BEY-HAN Overdrive: Marshall JVM'den esinlenen 18 V MOSFET overdrive pedalı

BEY-HAN Overdrive, Marshall JVM410H'in OD kanalından esinlenerek tasarladığım bir gitar pedalı. Dört BS170 MOSFET'le lamba preamp'ının kırpma karakterini taklit ediyor, içeride 9 V'u yaklaşık 17 V'a çıkarıp daha geniş bir salınım payıyla çalışıyor ve bütün parçaları delikten takılıyor (THT): havyası olan herkes kurabilsin diye. Kart 84 × 70 mm, iki katmanlı ve Hammond 1590BB kutuya oturuyor.

Bu yazıda devreyi kat kat anlatacağım, sonra kartın nasıl çizildiğine, Rev 1'den Rev 2.2'ye kadar neyin neden değiştiğine ve tasarımı nasıl doğruladığıma geçeceğim. Proje KiCad 10 ile çizildi; yazıdaki 3B görüntüleri ve kontrolleri bu yazı için kicad-cli ile kartın kendisinden yeniden ürettim.

Neden MOSFET, neden 18 V?

Lamba amfilerin overdrive'ı, transistör distortion'larından farklı duyulur: kırpma yumuşak başlar, sinyal asimetrik kırpılır ve çift harmonikler (2., 4.) belirgindir. Bir JFET ya da MOSFET'in kare yasasına yakın transfer eğrisi bu davranışa diyotlardan çok daha yakındır. BS170, ucuz, her yerde bulunan, TO-92 kılıflı bir N kanal MOSFET; bu pedalın bütün kazanç katları onunla yapılıyor.

18 V meselesi ise salınım payı. 9 V'la beslenen bir MOSFET katı, temiz sinyali bile erken sıkıştırır; tonlar çamurlaşır, düşük gain'de "temiz ama sıcak" bölge kaybolur. Pedal içeride bir charge pump ile 9 V'u yaklaşık 17 V'a çıkarıyor. Simülasyonda her katın en kötü durumda bile en az 5 V salınım payı kalıyor.

Sinyal yolu

Giriş buffer

Gitar sinyali önce bir TL072 yarısına (U2A) gelir. Op-amp gerilim izleyici olarak çalışır; girişi 1M'lik iki dirençle yarı beslemeye (VB = VCC/2) bağlı, bu yüzden giriş empedansı 500 kΩ. Pasif manyetikler için yeterince yüksek, ama kablo kapasitansını sürmek için de düşük bir çıkış empedansı veriyor.

Q1: ilk kazanç katı

Buffer çıkışı 47 nF ve 68k üzerinden Q1'in gate'ine gider. 68k bir "gate stopper": radyo frekanslarını ve osilasyonu bastırır. Q1'in drain direnci 10k, source'ta 1k + 470 Ω var; 470 Ω'luk kısım 10 µF ile köprülenmiş, böylece AC kazanç DC kazançtan yüksek.

Bu katın en önemli ayrıntısı bias. BS170'in eşik gerilimi parçadan parçaya 1 ile 3 V arasında değişir. Sabit bir gate gerilimi verseydim her kartta bir trimpot ayarlamak gerekirdi. Onun yerine drain geri beslemeli bias kullandım: gate, drain'den iki 1M direnç üzerinden besleniyor ve iki direncin ortası 100 nF ile toprağa bağlı. DC'de kat kendi çalışma noktasını kendisi buluyor (drain yükselirse gate yükselir, transistör daha çok iletir, drain düşer); AC'de ise kondansatör geri beslemeyi kısa devre ettiği için kazanç düşmüyor. Pedalda tek bir trimpot yok.

GAIN ve bright

Q1'in drain'i 22 nF ile GAIN potunun (B500k) üst ucuna gider. Potun üst ucu ile orta ucu arasında 100 pF var: düşük gain ayarlarında tizlerin potu atlayıp geçmesini sağlayan klasik "bright" kondansatörü. Potun ardından sinyal 470k ‖ 470 pF üzerinden Q2'ye gider; Marshall preamp'larındaki gibi, alçak frekansları biraz kısıp üst orta frekansları öne çıkaran bir kuplaj.

