Amplificatorul Williamson este un amplificator de putere de frecvență audio cu tuburi push- pul în patru trepte (UMZCH), dezvoltat în timpul celui de -al Doilea Război Mondial de Theo Williamson . Cu o putere de ieșire modestă de 15 W și o eficiență scăzută, chiar și în conformitate cu standardele echipamentelor cu tuburi, amplificatorul Williamson s-a diferențiat de concurentul UMZCH printr-un nivel scăzut de distorsiune neliniară și de intermodulație , un răspuns uniform amplitudine-frecvență peste tot. întreaga gamă de frecvență audio și amortizarea eficientă a sistemelor acustice ( factor de amortizare ridicat ( Factor de amortizare )). Publicat în 1947 și destinat să fie repetat de către operatorii de radio amatori, designul a stabilit standardul pentru reproducerea sunetului de înaltă fidelitate și a devenit un model pentru circuitele tubulare la sfârșitul anilor 1940 și 1950 [1] [2] .
Schematic, amplificatorul Williamson a repetat circuitul „amplificator de înaltă calitate” al lui Cocking , cunoscut din 1934 , suplimentat de un circuit comun de feedback negativ (CNF) și o etapă de intrare de amplificare a erorii . Caracteristicile înalte ale amplificatorului au fost asigurate de OOS profund , comutarea triodă a tetrodelor fasciculului de ieșire , moduri de funcționare ale lămpii selectate conservator și utilizarea unui transformator de ieșire cu o lățime de bandă neobișnuit de mare pentru timpul său .
Partea inversă a avantajelor amplificatorului Williamson a fost calitatea exactă a componentelor utilizate și tendința de autoexcitare la frecvențele infrasonice și ultrasonice . Marja de stabilitate a amplificatorului a fost prea mică și a fost aproape imposibil să o măriți în cadrul unei scheme în patru etape. Designerii anilor 1950 au creat multe versiuni îmbunătățite ale amplificatorului Williamson , dar nu au putut corecta defectele fundamentale ale acestuia. La mijlocul anilor 1950, producătorii de serie UMZCH au abandonat circuitul Williamson în favoarea treptelor de ieșire ultra-liniare mai puternice și a circuitelor mai stabile în trei trepte .
În 1925, Edward Kellogg a publicat prima metodă practică de calcul a treptelor de ieșire ale UMZCH pe triode și justificarea ei teoretică [4] . Potrivit lui Kellogg, nivelul admisibil de distorsiune neliniară în UMZCH ar putea ajunge la 5% - cu condiția ca nivelul de distorsiune să crească fără probleme, iar spectrul lor să conțină în principal armonicile inferioare ale semnalului amplificat [4] . Limita propusă de Kellogg a devenit standardul de facto pentru designerii perioadei interbelice [4] . Principalul client și consumator al celui mai puternic UMZCH la acea vreme era cinematograful sonor [4] ; Distribuitorii au fost pe deplin mulțumiți de amplificatoarele primitive push-pull bazate pe triode încălzite direct cu conexiuni interetajate de transformator, care funcționează în modul economic B [4] . Aparatele de sunet cu triodă de vârf de la Western Electric 300A și 300B au fost rare și au rămas, de asemenea, în standardul de 5% [4] .
La începutul anilor 1930, designerii companiilor RCA și Western Electric au reușit să îmbunătățească de mai multe ori caracteristicile căilor de reproducere a sunetului și au atins un nivel de înaltă fidelitate în condiții de laborator , dar aceste dezvoltări nu au intrat în serie [5] . Marea Depresiune , cel de-al Doilea Război Mondial și boom-ul postbelic al televiziunii au întârziat pentru mult timp introducerea noilor tehnologii [5] . La mijlocul anilor 1930, în rândul profesioniștilor, s-a stabilit opinia că îmbunătățirea amplificatoarelor și a sistemelor acustice a fost inutilă până când noile purtători de sunet de înaltă calitate au înlocuit fonogramele optice și înregistrările shellac [6] .
Dezvoltarea echipamentelor în serie s-a oprit, iar radioamatorii, nemulțumiți de calitatea acestuia, au încercat să obțină singuri o înaltă fidelitate. Americanii au experimentat cu trepte de iesire pe cele mai recente tetrode cu fascicul . Australienii au preferat circuitele tradiționale push-pull triode cu transformatoare complexe și costisitoare între trepte [7] . Școala britanică de designeri, condusă de Walter Cocking, a gravitat către amplificatoare cu triodă push-pull în modul A cu cuplare capacitivă între trepte [4] [8] . Transformatoarele interetajate au fost considerate nedorite, deoarece au restrâns lățimea de bandă și au înrăutățit răspunsul tranzitoriu al amplificatorului în regiunea de frecvență mai mare [4] . Tetrodele și pentodele au fost respinse deoarece introduceau mai multă distorsiune neliniară în semnal și aveau mai multă rezistență internă decât triodele, ceea ce a exacerbat rezonanța principală a difuzoarelor [4] [9] . Designerul UMZCH, a susținut Cocking, trebuie să minimizeze simultan atât frecvența , cât și faza și amplitudinea semnalului [4] [10] .
