Русская Википедия:Усилитель Уильямсона
Шаблон:Аудиостатья введение Усили́тель Уи́льямсона — двухтактный четырёхкаскадный ламповый усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), разработанный в годы Второй мировой войны Тео УильямсономШаблон:Переход. При скромной выходной мощности в 15 Вт и низком, даже по меркам ламповой аппаратуры, коэффициенте полезного действия усилитель Уильямсона отличался от конкурировавших УМЗЧ низким уровнем нелинейных и интермодуляционных искажений, равномерной амплитудно-частотной характеристикой во всём диапазоне звуковых частот и эффективным демпфированием акустических систем (высокий дампинг-фактор (Шаблон:Iw)). Конструкция, опубликованная в 1947 году и предназначенная для самостоятельного повторения радиолюбителями, задала стандарт высококачественного воспроизведения звука и стала образцом ламповой схемотехники конца 1940-х и 1950-х годовШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Переход.
Схемотехнически усилитель Уильямсона повторял известную с 1934 года схему «высококачественного усилителя» КокингаШаблон:Переход, дополненную цепью общей отрицательной обратной связи (ООС) и входным каскадом усиления ошибкиШаблон:Переход. Высокие характеристики усилителя обеспечивались глубокой ООСШаблон:Переход, триодным включением выходных лучевых тетродов, консервативно выбранными режимами работы ламп и применением выходного трансформатора с необычно широкой для своего времени полосой пропусканияШаблон:Переход.
Оборотной стороной достоинств усилителя Уильямсона была требовательность к качеству используемых компонентовШаблон:Переход и склонность к самовозбуждению на инфразвуковых и ультразвуковых частотахШаблон:Переход. Запас устойчивости усилителя был слишком мал, а увеличить его в рамках четырёхкаскадной схемы было практически невозможно. Конструкторы 1950-х годов создали множество усовершенствованных вариантов усилителя УильямсонаШаблон:Переход, но исправить его фундаментальные недостатки не смогли. К середине 1950-х годов производители серийных УМЗЧ отказались от схемы Уильямсона в пользу более мощных ультралинейных выходных каскадовШаблон:Переход и более устойчивых трёхкаскадных схемШаблон:Переход.
Предыстория
В 1925 году Шаблон:Нп5 опубликовал первую практическую методику расчёта выходных каскадов УМЗЧ на триодах и её теоретическое обоснованиеШаблон:Sfn. По мнению Келлога, допустимый уровень нелинейных искажений в УМЗЧ мог достигать 5 % — при условии, что уровень искажений нарастает плавно, а их спектр содержит преимущественно низшие гармоники усиливаемого сигналаШаблон:Sfn. Предложенный Келлогом предел стал фактическим стандартом для конструкторов межвоенного периодаШаблон:Sfn. Главным заказчиком и потребителем наиболее мощных УМЗЧ в то время был звуковой кинематографШаблон:Sfn; прокатчиков вполне удовлетворяли примитивные двухтактные усилители на триодах прямого накала с трансформаторными межкаскадными связями, работавшие в экономичном режиме BШаблон:Sfn. Лучшие образцы серийных звукоустановок на триодах 300A и 300B, производившиеся Western Electric, были редкостью и также оставались в рамках пятипроцентного стандартаШаблон:Sfn.
В начале 1930-х годов конструкторы компаний RCA и Western Electric сумели многократно улучшить характеристики звуковоспроизводящих трактов и достигли в лабораторных условиях уровня высокой верности воспроизведения, но в серию эти разработки не пошлиШаблон:Sfn. Великая депрессия, Вторая мировая война и послевоенный бум телевидения надолго задержали внедрение новых технологийШаблон:Sfn. В середине 1930-х годов в среде профессионалов утвердилось мнение, что совершенствование усилителей и акустических систем нецелесообразно до тех пор, пока на смену оптическим фонограммам и шеллаковым пластинкам не придут новые, высококачественные носители звукаШаблон:Sfn.
Развитие серийной аппаратуры приостановилось, а неудовлетворённые её качеством радиолюбители попытались добиться высокой верности самостоятельно. Американцы экспериментировали с выходными каскадами на новейших лучевых тетродах. Австралийцы предпочитали традиционные двухтактные схемы на триодах прямого накала со сложными и дорогими межкаскадными трансформаторамиШаблон:Sfn. Британская школа конструкторов во главе с Уолтером Кокингом тяготела к двухтактным усилителям на триодах в режиме A с ёмкостными межкаскадными связямиШаблон:SfnШаблон:Sfn. Межкаскадные трансформаторы считались нежелательными, так как сужали полосу пропускания и ухудшали переходную характеристику усилителя в области высших частотШаблон:Sfn. Тетроды и пентоды отвергались, так как вносили в сигнал бо́льше нелинейных искажений и имели бо́льшее, чем триоды, внутреннее сопротивление — что усугубляло основной резонанс громкоговорителейШаблон:SfnШаблон:Sfn. Конструктор УМЗЧ, утверждал Кокинг, должен одновременно минимизировать и частотные, и фазовые, и амплитудные искажения сигналаШаблон:SfnШаблон:Sfn.
В 1934 году Кокинг опубликовал первый вариант своего «высококачественного усилителя» (Шаблон:Lang-en). Не используя общей обратной связи, Кокинг сумел довести коэффициент нелинейных искажений УМЗЧ до 2…3 %; цепи ООС, охватывающие выходной и предвыходной каскады (но не выходной трансформатор), появились в его работах лишь в 1943 году, в «усилителе военного времени»Шаблон:Ref+ на американских лучевых тетродах 6V6Шаблон:SfnШаблон:Ref+. Чрезвычайно удачный для своего времени УМЗЧ Кокинга стал прародителем всей британской звуковой схемотехники ламповой эпохи, включая усилитель УильямсонаШаблон:Sfn.
