Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.
Buy Bitcoins with Credit Card

Flag Counter

Галерея изображений

Усилитель JLH часть 1 - история разработки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можно воспринимать усилитель Джона Ли Худа как упражнение в минимализме, пока его не услышишь своими ушами. Не смотря на относительно небольшую выходную мощность, аппарат обладает рекордно прозрачным для транзисторных конструкций звучанием, присущим в основном ламповым усилителям. Плюс он выдает насыщенный «жирный» бас, который получить от ламповых усилителей практически невозможно.

 

Новое - это хорошо забытое старое

 

Последние несколько лет наблюдается волна интереса к знаменитому усилителю Джона Линсли Худа (John Linsley-Hood). Повышенный интерес к JLH обусловлен тем, что интернет-магазины и аукционы Hi-End начали предлагать множество вариаций этого усилителя в готовом виде и в виде комплектов для домашней сборки. На многочисленных форумах по электронике и звукотехнике проводятся бурные обсуждения предложенной более 40 лет назад схемы и способов ее улучшения применительно к сегодняшней компонентной базе.

Нередко лейбл «JLH» навешивают на конструкции, ничего общего с легендарным оригинальным усилителем не имеющие. Предлагаю разобраться в достоинствах и недостатках этого усилителя класса А и его поразительно изящной, и простой схемотехнике. Усилитель этого талантливого инженера из Англии, созданный почти 50 лет назад дожил до сегодняшнего дня пережив несколько реинкарнаций, и сегодня, в конце 2016 года он, по-прежнему будоражит воображение настоящих аудиофилов.

Первая публикация схемы появилась в журнале «Wireless World» в 1959 году. Перевод основной идеи схемы John Linsley-Hood:

 

«В последнее время издания для любителей качественного звучания опубликовали множество схем усилителей на транзисторах, большинство из которых малопригодны для повторения ввиду чрезвычайной сложности для повторения среднестатистическим радиолюбителем. Мощность предлагаемых к повторению транзисторных усилителей как правило многократно завышена, что совершенно не требуется для комфортного прослушивания музыки в обычной комнате. Повышенная мощность тянет за собой необходимость применения дорогостоящих транзисторов и мощных блоков питания. До эры появления транзисторов огромной популярностью пользовались ламповые усилители фирм Mullard, Leak и другие обладающие выходной мощностью до 10-15 Ватт на канал, которой с лихвой хватало для воспроизведения практически любой музыки в условиях реальной жилой комнаты. Уровень громкости с колонками средней чувствительности и такой выходной мощностью усилителя в стерео-режиме получался даже больше необходимого. Инженеру Джону Линсли Худу пришла идея разработать простой для повторения, но максимально качественный усилитель класса А с разумной выходной мощностью и минимально возможными искажениями. Что он блистательно и осуществил»

 

Один из приверженцев максимально простых и линейных Hi-End усилителей класса «А» и по совместительству владелец фирмы «Pass Aleph» Нельсон Пасс (Nelson Pass) написал в своей статье, что усилитель Д. Ли. Худа даже спустя 40 лет восхищает великолепным качеством звучания при предельно простотой конструкции.

 

Искажения и выходная мощность

 

В период 1947-1949 годов патриарх усилителестроения David Theodore Nelson Williamson написал в серии статей, опубликованных в том же журнале «Wireless World», что величина искажений для высококачественного звуковоспроизведения не должна превышать 0,1%. Основные искажения в ламповом усилителе вносит выходной трансформатор, а поскольку транзисторные конструкции могут обойтись без этого нелинейного элемента, то требования к транзисторным схемам можно ужесточить. Можно считать допустимыми не более 0,05% искажений, вносимых транзисторным усилителем при полной выходной мощности в полосе частот от 30 Гц до 20 кГц.

В связи с «гонкой мощностей» когда во главу угла ставились параметры усилителей, а их реальное звучание отодвигалось на второй план, подавляющее число разработок и воплощение их в готовых конструкциях было сосредоточено на усилителях класса «В» или «АВ». Потенциальный клиент читал отзывы об усилителях в аудио прессе и его глаза невольно наталкивались на эту «гонку параметров». На первое место ставились преимущества усилителей с характеристиками, изобилующие многими нулями: 0,01 – 0,001 % искажений, 100 – 200 – 300 Ватт выходной мощности, а не редко и больше. Эти цифры объявлялись «главными достоинствами» усилителей, а их цена напрямую зависела от количества нулей. Потенциальный покупатель усилителя намеренно ставился перед искусственно навязанным выбором, таким же, как в случае с автомобилями и рекламируемыми «преимуществами» с упором на мощность двигателя и максимальную скорость. В отличие от автомобиля, в усилителях выходная мощность и уровень искажений к реальному качеству звучания имеют очень опосредованное отношение. На звук гораздо большее влияние оказывает грамотно выбранная схемотехника, режимы работы каждого каскада и качество деталей.