În 1934, Cocking a publicat prima versiune a „amplificatorului său de înaltă calitate” ( în engleză: Wireless World Quality Amplifier ). Fără a utiliza un feedback comun , Cocking a reușit să aducă coeficientul de distorsiune neliniară al UMZCH la 2 ... 3%; Circuitele NFB, care acoperă etapele de ieșire și pre-ieșire (dar nu și transformatorul de ieșire), au apărut în lucrările sale abia în 1943, în „amplificatorul de război” [com. 1] pe tetrodele cu fascicul american 6V6 [12] [comm. 2] . Extrem de succes pentru vremea sa, UMZCH de la Cocking a devenit precursorul tuturor circuitelor de sunet britanice din epoca tuburilor, inclusiv amplificatorul Williamson [4] .
În 1939, Theo Williamson, în vârstă de șaisprezece ani, și-a asamblat primul amplificator push-pull [13] . În același an, Williamson a intrat la Universitatea din Edinburgh , iar în primăvara anului 1943, în plină desfășurare a războiului , Theo, în vârstă de douăzeci de ani, a picat examenul de matematică și a fost exclus din al treilea an pentru progres slab [14] . O încercare de a obține un loc de muncă la Institutul secret pentru Comunicații pe Distanță Lungă , care a dezvoltat stații radar , s-a dovedit a fi un eșec: șeful personalului institutului , C.P. Snow , a considerat candidatul incapabil de muncă de cercetare [ 14] . Slab din punct de vedere fizic, bolnav din copilărie de tuberculoză , Williamson nu a fost supus recrutării în armata activă [15] , iar autoritățile militare i-au găsit un loc de muncă ca tester pentru tuburi radio la valva Marconi-Osram [16] [ 14] . Dezvoltarea și producția de lămpi Williamson nu a fost atractivă; în aprilie 1944 s-a mutat la laboratorul de circuit Marconi [14] . Cu cunoștințele șefului de laborator, Williamson a lucrat pe cont propriu, proiecte amatoare în dezvoltarea de amplificatoare și pickup -uri în timpul său liber ; aici în cursul anului 1944 a creat amplificatorul, care a primit numele [14] .
Urmând ideile lui Cocking [1] , Williamson și-a construit propriul său sistem de cerințe mult mai strict pentru UMZCH:
După analizarea configurațiilor cunoscute ale treptelor de ieșire, Williamson, urmând Cocking [8] , a ajuns la concluzia că doar o etapă de ieșire push-pull pe triode care funcționează în modul A [20] [1] satisface această cerință . În acest caz, spre deosebire de schema Cocking, amplificatorul trebuie acoperit de un OOS total cu o adâncime de 20 ... 30 dB [20] [1] . Tipic pentru toate circuitele cu feedback profund [21] limitarea dură a semnalului de ieșire atunci când semnalul de intrare atinge „tavanul” [comm. 3] Williamson nu era jenat. Dimpotrivă, scria el, aceasta ar trebui depusă eforturi pentru a linealiza caracteristica de transfer la puteri medii și mari [19] . Caracteristica de tăiere moale a „ sunetului tub ” [21] a fost considerată nedorită de Williamson [19] .
Conform teoriei , un amplificator cu caracteristicile date de Williamson ar fi garantat a fi stabil atunci când lățimea de bandă a transformatorului său era de cel puțin 2,5 ... 160.000 Hz [22] . Dându-și seama de dificultatea creării unui astfel de transformator de bandă largă, Williamson a fost nevoit să reducă marja de stabilitate; conform calculelor sale, amplificatorul ar rămâne stabil chiar și atunci când lățimea de bandă a transformatorului era „doar” 3,3 ... 60000 Hz cu o defazare de cel mult 90 ° [3] [1] . Când se utilizează lămpi de ieșire cu rezistență internă scăzută (2 ... 2,5 kΩ), inductanța [comm. 4] înfășurarea primară a unui astfel de transformator ar fi trebuit să fie de cel puțin 100 H , iar inductanța de scurgere - nu mai mult de 33 mH fiecare [3] . Marea majoritate a transformatoarelor de ieșire din acea vreme nu îndeplineau aceste cerințe; Transformatoarele Williamson s-au dovedit a fi mult mai masive, mai complexe și mai scumpe decât cele convenționale [24] - și în același timp au oferit doar o marjă de siguranță abia suficientă [25] . O marjă mai mare de siguranță, a scris Williamson, ar putea fi obținută doar prin înmulțirea inductanței înfășurării primare, care era practic de neatins în anii 1940 [25] .
Dintr-un set slab de lămpi de război, trioda cu filament direct PX25 a îndeplinit cerințele lui Williamson [comm. 5] și o tetrodă cu fascicul de încălzire indirectă KT66 într-o incluziune triodă [27] . Prima mostră a amplificatorului său Williamson asamblată pe binecunoscutul, produs din 1932 [26] PX25 [28] . Lămpile acestei generații erau deja considerate învechite; la sfârșitul anilor 1930, acestea au fost înlocuite cu tetrode fascicule mai economice, dar mai puțin armonioase [28] . În a doua probă de amplificator, Williamson a folosit tetrode cu fascicul KT66; după mici modificări, a reușit să obțină aceleași performanțe ridicate de la KT66 inclus în modul triodă [28] . Distorsiunile neliniare ale amplificatorului pe o pereche de KT66 nu au depășit 0,1%, puterea de ieșire a ajuns la 20 W [28] [comm. 6] .
