Усили́тель Уи́льямсона — двухтактный четырёхкаскадный ламповый усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), разработанный в годы Второй мировой войны Тео Уильямсоном. При скромной выходной мощности в 15 Вт и низком, даже по меркам ламповой аппаратуры, коэффициенте полезного действия усилитель Уильямсона отличался от конкурировавших УМЗЧ низким уровнем нелинейных и интермодуляционных искажений, равномерной амплитудно-частотной характеристикой во всём диапазоне звуковых частот и эффективным демпфированием акустических систем (высокий дампинг-фактор ()). Конструкция, опубликованная в 1947 году и предназначенная для самостоятельного повторения радиолюбителями, задала стандарт высококачественного воспроизведения звука и стала образцом ламповой схемотехники конца 1940-х и 1950-х годов.

Схемотехнически усилитель Уильямсона повторял известную с 1934 года схему «высококачественного усилителя» Кокинга, дополненную цепью общей отрицательной обратной связи (ООС) и входным каскадом усиления ошибки. Высокие характеристики усилителя обеспечивались глубокой ООС, триодным включением выходных лучевых тетродов, консервативно выбранными режимами работы ламп и применением выходного трансформатора с необычно широкой для своего времени полосой пропускания.

Оборотной стороной достоинств усилителя Уильямсона была требовательность к качеству используемых компонентов и склонность к самовозбуждению на инфразвуковых и ультразвуковых частотах. Запас устойчивости усилителя был слишком мал, а увеличить его в рамках четырёхкаскадной схемы было практически невозможно. Конструкторы 1950-х годов создали множество усовершенствованных вариантов усилителя Уильямсона, но исправить его фундаментальные недостатки не смогли. К середине 1950-х годов производители серийных УМЗЧ отказались от схемы Уильямсона в пользу более мощных ультралинейных выходных каскадов и более устойчивых трёхкаскадных схем.

Предыстория

В 1925 году опубликовал первую практическую методику расчёта выходных каскадов УМЗЧ на триодах и её теоретическое обоснование. По мнению Келлога, допустимый уровень нелинейных искажений в УМЗЧ мог достигать 5 % — при условии, что уровень искажений нарастает плавно, а их спектр содержит преимущественно низшие гармоники усиливаемого сигнала. Предложенный Келлогом предел стал фактическим стандартом для конструкторов межвоенного периода. Главным заказчиком и потребителем наиболее мощных УМЗЧ в то время был звуковой кинематограф; прокатчиков вполне удовлетворяли примитивные двухтактные усилители на триодах прямого накала с трансформаторными межкаскадными связями, работавшие в экономичном режиме B. Лучшие образцы серийных звукоустановок на триодах 300A и 300B, производившиеся Western Electric, были редкостью и также оставались в рамках пятипроцентного стандарта.

В начале 1930-х годов конструкторы компаний RCA и Western Electric сумели многократно улучшить характеристики звуковоспроизводящих трактов и достигли в лабораторных условиях уровня высокой верности воспроизведения, но в серию эти разработки не пошли. Великая депрессия, Вторая мировая война и послевоенный бум телевидения надолго задержали внедрение новых технологий. В середине 1930-х годов в среде профессионалов утвердилось мнение, что совершенствование усилителей и акустических систем нецелесообразно до тех пор, пока на смену оптическим фонограммам и шеллаковым пластинкам не придут новые, высококачественные носители звука.

Развитие серийной аппаратуры приостановилось, а неудовлетворённые её качеством радиолюбители попытались добиться высокой верности самостоятельно. Американцы экспериментировали с выходными каскадами на новейших лучевых тетродах. Австралийцы предпочитали традиционные двухтактные схемы на триодах прямого накала со сложными и дорогими межкаскадными трансформаторами. Британская школа конструкторов во главе с Уолтером Кокингом тяготела к двухтактным усилителям на триодах в режиме A с ёмкостными межкаскадными связями. Межкаскадные трансформаторы считались нежелательными, так как сужали полосу пропускания и ухудшали переходную характеристику усилителя в области высших частот. Тетроды и пентоды отвергались, так как вносили в сигнал бо́льше нелинейных искажений и имели бо́льшее, чем триоды, внутреннее сопротивление — что усугубляло основной резонанс громкоговорителей. Конструктор УМЗЧ, утверждал Кокинг, должен одновременно минимизировать и частотные, и фазовые, и амплитудные искажения сигнала.

