Эта статья провисела в черновиках больше двух лет в состоянии - есть заголовок и ничего больше. Потому как написать об этой теме можно много и при этом за кадром останется ещё больше. Сам заголовок родился из вопроса в комментариях к одной из статей - чем же отличаются hard и soft клиппинг? Ответить на этот вопрос можно как математик из анекдота - абсолютно точно и бесполезно. Потому, что отталкиваясь только от вида клиппинга можно сформировать несколько оправданных и верных ожиданий и ещё больше неоправданных и ошибочных.
Но попробуем заглянуть в эту кроличью нору
Hard клипингом называется применение диодов для ограничения сигнала по амплитуде когда полезный сигнал шунтируется на "землю" (иногда минус питания, иногда средняя точка).
Типичные представители - Proco Rat
Конденсатор C7 отрезает постоянную составляющую, резистор R6 ограничивает ток, диоды D1 и D2 включены встречно параллельно. Пока сигнал на них поступает не выше, чем падение напряжения на NP-переходе (примерно 0,7 вольта для кремниевых диодов 1N914) - они не пропускают ток, сигнал просто идёт дальше. Как только сигнал превышает эту амплитуду - диоды открываются (конечно не одновременно, а поочередно) и начинают часть сигнала отправлять на минус питания, внося искажения в звук.
Важное следствие из hard клиппинга - сигнал получается ограничен по амплитуде, он не может превышать уровень 0,7 вольта. Таким образом звук становится тихим и обычно после диодов стоит какой-то активный элемент, чтобы поднять уровень сигнала, сделать его погромче. У Rat отсутствует разгон уровня сигнала после клиппинга, потому она не очень громкая.
Другой особенностью будет то, что разные диоды имеют разное падение напряжения. Например для германиевых диодов оно обычно около 0,3 вольта. И классический перегруз MXR Distortoin+ страдает от этого ещё сильнее
Как видно тут всё примерно в том же стиле: конденсатор C4 чтобы убрать постоянную составляющую, резистор R5 чтобы ограничить ток, пара диодов D1/D2 чтобы сбросить сигнал на минус питания.
Но есть и отличие в конденсаторе C5, который подключен параллельно диодам - его функция - отфильтровать самые высокие частоты, уменьшив так называемый "песок" - высокочастотные гармоники, который на слух звучат неприятно.
Никакого увеличения уровня сигнала после клиппинга нет, а из-за германиевых диодов уровень сигнала ещё меньше, чем у Rat - всего максимум 0,3 вольта по амплитуде. Потому классический Distortion+ очень тихий.
Иногда для увеличения амплитуды использую в качестве ограничивающих диодов светодиоды. У них падение напряжения зависит от цвета, для обычных красных матовых оно в районе 1,8 вольта. Например для той же Rat была версия педали, где стоят светодиоды, называется она Turbo Rat, у неё ощутимо выше громкость и меньше компрессия. Почти все мои знакомые, кто слушал оба варианта, предпочитают светодиоды. Но это дело психоакустики. Очень часто для нас громче = лучше.
Что же такое soft клиппинг?
Это тоже пара встречнопараллельных диодов, только размещенных в цепи обратной связи операционного усилителя.
Типичный пример - тюбскример:
В данном случае они тоже ограничивают амплитуду сигнала, но делают это более плавно, не так сильно искажая форму сигнала. На слух это обычно воспринимается как не такое большое количество искажений. Отсюда и слово soft (мягкий) против hard (жесткий).
Конденсаторы для обрезки постоянной составляющей в этом случае не нужны, поскольку постоянная составляющая одинакова и на выходе и на инвертирующем входе операционного усилителя.
Для увеличения амплитуды тут тоже можно применять светодиоды но чаще используется другой вариант - если последовательно поставить два диода, то и напряжение перехода удвоится, так можно вместо 0,7 получить 1,4 для обычных диодов.
Типичный пример - Marshall BluesBreaker
Теперь попробуем проследить закономерности: вроде бы хард клиппинг применяется в дисторшенах, а софт клиппинг в овердрайвах. И примеры Rat/Distortion+ против Tubescreamer/Bluesbreaker вроде бы это правило подтверждают. Но на самом деле есть и масса примеров, которые это правило обходят:
Klon Centaur - хард клиппинг, да ещё и германиевыми диодами (0,3 вольта) - тем не менее скорее овердрайв.
