Williamson förstärkare

Williamson -förstärkaren är en fyrstegs, push-pull , klass A triode - utgångsventil ljudeffektförstärkare designad av DTN Williamson under andra världskriget . Den ursprungliga kretsen, publicerad 1947 och riktad till den världsomspännande gör det själv -gemenskapen, satte standarden för ljudåtergivning med hög kvalitet och fungerade som en riktmärke eller referensförstärkardesign under hela 1950-talet. Den ursprungliga kretsen kopierades av hundratusentals amatörer över hela världen. Den var en absolut favorit på 1950-talets gör-det-själv-scenen och dominerade i början av decenniet även de brittiska och nordamerikanska marknaderna för fabriksmonterade förstärkare.

Williamson-kretsen baserades på 1934 Wireless World Quality Amplifier av Walter Cocking, med ett extra felförstärkarsteg och en global negativ återkopplingsslinga . Djup återkoppling, triodanslutna KT66- effekttetroder, konservativt val av stående strömmar och användningen av en utgångstransformator med bred bandbredd bidrog till prestandan hos Williamson. Den hade en blygsam uteffekt på 15 watt men överträffade alla moderna konstruktioner genom att ha mycket låg harmonisk distorsion och intermodulation , platt frekvenssvar i hela det hörbara frekvensområdet och effektiv dämpning av högtalarresonanser . Förvrängningssiffran på 0,1 % för Williamson-förstärkaren blev kriteriet för högfientlig prestanda som förblir giltigt under 2000-talet.

Williamson-förstärkaren var känslig för val och matchning av passiva komponenter och ventiler, och utsatt för oönskade svängningar vid infraljuds- och ultraljudsfrekvenser . Att innesluta fyra ventilsteg och en utgångstransformator i en negativ återkopplingsslinga var ett allvarligt test av design, vilket resulterade i en mycket snäv fasmarginal eller, ganska ofta, ingen marginal alls. Försök att förbättra stabiliteten hos Williamson kunde inte fixa denna grundläggande brist. Av denna anledning, och på grund av höga kostnader för nödvändiga kvalitetskomponenter, övergav tillverkarna snart Williamson-kretsen till förmån för i sig mer stabila, billigare och effektivare trestegs-, ultralinjära eller pentodutgångsdesigner.

Bakgrund

Den ultimata versionen av Cockings kvalitetsförstärkare , 1946. Frånvaron av katodbypasskondensatorer var ett "varumärke" i Williamsons design som ärvts direkt från Cockings arbete

År 1925 publicerade Edward W. Kellogg den första heltäckande teorin om design av ljudeffektförstärkare. Kellogg föreslog att den tillåtna nivån av harmonisk distorsion kan nå 5 %, förutsatt att distorsionen ökar jämnt snarare än abrupt, och att den bara genererar övertoner av låg ordning. Kelloggs arbete blev de facto industristandarden under mellankrigstiden, då de flesta förstärkare användes på biografer . Tidiga på ljudfilm och högtalare var låga, och kunderna nöjde sig med råa men effektiva och prisvärda transformatorkopplade klass B- förstärkare . De bästa teaterförstärkarna, byggda av Western Electric runt deras 300A och 300B effekttrioder, översteg vida den genomsnittliga nivån men var dyra och sällsynta.

I mitten av 1930-talet förbättrade Western Electric och RCA prestandan för sin experimentella ljudutrustning till en nivå som närmade sig modern förståelse för högtrohet , men inget av dessa system kunde kommersialiseras ännu. De saknade ljudkällor av matchande kvalitet. Branschledare på 1930-talet var överens om att förbättringen av kommersiella förstärkare och högtalare skulle vara meningsfull först efter införandet av nya fysiska medier som överträffar lågkvalitativa AM-sändningar och shellac-rekord . Den stora depressionen , andra världskriget och efterkrigstidens tv- boom försenade detta mål i följd. Utvecklingen av kommersiell ljudutrustning stannade; de få entusiaster som sökte högre nivå av trohet var tvungna att bokstavligen göra det själva . Amerikanska gör-det-själv-experimenterade med nya stråltetroder . Australier föredrog traditionella push-pull-kretsar byggda kring direktuppvärmda trioder och komplexa, dyra mellanstegstransformatorer.

Brittisk tankeskola ledd av Walter Cocking från Wireless World lutade sig mot push-pull, klass A, RC-kopplade triodutgångssteg. RC-koppling, i motsats till transformatorkoppling, hävdade Cocking, utökade förstärkarens bandbredd utöver det erforderliga minimumet på 10 kHz och förbättrade dess transientrespons . Tetroder och pentoder var oönskade på grund av högre harmonisk distorsion och högre utgångsimpedans som misslyckades med att kontrollera högtalarens grundläggande resonans . Cocking skrev att Kelloggs distorsionsgräns på 5 % var för hög för kvalitetsförstärkning, och beskrev en annan uppsättning krav - den första definitionen av högtrohet . Istället för Kelloggs enda meritvärde (övertonsförvrängning) satte Cocking tre samtidiga mål - lågfrekvent distorsion, låg övertonsdistorsion och låg fasförvrängning. 1934 publicerade Cocking sin första kvalitetsförstärkardesign - en tvåstegs, RC-kopplad triodklass A-förstärkare som inte uppnådde mer än 2–3 % maximal distorsion utan att använda feedback. Feedback dök upp i hans 1943 Wartime Quality Amplifier , byggd kring amerikanska 6V6 stråltetroder; dock placerades både ingångssteget och utgångstransformatorn utanför återkopplingsslingan. Cockings Quality Amplifier- familj blev grunden för efterkrigstidens brittiska och australiensiska ljudindustri, inklusive Williamson-förstärkaren.

