Williamsonův zesilovač je push- pull čtyřstupňový elektronkový audiofrekvenční výkonový zesilovač (UMZCH), vyvinutý během druhé světové války Theo Williamsonem . Se skromným výstupním výkonem 15 W a nízkou, i na poměry elektronkového vybavení, účinností se Williamsonův zesilovač od konkurenčního UMZCH lišil nízkou úrovní nelineárního a intermodulačního zkreslení, jednotnou amplitudově-frekvenční odezvou na celý zvukový frekvenční rozsah a efektivní tlumení akustických systémů (vysoký faktor tlumení ( Damping factor )). Publikováno v roce 1947 a zamýšleno pro samoopakování amatérskými radiotelegrafisty, design stanovil standard pro vysoce věrnou reprodukci zvuku a stal se plánem pro elektronkové obvody na konci 40. a 50. let [1] [2] .
Schematicky Williamsonův zesilovač zopakoval Cockingův obvod "vysokokvalitního zesilovače" , známý od roku 1934 , doplněný o obvod se společnou negativní zpětnou vazbou (CNF) a vstupním stupněm pro zesílení chyb . Vysoké charakteristiky zesilovače poskytly hluboké OOS , triodové spínání výstupních paprskových tetrod , konzervativně zvolené režimy provozu lampy a použití výstupního transformátoru s na svou dobu nezvykle širokou šířkou pásma .
Odvrácenou stranou výhod Williamsonova zesilovače byla náročná kvalita použitých součástek a sklon k samobuzení na infrazvukových a ultrazvukových frekvencích . Rezerva stability zesilovače byla příliš malá a bylo téměř nemožné ji zvýšit v rámci čtyřstupňového schématu. Konstruktéři 50. let vytvořili mnoho vylepšených verzí zesilovače Williamson , ale nedokázali napravit jeho základní nedostatky. V polovině 50. let sérioví výrobci UMZCH opustili obvod Williamson ve prospěch výkonnějších ultralineárních koncových stupňů a stabilnějších třístupňových obvodů .
V roce 1925 Edward Kellogg publikoval první praktickou metodu pro výpočet výstupních stupňů UMZCH na triodách a její teoretické zdůvodnění [4] . Podle Kellogga by přípustná úroveň nelineárního zkreslení v UMZCH mohla dosáhnout 5 % - za předpokladu, že úroveň zkreslení plynule narůstá a jejich spektrum obsahuje především nižší harmonické zesíleného signálu [4] . Limit navržený Kelloggem se stal de facto standardem pro konstruktéry meziválečného období [4] . Hlavním odběratelem a konzumentem v té době nejvýkonnějšího UMZCH bylo zvukové kino [4] ; Distributoři byli zcela spokojeni s primitivními push-pull zesilovači na bázi přímotopných triod s transformátorovými mezistupňovými spoji, pracujícími v ekonomickém režimu B [4] . Špičkové triodové zvukové stroje Western Electric 300A a 300B byly vzácné a také zůstaly v rámci 5% standardu [4] .
Na počátku třicátých let se konstruktérům společností RCA a Western Electric podařilo mnohonásobně zlepšit vlastnosti cest reprodukce zvuku a dosáhli úrovně vysoké věrnosti v laboratorních podmínkách , ale tento vývoj se nedostal do série [5] . Velká hospodářská krize , druhá světová válka a poválečný rozmach televize na dlouhou dobu oddalovaly zavádění nových technologií [5] . V polovině 30. let se mezi odborníky ustálil názor, že zdokonalování zesilovačů a akustických systémů je neúčelné, dokud optické fonogramy a šelakové desky nenahradí nové, kvalitní zvukové nosiče [6] .
Vývoj sériového zařízení se zastavil a radioamatéři, nespokojení s jeho kvalitou, se snažili dosáhnout vysoké věrnosti vlastními silami. Američané experimentovali s koncovými stupni na nejnovějších paprskových tetrodách . Australané preferovali tradiční push-pull triodové obvody se složitými a drahými mezistupňovými transformátory [7] . Britská škola konstruktérů, vedená Walterem Cockingem, tíhla k push-pull triodovým zesilovačům v módu A s kapacitní mezistupňovou vazbou [4] [8] . Mezistupňové transformátory byly považovány za nežádoucí, protože zužovaly šířku pásma a zhoršovaly přechodovou odezvu zesilovače v oblasti vyšších frekvencí [4] . Tetrody a pentody byly zamítnuty, protože vnášely do signálu více nelineárního zkreslení a měly větší vnitřní odpor než triody, což umocňovalo hlavní rezonanci reproduktorů [4] [9] . Návrhář UMZCH, tvrdil Cocking, musí současně minimalizovat jak frekvenční , tak fázové a amplitudové zkreslení signálu [4] [10] .
