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ウィリアムソンアンプは、第二次世界大戦中にDTNウィリアムソンによって設計された4段、プッシュプル、クラスA 三極管出力真空管オーディオパワーアンプです。1947年に発表され、世界中のDIYコミュニティに向けられたオリジナルの回路は、高忠実度のサウンド再生の標準を設定し、 1950年代を通じてベンチマークまたは参照アンプ設計としての役割を果たしました。オリジナルの回路は、世界中で何十万人ものアマチュアによってコピーされました。 [1] 1950年代のDIYシーンで絶対的な人気を博し、50年代初頭には英国と北米の工場組み立てアンプ市場も独占しました。
ウィリアムソンの回路は、ウォルター・コッキングによる1934年のワイヤレスワールドクオリティアンプをベースに、追加のエラーアンプ段とグローバル負帰還ループを備えていました。深い帰還、三極管接続のKT66パワーテトロード、定常電流の慎重な選択、広帯域 出力トランスの使用はすべて、ウィリアムソンのパフォーマンスに貢献しました。出力電力定格は控えめでした。15 ワット[a]でしたが、非常に低い高調波歪みと相互変調、可聴周波数範囲全体にわたる平坦な周波数応答、およびスピーカー共振の効果的な減衰という点で、当時のすべての設計を上回りました。ウィリアムソンアンプの0.1％の歪み率は、21世紀でも有効な高忠実度性能の基準になりました[2] [3]。[4]
ウィリアムソン アンプは、受動部品と真空管の選択とマッチングに敏感で、超低周波および超音波周波数で不要な振動を起こしやすいという問題がありました。4 つの真空管ステージと出力トランスを負帰還ループに収めることは、設計上の厳しいテストであり、位相マージンが非常に狭くなるか、まったくマージンがなくなることもよくありました。ウィリアムソンの安定性を改善しようと試みても、この根本的な欠陥は修正できませんでした。この理由と、必要な高品質部品のコストの高さから、メーカーはすぐにウィリアムソン回路を放棄し、より安定していて、より安価で効率的な 3 ステージの超線形または五極管出力設計を採用しました。
背景
1925年、エドワード・W・ケロッグはオーディオパワーアンプの設計に関する最初の包括的な理論を発表しました。ケロッグは、歪みが急激にではなく滑らかに増加し、低次の高調波のみを生成するという条件で、高調波歪みの許容レベルは5％に達してもよいと提唱しました。 [6]ケロッグの研究は、ほとんどのアンプが映画館で使用されていた戦間期の事実上の業界標準になりました。[6]初期のサウンド映画と拡声器の要件は低く、顧客は粗雑ではあるが効率的で手頃な価格のトランス結合のクラスBアンプで満足していました。[6]ウェスタンエレクトリックが300Aと300Bのパワー三極管を中心に構築した最高の劇場アンプは、平均レベルをはるかに上回っていましたが、高価で希少でした。[6]
1930年代半ばまでに、ウェスタン・エレクトリックとRCAは、実験的なオーディオ機器の性能を現代のハイファイの理解に近いレベルまで向上させたが、これらのシステムはいずれもまだ商品化できなかった。[7]同等の品質の音源がなかった。[7] 1930年代の業界リーダーたちは、低品質のAM放送やシェラックレコードを超える新しい物理メディアが導入されて初めて、市販のアンプやスピーカーの改良が意味を成すだろうという点で一致していた。[7]大恐慌、第二次世界大戦、戦後のテレビブーム[c]が相次いでこの目標を遅らせた。[7]市販のオーディオ機器の開発は行き詰まり、より高いレベルの忠実度を求める少数の愛好家は、文字通り自分自身でそれをやらなければならなかった。アメリカのDIY愛好家たちは、斬新なビーム四極管を試した。オーストラリア人は、直熱三極管と複雑で高価な中間段変圧器を中心に構築された伝統的なプッシュプル回路を好んだ。[9]
Wireless WorldのWalter Cocking [d]率いる英国の学派は、プッシュプル、クラス A、RC 結合の三極管出力段に傾いていました。[6] [11] Cocking は、トランス結合とは対照的に、RC 結合はアンプの帯域幅を必要な最小値の 10 kHz を超えて拡張し、過渡応答を改善したと主張しました。[6]四極管と五極管は、高調波歪みが高く、出力インピーダンスが高く、スピーカーの基本共振を制御できないため望ましくありませんでした。 [6] [12] Cocking は、Kellogg の 5% の歪み制限は高品質の増幅には高すぎると書き、異なる一連の要件、つまり高忠実度の最初の定義を概説しました。Kellogg の単一の性能指数(高調波歪み)の代わりに、Cocking は低周波歪み、低高調波歪み、低位相歪みという 3 つの同時目標を設定しました。[6] [13] 1934年にコッキングは最初の高品質アンプの設計を発表しました。これは、フィードバックを使用せずに最大2〜3％の歪みしか達成しない2段式RC結合三極管クラスAアンプでした。[6]フィードバックは、1943年の戦時中高品質アンプに登場しました。これはアメリカ製の6V6ビーム四極管をベースに構築されましたが、入力段と出力トランスの両方がフィードバックループの外側に配置されていました。[14]コッキングの高品質アンプファミリーは、ウィリアムソンアンプを含む戦後のイギリスとオーストラリアのオーディオ産業の基礎となりました。[6]
発達