Разработка
В 1939 году шестнадцатилетний Тео Уильямсон собрал свой первый двухтактный усилительШаблон:Sfn. В том же году Уильямсон поступил в Эдинбургский университет, а весной 1943 года, в разгар войны, двадцатилетний Тео провалил экзамен по математике и был отчислен с третьего курса за неуспеваемостьШаблон:Sfn. Попытка устроиться в штат секретного Шаблон:Нп5, разрабатывавшего радиолокационные станции, обернулась неудачей: главный кадровик института Си Пи Сноу счёл кандидата неспособным к исследовательской работеШаблон:Sfn. Физически слабый, с детства больной туберкулёзом Уильямсон не подлежал призыву в действующую армиюШаблон:Sfn, и военные власти подыскали ему работу тестировщика радиоламп в компании Шаблон:Нп5Шаблон:SfnШаблон:Sfn. Разработка и производство ламп Уильямсона не привлекали; в апреле 1944 года он перешёл в схемотехническую лабораторию Шаблон:Нп5Шаблон:Sfn. С ведома заведующего лабораторией Уильямсон в свободное время занимался собственными, любительскими проектами по разработке усилителей и звукоснимателей; здесь в течение 1944 года он и создал усилитель, получивший его имяШаблон:Sfn.
Следуя идеям КокингаШаблон:Sfn, Уильямсон выстроил собственную, значительно более жёсткую систему требований к УМЗЧ:
- Нелинейные искажения должны быть пренебрежимо малы во всём частотном диапазоне сигнала и во всём диапазоне уровней сигнала — вплоть до предельной мощностиШаблон:Sfn. При разработке собственного УМЗЧ Уильямсон стремился, чтобы его КНИ не превышал произвольно выбранное значение в 0,1 % — на порядок меньше, чем у лучших современных образцовШаблон:Sfn;
- Выходное сопротивление должно быть низким. Наилучшее демпфирование резонансов громкоговорителей обеспечивает идеальный источник напряжения с нулевым выходным сопротивлением, а в реальном УМЗЧ следует стремиться к тому, чтобы выходное сопротивление было в 20…30 раз меньше номинального сопротивления громкоговорителяШаблон:SfnШаблон:Sfn;
- Полоса пропускания как на малых уровнях, так и на полной мощности, должна быть не у́же 10…20000 Гц, при пренебрежимо малом фазовом сдвигеШаблон:Sfn;
- Коэффициент усиления должен быть стабилен. Модуляция коэффициента усиления входным сигналом абсолютно недопустимаШаблон:Sfn;
- Выходная мощность усилителя должна гарантировать достаточный запас для воспроизведения оркестровой музыки в бытовых условиях. Для УМЗЧ, нагруженного на электродинамический громкоговоритель в открытом ящике, достаточна мощность в 15…20 Вт, для рупорных громкоговорителей — 10 ВтШаблон:Sfn.
Проанализировав известные конфигурации выходных каскадов, Уильямсон вслед за КокингомШаблон:Sfn пришёл к выводу, что этим требованием удовлетворяет лишь двухтактный выходной каскад на триодах, работающий в режиме АШаблон:SfnШаблон:Sfn. При этом, в отличие от схемы Кокинга, усилитель должен быть охвачен общей ООС глубиной 20…30 дБШаблон:SfnШаблон:Sfn. Свойственное всем схемам с глубокой ООСШаблон:Sfn жёсткое ограничение выходного сигнала при достижении входным сигналом «потолка»Шаблон:Ref+ Уильямсона не смущало. Напротив, писал он, к этому следует стремиться ради линеаризации передаточной характеристики на средних и больших мощностяхШаблон:Sfn. Характерное для «лампового звука»Шаблон:Sfn мягкое ограничение сигнала Уильямсон считал нежелательнымШаблон:Sfn.
Согласно теории, усилитель с заданными Уильямсоном характеристиками был бы гарантированно устойчив тогда, когда полоса пропускания его трансформатора составляла как минимум 2,5…160000 ГцШаблон:Sfn. Понимая сложность создания столь широкополосного трансформатора, Уильямсон вынужденно уменьшил запас устойчивости; по его расчётам, усилитель оставался бы устойчив и тогда, когда полоса пропускания трансформатора составляла «всего» 3,3…60000 Гц при сдвиге фаз не более 90°Шаблон:SfnШаблон:Sfn. При использовании выходных ламп с низким (2…2,5 кОм) внутренним сопротивлением индуктивностьШаблон:Ref+ первичной обмотки такого трансформатора должна была быть не менее 100 Гн, а Шаблон:Нп5 — не более 33 мГн каждаяШаблон:Sfn. Абсолютное большинство выходных трансформаторов того времени этим требованиям не отвечало; трансформаторы «по Уильямсону» оказались намного массивнее, сложнее и дороже обычныхШаблон:Sfn — и при этом обеспечивали лишь едва достаточный запас устойчивостиШаблон:Sfn. Бо́льший запас устойчивости, писал Уильямсон, может быть достигнут только многократным увеличением индуктивности первичной обмотки, что в 1940-е годы было практически недостижимоШаблон:Sfn.
