Как я и обещал, мы продолжим цикл о легендарных усилителях прошлого и настоящего. На этот раз мы опишем непростую судьбу УМЗЧ класса D, оригинальные разработки в области ламповой схемотехники, не обойдём стороной и DIY-наборы для тех чьи руки выросли из туловища.


При создании материала я постарался отжать всё информационно ценное из шедевров аудиофильской журналистики, сухих технических описаний и публикаций таких товарищей, как Нил Гадер, Гарри Пирсон, Роберт Грин. Как и в предыдущем материале, я старался отыскать основные характеристики и принципиальные схемы этих устройств, а также цены (на момент производства), о которых нередко умалчивают современные авторы.

Futterman H3 OTL – нужно просто выбросить выходной трансформатор

Начнём по традиции с самой «тёплой» в ламповом отношении эпохи, с 50-х в США, где в губернском городе Нью-Йорке, изобретатель Юлиус Футтерман (Julius Futterman) разработал один из наиболее оригинальных ламповых усилителей своего времени. В 1954-м на свет появился ламповый УМЗЧ Futterman H3 OTL, особенностью которого стало отсутствие выходного трансформатора.


В оригинальной схемотехнике усилителя Футтермана катодный резистор фазоинвертора соединялся не с землей, а с выходом усилителя. 100%-ная ООС катодного повторителя Futterman H3 OTL компенсировалась 100%-ной ПОС через катодный резистор фазоинвертора. Интересно, что уникальную для того времени (и высоко оцененную потомками) схему разработал не профессиональный инженер, а радиолюбитель-самоучка.


Причиной необходимости в оригинальном решении было то, что около 30-35 % себестоимости ламповых усилителей тех лет приходилась на выходной трансформатор. Что было крайне существенным фактором, учитывая, что первые усилители производились вручную.


Благодаря конструкторскому решению цена усилителя стала немногим выше стоимости наборов для самостоятельной сборки и составила около $ 180 – 200, что сегодня с учетом инфляции является эквивалентом $ 1600 — 1800. Помимо существенного удешевления продукта инновация избавила УМЗЧ от (так любимой некоторыми аудиофилами и гитаристами) характерной «тёплой» окраски звука.


Следует отметить, что сравнительно небольшая стоимость усилителя соседствовала с почти уникальными для того времени характеристиками.

Судите сами:

• Диапазон воспроизводимых частот: 7 Гц (!) до 55 кГц
• RMS: 90 Вт
• IMD: 0,1 % (1 Вт, 1 Ом)
• Коэффициент гармоник: 0,1%
• Выходное сопротивление: 0,6 Ом

Интересно, что идеальной акустической системой для работы с этим усилителем считались электростатические колонки Quad ESL 57, созданные в 1957 году.



Футтерман запатентовал устройство, а лицензии продал нескольким американским компаниям в 1961-м году. Лицензионные усилители по схеме Футермана производились до начала 70-х годов и стоили значительно дороже оригинала. На протяжении 60-х и 70-х изобретатель совершенствовал схемотехнику ламповых усилителей.

В 1984 году, уже после смерти Футермана, компанией New York Audio Labs был выпущен, разработанный при его участии, один из самых дорогих усилителей своего времени (для электростатических акустических систем), стоявший $12 000 (около $26 000 сегодня с учетом инфляции). Среди сравнительно свежих разработок, использующих наследие Футтермана, можно выделить оригинальное устройство итальянца Андреа Циуффоли (схема приведена ниже).

Heathkit amps — DIY для меломана и музыканта

Heathkit — одни из передовиков ламповых конструкторов для любителей канифольной дымки. Компания, основанная в 40-е, приобрела популярность в 60-е, на волне интереса к самостоятельной сборке устройств. Фактически все продукты компании стали культовыми в среде людей увлеченных DIY. В отличие от Dynaco, Heathkit создавали многоцелевые конструкторы, с различными наборами шасси и радиодеталей.


Комплекты и модели менялись достаточно часто, что также существенно рознит эти устройства с «макинтошем для бедных». Пик популярности наборов Heathkit приходится на середину 60-х, когда приобретение качественного усилителя предполагало затраты сравнимые со стоимостью среднего автомобиля.


Все деревянные детали (набор ручек, шасси и т.п.) входили в базовую комплектацию. Гитарные варианты heathkit иногда предполагали включение дополнительных бонусов: излучателей и деталей корпуса для создания комбо. Интересно, что для создания гитарных наборов компания активно применяла транзисторные схемы. Такой подход был не слишком популярен в 60-х (теплый ламповый тренд в гитарном усилении был силён), но позволял приобрести дешевое гитарное оборудование небогатым начинающим музыкантам.