La sfârșitul anului 1944, experimentele lui Williamson i-au interesat pe directorii tehnici ai Marconi și ai casei de discuri Decca . Primul a furnizat lui Williamson echipamente de laborator, cel de-al doilea a furnizat prototipuri unice de înregistrări înregistrate folosind cel mai recent sistem Decca ffrr de bandă largă [30] . Înregistrările de test, care erau de calitate superioară tuturor purtătorilor de sunet disponibile la acea vreme, l-au ajutat pe Williamson la reglarea fină a amplificatorului și l-au convins în cele din urmă de corectitudinea abordării alese [28] . Dar nici Marconi, nici partenerul său de afaceri GEC [comm. 7] nu urmau să producă în masă amplificatorul Williamson; totul se limita la rapoarte pentru uz oficial [30] [14] [31] . Designul, înaintea timpului său, nu prezenta niciun interes nici măcar pentru avocații companiei: nu era nimic în el care să se califice pentru un brevet [28] . Williamson a reunit doar soluții tehnice cunoscute de mult timp [1] .
Amplificatorul Williamson este un tub push-pull triodă cu patru trepte construit în jurul unui transformator de ieșire de înaltă calitate, în bandă largă [34] . A doua ( divizor de fază pe trioda V1B), a treia ( driver de pre-ieșire , V2A și V2B) și a patra (ieșire, V3 și V4) repetă circuitul amplificatorului Cocking. O etapă de intrare triodă suplimentară V1A ( amplificator de eroare ) compensează pierderea de câștig introdusă de feedback-ul comun [35] .
Anodul etajului de intrare și grila inversorului de fază sunt conectate galvanic între ele - această soluție, cunoscută din 1940, era încă rară în 1947 [36] . Designerii americani l-au perceput ca pe o noutate la începutul anilor 1950 [36] [37] . Invertorul de fază, driverul și treapta de ieșire sunt conectate prin cuplaje capacitive . Lucrând pentru liniarizarea maximă posibilă a fiecărei etape, Williamson (precum Cocking) nu a folosit în mod fundamental condensatori în circuitele catodice [38] . În circuitul original nu există condensatori electrolitici : filtrul de netezire a sursei de alimentare este realizat pe bobine și condensatoare de hârtie de capacitate mică [38] .
Punctul de funcționare al fiecărei etape este optimizat pentru un minim de distorsiuni neliniare cu o marjă de suprasarcină suficientă [35] . Etapa de ieșire polarizată la modul pur A ; în practică, era de obicei construit pe lămpi ecranate într-o conexiune triodă. Când utilizați lămpi KT66 sau 807, puterea de ieșire a amplificatorului cu o sursă de alimentare standard a fost de 15 wați. Pentru a obține puteri mai mari, a scris Williamson, este necesar să se folosească o etapă de ieșire cu lămpi conectate în paralel; într-un articol din 1947, el a menționat construcția unui model experimental de șaptezeci de wați, dar nu a oferit detalii despre acest proiect [39] .
Bucla de feedback negativ acoperă toate cele patru trepte și transformatorul de ieșire – care, conform autorilor American Radio Engineering Handbook din 1959 , a fost „ un test sever de proiectare ”, căruia Williamson a rezistat cu măiestrie [40] . Adâncimea feedback-ului este de 20 dB; Williamson credea că adâncimea FOS ar putea fi cu ușurință adusă la 30 dB [41] , dar el nu vedea niciun sens practic în acest lucru [42] .
Divizorul de tensiune de feedback este conectat direct la înfășurarea secundară a transformatorului, astfel încât adâncimea reală a feedback-ului depinde de rezistența de sarcină. Pentru ca acesta să fie de 20 dB necesar, rezistența brațului superior al separatorului trebuie ajustată la rezistența la sarcină [41] . Divizorul de tensiune este pur rezistiv , fără legături dependente de frecvență. Deviația divizorului cu un condensator, a scris Williamson, ar putea fi practică doar dacă s-a folosit un transformator de proastă calitate; dacă transformatorul îndeplinește specificația Williamson, atunci condensatorul din circuitul CFO este inutil [43] . Toate circuitele de corecție a frecvenței ale amplificatorului sunt concentrate în primele două etape. Filtrele RC ale sursei de alimentare anodice a acestor cascade corectează simultan răspunsul în frecvență în regiunea de infra-frecvență joasă. Filtrul RC anod din prima etapă, introdus de Williamson în 1949, îngustează lățimea de bandă a amplificatorului de sus, prevenind autoexcitarea la frecvențele ultrasonice [1] .