В 1934 году Кокинг опубликовал первый вариант своего «высококачественного усилителя» (). Не используя общей обратной связи, Кокинг сумел довести коэффициент нелинейных искажений УМЗЧ до 2…3 %; цепи ООС, охватывающие выходной и предвыходной каскады (но не выходной трансформатор), появились в его работах лишь в 1943 году, в «усилителе военного времени» на американских лучевых тетродах 6V6. Чрезвычайно удачный для своего времени УМЗЧ Кокинга стал прародителем всей британской звуковой схемотехники ламповой эпохи, включая усилитель Уильямсона.

Разработка В 1939 году шестнадцатилетний Тео Уильямсон собрал свой первый двухтактный усилитель. В том же году Уильямсон поступил в Эдинбургский университет, а весной 1943 года, в разгар войны, двадцатилетний Тео провалил экзамен по математике и был отчислен с третьего курса за неуспеваемость. Попытка устроиться в штат секретного , разрабатывавшего радиолокационные станции, обернулась неудачей: главный кадровик института Си Пи Сноу счёл кандидата неспособным к исследовательской работе. Физически слабый, с детства больной туберкулёзом Уильямсон не подлежал призыву в действующую армию, и военные власти подыскали ему работу тестировщика радиоламп в компании . Разработка и производство ламп Уильямсона не привлекали; в апреле 1944 года он перешёл в схемотехническую лабораторию . С ведома заведующего лабораторией Уильямсон в свободное время занимался собственными, любительскими проектами по разработке усилителей и звукоснимателей; здесь в течение 1944 года он и создал усилитель, получивший его имя.

Следуя идеям Кокинга, Уильямсон выстроил собственную, значительно более жёсткую систему требований к УМЗЧ: Нелинейные искажения должны быть пренебрежимо малы во всём частотном диапазоне сигнала и во всём диапазоне уровней сигнала — вплоть до предельной мощности. При разработке собственного УМЗЧ Уильямсон стремился, чтобы его КНИ не превышал произвольно выбранное значение в 0,1 % — на порядок меньше, чем у лучших современных образцов; Выходное сопротивление должно быть низким. Наилучшее демпфирование резонансов громкоговорителей обеспечивает идеальный источник напряжения с нулевым выходным сопротивлением, а в реальном УМЗЧ следует стремиться к тому, чтобы выходное сопротивление было в 20…30 раз меньше номинального сопротивления громкоговорителя; Полоса пропускания как на малых уровнях, так и на полной мощности, должна быть не у́же 10…20000 Гц, при пренебрежимо малом фазовом сдвиге; Коэффициент усиления должен быть стабилен. Модуляция коэффициента усиления входным сигналом абсолютно недопустима; Выходная мощность усилителя должна гарантировать достаточный запас для воспроизведения оркестровой музыки в бытовых условиях. Для УМЗЧ, нагруженного на электродинамический громкоговоритель в открытом ящике, достаточна мощность в 15…20 Вт, для рупорных громкоговорителей — 10 Вт.

Проанализировав известные конфигурации выходных каскадов, Уильямсон вслед за Кокингом пришёл к выводу, что этим требованием удовлетворяет лишь двухтактный выходной каскад на триодах, работающий в режиме А. При этом, в отличие от схемы Кокинга, усилитель должен быть охвачен общей ООС глубиной 20…30 дБ. Свойственное всем схемам с глубокой ООС жёсткое ограничение выходного сигнала при достижении входным сигналом «потолка» Уильямсона не смущало. Напротив, писал он, к этому следует стремиться ради линеаризации передаточной характеристики на средних и больших мощностях. Характерное для «лампового звука» мягкое ограничение сигнала Уильямсон считал нежелательным.

