Эта статья посвящена аудиоусилителям мощности, в которых используется особый тип транзисторов, изначально известный как VFET, а теперь чаще называемый транзистором со статической индукцией (SIT). В 1960-х годах кремниевые транзисторы начали заменять лампы в усилителях мощности, будучи более удобными по целому ряду параметров. Транзисторы были меньше, дешевле и эффективнее. В то же время существовали некоторые претензии к их звуковым характеристикам по сравнению с лампами, и предпринимались попытки придать транзисторам более “триодный” характер звучания. Подобные попытки и дискуссии о них продолжаются и по сей день. В 1972 году Джуничи Нишизава подал заявку на патент США, в которой описал особый тип полевого транзистора JFET (Junction Field Effect Transistor), где характеристика “ток стока – напряжение стока” очень близко имитирует характеристику “ток анода – напряжение анода” триодной вакуумной лампы.
Усилители на транзисторах VFET были выпущены компаниями Sony и Yamaha в 1975-1980 годах. Эти усилители ценятся за исключительное звучание, что, как правило, приписывается к линейности VFET-транзисторов. В то время они назывались VFET, поскольку имеют вертикальную, а не боковую структуру. Последующее изобретение и доминирование вертикальных MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Effect) транзисторов с вертикальной структурой MOSFET ввели в заблуждение, поэтому теперь их принято называть статическими индукционными транзисторами (SIT).
Эти транзисторы также были исключительно быстрыми в качестве переключателей, и в 1976 году компания Sony выпустила раннюю версию аудиоусилителя класса D – TA-N88. К 1980 году Sony и Yamaha прекратили производство усилителей на VFET транзисторах. Различные причины, наиболее вероятной из которых является то, что производство было слишком дорогим, чтобы конкурировать с более дешевыми вертикальными МОП-транзисторами, появившимися на рынке.
Почему именно VFET?
Все дело в кривых. Свойства устройства усиления часто описываются линиями на двумерном графике. Для лампы это может быть график зависимости силы тока, проходящего от пластины к катоду в зависимости от напряжения между сеткой и катодом. Вот пример для мощного триода:
По вертикальной оси откладывается ток в миллиамперах, а по горизонтальной – напряжение от пластины до катода. Разноцветные линии показывают, как изменяется ток через трубку в зависимости от напряжения для одиннадцати примеров с фиксированным значением напряжения на сетке и катоде от 0 до -100 Вольт.
На этих кривых видно, что ток через прибор зависит как от напряжения на приборе, так и от напряжения на катоде. Если вы изменяете напряжение, то кажущееся сопротивление триода изменяется, и ток через лампу протекает пропорционально напряжению на пластине и катоде. Таким образом, кривая триода контрастирует с кривой типичного МОП-транзистора:
Здесь мы видим кривые зависимости тока, причем каждая цветная линия отражает разное напряжение на выводах Gate – Source. Видно, что линии сглажены. Ток через МОП-транзистор от стока к истоку в меньшей степени зависит от напряжения сток-исток и устройство является источником тока, управляемым напряжением. Ток через прибор в основном зависит от напряжения на затворе и истоке.
Вы найдете множество усилителей, использующих МОП-транзисторы, точно так же, как и множество усилителей, использующих биполярные транзисторы, характеристики которых имеют некоторое сходство с FET, за исключением того, что они в основном управляются током, а не напряжением.
Существуют также лампы, очень похожие на МОП-транзисторы – они называются пентодами. Чтобы сократить путаницу, которая может возникнуть у читателя, я просто скажу, что каждый из этих типов устройств имеет свой тип кривой, и каждый тип кривой имеет тенденцию к возникновению характерного звучания. Кроме того, каждый тип может быть использован различными способами, что дает очень богатое разнообразие.
Аудиофилы, как правило, имеют свое мнение о субъективных качествах этих устройств и схем. Значительное меньшинство аудиофилов отдает предпочтение звучанию ламповых усилителей, и многие из них предпочитают звучание триодов.
Хотя предпринимались попытки сделать транзисторы, управляемые напряжением и током, звучат они как триоды, наиболее прямым способом является использование устройства который изначально обладает такой характеристикой. Они называются VFET или SIT.
Я заинтересовался использованием SIT-транзисторов несколько лет назад в разговоре с Джеффом Касади из компании “Semi-South”, который упомянул, что они могут изготовить на заказ SIT-транзисторы, выполненные из карбида кремния. Через несколько месяцев я стал счастливым обладателем нескольких таких транзисторов с моим именем и начал работать с маломощными прототипами усилителей, которые были изготовлены из карбида кремния и работали в одностороннем режиме класса А.
