¿Por qué NPN y PNP en paralelo en este circuito de pedal de distorsión?

Me encontré con un circuito de pedal de guitarra llamado "Tube Sound Overdrive". El esquema se muestra a continuación. Parece un circuito de transistor de emisor común típico con una polarización ajustable (RV1), excepto que hay dos transistores, NPN y PNP en paralelo, donde normalmente solo hay uno.

Intenté quitar uno u otro transistor para obtener un circuito emisor común más "de libro de texto". Todavía funciona con uno eliminado, pero el sonido cambia, por lo que tener dos en lugar de uno definitivamente está haciendo algo. No estoy seguro de qué.

¿Alguna palabra de sabiduría sobre por qué hay dos transistores en esta disposición y cuál es el efecto en la señal?

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Simetría. Un transistor distorsionará más los picos positivos, el otro distorsionará más los picos negativos. Cualquiera de los dos por sí solo dará más distorsión del segundo armónico que ambos juntos (lo que en realidad puede sonar bien); con ambos, obtendrá más tercer armónico.
Dave, tiene razón en que esto es, sin el PNP, una etapa de amplificador CE muy simple y básica con alta ganancia (pero también muy distorsionada para cualquier señal de entrada significativa). Las 3 regiones se cortarán (inútiles), una ganancia de voltaje variable región con ganancia establecida por la olla y la temperatura ambiente, y saturada (también en su mayoría inútil). Agregar el PNP crea 5 regiones de operación: (1) PNP saturada; (2) NPN saturado; (3) PNP polarizado linealmente pero NPN VBE controlando el VCE de PNP; (4) NPN con polarización lineal pero PNP VBE que controla el VCE de NPN; (5) Ambos con polarización lineal, con NPN como CE y PNP como CC y VCE=1,2 V aproximadamente.
Dave, creo que el objetivo de agregar el PNP es convertir una etapa CE dependiente de la temperatura y de alta ganancia en un amplificador razonable donde el potenciómetro controla la ganancia de voltaje desde la atenuación hasta la amplificación en un rango razonable de, por ejemplo, X/10 a 10 X, aunque por la forma en que está configurado, solo hay un rango estrecho de configuración del potenciómetro, por lo que me gustaría reemplazar el potenciómetro con dos resistencias y un potenciómetro diferente. Sin embargo, no he hecho ningún análisis numérico. Especialmente lo que sería necesario para comprender la distorsión. ¿Cuál es su experiencia con los sonidos y el impacto en la ganancia frente a la configuración del potenciómetro?
Jonk, el potenciómetro RV1 es del esquema original. Después de algunos ajustes iniciales, se reemplazó con un divisor de voltaje con un 8.2k fijo conectado al lado de 9V y un 12k conectado al lado de tierra. Esta configuración ofrece la mejor salida de sonido. Aunque creo que el 10k + 10k que se ve comúnmente en este tipo de circuito de pedales funcionaría igual de bien. Empujarlo demasiado hacia un extremo o hacia el otro no fue tan fácil para el oído.
@DaveH. Estaba pensando más en 9.1k en el lado de 9V, 10k en el lado de tierra y un potenciómetro de 500 ohm en el medio, pero esa enorme resistencia base de 220k significa que la beta es mucho más importante para el circuito, así que solo estaba adivinando cosas. Personalmente, probablemente reduciría la resistencia base de 220k para que haya una caída de voltaje mucho menor debido al consumo de la base.
