Лучшие компоненты для аудиотехники: Транзисторы

Время чтения: 22 минуты

Аудиотехника на электронных вакуумных лампах подходит не всем и не во всех ситуациях. Невзирая на качество звучания и недостижимую эстетику, ламповые усилители имеют малый коэффициент полезного действия, выделяют много тепла, громоздки, хрупки и дороги. Все эти отрицательные качества сдерживают применение ламп и открывают дорогу транзисторам в потребительской технике. Высококачественная американская, европейская и японская аппаратура «золотой эпохи аудио» (с конца 1970-х до начала 1990-х годов) базировалась на дискретных транзисторах, отчего имела сложную схемотехнику. Тогдашняя техника проектировалась с глубоким инженерным подходом, плодом которого стали модели усилителей с недостижимым даже для большинства современной аппаратуры качеством звучания.

Появившиеся раньше кремниевых, германиевые транзисторы были основой твердотельной электроники 1950–1970 годов. Тогда на их основе было сделано немало моделей усилителей, гитарных усилителей и педалей эффектов к ним, которые и сегодня считаются в числе лучших.

Около 80 лет назад два физика из Bell Telephone Laboratories — Джон Бардин и Уолтер Браттейн — использовав несколько золотых контактов и тонкую пластинку из германия, изобрели германиевый транзистор. Протекание слабого тока в цепи управляющего электрода, названного потом базой, управляет сильным током в цепи эмиттер-коллектор.

Другими словами, получившийся электронный прибор проявлял усилительные свойства. Его изобретение стало величайшим открытием XX века. Несмотря на ведущую роль германия в ранней истории, вскоре его вытеснил кремний.

Чистый металлический германий был впервые получен и описан немецким химиком Клеменсом Винклером в феврале 1886 года. Названный в честь родины Винклера, этот материал долгое время считался металлом с очень высоким удельным сопротивлением. Ситуация изменилась во время Второй мировой войны, когда были обнаружены полупроводниковые свойства германия — то есть его способность находиться как в состоянии очень низкого (проводящем состоянии) сопротивления, так и в состоянии очень высокого (непроводящем состоянии) сопротивления. В послевоенные годы произошёл бум развития твердотельной электроники на основе германиевых компонентов. Каждая из ведущих стран мира выпускала германиевые полупроводниковые приборы миллиардными тиражами. Но в итоге, ориентировочно с 1970 годов выпуск был прекращён и на место германия пришёл кремний, который лучше подходил в качестве основы зарождающейся отрасли производства интегральных микросхем.

Есть ещё веские причины лидирующего положения кремния. Во-первых, он гораздо больше распространён в земной коре, поэтому заметно дешевле германия. Во-вторых, у кремния шире запрещённая зона — энергетический барьер, который требуется преодолеть носителям заряда, чтобы транзистор начал пропускать ток. Чем шире запрещённая зона, тем сложнее току его преодолеть. Понятнее это выражается как большее рабочее напряжение и меньшие токи утечки. А в-третьих, повышенная теплопроводность кремния позволяет отводить большее количество тепла от кристалла, что важно для силовых полупроводниковых приборов.

Но вернёмся к теме статьи, а именно — к аудиотехнике. Почему же в ней (не массово, конечно) до сих пор используют германиевые приборы, а схемотехника усилителей на их основе, особенно гитарных и педалей эффектов «из прошлого века», считается благозвучнее? Создатель американской компании Keeley Electronics, создающей педали эффектов для электрогитар Роберт Кили ответил на это так:

«Забавно, но ограничения, приведшие к тому, что германиевые транзисторы вышли из употребления в крупномасштабном производстве электроники, являются теми же самыми свойствами, которые дают им такое великолепное звучание в гитарных педалях эффектов».

Меньшая ширина запрещённой зоны, меньшее падение напряжения на p-n-переходах, большая длина пробега носителей заряда, определённая линейность, особые шумовые и спектральные характеристики германиевых пп-транзисторов определили им, как и электронным вакуумным лампам, роль — высококачественное усиление (или, в случае гитарных педалей эффектов — предыскажение) звука. Ведь они:

Номенклатура доступных сегодня приборов не так уж и обширна, чтобы иметь возможность выделить из них те, что обладают «более особенным» звучанием в сравнении с другими. У производителей и DIY-щиков дело состоит даже не в выборе конкретного типа, а в подборе из имеющихся экземпляров тех, что обладают нужными параметрами, позволяющими ярче выразить все те качества, которые и создают «германиевое» благозвучное винтажное звучание.