Из скудного набора ламп военного времени требованиям Уильямсона отвечали триод прямого накала PX25Шаблон:Ref+ и лучевой тетрод косвенного накала Шаблон:Нп5 в триодном включенииШаблон:Sfn. Первый образец своего усилителя Уильямсон собрал на хорошо известных, выпускавшихся с 1932 года[1] PX25Шаблон:Sfn. Лампы этого поколения уже считались устаревшими; ещё в конце 1930-х годов им пришли на смену более экономичные, но менее благозвучные лучевые тетродыШаблон:Sfn. Во втором образце усилителя Уильямсон использовал лучевые тетроды KT66; после незначительных переделок он сумел добиться от включенных в триодном режиме KT66 столь же высоких характеристикШаблон:Sfn. Нелинейные искажения усилителя на паре KT66 не превышали 0,1 %, выходная мощность достигала 20 ВтШаблон:SfnШаблон:Ref+.
В конце 1944 года опыты Уильямсона заинтересовали технических руководителей Marconi и звукозаписывающей компании Decca. Первые предоставили в распоряжение Уильямсона лабораторное оборудование, вторые — уникальные опытные образцы пластинок, записанных по новейшей широкополосной системе Decca ffrrШаблон:Sfn. Тестовые записи, превосходившие в качестве все доступные тогда носители звука, помогли Уильямсону при доводке усилителя и окончательно убедили его в верности выбранного подходаШаблон:Sfn. Но ни Marconi, ни её деловой партнёр Шаблон:Нп5Шаблон:Ref+ не собирались выпускать усилитель Уильямсона серийно; всё ограничилось отчётами для служебного пользованияШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Конструкция, опередившая своё время, не представляла интереса даже для юристов компании: в ней не было ничего, что могло бы претендовать на выдачу патентаШаблон:Sfn. Уильямсон лишь свёл воедино давно известные технические решенияШаблон:Sfn.
Описание конструкции
Топология
Усилитель Уильямсона — четырёхкаскадный ламповый пуш-пул на триодах, построенный вокруг высококачественного, широкополосного выходного трансформатораШаблон:Sfn. Второй (фазорасщепитель на триоде V1B), третий (предвыходной драйвер, V2A и V2B) и четвёртый (выходной, V3 и V4) каскады повторяют схему усилителя Кокинга. Дополнительный входной каскад на триоде V1А (усилитель ошибки) компенсирует потерю усиления, вносимую общей обратной связьюШаблон:Sfn.
Анод входного каскада и сетка фазоинвертора связаны между собой гальванически — это решение, известное с 1940 года, в 1947 году ещё было редкостьюШаблон:Sfn. Американские конструкторы воспринимали его как новинку и в начале 1950-х годовШаблон:SfnШаблон:Sfn. Фазоинвертор, драйвер и выходной каскад соединены ёмкостными связями. Стремясь к максимально возможной линеаризации каждого каскада, Уильямсон (как и Кокинг) принципиально не использовал конденсаторы в катодных цепяхШаблон:Sfn. Электролитические конденсаторы в оригинальной схеме отсутствуют: сглаживающий фильтр питания выполнен на дросселях и бумажных конденсаторах небольшой ёмкостиШаблон:Sfn.
Рабочая точка каждого каскада оптимизирована на минимум нелинейных искажений при достаточном запасе по перегрузкеШаблон:Sfn. Выходной каскад смещён в чистый режим A; на практике он обычно строился на экранированных лампах в триодном включении. При использовании ламп KT66 или 807 выходная мощность усилителя со штатным блоком питания составляла 15 Ватт. Для достижения бо́льших мощностей, писал Уильямсон, необходимо использовать выходной каскад на параллельно включённых лампах; в статье 1947 года он упомянул о постройке опытного семидесятиваттного образца, но деталей этой конструкции не сообщилШаблон:Sfn.
Обратная связь
Петля отрицательной обратной связи охватывает все четыре каскада и выходной трансформатор — что, по мнению авторов американского «Справочника радиоинженера» (Radio Engineering Handbook) 1959 года, явилось «суровым испытанием для конструктора» (Шаблон:Lang-en), которое Уильямсон мастерски выдержалШаблон:Sfn. Глубина обратной связи составляет 20 дБ; Уильямсон считал, что глубину ООС можно беспрепятственно довести до 30 дБШаблон:Sfn, но не видел в этом практического смыслаШаблон:Sfn.
Делитель напряжения обратной связи подключён непосредственно к вторичной обмотке трансформатора, поэтому действительная глубина ООС зависит от сопротивления нагрузки. Для того, чтобы она составляла необходимые 20 дБ, сопротивление верхнего плеча делителя должно быть подстроено под сопротивление нагрузкиШаблон:Sfn. Делитель напряжения — чисто резистивный, без частотно-зависимых звеньев. Шунтирование делителя конденсатором, писал Уильямсон, может быть целесообразным лишь при использовании низкокачественного трансформатора; если трансформатор отвечает спецификации Уильямсона, то конденсатор в цепи ООС бесполезенШаблон:Sfn. Все цепи частотной коррекции усилителя сосредоточены в двух первых каскадах. RC-фильтры анодного питания этих каскадов по совместительству корректируют АЧХ в области инфранизких частот. RC-фильтр частотной коррекции в анодной цепи первого каскада, введённый Уильямсоном в 1949 году, сужает полосу пропускания усилителя сверху, препятствуя самовозбуждению на ультразвуковых частотахШаблон:Sfn.