V roce 1934 vydal Cocking první návrh svého „vysoce kvalitního zesilovače“ ( anglicky: Wireless World Quality Amplifier ). Bez použití společné zpětné vazby se Cockingovi podařilo dosáhnout koeficientu nelineárního zkreslení UMZCH na 2 ... 3 %; Obvody NFB, pokrývající výstupní a předvýstupní stupeň (nikoli však výstupní transformátor), se v jeho dílech objevily až v roce 1943, ve „válečném zesilovači“ [comm. 1] na amerických paprskových tetrodách 6V6 [12] [comm. 2] . Na svou dobu mimořádně úspěšný Cockingův UMZCH se stal předchůdcem všech britských zvukových obvodů elektronkové éry, včetně zesilovače Williamson [4] .
V roce 1939 sestavil šestnáctiletý Theo Williamson svůj první push-pull zesilovač [13] . Ve stejném roce Williamson vstoupil na University of Edinburgh a na jaře 1943, když vrcholila válka , dvacetiletý Theo neuspěl ve zkoušce z matematiky a byl vyloučen ze třetího ročníku pro špatný pokrok [14]. . Pokus získat práci v tajném Institutu pro dálkovou komunikaci , který vyvíjel radarové stanice , se ukázal jako neúspěšný: hlavní personalista institutu C. P. Snow považoval kandidáta za neschopného výzkumné práce [ 14] . Fyzicky slabý, od dětství nemocný tuberkulózou , Williamson nepodléhal odvodu do aktivní armády [15] a vojenské úřady mu našly práci jako tester rádiových trubic v Marconi-Osram Valve [16] [ 14] . Vývoj a výroba lamp Williamson nebyl atraktivní; v dubnu 1944 se přestěhoval do Marconiho obvodové laboratoře [14] . S vědomím vedoucího laboratoře Williamson ve svém volném čase pracoval na vlastních amatérských projektech ve vývoji zesilovačů a snímačů ; zde během roku 1944 vytvořil zesilovač, který dostal jeho jméno [14] .
Podle myšlenek Cockinga [1] vytvořil Williamson svůj vlastní, mnohem přísnější systém požadavků na UMZCH:
Po analýze známých konfigurací koncových stupňů došel Williamson v návaznosti na Cocking [8] k závěru, že tento požadavek splňuje pouze koncový stupeň push-pull na triodách pracujících v režimu A [20] [1] . V tomto případě, na rozdíl od Cockingova schématu, musí být zesilovač pokryt celkovým OOS s hloubkou 20 ... 30 dB [20] [1] . Typické pro všechny obvody s hlubokou zpětnou vazbou [21] tvrdé omezení výstupního signálu, když vstupní signál dosáhne "stropu" [comm. 3] Williamson se nenechal zahanbit. Naopak, napsal, o to je třeba usilovat, aby se linearizovala přenosová charakteristika při středních a vysokých výkonech [19] . Měkká charakteristika " elektronového zvuku " [21] byla Williamsonem považována za nežádoucí [19] .
Podle teorie by byl zesilovač s charakteristikami danými Williamsonem zaručen jako stabilní, pokud by šířka pásma jeho transformátoru byla alespoň 2,5...160 000 Hz [22] . Williamson si uvědomil obtížnost vytvoření takového širokopásmového transformátoru a byl nucen snížit rozpětí stability; podle jeho výpočtů by zesilovač zůstal stabilní i při šířce pásma transformátoru „jen“ 3,3 ... 60000 Hz s fázovým posunem maximálně 90° [3] [1] . Při použití výstupních lamp s nízkým (2 ... 2,5 kΩ) vnitřním odporem je indukčnost [comm. 4] primární vinutí takového transformátoru by mělo být alespoň 100 H a svodová indukčnost - každé ne více než 33 mH [3] . Drtivá většina tehdejších výstupních transformátorů tyto požadavky nesplňovala; Williamsonovy transformátory se ukázaly být mnohem masivnější, složitější a dražší než konvenční [24] - a zároveň poskytovaly jen stěží dostatečnou rezervu bezpečnosti [25] . Většího rozpětí stability, napsal Williamson, bylo možné dosáhnout pouze znásobením indukčnosti primárního vinutí, což bylo ve 40. letech prakticky nedosažitelné [25] .
Trioda s přímým vláknem PX25 ze skrovné sady válečných lamp splnila požadavky Williamsona [comm. 5] a paprsková tetroda nepřímého ohřevu KT66 v inkluzi triody [27] . První vzorek jeho zesilovače Williamson sestavený na známém, od roku 1932 vyráběném [26] PX25 [28] . Lampy této generace byly již považovány za zastaralé; zpět na konci třicátých let byly nahrazeny ekonomičtějšími, ale méně harmonickými paprskovými tetrodami [28] . Ve druhém vzorku zesilovače použil Williamson paprskové tetrody KT66; po drobných úpravách se mu podařilo dosáhnout stejně vysokého výkonu z KT66 zařazeného do triodového režimu [28] . Nelineární zkreslení zesilovače na dvojici KT66 nepřesáhla 0,1 %, výstupní výkon dosahoval 20 W [28] [comm. 6] .