1943年、第二次世界大戦の最中、20歳のスコットランド人、テオ・ウィリアムソンは数学の試験に不合格となり、エディンバラ大学を除隊となった。[15]テオは兵役に体力的に適していなかったため、[16]当局は彼をマルコーニ・オスラム・バルブでの義務的な民間労働に徴兵した。[1] 1944年4月、ウィリアムソンは生産ラインから同社のアプリケーション研究所に異動し、そこで彼は自分のDIYプロジェクトに十分な自由時間を割くことができた。[1]経営陣は反対せず、1944年末までにウィリアムソンはすぐにウィリアムソン・アンプとして知られることになるアンプを考案、構築、テストした。[1] [17]もう一つの戦時プロジェクトである斬新な磁気カートリッジは、1948年にフェランティ・リボン・ピックアップとして商品化された。[18]
設計目標
コッキングの考えに従って、ウィリアムソンは異なる、より厳格な忠実性要件を考案しました。
- 10～20000Hzの全可聴周波数において、最大定格出力までの非線形歪み（高調波歪みと相互変調積の合計）は無視できるほど小さい。 [19]
- 全ての可聴周波数において線形周波数応答と一定の出力電力を有する。[19]
- 可聴周波数範囲内での位相シフトは無視できる。 [19]
- 上記の周波数と位相の要件に加えて、複雑な波形や過渡現象を処理する際に完全に一定のゲインを要求する優れた過渡応答。 [19]
- 出力インピーダンスが低く、逆にダンピングファクターが高い。少なくとも、アンプの出力インピーダンスはスピーカーのインピーダンスよりも低くなければならない。[19]
- ダイナミックスピーカー でオーケストラ音楽を再生する場合の出力は15～20W 、またはホーンスピーカーの場合は10W。[20]
ウィリアムソンは当時のアンプの構成を検討し、コッキングと同様に、低歪みのプッシュプル、クラス A、三極管出力段を採用した。[21] [ 22] コッキングとは異なり、ウィリアムソンは、アンプが 20～30 dB の深い負帰還ループによって制御されている場合にのみ、そのような段で高忠実度のサウンドを実現できると考えていた[21] [22] (したがって、 フィードバックの影響を補正するために、アンプ全体のオープンループゲインが 20～30 dB 高くなければならない)。[23]深いフィードバックは、過負荷時に突然の激しい歪みの発生を必然的に引き起こすが、ウィリアムソンはこの欠陥に満足していた。[20]彼は、中および高出力レベルでの直線性の改善のために支払う価値のある代償であると主張した。[20]逆に、ケロッグが主張するように、歪みが 3～5% までゆっくりと着実に上昇することは、高忠実度システムでは明らかに望ましくないとウィリアムソンは書いている。[20]
プロトタイプとテスト
オリジナルのウィリアムソン増幅器の真空管の組み合わせは、戦時中の英国での供給不足によって決定された。適切かつ入手可能な2つの出力真空管は、PX25三極管、または三極管接続のKT66ビーム四極管であった。[24]ウィリアムソンは当初、1932年に発表されたすでに時代遅れになっていた直熱三極管であるPX25を使用した。 [25] [e] 2番目のプロトタイプでは、ウィリアムソンはより効率的なKT66を使用し、これが戦後の時期に好まれる真空管となった。+500 V電源で駆動するKT66プロトタイプは、0.1%以下の歪みで20ワットを出力した。[25]より安価な+425V電源により、0.1%以下の歪みで15ワットの出力が可能になり、この配置がウィリアムソン増幅器の標準となり、その物理的レイアウトを決定した。[25]アンプ、実験的な磁気ピックアップ、音響迷路エンクロージャ内のグッドマンズ フルレンジスピーカーを含む完全なプロトタイプシステムにより、ウィリアムソンは、低歪みで深いフィードバックのアンプは、フィードバックのないアンプよりも優れたサウンドを奏でることを証明しました。[17]この低忠実度フォーマットの物理的な制限にもかかわらず、入手可能な最高のシェラックレコードでは、その違いが特に聞き取れました。 [17]
試作品はマルコーニの経営陣に感銘を与え、経営陣はウィリアムソンに同社の試験施設への無制限のアクセスを許可し、彼をデッカ・レコードの人々に紹介した。[27] [28]デッカ・レコードはウィリアムソンに貴重な独占試験資料を提供した。それは英国初の真のハイファイ・メディアである実験的なデッカffrrシステムのサンプル・レコードだった。 [28]音質において既存のどのメディアよりも優れていたこれらのレコードは、ウィリアムソンが試作品を微調整するのに役立った。ウィリアムソンはこれで完全に正しい方向に進んでいると確信していたが、マルコーニもその親会社であるゼネラル・エレクトリック・カンパニーも、民生市場向けのアンプの大量生産に投資する気はなかった。[28] [1] [29]この設計は会社の弁護士にとっても興味をそそるものではなかった。特許取得可能な要素が何も含まれていなかったからだ。[25]ウィリアムソンは単によく知られた回路とソリューションを組み合わせただけだった。[21]
出版物
1946年2月、ウィリアムソンはマルコーニを離れ、エディンバラに移り、フェランティに入社した。[17]数か月後、KT66を一般大衆に宣伝する新しい方法を模索していたマルコーニの上級セールスマンが、1944年にウィリアムソンが書いたアンプのプロトタイプに関するレポートに気づき、それをワイヤレスワールドに掲載するよう依頼した。[30] [1]編集長HFスミスは、以前の寄稿でウィリアムソンを知っていた。彼は著者に直接連絡を取り、DIY読者向けに詳細記事を書くよう依頼した。ウィリアムソンはすぐに返答したが、理由は不明だが、当初1946年に予定されていた出版は1947年4月から5月に延期された。 [31] [1]論文が印刷を待っている間に、雑誌はコッキングの高品質アンプの新バージョンを掲載していた。ワイヤレスワールドの技術編集者であるコッキングには確かに先例があった。ピーター・スティンソンによると、[31]