Utveckling

1943, i mitten av andra världskriget , misslyckades den tjugoårige skotten Theo Williamson i matematikexamen och skrevs ut från University of Edinburgh . Theo var inte fysiskt lämplig för militärtjänstgöring, så istället utsåg myndigheterna honom till obligatoriskt civilt arbete på Marconi-Osram Valve . I april 1944 flyttade Williamson från produktionslinjen till företagets Applications Laboratory, där han hade tillräckligt med ledig tid för sina egna gör-det-själv-projekt. Ledningen protesterade inte, och i slutet av 1944 hade Williamson tänkt ut, byggt och testat förstärkaren som snart skulle bli känd som Williamson-förstärkaren . Ett annat krigstidsprojekt, en ny magnetisk patron , skulle kommersialiseras 1948 som Ferranti-bandpickupen.

Designmål

Efter Cockings idéer utarbetade Williamson en annan, mycket strängare uppsättning trohetskrav:

  1. Försumbar icke-linjär distorsion (summan av harmonisk distorsion och intermodulationsprodukter ) upp till den maximala nominella utsignalen, vid alla hörbara frekvenser från 10 till 20000 Hz;
  2. Linjär frekvensrespons och konstant uteffekt vid alla hörbara frekvenser;
  3. Försumbar fasförskjutning inom det hörbara frekvensområdet;
  4. Bra transientrespons som, förutom ovanstående frekvens- och faskrav, kräver helt konstant förstärkning vid hantering av komplexa vågformer och transienter;
  5. Låg utgångsimpedans och, omvänt, hög dämpningsfaktor . Åtminstone måste utgångsimpedansen från en förstärkare vara lägre än högtalarimpedansen;
  6.   Uteffekt på 15–20 W för återgivning av orkestermusik via en dynamisk högtalare , eller 10 W för en hornhögtalare .

   Williamson granskade samtida förstärkarkonfigurationer och, precis som Cocking, bestämde sig för ett låg distorsion push-pull, klass A, triodutgångssteg. Till skillnad från Cocking, trodde Williamson att ett sådant steg kan leverera högtroget ljud endast när förstärkaren styrs av 20–30 dB djup negativ återkopplingsslinga (och därför måste hela förstärkaren ha 20–30 dB högre öppen loop-förstärkning för att kompensera effekten av respons). Djup feedback orsakar oundvikligen en plötslig, hård uppkomst av distorsion vid överbelastning, men Williamson var nöjd med denna brist. Han hävdade att det är ett pris värt att betala för en förbättring av linjäriteten vid medelhöga och höga effektnivåer. Tvärtom, skrev Williamson, är långsam men stadig ökning av distorsion till 3–5 %, som Kellogg förespråkar, tydligt oönskad i ett högtrohetssystem.

Prototyper och tester

Ventilkomplementet till den ursprungliga Williamson-förstärkaren bestämdes av ett knappt utbud i krigstida Storbritannien. De två lämpliga och tillgängliga utgångsventilerna var antingen PX25-trioden eller en triodkopplad KT66-stråletetrod. Williamson använde ursprungligen PX25, en redan föråldrad direktuppvärmd triod som introducerades 1932. I sin andra prototyp använde Williamson den mer effektiva KT66, som blev den valfria ventilen under efterkrigstiden. Drivs från +500 V strömförsörjning , KT66-prototypen levererade 20 Watt vid högst 0,1 % distorsion. En mindre kostsam +425V strömförsörjning möjliggjorde 15 Watt uteffekt vid högst 0,1 % distorsion; detta arrangemang blev standard för Williamson-förstärkaren och definierade dess fysiska layout. Det kompletta prototypsystemet, inklusive förstärkaren, den experimentella magnetiska pickupen och en Goodmans fullomfångshögtalare i ett akustiskt labyrinthölje , har bevisat för Williamson att en låg distorsion, djup återkopplingsförstärkare verkligen lät överlägsen förstärkare utan återkoppling. Skillnaden var särskilt hörbar med de bästa tillgängliga shellac-skivorna , trots de fysiska begränsningarna för detta lågfientliga format.