Даже раньше «не стоящие вообще ничего» советские германиевые транзисторы сегодня популярны за границей как отличная элементная база для построения предусилителей и педалей эффектов для электрогитары.

Это одно из важнейших изобретений XX века, которое стало «спусковым крючком» технологической революции. Её плодами стали современная электроника, компьютеры, интернет и высококачественная аудиотехника.

До изобретения транзистора основными электронными приборами в электронике были электровакуумные лампы. Они были громоздкие, горячие, ненадёжные и имели низкую эффективность из-за нити накала, которой требовалось очень много электрической энергии. Но, как уже было упомянуто ранее, лампы очень хорошо подходили для работы в звуковой технике. А ламповая схемотехника определила стандарты техники высокого и сверхвысокого качества звука. Но описанные недостатки не позволяли ламповой аппаратуре стать компактной и мобильной. К 1940 годам стало ясно, что нужен эффективный и малогабаритный твердотельный заменитель лампы.

В 1947 году в Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) группа учёных создала первый работающий германиевый транзистор. Будучи ещё крайне примитивным, он уже всё же мог усиливать сигнал, имел небольшие размеры и вес, не требовал «много ампер тока» для накала и практически не выделял тепла.

Но германий имел серьёзные недостатки, такие как:

Для силовой электроники германий не подходил принципиально.

В 1950 инженеры начали активно исследовать полупроводниковые свойства кремния. Кремний оказался намного лучше, чем германий. Кристаллы кремниевых полупроводниковых приборов имели более слабую зависимость параметров от температуры, p-n-переходы имели низкую утечку, а высокая теплопроводность позволила обратить взор на разработку силовых (высоковольтных и сильноточных) электронных приборов. Но пока ещё существовала технологическая сложность выращивания химически чистых кристаллов кремния, которая была преодолена к концу 1950-х годов.

В конце 1950-х годов была разработана планарная технология изготовления кремниевых транзисторов. Ключевую роль в её создании сыграл инженер Fairchild Semiconductor Жан Эрни, а также американская компания Texas Instruments. Почти одновременно с ними производство наладили и другие «мастодонты» электроники, такие как Fairchild Semiconductor, Motorola, RCA и другие. Планарная технология производства полупроводников сделала возможным появление интегральных микросхем в частности и массовой электроники в целом.

Первые массовые кремниевые транзисторы были биполярными (BJT). Они быстро вытеснили электронные лампы в радиоприёмниках, телевизорах, усилителях и вычислительной технике. К 1960-м годам были разработаны малошумящие биполярные, высокочастотные и транзисторы высокой мощности для выходных каскадов.

В 1959 году инженеры Мохаммед Аталла и Дэвон Кан в Bell Labs создали первый полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET). Это стало «поводом» для ещё одной технологической революции. MOSFET имели огромное входное сопротивление, низкое энергопотребление и высочайшую на то время плотность интеграции. Позже именно MOSFET-ы стали основой всей микроэлектронной техники: микропроцессоров, микросхем памяти и других

В 1960–1970 увидели свет транзисторы специально для аудиотехники. Они имели очень высокую линейность, низкий уровень шума и выпускались комплементарными парами, которые уже «с завода» хорошо подходили для мощных двухтактных выходных каскадов. Особенно в этом направлении «отличились» японские производители, такие как Toshiba, Sanken Electric, Hitachi, NEC и некоторые другие, сделав огромный вклад в развитие аппаратуры класса Hi-Fi. В это время появились легендарные сверхмалошумящие полевики с управляющим p-n-переходом (JFET) Toshiba, латеральные MOSFET Hitachi, мощные транзисторные пары Sanken для выходных каскадов и многие другие.

В 1970–1990 инженеры начали замечать, что разные транзисторы имеют разный характер звучания. Осознание этого явления привело к появлению целых школ последователей определённых схемотехник, предпочитающих только определённые виды: MOSFET, JFET или BJT. Инженерные изыскания в этой области дали основную «пищу для размышления», к примеру, влияние не конкретных транзисторных числовых характеристик на звук, а линейность его вольт-амперной характеристики, спектральный вес каждой порождаемой гармоники, класс усиления и многие другие.