Согласно теории, усилитель с заданными Уильямсоном характеристиками был бы гарантированно устойчив тогда, когда полоса пропускания его трансформатора составляла как минимум 2,5…160000 Гц. Понимая сложность создания столь широкополосного трансформатора, Уильямсон вынужденно уменьшил запас устойчивости; по его расчётам, усилитель оставался бы устойчив и тогда, когда полоса пропускания трансформатора составляла «всего» 3,3…60000 Гц при сдвиге фаз не более 90°. При использовании выходных ламп с низким (2…2,5 кОм) внутренним сопротивлением индуктивность первичной обмотки такого трансформатора должна была быть не менее 100 Гн, а  — не более 33 мГн каждая. Абсолютное большинство выходных трансформаторов того времени этим требованиям не отвечало; трансформаторы «по Уильямсону» оказались намного массивнее, сложнее и дороже обычных — и при этом обеспечивали лишь едва достаточный запас устойчивости. Бо́льший запас устойчивости, писал Уильямсон, может быть достигнут только многократным увеличением индуктивности первичной обмотки, что в 1940-е годы было практически недостижимо.

Из скудного набора ламп военного времени требованиям Уильямсона отвечали триод прямого накала PX25 и лучевой тетрод косвенного накала в триодном включении. Первый образец своего усилителя Уильямсон собрал на хорошо известных, выпускавшихся с 1932 года PX25. Лампы этого поколения уже считались устаревшими; ещё в конце 1930-х годов им пришли на смену более экономичные, но менее благозвучные лучевые тетроды. Во втором образце усилителя Уильямсон использовал лучевые тетроды KT66; после незначительных переделок он сумел добиться от включённых в триодном режиме KT66 столь же высоких характеристик. Нелинейные искажения усилителя на паре KT66 не превышали 0,1 %, выходная мощность достигала 20 Вт.

В конце 1944 года опыты Уильямсона заинтересовали технических руководителей Marconi и звукозаписывающей компании Decca. Первые предоставили в распоряжение Уильямсона лабораторное оборудование, вторые — уникальные опытные образцы пластинок, записанных по новейшей широкополосной системе Decca ffrr. Тестовые записи, превосходившие в качестве все доступные тогда носители звука, помогли Уильямсону при доводке усилителя и окончательно убедили его в верности выбранного подхода. Но ни Marconi, ни её деловой партнёр не собирались выпускать усилитель Уильямсона серийно; всё ограничилось отчётами для служебного пользования. Конструкция, опередившая своё время, не представляла интереса даже для юристов компании: в ней не было ничего, что могло бы претендовать на выдачу патента. Уильямсон лишь свёл воедино давно известные технические решения.

Описание конструкции

Топология Усилитель Уильямсона — четырёхкаскадный ламповый пуш-пул на триодах, построенный вокруг высококачественного широкополосного выходного трансформатора. Второй (фазорасщепитель на триоде V1B), третий (предвыходной драйвер, V2A и V2B) и четвёртый (выходной, V3 и V4) каскады повторяют схему усилителя Кокинга. Дополнительный входной каскад на триоде V1А (усилитель ошибки) компенсирует потерю усиления, вносимую общей обратной связью.

Анод входного каскада и сетка фазоинвертора связаны между собой гальванически — это решение, известное с 1940 года, в 1947 году ещё было редкостью. Американские конструкторы воспринимали его как новинку и в начале 1950-х годов. Фазоинвертор, драйвер и выходной каскад соединены ёмкостными связями. Стремясь к максимально возможной линеаризации каждого каскада, Уильямсон (как и Кокинг) принципиально не использовал конденсаторы в катодных цепях. Электролитические конденсаторы в оригинальной схеме отсутствуют: сглаживающий фильтр питания выполнен на дросселях и бумажных конденсаторах небольшой ёмкости.