Всё об усилителе JLH. Часть I — рождение легенды.

В последнее время наблюдается новая волна интереса радиолюбителей к усилителю Джона Линсли Худа (John Linsley-Hood, в народе JLH). Этот интерес подогревается интернет-магазинами и аукционами, где появились в большом количестве разные вариации этого усилителя как в виде готовых конструкций, так и в виде наборов для самостоятельной сборки. Не утихают обсуждения схемы и на форумах.

Но порой, аббревиатуру JLH вешают на конструкции, которые ничего общего с легендарным усилителем не имеют!

Давайте попробуем разобраться в особенностях схемотехники этого усилителя, его достоинствах и недостатках. Творение британца безусловно заслуживает отдельного внимания, так как схема разработанная в далёком 1969 году успешно дожила до наших дней, пережила несколько реинкарнаций и до сих пор будоражит умы истинных аудиофилов.

История этой схемы началась в далёком 1969 году. Первая публикация была в журнале «Wireless World». Ниже представлен её перевод:

В последнее время на страницах разных изданий было опубликовано множество схем транзисторных усилителей мощности. К сожалению большинство этих конструкций малопригодны для повторений, так как либо имеют устаревшую элементную базу (это писалось в 1969 году!), либо очень сложные по схемотехнике, либо имеют слишком высокую выходную мощность, которая совершенно не нужна для комфортного прослушивания музыки в обычной жилой комнате типовых размеров.

Поэтому появилась идея создать простой, но качественный усилитель с разумной выходной мощностью.

Выходная мощность и искажения.

Ввиду огромной популярности лампового усилителя Mullard «5-10» можно сделать вывод, что 10Вт (в одном канале) выходной мощности вполне достаточно для озвучивания жилой комнаты в разумных пределах. В стереосистеме, где используются два таких усилителя, с акустическими системами средней чувствительности уровень громкости получался даже больше необходимого.

Основы стандартов по гармоническим искажениям для усилителей мощности были заложены D. T. N. Williamson в его серии статей в 1947-1949 годах, в которых он пришёл к выводу, что уровень искажений для высококачественного звуковоспроизведения не должен превышать 0,1% при номинальной выходной мощности. Поскольку в ламповых усилителях основную долю искажений вносит выходной трансформатор, а современные транзисторные схемы позволяют избавиться от этого очень нелинейного элемента, то требования по искажениям можно несколько ужесточить и принять за необходимую величину в 0,05% при максимальной мощности в полосе частот 30Гц-20кГц. Выходная мощность также должна быть постоянная в этой полосе частот.

Схемотехника.

Тут мы пропустим описание популярных в те годы усилителей класса «В» и их недостатков.

Альтернативным  подходом в конструировании усилителей мощности является использование класса «А» для транзисторов выходного каскада. Это позволяет получить высокие характеристики при простоте конструкции и, как следствие, мы имеем лучшую симметрию плеч, снижение коммутационных искажений, меньшие тепловые искажения (хотя усилитель класса «А» всегда довольно теплый, температура его транзисторов гораздо стабильнее, чем усилителя класса «В»). Самым существенным недостатком класса «А» является низкий КПД и необходимость использования радиаторов больших размеров.

Однотактные каскады в классе «А» с резистивной нагрузкой самые низкоэффективные. Замена резистора на дроссель улучшает характеристики каскада, но теряется главное преимущество — отсутствие дорогостоящих, громоздких и нелинейных моточных элементов.  Поэтому оптимальным как в плане производительности, так и в плане упрощения конструкции будет двухтактный каскад с противофазным возбуждением, как показано на рисунке:

Такое включение транзисторов даёт очень низкие искажения даже без использования отрицательной обратной связи за счёт взаимной компенсации нелинейности характеристик транзисторов, плюс каскады имеют высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает близкое к оптимальному согласование каскадов.

Самое время дать слово другому фанату «горячих» усилителей. Хотя Нельсон Пасс (Nelson Pass) является приверженцем полевых транзисторов, он не оставил без внимания легендарный усилитель JLH, несмотря на то, что тот полностью выполнен на биполярных транзисторах. Вот что он написал в своей статье:

Усилитель Джона Линсли Худа даже спустя 30 лет восхищает простотой конструкции и великолепным качеством звучания.