Q2: soğuk kat ve MODE

Q2 kasıtlı olarak "soğuk" çalışıyor: drain direnci 33k, source'ta 1k + 3.3k. Az akım çeken bu kat sinyalin bir tarafını erken kırpar. Source direncinin 3.3k'lık kısmını 4.7 µF ile köprüleyen kondansatör MODE anahtarına bağlı:

• OD1 (anahtar açık): köprü yok, kat daha az kazanç verir. Potun yarısına kadar temiz kalan, sonra açılan bir ses.
• OD2 (anahtar kapalı): köprü devrede, kazanç yükselir; düşük gain'de bile crunch.

Anahtar açıkken 100k'lık R42 kondansatörü şarjlı tutuyor; böylece MODE çevrilirken "pat" sesi gelmiyor. Q2'nin drain'indeki 1 nF da tizleri yumuşatan ilk filtre.

CLIP seçici

Q2'den sonra sinyal 10k üzerinden üç konumlu CLIP anahtarına gelir:

Si konumu bilerek simetrik; asimetrinin yükünü Q3 taşıyor. LED'ler kutunun içinde kalıyor, kapakta görünmüyorlar.

Q3: asimetrik kırpma

Q3 de drain geri beslemeli, ama gate'i ayrıca 2.2M ile toprağa bağlı. Rev 2'de bu direnç 1M'di. 2.2M'ye çıkınca Q3 biraz "sıcak" çalışmaya başladı ve sinyali iki yönde farklı noktalarda kırpmaya başladı. Simülasyonda tam distortion'da çift harmoniklerin tek harmoniklere oranı 0.24-0.33'ten 0.7-1.6'ya çıktı. Tek bir direnç değeriyle, lamba preamp'ına çok daha yakın bir harmonik dengesi.

Q4: source follower

Q3'ün drain'i Q4'ün gate'ine kondansatörsüz, doğrudan (10k üzerinden) bağlı. Bu, Marshall'ların ton katından önceki "cathode follower"ının MOSFET karşılığı: Q4 gerilim kazancı vermez ama pasif ton katını düşük empedansla sürer; ton katı ne kadar yüklenirse yüklensin önceki katların kazancı değişmez.

Marshall ton katı

Q4'ün source'undan sonra 1 µF ile klasik Marshall TMB ton katı geliyor: tizde 470 pF, bas ve middle'da 22 nF, eğim direnci 33k; TREBLE B250k, BASS B250k, MIDDLE B25k. Bu ağın kendine has bir özelliği var: üç pot birbirini etkiler ve hepsi ortadayken bile orta frekanslarda belirgin bir çukur oluşur. Marshall sesinin bir kısmı doğrudan buradan geliyor.

Recovery ve PRESENCE

Ton katı sinyali epey zayıflatır. Onu geri kazanmak için TL072'nin ikinci yarısı (U2B) evirmeyen bir yükselteç olarak çalışıyor. Geri besleme 4.7k / 22k; çıkıştan girişe 2.2 nF, yani yükseltecin kendisi de tizleri hafifçe yumuşatıyor.

PRESENCE ise bir amfideki presence kontrolüne benzer biçimde çalışıyor: geri besleme ağının toprak tarafına 2.2k + B50k pot + 47 nF'lık bir yol ekliyor. Pot açıldıkça yüksek frekanslarda geri besleme azalır, kazanç artar; yani presence tizleri eşitlemeyle değil, geri beslemeyi frekansa göre gevşeterek öne çıkarıyor. Amfilerde bu kontrol güç katının geri besleme döngüsündedir; burada aynı fikir op-amp'ın döngüsünde.

VOLUME ve true bypass

Son olarak 10 µF, VOLUME potu (B100k), 100 Ω seri direnç ve çıkışı toprağa çeken 100k. 3PDT footswitch true bypass yapıyor: efekt kapalıyken giriş jakı doğrudan çıkış jakına bağlanıyor, devre sinyale hiç dokunmuyor. Footswitch'in üçüncü kutbu durum LED'ini yakıyor.

Kontroller

Potların hepsi B (lineer) tip; çünkü 9 mm Alpha potlarda en kolay bulunan bunlar. GAIN ve VOLUME'un kulağa doğal gelmesi için logaritmik davranmaları gerekiyor; bunu potun orta ucu ile toprak arasına koyduğum "taper" dirençleriyle çözdüm: GAIN için R43 (47k), VOLUME için R44 (10k). Lineer bir potun orta ucu ile toprak arasına potun değerinin yaklaşık onda biri kadar bir direnç koymak, eğrisini logaritmiğe benzetir. A500k ya da A100k pot bulunursa bu dirençler takılmıyor.