@jonk, asumí que los 220k estaban allí para una alta impedancia de entrada en caso de que la entrada provenga directamente de pastillas pasivas. Su mod propuesto con un rango de ajuste más pequeño tiene sentido. El sonido definitivamente sufre en los extremos de los 20k, por lo que la mayor parte del rango se desperdicia. No estoy seguro de si estaba destinado a ser una recortadora o un montaje en panel según las preferencias del usuario. (He visto perillas de ajuste de polarización en algunos pedales, pero el esquema original de este no lo especifica). Sin embargo, no puedo imaginar que mucha gente se aleje demasiado del centro, por lo que parece más probable que sea un recortador.
Descubrí un poco más sobre los orígenes de este circuito. Aparentemente, se remonta a 1995 como una publicación en usenet rec.music.makers.guitar de Arsenio Novo, con el tema "Nuevo circuito Overdrive". En mi excavación, también aprendí que RV1 (el ajuste de polarización) definitivamente está diseñado como un recortador, no como una perilla en el panel frontal. No es demasiado difícil de marcar de oído, pero un potenciómetro de varias vueltas lo haría menos inquieto.
@DaveH. Asumiendo que es un recortador inaccesible y no una perilla externa con la que jugar, probablemente todavía usaría resistencias añadidas de lado alto y bajo y luego usaría un potenciómetro simple, no uno de varias vueltas. En segundo lugar, ignorando ese pensamiento mientras mantengo esa suposición, mi comentario anterior de que puede usarse para ajustar la ganancia se vuelve cuestionable. Aún así, debo decir que, dentro del rango "inquieto", afectará directamente la ganancia de forma lineal (suave), por lo que me da curiosidad: "¿recortar exactamente para qué?" ¿Puede decir algo sobre lo que leyó con respecto a las instrucciones sobre el recorte?
@DaveH. Tampoco sé todavía acerca de la elección de 220k. No sé por qué está ahí. El bote aún pasará mucha corriente desde el riel de suministro a tierra, por lo que no ahorra energía. Y el 220k seguirá cayendo significativamente en el voltaje, también dependiente de beta, por lo que el comportamiento del circuito varía más según la selección de BJT y la temperatura de funcionamiento, por lo que no estoy seguro de por qué se usa. ¿Cuál es el supuesto beneficio?
@jonk. Que yo sepa, el 220k es para establecer la impedancia de entrada. Saltarse los 220k y pasar directamente de las bases del transistor al potenciómetro de polarización (ubicado en el medio) es un circuito equivalente de Thevenin de solo 5k de impedancia de entrada (10k || 10k). Una pastilla de guitarra pasiva tiene alrededor de 5k a 10k de impedancia de salida, por lo que terminaría con una señal oscura, turbia y débil tratando de impulsar esa baja impedancia de entrada sin algún tipo de búfer en la entrada. Lo que no entiendo es el 1Meg R1. El 220k domina cuando se trata de impedancia de entrada para la señal. Entonces, ¿por qué el 1Meg?
@DaveH. Sí. Ese es el problema. Lamento que el diagrama me haya hecho perder el hecho de que la entrada pasa directamente a través de una tapa a las bases BJT. Mi error. El 1Meg está ahí para proporcionar una CC galvánica. De lo contrario, un extremo de la tapa puede simplemente flotar. No es tan bueno cuando nada está conectado.
@jonk. Es bueno saber sobre el 1Meg. No había pensado en ello sin una entrada conectada. Sin embargo, tiene mucho sentido.