Na konci roku 1944 Williamsonovy experimenty zaujaly technické manažery Marconiho a nahrávací společnosti Decca . První poskytl Williamsonovi laboratorní vybavení, druhý poskytl unikátní prototypy desek nahraných pomocí nejnovějšího širokopásmového systému Decca ffrr [30] . Testovací nahrávky, které svou kvalitou předčily všechny tehdy dostupné zvukové nosiče, pomohly Williamsonovi při doladění zesilovače a nakonec ho přesvědčily o správnosti zvoleného přístupu [28] . Ale ani Marconi, ani její obchodní partner GEC [comm. 7] nehodlali sériově vyrábět zesilovač Williamson; vše se omezovalo na zprávy pro oficiální použití [30] [14] [31] . Design, který předběhl svou dobu, nezajímal ani právníky společnosti: nebylo v něm nic, co by se mohlo ucházet o patent [28] . Williamson pouze spojil dlouho známá technická řešení [1] .
Williamsonův zesilovač je čtyřstupňová triodová elektronka push-pull postavená na vysoce kvalitním širokopásmovém výstupním transformátoru [34] . Druhý ( fázový rozdělovač na triodě V1B), třetí ( předvýstupní budič , V2A a V2B) a čtvrtý (výstupní, V3 a V4) stupeň opakují obvod Cocking zesilovače. Přídavný vstupní stupeň triody V1A ( chybový zesilovač ) kompenzuje ztrátu zesílení způsobenou společnou zpětnou vazbou [35] .
Anoda vstupního stupně a mřížka fázového měniče jsou vzájemně galvanicky spojeny – toto řešení známé od roku 1940 bylo ještě v roce 1947 vzácné [36] . Američtí konstruktéři jej počátkem 50. let vnímali jako novinku [36] [37] . Fázový měnič, budič a koncový stupeň jsou propojeny kapacitními spojkami . Williamson ve snaze o maximální možnou linearizaci každého stupně (stejně jako Cocking) zásadně nepoužíval kondenzátory v katodových obvodech [38] . V původním zapojení nejsou žádné elektrolytické kondenzátory : vyhlazovací filtr zdroje je vyroben na tlumivkách a papírových kondenzátorech malé kapacity [38] .
Pracovní bod každého stupně je optimalizován pro minimální nelineární zkreslení s dostatečnou rezervou přetížení [35] . Koncový stupeň je nastaven na čistý režim A ; v praxi se většinou stavělo na stíněné výbojky v triodovém zapojení. Při použití výbojek KT66 nebo 807 byl výstupní výkon zesilovače se standardním zdrojem 15 wattů. Pro dosažení vyšších výkonů, napsal Williamson, je nutné použít výstupní stupeň s paralelně zapojenými lampami; v článku z roku 1947 zmínil konstrukci experimentálního sedmdesátiwattového modelu, ale neuvedl podrobnosti o tomto návrhu [39] .
Negativní zpětnovazební smyčka zahrnuje všechny čtyři stupně a výstupní transformátor – což bylo podle autorů American Radio Engineering Handbook z roku 1959 „ přísnou zkouškou designu “, kterou Williamson mistrně odolal [40] . Hloubka zpětné vazby je 20 dB; Williamson věřil, že hloubku FOS lze snadno zvýšit až na 30 dB [41] , ale neviděl v tom žádný praktický smysl [42] .
Zpětnovazební dělič napětí je připojen přímo na sekundární vinutí transformátoru, takže skutečná hloubka zpětné vazby závisí na zatěžovacím odporu. Aby to bylo požadovaných 20 dB, musí se odpor horního ramene děliče přizpůsobit zatěžovacímu odporu [41] . Dělič napětí je čistě odporový , bez frekvenčně závislých vazeb. Posunování děliče s kondenzátorem, napsal Williamson, by mohlo být praktické pouze tehdy, když byl použit nekvalitní transformátor; pokud transformátor splňuje Williamsonovu specifikaci, pak je kondenzátor v CFO obvodu k ničemu [43] . Všechny frekvenční korekční obvody zesilovače jsou soustředěny v prvních dvou stupních. RC filtry anodového napájení těchto kaskád současně korigují frekvenční odezvu v infra-nízkofrekvenční oblasti. Anodový RC filtr prvního stupně, představený Williamsonem v roce 1949, zužuje šířku pásma zesilovače shora a zabraňuje samobuzení na ultrazvukových frekvencích [1] .