Besleme: 9 V'tan 17 V'a

Besleme zinciri sinyal yolu kadar özen istedi:

1. D1 (1N5817): seri Schottky diyot. Adaptör ters takılırsa hiçbir şey olmaz, pedal çalışmaz. Schottky olduğu için sadece ~0.3 V düşürür.
2. R45 (22 Ω, 0.5 W) + D10 (BZX85C10): aşırı gerilim koruması. Charge pump entegresi en fazla 10.5 V kaldırıyor; regülesiz "9 V" adaptörler ise boşta 12-13 V verebiliyor. 10 V'luk zener bu gerilimi kelepçeliyor. 12 V'ta zener yaklaşık 77 mA ve 0.8 W çekiyor, 13 V'ta 123 mA ve 1.2 W; bu yüzden zener 1.3 W'lık, seri direnç 0.5 W'lık. Normal çalışmada R45'te sadece ~0.3 V düşüyor.
3. U1 (MAX1044 ya da ICL7660S): normalde negatif gerilim üreten bir charge pump. Burada çıkışını kullanmıyorum; onun yerine iki Schottky diyotla (D2, D3) bir gerilim katlayıcı kurdum: pompa kondansatörünün alt ucu 0 ile 9 V arasında salınırken üst ucu 9 V ile 18 V arasında salınıyor ve D3 bu tepe gerilimi V18 hattına aktarıyor. BOOST ucu bağlı olduğu için pompa 35-60 kHz civarında çalışıyor, yani duyulabilir bandın çok üstünde.
4. V18 → VCC → VMOS: 10 Ω ve 100 Ω'luk dirençler, 100 µF'lık kondansatörlerle RC filtreleri oluşturuyor; op-amp ve MOSFET katlarının beslemeleri birbirinden ve pompadan ayrılıyor. VB, VCC'nin iki 47k ile bölünmüş yarısı.
5. D9 (1N4148): pompanın kullanılmayan negatif çıkışına paralel, toprağa. Renesas ve Maxim datasheet'lerinin önerdiği bir önlem: o çıkışın topraktan yukarı çıkıp entegreyi latch-up'a sokmasını engelliyor.

Simülasyona göre pompa gürültüsü çıkışta en kötü durumda 10 kHz'te -102 dBV; BOOST açıkken 45 kHz'te -160 dBV'nin altında. Pedalın adaptörden çektiği toplam akım yaklaşık 17 mA.

Kart

Kart 84 × 70 mm, 1.6 mm FR-4, iki katman. Bütün dirençler dikey montaj: yer kazandırıyor ve 109 parçalık bir devreyi bu boyuta sığdırmanın tek yolu bu. Entegreler DIP-8 soketlere takılıyor, lehimlenmiyor.

En çok uğraştıran şey mekanik oldu. 1590BB kutunun içinde kartla kapak arasında yalnızca pot gövdesi kadar, ~7 mm yer var. Rev 1'de potlar diğer parçalarla aynı yüzdeydi ve 11 mm'lik kondansatörler kapağa çarpıyordu. Rev 2'de potları ve durum LED'ini arka yüze aldım: pot gövdeleri kapağa, diğer bütün parçalar kutunun içine bakıyor. Potların altında kasıtlı olarak hiçbir parça bacağı yok; pot gövdesi karta düz oturuyor.

Rev 2.2: yeniden yollama

Rev 2.2'de devre, parçalar ve değerler Rev 2.1 ile aynı; değişen bakır yollar ve baskı. Kartı fastroute ile baştan yolladım:

• Besleme yolları her yerde en az 0.5 mm. Rev 2.1'de VCC'nin ~29 mm'si ve VMOS'un ~19 mm'si 0.15 mm'ye daralıyordu. Akım birkaç mA olduğu için elektriksel bir sorun değildi, ama sağlamlık ve üretim payı için genişlettim.
• 17-18 V hatları için "HV" net sınıfı: V18, PUMP, VCC ve VMOS diğer bakırla en az 0.25 mm boşluk bırakıyor. Tek istisna Q4'ün kendi bacakları: TO-92'de 1.27 mm aralıkla drain ile gate arası ancak 0.22 mm olabiliyor; beyhan.kicad_dru içindeki özel kural sadece bunu serbest bırakıyor.
• Vida yuvası çentikleri: Rev 2.1'de kartın iki üst köşesi kutunun köşe vida yuvalarına denk geliyordu. Artık üst köşelerde 6.1 mm yarıçaplı yuvarlak çentikler var: Hammond'un resmi çizimindeki yuva, klon kutular için 0.6 mm daha büyük yuva ve 0.5 mm konum sapması hesaba katılarak. Bunun için C6 daha küçük bir kılıfa geçti, D3 dikey montaja döndü, C31 filmden C0G seramiğe geçti; değerler aynı.
• Kart kutuda 1 mm aşağıda: üst duvara ve yanlara ~1.6 mm pay kalıyor. Pot ve LED delikleri bu yüzden 1 mm aşağı kaydı, delme şablonu yenilendi.
• Okunabilir baskı: entegrelerin kodları ön yüze alındı; soketlerin içinde MAX1044 ve TL072 yazıyor, 1. bacağın yanında 1 işareti var. İkisi de DIP-8 olduğu için karıştırılırsa MAX1044 17 V'a maruz kalıyor; baskı bu hatayı zorlaştırmak için.
• Baskı çizgileri JLCPCB'nin alt sınırı olan 0.15 mm'ye kalınlaştırıldı. GND dikiş via'larının 185'ten 161'i korundu.