1947年までに、イギリスの産業界は既に同等の音質を持つ2つのアンプをリリースしていた。ハロルド・リークは1945年9月に リークポイントワン[f]の生産を発表し[g] 、同年後半にはピーター・ウォーカーが分散負荷出力段の最初のスケッチを発表し、これがQuad II生産モデルとなった。[33] [34]リークとウォーカーは戦後の貧弱なイギリス市場で自分たちのアイデアを商品化しようとしたが、彼らの業績はイギリス国外ではほとんど知られていなかった。ウィリアムソンは逆のことをした。彼は自分の設計を世界中のDIYコミュニティに寄付し、長く続く人気を確保した。[35] [36]
1949年8月、ウィリアムソンは読者からの手紙に応えて、このアンプの「新バージョン」を発表しました。この記事では、構造、チューニング、トラブルシューティングの問題について広範囲に取り上げましたが、[37] [38] [21]主な目的は、読者からの手紙で報告された安定性の問題に対処することでした。[38]追加の周波数補正ネットワーク、バイアスポテンショメータ、および1947年には入手できなかった新しい間接加熱整流管を除けば、回路は同じままでした。[39] 1949年10月から1950年1月、および1952年5月に、ウィリアムソンはプリアンプ段のマッチングに関する一連の記事と、組み立てとテストに関する短い「質問への回答」を発表しました。 [40]ウィリアムソンが1947年から1950年にかけて発表した記事集は、1952年に36ページの独立したパンフレットとして印刷され、[41] 1953年に第2版が発行されました。 [42]ウィリアムソンのアンプ自体は、1949年8月号のWireless Worldで説明されているように、変更されていません。[40]
受付
ウィリアムソンのアンプは瞬く間に成功を収めた。[21]この出版は、テレビ放送の再開、FM放送の開始、[h]最初のハイファイ蓄音機レコード（デッカffrrとLP レコード）の発売、そして捕獲されたドイツのマグネトフォンの「発見」と時を同じくした。[45] [i] 1930 年代には存在しなかったハイファイ メディアが現実のものとなり、人々はそれに見合った品質の再生装置を欲しがった。[45] 1947 年に入手可能な既製のアンプは、この用途には適していなかった。[45]同時に、電子部品市場には、安価なアメリカ製の 6L6 や 807 パワー バルブなど、軍の余剰品があふれていた。 [46]しばらくの間、DIY 製作がハイファイ増幅を実現する唯一の方法であった。[45]何千人ものアマチュアがウィリアムソンの設計を模倣し始め、必要な変圧器とシャーシはすぐに業界から提供されるようになった。[44]
1947年9月、オーストラリアのRHアスターとフリッツ・ラングフォード・スミスは、ウィリアムソンの回路をアメリカの6SN7と807真空管に適応させ、すぐに6L6の変種が続いた。[47]イギリスとオーストラリアの報道機関は、異口同音に「これまでテストした中で断然最高...並外れた直線性と高調波歪みと相互変調歪みの欠如」、「すべてのアンプの頂点」、「自然な再生を得るための絶対的な最高」、「49」などと絶賛した。アメリカは約2年遅れていた。最初のレビューは1949年後半に登場し、同様に賞賛された。[50] [49] [51]アメリカの企業は、この回路を現地で入手可能な部品に適応させ、すぐに「高級」イギリス製真空管と変圧器の輸入を開始し、こうしてアメリカでイギリス製Hi-Fi市場が立ち上がった。[3] 1949年末までにウィリアムソンアンプは世界的に認められた基準設計となり、グローバルフィードバックを採用したすべての真空管設計の出発点となった。[21]
DIY の普及とアマチュア向けの出版物の豊富さには、確固たる経済的理由があった。1940 年代の工場で製造された電子機器は高価すぎたのだ。業界はまだ、手頃な価格の消費者向け製品の大量生産に向けて再編されていない。真空管電子機器の家庭での製作は比較的簡単で、かなりの節約が約束されていた。[36]自家製のウィリアムソン アンプの数は少なくとも数十万台と推定され、[1]英語圏の国々では DIY シーンを席巻していた。[52] ステレオはまだ商品化されておらず、現存するウィリアムソン アンプのほぼすべてがモノラルである。[52]それぞれが細かい点で異なり、組み立て品質は通常、工場で製造されたモデルよりも劣っている。[52] 21 世紀では、これらのモノラル アンプはオンライン オークションで一般的に販売されているが、一致するペアを見つけることはほとんど不可能である。[52]
イギリスでの小規模な工場生産は1948年2月に始まり、最初の大手メーカーであるロジャースは1948年10月に生産を発表しました。 [53] 1950年代初頭、ウィリアムソンのアンプはイギリスとアメリカの両国で工場生産を独占しました。[54]ラジオエレクトロニクスのジョン・フリーボーンは1953年に「ウィリアムソンが高品質オーディオアンプの最初の説明を発表して以来、他のオーディオ設計者には彼[ウィリアムソン]に勝つか、彼に加わるかの2つの明らかな選択肢があった」と書いています。[55]
デザインの特徴
仕様
- 1947年版の真空管構成：L63×4（各6J5に相当）、KT66×2、U52直熱整流器×1。[56] 1949年版では6SN7またはB65ダブル三極管の使用も可能となり、整流器が53KU間接加熱型に置き換えられた。[57]