Prototyperna imponerade på Marconi-ledningen, som gav Williamson obegränsad tillgång till företagets testanläggningar och introducerade honom för folket från Decca Records . Det sistnämnda försåg Williamson med värdefullt, exklusivt testmaterial - exempel på det experimentella Decca ffrr -systemet, det första riktiga högtrohetsmediet i Storbritannien. Dessa skivor, som överträffade alla tidigare media i ljudkvalitet, hjälpte Williamson med att finjustera sina prototyper. Han var säker på att han nu var på rätt väg, men varken Marconi eller dess moderbolag General Electric Company var villiga att investera i massproduktion av förstärkare för den civila marknaden. Designen var inte heller intressant för företagsjurister, eftersom den inte innehöll något patenterbart. Williamson satte bara ihop välkända kretsar och lösningar.

Offentliggörande

I februari 1946 lämnade Williamson Marconi, flyttade till Edinburgh och gick med i Ferranti . Några månader senare märkte en senior Marconi-säljare, som sökte nya sätt att marknadsföra KT66 till allmänheten, Williamsons rapport från 1944 om hans förstärkarprototyper och skickade den för publicering till Wireless World . Chefredaktör HF Smith kände Williamson för hans tidigare bidrag; han kontaktade författaren direkt och begärde en detaljerad artikel skriven speciellt för gör-det-själv-läsarna. Williamson svarade omedelbart, men av okända skäl försenades publiceringen, som ursprungligen var 1946, till april–maj 1947. Medan tidningen väntade på tryck, hade tidskriften publicerat den nya versionen av Cockings kvalitetsförstärkare . Cocking, som teknisk redaktör för Wireless World , hade verkligen företräde; enligt Peter Stinson var han skeptisk till Williamson-förstärkaren, och trodde att hans egen design inte behövde några ytterligare förbättringar.

Redan 1947 hade brittisk industri släppt två förstärkare med jämförbar ljudkvalitet. Harold Leak tillkännagav produktion av sin Leak Point One i september 1945; senare samma år publicerade Peter Walker den första skissen av sitt slutsteg med distribuerad last som skulle bli Quad II- produktionsmodellen. Leak och Walker försökte kommersialisera sina idéer på den magra efterkrigstidens brittiska marknad; deras prestationer var praktiskt taget okända utanför Storbritannien. Williamson gjorde tvärtom: han donerade sin design till ett världsomspännande gör-det-själv-community, och säkrade på så sätt en varaktig populär efterföljare.

I augusti 1949 publicerade Williamson, som svar på brev från läsarna, den "nya versionen" av denna förstärkare. Artikeln behandlade mycket konstruktions-, inställnings- och felsökningsproblem, men dess huvudsakliga syfte var att ta itu med stabilitetsfrågor som rapporterats i brev från läsarna. Förutom det extra frekvenskompensationsnätet , en förspänningspotentiometer och en ny, indirekt uppvärmd likriktarventil som inte fanns tillgänglig 1947, förblev kretsen densamma. I oktober 1949 – januari 1950 och maj 1952 publicerade Williamson en serie artiklar om matchande förförstärkarsteg och kortfattade "Svar på frågor" om montering och testning. En samling artiklar som publicerades av Williamson 1947–1950 trycktes som en fristående 36-sidig broschyr 1952, med en andra upplaga 1953. Själva Williamson-förstärkaren, som beskrivs i augusti 1949-numret av Wireless World, förblev oförändrad .

Reception

"Förstärkare till slutförstärkare". Radio and Hobbies , Australien, mars 1948. Provet som visas här använder amerikanska 6SN7- och 807-ventiler och ett överskottschassi av en australiensiskt tillverkad radiosändare. Radio and Hobbies krediterade dock inte Williamson som författaren till originalet

Williamson-förstärkaren blev en omedelbar succé. Publiceringen sammanföll med återupptagandet av tv-sändningar, början av FM-sändningar , utgivningen av de första högtrogna grammofonskivorna (Decca ffrr och LP-skivan ), och "upptäckten" av den fångade tyska Magnetophon . De högtrohetsmedier som inte fanns på 1930-talet blev verklighet och allmänheten ville ha uppspelningsutrustning av matchande kvalitet. Off-the-shelf förstärkare tillgängliga 1947 var inte lämpliga för uppgiften. Samtidigt översvämmades marknaderna för elektroniska komponenter med militärt överskott , inklusive billiga amerikanska 6L6 och 807 kraftventiler. Ett tag var gör-det-själv-konstruktion det enda sättet att få high fidelity-förstärkning. Tusentals amatörer började kopiera Williamson-designen; de nödvändiga transformatorerna och chassin tillhandahölls snart av industrin.

I september 1947 anpassade australiensarna RH Astor och Fritz Langford-Smith Williamson-kretsen för amerikanska 6SN7- och 807-ventiler; en 6L6-variant följde snart. Brittisk och australisk press var enhälligt entusiastisk: "det överlägset bästa vi någonsin har testat ... extraordinär linjäritet och brist på harmonisk och intermodulationsdistorsion", "förstärkare till slut [alla] förstärkare", "absoluta toppar för att erhålla naturlig återgivning" och så vidare. Amerika släpade efter med ungefär två år: de första recensionerna dök upp under andra halvan av 1949 och var lika gratis. Amerikanska företag anpassade kretsen till lokalt tillgängliga komponenter och började snart importera "premium" brittiska ventiler och transformatorer och lanserade därmed marknaden för brittisk hi-fi i USA. I slutet av 1949 blev Williamson-förstärkaren en universellt erkänd referensdesign och en startpunkt för alla ventilkonstruktioner som använder global återkoppling.