Potrivit lui Williamson însuși, puterea nominală de ieșire a amplificatorului său din 1947 era de 15 wați [39] . Coeficientul de distorsiune neliniară (THD) al unui semnal sinusoidal cu o frecvență de 400 Hz la o putere nominală de ieșire nu a depășit 0,1% [39] , factorul de amortizare a fost de aproximativ 30 (impedanța de ieșire 0,5 ohmi la o rezistență nominală de sarcină ). de 15 ohmi) [39] . Neuniformitatea răspunsului în frecvență în domeniul de frecvență 10…20000 Hz nu a depășit ± 0,1 Hz; în regiunea ultrasonică s-a observat o scădere vizibilă a răspunsului în frecvență (-2,6 dB) doar la frecvența de rezonanță a transformatorului (aproximativ 60 kHz) [39] . Dependența SOI de frecvența semnalului și compoziția armonică a distorsiunilor neliniare nu au fost dezvăluite în lucrările lui Williamson; dependența SOI de nivelul semnalului este descrisă doar calitativ [39] . Distorsiunea de intermodulație a amplificatorului , a scris Williamson, nu a fost detectată de echipamentul disponibil și nu a fost audibilă [39] .
Rezultate de măsurare mai detaliate - atât la o sarcină falsă pur activă , cât și la conectarea unui difuzor real într-o carcasă bass- reflex - au fost date în lucrarea lui Astor și Langford-Smith 1947 [44] . Potrivit australienilor care folosesc 807 tuburi cu aceeași putere nominală de ieșire de 15 ... 16 W în treapta de ieșire, câștigul amplificatorului a rămas neschimbat până la o putere de ieșire de 11,1 W; cu o buclă deschisă NFB, o scădere lină a câștigului a început la o putere de ieșire de 7 W [45] . În spectrul de distorsiune al semnalului de 400 Hz dominau armonicile a treia și a cincea, cu o pondere semnificativă (dar imperceptibilă după ureche) a armonicii a doua [45] . La o putere de ieșire de 0...3 W nu au fost detectate armonici impare; la o putere de ieșire de 4...10 W a fost detectată doar a treia armonică (0,01...0,015%) [45] . La aproximativ 11 W, a început o creștere bruscă a nivelului armonicilor pare și impare - până la 1,5% în total la o putere de ieșire de 17 W [45] . În conformitate exactă cu teoria, frecvențele din vecinătatea rezonanței principale a difuzorului (45 Hz) și cele aflate sub acesta au fost cele mai susceptibile la distorsiuni; la frecvențe de 100…1000 Hz, distorsiunile au fost minime, iar peste 1 kHz au crescut treptat [45] .
În februarie 1946, Williamson, nemaifiind obligat de obligații de război, a părăsit Marconi și a plecat să lucreze pentru filiala Ferranti din Edinburgh [47] . Câteva luni mai târziu, raportul său uitat a intrat în atenția departamentului de vânzări Marconi [48] [14] . Oamenii de afaceri care caută noi modalități de a promova tuburile pe piața civilă au prezentat raportul lui Williamson pentru publicare în revista populară Wireless World redactorul-șef, care îl cunoștea pe Williamson din munca sa anterioară, l-a contactat pe designer și i-a comandat un articol cu drepturi depline, detaliat [48] [14] . Din motive necunoscute, publicația convenită în cursul anului 1946 a fost amânată de mai multe ori; Articolul lui Williamson nu a apărut decât în numărul din aprilie 1947 al revistei Wireless World [48] [14] .
Spre surprinderea tuturor celor implicați, noutatea a avut un succes extraordinar [1] . Publicarea a coincis cu reluarea difuzării de televiziune , lansarea primelor înregistrări în bandă largă [comm. 8] , primele publicații despre magnetofonele germane capturate și începutul difuzării radio cu frecvență modulată [com. 9] ; în curând a început și lansarea de discuri de lungă durată . Caracteristicile celui mai bun ULF disponibil in 1947 ( latime de banda de aproximativ 40...10000 Hz cu THD de aproximativ 1...2%) nu au permis dezvaluirea potentialului noilor formate; pe piața de consum, a existat încă o cerere nesatisfăcută pentru echipamente de uz casnic de înaltă fidelitate [50] . În același timp, o masă de componente electronice ieftine din depozitele militare au intrat pe piața civilă - inclusiv tetrodele puternice 6L6 și 807 [51] . Mii de amatori au început să copieze designul lui Williamson; ca răspuns la solicitările lor, producătorii de transformatoare și șasiuri au început să producă componente în masă conform specificațiilor lui Williamson [52] .
Deja în august-septembrie 1947, australienii Astor și Langford-Smith au adaptat circuitul lui Williamson pentru trioda dublă 6SN7 și tetroda fasciculului de ieșire 807, iar puțin mai târziu - pentru tetroda fasciculului 6L6 [53] . Revistele britanice și australiene au acordat în unanimitate circuitului evaluări excelente: „acesta este cel mai bun amplificator pe care l-am testat vreodată, cu o marjă largă [de la analogi]” [54] , „un amplificator care va îngropa toate celelalte amplificatoare” [46] , ” culmea absolută a muzicii cu reproducere naturală” [55] și așa mai departe. Americanii au acceptat noutatea cu o întârziere de doi ani: primele articole detaliate și la fel de entuziaste despre amplificatorul Williamson au apărut în SUA abia în a doua jumătate a anului 1949 [56] [55] [37] . Până la sfârșitul anului 1949, schema lui Williamson devenise deja modelul de rol recunoscut pe care se bazau toate proiectele de feedback general derivate [1] . Companiile americane nu numai că au adaptat circuitul pentru a se potrivi cu componentele disponibile în SUA, dar au început și să importe tuburi britanice KT66 și transformatoare Williamson, stabilind astfel piața americană pentru Hi-Fi britanic [52] .