- 出力電力と最大歪み：15 W RMS、THD 0.1%以下[58]
- 相互変調：指定なし（ウィリアムソンは必要な試験機器を持っていなかった）[58]
- 周波数範囲： ±0.2 dBで10〜20000 Hz 、 ±3 dBで 3〜60000 Hz、 [58]
- 10～20000Hz以内の位相シフト ：オーディオスペクトルの両端で「数度を超えることはない」[58]
- ノイズとハム：最大出力より-85dB 低く、ほぼ完全に電源周波数のハムで構成されています。[58]
トポロジー
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ウィリアムソン増幅器は、高品質の広帯域出力トランスを中心に構築された4段、プッシュプル、クラスAの三極管アンプです。 [59]その第2段（コンサーティーナ型位相スプリッター、V1B）、第3段（ドライバー、V2AとV2B）、および第4段（出力、V3とV4）は、コッキングの高品質アンプ回路に従っています。追加された第1段（V1A）は専用のエラーアンプで、負帰還によって引き起こされるゲインの損失を補正します。[60]ウィリアムソンは、十分な過負荷余裕を備えた最良の直線性を得るために、各段の動作ポイントを最適化しました。[60 ]出力段は純粋なクラスAにバイアスされています。伝統的に、三極管接続のビームテトロードまたはペントードが使用されていました。アメリカ製の807またはイギリス製のKT66真空管（ウィリアムソンは後者のタイプを推奨しました[61]）と指定された電源で、アンプは15ワットの出力電力を供給しました。ウィリアムソンによると、出力をさらに上げるには、4つの出力真空管を使用する必要がありました。 1947年の論文では70ワットのプロトタイプの構築について言及している。[58]
初段のプレートと位相スプリッターのグリッドは直接接続されている。この構成は1940年から知られていたが、1947年当時はまだ一般的ではなかった。[62]アメリカのデザイナーは1950年代初頭でさえこれを目新しいものとみなしていた。[62] [51]位相スプリッター、ドライバー、出力段は容量結合されている。カソードバイパスコンデンサーはない。ウィリアムソンは、その前のコッキングと同様に、各段の開ループ性能を線形化しようとし、線形性のために意図的にゲインを犠牲にしていた。[63]彼はまた、追加された容量によってもたらされる潜在的な低周波不安定性にも懸念を抱いていた。[64] 1947年または1949年のどちらのバージョンでも回路には電解コンデンサーが含まれておらず、電源には2つの8μFペーパーコンデンサーを備えたCLCπフィルターが使用され、 [63] [63]さらに最初の3つの段に給電するLCフィルターが使用されている。[65]
1950年代の派生設計は、ウィリアムソンの4段トポロジーを維持しながら、彼の推奨事項から逸脱することが多かった。ピーター・スティンソンによると、これだけではウィリアムソンアンプと呼ぶには不十分である。[31]真のウィリアムソンアンプは、5つの基準を同時に満たす必要がある。
- 4 つのステージすべてで三極管を使用する必要があります。出力ステージでは三極管接続の四極管または五極管を使用できます。
- 出力段はクラス A で動作する必要があります。
- 位相スプリッタは入力段に直接結合する必要があります。
- 高品質の出力トランスは、オリジナルの Williamson 仕様に準拠している必要があります。
- グローバル負帰還ループはトランスの二次側から入力三極管の陰極まで接続する必要があり、その深さは正確に20dBでなければならない。[31]
フィードバック
ウィリアムソンアンプの 20 dB (10 対 1) フィードバックループは、4 つのステージすべてと出力トランスに巻き付いています。リチャード C. ヒッチコックによると、[j]「これは設計の厳しいテストであり、ウィリアムソン回路の優れた機能の 1 つです。」[23] [k]ウィリアムソンは、フィードバックの深さは 20 dB から 30 dB に簡単に増やすことができますが、より深いフィードバックによる可聴的な改善は徐々に小さくなると書いています。[67]
すべての周波数補償部品は回路の第一段階と第二段階にあります。それらのローカル平滑化RCフィルタは、超低周波周波数での周波数応答を微妙に変えます。ウィリアムソンが1949年版で導入した第一段階の追加のRCフィルタは、超音波周波数での振動を防ぎます。[21]フィードバック電圧デバイダはトランスの二次側に接続されているため、フィードバックの深さはスピーカーのインピーダンスに依存し、正確に20 dBに設定するにはデバイダ比を変更する必要があります。[56]電圧デバイダは純粋に抵抗性であり、容量性または誘導性の周波数補償部品はありません。ウィリアムソンによると、デバイダの上部レッグをシャントするコンデンサは、低品質のトランスにのみ必要です。トランスがウィリアムソンの設定した要件を満たしている場合、コンデンサは役に立ちません。[64]
トランス
ウィリアムソンは、出力トランスが真空管アンプの最も重要な部品であると確信していました。[24]グローバルフィードバックを適用する前でさえ、トランスは少なくとも4種類の歪みの原因となります。[24]これらの原因を同時に解決することはできず、設計者は相反する要件の間で妥協する必要があります。[24]グローバルフィードバックは歪みを部分的に抑制しますが、トランスの帯域幅に対する要件も厳しくします。 [24]