Характеристики
По утверждению самого Уильямсона, номинальная выходная мощность его усилителя 1947 года составляла 15 ВтШаблон:Sfn. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) синусоидального сигнала частотой 400 Гц на номинальной выходной мощности не превышал 0,1 %Шаблон:Sfn, демпинг-фактор составлял около 30 (выходное сопротивление 0,5 Ом при номинальном сопротивлении нагрузки 15 Ом)Шаблон:Sfn. Неравномерность АЧХ в диапазоне частот 10…20000 Гц не превышала ± 0,1 Гц; в ультразвуковой области заметный спад АЧХ (-2,6 дБ) наблюдался лишь на резонансной частоте трансформатора (около 60 кГц)Шаблон:Sfn. Зависимость КНИ от частоты сигнала и гармонический состав нелинейных искажений в работах Уильямсона не раскрывались; зависимость КНИ от уровня сигнала описана лишь качественноШаблон:Sfn. Интермодуляционные искажения усилителя, писал Уильямсон, доступным ему оборудованием не детектировались и были незаметны на слухШаблон:Sfn.
Более подробные результаты измерений — как на чисто активном эквиваленте нагрузки, так и при подключении реального громкоговорителя в фазоинверторном корпусе — были приведены в работе Астора и Шаблон:Нп5 1947 годаШаблон:Sfn. По данным австралийцев, использовавших в выходном каскаде лампы 807 с той же номинальной выходной мощностью 15…16 Вт, коэффициент передачи усилителя оставался неизменным вплоть до выходной мощности 11,1 Вт; при разомкнутой петле ООС плавный спад коэффициента усиления начинался при выходной мощности 7 ВтШаблон:Sfn. В спектре искажений сигнала частотой 400 Гц доминировали третья и пятая гармоника, при существенной (но незаметной на слух) доле второй гармоникиШаблон:Sfn. При выходной мощности 0…3 Вт нечётные гармоники не детектировались, при выходной мощности 4…10 Вт детектировалась только третья гармоника (0,01…0,015 %)Шаблон:Sfn. На отметке 11 Вт начинался резкий рост уровня и нечётных, и чётных гармоник — до 1,5 % суммарно при выходной мощности 17 ВтШаблон:Sfn. В точном соответствии с теорией, частоты в окрестности основного резонанса громкоговорителя (45 Гц) и лежащие ниже её были наиболее подвержены искажениям; на частотах 100…1000 Гц искажения были минимальны, а выше 1 кГц они плавно возрасталиШаблон:Sfn.
Внедрение и распространение
В феврале 1946 года Уильямсон, не связанный более обязательствами военного времени, покинул Marconi и перешёл на работу в эдинбургское отделение компании FerrantiШаблон:Sfn. Несколько месяцев спустя его забытый было отчёт попал в поле зрения службы сбыта MarconiШаблон:SfnШаблон:Sfn. Коммерсанты, искавшие новые способы продвижения радиоламп на гражданском рынке, передали отчёт Уильямсона для публикации в популярный журнал Шаблон:Нп5; главный редактор, знавший Уильямсона по его прежним работам, связался с конструктором и заказал ему полноценную, развёрнутую статьюШаблон:SfnШаблон:Sfn. По неизвестным причинам публикация, согласованная в течение 1946 года, несколько раз откладывалась; статья Уильямсона вышла лишь в апрельском номере Wireless World за 1947 годШаблон:SfnШаблон:Sfn.
К удивлению всех причастных, новинка имела чрезвычайный успехШаблон:Sfn. Публикация совпала во времени с возобновлением телевещания, выпуском первых пластинок широкополосной грамзаписиШаблон:Ref+, первыми публикациями о трофейных германских магнитофонах и началом частотно-модулированного радиовещанияШаблон:Ref+; вскоре начался и выпуск долгоиграющих пластинок. Характеристики лучших УНЧ, доступных в 1947 году (полоса пропускания около 40…10000 Гц при КНИ порядка 1…2 %), не позволяли раскрыть потенциал новых форматов; на потребительском рынке существовал не удовлетворённый пока спрос на бытовую аппаратуру высокой верностиШаблон:Sfn. В то же самое время на гражданский рынок поступила масса дешёвых электронных компонентов с военных складов — в том числе мощные тетроды 6L6 и Шаблон:Нп5Шаблон:Sfn. Тысячи любителей принялись копировать конструкцию Уильямсона; в ответ на их запросы производители трансформаторов и шасси начали серийный выпуск комплектующих по спецификации УильямсонаШаблон:Sfn.
Уже в августе — сентябре 1947 года австралийцы Астор и Шаблон:Нп5 адаптировали схему Уильямсона под двойной триод 6SN7 и выходной лучевой тетрод 807, чуть позже — под лучевой тетрод 6L6Шаблон:Sfn. Британские и австралийские журналы единодушно дали схеме превосходные оценки: «это лучший усилитель, который нам доводилось испытывать, с большим отрывом [от аналогов]»Шаблон:Sfn, «усилитель, который похоронит все другие усилители»Шаблон:Sfn, «абсолютная вершина натурального воспроизведения музыки»Шаблон:Sfn и так далее. Американцы восприняли новинку с задержкой в два года: первые подробные и столь же восторженные статьи об усилителе Уильямсона вышли в США лишь во второй половине 1949 годаШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. К концу 1949 года схема Уильямсона уже стала признанным образцом для подражания, на котором базировались все производные конструкции с общей обратной связьюШаблон:Sfn. Американские компании не только адаптировали схему под доступные в США компоненты, но и начали импортировать британские лампы KT66 и трансформаторы «по Уильямсону», тем самым основав американский рынок британского Hi-FiШаблон:Sfn.