Сегодня кремниевые транзисторы достигли невероятного уровня развития:

Но до сих пор «старые добрые» Toshiba, Hitachi, Sanken, NEC считаются каноничными, а их присутствие в усилителе — серьёзной заявкой на победу.

Раз есть транзисторы, то потребуется их проверять и определять их параметры. Конечно, примитивная проверка исправности p-n-переходов выполнима обычным мультиметром, но грамотней взять специализированный тестер полупроводниковых приборов. Он способен выполнять проверку исправности, определить тип, цоколёвку и основные параметры диодов и транзисторов, а также резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и других компонентов. Подойдёт даже простейший RLC-T7, а со временем можно взять и Fnirsi DSO-TC3.

JFET, MOSFET применяют в аудиотехнике благодаря высокому входному сопротивлению, низкому уровню шумов и способности тонко передавать динамику сигнала. В сегменте Hi‑Fi и Hi‑End они решают разные задачи: JFET ценят за «аналоговую» мягкость и детальность — они хорошо подходят для предусилителей и фонокорректоров, а MOSFET (в том числе латеральные) часто ставят в выходные каскады, где важны термостабильность и характер перегрузки, близкий к ламповому.

Комплементарная пара JFET от Toshiba — лучшие полевики для предусилительных каскадов звуковой техники. Их ставили на платы дорогих усилителей, что неспроста. Они имеют низкий уровень шумов, высокое входное сопротивление, высокую крутизну вольт-амперной характеристики и способность чётко передавать мельчайшую динамику музыки без потери и размыливания.

Распространено мнение, что усилитель на 2SK170 и 2SJ74 приобретает звучание, близкое к ламповым усилителям с их характерной мягкой подачей — то есть тот «аналоговый» звук, который так все любят. Хотя транзисторы не выпускаются уже десятилетия и рынок наводнён их подделками, недостатков у них нет.

Отличительные качества пары 2SK170 и 2SJ74 позволили ставить их в аппаратуру высокого класса: предусилители, усилители-фонокорректоры, микрофонные предусилители и в дорогую студийную технику. Наиболее полно звучание раскроется при записи и прослушивании оркестровой музыки и вокала, где важны даже мельчайшие «частички звука».

В отличие от предыдущих моделей, JFE150 — современный сверхмалощумящий JFET-транзистор. Он имеет амплитуду шума около 0,8 нВ/√Гц и создавался специально для профессиональной аудиотехники, что наложило особенности на его звучание. Создаваемый им звук имеет бо́льшую нейтральность и скорость реакции; такой звук называют «менее живым».

Прозрачность и нейтральность звучания JFE150 делают его выбором для профессиональной студийной техники, такой как микрофонные предусилители, входные каскады микшерных пультов, усилительные каскады измерительной техники, применяемой в области звукозаписи. Но автор нередко встречал JFE150 в дорогих усилителях-фонокорректорах, где его применение немного спорно, но вполне допустимо.

Транзистор выпускается также в виде подобранной и термокомпенсированной пары для работы в балансных каскадах — её обозначение JFE2140.

Эта комплементарная пара — наиболее знаменитая пара латеральных MOSFET-транзисторов. Созданные для установки в выходные каскады Hi-Fi усилителей, они показывают неплохую термостабильность, мягкое (насколько это возможно) звучание при перегрузке, отсутствие теплового разгона (положительной температурной зависимости), а также перегрузочную характеристику, очень близкую к ламповой.

Обладают мягким, бархатным звучанием, которое ощущается как что-то «дорогое» и «роскошное». Выходные каскады многих усилителей 1970-х оборудовались Hitachi 2SK135 и Hitachi 2SJ50 (марки Sansui, Nakamichi, Luxman и другие).

Эта современная итерация Hitachi 2SK135 и Hitachi 2SJ50. Полное воспроизведение оригинальной технологии невозможно, но инженеры сумели сделать её настолько похожей по звучанию на оригинальную, что в методе слепого прослушивания разницу определить почти невозможно. Естественный тембр, превосходная микродинамика малейших штрихов в звуке, мягкость высоких частот и, чёрт возьми, доступность делают их выбором для применения в схемах выходных каскадов Hi-End усилителей и любительских проектов. Пожалуй, это лучшие выходные транзисторы, доступные сегодня.