安定性理論によれば、ウィリアムソンの仕様に合わせて作られたアンプは、出力トランスの帯域幅が2.5...160000 Hz以上でなければ安定しないと予測された。[68]これはオーディオアンプとしては非現実的な広さであり、非常に大きく複雑で高価なトランスが必要だった。[69]実用的な解決策を模索していたウィリアムソンは、位相マージンを最低限にまで減らさなければならなかったが、それでも必要な帯域幅は3.3...60000 Hz以上でなければならなかった。 [21] [5] [24]このようなトランスは、三極管接続されたKT66のペアで駆動され、一次巻線インダクタンスが少なくとも100 H、漏れインダクタンスが33 mH以下でなければならなかった。[5]これらは当時としては非常に厳しい仕様であり、消費者市場で入手可能なものをはるかに超えていた。[2]ウィリアムソンのトランスは、一般的なオーディオトランスよりも重く、大きく、複雑で、高価であるにもかかわらず、最低限許容できる安定性しか保証できませんでした。[2] [69]ウィリアムソンは、より広い位相マージンは非常に望ましいが、一次インダクタンスの絶対的に非現実的な値が必要であると書いています。[69]
過負荷動作
ドライバ段と出力段の間に容量結合を持つ真空管アンプは、トランジスタアンプと同じ方法でクリップしません（たとえば、出力電圧を電源レールの1つにクランプする）。代わりに、大きな信号スイングが断続的に出力真空管のグリッドをゼロ以上にバイアスしようとすると、チョークが発生します。 [20]正にバイアスされたグリッドは導通を開始しますが、カップリングコンデンサは必要な電流を供給できません。[20]グリッド電圧が目標値に到達せず、出力波形が平坦になります。[l]
フィードバックは、ドライバーの電圧振幅を増やすことでチョーキングを克服しようとしますが、カップリングコンデンサは物理的に直流を通過できないため失敗します。ウィリアムソンがオシログラムとリサージュ曲線のコピーで証明したように、結果として生じる歪みパターンは「望ましいタイプ」、つまり、それ以外の非常に直線的な応答曲線の両端で突然歪みが発生するものです。[70]
安定性の問題
さまざまなウィリアムソンアンプの周波数、位相、過渡応答
ウィリアムソン増幅器を製作する最初の試みでは、位相マージンが非常に狭いために発振する傾向があることが明らかになりました。ウィリアムソン増幅器に優れた評価を与えたアスターとラングフォード・スミスは、[48]「低周波でかなり大きな出力の場合、約60kC/s [kHz]の高周波発振が始まり、他の周波数のパルス出力が伴う」と報告しました。[74]オーストラリア人は、一流の試験装置を装備し、[m]スクリーングリッド上の小さなコンデンサで60kHzの発振を抑制しましたが、「他の」発振の原因を特定して抑制することはできませんでした。[74] その後、米国海軍研究所の技術者が7つの異なる市販のウィリアムソン増幅器を検査し、すべてが2...3Hzの超低周波周波数で発振していることを発見しました。[75]出力トランスの交換は、オーディオと超音波周波数でのみ安定性に影響を与えました。[75]最も優れたトランスは10～100,000Hzの周波数応答を完全に平坦に示しましたが、超低周波の「呼吸」も起こりやすいものでした。 [75]最も劣悪なトランスは顕著な超音波共鳴を示しましたが、持続的な振動は引き起こしませんでした。30～50kHzの比較的低い周波数で「鳴り響く」ものもあれば、500～700kHzの範囲にまで及ぶものもありました。[76]
特注のウィリアムソン変圧器は不完全だったが、アマチュアが使用した汎用の既製品変圧器ははるかに悪かった。それらの共振は、アンプの帯域幅を狭めることでしか抑えることができない。DIY コミュニティにおける安定性の問題の程度は不明のままである。Wireless Worldsの編集者は読者からの手紙で溢れかえっていたが、ウィリアムソンに転送することを好んだ。[38]わかっていることは、発明者が設計を改訂して改善せざるを得なかったということである。彼はフェランティでの仕事を休んで、1949 年にウィリアムソンの 2 番目のバージョンを発表した。 [ 38]ウィリアムソンは根本的な安定性の問題を解決できなかった。「新バージョン」はかろうじて安定していただけだった。[77] 1950 年 12 月に発表された独立した分析では、改訂されたウィリアムソン アンプは超低周波振動と超音波振動の両方を起こしやすいことが証明された。[78]
分析によると、ウィリアムソン増幅器の超低周波オープンループ応答は、3つのハイパスフィルタによって形作られている。それぞれ6 Hzのカットオフ周波数を持つ2つの中間RCフィルタと、真空管の出力インピーダンスとトランスの一次インダクタンスによって形成される出力段RLフィルタである。 [79] [80]入力信号がゼロの場合、非線形RLフィルタのカットオフ周波数は3 Hzである。[81] [n] 20～30 dBの周波数ループに包まれたこのカットオフ周波数の組み合わせは不安定である。[81]ウィリアムソンは、平滑化フィルタとしても機能する補償ネットワークでこれを抑制しようとした。 [81]トランスの非線形性によって安定性も向上した。信号電流が高い場合、一次側の有効インダクタンスが増加し、カットオフ周波数が低下し、位相マージンが上昇した。[ 82]最も簡単な解決策は、出力トランスがウィリアムソン仕様に準拠していることを条件に、RCフィルタのカットオフ周波数を分散させることだった。[60] [83] [84]例えば、1952年にデイビッド・ハフラーとハーバート・ケローズが書いたウルトラリニア・ウィリアムソンでは、これらの周波数は1.3Hzと6Hzに設定されていました。[60] [83]
