когда варим картофель в кастрюле, и вода кипит слишком сильно, мы уменьшаем нагрев. Когда она перестаёт кипеть, мы добавляем нагрев. То есть действуем наоборот, добавляем то, чего недостаточно, и убираем то, чего избыток.

А если разорвать цепь обратной связи, операционный усилитель будет вести себя следующим образом. Когда напряжение на плюсовом входе выше напряжения на минусовом, он подаст на выход напряжение, близкое к плюсу питания. Это логическая единица.

И наоборот, если напряжение на плюсовом входе ниже напряжения на минусовом, на выходе усилителя будет напряжение, близкое к минусу питания. Логический ноль.

Такой режим работы операционного усилителя без отрицательной обратной связи называется режимом компаратора. То есть сравнителя. Потому что он сравнивает напряжение на двух входах.

Второе правило касательно операционного усилителя состоит в том, что через его входы не идёт ток. На самом деле ток идёт, но настолько крохотный, что его можно не учитывать. Иначе говоря, входное сопротивление операционного усилителя очень велико, почти бесконечно.

Возвращаемся к нашей схеме. Напряжение на плюсовом входе ОУ у нас 470 / (470 + 10) = 470/480 от входного, то есть почти единица.

Чтобы рассчитать напряжение на средней точке делителя, нужно разделить сопротивление нижнего плеча на сумму сопротивлений нижнего и верхнего. И умножить на входное напряжение. Потому что через верхнее и нижнее плечо идёт тот же ток.

Этот ток равен падению входящего напряжения на сумме сопротивлений плеч. А падение напряжения на нижнем плече равно этому току, помноженному на его сопротивление.

Теперь посмотрим на цепь инвертирующего входа. Его нижнее плечо это последовательно соединены переменный резистор регулятора сжатия, т.е. компрессии и сустейна, 500 кОм, конденсатор 50 нанофарад и постоянный резистор 22 килоома, чтобы нельзя было выкрутить сопротивление нижнего плеча до нуля. А верхнее плечо – это резистор 1 мегаом, параллельно с фоторезистором.

Фоторезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого уменьшается, если на него попадает свет. Чем сильнее свет, тем меньше сопротивление.

То есть коэффициент усиления этой схемы можно регулировать двумя способами. Во-первых, крутя ручку переменного резистора. Чем меньше сопротивление нижнего плеча, а напряжение на нём почти равно напряжению на входе схемы, тем больше должен быть ток через него, а следовательно, через весь делитель. Ток поступает к делителю с выхода усилителя. Поэтому при постоянном верхнем плече на выходе будет большее напряжение. Больший коэффициент усиления.

А чем меньше сопротивление верхнего плеча, то есть чем сильнее освещен фоторезистор, тем меньший ток нужен для достижения на входе минус напряжения, равного напряжению на входе плюс. То есть меньшее напряжение на выходе. Итак, освещая фоторезистор, мы сокращаем усиление.

Посмотрим на второй усилитель. Его положительный вход соединён со средней точкой 4.5 вольта. То есть и на отрицательном входе будет тоже 4.5 вольта. На первый взгляд, этот усилитель вообще не работает, потому что на его входах ничего не меняется.

Но на самом деле напряжение на инвертирующем входе удерживается на уровне четырёх с половиной вольта не само по себе, а благодаря тому, что усилитель через правый резистор, то есть верхнее плечо делителя, уравновешивает изменение напряжения на левой ножке левого резистора, нижнего плеча.

Здесь следует помнить две вещи:

1. Во-первых, вход этого узла схемы – это не вход операционного усилителя, а левая ножка левого резистора.
2. Во-вторых, из-за входов операционного усилителя ток не идёт. Ток делителя идёт между выходом и входом нашего схемотехнического узла, который называется инвертирующий усилитель.

Ток через первый резистор равен падению напряжения на нём, разделённом на его сопротивление. Ток через второй резистор тоже.

Сопротивления резисторов равны, а ток протекает по ним один и тот же. Поэтому падения напряжения на них одинаковы. В обоих нарисованных на схеме случаях полвольта. Только на левой картинке входное напряжение выше средней точки, и ток делителя идёт от входа к выходу. А на правой наоборот.

Выходит, что этот усилитель переворачивает напряжение относительно средней точки. То есть, из отрицательной полуволны делает положительную, с таким же напряжением.