Amploarea „creativității” amatorilor și abundența publicațiilor adresate amatorilor aveau o explicație economică simplă [57] . Echipamentul fabricii din primii ani postbelici era prea scump; auto-asamblarea amplificatorului a economisit o cantitate semnificativă [57] . Numărul de amplificatoare Williamson de casă este estimat la cel puțin sute de mii de copii [14] ; în anii 1950 au dominat absolut practica amatorilor în țările de limbă engleză [58] . Momentul sunetului stereofonic nu a venit încă: aproape toate amplificatoarele de casă care au supraviețuit sunt monofonice, fiecare dintre ele diferă de omologii săi prin mici detalii, calitatea construcției este de obicei inferioară produselor de serie [58] . În secolul 21, amplificatoarele de casă din anii 1950 sunt oferite în mod regulat spre vânzare la licitațiile online, dar este foarte dificil să le combinați într-o pereche stereo [58] .
Fabrica, până acum la scară mică, a început producția în Marea Britanie în februarie 1948; prima firmă majoră, Rogers, a anunțat lansarea amplificatorului Williamson în octombrie 1948 [59] . La începutul anilor 1950, schema Williamson domina absolut producția industrială de pe ambele maluri ale Atlanticului [60] ; Potrivit lui John Freeborn, editorialist al revistei americane Radio-Electronics , designerii și producătorii profesioniști din acea vreme aveau doar două opțiuni - „fie să-l urmeze pe Williamson, fie să-l depășească” [61] .
Primele experimente ale celor care au făcut-o singuri au dezvăluit „bolile congenitale” ale noii scheme. Marja de stabilitate stabilită de proiectant a fost prea mică: amplificatoarele s-au asamblat, s-ar părea, în strictă conformitate cu rețeta autorului, continuu autoexcitate [com. 10] . În 1947, Astor și Langford-Smith, acordând evaluări excelente amplificatorului Williamson, au raportat că „... conectând un difuzor la ieșire, am constatat că, cu un semnal [util] de frecvență joasă suficient de mare, oscilații neatenuate cu un frecvența de aproximativ 60 kHz apare la ieșire, însoțită de fluctuații pulsatorii la o altă frecvență (de exemplu, o altă frecvență )" [33] [comm. 11] . Australienii au suprimat oscilațiile de înaltă frecvență prin derivarea grilelor de ecranare a lămpilor de ieșire cu condensatoare mici; aflați natura „altelor” vibrații – în ciuda echipamentelor de laborator de primă clasă [comm. 12] - au eșuat [33] .
Specialiștii Laboratorului Marinei SUA , care au testat șapte amplificatoare Williamson în serie diferite [com. 13] , a constatat că toți au fost autoexcitați la frecvențe de ordinul a 2...3 Hz [66] . Înlocuirea transformatoarelor de ieșire a schimbat doar comportamentul amplificatorului la frecvențe medii și înalte; cele mai bune mostre au arătat un răspuns în frecvență perfect neted de la 10 Hz la 100 kHz, dar au „pulsat” și la frecvențe subsonice [67] . În cele mai proaste mostre, militarii au observat o „săritură” rezonantă care nu s-a transformat în autoexcitare și la frecvențe ultrasonice . Unele transformatoare „sunau” la frecvențe relativ joase de 30...50 kHz, în altele spectrul de rezonanță extins până la 500...700 kHz [68] . În modelele de amatori construite în jurul transformatoarelor de ieșire „convenționale”, autoexcitarea de înaltă frecvență era inevitabilă și putea fi suprimată doar prin reducerea grosieră a lățimii de bandă . Amploarea dezastrului în practica amatorilor nu este cunoscută cu siguranță: editorii Wireless World nu au publicat scrisori de la cititori, ci le-au trimis lui Williamson însuși.
După ce a primit aprobarea conducerii Ferranti, a suspendat pentru un timp lucrarea principală și a revenit la reglarea fină a amplificatorului; rezultatul acestei lucrări a fost a doua serie de articole din Wireless World, publicată în august 1949-ianuarie 1950 [69] . Modificările la circuitul în sine au fost minime: Williamson a adăugat doar un circuit de egalizare RC la etapa de intrare; majoritatea lucrărilor sale din 1949 au fost dedicate complexității instalării și depanării [69] [1] . O analiză independentă a stabilității amplificatorului Williamson, publicată în decembrie 1950, a arătat că circuitul era într-adevăr predispus la autoexcitare atât la frecvențele ultrasonice, cât și la frecvențele subsonice [70] [71] .