Центром топологии является средний каскад на транзисторе n-p-n структуры, который выполняет роль фазоинвертора и управляет и верхним, и нижним плечами усилителя.

Упрощенная схема усилителя представлена на рисунке:

Входной сигнал подается на базу транзистора Q1, а с его коллектора усиленный и проинвертированный поступает на базу Q2, который и усиливает сигнал и формирует противофазные сигналы для выходного каскада, выполненного на транзисторах Q3 и Q4. Транзистор Q3 включен по схеме с ОЭ, поэтому обеспечивает усиление и тока и напряжения. Транзистор Q4 включен по схеме с ОК, поэтому работает как повторитель и усиливает только ток.

Резисторы R3-R5 формируют напряжения смещения для транзисторов, а резисторы R1-R2 формируют общую отрицательную обратную связь по току.

Транзистор Q2 является сердцем этой топологии и на мой взгляд это очень простое и элегантное решение для управления выходным каскадом.

Этот дизайн родился в эпоху, когда эра ламповых усилителей подходила к концу (по крайней мере так казалось). Радиоинженеры старались проектировать транзисторные усилители с высокой выходной мощностью и предельно низкими искажениями. Но такие усилители в большинстве своем были очень сложны и отличались большим количеством цепей отрицательных обратных связей.

Прошло уже 46 лет и прогресс не стоит на месте. И кто-то может воспринимать усилитель JLH как упражнения в минимализме…пока не послушает его. Вы будете удивлены качеством звучания этого усилителя, несмотря на довольно скромную выходную мощность (по нынешним меркам). Если у вас есть высокочувствительные акустические системы и вас устраивает стерео-вариант домашней системы, то усилитель JLH  в этой «номинации» будет в топовых позициях.

Этот усилитель имеет разумные характеристики (ничего сверхнизкого или запредельного), в конструкции нет элементов дороже 3$, но воспроизводит настоящую музыку. Его недостатки незаметны и он извлекает больше музыки из современных записей и даже из mp3. Я не могу назвать другой топологии того времени, которая работала бы также хорошо.

Заметим, что Нельсон Пасс как-то обошёл стороной ещё одну особенность этой  топологии. Как известно, биполярные транзисторы управляются током базы (в отличие от полевых, которые управляются напряжением на затворе). В усилителе JLH выходной ток предыдущего каскада является входным током для последующего. На рисунке вверху: весь коллекторный ток транзистора Q1 втекает в базу (является управляющим) транзистора Q2. Аналогично и в других каскадах.

Для внимательных читателей: резистор R3 является источником стабильного тока (в поздних вариантах усилителя этот резистор был заменен на активный источник тока), поэтому все изменения коллекторного тока транзистора Q2 непосредственно отражаются на базовом токе транзистора Q4. То есть мы имеем практически идеальные условия управления транзисторами.

Для самых внимательных читателей: да, в практической схеме этого усилителя вы увидите дополнительные резисторы в базовых цепях транзисторов. Но, если вы знаете закон Ома, то простой расчёт покажет, что ток через эти резисторы практически НЕ течёт, а нужны они для защитных целей и привязки потенциалов. Так что принцип токового управления не нарушается.

Но вернёмся к статье самого Джона Линсли Худа.

На рисунке представлена оригинальная принципиальная схема усилителя мощности для практической реализации (схема публикуется в том виде, в каком она была в журнале 1969 года):

Общее усиление схемы для типовых параметрах транзисторов составляет порядка 600 при разорванной цепи общей отрицательной обратной связи. При замкнутой цепи ОООС усиление определяется соотношением (R3 + R4) / R4 и для указанных на схеме номиналах составляет около 13. Таким образом глубина общей ООС этого усилителя составляет 34dB, а выходное сопротивление 160 мОм.

На звуковых частотах импеданс конденсатора С3 очень мал по сравнению с номиналом резистора R4, поэтому влиянием этого конденсатора можно пренебречь. Однако, для постоянного тока, благодаря конденсатору С3, усилитель оказывается охвачен 100% обратной связью, что способствует жесткой стабилизации режимов работы.