Кто-то указал мне на компанию www.circuitdiy.com в Сингапуре, которая располагала запасами VFET-транзисторов от Sony, оставшихся с 1970-х годов. Я приобрел несколько коробок с VFET-транзисторами 2SK82 и 2SJ28. Вот кривая для VFET Sony 2SK82, показывающая его резистивный характер, управляемый напряжением на графике, который удобно располагается в диапазоне, пригодном для управления средней акустической системой, чего не могут сделать лампы:
Еще одна особенность ламп – отсутствие зеркального отображения. Пластина всегда положительна по отношению к катоду. Вот фотография пары таких комплементарных транзисторов Sony 2SK82 и 2SJ28, часть запасов, пролежавших на полке последние сорок лет:
Я начал работать и с этими транзисторами, и первым результатом стал усилитель, представленный в 2013 году на фестивале Burning Amp в Сан-Франциско. Это была схема класса А, состоящая всего из трех деталей: по одному транзистору 2SK82 и 2SJ28, а также небольшой соединительный элемент Jensen (при этом не учитывались источники питания). Она выдавала 20 Вт при достаточно хорошем усилении и низком уровне искажений и без обратной связи. Мне сказали, что усилитель звучал очень хорошо.
Имея ограниченный запас деталей, мне пришло в голову, что наилучшим вариантом их использования было бы сделать современную версию мощного VFET-усилителя в память об их появлении, 50 лет назад.
Воспользовавшись колонками Sony AR-1 на выставке CES, было решено, что усилитель должен быть подобран к ним, так и начался этот проект. Он был не простым, так как колонки AR-1 являются нагрузкой, требующей достаточно высокой мощности и контроля.
Искажения довольно хороши при напряжении питания 25 В и мощности около 25 Вт на канал. Чтобы получить гораздо большую мощность, необходимо использовать большее количество транзисторов, работающих параллельно в двух сбалансированных каскадах. В итоге я использовал 24 транзистора. Мы поместили их в корпус с большими радиаторами и крупными регуляторами источниками питания с классическим каскадом усиления напряжения на передней панели.
Упрощенная схема одного канала:
Вы можете видеть две сбалансированные половины усилителя, что обеспечивает симметрию между плюсовой и минусовой шиной питания. Усилитель спроектирован с достаточным коэффициентом усиления в разомкнутой петле, чтобы около 10 дБ оставалось для обратной связи по выходному каскаду. Входные JFET-транзисторы я подключил без размагничивающих резисторов между комплементарными парами в соответствии с акцентом на “квадратичный” характер деталей и для максимизации их тока смещения. Они каскадированы биполярными транзисторами Toshiba с фиксированными опорными токами. Входные JFET и усиливающие напряжение MOSFET являются “старыми добрыми” деталями Toshiba, оставшимися после снятия их с производства. МОП-транзисторы второго каскада работают на относительно больших токах смещения, чтобы адекватно управлять емкостью параллельно включенных приборов. Передний фронт имеет полосу пропускания 100 кГц и выходной импеданс около 600 Ом. Искажения, возникающие в выходном каскаде на более высоких частотах, отражают нелинейную емкость выходных устройств, а не изменение обратной связи. Схема имеет связь по постоянному току и не имеет компенсирующего конденсатора.
Поскольку VFET по своей природе является резистором, управляемым напряжением, наилучшие характеристики достигаются при использовании регулируемых источников питания, для чего мы используем 8 силовых MOSFET транзисторов для стабилизации и фильтрации питающих шин. Преимуществом регулируемого источника питания является возможность медленного повышения напряжения на шинах, что дает время для стабилизации цепей смещения. SIT-транзисторы, как и лампы, “нормально включены”, что означает, что вместо того, чтобы побуждать их к проведению тока, мы должны подавать напряжение для их “сдерживания”, и оно должно быть на месте, когда выходной каскад получает доступ к питанию. Этот усилитель имеет смещение около 6 А и потребляет около 400 Вт от сети в режиме холостого хода. Выходной каскад выходит из класса А при пиковой мощности около 8 А, что достаточно для получения пиковой мощности около 250 Вт на нагрузку 4 Ом.
Кривая искажений при нагрузке 8 Ом:
Кривая искажений при нагрузке 4 Ом:
Зависимость искажений от частоты, показывающая влияние нелинейности выходного каскада:
АЧХ:
Коэффициент демпфирования усилителя составляет 60, что соответствует выходному импеданс около 0,13 Ом. Шум составляет около 40 мкВ в диапазоне 20-20000 Гц. Коэффициент усиления переключается на 20 дБ, 26 дБ или 30 дБ. Входы могут работать как в балансном, так и в однополярном режиме. Мы провели окончательную субъективную настройку усилителей на акустических системах Sony AR-1 и остались очень довольны – они звучат великолепно. Вот фотография конечного результата со снятой крышкой:
Литература:
- Warner, Raymond (1965). U.S. Patent #3,359,503
- Nishizawa et al (1972). U.S. Patent #3,828,230, “Field Effect Semiconductor Device Having An Unsaturated Triode Vacuum Tube Characteristic”
- Hishashi Suwa, et al (1975) “Vertical Field Effect Transistor and its Application to High Fidelity Audio Amplifiers”, presented at 51st AES Convention
- www.thevintageknob.org (entries under Sony TAN-5550)
- Tadao Suzuki, “Application of Vertical FET for Pulse Width Modulation Audio Power Amplifier”, presented at 55th AES Convention
- www.thevintageknob.org (entries under Sony TA-N88)
Нельсон Пасс, 2013 (перевод ldsound.info, 2023)