Spridningen av DIY-konstruktion och överflöd av publikationer riktade till amatörerna hade en solid ekonomisk orsak: fabrikstillverkad elektronik på 1940-talet var för dyr. Branschen har ännu inte omorganiserats för massproduktion av prisvärda konsumentprodukter. Hembygget av ventilelektronik var relativt enkelt och utlovade avsevärda besparingar. Antalet hemmagjorda Williamson-förstärkare uppskattas till åtminstone hundratusentals; de dominerade absolut gör-det-själv-scenen i engelsktalande länder. Stereo har inte kommersialiserats ännu; nästan alla överlevande Williamson-förstärkare är mono . Var och en skiljer sig i mindre detaljer, monteringskvaliteten är vanligtvis sämre än fabrikstillverkade modeller. Under 2000-talet säljs dessa monoförstärkare vanligtvis på onlineauktioner, men att hitta ett matchande par är nästan omöjligt.

Småskalig fabrikstillverkning i Storbritannien började i februari 1948; första stora tillverkaren, Rogers , tillkännagav produktion i oktober 1948. I början av 1950-talet dominerade Williamson-förstärkaren fabriksproduktionen i både Storbritannien och USA; John Frieborn från Radio-Electronics skrev 1953 att "sedan Williamson publicerade den första beskrivningen av sin högkvalitativa ljudförstärkare hade andra ljuddesigners två uppenbara val, att slå honom [Williamson] eller gå med honom."

Design egenskaper

Specifikationer

  • Rörkomplement, 1947 version: 4x L63 (vardera motsvarar 6J5 ), 2x KT66, 1x U52 direktuppvärmd likriktare. 1949 års version förutsåg också användningen av 6SN7 eller B65 dubbla trioder, och ersatte likriktaren med 53KU indirekt uppvärmd typ;
  •   Uteffekt och maximal distorsion: 15 W RMS vid högst 0,1 % THD ;
  • Intermodulering : ej specificerad (Williamson hade inte den nödvändiga testutrustningen);
  •      Frekvensområde: 10-20000 Hz vid ±0,2 dB; 3-60000 Hz vid ±3 dB;
  •   Fasförskjutning inom 10-20 000 Hz: "överskrider aldrig några grader" vid extremerna av ljudspektrum;
  •   Brus och brum : -85 dB under maximal uteffekt, nästan helt bestående av nätfrekvensbrum.

Topologi

1949 års version av Williamson-kretsen. Strömförsörjningskomponenter utelämnade. AC-spänningar vid 15 W uteffekt, specificerad av Williamson i toppvolt, visas omräknade till effektiva sinusvolt. Värdet på återkopplingsmotståndet X beror på belastningsimpedansen (två alternativ visas)

Williamson-förstärkaren är en fyrstegs, push-pull, klass A triodventilförstärkare byggd kring en högkvalitativ bredbandstransformator. Dess andra (concertina-typ fasdelare, V1B), tredje (driver, V2A och V2B) och fjärde (utgång, V3 och V4) steg följer Cockings kvalitetsförstärkarkrets . Det tillagda första steget (V1A) är en dedikerad felförstärkare , som kompenserar för förlusten av förstärkning orsakad av negativ återkoppling. Williamson optimerade arbetspunkter för varje steg för bästa linjäritet med tillräcklig överbelastningsreserv. Slutsteget är förspänt till ren klass A; traditionellt användes triodkopplade stråltetroder eller pentoder. Med amerikanska 807 eller brittiska KT66 ventiler (Williamson rekommenderade den senare typen) och specificerad strömförsörjning levererade förstärkaren 15 watt uteffekt. Ytterligare ökning av uteffekten, enligt Williamson, krävde användning av fyra utgående ventiler; hans artikel från 1947 nämner konstruktionen av en 70-watts prototyp.

Plattan för det första steget och fasdelarens rutnät är anslutna direkt. Denna konfiguration, känd sedan 1940, var fortfarande ovanlig 1947; Amerikanska designers ansåg att det var en nyhet även i början av 1950-talet. Fasdelare, drivenhet och slutsteg är kapacitivt kopplade . Katodbypass-kondensatorer saknas: Williamson, som Cocking före honom, försökte linjärisera prestandan med öppen slinga för varje steg och offrade medvetet vinst för linjäritet; han var också bekymrad över potentiell lågfrekvent instabilitet som introducerades av extra kapacitanser. Kretsen i antingen 1947 eller 1949 variant innehåller inga elektrolytiska kondensatorer ; dess strömförsörjning använder ett CLC π-filter med två 8 µF papperskondensatorer, med ytterligare ett LC-filter som matar de tre första stegen.