Размах любительского «творчества» и обилие адресованных любителям публикаций имели простое экономическое объяснение[2]. Заводская аппаратура первых послевоенных лет была слишком дорога́; самостоятельная сборка усилителя экономила значительную сумму[2]. Количество самодельных усилителей Уильямсона оценивается как минимум в сотни тысяч экземпляровШаблон:Sfn; в 1950-е годы они абсолютно доминировали в любительской практике англоязычных странШаблон:Sfn. Время стереофонического звука ещё не наступило: практически все сохранившиеся самодельные усилители — монофонические, каждый из них отличается от своих собратьев в мелких деталях, качество сборки обычно уступает серийным изделиямШаблон:Sfn. В XXI веке самодельные усилители 1950-х годов регулярно выставляются на продажу на онлайн-аукционах, но составить из них стереофоническую пару весьма затруднительноШаблон:Sfn.
Заводское, пока что малосерийное, производство началось в Великобритании в феврале 1948 года; первая крупная фирма, Rogers, анонсировала выпуск усилителя Уильямсона в октябре 1948 годаШаблон:Sfn. В начале 1950-х годов схема Уильямсона абсолютно доминировала в промышленном производстве по обе стороны АтлантикиШаблон:Sfn; по словам обозревателя американского журнала Шаблон:Нп5 Джона Фриборна, у профессиональных конструкторов и производителей того времени было лишь два варианта действия — «либо следовать за Уильямсоном, либо превзойти его»Шаблон:Sfn.
Проблема устойчивости
Первые же опыты самодельщиков вскрыли «врождённые болезни» новой схемы. Заложенный конструктором запас устойчивости был слишком мал: собранные, казалось бы, в точном соответствии с авторским рецептом усилители то и дело самовозбуждалисьШаблон:Ref+. Ещё в 1947 году Астор и Лэнгфорд-Смит, дав усилителю Уильямсона превосходные оценки, сообщили, что «…подключив к выходу громкоговоритель, мы обнаружили, что при достаточно большом низкочастотном [полезном] сигнале на выходе возникают незатухающие колебания частотой около 60 кГц, сопровождающиеся пульсирующими колебаниями на некоей другой частоте (Шаблон:Lang-en)»Шаблон:SfnШаблон:Ref+. Высокочастотные колебания австралийцы подавили, зашунтировав экранирующие сетки выходных ламп конденсаторами небольшой ёмкости; выяснить природу «других» колебаний — несмотря на первоклассное лабораторное оборудованиеШаблон:Ref+ — им не удалосьШаблон:Sfn.
Специалисты Шаблон:Нп5, проверив семь различных серийных усилителей УильямсонаШаблон:Ref+, обнаружили, что все они самовозбуждались на частотах порядка 2…3 ГцШаблон:Sfn. Замена выходных трансформаторов лишь изменяла поведение усилителя на средних и высоких частотах; лучшие образцы демонстрировали идеально гладкую АЧХ от 10 Гц до 100 кГц, но и они «пульсировали» на инфразвуковых частотахШаблон:Sfn. В худших образцах военные наблюдали резонансный «дребезг», не переходящий в самовозбуждение, и на ультразвуковых частотах. Одни трансформаторы «звенели» на относительно низких частотах 30…50 кГц, у других спектр резонансов простирался до 500…700 кГцШаблон:Sfn. В любительских конструкциях, построенных на «обычных» выходных трансформаторах, высокочастотное самовозбуждение было неизбежно, а подавить его можно было лишь грубым сужением полосы пропускания. Масштаб бедствия в любительской практике достоверно неизвестен: редакция Wireless World не публиковала письма читателей, а направляла их самому Уильямсону.
Получив добро от менеджмента Ferranti, он на время приостановил основную работу и вернулся к доводке усилителя; результатом этой работы стала вторая серия статей в Wireless World, опубликованная в августе 1949 — январе 1950 годаШаблон:Sfn. Изменения самой схемы были минимальны: Уильямсон лишь добавил во входной каскад RC-цепь частотной коррекции; бо́льшая часть его статей 1949 года была посвящена тонкостям монтажа и отладкиШаблон:SfnШаблон:Sfn. Независимый анализ устойчивости усилителя Уильямсона, опубликованный в декабре 1950 года, показал, что схема действительно склонна к самовозбуждению и на ультразвуковых, и на инфразвуковых частотахШаблон:SfnШаблон:Sfn.
В области низких частот амплитудно-частотная характеристика усилителя с разомкнутой цепью ООС формируется тремя фильтрами верхних частот (ФВЧ)Шаблон:SfnШаблон:Sfn. Первый и второй ФВЧ — классические RC-фильтры на межкаскадных конденсаторах — в авторском варианте имели одинаковые частоты среза в 6 ГцШаблон:Sfn; третий ФВЧ, образованный внутренними сопротивлениями выходных ламп (2…2,5 кОмШаблон:Ref+) и индуктивностью первичной обмотки трансформатора (100 Гн), в состоянии покоя имел частоту среза около 3 ГцШаблон:Sfn. При выбранной Уильямсоном глубине обратной связи такая комбинация трёх ФВЧ с близкими частотами среза неустойчива; для её стабилизации Уильямсон ввёл в анодные цепи первого и второго каскада RC-цепи частотной коррекции с постоянными времени порядка 200 мс, по совместительству служившие развязывающими фильтрами питанияШаблон:Sfn. Дополнительную стабилизацию обеспечивала нелинейность выходного трансформатора: по мере роста переменного тока в первичной обмотке её эффективная индуктивность возрастала, а постоянная времени выходного LR-фильтра увеличиваласьШаблон:Sfn. Авторский вариант Уильямсона был устойчив, но его запас устойчивости был слишком мал — поэтому и самодельщики, и производители серийных усилителей неминуемо сталкивались с самовозбуждениемШаблон:Sfn. Простейшим решением проблемы — при условии использования высококачественного выходного трансформатора — было разнесение частот среза межкаскадных фильтровШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn, например, в «ультралинейном Уильямсоне» Хафлера и Кероса (1952 год) они составляли 1,3 и 6 ГцШаблон:SfnШаблон:Sfn.