Далее прямой и перевёрнутый сигналы идут через одинаковые конденсаторы на одинаковые транзисторные каскады с общим эмиттером. Положительная полуволна открывает правый транзистор, а опрокинутая отрицательная — левый.

Коллекторы транзисторов соединены вместе, и их общая нагрузка – это светодиод, освещающий фоторезистор. Светодиод включен через резистор 4.7 кОм, ограничивающий его ток.

Что выходит в итоге? Чем сильнее мгновенный уровень выходного сигнала левого усилителя отличается от средней точки 4.5 вольта, тем сильнее светодиод светит, уменьшает усиление, и тем самым в любой момент мешает левому усилителю.

Для чего это делать? Схема кажется бессмысленной. Но мы не заметили ещё одной детали – электролитического конденсатора достаточно большой ёмкости — сорок семь микрофарад, подсоединённого параллельно транзисторам.

Когда транзисторы отпираются сильнее, ток светодиода растёт не мгновенно, потому что конденсатору нужно время, чтобы разрядиться через транзисторы. Также, когда транзисторы запираются, конденсатор определённое время заряжается до нового напряжения через резистор 4.7 кОм. Да и сам фоторезистор медленный, имеет инерцию реагирования.

Поэтому эта автоматическая регулировка усиления реагирует не на мгновенное значение напряжения, но на его огибающую.

Говоря по-научному, медленное реагирование системы с конденсатором и сопротивлением интегрирует входящий сигнал. Сопротивление резистора 4.7 килоома, сопротивление не полностью открытого транзистора и ёмкость конденсатора создают интегрирующую цепочку.

Ещё в правом верхнем углу схемы начертан узел на полевом транзисторе. Он служит для включения светящегося светодиода, когда компрессор включен. В наборе с Алиэкспресс, из которого я собираю компрессор, этого узла нет, потому что в набор входит ножной переключатель на три группы контактов и два положения 3PDT.

А в старинной педали компрессора, схему которой мы изучаем, был переключатель на две группы контактов, DPDT. Или вообще с одной контактной группой SPDT как на фото. Она переключала выходное гнездо между входом и выходом компрессора. Поэтому химическая энергия батарейки расходовалась всё время, пока был вставлен входной джек, а для включения индикаторного светодиода разработчикам пришлось прибегнуть к такой хитрости.

Осталось добавить, что оптопара со светодиодом и резистором в светонепроницаемом корпусе выпускалась под торговой маркой Vactrol, и сейчас это довольно редкая и дорогостоящая бутиковая деталь. Но ничто не мешает сделать вактрол самим из светодиода и фоторезистора, что и предлагают авторы набора.

▍ Слушаем, как звучит

Слышим, что арпеджио стаккато и скрип медиатором по струне слышно слабо, а протяжные ноты сильно, и они слишком выделяются из картины. После включения компрессора ничего или почти ничего не изменилось, потому что регулятор сжатия на нуле.

Зато в положении ручки регулировки сустейна на три часа баланс громкости всех нот и звуков выходит более музыкальным. Слышим, что компрессор делает звучание сильного сигнала более мягким. О таких компрессорах часто говорят, что его незаметно, но с ним лучше.

Нужен ли вам компрессор для гитары, зависит от стиля игры и предпочтений. Играющие рок на синглах, на стратокастерах и телекастерах часто пользуются компрессорами.

Те, у кого в игре много легато, тоже нуждаются в компрессии, но хайгейн усилители, то есть с высоким коэффициентом усиления, компрессируют звук по своей природе.

Компрессия свойственна и некоторым гитарным громкоговорителям. К примеру, Celestion Greenback. Такие громкоговорители отлично подходят для игры со значительным перегрузом. Но не там, где много тонкостей динамики.

А чтобы играть эмбиент с очень длинными нотами, без компрессора просто не обойтись.

Необходимо добавить, что DOD 280 – это винтажный, старинный тип компрессора. Современные, модерновые компрессоры имеют больше регулировок. Прежде всего, настройку времени атаки и затухания.

То есть, у них не просто впаянный электролитический конденсатор в цепи питания светодиода обратной связи, но предусмотрена регулировка скорости реакции на появление и исчезновение сигнала.

Благодарю за внимание! В одной из следующих статей сделаю на базе этого компрессора тремоло.

Мощные VPS на SSD со скидками до 53%. Панель ISPmanager в подарок*.