Fulltone OCD - хард клиппинг, но опять же скорее овердрайв
Кстати на примере OCD можно увидеть несколько отличия от выше рассмотренных схем:
1) Нет конденсаторов перед и после клиппинга. Это оттого, что сигнал шунтируется не на минус питания, а на виртуальную землю - напряжение, равное половине напряжения питания. Постоянная составляющая на выходе из прошлого каскада и на входе следующего в точности такая же, потому нет смысла ставить конденсаторы - постоянного тока в данном случае просто нет, нечего и отсекать
2) Вместо диодов применены mosfet транзисторы, у которых соединены между собой сток (drain) и затвор (gate). На самом деле тут ничего магического - так уж устроены mosfet транзисторы, что у них внутри всегда есть диод.
И находится он между стоком и истоком
В OCD затвор соединяют со стоком чтобы он не висел в воздухе и не ловил помех. При таком соединении сам mosfet транзистор получается всегда закрыт и ток течет только через этот внутренний диод. Отсюда вывод - можно в OCD ставить простые кремниевые диоды, будет по звуку вряд ли отличимо. Но поскольку у нас и транзисторы не миллионы денег стоят, то можно и не экономить.
3) Последовательно с одним из транзисторов подключен ещё диод D1 - получается что одна полуволна у нас будет ограничиваться амплитудой 0,7 вольта, а другая 0,7+0,3 (так как ставят диод германиевый или шоттки) = 1 вольт. Это называется ассиметричный клиппинг. На самом деле он как раз более близок к перегрузу ламповых усилителей. На слух звучит несколько отличаясь от симметричного, он более насыщен гармониками. Да ещё и погромче, чем обычный симметричный. Почему тогда более распространён именно симметричный?
А просто злой Roland/Boss ещё в конце 70х годов прошлого тысячелетия применил асимметричный клиппинг в первом своём овердрайве Boss OD-1 (да и в дальнейшем использовал его в своих продуктах) и по слухам запатентовал ассиметричный клиппинг, закрыв это решение для бесплатного использования другими.
А возможно всё это заговор и вкусовщина. Или просто капиталисты зажали лишний диод и сколотили на экономии на нём свои миллионы.
Если сейчас вернуться в софт-клиппингу на примерах тюбскримера и блюзбрейкера, то можно увидеть, что операционные усилители-то там включены по-разному.
У тюбскримера - неинвертирующее включение, тогда как у блюзбрейкера - инвертирующее. И soft клиппинг в инвертирующем включении на самом деле звучит гораздо жёстче, вносит более резкие искажения.
В общем тут масса оттенков и ньюансов, только по виду клиппинга сложно заранее судить о характере звука, но некоторые ожидания сформировать можно.
1) если используется софт клиппинг, то педаль скорее всего будет звучать мягче, как овердрайв. Обратное не всегда верно, есть масса овердрайвов с хард клиппингом.
2) если после хард клиппинга нет усиления сигнала по амплитуде, то педаль будет тихая.
3) характер и громкость звука можно изменить применяя в клиппинге разные типы диодов или их последовательное соединение. Например в подписной педали Энди Тиммонса от JHS есть трёхпозиционный переключатель, который по описанию должен давать ощущение от игра в усилители разной мощности: 25/50/100 ватт. В реальности он просто переключает три комплекта диодов
BAT41 - это диоды с наименьшим падением напряжения, они близки к германиевым = меньше громкость больше компресии
Во втором положении - ассиметричный клиппинг как у OCD - средняя громкость и средняя компрессия
В третьем - светодиоды = ещё больше громкости и меньше компрессии.
4) Если выкусить диоды то сигнал не будет ограничиваться и будет достигать более высокого уровня. Так из почти любой педали перегруза делается бустер. Например MXR micro booster отличается от MXR Distortion+ минимально - главным образом как раз отсутствием диодов.
В принципе так же можно экспериментировать практически с любой педалью. У меня когда-то была копия Rat с 6-ю различными вариантами клиппинга. В итоге правда почти всегда выбирается один самый любимый и остальными не пользуешься. Так что я в самодельных педалях сразу и ставлю самый приятный по опыту.