 

По простому о классах «А» и «АВ»

 

Усилители класса А получили малое распространение в первую очередь из-за низкого КПД. При «гонке параметров» когда рынок требует от усилителя получение выходных мощностей 50 – 100 – 200 и более Ватт в канал применять режим класса А крайне невыгодное и неблагодарное мероприятие. Потребляемую мощность с этим режимом нужно смело умножить на три или четыре, и вся эта мощность, в отличие от полезной не идет на динамики, а преобразуется в банальное тепло. Соответственно для усилителя, работающего в классе А требуется блок питания в три - четыре раза мощнее аналогичного, работающего в классе АВ. Плюс, нужны огромные радиаторы, которые должны рассеять излишнее тепло. Себестоимость усилителя довольно сильно зависит от мощности блока питания и размеров радиаторов выходных транзисторов. В итоге усилители класса «А» получаются намного более дорогими и «горячими» в прямом смысле этого слова, по сравнению с аналогичными по мощности усилителями, работающими в классе АВ.

Вот этот маленький КПД усилителей класса А помноженный на «Горячесть» и высокую по сравнению с моделями класса «АВ» стоимость и предопределил малую распространенность этих на самом деле – замечательных конструкций.

Если абстрагироваться от желания получить сто ваттные мощности на выходе и смириться с повышенным тепловыделением, усилители класса А по звучанию уложат «на обе лопатки» абсолютно все другие модели усилителей с их техническими изысками. Как правило усилители класса А намного более просты схемотехнически, чем их собратья, работающие в других режимах. Режим работы А пришел из ламповых схем, которые отличаются от транзисторных намного более «коротким» трактом и малым количеством деталей. Платой за кажущуюся простоту является необходимость тщательного подбора каждого элемента усилителя класса А и высокие требования к качеству комплектующих.

Благодаря простой конструкции и малому количеству каскадов, усилитель класса А поддается точной настройке путем оптимизации работы каждого каскада и наилучшему согласованию каскадов между собой. В Усилителях класса АВ с их десятками и сотнями последовательно включенных звеньев, индивидуальная настройка каждого каскада в принципе невозможна. Для обеспечения приемлемых параметров в них приходится вводить глубокую отрицательную обратную связь, которая позволяя достичь заданных характеристик, при этом начисто «убивает» звук.

 

Особенности схемотехники JLH

 

Основная идея John Linsley-Hood, построение максимально простого усилителя, все каскады которого работают в классе А. В классе А транзисторы работают на максимально линейных участках своих характеристик, и имеют практически постоянную, хоть и немного повышенную температуру, при которой их параметры практически не «плывут». В классе А можно достичь очень хорошей симметрии плеч и избавиться от так называемых «коммутационных» искажений, ведь в классе А транзисторы в отличие от класса В и АВ вообще не выключаются.

Каскады класса А в однотактном включении с нагрузкой – резистором самые неэффективные по КПД в сравнении со всеми остальными вариантами включения транзисторов. Зато они самые линейные и самые «музыкальные». Путем замены резистора на дроссель или трансформатор можно повысить КПД и легко согласовать простейший каскад на транзисторе с практически любым следующим каскадом. Но это «палка о двух концах». Применив дроссель или трансформатор, мы получаем максимально качественно «звучащий» каскад, но при этом имеем в конструкции сложное, тяжелое и дорогостоящее моточное изделие.

Для упрощения и удешевления конструкции Джон Линсли Худ применил двухтактный выходной каскад с возбуждением противофазным сигналом, изображенный на Рис.1. Оптимальным решением здесь является применение каскада на транзисторе VT1 обратной проводимости (n-p-n), который для выходных транзисторов является фазоинвертором и управляет обоими плечами (верхним и нижним), собранными на транзисторах VT2 и VT3.

 

 

За счёт компенсации взаимной нелинейности характеристик транзисторов, это включение даёт низкие искажения даже без применения отрицательной обратной связи. Как бонус, низкое выходное сопротивление каскада на VT1 хорошо согласуется с довольно высоким входным сопротивлением каскадов на VT2, VT3.