Derivatdesigner från 1950-talet avvek ofta från Williamsons rekommendationer samtidigt som han behöll sin fyrastegstopologi. Enligt Peter Stinson räcker inte detta ensamt för att kallas en Williamson-förstärkare. En äkta Williamson-förstärkare måste uppfylla fem kriterier samtidigt:

  1. Alla fyra stegen måste använda trioder; slutsteget kan använda triodanslutna tetroder eller pentoder;
  2. Slutsteget måste fungera i klass A;
  3. Fasdelaren måste kopplas direkt till ingångssteget;
  4. Utgångstransformator av hög kvalitet måste överensstämma med den ursprungliga Williamson-specifikationen;
  5. Global negativ återkopplingsslinga måste anslutas från transformatorn sekundär till katoden på ingångstrioden och vara exakt 20 dB djup.

Respons

20 dB (tio-till-ett) återkopplingsslinga på Williamson-förstärkaren sveper runt alla fyra stegen och utgångstransformatorn. Enligt Richard C. Hitchcock, "är detta ett allvarligt test av design och är en av de enastående egenskaperna hos Williamson-kretsen." Williamson skrev att återkopplingsdjupet lätt kan ökas från 20 till 30 dB, men de hörbara förbättringarna av djupare återkoppling kommer att bli allt mindre .

Alla frekvenskompensationskomponenter är placerade i kretsens första och andra steg: deras lokala utjämnings-RC-filter ändrar subtilt frekvenssvaret vid infraljudsfrekvenser. Ett extra RC-filter i det första steget, introducerat av Williamson i 1949 års version, förhindrar svängningar vid ultraljudsfrekvenser. Återkopplingsspänningsdelaren man ändra delningsförhållandet. Spänningsdelaren är rent resistiv, utan kapacitiva eller induktiva frekvenskompensationskomponenter. Enligt Williamson är en kondensator som shuntar det övre benet på avdelaren endast nödvändig för transformatorer av sämre kvalitet; om transformatorn matchar krav som Williamson ställt är kondensatorn värdelös.

Transformator

Williamson var säker på att utgångstransformatorn är den mest kritiska komponenten i alla ventilförstärkare. Redan innan global återkoppling tillämpas är transformatorn ansvarig för minst fyra typer av distorsion. Deras orsaker kan inte åtgärdas samtidigt, och designern måste göra en kompromiss mellan motstridiga krav. Global feedback undertrycker delvis distorsion, men skärper också kraven på transformatorns bandbredd .

Stabilitetsteorin förutspådde att en förstärkare byggd enligt Williamsons specifikationer endast kunde vara stabil om bandbredden på dess utgångstransformator var inte mindre än 2,5...160000 Hz. Detta var opraktiskt brett för en ljudförstärkare och krävde en exceptionellt stor, komplex och dyr transformator. Williamson, som letade efter en fungerande lösning, var tvungen att minska fasmarginalen till ett absolut minimum; även då måste den erforderliga bandbredden vara inte mindre än 3,3...60000 Hz. En sådan transformator, driven av ett par triodkopplade KT66, måste ha en primärlindningsinduktans på minst 100 H , och en läckinduktans på högst 33 mH. Dessa var extremt krävande specifikationer för perioden, som vida överträffade allt som finns på konsumentmarknaden. Williamson -transformatorerna måste vara tyngre, större, mer komplexa och dyrare än vanliga ljudtransformatorer, och ändå kunde de bara garantera minimalt acceptabel stabilitet. En bredare fasmarginal, skrev Williamson, var mycket önskvärd men krävde absolut opraktiska värden för primär induktans.

Överbelastningsbeteende

Ventilförstärkare med kapacitiv koppling mellan drivsteget och slutsteget klämmer inte på samma sätt som transistorförstärkare (t.ex. klämmer ut spänning till en av matningsskenorna). Istället kvävs de när stora signalsvängningar intermittent försöker förspänna utgångsventilernas rutnät över noll. Positivt förspända nät börjar leda, men kopplingskondensatorerna kan inte leverera erforderlig ström. Nätspänningarna når inte målvärdena, utgående vågform planar ut.

Återkoppling försöker övervinna choking genom att öka drivspänningssvängningen, men misslyckas eftersom kopplingskondensatorer inte fysiskt kan passera likström . Det resulterande förvrängningsmönstret, som Williamson bevisade med fotokopior av oscillogram och Lissajous-kurvor , är "av den önskvärda typen", dvs. med abrupt insättande av distorsion vid ytterligheterna av annars mycket linjära svarskurvor.