位相スプリッター段の非対称性と出力段の未知の寄生および非線形性のため、超音波周波数での正確な分析は不可能である。 [81] [80]選択した分析モデルに応じて、オープンループ応答は、4つ[85] [60]または5つ[80]のローパスフィルターの組み合わせで大まかに近似できる。異なる著者は異なるアプローチを使用し、これらのフィルターのカットオフポイントを多少異なる方法で推定したが、いずれの場合も、4つまたは5つのカットオフ周波数のうち少なくとも3つが互いに危険なほど接近しており、これは不安定性の確かな兆候であった。[85] [60]ウィリアムソンは、再びRC補償ネットワークで問題を解決したが、それでも位相マージンは危険なほど低いままであった。[85] [86] DIY愛好家は、振動に自分で対処する必要がありました。スクリーングリッドにシャントコンデンサを追加したり、レイアウトと配線を微調整したり、アンプの帯域幅を意図的に狭めて元の回路の利点を打ち消したりした人もいました。[85] [86]
コンポーネントの問題
ウィリアムソンのアンプは、受動部品や真空管の品質とパラメータに非常に敏感だった。カーボンやコンポジションタイプの抵抗器は過剰なノイズを発生し、高調波歪みを引き起こした。ウィリアムソンが指定した英国製の真空管の代わりにアメリカ製の真空管を使用したが、その性能には及ばなかった。[89] [87]ウィリアムソンは、KT66に直接代わるものはなく、他のどの製品よりもKT66を優先すべきだと警告した。[61]
ウィリアムソン増幅器を模倣したアマチュアは、その重大な弱点を特定して修正することができなかった。アナログ マルチメーターを装備したアマチュアは、計器の針を見ることで超低周波振動を「見る」ことができたが[89]、高周波の問題を解決するには、少なくとも1 [89]または2 [90] MHzの帯域幅を持つオシロスコープが必要だった。1950年代には、多くの市販のオシロスコープの帯域幅は狭すぎ、これらのモデルでさえDIY愛好家には高価すぎた。[90] [89]
ウィリアムソンアンプの分析と微調整を扱う専門技術者による記事は、DIY熱がすでに衰えていた比較的遅い時期、1952年、[91] 1957年、[92] 1961年[87]に出版されました。ベンディックス社の研究室でプロ仕様のウィリアムソンアンプを製作したマーティン・キーバート[o]は、トランス以外の劣悪な部品によって引き起こされる歪みの5つの原因を特定しました。[94]
- ノイズの多いカーボンまたは合成タイプの抵抗器と、第1段の不適切なレイアウトによって引き起こされる過度のノイズと電磁干渉。ウィリアムソンが指定した抵抗器を巻き線抵抗器に置き換えると、信号対雑音比が向上します。12 dB。6SN7を低ノイズの12AY7に置き換えると、さらに12dB ; [89]
- プッシュプル回路の両側の受動部品の非対称性によって生じる周波数および高調波歪み。1950年代の典型的な部品の許容誤差は20%であり、ウィリアムソンにとっては許容できないほど高かった。[95]
- 6SN7のドライバー段はKT66のグリッドを適切に振ることができず、過度の歪みを引き起こすことがよくありました。キーバートによると、アメリカの5687デュアル三極管は明らかに優れていました。[96]タルボット・ライトによると、6SN7に欠陥はなく、歪みは定常電流の設定が間違っていたために発生し、バイアス電圧を単純に上げることで改善できるとのことでした。[87]
- フィードバック電圧分割器の歪み。この重要な機能には低歪みの巻線抵抗器が必要でした。[88]
- 歪みは明らかに出力バルブの選択によって影響を受けたが、キーバートは特定のルールを特定できなかった。[88]
キーバートは設計を高く評価したが、ウィリアムソンの指示に従うことは実験室環境でのみ可能であると読者に警告した。[97]このアンプは、高価で適切にマッチングされた部品を使用した場合にのみその潜在能力を発揮し、平均的なアマチュアには手の届かないものであった。[97]完璧に構築されテストされたウィリアムソンアンプでさえ、遅かれ早かれ真空管の交換が必要になり、予期せぬ歪みの増加を引き起こす可能性が非常に高い。[97]
派生品と派生品
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1950年以降、業界ではウィリアムソンアンプの派生品が数多く生産されたが、その多くはウィリアムソンの考案者が概説した原理から大きく逸脱していた。1950年にハーバート・ケローズは807アンプの共通カソード抵抗器を大型電解コンデンサでシャントし、ケローズによれば、高出力時の歪みが大幅に減少したという。[99]コッキングとウィリアムソンの推奨に反して、ケローズとパートナーのデイビッド・ハフラーはほとんどの設計でカソードシャントコンデンサを使用し、1956年までにこのアプローチは事実上の業界標準となった。[100]同じ1956年にハフラーはEL34ウィリアムソンで固定バイアスを使用した。[101]その後、固定バイアスはソ連とロシアのウィリアムソン風設計の定番となり、6C4C直熱三極管[102] 、 GU -50ジェネレーター五極管[103] [104]、または6P45S水平偏向四極管などの特殊な出力バルブが採用された。[104]