Они современные, распространённые, дешёвые и великолепно звучат. Слушатели отмечают, что звучание усилителей, выходные каскады которых построены на IRFP240 и IRFP9240, имеет характерный плотный бас в сочетании с теплотой звучания и общей высокой энергетикой подачи звука.

Они больше для современных жанров, чем «утончённые» Toshiba с их тяготением к оркестровой музыке и вокалу. Многие известные инженеры использовали их в своих схемах, к примеру, Нельсон Пасс, а также нередко американские компании ставят их в свои серийные модели (Aleph, First Watt и другие).

Биполярные транзисторы (BJT) — один из столпов схемотехники аудиоусилителей: их ценят за высокую линейность, хорошую передачу динамики и предсказуемое поведение в разных каскадах. В аудиоприложениях их используют и в предварительных усилителях, где критичны низкий уровень шумов и точность передачи сигнала, и в выходных каскадах, где важны мощность, скорость и характер звучания под нагрузкой.

Начать рассмотрение биполярников можно с этой комплементарной пары — 2SC2240 и 2SA970, которую заслуженно называют одной из лучших пар транзисторов для предварительного усиления. Они обладают низким уровнем шумов, высочайшей линейностью и прекрасной работой в составе дифференциальных каскадов усилителей. Звучание их оценивают как очень живое, естественное с правильной передачей всех частот. Автор статьи много раз наблюдал их в предварительных усилителях «топовой» японской техники (Accuphase, Luxman, Sansui и Nakamichi), что свидетельствует о прекрасном звучании этой пары.

Европейская классика. BC550C и BC560C — массовые и недорогие приборы, которые встречаются где угодно. Сродни «нашим» КТ315 и КТ361. Но низкий уровень шумов и стабильность параметров позволяют устанавливать их в недорогую аудиотехнику, где нейтральное, честное, но слегка «куцее» звучание будет к месту.

За счёт широкой доступности их можно купить с запасом и подобрать наиболее близкие по параметрам пары, которые будут отлично работать в предусилителях и усилителях-фонокорректорах.

Японские 2SC2922 и SA1216 обосновались в выходных каскадах Hi-End-усилителей. Линейность, скорость отработки и безумно приятное звучание дали им право называться «легендарными». На их основе многие японские производители выпускали и выпускают «топовые» модели сверхдорогой аппаратуры.

Автор встречал их в Hi-End технике Accuphase, Luxman, Krell и Esoteric. Масштаб звучания, глубина баса, детальность и натуральность этой «сладкой парочки» не оставят слушателя равнодушным. Звук 2SC2922 и SA1216 — практически эталон для биполярников.

Если не заниматься поиском винтажных транзисторов, то есть современная пара от ON Semiconductor MJL3281A и MJL1302A. Недорогие, но надёжные и с широкой полосой пропускания, они стали стандартом де-факто разных любительских DIY-проектов усилителей. Если соберёте на их основе усилитель, то динамичное звучание с плотным «басовым» диапазоном обеспечено.

Конечно, как и BC550C и BC560C, их нельзя назвать лучшими в плане звука, но доступность и приемлемое качество звука делают их подходящими для конструирования отличной недорогой техники.

Пожалуй, популярнейшая пара выходных биполярников. Если попросят угадать, на каких транзисторах построен усилитель, то смело отвечайте «2SC5200 и 2SA1943». И будете либо правы, либо недалеки от истины! Немало DIY-проектов и серийно выпускаемой Hi-Fi техники средней цены (Yamaha, Denon, Marantz, Rotel и других производителей) взяли их как базу для построения выходных каскадов. Универсальное, прозрачное, яркое звучание подходит для музыки любых жанров: от медленного джаза, где важен каждый обертон контрабаса, до нынешней динамичной и спектрально насыщенной электронной музыки.

При работе с усилителями и с аудиотехникой необходим контрольный источник сигнала. Конечно, можно подключить звуковую карту компьютера или плеер с любимыми песнями, но лучше использовать генератор сигналов, который подаст на вход усилителя сигнал необходимой частоты и амплитуды. Выбор широк. На старте достаточно UNI-T UTG962E — он имеет необходимые характеристики, чтобы стать надёжным помощником при работе с аудиотехникой.