Respuestas (3)

Debido a que ambos transistores están polarizados en sus regiones lineales todo el tiempo, este circuito no es un recortador "duro" como dos diodos en paralelo inverso, un transistor que entra en saturación o corte, un amplificador operacional sobrecargado, etc. acción de recorte, más como compresión que recorte. Esto reduce en gran medida los armónicos impares en la forma de onda resultante, dándole un sonido más de "tubo". De ahí el nombre.

Solo para ser pedante: se supone que un compresor no distorsiona la señal, su función es reducir la dinámica de la señal (diferencias de volumen en diferentes momentos), se supone que la onda permanece con la misma forma. El recorte suave de hecho cambiará la forma de la onda, pero de una manera más suave que el recorte "duro" (como usted dice, de hecho). (pero estoy seguro de que lo sabes, por supuesto).
@kebs: De hecho, tanto los compresores como los circuitos de sobremarcha están diseñados para reducir la ganancia de las señales fuertes, pero un circuito de sobremarcha está diseñado para que la ganancia aumente y disminuya a las velocidades de audio, mientras que un compresor está diseñado para ajustar la ganancia más lentamente.

Por curiosidad, simulé este circuito usando LTspice XVII. Usando algunas estimaciones para el voltaje de polarización (opté por 4,5 V, la mitad del potenciómetro) y una señal de entrada de 100 mV a 1 kHz, veo la siguiente salida (azul):

formas de onda de entrada y salida de la simulación

  • Verde: VSIG; 100 mV, onda sinusoidal de 1 kHz.
  • Azul: SALIDA; forma de onda de salida.

El esquema es una copia del suyo con los modelos de transistores NXP apropiados. Los designadores de referencia de pieza han cambiado.

Me pareció interesante que el diseño no se recorta (como en la parte superior plana), pero introduce algunos componentes de frecuencia más alta, lo fundamental; esto puede no ser cierto para todos los voltajes y frecuencias de polarización/entrada.

Usando la función FFT en LTspice, es claro ver los armónicos, nota , por alguna razón, los colores de entrada y salida cambian (en FFT, el verde es la salida, el azul es la entrada).

FFT de forma de onda

  • Azul: VSIG; 100 mV, onda sinusoidal de 1 kHz.
  • Verde: SALIDA; forma de onda de salida. (inverso de la forma de onda en el dominio del tiempo)

Puede encontrar el archivo LTspice aquí: tube_sound_overdrive.asc (utilice la descarga y guárdelo como archivo .asc). Esto le permitirá jugar con la simulación.

esquemático

EDITAR : resultado de simulación fijo, esquema y archivo ASC para C3 a 4.7n (era 4.7u).

EDIT2 : Cambió el análisis ligeramente en función de una mayor reflexión e incluyó una FFT de las formas de onda de entrada y salida que muestra el contenido espectral antes (azul) y después del circuito (verde).

gracias por la sim También quería hacerlo por curiosidad :-). sus resultados me hacen aún más curioso cómo se comporta a diferentes frecuencias o para entradas no sinusoidales
El LTspice sim está ahí, juegue e informe aquí: DI tenía más curiosidad en cuanto a cómo se sesgaba a sí mismo. Es decir, la corriente de VCC a GND a través de las uniones base-emisor interactuaría con el colapso de su voltaje de 'suministro' a través de mi R2.

Suponiendo una onda sinusoidal del instrumento....

  • El transistor NPN permite que la corriente fluya cerca del pico de la mitad superior de la señal de onda (el pico tira hacia arriba de la base NPN para reducir la corriente que fluye a través de él. El PNP estaría apagado)
  • El transistor PNP permite que fluya "más" corriente a medida que la señal se acerca al mínimo inferior de la forma de onda.
  • Hay una zona de "flujo de corriente baja" donde la corriente "pequeña" fluye a través de cualquiera de los transistores cuando la señal no está cerca de un pico.

El hecho de que la corriente pase por el pico y el valle de cada forma de onda crea dos picos negativos para cada forma de onda, esencialmente un duplicador de frecuencia. La forma de onda parece dos carámbanos por cada longitud de onda completa.

"Hay una zona muerta en la que no fluye corriente a través de ninguno de los transistores". - No estoy de acuerdo. Con señal de entrada cero y VR1 al 50%, hay 5 V en las bases. A menos que la forma de onda de entrada sea de muchos voltios pp, ambos transistores están parcialmente encendidos todo el tiempo. Parece alrededor de 800 uA de corriente estática.
Pude ver que si se tratara de un par push-pull complementario, como se ve en las etapas de salida de clase B, pero no están configurados de esa manera. Con RV1 configurado en su punto medio, no esperaría ver ninguna zona muerta.
Ok, edité mi respuesta (las palabras modificadas están entre comillas). Los picos de la forma de onda producen pulsos y la mitad de la forma de onda produce una corriente muy baja.
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