Podle samotného Williamsona byl nominální výstupní výkon jeho zesilovače z roku 1947 15 wattů [39] . Koeficient nelineárního zkreslení (THD) sinusového signálu o frekvenci 400 Hz při jmenovitém výstupním výkonu nepřesáhl 0,1 % [39] , faktor tlumení byl asi 30 (výstupní impedance 0,5 ohmů při jmenovitém zatěžovacím odporu 15 ohmů) [39] . Nerovnoměrnost frekvenční odezvy ve frekvenčním rozsahu 10…20000 Hz nepřesáhla ± 0,1 Hz; v ultrazvukové oblasti byl patrný pokles frekvenční charakteristiky (-2,6 dB) pozorován pouze při rezonančním kmitočtu transformátoru (asi 60 kHz) [39] . Závislost SOI na frekvenci signálu a harmonické složení nelineárních zkreslení nebyly ve Williamsonových dílech odhaleny; závislost SOI na úrovni signálu je popsána pouze kvalitativně [39] . Williamson napsal, že intermodulační zkreslení zesilovače nebylo detekováno zařízením, které měl k dispozici, a nebylo slyšitelné [39] .
Podrobnější výsledky měření - jak na čistě aktivní fiktivní zátěži , tak při připojení skutečného reproduktoru v basreflexové ozvučnici - byly uvedeny v práci Astor a Langford-Smith 1947 [44] . Podle Australanů používajících 807 elektronek se stejným jmenovitým výstupním výkonem 15 ... 16 W v koncovém stupni zůstalo zesílení zesilovače nezměněno až do výstupního výkonu 11,1 W; s NFB s otevřenou smyčkou začal plynulý pokles zisku při výstupním výkonu 7 W [45] . Ve spektru zkreslení signálu 400 Hz dominovala třetí a pátá harmonická s výrazným (ale sluchem nepostřehnutelným) podílem druhé harmonické [45] . Při výstupním výkonu 0...3 W nebyly detekovány liché harmonické, při výstupním výkonu 4...10 W byla detekována pouze třetí harmonická (0,01...0,015 %) [45] . Kolem 11 W začal prudký nárůst úrovně lichých i sudých harmonických – celkem až 1,5 % při výstupním výkonu 17 W [45] . V přesném souladu s teorií byly ke zkreslení nejvíce náchylné frekvence v blízkosti hlavní rezonance reproduktoru (45 Hz) a frekvence pod ní; při frekvencích 100…1000 Hz byla zkreslení minimální a nad 1 kHz postupně narůstala [45] .
V únoru 1946 Williamson, již nevázán válečnými závazky, opustil Marconiho a odešel pracovat do edinburské pobočky Ferranti [47] . O pár měsíců později se jeho zapomenutá zpráva dostala do pozornosti obchodního oddělení Marconi [48] [14] . Podnikatelé, kteří hledají nové způsoby, jak propagovat elektronky na civilním trhu, předložili Williamsonovu zprávu k publikaci v populárním časopise Wireless World šéfredaktor, který Williamsona znal z předchozí práce, kontaktoval designéra a objednal mu plnohodnotný podrobný článek [48] [14] . Z neznámých důvodů bylo zveřejnění dohodnuté během roku 1946 několikrát odloženo; Williamsonův článek se objevil až v dubnu 1947 ve vydání Wireless World [48] [14] .
K překvapení všech zúčastněných měla novinka mimořádný úspěch [1] . Vydání se časově shodovalo s obnovením televizního vysílání , vydáním prvních širokopásmových desek [comm. 8] , první publikace o ukořistěných německých magnetofonech a počátcích frekvenčně modulovaného rozhlasového vysílání [comm. 9] ; brzy začalo i vydávání dlouhohrajících desek . Charakteristiky nejlepšího ULF dostupného v roce 1947 ( šířka pásma asi 40...10000 Hz s THD asi 1...2%) neumožnily odhalit potenciál nových formátů; na spotřebitelském trhu stále přetrvávala neuspokojená poptávka po vysoce kvalitním vybavení domácností [50] . Ve stejné době se na civilní trh dostala masa levných elektronických součástek z vojenských skladů - včetně výkonných tetrod 6L6 a 807 [51] . Tisíce amatérů začaly kopírovat Williamsonův návrh; v reakci na jejich požadavky začali výrobci transformátorů a podvozků hromadně vyrábět komponenty podle Williamsonovy specifikace [52] .
Již v srpnu-září 1947 adaptovali Australané Astor a Langford-Smith Williamsonův obvod pro dvojitou triodu 6SN7 a výstupní paprskovou tetrodu 807 a o něco později - pro paprskovou tetrodu 6L6 [53] . Britské a australské časopisy jednomyslně udělily obvodu vynikající hodnocení: „toto je nejlepší zesilovač, jaký jsme kdy testovali, s velkou rezervou [z analogů]“ [54] , „zesilovač, který pohřbí všechny ostatní zesilovače“ [46] , “ absolutní vrchol přirozené reprodukce hudby“ [55] a tak dále. Američané novinku přijali se zpožděním dvou let: první podrobné a stejně nadšené články o zesilovači Williamson se v USA objevily až v druhé polovině roku 1949 [56] [55] [37] . Na konci roku 1949 se Williamsonovo schéma již stalo uznávaným vzorem, na kterém byly založeny všechny odvozené obecné návrhy zpětné vazby [1] . Americké společnosti nejenže přizpůsobily obvod tak, aby vyhovoval součástkám dostupným v USA, ale také začaly dovážet britské elektronky KT66 a transformátory Williamson, čímž založily americký trh pro britské Hi-Fi [52] .