Bu yazı için kartı yeniden kontrol ettim: kicad-cli sch erc sıfır ihlal veriyor, kicad-cli pcb drc sıfır bağlanmamış pad ve tek bir uyarı veriyor: U1'in soket footprint'i kütüphanedeki kopyadan farklı, çünkü soketin dış çerçevesini çentiğe çok yakın olduğu için bilerek sildim.

Doğrulama

Kartı sipariş etmeden önce devreyi ngspice'ta, şemanın kendisinden üretilen netlist üzerinde test ettim. Böylece simüle edilen devre ile karta basılan devre aynı oldu:

Monte Carlo testi trimpotsuz tasarımın asıl kanıtı: her transistöre 1.0 ile 3.0 V arasında rastgele bir eşik verildiğinde bile drain gerilimleri 6.6 ile 12 V arasında kalıyor.

Montaj ve kutu

Sipariş paketi tek başına montaj yapılabilecek şekilde hazırlandı: montaj notları, parça listesi (alışveriş için Excel dahil), kartın her iki yüzü için kodlu ve değerli montaj çizimleri, kutu delme şablonu, footswitch kablo şeması ve JLCPCB'ye olduğu gibi yüklenecek Gerber paketi.

İlk çalıştırma adım adım: önce entegreler takılı değilken V9'un ~8.4 V olduğu ölçülüyor, sonra U1 takılıp VCC'nin 16-17 V'a çıktığı görülüyor, sonra U2. Ardından MOSFET'lerin drain gerilimleri ve U2'nin çıkışlarının VCC/2 civarında olduğu kontrol ediliyor. Bu sırayla bir hata, ilk adımda pahalı bir parçayı yakmadan yakalanıyor.

Kutu için %100 ölçekte yazdırılacak bir delme şablonu var. Şablonun üstündeki 100 mm'lik çizgi cetvelle kontrol ediliyor; klon 1590BB kutular dış ölçüde Hammond'dan 0.5-1 mm büyük olabildiği için şablon kutunun üst kenarına ve orta çizgisine hizalanıyor.

Parça seçerken dikkat

• Transistörler BS170 olmalı. 2N7000 elektriksel olarak benzer ama bacak sırası ters; takılacaksa 180° döndürülmeli.
• U1 için ICL7660S en güvenlisi: 13 V'a kadar dayanıyor. MAX1044 da çalışır ama zener kelepçesinin 13 V'luk bir adaptörde ~10.9 V'a çıkabildiği durumda sınırda kalıyor.
• 17 V hattındaki elektrolitikler (C6, C7, C9) 35 V; 25 V'luk parçalar %70 dolulukta çalışacaktı.
• Regüle bir 9 V pedal adaptörü kullanın. Zener kısa süreli aşırı gerilime karşı koruyor ama kalıcı 12 V+ beslemede ısınıyor; kalıcı bir çözüm değil.

Sonuç

BEY-HAN Overdrive'da beni en çok memnun eden şey, lamba sesine yaklaşmak için pahalı ya da egzotik bir parçaya ihtiyaç olmaması: dört tane BS170, doğru bias, Q3'te tek bir direnç değişikliği ve Marshall'ın on yıllardır değişmeyen ton katı. Gerisi mekanik sabır: potları arka yüze almak, vida yuvalarına çentik açmak, 17 V hatlarına kendi boşluk kuralını vermek. Rev 2.2 sipariş paketi hazır; KiCad 10 kaynak dosyaları da pakette.