Stabilitetsproblem

Ytterligare information: Stabilitetsteori , Nyquists stabilitetskriterium och frekvenskompensation
Frekvens, fas och transientsvar för olika Williamson-förstärkare
Williamsons design från 1949. Streckade linjer: öppen loop-respons, heldragna linjer: sluten loop-respons. Resonansstötar vid låga och höga ytterligheter indikerar smala fasmarginaler
Kommersiell förstärkare med högkvalitativ transformator, US NRL- mått
Kommersiell förstärkare med en sämre transformator, US NRL- mått

De första försöken att bygga Williamson-förstärkaren avslöjade dess tendens att svänga på grund av mycket smal fasmarginal . Astor och Langford-Smith, som gav Williamson utmärkta betyg, rapporterade att "för ganska stora utsignaler vid låga frekvenser skulle en högfrekvent oscillation på cirka 60 kC/s [kHz] börja och åtföljas av en pulsad utsignal av någon annan frekvens". Australierna, beväpnade med förstklassig testutrustning, undertryckte 60 kHz-svängningen med små kondensatorer på skärmnäten , men kunde inte identifiera och undertrycka orsaken till "några andra" svängningar. Senare undersökte tekniker från United States Naval Research Laboratory sju olika kommersiellt tillgängliga Williamson-förstärkare och fann att alla svängde vid infraljudsfrekvenser på 2...3 Hz. Byte av utgångstransformatorer påverkade stabiliteten endast vid ljud- och ultraljudsfrekvenser. De bästa transformatorerna visade perfekt platt frekvenssvar från 10 till 100 000 Hz, men var också benägna att "andas" infraljud. De värsta transformatorerna visade framträdande ultraljudsresonanser som dock inte orsakade ihållande svängningar. Vissa "ringade" vid relativt låga frekvenser på 30 till 50 kHz, andra sträckte sig till 500...700 kHz intervall.

Specialbyggda Williamson-transformatorer var ofullkomliga, men standardtransformatorer för allmänna ändamål som användes av amatörer var mycket värre. Deras resonanser kunde bara tämjas genom att minska förstärkarens bandbredd. Omfattningen av stabilitetsproblem i gör-det-själv-gemenskapen är fortfarande okänd: redaktörerna för Wireless Worlds översvämmades med läsarbrev, men föredrog att omdirigera dem till Williamson. Vad som är känt är att uppfinnaren var tvungen att revidera och förbättra designen; han tog ledigt från sitt jobb på Ferranti och presenterade den andra versionen av Williamson 1949. Williamson kunde inte fixa det grundläggande stabilitetsproblemet; den "nya versionen" var knappt stabil. Oberoende analys publicerad i december 1950 visade att den reviderade Williamson-förstärkaren förblev utsatt för både infraljuds- och ultraljudsvängningar.

  Enligt analysen formas infraljudsresponsen med öppen slinga hos Williamson-förstärkaren av tre högpassfilter : två mellanstegs RC-filter , vart och ett med en gränsfrekvens på 6 Hz, och utgångssteget RL-filtret , bildat av ventilernas utgång impedanser och transformatorns primära induktans. Vid noll insignal har det olinjära RL-filtret en gränsfrekvens på 3 Hz. Denna kombination av gränsfrekvenser, insvept i en 20–30 dB frekvensslinga, är instabil. Williamson försökte undertrycka det med ett kompensationsnätverk, som också fungerade som ett utjämningsfilter . Transformatorns olinjäritet förbättrade också stabiliteten: vid höga signalströmmar ökade den effektiva induktansen för primären, vilket orsakade en minskning av gränsfrekvensen och en ökning av fasmarginalen. Den enklaste lösningen var att sprida isär gränsfrekvenserna för RC-filtren, förutsatt att utgångstransformatorn överensstämmer med Williamson-specifikationen. Till exempel hade 1952 Ultralinear Williamson av David Hafler och Herbert Keroes dessa frekvenser inställda på 1,3 och 6 Hz.

Exakt analys vid ultraljudsfrekvenser är omöjlig på grund av fasdelarstegets asymmetri och okända parasiter och olinjäriteter hos slutsteget. Beroende på den valda analysmodellen kan öppen-loop-svar ungefär approximeras med en kombination av antingen fyra eller fem lågpassfilter. Olika författare använde olika tillvägagångssätt och uppskattade något olika cutoff-punkter för dessa filter, men i varje fall låg minst tre av fyra eller fem cutoff-frekvenser farligt nära varandra, vilket var ett visst tecken på instabilitet. Williamson, återigen, fixade problemet med ett RC-kompensationsnätverk, men även då förblev fasmarginalen farligt låg. DIYers var tvungna att ta itu med svängningar själva: vissa lade till shuntkondensatorer till skärmnäten, andra finjusterade layout och ledningar, eller minskade medvetet förstärkarens bandbredd, vilket förnekade fördelarna med den ursprungliga kretsen.

Komponentproblem

Brittiska KT66 stråltetroder från General Electric Company . Erfarenheten har visat att amerikanska avbytare inte var en jämn match för den ursprungliga KT66:an.

Williamson-förstärkaren var mycket känslig för kvaliteten och parametrarna hos passiva komponenter och ventiler. Kol- och kompositionsmotstånd genererade överdrivet brus och orsakade harmonisk distorsion; Amerikanska ventiler som användes som substitut för de brittiska typerna som specificerats av Williamson kunde inte matcha deras prestanda. Williamson varnade för att KT66 inte har några direkta substitut och bör föredras framför alla alternativ.

