Black Knight — интегральный УМ на германиевых транзисторах от S.A.Lab
Black Knight: усилители на германиевых транзисторах давно будоражат умы аудиофилов и меломанов, но ни один серьёзный производитель, ни в России, ни за рубежом, не отважился применить их в современной технике. Новейшая разработка лаборатории Алексея Сёмина – смелый и, на мой взгляд, очень перспективный эксперимент в этой области.
Каковы достоинства «доисторических» полупроводников, в чём трудности их применения и как они могут звучать в бескомпромиссно реализованном проекте – вот вопросы, на которые нам предстоит ответить.
Выход за флажки
Любительских проектов на германиевых транзисторах много, в объявлениях можно встретить и мелкосерийные изделия домашнего производства, но в 99% случаев это будет повторение схем из «Радио» 60-х годов. Собранные на низкочастотных транзисторах с малым напряжением питания, они с трудом выдают 20 Вт при искажениях более процента.
Причина не только в схемотехнике из раздела «для начинающих», но и в менталитете радиолюбителей, упорно пытающихся создать что-то путное из деталей, купленных на барахолке. Но даже в таком исполнении германиевые усилители находят массу приверженцев и вызывают бурные обсуждения в Сети.
Прежде, чем мы перейдём непосредственно к «Чёрному Рыцарю», давайте посмотрим, что из себя представляет Ge, 32-й элемент таблицы Менделеева и чем он отличается от кремния. Этим вопросом мы задавались ещё 15 лет назад, когда к германиевой теме только-только проявился интерес. Вот сравнительная таблица параметров и короткий комментарий автора статьи «Германий превыше всего», опубликованной нами в 2003 году.
Сравнительная таблица
| Свойства | Германий | Кремний |
|---|---|---|
| Плотность, г/см³ | 5,323 | 2,330 |
| Атомный вес | 72,60 | 28,08 |
| Количество атомов в 1 см³ | 4,421022 | 4,961022 |
| Ширина запрещенной зоны, ЭВ | 0,72 | 1,1 |
| Диэлектрическая постоянная | 16 | 12 |
| Температура плавления, °С | 937,2 | 1420 |
| Теплопроводность, кал/см × сек × град | 0,14 | 0,20 |
| Подвижность электронов, см²/сек В | 3800 | 1300 |
| Подвижность дырок, см²/сек В | 1800 | 500 |
| Продолжительность жизни электрона, мксек | 100 — 1000 | 50 — 500 |
| Длина свободного пробега электрона, см | 0,3 | 0,1 |
| Длина свободного пробега дырки, см | 0,02 — 0,07 | 0,02 — 0,06 |
«Из таблицы видно, что подвижность электронов и дырок, продолжительность жизни электронов, а также длина свободного пробега электронов и дырок значительно выше у германия, а ширина запрещенной зоны ниже, чем у кремния. Известно также, что падение напряжения на переходе p-n составляет 0,1 — 0,3 В, а на n-p — 0, 6 — 0,7 В, из чего можно сделать вывод, что германий является гораздо лучшим «проводником», чем кремний, а следовательно, и каскад усиления на Ge имеет значительно меньшие потери звуковой энергии, чем аналогичный на Si».
Вывод, конечно, не совсем научный, но вполне логичный. Падение на p-n переходе – параметр действительно важный: германиевый транзистор открывается (начинает пропускать ток) при гораздо меньшем напряжении между базой и эмиттером, благодаря чему т.н. переключательные искажения в двухтактных каскадах практически отсутствуют. В схемах на кремнии от них можно избавиться лишь переводом выходных транзисторов в класс «А» со всеми вытекающими сложностями и затратами.
Так почему же ни одна компания в наше время не выпускает усилители на германии? Есть несколько серьёзных проблем, затрудняющих массовое производство, но вполне преодолимых при мелкосерийном изготовлении в России.
На выходе — 50-ваттные 1Т813, по две штуки в плече при суммарном токе коллектора 1 А, что позволило получить в каждом канале по 50 Вт мощности при полосе 10 Гц – 200 кГц.
Прежде всего, это дефицит самих транзисторов. Зарубежные производители полупроводников начали активно переходить на кремний в 60-х годах, и сейчас добыть германиевые в необходимых количествах нереально. В отличие от электронных ламп, возобновить их выпуск никто не додумался. В СССР транзисторы серий П, ГТ и 1Т выпускались чуть ли не до середины 90-х, запасы их до сих велики, и стоят они недорого. Для своего проекта Алексею, например, удалось купить 2000 шт. мощных 1Т813, чтобы отбирать четвёрки для выходных каскадов.
Кроме того, низкие предельные напряжения входных транзисторов не позволяют разогнать сигнал до амплитуды, необходимой для получения приемлемой по современным меркам мощности на выходе. В Black Knight эта проблема решена за счёт каскодов – двухэтажных каскадов на МП39Б и МП20 с отдельным питанием каждого «этажа». Далее следует фазоинвертор на ГТ404/402, а затем – драйвер на достаточно высоковольтных П605.
Усиление по току обеспечивается 50-ваттными 1Т813, по две штуки в плече при суммарном токе коллектора 1 А, что позволило получить в каждом канале по 50 Вт мощности при полосе 10 Гц – 200 кГц. Искажения при 25 ваттах на 20 кГц не превышают 0,05%, причём в их спектре вторая гармоника по амплитуде больше третьей. На предельной мощности усилитель клиппирует очень мягко, почти как ламповый. Общей обратной связи в схеме нет.