 

 

Упрощенная схема усилителя JLH показана на Рис.2

 

Входной сигнал подается на базу транзистора VT1. С его коллектора инвертированный и усиленный сигнал поступает на базу транзистора VT2. Транзистор VT2 усиливает входной сигнал и формирует противофазные сигналы для выполненного на транзисторах VT3 и VT4 выходного каскада. Нижний выходной транзистор VT3 включен по схеме с общим эмиттером и усиливает как ток, так и напряжение. Верхний выходной транзистор VT4 включен по схеме с общим коллектором и усиливает только ток (это классический эмиттерный повторитель).

Резисторы R4-R5 задают напряжение смещения для транзистора VT1, резистор R3 формирует смещение выходного каскада. Резисторы R1-R2 задают глубину отрицательной обратной связи по току. Транзистор VT2 является сердцем этой схемы и применен здесь для управления выходным каскадом - элегантно и просто.

Нельсон Пасс являясь приверженцем максимально простых схем и коротких трактов, работающих в классе «А» обошёл стороной одну особенность представленной топологии. В своих конструкциях он применяет исключительно полевые транзисторы, которые управляются напряжением на затворе, в отличие от примененных Джоном Ли Худом биполярных транзисторов, управляемых током базы. И если в далеком 1959 году мощных серийных полевых транзисторов попросту не существовало и Джона Ли Худа можно понять, то Нельсона Паса понять сложно, по какой именно причине он не применяет в своих усилителях биполярные транзисторы.  Путем обращения к «коллективному» разуму армии любителей, повторивших конструкции как Нельсона Пасса, так и Джона Ли худа было «вычислено», что с полевыми транзисторами гораздо легче работать. Они менее капризны и для достижения искомых параметров не требуют вокруг себя «танцев с бубнами» (многомесячных настроек) как биполярные. Но тот же «коллективный разум» говорит о том, что биполярные транзисторы звучат все-таки лучше полевых… хотя это как раз не факт.

Выходной ток предыдущего каскада усилителя Джона Ли Худа является входным током для последующего. Ток коллектора транзистора VT1 является управляющим для транзистора VT2 и втекает в его базу. В других каскадах все происходит аналогично. Резистор R3 является источником стабильного тока и изменение тока коллектора транзистора VT2 полностью отражается на токе базы транзистора VT4. Такая топология построения «двойки» транзисторов делает условия их взаимного управления идеальными.

Вся идеология построения усилителя Джона Ли Худа подчиняется идее минимализма, в ней нет ничего лишнего…

Дизайн усилителя JLH родился в то время, когда эра усилителей на лампах близилась к своему завершению, транзисторы быстро вытеснили электровакуумные приборы практически из всех областей электроники. Не избежала этой участи и звуковая техника. Инженеры начали проектировать транзисторные усилители с оглядкой в первую очередь на параметры: высокую выходную мощность и предельно низкие искажения. Их разработки в большинстве своем были крайне сложны и отличались от ламповых схем применением многочисленных и глубоких обратных связей. А это, как в последствии выяснилось, качества звуку совсем не добавило.

За прошедшие 47 лет прогресс в электронной промышленности ушел далеко вперед. А вот про технику для воспроизведения звука такого сказать нельзя. За почти сто лет с момента изобретения электронного усилительного прибора – лампы, а за ней транзистора, вдруг выяснилось, что лучшее звучание имеют простые схемотехнические решения, известные уже много лет. И никакими современными технологическими изысками качество звучания почему-то не улучшается.

Усилитель JLH часть 2 - оригинальная версия JLH-1969

 

Уникальный однотактный усилитель JLH Джон Линсли Худ опередил свое время на несколько десятилетий. Интерес к нему определяется прежде всего чрезвычайной простотой и очень высоким качеством звучания. Каждый экземпляр аппарата требует тщательного отбора транзисторов и длительной настройки. Именно по этой причине крупные компании не выпускают их серийно. Но в условиях лабораторий и авторских мастерских их мелкосерийный выпуск возможен и производится. Усилитель JLH - выбор истинного аудиофила.

Однотактный усилитель JLH класс А подробно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На Рис.1 представлена оригинальная схема усилителя в том виде, в каком она была опубликована в 1969 году:

 

Общее усиление этой схемы около 600 при разомкнутой цепи отрицательной обратной связи. Когда цепь обратной связи замкнута, усиление определяется отношением сопротивления резисторов (R3 + R4) / R4. Для указанных в схеме номиналов общее усиление около 13, а отрицательная обратная связь имеет глубину около 34 дБ. При этом выходное сопротивление усилителя JLH составляет не более 0,16 Ом.