В области высоких частот точный расчёт невозможен из-за асимметрии фазоинверторного каскада и заведомо неизвестных, зависящих от конкретного исполнения паразитных ёмкостей монтажа и паразитных параметров выходного трансформатораШаблон:SfnШаблон:Sfn. В зависимости от выбранной модели спад АЧХ на высоких частотах формируется либо четырьмяШаблон:SfnШаблон:Sfn, либо пятьюШаблон:Sfn фильтрами нижних частот. Авторы, анализировавшие схему Уильямсона, оперировали различными значениями частот среза, но во всех случаях хотя бы три из четырёх частот были расположены слишком близко друг к другу, что и делало их сочетание неустойчивымШаблон:SfnШаблон:Sfn. Чтобы исправить положение, в 1949 году Уильямсон уменьшил полосу пропускания первого каскада дополнительной цепью частотной коррекции, но на практике этого было недостаточно — запас устойчивости был по-прежнему малШаблон:SfnШаблон:Sfn. Конструкторам-самодельщикам пришлось искать выход самостоятельно: одни шунтировали экранирующие сетки выходных ламп добавочными конденсаторами, другие сужали полосу пропускания выходного трансформатора, полосу пропускания делителя цепи ООС или, наоборот, оптимизировали монтаж схемы, чтобы предельно уменьшить паразитные ёмкостиШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Чувствительность к подбору ламп и пассивных компонентов
Усилитель Уильямсона оказался крайне чувствителен к качеству и точности подбора пассивных компонентов и ламп. Углеродистые и композиционные резисторы шумели и порождали нелинейные искажения; лампы американских серий, повсеместно применявшиеся вместо использованных Уильямсоном L63 и KT66, оказались не лучшей заменой британским лампамШаблон:SfnШаблон:Sfn. Уильямсон предупреждал читателя, что KT66 не имеет точных аналогов, и именно её следует предпочесть любым альтернативамШаблон:Sfn.
Радиолюбители, которым и была адресована схема Уильямсона, не могли самостоятельно выявить и исправить все её проблемные места. Вооружённый авометром любитель мог «заглянуть» в область инфразвука, наблюдая за стрелкой прибораШаблон:Sfn, но для того, чтобы исследовать поведение усилителя на высоких частотах, требовался осциллограф с верхней граничной частотой не менее 1 МГцШаблон:Sfn…2Шаблон:Sfn; в 1950-е годы же осциллограф был дорогостоящей, недоступной новинкой, да и полоса пропускания большинства моделей была недостаточно широкаШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Статьи профессиональных инженеров, посвящённые анализу и доводке усилителя Уильямсона, вышли относительно поздно, когда волна любительского конструирования уже схлынула, — в 1953Шаблон:Sfn, 1957Шаблон:Sfn, 1961Шаблон:Sfn годах. Инженер Шаблон:Нп5 М. В. Киберт, построивший по схеме Уильямсона профессиональный лабораторный усилитель, выявил в ней пять источников искаженийШаблон:Sfn:
- Высокий уровень шума и помех из-за применения шумящих углеродистых и композиционных резисторов и неудачного выбора входного триода. По данным Киберта, замена указанных Уильямсоном резисторов на проволочные позволила улучшить отношение сигнал/шум на 12 дБ, замена двойного триода 6SN7 на малошумящий 12AY7 — ещё на 12 дБШаблон:Sfn;
- Частотные и нелинейные искажения из-за асимметрии резисторов и конденсаторов в плечах двухтактных каскадов. Привычный в 1950-е годы двадцатипроцентный допуск на номиналы новых конденсаторов был абсолютно неприемлемШаблон:Sfn;
- Нелинейные искажения из-за применения в каскаде драйвера двойного триода 6SN7, неспособного качественно раскачать сетки выходных ламп. Испытав несколько типов ламп, Киберт предпочёл использовать в драйвере двойной триод 5687Шаблон:Sfn. По мнению Толбота Райта, неблагозвучность драйвера на 6SN7 была вызвана не свойствами самой лампы, а неудачно выбранным режимом; искажения драйвера можно было исключить простым увеличением смещения на сетках этой лампыШаблон:Sfn;
- Нелинейные искажения из-за неверного выбора резисторов делителя обратной связи — в этой роли были пригодны лишь высококачественные проволочные резисторыШаблон:Sfn;
- Нелинейные искажения из-за неудачного подбора выходных ламп. Какой-либо связи между характеристиками конкретной лампы и уровнем искажений Киберту выявить не удалосьШаблон:Sfn.
Киберт положительно оценил звучание усилителя, но предупредил читателя: соблюсти все требования схемы Уильямсона можно лишь в лабораторных условияхШаблон:Sfn. Усилитель раскрывает свои возможности только при использовании недешёвых, тщательно подобранных компонентов, что в любительской практике того времени было невозможноШаблон:Sfn. Идеально отлаженный в заводских условиях усилитель рано или поздно потребует замены выходных ламп, которая может привести к непредсказуемому росту искаженийШаблон:Sfn.
Усовершенствованные и производные конструкции
С августа 1947 года радиолюбительская, а затем профессиональная пресса опубликовала десятки[3] вариантов усилителя Уильямсона. Первые варианты ограничивались лишь адаптацией схемы к другим, доступным на том или ином региональном рынке, лампам. Затем начались публикации авторов, пытавшихся разными способами улучшить устойчивость исходной схемы, а не позднее 1950 года появились первые проекты, существенно отступавшие от схемотехнических принципов Уильямсона.