1950年代を通じて、コンデンサーの価格が下がるにつれて、設計者は着実にその値を上げました。オリジナルのウィリアムソンアンプは8μF の紙コンデンサ。1952年までにキーバートは40μFの電解コンデンサ[91] 1955年のケローズのリファレンスデザインでは少なくとも250μFのバイパスコンデンサ[105]ライトによる1961年の低価格アンプは合計600 μF。[106]商用 Bell 2200 [p]増幅器 (1953) の設計者は、最初の 2 つのステージの直接結合を容量結合に置き換えました。[107] Stromberg -Carlson AR-425 (1953) は、他の点ではおなじみの Williamson トポロジーで四極管モード出力ステージを使用しています。[108] Bell と Stromberg-Carlson の両方の改造により安定性がさらに悪化し、追加の周波数補正が必要になりました。[109] Bogen DB20 (1953) の設計者はさらに進んで、出力ステージで グローバルおよびローカルの負帰還ループと正帰還を組み合わせました。 [109]
1951年12月、ハフラーとケローズは、1930年代にアラン・ブルムラインが発明した、五極管または四極管の陽極とスクリーングリッド間の負荷を分散する方法である超線形ステージの宣伝を開始しました。超線形ステージは、三極管接続の同じステージよりも50％ [110]から100％高い出力電力を、ほぼ同じ歪みで提供し、純粋な五極管または四極管ステージよりも安価でした（後者は別のスクリーングリッド電源を必要としましたが、超線形ではそれが不要でした）。[54]最初の超線形ウィリアムソンは、ウィリアムソンのようなトポロジーで6L6のペアを採用し、[ 60]20 W ; [111] 2番目のモデルは、より強力な807四極管を搭載し、30 W。[111]間もなく、アメリカの大衆は高出力増幅に興味を持ち、業界は「ワット競争」を開始した。[q] 1955 年までに、ハフラーとケローズは別々に作業し、6550 四極管のペア[113]または KT66 のカルテットを使用した 60 ワット モデルを提供していた。 [114]こうして、10 年足らずで、業界はウィリアムソンが確立した原理を段階的に放棄したが、彼の名前を便利な無料の商標として使い続けた。21 世紀には、グローバル負帰還のないアンプにもこの名前が使用されている。これらのアンプが真のウィリアムソン アンプと共通しているのは、4 段トポロジーだけである。[115] [31]
HaflerとKeroesの成功に続いて、Eico、The Fisher、Harman/Kardon、Marantzなどのアメリカのメーカーは、「時代遅れ」のパワー三極管を処分し、超線形設計に切り替えました。[12] 英国最大の真空管メーカーであり、ヨーロッパの業界にリファレンス設計を提供しているMullardは、この目新しいものを公的に支持しました。 [116] Williamsonの以前の雇用主であるGeneral Electric Companyもそれに倣い、超線形接続のKT88のペアを中心に構築された「30ワットWilliamson」リファレンス設計を発表しました。[117]オリジナルのWilliamsonアンプは、 Peter WalkerとFrank McIntoshによる代替設計と同様に、競争に敗れました。[118] 1952年9月、WilliamsonとWalker（当時はQuad Electrostatic Loudspeakerの開発でビジネスパートナーでした）は、超線形ステージが大量生産には確かに望ましいことに同意しました。[50] [119] Williamsonは徐々にオーディオエンジニアリングから退いていきました。[1]彼はフライス盤やフレキシブル製造システムの設計で生計を立て、後に王立協会の会員に選出されたが、オーディオ設計を本気で仕事にしようとは考えていなかった。[120]
1956年、北米で生産されたアンプの大半はウルトラリニア・ウィリアムソンのテンプレートを踏襲していたが[100]、数年後にはそれも廃止された。新しい3段リファレンス設計では、位相スプリッターとドライバーの機能を1つの真空管に統合し、したがって4段アンプよりもコストが比例して低くなった。[121]このトポロジーに従ったハフラーのダイナコ・ステレオ70は、歴史上最も多く生産された真空管アンプとなった。 [122]北米の消費者市場には、チャンネルあたり25～20 Wをうたう類似のほぼ同一のアンプやレシーバーが何百万台も溢れかえっていたほか、ミュラード5-10 のようなそれほど強力ではない英国設計のクローンもあった。[121]広告では、これらのモデルはオリジナルのウィリアムソンと同様に性能が高く、出力も高く、安定性も保証されていると謳っていた。[121]顧客はこれらの主張を検証できず、リスニングテスト、伝聞、専門家のアドバイスに頼らざるを得なかった。この問題は、1951年にハフラーとケローズが提唱した主観的リスニングの概念によって部分的に解決された。「優れた測定は音質にとって必要条件ではあるが、十分な条件ではない。リスニングテストは最も重要なテストの1つであり、最も厳格なテストである」[118] 。 1960年代の終わりまでに、オーディオ愛好家やマーケティング担当者は主観主義的なアプローチを採用し、1940年代にウィリアムソンが考案した客観的な原則を熱心に忘れてしまった。[118]
客観的に見ると、1950年代の多くのディープフィードバック真空管設計は、ウィリアムソンアンプの0.1%の歪み定格に匹敵するかそれを上回っていましたが、この数値を大幅に改善したものはありませんでした。[2] [3]ウィリアムソンは、真空管アンプの性能は主に出力トランスによって制限されることを発見しました。[2] [3]トランジスタアンプにはこの制限はありませんでしたが、それでも1947年にウィリアムソンが達成したレベルに性能を引き上げるのに約15年かかりました。[123]