În regiunea de joasă frecvență, caracteristica amplitudine-frecvență a amplificatorului cu circuit deschis al OOS este formată din trei filtre trece-înalt (HPF) [72] [73] . Primul și al doilea HPF, filtrele RC clasice bazate pe condensatoare interstage, aveau aceleași frecvențe de tăiere de 6 Hz în versiunea autorului [72] ; al treilea HPF, format din rezistențele interne ale lămpilor de ieșire (2 ... 2,5 kOhm [com. 14] ) și inductanța înfășurării primare a transformatorului (100 H), în repaus avea o frecvență de tăiere de aproximativ 3 Hz [74] . Cu adâncimea de feedback aleasă de Williamson, o astfel de combinație de trei HPF cu frecvențe de tăiere apropiate este instabilă; pentru a-l stabiliza, Williamson a introdus circuite RC de corecție a frecvenței cu constante de timp de ordinul a 200 ms în circuitele anodice din prima și a doua etapă, care serveau și ca filtre de putere de decuplare [74] . Stabilizarea suplimentară a fost asigurată de neliniaritatea transformatorului de ieșire: pe măsură ce curentul alternativ din înfășurarea primară a crescut, a crescut inductanța sa efectivă, iar constanta de timp a filtrului LR de ieșire a crescut [23] . Versiunea lui Williamson a autorului a fost stabilă, dar marja lui de stabilitate a fost prea mică - prin urmare, atât bricolatorii, cât și producătorii de amplificatoare seriale s-au confruntat inevitabil cu autoexcitarea [35] . Cea mai simplă soluție la problemă - cu condiția să fie folosit un transformator de ieșire de înaltă calitate - a fost să se separe frecvențele de tăiere ale filtrelor interetajate [35] [75] [76] , de exemplu, în „Williamson ultra-liniar” al lui Hafler. și Keros (1952) au fost de 1,3 și 6 Hz [ 35] [75] .
În regiunea de înaltă frecvență, un calcul precis este imposibil din cauza asimetriei etajului inversor de fază și a capacităților parazite evident necunoscute ale instalației și a parametrilor paraziți ai transformatorului de ieșire , în funcție de proiectarea specifică [74] [73] . În funcție de modelul ales, declinul răspunsului în frecvență la frecvențe înalte este format fie din patru [77] [35], fie din cinci [73] filtre trece-jos . Autorii care au analizat schema Williamson au operat cu frecvențe de tăiere diferite, dar în toate cazurile cel puțin trei dintre cele patru frecvențe au fost situate prea aproape una de cealaltă, ceea ce a făcut ca combinația lor să fie instabilă [77] [35] . Pentru a corecta situația, în 1949 Williamson a redus lățimea de bandă a primei etape cu un circuit suplimentar de corecție a frecvenței, dar în practică acest lucru nu a fost suficient - marja de stabilitate era încă mică [77] [78] . Designerii auto-făcuți au trebuit să caute singuri o cale de ieșire: unii au deviat grilele de ecranare ale lămpilor de ieșire cu condensatori suplimentari, alții au restrâns lățimea de bandă a transformatorului de ieșire, lățimea de bandă a divizorului de circuit NFB sau, dimpotrivă, au optimizat instalarea circuitului în vederea minimizării capacităților parazite [77] [78] .
Amplificatorul Williamson s-a dovedit a fi extrem de sensibil la calitatea și acuratețea selecției componentelor și tuburilor pasive. Rezistoarele de carbon și de compoziție erau zgomotoase și generau distorsiuni neliniare; Lămpile din seria americană, utilizate pe scară largă în locul L63 și KT66 folosite de Williamson, nu au fost cele mai bune înlocuitoare pentru lămpile britanice [81] [79] . Williamson a avertizat cititorul că KT66 nu are analogi exacti și că ar trebui să fie preferat oricăror alternative [82] .
Radioamatorii, cărora li se adresa schema Williamson, nu puteau identifica și corecta în mod independent toate zonele sale problematice. Înarmat cu un avometru, un amator putea „privi” în regiunea infrasunetelor observând acul instrumentului [81] , dar pentru a investiga comportamentul amplificatorului la frecvențe înalte, un osciloscop cu o frecvență de tăiere superioară de cel puțin a fost necesar 1 MHz [81] ... 2 [83] ; în anii 1950 însă, osciloscopul era o noutate costisitoare, inaccesibilă, iar lățimea de bandă a majorității modelelor nu era suficient de largă [83] [81] .
Articole ale inginerilor profesioniști dedicati analizei și rafinamentului amplificatorului Williamson au apărut relativ târziu, când valul de design amator se potolise deja - în 1953 [84] , 1957 [85] , 1961 [79] . Inginerul Bendix Corporation M. V. Kibert, care a construit un amplificator de laborator profesional conform schemei lui Williamson, a identificat cinci surse de distorsiune în acesta [86] :
Kibert a lăudat sunetul amplificatorului, dar a avertizat cititorul că toate cerințele circuitului Williamson pot fi îndeplinite doar în condiții de laborator [89] . Amplificatorul își dezvăluie capacitățile numai atunci când folosește componente scumpe, atent selectate, ceea ce era imposibil în practica amatorilor de atunci [89] . Un amplificator perfect reglat din fabrică va necesita mai devreme sau mai târziu înlocuirea tuburilor de ieșire, ceea ce poate duce la o creștere imprevizibilă a distorsiunii [89] .