Rozsah amatérské „kreativity“ a množství publikací určených amatérům měly jednoduché ekonomické vysvětlení [57] . Tovární zařízení prvních poválečných let bylo příliš drahé; vlastní montáží zesilovače se ušetřilo značné množství [57] . Počet podomácku vyrobených zesilovačů Williamson se odhaduje na minimálně stovky tisíc kopií [14] ; v 50. letech absolutně ovládli amatérskou praxi v anglicky mluvících zemích [58] . Čas pro stereofonní zvuk ještě nenastal: téměř všechny dochované domácí zesilovače jsou monofonní, každý z nich se liší od svých protějšků v malých detailech, kvalita sestavení je obvykle nižší než sériové produkty [58] . V 21. století jsou pravidelně na internetových aukcích nabízeny k prodeji podomácku vyrobené zesilovače z 50. let, které je však velmi obtížné spojit do stereo páru [58] .
Tovární, zatím malosériová, výroba začala ve Spojeném království v únoru 1948; první velká firma, Rogers, oznámila vydání zesilovače Williamson v říjnu 1948 [59] . Na počátku 50. let Williamsonovo schéma absolutně dominovalo průmyslové výrobě na obou stranách Atlantiku [60] ; Podle Johna Freeborna, sloupkaře amerického časopisu Radio-Electronics , měli tehdejší profesionální designéři a výrobci pouze dvě možnosti – „buď následovat Williamsona, nebo ho překonat“ [61] .
Úplně první pokusy kutilů odhalily „vrozené nemoci“ nového schématu. Rozpětí stability stanovené konstruktérem bylo příliš malé: sestavené zesilovače, zdálo by se, v přísném souladu s autorovým receptem, neustále samobuzené [comm. 10] . V roce 1947 Astor a Langford-Smith, kteří udělili vynikající hodnocení zesilovači Williamson, uvedli, že „...připojením reproduktoru k výstupu jsme zjistili, že s dostatečně velkým nízkofrekvenčním [užitečným] signálem jsou netlumené oscilace s na výstupu dochází k frekvenci asi 60 kHz, doprovázené pulzujícím kolísáním na nějaké jiné frekvenci ( angl. some other frequency )“ [33] [comm. 11] . Australané potlačili vysokofrekvenční oscilace posunutím stínících mřížek výstupních lamp pomocí malých kondenzátorů; zjistit povahu "jiných" vibrací - navzdory prvotřídnímu laboratornímu vybavení [kom. 12] - neuspěli [33] .
Specialisté z US Navy Laboratory po testování sedmi různých sériových zesilovačů Williamson [comm. 13] , zjistili, že všechny byly samy buzeny na frekvencích řádově 2...3 Hz [66] . Výměna výstupních transformátorů změnila pouze chování zesilovače na středních a vysokých frekvencích; nejlepší vzorky vykazovaly dokonale hladkou frekvenční charakteristiku od 10 Hz do 100 kHz, ale „pulzovaly“ i na podzvukových frekvencích [67] . U nejhorších vzorků armáda pozorovala rezonanční „odskoky“, které se nezměnily v samobuzení, a na ultrazvukových frekvencích. Některé transformátory „zazvonily“ na relativně nízkých frekvencích 30...50 kHz, u jiných se rezonanční spektrum rozšířilo až na 500...700 kHz [68] . V amatérských konstrukcích postavených na "konvenčních" výstupních transformátorech bylo vysokofrekvenční samobuzení nevyhnutelné a mohlo být potlačeno pouze hrubou redukcí šířky pásma . Rozsah katastrofy v amatérské praxi není s jistotou znám: redaktoři Wireless World nezveřejnili dopisy od čtenářů, ale zaslali je samotnému Williamsonovi.
Poté, co dostal souhlas od vedení Ferranti, na chvíli přerušil hlavní práci a vrátil se k dolaďování zesilovače; výsledkem této práce byla druhá série článků v Wireless World, publikovaná v srpnu 1949 až lednu 1950 [69] . Změny na samotném obvodu byly minimální: Williamson pouze přidal RC vyrovnávací obvod na vstupní fázi; většina jeho prací v roce 1949 byla věnována složitosti instalace a ladění [69] [1] . Nezávislá analýza stability Williamsonova zesilovače, publikovaná v prosinci 1950, ukázala, že obvod byl skutečně náchylný k samobuzení na ultrazvukových i podzvukových frekvencích [70] [71] .