注記
- ^ ここでおよび以下に記載されている定格はすべてチャンネルあたりのものです。このアンプはステレオが登場するずっと前に設計されたもので、マルチチャンネル サウンド用に設計されたものではありません。
- ^ トーキー映画の導入は大恐慌と同時期に起こった。娯楽産業は社会全体よりもはるかに好調であったが、映画館経営者は設備への投資を非常に節約しなければならなかった。
- ^ スティンソンは、初期のテレビが戦前からオーディオエレクトロニクスに悪影響を及ぼしていたと書いている。「これらの実験（EMI、RCA、ウェスタンエレクトリック）は、1934年から新しい驚異である実験用テレビへの関心と宣伝が急増していなければ、製品化されていたかもしれない。」[8]
- ^ウォルター・タスティング・コッキング（1907–1984）は、1930年代初頭に ワイヤレスワールドのスタッフに加わった。彼は多作な寄稿者であり、電子プロジェクトのハウツー面についてよく取り上げていた。第二次世界大戦中、コッキングは機密軍事研究に徴兵された。戦後は、 1972年に引退するまで、ワイヤレスエンジニア、ワイヤレスワールド、およびそれらの後継雑誌の編集長を務めた。[10]
- ^ PX25はユニークな直熱型パワー三極管で、異常に高い電圧利得（μ=9）を誇ります。PX25アンプは、2A3やAD1（μ=4）のような典型的な直熱型三極管を使用したアンプよりも2倍以上のオープンループゲインを持ちます。[26]
- ^ ポイントワンという名前は、リークが主張する0.1%の歪曲率を強調するものでした。彼の積極的なマーケティングは、そのような低い評価の妥当性と必要性について世間の疑念を引き起こしました。[32]
- ^ リークの業績の詳細については、Spicer, S. (2000) を参照。Firsts in High Fidelity: The Products and History of HJ Leak & Co. Ltd. Audioxpress magazine. pp. 61–67. ISBN 9781882580316. OL 8683702M.
- ^ アメリカとイギリスの両国で定期的なFM放送は1946年に始まりました。1947年4月から5月まで、イギリスのFM放送は放送時間と放送エリアがまだ限られていました。ウィリアムソンは冒頭の記事で「UHFの高品質放送の拡張の可能性」を予想していました。[19]
- ^ マグネトフォン自体は新しいものではなく、実際、放送品質の生産モデルが製造され、第二次世界大戦の勃発前に一般向けに発表されていました。この写真では、失敗に終わった1940 年の夏季オリンピックに備えて、フィンランドの放送スタジオにAEGマグネトフォンが設置されています。しかし、アメリカ人とイギリス人がテープレコーダーを「発見」したのは戦後のことでした。しかし、ドイツ人が戦争中ずっとこの技術を完成させ、1945 年までに新しいマグネトフォンが 1939 年のモデルよりはるかに優れたものになったのは事実です。
- ^ ピッツバーグのウェスティングハウス・エレクトリック・コーポレーションで長年研究エンジニアとして働いていたリチャード・C・ヒッチコックは、現在では「ウェスティングハウス・オルガン」（別名「エレクトリック・ラジオ・オルガン」、1930年）の考案者として記憶されている。[66]
- ^ 1945年のオリジナルのリークポイントワンの設計も4段式と全体的負帰還を採用しており、ウィリアムソンよりもさらに安定性が低かった。ハロルド・リークはすぐにこのアイデアを断念し、1947年に3段式のリークTL12をリリースして成功した。[32]
- ^ トランス結合型真空管アンプは、駆動バルブが必要なグリッド電流を供給できる限り、チョークしません。ただし、インターステージ トランスはグローバル負帰還と互換性がありません。2 つのトランス (インターステージと出力) の直列接続は本質的に不安定であり、フィードバック ループ内に収めることはできません。
- ^ アスターとラングフォード・スミスは、オーストラリア最大のラジオ製造・放送局であるアマルガメイテッド・ワイヤレス（オーストラレーシア）のスタッフエンジニアでした。
- ^ ウィリアムソンの規定に従い、100H の一次インダクタンスと2kΩ のプレートインピーダンスを仮定。[81]
- ^ マーティン・ピーター・ヴラミング・キーバート・ジュニアは1908年生まれで、アイダホ大学とリード大学に通った。第二次世界大戦前はKIRO (AM)、連邦通信委員会、ワシントンDCに拠点を置くさまざまなコンサルタント会社で電子技術者として働いていた。戦時中は航空局に駐留し、 1945年に少佐にまで昇進した。 [93]キーバートの出版物によると、戦後はベンディックス、コンベア、マロリーで働いた。
- ^ 家庭用電子機器のベルブランドは、ベルシステム各社ではなく、TRW社が所有していた。
- ^ 『ラウトレッジ音楽技術ガイド』によれば、真空管アンプメーカー間のパワー競争は最終的に75W /チャンネルのマーク。トランジスタアンプはそれを簡単に上回り、競争は1971年にボブ ・カーバー（1990年代には、THX認定のホームシネマアンプの定格電力はさらに上昇しました。[112]
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