Din august 1947, zeci [90] de variante ale amplificatorului Williamson au fost publicate de presa de amatori și ulterior de presa profesională. Primele opțiuni s-au limitat doar la adaptarea circuitului la alte lămpi disponibile pe o anumită piață regională. Apoi au început publicațiile autorilor, care au încercat în diferite moduri să îmbunătățească stabilitatea circuitului original și, cel târziu în 1950, au apărut primele proiecte care s-au abătut semnificativ de la principiile de proiectare a circuitelor lui Williamson.
În 1950, Herbert Keros a deviat rezistența totală a catodului a tuburilor de ieșire (807 tetrode) cu un condensator electrolitic de mare capacitate — care, a susținut Keros, a redus foarte mult distorsiunea armonică la putere mare [91] . David Hafler și Keros au folosit această soluție, în conflict direct cu recomandările lui Cocking și Williamson, în majoritatea proiectelor lor; până în 1956 devenise acceptat ca standard [92] . Hafler însuși în 1956 a mers și mai departe și a folosit un offset fix în „Williamson” al său pe EL34 [93] . O părtinire fixă a fost folosită atât de designerii sovietici, cât și de cei ruși Yu. Romanyuk (versiune pe triode încălzite direct 6C4C , 1965 [94] ), A. Baev (versiune pe pentodul generator GU-50 , 1977 [95] [96] ) , A. Manakov (variantă pe un tetrod cu scanare în linie 6P45S , anii 1990 [97] ).
La începutul anilor 1950, designerii au început să folosească în mod activ condensatori de mare capacitate și în circuitele de putere anodice. Condensatoarele de hârtie de 8 µF folosite de Williamson au fost înlocuite cu condensatoare electrolitice de 40 µF [84] , iar în amplificatorul lui Wright din 1961, capacitatea totală a filtrelor anti-aliasing a depășit 600 µF [98] . În amplificatorul serial Bell 2200 [comm. 15] (1953), conexiunea directă a primelor două trepte a fost înlocuită cu una capacitivă [99] , la amplificatorul Stromberg-Carlson AR-425 (1953), etajul de ieșire a fost construit după un circuit tetrod. - cu păstrarea topologiei în patru etape a lui Williamson [100] . Deteriorarea inevitabilă a stabilității a fost compensată de circuite suplimentare de corecție a frecvenței [101] .
În decembrie 1951, Hafler și Keros au început să promoveze utilizarea așa-numitelor etape de ieșire ultra -liniare. Sub numele captivant, a fost ascunsă o schemă de pornire a unui tetrod sau pentod, inventată în anii 1930 de Alan Blumlein , cu distribuția sarcinii utile între anod și grila de ecranare. Cu aceleași tuburi de ieșire, amplificatorul ultra-liniar a furnizat o putere și jumătate [102] - de două ori mai multă putere decât o cascadă triodă pură Williamson, la un nivel comparabil de distorsiune și a fost mai ieftin decât amplificatoarele cu pentodă pură [60] . Primul „Williamson ultraliniar” de Hafler și Keros pe o pereche de tetrode 6L6 , construit conform topologiei în patru etape a lui Williamson [35] , a dezvoltat 20 W [103] , al doilea, pe tetrode 807 - 30 W [103] . După ce au simțit gustul pieței americane pentru capacități mari, designerii au lansat o „cursă înarmărilor”; în 1955, lucrând deja independent, Hafler și Keros au oferit publicului UMZCH de 60 de wați pe tetrode 6550 [104] și pe KT66 geamăn [105] .
Așadar, pas cu pas, în doar câțiva ani, designerii și producătorii s-au retras din schema și ideile clasice ale lui Williamson - continuând, totuși, să-și folosească numele. În literatura secolului 21, chiar și modelele fără feedback comun sunt numite amplificatoare Williamson [106] . Potrivit biografului lui Williamson, Peter Stinson, acest lucru este incorect; într-un amplificator Williamson real, cinci condiții trebuie îndeplinite simultan [107] :
Datorită perspicacității în afaceri a lui Hafler și Keros, producătorii americani ( Eico , The Fisher , Harman / Kardon , Marantz și alții) au abandonat rând pe rând triodele de ieșire „învechite” și au trecut la un circuit ultra-liniar. [9] . Mullard , cel mai mare producător de lămpi din Marea Britanie și pionier al circuitelor europene în anii 1950, a susținut public noutatea [108] . GEC , fostul angajator al lui Williamson, a inclus un „Williamson ultra-liniar” de 30 de wați cu tuburi KT88 colecția lor de circuite tipice . Amplificatorul Williamson, cu toate meritele sale, a pierdut concurența, la fel ca și proiectele alternative de Peter Walker ( Quad ) și Frank McIntosh ( McIntosh Laboratory ) [110] . În septembrie 1952, Williamson și Walker au recunoscut înfrângerea. Într-un articol de recenzie scris în comun, ei au ajuns la concluzia că în producția de masă este de preferat un circuit ultraliniar mai economic, dar și mai pretențios la calitatea transformatorului de ieșire [56] [111] . Williamson, care devenise deja o autoritate recunoscută în tehnologia sunetului, nu se mai ocupa de ea [14] . Sunetul a fost doar un hobby pentru el, iar întreaga lui viață profesională a fost legată de problemele ingineriei mecanice . S-a întâmplat să proiecteze mașini de frezat gigantice [112] , senzori optici de precizie [113] , linii de producție și sisteme de control numeric [114] ; în istoria electronicii, Williamson a rămas autorul unui singur design.