V nízkofrekvenční oblasti je amplitudově-frekvenční charakteristika zesilovače s otevřeným obvodem OOS tvořena třemi horními propustmi ( HPF) [72] [73] . První a druhý HPF, klasické RC filtry na bázi mezistupňových kondenzátorů, měly v autorské verzi stejné mezní frekvence 6 Hz [72] ; třetí HPF, tvořená vnitřními odpory výstupních lamp (2 ... 2,5 kOhm [comm. 14] ) a indukčností primárního vinutí transformátoru (100 H), v klidu měla mezní frekvenci asi 3 Hz [74] . S hloubkou zpětné vazby zvolené Williamsonem je taková kombinace tří HPF s blízkými mezními frekvencemi nestabilní; pro jeho stabilizaci zavedl Williamson do anodových obvodů prvního a druhého stupně frekvenční korekční RC obvody s časovými konstantami řádově 200 ms, které zároveň sloužily jako oddělovací výkonové filtry [74] . Dodatečnou stabilizaci zajistila nelinearita výstupního transformátoru: s rostoucím střídavým proudem v primárním vinutí se zvyšovala jeho efektivní indukčnost a zvyšovala se časová konstanta výstupního LR filtru [23] . Autorská verze Williamsona byla stabilní, ale jeho rozpětí stability bylo příliš malé - proto jak kutilové, tak výrobci sériových zesilovačů nevyhnutelně čelili samobuzení [35] . Nejjednodušším řešením problému – za předpokladu použití kvalitního výstupního transformátoru – bylo oddělení mezních frekvencí mezistupňových filtrů [35] [75] [76] , například v „ultralineárním Williamsonovi“ od Haflera. a Keros (1952) byly 1,3 a 6 Hz [35] [75] .
Ve vysokofrekvenční oblasti je přesný výpočet nemožný kvůli asymetrii stupně fázového měniče a zjevně neznámým parazitním kapacitám instalace a parazitním parametrům výstupního transformátoru v závislosti na konkrétní konstrukci [74] [73] . V závislosti na zvoleném modelu je pokles frekvenční charakteristiky na vysokých frekvencích tvořen buď čtyřmi [77] [35] nebo pěti [73] dolnopropustnými filtry . Autoři, kteří analyzovali Williamsonovo schéma, pracovali s různými mezními frekvencemi, ale ve všech případech byly alespoň tři ze čtyř frekvencí umístěny příliš blízko u sebe, což způsobilo nestabilitu jejich kombinace [77] [35] . Pro nápravu situace v roce 1949 Williamson snížil šířku pásma prvního stupně pomocí dodatečného frekvenčního korekčního obvodu, ale v praxi to nestačilo - rezerva stability byla stále malá [77] [78] . Svépomocí konstruktéři museli hledat východisko sami: někteří odsunuli stínící mřížky výstupních lamp pomocí dalších kondenzátorů, jiní zúžili šířku pásma výstupního transformátoru, šířku pásma děliče NFB nebo naopak optimalizovali instalace obvodu za účelem minimalizace parazitních kapacit [77] [78] .
Zesilovač Williamson se ukázal jako extrémně citlivý na kvalitu a přesnost výběru pasivních součástek a elektronek. Uhlíkové a kompozitní rezistory byly hlučné a generovaly nelineární zkreslení; Americké sériové lampy, široce používané místo L63 a KT66 používaných Williamsonem, nebyly nejlepší náhradou za britské lampy [81] [79] . Williamson varoval čtenáře, že KT66 nemá žádné přesné analogy a že by měl být preferován před jakýmikoli alternativami [82] .
Radioamatéři, kterým bylo Williamsonovo schéma určeno, nedokázali samostatně identifikovat a opravit všechny jeho problémové oblasti. Amatér, vyzbrojený avometrem, se mohl „podívat“ do infrazvukové oblasti pozorováním jehly přístroje [81] , ale aby mohl prozkoumat chování zesilovače na vysokých frekvencích, byl použit osciloskop s horní mezní frekvencí min. byl vyžadován 1 MHz [81] ... 2 [83] ; v 50. letech však byl osciloskop drahou, cenově nedostupnou novinkou a šířka pásma většiny modelů nebyla dostatečně široká [83] [81] .
Články profesionálních inženýrů věnované analýze a zdokonalování zesilovače Williamson vyšly poměrně pozdě, když vlna amatérského designu již opadla - v roce 1953 [84] , 1957 [85] , 1961 [79] . Inženýr Bendix Corporation M. V. Kibert, který postavil profesionální laboratorní zesilovač podle Williamsonova schématu, v něm identifikoval pět zdrojů zkreslení [86] :
Kibert chválil zvuk zesilovače, ale upozornil čtenáře, že všechny požadavky Williamsonova obvodu lze splnit pouze v laboratorních podmínkách [89] . Zesilovač odhaluje své schopnosti až při použití drahých, pečlivě vybraných součástek, což bylo v tehdejší amatérské praxi nemožné [89] . Perfektně vyladěný tovární zesilovač si dříve nebo později vyžádá výměnu výstupních elektronek, což může vést k nepředvídatelnému nárůstu zkreslení [89] .