Элементы C1, R1,R2 образуют источник стабильного тока. Изменяя номиналы резисторов R1 и R2, можно регулировать ток покоя оконечного каскада усилителя и сделать его оптимальным под разное сопротивление нагрузки.

Резисторы R6 и R5 формируют напряжение смещения первого каскада. Регулировкой резистора R5 необходимо установить в точке «Х» напряжение равное половине от напряжения питания усилителя для получения максимальной выходной мощности.

Теперь, когда мы знаем и топологию, и принципиальную схему усилителя JLH, посмотрим какой суррогат выдают в Интернете за клон легендарного усилителя.

На одном относительно популярном радио-портале активно обсуждается конструкция усилителя для наушников почему-то названная «Green JLH». Вот принципиальная схема одного канала:

На всякий случай напомним топологию классического JLH: каскад с ОЭ — фазовращательный каскад — двухтактный каскад в классе «А». Всего три каскада охваченных общей ООС по току.

В усилителе «Green JLH» имеем: каскад с ОЭ — ещё один каскад с ОЭ (хотя фазу сигнала он тоже вращает, но зачем?) — однотактный повторитель на полевом транзисторе. 

Да — здесь тоже три каскада, да- здесь тоже общая ООС по току. Но каким боком это JLH??? И с чего он позеленел? Теперь ко всем трёхкаскадным усилителям надо лепить аббревиатуру «JLH»?

Автор пишет: «на нагрузке 32 Ом усилитель развивает амплитуду сигнала 2В«. Но позвольте, на выходе практически всех современных источников сигнала (CD- и DVD-проигрывателей, DAC, звуковых карт компьютеров и т.д.) амплитуда сигнала и так составляет 2В. Что тогда делают в схеме два каскада с ОЭ, которые в теории должны усиливать напряжение? Похоже именно для устранения излишнего усиления автору пришлось увеличить глубину общей ООС.

Хотя можно было бы просто исключить каскад на транзисторе Q2. Тогда и тракт бы стал короче, и глубину ООС можно было бы уменьшить, что должно благоприятно сказаться на звучании. Но тогда бы пришлось по другому организовать цепь ООС и усилитель абсолютно не напоминал топологию JLH…

Стабильность, мощность и сопротивление нагрузки.

Кремниевые планарные  NPN транзисторы обладают отличными высокочастотными свойствами (напомним, что это пишет человек в 1969 года про транзисторы с граничной частотой усиления в 4 МГц!), что способствует хорошей стабильности при работе на реактивную нагрузку. Автору не удалось найти комбинацию значений емкости и индуктивности для нагрузки, которые бы привели к возбуждению усилителя. Чисто индуктивная нагрузка может стать причиной неустойчивости усилителя, для устранения которой, достаточно зашунтировать резистор R3 конденсатором небольшой ёмкости, чтобы ограничить полосу частот на ВЧ.

Схема усилителя с указанными значениями номиналов элементов может без проблем работать с нагрузкой сопротивлением от 3 до 15 Ом. Тем не менее, для получения максимальной эффективности имеет смысл подобрать некоторые элементы под конкретное сопротивление нагрузки. В этом поможет таблица:

По таблице вы можете в зависимости от сопротивления нагрузки (ZL) определить необходимые напряжение питания и ток покоя, номиналы элементов, а так же чувствительность усилителя (Vin).

На каждом транзисторе выходного каскада рассеивается мощность порядка 17Вт. Чтобы температурный режим транзисторов не выход за безопасные пределы, их необходимо установить на ребристые радиаторы с достаточной площадью охлаждающей поверхности. Да, это будут довольно большие и массивные радиаторы. Такова плата за класс «А», простоту схемы и высокое качество звучания.

При напряжении питания от 30В и выше выходные транзисторы TR1 и TR2 следует заменить на MJ481s , а транзистор  ТR3 на 2N1613.

Выходное сопротивление предварительного усилителя, используемого совместно с усилителем мощности JLH не должно превышать несколько килоОм, иначе потребуются дополнительные каскады для согласования, что удлинит усилительный тракт и увеличит искажения.