В 1950 году Герберт Керос зашунтировал общее катодное сопротивление выходных ламп (тетродов 807) электролитическим конденсатором большой ёмкости — что, как утверждал Керос, существенно снизило нелинейные искажения на большой мощностиШаблон:Sfn. Дэвид Хафлер и Керос использовали это решение, прямо противоречившее рекомендациям Кокинга и Уильямсона, в большинстве своих конструкций; к 1956 году оно стало воспринималось как стандартноеШаблон:Sfn. Сам же Хафлер в 1956 году пошёл ещё дальше и использовал в своём «уильямсоне» на EL34 фиксированное смещениеШаблон:Sfn. Применяли фиксированное смещение и советские и российские конструкторы Ю. Романюк (вариант на триодах прямого накала 6C4C, 1965 годШаблон:Sfn), А. Баев (вариант на генераторном пентоде ГУ-50, 1977 годШаблон:SfnШаблон:Sfn), А. Манаков (вариант на тетроде строчной развёртки 6П45С, 1990-е годыШаблон:Sfn).
В начале 1950-х годов конструкторы начали активно использовать конденсаторы большой ёмкости и в цепях анодного питания. На смену применённым Уильямсоном бумажным конденсаторам на 8 мкФ пришли электролитические конденсаторы ёмкостью 40 мкФШаблон:Sfn, а в усилителе Райта 1961 года суммарная ёмкость сглаживающих фильтров превысила 600 мкФШаблон:Sfn. В серийном усилителе Bell 2200Шаблон:Ref+ (1953 год) непосредственная связь первых двух каскадов заменена ёмкостнойШаблон:Sfn, в усилителе Шаблон:Нп5 AR-425 (1953 год) выходной каскад построен по тетродной схеме — с сохранением четырёхкаскадной топологии УильямсонаШаблон:Sfn. Неизбежное при этом ухудшение устойчивости компенсировалось дополнительными частотно-корректирующими цепямиШаблон:Sfn.
В декабре 1951 года Хафлер и Керос начали пропагандировать применение так называемых ультралинейных выходных каскадов. Под броским названием скрывалась изобретённая в 1930-е годы Аланом Блюмлейном схема включения тетрода или пентода с распределением полезной нагрузки между анодом и экранирующей сеткой. При тех же выходных лампах ультралинейный усилитель отдавал в нагрузку в полтораШаблон:Sfn — два раза бо́льшую, чем чисто триодный каскад Уильямсона, мощность при сопоставимом уровне искажений и стоил дешевле, чем чисто пентодные усилителиШаблон:Sfn. Первый «ультралинейный уильямсон» Хафлера и Кероса на паре тетродов 6L6, построенный по четырёхкаскадной топологии УильямсонаШаблон:Sfn, развивал 20 ВтШаблон:Sfn, второй, на тетродах 807 — 30 ВтШаблон:Sfn. Почувствовав вкус американского рынка к большим мощностям, конструкторы запустили «гонку вооружений»; в 1955 году, уже работая независимо друг от друга, Хафлер и Керос предложили публике 60-ваттные УМЗЧ на тетродах 6550Шаблон:Sfn и на сдвоенных KT66Шаблон:Sfn.
Так, шаг за шагом, всего за несколько лет конструкторы и производители отступили от классической схемы и идей Уильямсона — продолжая, однако, использовать его имя. В литературе XXI века усилителями Уильямсона называют даже конструкции без общей обратной связиШаблон:Sfn. По мнению биографа Уильямсона Питера Стинсона, это неверно; в настоящем усилителе Уильямсона должны одновременно выполняться пять условийШаблон:Sfn:
- Все четыре каскада — входной, фазорасщепитель, драйвер и выходной каскад — выполнены на триодах (либо, в случае выходного каскада, на тетродах или пентодах в триодном включении);
- Выходной каскад работает в режиме А;
- Связь входного каскада и фазорасщепителя — непосредственная (гальваническая);
- Высококачественный выходной трансформатор соответствует спецификации Уильямсона;
- Петля общей обратной связи глубиной 20 дБ замыкается с вторичной обмотки выходного трансформатора на катод входного каскадаШаблон:Sfn.
Благодаря деловой хватке Хафлера и Кероса американские производители (Шаблон:Нп5, Шаблон:Нп5, Harman/Kardon, Marantz и другие) один за другим отказались от «устаревших» выходных триодов и перешли на ультралинейную схемуШаблон:Sfn. Компания Mullard — крупнейший британский производитель ламп, законодатель европейской схемотехники 1950-х годов — публично поддержала новинкуШаблон:Sfn. Компания Шаблон:Нп5, бывший работодатель Уильямсона, включила в свой сборник типовых схем тридцативаттный «ультралинейный Уильямсон» на лампах KT88Шаблон:Sfn. Усилитель Уильямсона, при всех своих достоинствах, конкуренцию проиграл — как и альтернативные конструкции Питера Уокера (Шаблон:Нп5) и Фрэнка Макинтоша (McIntosh Laboratory)Шаблон:Sfn. В сентябре 1952 года Уильямсон и Уокер признали поражение. В написанной совместно обзорной статье они сделали вывод, что в серийном производстве предпочтительна более экономичная, но и более требовательная к качеству выходного трансформатора ультралинейная схемаШаблон:SfnШаблон:Sfn. Уильямсон, уже ставший признанным авторитетом в звуковой технике, более ею не занималсяШаблон:Sfn. Звук был для него лишь увлечением, а вся его профессиональная жизнь была связана с проблемами машиностроения. Ему довелось проектировать гигантские фрезерные станкиШаблон:Sfn, прецизионные оптические датчикиШаблон:Sfn, поточные линии и системы числового программного управленияШаблон:Sfn; в истории же электроники Уильямсон остался автором единственной конструкции.