  Amatörer som kopierade Williamson-förstärkaren kunde inte identifiera och fixa dess kritiska svaga punkter. En amatör beväpnad med en analog multimeter kunde "se" infraljudsvängningar genom att titta på instrumentnålen, men för att åtgärda högfrekvensproblem krävdes ett oscilloskop med bandbredd på minst 1 eller 2 MHz bandbredd. På 1950-talet var bandbredderna för många kommersiella oscilloskop för snäva för uppgiften, och även dessa modeller var för dyra för gör-det-själv.

Artiklar av professionella ingenjörer som handlar om analys och finjustering av Williamson-förstärkaren publicerades relativt sent, när den ursprungliga gör-det-själv-entusiasmen redan hade avtagit - 1952, 1957, 1961. Martin Kiebert, som byggde professionella Williamson-förstärkare för sitt laboratorium på Bendix Corporation , identifierade fem källor till distorsion orsakad av sämre komponenter förutom transformatorn:

  1. Överdrivet brus och elektromagnetiska störningar orsakade av bullriga kol- eller sammansättningsmotstånd och felaktig layout av det första steget. Ersättning av motstånd som specificerats av Williamson med trådlindade motstånd kan förbättra signal-brusförhållandet med 12 dB . Ersättning av 6SN7 med lågbrus 12AY7 kan få ytterligare 12 dB ;
  2. Frekvens och harmonisk distorsion orsakad av asymmetri hos passiva komponenter på två sidor av en push-pull-krets. Typiska komponenter från 1950-talet hade 20 % toleranser, vilket var oacceptabelt högt för Williamson;
  3. 6SN7 - drivsteget kunde ofta inte svänga KT66-gallerna ordentligt, vilket orsakade överdriven distorsion. Enligt Kiebert var den amerikanska 5687 dubbeltrioden klart överlägsen. Enligt Talbot Wright var det inget fel på 6SN7 - distorsion orsakades av felaktigt inställd stående ström och kunde förbättras genom en enkel ökning av förspänningen;
  4. Distorsion i återkopplingsspänningsdelaren . Denna kritiska funktion krävde trådlindade motstånd med låg distorsion;
  5. Distorsionen påverkades tydligt av valet av utgående ventiler, men Kiebert kunde inte identifiera några specifika regler.

Kiebert betygsatte designen positivt men varnade läsarna för att det bara är möjligt att följa Williamsons instruktioner i en laboratoriemiljö. Förstärkaren avslöjar sin potential endast med dyra, korrekt matchade komponenter som var utom räckhåll för en genomsnittlig amatör. Även en perfekt byggd och testad Williamson-förstärkare skulle förr eller senare behöva byta ventiler, vilket med stor sannolikhet skulle orsaka en oväntad ökning av distorsion.

Varianter och derivat

EICO HF-20 integrerad förstärkare, en av många billiga amerikanska Ultralinear Williamsons . Förutom ultralinjär 6L6-utgång avviker den från originalet genom att ha katodbypass- och frekvenskompensationskondensatorer i slutsteget, och ett billigt CRC-strömförsörjningsfilter istället för CLC.

Efter 1950 producerade industrin många derivat av Williamson-förstärkaren, som ofta avviker avsevärt från de principer som dess skapare skisserade. 1950 shuntade Herbert Keroes gemensamt katodmotstånd i sin 807- förstärkare med en stor elektrolytisk kondensator som, enligt Keroes, avsevärt minskade distorsion vid hög uteffekt. I motsats till rekommendationer från Cocking och Williamson använde Keroes och hans partner David Hafler katodshuntkondensatorer i de flesta av sina konstruktioner; 1956 blev detta tillvägagångssätt de facto industristandard. Samma 1956 använde Hafler fast bias i sin EL34 Williamson. Senare blev fast bias en stapelvara i sovjetiska och ryska Williamson-liknande konstruktioner som använde exotiska utgångsventiler som 6C4C direktuppvärmd triod, GU- 50 generator pentode eller 6P45S horisontell avböjningstetrode .

    Under hela 1950-talet, när priserna på kondensatorer sjönk, ökade designers stadigt sina värden. Den ursprungliga Williamson-förstärkaren använde 8 μF papperskondensatorer; 1952 använder Kiebert 40 μF elektrolytik; 1955 års referensdesign av Keroes använde minst 250 μF bypass-kondensatorer; 1961 års budgetförstärkare av Wright använde totalt 600 μF . Designers av den kommersiella Bell 2200-förstärkaren (1953) ersatte direktkopplingen av de två första stegen med kapacitiv koppling; Stromberg -Carlson AR-425 (även 1953) använder ett utsteg i tetrodläge i en annars välbekant Williamson-topologi. Både Bell och Stromberg-Carson modifieringar försämrade stabiliteten ytterligare och krävde ytterligare frekvenskompensation. Konstruktörerna av Bogen DB20 (1953) gick ännu längre och kombinerade globala och lokala negativa återkopplingsslingor med positiv återkoppling i slutsteget.