Полное сопротивление (импеданс) электролитического конденсатора С3 на звуковых частотах крайне мало, если сравнивать его с сопротивлением резистора R4, соответственно, его влиянием можно пренебречь. Для постоянного тока С3 имеет бесконечное сопротивление и благодаря этому через резистор R3 обеспечивается 100% отрицательная обратная связь, жестко стабилизирующая режимы работы транзисторов выходного каскада.

Резисторы R1, R2 совместно с конденсатором C1 образуют источник стабильного тока. Ток покоя выходного каскада, работающего в классе А, изменяется подбором соотношения резисторов R1 и R2. Усилитель чувствителен к изменению сопротивления нагрузки и для получения от него максимальной выходной мощности и минимума искажений для колонок сопротивлением 4, 8 или 16 ом номиналы резисторов R1 и R2 и конденсатора С1 должны быть различными.

Резисторы R6 и R5 задают рабочую точку (смещение) первого каскада. Изменением номинала резистора R5 нужно добиться установлению на выходе (точке Х) усилителя JLH половины напряжения источника питания. При выходном постоянном напряжении равном половине напряжения питания усилитель отдает максимальную мощность с минимальными искажениями.

Топология усилителя JLH очень лаконична и изящна: Первый каскад с общим эмиттером, за ним идет фазоинверсный каскад и потом двухтактный выходной каскад работающий в классе А.

 

Сопротивление нагрузки и номиналы элементов

 

Перевод оригинального текста Джона Линсли Худа:

(…Кремниевые транзисторы NPN, сделанные по планарной технологии прекрасно работают на высоких частотах, что способствует устойчивой работе усилителя на реактивную нагрузку, которой является акустическая система. (это пишет Джон Линсли Худ в 1969 году про недавно освоенные промышленностью биполярные транзисторы с граничной частотой 4 МГц). Мне не удалось найти комбинацию значения емкости и индуктивности для нагрузки, которые бы привели к возбуждению усилителя. В своих экспериментах я заметил, что нагрузка со значительной индуктивностью может привести к неустойчивости усилителя. Для устранения возможного самовозбуждения усилителя достаточно зашунтировать резистор R3 конденсатором небольшой ёмкости. При этом полоса рабочих частот несколько ограничивается выше 25 кГц…)

Усилитель без проблем работает с нагрузкой сопротивлением от 3 до 16 Ом. Для получения максимальной выходной мощности и минимума искажений номиналы нескольких резисторов и конденсаторов следует изменить. Оптимальные номиналы резисторов и конденсаторов для разных сопротивлений нагрузки указаны в Табл.1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В таблице указана зависимость необходимого напряжения питания, тока покоя, входного переменного напряжения и номиналов отдельных элементов от сопротивления нагрузки. При напряжении питания свыше 30 Вольт транзистор Tr 3 типа 2n697 нужно заменить на транзистор типа 2n1613, а входные транзисторы Tr1 и Tr2 типа mj480 на тип mj481.

Чтобы усилитель не перегревался, выходные транзисторы должны быть установлены на радиаторы с площадью поверхности не менее 1500 кв.см. на выходной транзистор. Каждый выходной транзистор в постоянном режиме рассеивает мощность от 17 до 25 Ватт. Это плата за простоту схемы, режим работы выходного каскада в классе А и высокое качество звучания.

Усилитель JLH имеет небольшое входное сопротивление и для его согласования с предыдущими устройствами и получения минимальных искажений выходное сопротивление предварительного усилителя или CD плейера должно быть низким, и не превышать нескольких кОм.

 

Подбор транзисторов

 

Джон Линсли Худ провел множество экспериментов, чтобы выяснить, как зависят искажения и выходная мощность усилителя от характеристик транзисторов. Автор выяснил прямую зависимость величины искажений от идентичности коэффициентов усиления пары выходных транзисторов. При этом, чем точнее были подобраны транзисторы по коэффициенту усиления и обратному току коллектора в выходном каскаде, тем меньше были нелинейные искажения усилителя. Искажения довольно сильно зависели и от абсолютного значения статического коэффициента передачи тока транзисторов. Чем больше был h21э, тем меньше были искажения.

Минимальные искажения и максимальное качество звучания были достигнуты применением в выходном каскаде тщательно подобранной пары выходных транзисторов с коэффициентом усиления по току не менее 100. В фазоинверсном и первом каскадах усилителя так же потребовался жесткий отбор транзисторов по максимальному значению статического коэффициента усиления.