În 1956, majoritatea UMZCH-urilor seriale de pe piața americană erau încă construite conform schemei „ultraliniare Williamson” Hafler în patru etape [92] . În următorii câțiva ani, a dispărut și de pe scenă: topologia Williamson în patru etape a fost înlocuită cu un circuit în trei trepte mai stabil și mai ieftin, cu un divizor de fază echilibrat, care a servit și ca driver de lampă de ieșire [115] . Amplificatorul ultra-liniar în trei trepte Dynaco Stereo 70 dezvoltat de Hafler a devenit cel mai masiv tub UMZCH din istorie [116] . Piața de consum din SUA a fost plină de numeroase modele UMZCH în trei trepte, cu o putere de ieșire de 25 ... 30 W și clone ale amplificatoarelor britanice mai puțin puternice Mullard 5-10 și 5-20 , care diferă doar în mici detalii. [115] . Toate aceste modele au fost susținute că funcționează la fel de bine ca amplificatorul original Williamson, cu putere de ieșire de două ori mai mare și stabilitate garantată [115] . Atunci, la sugestia aceluiași Hafler, opinia subiectivistă a devenit mai puternică în rândul audiofililor americani că caracteristicile unui amplificator nu pot servi ca măsură a calității sale, că totul este decis doar de sentimentele personale ale unei persoane calificate, instruite. ascultător [110] .
Aparenta simplitate a designului de inginerie a sunetului este iluzorie. Doar câțiva au reușit să o facă foarte bine. Frank McIntosh a făcut un amplificator grozav. Williamson, din Anglia, a reușit să facă un amplificator fin. Modelele Early Leak au fost bune. Toți acești oameni nu urmăreau bani - scopul lor [principal] era să cânte muzică acasă. — Richard Sequerra, designer al receptoarelor Marantz 10B și Day-Sequerra , 2009 [117]
Text original (engleză)[ arataascunde] Ideea că audio este simplu și ușor de realizat este o mare fantezie. Sunt foarte puțini oameni care au făcut-o vreodată cu adevărat bine. Cred că Frank McIntosh a făcut un amplificator minunat. [DTN] Williamson, în Anglia, a făcut un amplificator minunat. Până și primele Leak-uri au fost minunate. Obiectul acestor oameni nu era doar banii, ci reproducerea muzicii pentru casă. Problema astăzi este că profitul este obiectivul de proiectare. Muzica este incidentală.
Același „Williamson”, pe care eu personal încă îl consider cel mai bun din [generația] mea ... - John Linsley Hood , 1994 [24]
Text original (engleză)[ arataascunde] „Williamson”, pe care, în privat, încă cred că este cel mai bun din grupWilliamson nu a fost primul designer care a atins caracteristicile obiective ridicate ale UMZCH. În 1947, două modele originale UMZCH de calitate comparabilă existau deja în Marea Britanie. În septembrie 1945, Harold Leak a anunțat lansarea unei triode în trei etape, acoperite de un OOS UMZCH comun pe triode Leak Point One [118] [119] [comm. 16] ; în același 1945, prietenul lui Williamson, omul de afaceri Peter Walker , a publicat o schemă pentru includerea FOS locale în circuitele catodice ale pentodelor de ieșire , revenind la ideile de dinainte de război ale lui Alan Blumlein [121] [122] . Atât Walker, cât și Leek au încercat să își comercializeze singuri modelele pe piața închisă și săracă a Marii Britanii de după război; în afara țării, munca lor era practic necunoscută. Williamson, dimpotrivă, și-a adresat schema unei game largi de radioamatori și tocmai aceasta i-a determinat succesul [123] [57] .
În publicațiile din 1947, Williamson a identificat gama necesară și suficientă de indicatori care caracterizează calitatea înaltă a reproducerii și a stabilit valori țintă realiste, realizabile pentru acești indicatori - care sunt în general valabili în secolul al XXI-lea [124] . Williamson, pe de o parte, a stabilit linii directoare pentru proiectanții de echipamente, pe de altă parte, a popularizat cunoașterea și înțelegerea acestor linii directoare în rândul profesioniștilor și consumatorilor [124] . Caracteristicile obiective ale amplificatorului Williamson au devenit standardul la care au fost ghidați designerii anilor 1950 și care în era tubului [comm. 17] era aproape imposibil de învins [24] [125] . Williamson a demonstrat în mod convingător că distorsiunea armonică poate fi redusă eficient prin utilizarea feedback-ului profund împreună cu un transformator de ieșire de înaltă calitate [126] . A reușit să creeze modelul perfect, care a durat până la trecerea industriei la tranzistori; crearea unui UMZCH tranzistorizat capabil să concureze în condiții egale cu amplificatorul Williamson a durat un deceniu și jumătate. Designerii au reușit să depășească „ sunetul tranzistor ” disonant caracteristic echipamentelor anilor 1960 abia la mijlocul anilor 1970 [127] .