Od srpna 1947 byly amatérským a později odborným tiskem publikovány desítky [90] variací zesilovače Williamson. První možnosti byly omezeny pouze na přizpůsobení obvodu jiným lampám dostupným na konkrétním regionálním trhu. Poté začaly publikace autorů, kteří se různými způsoby snažili zlepšit stabilitu původního obvodu a nejpozději v roce 1950 se objevily první projekty, které se výrazně odchylovaly od principů Williamsonových obvodů.
V roce 1950 Herbert Keros posunul celkový katodový odpor výstupních elektronek (807 tetrod) pomocí vysokokapacitního elektrolytického kondenzátoru — který, jak Keros tvrdil, značně snížil harmonické zkreslení při vysokém výkonu [91] . David Hafler a Keros použili toto řešení, v přímém rozporu s doporučeními Cockinga a Williamsona, ve většině svých návrhů; v roce 1956 se stal přijat jako standard [92] . Sám Hafler v roce 1956 šel ještě dále a ve svém „Williamsonovi“ na EL34 použil pevný offset [93] . Pevné předpětí použili sovětští i ruští konstruktéři Yu.Romanjuk (verze na přímotopných triodách 6C4C , 1965 [94] ), A. Baev (verze na generátorové pentodě GU-50 , 1977 [95] [96] ) , A. Manakov (varianta na lineární snímací tetrodě 6P45S , 90. léta 20. století [97] ).
Na počátku 50. let 20. století začali konstruktéři aktivně využívat vysokokapacitní kondenzátory také v anodových napájecích obvodech. 8 µF papírové kondenzátory používané Williamsonem byly nahrazeny 40 µF elektrolytickými kondenzátory [84] a ve Wrightově zesilovači z roku 1961 přesáhla celková kapacita antialiasingových filtrů 600 µF [98] . V sériovém zesilovači Bell 2200 [comm. 15] (1953), přímé zapojení prvních dvou stupňů bylo nahrazeno kapacitním [99] , v zesilovači Stromberg-Carlson AR-425 (1953) byl koncový stupeň postaven podle tetrodového obvodu. - se zachováním Williamsonovy čtyřstupňové topologie [100] . Nevyhnutelné zhoršení stability bylo kompenzováno dalšími obvody pro korekci frekvence [101] .
V prosinci 1951 začaly Hafler a Keros prosazovat používání takzvaných ultra -lineárních koncových stupňů. Pod chytlavým názvem se skrývalo schéma zapínání tetrody či pentody, vynalezené ve 30. letech 20. století Alanem Blumleinem , s rozložením užitečného zatížení mezi anodu a stínící mřížku. Se stejnými výstupními elektronkami dodal ultralineární zesilovač jeden a půl [102] – dvakrát více výkonu než Williamsonova čistá triodová kaskáda, při srovnatelné úrovni zkreslení a byl levnější než čistě pentodové zesilovače [60] . První "ultralineární Williamson" od Haflera a Keros na páru tetrod 6L6 , postavený podle čtyřstupňové topologie Williamsona [35] , vyvinul 20 W [103] , druhý na tetrodách 807 - 30 W [103] . Designéři, kteří pocítili chuť amerického trhu na velké kapacity, zahájili „závod ve zbrojení“; v roce 1955, již pracovali nezávisle, Hafler a Keros nabídli veřejnosti 60wattový UMZCH na tetrodách 6550 [104] a na dvojitém KT66 [105] .
A tak návrháři a výrobci během několika let krok za krokem ustoupili od klasického schématu a myšlenek Williamsona – nadále však používali jeho jméno. V literatuře 21. století se i konstrukce bez společné zpětné vazby nazývají Williamsonovy zesilovače [106] . Podle Williamsonova životopisce Petera Stinsona je to nesprávné; ve skutečném Williamsonově zesilovači musí být současně splněno pět podmínek [107] :
Američtí výrobci ( Eico , The Fisher , Harman / Kardon , Marantz a další) díky obchodní prozíravosti Haflera a Keros jeden po druhém opouštěli "zastaralé" výstupní triody a přecházeli na ultralineární obvod [9] . Mullard , největší britský výrobce lamp a průkopník evropských obvodů v 50. letech, novinku veřejně podpořil [108] . GEC , bývalý zaměstnavatel Williamsonu, zařadil své sbírky typických obvodů 30wattový „ultralineární Williamson“ s elektronkami KT88 . Zesilovač Williamson přes všechny své přednosti v konkurenci prohrál, stejně jako alternativní návrhy Petera Walkera ( Quad ) a Franka McIntoshe ( McIntosh Laboratory ) [110] . V září 1952 Williamson a Walker uznali porážku. Ve společně napsaném přehledovém článku došli k závěru, že v hromadné výrobě je výhodnější, ekonomičtější, ale také náročnější na kvalitu výstupního transformátoru, ultralineární obvod [56] [111] . Williamson, který se již stal uznávanou autoritou ve zvukové technice, se tím již nezabýval [14] . Zvuk byl pro něj jen koníčkem a celý jeho profesní život byl spojen s problematikou strojírenství . Náhodou navrhl obří frézky [112] , přesné optické senzory [113] , výrobní linky a numerické řídicí systémy [114] ; v historii elektroniky zůstal Williamson autorem jediného návrhu.