При этом марка транзисторов и фирма производитель на конечные параметры усилителя влияла намного меньше, чем идентичность характеристик и высокий статический коэффициент усиления.

Замена входного транзистора 2N4058 компании Texas Instruments на 2N3906 от Motorola ни на характеристики, ни на звучание существенного влияния не оказала. Чего нельзя сказать о их статическом коэффициенте усиления. Так со значением этого параметра во входном каскаде = 150 искажения усилителя были на 30 % больше, чем с транзистором, имевшим h21э = 250.

Максимальное влияние на уровень искажений усилителя JLH оказывают транзисторы выходного каскада. В таблицу сведены результаты экспериментов Джона Линсли Худа для транзисторов с разными коэффициентами усиления (h21э) Табл.2:

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно таблице, общие нелинейные искажения усилителя JLH минимальны, когда коэффициенты усиления базового тока (h21э) транзисторов в выходном каскаде максимальны по абсолютному значению и равны между собой. Если возможность точно подобрать транзисторы отсутствует, то транзистор с наибольшим коэффициентом усиления нужно использовать в нижнем плече в качестве Tr1. Наименьшие искажения были получены при подборе транзисторов с  идентичными коэффициентами усиления не в статическом режиме, а при токе коллектора близким к току покоя.

Измерения показали, что при мощности усилителя, близкой к максимальной в спектре искажений доминирует вторая гармоника, а сам спектр искажений довольно быстро спадает с частотой. На экране осциллографа наблюдалась картина весьма похожая на таковую у ламповых усилителей, работающих в классе А.

 

Характеристики и звучание

 

Автор тщательнейшим образом измерил основные характеристики усилителя:

Амплитудно-частотная характеристика усилителя оказалась абсолютно линейной в диапазоне частот от 50 Гц до 90 кГц Рис.2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходная мощность от частоты практически не зависела Рис.3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент гармоник на самых нижних частотах плавно увеличивался из-за влияния конденсатора С3. Зависимость коэффициента гармоник от частоты представлена на Рис.4:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зависимость искажений от выходной мощности усилителя на частоте 1кГц Рис.5:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полученные Джоном Ли Худом характеристики усилителя были далеки от установившихся в то время стереотипов с их многими нулями после запятой. Но они очень походили на характеристики ламповых усилителей и вселяли уверенность в правильности конструкторского подхода.

Для сравнения качества звучания этого усилителя класса А с другими аппаратами был устроен сравнительный тест. В качестве эталонного Джон Линсли Худ применил собственноручно построенный ламповый усилитель по схеме "Williamson". Для сборки лампового усилителя были применены наиболее качественные (из имевшихся на то время) компоненты: трансформаторы, лампы, пассивные элементы. Ламповый усилитель был тщательно настроен и перед тестами прогревался больше недели.

Контрольная группа слушателей, среди которых присутствовали звукорежиссеры и музыканты в «слепом» тестировании этих двух усилителей не смогла выявить явного лидера. Тогда автором был устроен тест шести различных усилителей: промышленных и авторских, ламповых и транзисторных, работавших в классах А и в АВ. Так же в тесте присутствовали оба усилителя Джона Линсли Худа: ламповый "Williamson" и новый транзисторный JLH.

При быстром переключении между разными усилителями (когда не приходилось физически пере присоединять акустические системы и источник сигнала к разным аппаратам) удалось выявить некоторые нюансы в их звучании. При общей схожести звучания транзисторного JLH и лампового "Williamson" у транзисторного JLH самые верхние частоты оказались лучше проработанными, а бас был намного «плотнее».

Звучание усилителей класса А и АВ различались намного сильнее. У транзисторного JLH явно отсутствовала "жёсткость" на верхних частотах, особо заметная в звучании струнных музыкальных инструментов. В целом звук усилителя JLH был открытым и лёгким. Стоит заметить, что у хорошего усилителя класса АВ недостатки проявляются только при прямом сравнении «лоб в лоб» с усилителями, работающими в классе А.

 

P.S. Транзисторный усилитель класса А JLH по КПД, массе, размерам и выделению тепла явно проигрывал усилителям класса АВ, но разница в их звучании того стоит!

Содержание

счетчик посетителей сайта
Яндекс.Метрика

Политика cookie

Этот сайт использует файлы cookie для хранения данных на вашем компьютере.

Вы согласны?