Ещё одна проблема германиевых транзисторов – склонность к появлению сквозных токов при повышении температуры кристалла и, как следствие, пробой перехода. В Black Knight, помимо внушительных теплоотводов, имеется продвинутая система защиты, построенная на микроконтроллере Arduino. Она отслеживает температуру, наличие постоянного напряжения на выходе и ток выходных каскадов.
Усилитель построен по принципу «двойное моно» с полным разделением питающих, сигнальных и земельных цепей. В каждом канале собственный тороидальный трансформатор мощностью 360 Вт, выпрямитель и банк сглаживающих конденсаторов ёмкостью 80 000 мкФ в каждом плече, т.е. всего 320 000 мкФ. При 3200 мкФ на 1 Вт выходной мощности никакая стабилизация не нужна.
Усилитель построен по принципу «двойное моно» с полным разделением питающих, сигнальных и земельных цепей.
К усилителю можно подключить до пяти источников, и один из них – по балансной линии. Предусмотрен отдельный вход для подачи сигнала в обход регулятора громкости. Вся коммутация и регулировка громкости осуществляется с помощью реле. Акустические клеммы (а их четыре в каждом канале для bi-wiring) собственного производства, из чистого серебра.
В нашем варианте Black Knight вовсе не чёрный, а синий, точнее, Blue Tour De France. Красятся детали корпуса в сервис-центре Ferrari, поэтому под заказ возможны и другие цвета из фирменной палитры суперкаров. Цвет получился очень глубокий, его оттенки меняются в зависимости от освещения от голубого до бледно-фиолетового. Покраска одного комплекта панелей обходится в 200 евро.
К настоящему моменту выпущено четыре пробных экземпляра «Чёрного Рыцаря», и самый первый из них – у нас в тесте.
Специально для испытаний усилителя в салон «Нота+» был привезён стационарный катушечник ATR102 со студийными фонограммами на полудюймовой ленте. Кроме того, звучание оценивалось и на более привычном музыкальном материале при подключении CD-проигрывателя Gryphon Scorpio. Акустика – двухполосные системы Blumenhofer Genium FS1 MK II с 16-дюймовыми басовиками и рупорным оформлением твитера.
Главное, что отличает Black Knight от подавляющего большинства традиционных усилителей – идеальное ранжирование виртуальных источников по размеру.
Мне и раньше доводилось слушать усилители на германии, включая и те, что описывались в вышеупомянутой статье. При массе положительных впечатлений неизбежно возникало ощущение нехватки мощности, а при попытке прибавить громкость заметно росли искажения и появлялась окраска в верхней середине.
В нашем случае этого и в помине нет – при мягкости и неутомительности звучания «Чёрный Рыцарь» способен передать колоссальные перепады уровня. Динамический диапазон студийной записи на широкой магнитной ленте поистине огромен, и он передавался совершенно адекватно. Но главное, что отличает Black Knight от подавляющего большинства хай-файных транзисторных усилителей – идеальное ранжирование виртуальных источников по величине.
Он не раздувает нюансы и не пытается поджать крупные звуковые образы. То же можно сказать о динамической шкале: соблюдается естественное соотношение между тихими и громкими звуками. Третий момент – комфортная передача верхнего диапазона, без вуали и потери разрешения. Спектральных составляющих здесь много, тарелки – как на реальной установке, звонкие, с прозрачным облаком обертонов. Слушая, невольно расслабляешься, настолько всё натурально, и жизнь остаётся в звучании даже на самых тихих фрагментах, у самого порога слышимости.
Синтетика не появилась и при подключении CD-проигрывателя. Поначалу в звуке не обнаруживаешь ничего особенного — всё очень сбалансированно, ровно и красиво, но со временем возникает какой-то личный контакт с музыкой, будто она играет именно для тебя, полностью завладевая вниманием. И отделаться от этой иллюзии не очень-то просто.
Ясностью и разрешением на малых уровнях Black Knight напоминает хороший ламповый усилитель или дорогой однотактник на MOSFETах, а энергетикой и способностью контролировать крупнокалиберные диффузоры может потягаться с транзисторной классикой. Лёгкость и свобода подкупают, чтобы начать слушать другую технику, нужен период адаптации. Серьёзный подход к реализации проекта позволил S.A.Lab довести звуковой потенциал германия до уровня High End Audio. Т.е. сделать то, что до сих пор не удавалось никому.
Система
- Катушечный магнитофон ATR102 ½”
- CD-проигрыватель Gryphon Scorpio
- Акустические системы Blumenhofer Genium FS1 MK II
- Кабели:
- межблочные Cordial XLR
- акустические Shinpy Logos
- сетевые A.Lab Power
S.A.Lab Black Knight
Производитель: S.A.Lab (Россия) salaboratory.com
Технические характеристики
Тип усилителя: двухтактный, класса АВ
Выходная мощность: 2 х 50 Вт (4 Ом), 2 х 25 Вт (8 Ом)
Диапазон частот: 2 Гц – 200 кГц
Номинальная чувствительность: 300 мВ
Входное сопротивление: 47 кОм (RCA), 25 кОм (XLR)
Отношение сигнал/шум: -103 дБ
Уровень искажений: 0,05% (25 Вт, 4 Ома, 20 кГц)
Входы: XLR, 4 x RCA, bypass RCA
Максимальная потребляемая мощность: 460 ВА
Габариты (Ш х В х Г): 480 x 310 x 505 мм
Масса: 31 кг
Цена: 800 000 руб.