V roce 1956 byla většina sériových UMZCH na americkém trhu stále stavěna podle Haflerova čtyřstupňového „ultralineárního Williamsonova“ schématu [92] . Během dalších let také zmizel ze scény: čtyřstupňovou Williamsonovu topologii nahradil stabilnější a levnější třístupňový obvod s vyváženým fázovým rozbočovačem, který sloužil i jako budič výstupní lampy [115] . Třístupňový ultra-lineární zesilovač Dynaco Stereo 70 vyvinutý firmou Hafler se stal nejmasivnějším elektronkovým UMZCH v historii [116] . Spotřebitelský trh v USA zaplnily četné modely třístupňových UMZCH s výstupním výkonem 25 ... 30 W a klony méně výkonných britských zesilovačů Mullard 5-10 a 5-20 , lišících se pouze v malých detailech [115] . U všech těchto modelů se tvrdilo, že fungují stejně dobře jako původní zesilovač Williamson, s dvojnásobným výstupním výkonem a zaručenou stabilitou [115] . Právě tehdy na návrh téhož Haflera mezi americkými audiofily zesílil subjektivistický názor , že vlastnosti zesilovače nemohou sloužit jako měřítko jeho kvality, že o všem rozhodují pouze osobní pocity kvalifikovaného, vyškoleného posluchač [110] .
Zdánlivá jednoduchost zvukového inženýrského designu je iluzorní. Jen málokomu se to opravdu povedlo. Frank McIntosh udělal skvělý zesilovač. Williamsonovi z Anglie se podařilo vyrobit skvělý zesilovač. Modely Early Leak byly dobré. Všichni tito lidé se nehonili za penězi - jejich [hlavním] cílem bylo hrát hudbu doma. — Richard Sequerra, konstruktér přijímačů Marantz 10B a Day-Sequerra , 2009 [117]
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] Představa, že zvuk je jednoduchý a snadno proveditelný, je velkou fantazií. Je velmi málo lidí, kteří to kdy udělali opravdu dobře. Myslím, že Frank McIntosh udělal skvělý zesilovač. [DTN] Williamson v Anglii vyrobil skvělý zesilovač. I první Leaky byly nádherné. Cílem těchto lidí nebyly jen peníze, ale reprodukovat hudbu pro domácnost. Dnešním problémem je, že cílem návrhu je zisk. Hudba je k tomu vedlejší.
Ten samý "Williamson", kterého osobně stále považuji za nejlepšího ve své [generaci] ... - John Linsley Hood , 1994 [24]
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] 'Williamson', o kterém si soukromě stále myslím, že je nejlepší ze všechWilliamson nebyl prvním konstruktérem, který dosáhl vysokých objektivních charakteristik UMZCH. V roce 1947 již ve Velké Británii existovaly dva originální UMZCH návrhy srovnatelné kvality. V září 1945 Harold Leak oznámil vydání třístupňové, pokryté běžnou OOS UMZCH na triodách Leak Point One [118] [119] [comm. 16] ; v témže roce 1945 Williamsonův přítel, obchodník Peter Walker , publikoval schéma pro zahrnutí místního FOS do katodových obvodů výstupních pentod , které se vrátilo k předválečným myšlenkám Alana Blumleina [121] [122] . Walker i Leek se pokusili své návrhy komercializovat sami na uzavřeném, chudém trhu poválečné Británie; mimo zemi byla jejich práce prakticky neznámá. Williamson naopak adresoval své schéma širokému okruhu radioamatérů a právě to předurčilo jeho úspěch [123] [57] .
V publikacích v roce 1947 Williamson identifikoval potřebný a dostatečný rozsah ukazatelů, které charakterizují vysokou kvalitu reprodukce , a stanovil pro tyto ukazatele reálné, dosažitelné cílové hodnoty – obecně platné v 21. století [124] . Williamson na jedné straně stanovil pokyny pro konstruktéry zařízení, na druhé straně popularizoval znalost a porozumění těmto pokynům mezi profesionály a spotřebiteli [124] . Objektivní charakteristiky zesilovače Williamson se staly standardem, ke kterému se konstruktéři 50. let 20. století řídili a který v elektronkové éře [comm. 17] bylo téměř nemožné porazit [24] [125] . Williamson přesvědčivě dokázal, že harmonické zkreslení lze účinně snížit použitím hluboké zpětné vazby ve spojení s vysoce kvalitním výstupním transformátorem [126] . Podařilo se mu vytvořit dokonalý vzor, který vydržel až do přechodu průmyslu na tranzistory; vytvoření tranzistorového UMZCH schopného konkurovat za stejných podmínek Williamsonově zesilovači trvalo desetiletí a půl. Konstruktérům se podařilo překonat disonantní „ tranzistorový zvuk “ charakteristický pro zařízení 60. let až v polovině 70. let [127] .