Подбор транзисторов.

Автор провёл ряд экспериментов, чтобы выяснить, как зависят характеристики усилителя от коэффициента передачи тока базы используемых транзисторов(h21э). Как и ожидалось, минимальные искажения были получены при использовании транзисторов с максимальным значением h21э и с подобранными транзисторами в выходном каскаде. Достойной замены (напомним, это было в  1969 года) найти  не удалось, но транзисторы разных производителей показали одинаковые результаты. Аналогично и для транзистора первого каскада — замена  2N4058 от Texas Instruments на 2N3906 от Motorola на характеристиках усилителя не сказалась.

Наибольшее влияние на коэффициент искажений усилителя оказывают транзисторы выходного каскада. В таблице представлены результаты экспериментов для транзисторов с разными коэффициентами передачи тока базы:

Как видно из таблицы, искажения усилителя минимальны, когда коэффициенты передачи тока базы транзисторов выходного каскада равны и максимальны. Если нет возможности подобрать идентичные транзисторы, то для минимизации искажений транзистор с максимальным коэффициентом усиления следует использовать в качестве TR1 (сравните строки 2- 3 и 4-5). В строке 6 приведены результаты для транзисторов 2S034 от Texas Instruments. Как видим, тип транзисторов не так критичен, как их коэффициент передачи тока базы.

Кстати, легко и с высокой точностью подобрать пары транзисторов для выходного каскада вы можете с помощью нашего прибора. Китайский тестер рассчитан на маломощные транзисторы и здесь не подходит.

Измерения показали, что до ограничения сигнала (то есть без перегрузки усилителя) в спектре искажений доминирует вторая гармоника, как у ламповых усилителей.

Характеристики и звучание.

Конечно, сухие цифры не дадут представления о звучании этого усилителя. Но раз принято измерять и указывать технические   характеристики, то и мы не будем отступать от этого правила.

На рисунке представлена амплитудно частотная характеристика усилителя JLH. Как видно, зависимость абсолютно линейна в диапазоне частот 50Гц-95кГц.

На рисунке представлена зависимость выходной мощности усилителя от чатоты:

Зависимость коэффициента гармоник от частоты:

Небольшой подъём на низких частотах обусловлен влиянием конденсатора С3.

Зависимость искажений (на частоте 1 кГц) от выходной мощности усилителя:

Хотя характеристики и звучание усилителя не сильно коррелированы друг с другом, тем не менее, полученные графики вселяют надежду на качественный звук, не хуже чем у ламповых усилителей.

Всё познаётся в сравнении! Поэтому был устроен сравнительный тест усилителей. В качестве эталонного использовался ламповый усилитель «Williamson», который построил сам Джон Линсли Худ, не жалея средств (использовались только самые высококачественные комплектующие) и времени (настройка усилителя была выполнена самым тщательным образом). Контрольная группа слушателей не смогла выявить в «слепом» тесте явного лидера.

Тогда был устроен тест, в котором принимали участие шесть различных усилителей: промышленные и самодельные, ламповые и транзисторные, в классе «А» и в классе «В». Разумеется в тесте остались усилитель «Williamson» и JLH и оба оказались лучше, чем другие ламповые усилители, участвующие в тестах. При использовании «быстрой коммутации» (когда не приходилось перекручивать на клеммах провода от акустических систем) удалось выявить нюансы в звучании этих усилителей. При общей схожести у транзисторного усилителя JLH оказались лучше проработаны самые верхние частоты спектра.

В звучании усилителей класса «В» и класса «А» различия были более заметны. У усилителя JLH не только отсутствовала «жёсткость» в верхнем регистре, особенно заметная на звучании струнных инструментов, но и в целом звук был более «лёгким», открытым.

Конечно, усилитель JLH по габаритам, массе, КПД и выделению тепла сильно проигрывал усилителям класса «В», но по мнению автора, разница в их звучании того стоит!

Справедливости ради стоит отметить, что у хорошего усилителя класса «В» указанные недостатки не сильно заметны и выявляются только при прямом тестировании усилителей, что называется «лоб  в лоб».

Продолжение следует…