В зависимости от назначения устройства, пользователь волен был выбрать тот или иной комплект. Например, были наборы для гитарного усиления, воспроизведения музыки, в том или ином наборе разнилась мощность УМЗЧ. Характеристики устройства приводить смысла не имеет, так как они разнятся в зависимости от конкретной модели, при этом подавляющее большинство авторов сходятся на том, что эти усилители вполне соответствовали HI-fi классу, а гитарные комбо Heathkit составляли конкуренцию аналогичным моделям Fender и VOX того периода.

Класс D: КПД vs искажения

Легендарными в среде инженеров считаются усилители класса D, попытки создать которые начались ещё в 50-х. Сама идея УМЗЧ с импульсным управлением, выходными лампами приписывается 2-м авторам, нашему соотечественнику Дмитрию Васильевичу Агееву (1951 год) и Алеку Ривзу из Соединенного Королевства (1951 год). Однако, говорить о том, что инновационные концепции смелых инженеров мгновенно стали широко востребованными на рынке не приходится.


Д.В. Агеев

Внезапно начавшаяся эра транзисторов для попыток создания годного УМЗЧ class D не привела к ожидаемым результатам. «Принцип неисчерпаемых возможностей КПД», заложенный советским инженером Агеевым и его британским коллегой, долгое время оказывался неприступным даже для специалистов таких компаний как SONY, PHILIPS, Marantz, Matsusita Electric. Вплоть до 80-х ничего прилично звучащего и коммерчески успешного в классе D создать не удавалось. Ситуация поменялась к середине 80-х, когда на рынке радиодеталей появились МДП-транзисторы.

Известно, что в режиме D импульс приобретает почти прямоугольную форму, так как транзистор либо заперт, либо открыт. А сопротивление открытого канала современных силовых МПД-транзисторов совсем небольшое (от единиц до десятков миллиОм). Благодаря этому, построенный на основании этих элементов усилитель класса D способен работать практически без потерь мощности. КПД таких усилителей класса D составляет около 90 — 95 %.

Не смотря на ограниченную популярность, усилители D-класса того времени тоже нельзя назвать сверхмассовым продуктом. Для потребителя концепция класса D успела утратить привлекательность к концу 80-х, главным образом в связи с неудачами их несовершенных предшественников.

Как повествует Википедия, основными проблемами усилителей класса D были и, в какой-то степени, остаются:

…но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя…

Пожалуй, самым заметным представителем класса D стал один из первых цифровых усилителей, дотягивающих до показателей HI-FI — Tripath TA2020, серийное производство которого было запущено в 1999 году. Дело в том, что, в связи с неизбежной необходимостью в устранении искажений, принцип аналоговой модуляции оказался малопривлекательным.

В ранних проектах усилителей класса D низкочастотные помехи свободно проходили с питающих шин на выход, что вынуждало использовать нелинейную модуляцию и дельта-сигма модуляцию для их устранения. Последнее приводило к неизбежному росту частоты переключения и снижению КПД. Логичным выходом стало применение цифровых схем, уменьшавших частоту переключения.

Некоторые инженеры ставят под сомнение заявленные характеристики Tripath TA2020 и их соответствие стандартам HI-FI. Предлагаю читателям самим оценить показатели качества на примере 20-ти ваттного усилителя для авто, созданного на базе TA2020:

• RMS: 2 х 20 Вт 4ohm, 2x12 Вт 8ohm
• Соотношение сигнал-шум (SNR): 98дб
• Динамический диапазон: 98дб
• IMD: 0.1% 1 Вт, 4ohm
• THD: 0.03% 9 Вт, 4ohm, 0.1% — 10 Вт ом, 0.1% — 6 Вт 8ohm, 10% — 23 Вт ом, 10% 13 — Вт 8ohm
• Энергоэффективность: 81% 20 Вт, ом, 88% 12 Вт, 8ohm
• Чувствительность входа: 200mV

И всё это счастье при цене от $20 до 60.

Микросхема, на основе которой создан усилитель, была внесена в список «25 микросхем, которые потрясли мир» по версии журнала IEEE Spectrum.


Компания Tripath, выпустившая инновационный усилитель, с целью привлечения внимания к продукту придумала даже новый класс, объявив свое устройство усилителем класса T (хотя принцип работы девайса соответствовал классу D).


Несмотря на маркетинговые усилия,«креативы» с классификацией, Tripath не выдержали конкуренции с более мощными игроками и исчезли с рынка в 2007-м году. Бесславный и тихий конец этой компании никак не умаляет заслуг разработчиков, которые создали, вероятно, единственный действительно легендарный усилитель класса D.

To be continued

Собственно, на этом пока всё, искренне надеюсь, что вам понравилось. В этом цикле планируем ещё 2 материала. Анонсирую моголамповых хайэнд монстров, современные гибридные разработки, и, возможно, сказку об идеальном усилителе.