I december 1951 började Hafler och Keroes att marknadsföra det ultralinjära stadiet - en metod för att fördela belastningen mellan anod och skärmnät av en pentod eller tetrod, uppfann av Alan Blumlein på 1930-talet. Ett ultralinjärt steg levererade 50 % till 100 % mer uteffekt än samma steg i triodanslutning, vid ungefär samma distorsion, och kostade mindre än ett rent pentod- eller tetrodsteg (det senare krävde en separat skärmnätförsörjning, den ultralinjära gjorde inte behöver det). Den första ultralinjära Williamson , som använde ett par 6L6 i en Williamson-liknande topologi, levererade 20 W ; deras andra modell, byggd kring mer kraftfulla 807-tetroder, levererade 30 W . Mycket snart fick den amerikanska allmänheten smak för högeffektsförstärkning, och industrin lanserade "race for Watts". 1955 erbjöd Hafler och Keroes, som nu arbetade separat, 60-watts modeller med par av 6550 tetroder eller kvartetter av KT66. Så på mindre än ett decennium, steg för steg, övergav industrin de principer som Williamson satte upp, men fortsatte att använda hans namn som ett bekvämt gratis varumärke . På 2000-talet används den till och med för förstärkare utan global negativ feedback; det enda de har gemensamt med den sanna Williamson-förstärkaren är fyrstegstopologin.

Efter framgångarna med Hafler och Keroes gjorde amerikanska tillverkare som Eico , The Fisher , Harman/Kardon och Marantz "föråldrade" krafttrioder och bytte till ultralinjära konstruktioner. Mullard , Storbritanniens största ventiltillverkare och leverantör av referensdesigner till den europeiska industrin, stödde offentligt nyheten. Williamsons tidigare arbetsgivare, General Electric Company , följde efter och publicerade en referens "30-Watt Williamson"-design byggd kring ett par ultralinjärt anslutna KT88 . Den ursprungliga Williamson-förstärkaren förlorade loppet, precis som alternativa konstruktioner av Peter Walker och Frank McIntosh . I september 1952 kom Williamson och Walker (då affärspartners i utvecklingen av Quad Electrostatic Loudspeaker ) överens om att det ultralinjära steget verkligen var att föredra i massproduktion. Williamson klev gradvis åt sidan från ljudteknik. Han försörjde sig genom att designa fräsmaskiner och flexibla tillverkningssystem , vilket senare gav honom val till Royal Society , och ansåg aldrig att ljuddesign var en seriös sysselsättning för sig själv.

  1956 följde de flesta produktionsförstärkare i Nordamerika den Ultralinear Williamson- mallen, men under de närmaste åren gick den också i pension. Den nya trestegsreferensdesignen kombinerade fasdelare och drivsystem i en ventil och kostar därför proportionellt mindre än fyrstegsförstärkare. Haflers Dynaco Stereo 70 , som följde denna topologi, blev den mest producerade ventilförstärkaren i historien. Den nordamerikanska konsumentmarknaden översvämmades av miljontals liknande, nästan identiska förstärkare och mottagare med 25 till 20 W per kanal, såväl som kloner av mindre kraftfulla brittiska konstruktioner som Mullard 5-10 . Annonser hävdade att dessa modeller presterade lika bra som den ursprungliga Williamson, med högre uteffekt och med garanterad stabilitet. Kunderna kunde inte verifiera dessa påståenden och var tvungna att förlita sig på lyssnartest, hörsägen och expertråd. Problemet åtgärdades delvis av konceptet subjektivt lyssnande , som framhölls av Hafler och Keroes redan 1951: "Utmärkta mätningar är ett nödvändigt men inte tillräckligt villkor för ljudkvaliteten. Lyssningstestet är ett av de viktigaste... det strängaste testet av alla". I slutet av 1960-talet antogs subjektivistiska synsätt av audiofiler och marknadsföringsfolk, som ivrigt glömde bort de objektiva principer som Williamson utarbetade på 1940-talet.

Objektivt sett matchade många konstruktioner av djupåterkopplingsventiler från 1950-talet eller översteg 0,1 % distorsionsklassning för Williamson-förstärkaren, men ingen kunde förbättra denna siffra avsevärt. Williamson hade funnit att ventilförstärkarens prestanda främst begränsades av utgångstransformatorn. Transistorförstärkare hade inte denna begränsning, och ändå tog det cirka 15 år att få deras prestanda till den nivå som uppnåddes av Williamson 1947.

Kommentarer

  •   Ferrari Pier Paolo - LEAK Audio Hi-Fi - Sandit Editore -Italien (2014) ISBN 978-88-97599-92-0 .
  •   Ferrari Pier Paolo - 1947: l'anno di Mr. Williamson - Sandit Editore - Italien (2013) ISBN 978-88-97599-46-3 .

Anteckningar

Källor

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Williamson_amplifier&oldid=1130309368 "