В 1956 году большинство серийных УМЗЧ на рынке США ещё строились по хафлеровской четырёхкаскадной схеме «ультралинейного уильямсона»Шаблон:Sfn. В течение нескольких последующих лет сошла со сцены и она: на место четырёхкаскадной топологии Уильямсона пришла более устойчивая и дешёвая трёхкаскадная схема с балансным фазорасщепителем, по совместительству служившим драйвером выходных лампШаблон:Sfn. Разработанный Хафлером трёхкаскадный ультралинейный усилитель Dynaco Stereo 70 стал самым массовым ламповым УМЗЧ в истории[4]. Потребительский рынок США заполнили многочисленные, отличавшиеся лишь в мелких деталях модели трёхкаскадных УМЗЧ с выходной мощностью 25…30 Вт и клоны менее мощных британских усилителей Шаблон:Нп5Шаблон:Sfn. По заверениям производителей, характеристики всех этих моделей не уступали оригинальному усилителю Уильямсона — при вдвое бо́льшей выходной мощности и гарантированной устойчивостиШаблон:Sfn. Именно тогда, с подачи того же Хафлера, в среде американских аудиофилов укрепилось субъективистское мнение о том, что характеристики усилителя не могут служить мерой его качества, что всё решают лишь личные ощущения квалифицированного, тренированного слушателяШаблон:Sfn.
Историческая роль
Шаблон:Начало цитаты Кажущаяся простота проектирования звукотехники — иллюзорна. Лишь единицам удавалось сделать это действительно хорошо. Фрэнк Макинтош сумел сделать прекрасный усилитель. Уильямсон, из Англии, сумел сделать прекрасный усилитель. Ранние модели Leak были хороши. Все эти люди не гнались за деньгами — их [главной] целью было воспроизведение музыки в домашних условиях. — Ричард Секерра, конструктор приёмников Marantz 10B и Day-Sequerra, 2009[5] Шаблон:Oq Шаблон:Конец цитаты Шаблон:Начало цитаты Тот самый «уильямсон», которого лично я по-прежнему считаю лучшим в своём [поколении]… — Шаблон:Нп5, 1994Шаблон:Sfn Шаблон:Oq Шаблон:Конец цитаты
Уильямсон не был первым конструктором, добившимся высоких объективных характеристик УМЗЧ. В 1947 году в Великобритании уже существовали две самобытные конструкции УМЗЧ сравнимого качества. В сентябре 1945 года Гарольд Лик анонсировал выпуск трёхкаскадного, охваченного общей ООС УМЗЧ на триодах Leak Point One[6]Шаблон:SfnШаблон:Ref+; в том же 1945 году друг Уильямсона, предприниматель Питер Уокер опубликовал схему включения локальной ООС в катодные цепи выходных пентодов, восходящую к довоенным идеям Алана БлюмлейнаШаблон:SfnШаблон:Sfn. И Уокер, и Лик пытались самостоятельно коммерциализировать свои разработки на замкнутом, небогатом рынке послевоенной Великобритании; за пределами страны их работы были практически неизвестны. Уильямсон, напротив, адресовал свою схему широкому кругу радиолюбителей, и именно это предопределило её успехШаблон:Sfn[2].
В публикациях 1947 года Уильямсон определил необходимый и достаточный круг показателей, характеризующих высокое качество воспроизведения, и установил реалистичные, достижимые целевые значения этих показателей — которые в целом действуют и в XXI векеШаблон:Sfn. Уильямсон, с одной стороны, задал ориентиры конструкторам аппаратуры, с другой — популяризовал знание и понимание этих ориентиров в среде профессионалов и потребителейШаблон:Sfn. Объективные характеристики усилителя Уильямсона стали стандартом, на который ориентировались конструкторы 1950-х годов, и который в ламповую эпохуШаблон:Ref+ было практически невозможно превзойтиШаблон:SfnШаблон:Sfn. Уильямсон убедительно доказал, что нелинейные искажения можно эффективно снизить применением глубокой ООС совместно с высококачественным выходным трансформаторомШаблон:Sfn. Ему удалось создать совершенный образец для подражания, которое продолжалось до перехода отрасли на транзисторы; создание транзисторного УМЗЧ, способного на равных конкурировать с усилителем Уильямсона, заняло полтора десятилетия. Конструкторы смогли преодолеть неблагозвучный «транзисторный звук», характерный для аппаратуры 1960-х годов, лишь к середине 1970-х годовШаблон:Sfn.
Комментарии
Примечания
Источники
Обзорные работы (1990—2010-е годы)
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
Исторические публикации (1930—1970-е годы)
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация; также воспроизводилось в виде главы в книге
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация. Сборник статей 1947—1951 годов, в том числе
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Шаблон:Публикация: «it was cheaper to make your own amplifier than to buy one. That’s one reason such things as the [D.T.N.] Williamson amplifier in Wireless World were so popular: you could do it yourself and save money.»
- ↑ Неполный перечень публикаций приведен, например, в обзоре Тима Роббинса (декабрь 2017) Шаблон:Wayback.
- ↑ Шаблон:Публикация
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Публикация
.jpg){kind=link}
.png){kind=link}
.png){kind=link}
