Германий превыше всего

В конце позапрошлого века немецкий химик К.А. Винклер открыл элемент, существование которого заранее было предсказано Д.И. Менделеевым. А 1 июля 1948 г. в подвале газеты «Нью-Йорк Таймс» появилась короткая заметка под заголовком «Создание транзистора». В ней сообщалось об изобретении «электронного прибора, способного заменить в радиотехнике обычные электровакуумные лампы».

Разумеется, первые транзисторы были германиевыми, и именно этот элемент произвел настоящий переворот в радиотехнике. Не будем спорить, выиграли ли ценители музыки при переходе от ламп к транзисторам — дискуссии эти уже успели порядком поднадоесть. Давайте лучше зададим себе другой, не менее актуальный вопрос: пошел ли на пользу звуку следующий виток эволюции, когда кремниевые приборы пришли на смену германиевым? Век последних был недолог, и они не оставили после себя, подобно лампам, ощутимого звукового наследия. Сейчас германиевые транзисторы не выпускаются ни в одной стране, и о них уже вспоминают крайне редко. А зря. Я считаю, что любой кремниевый транзистор, будь он биполярный или полевой, высокочастотный или низкочастотный, малосигнальный или мощный, менее пригоден для высококачественного звуковоспроизведения, чем германиевый. Для начала давайте рассмотрим физические свойства обоих элементов.*Свойства Германий Кремний
Плотность, г/см3 5,323 2,330
Атомный вес 72,60 28,08
Количество атомов в 1 см3 4,42*1022 4,96*1022
Ширина запрещенной зоны, ЭВ 0,72 1,1
Диэлектрическая постоянная 16 12
Температура плавления, °С 937,2 1420
Теплопроводность, кал/смЧсекЧград 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 0,07 — 0,02 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 транзисторе p-n-p имеет значительно меньшие потери звуковой энергии, чем аналогичный на n-p-n. Возникает вопрос: почему же выпуск германиевых полупроводников был прекращен? Прежде всего потому, что по некоторым критериям Si намного предпочтительнее, поскольку может работать при температуре до 150 град. (Ge — 85), да и частотные свойства у него несравненно лучше. Вторая причина чисто экономическая. Запасы кремния на планете практически безграничны, в то время как германий — довольно редкий элемент, технология получения и очистки которого значительно дороже.

Между тем, для применения в домашней аудиотехнике упомянутые преимущества кремния абсолютно неочевидны, а свойства германия, наоборот, крайне привлекательны. Кроме того, в нашей стране германиевых транзисторов хоть завались, да и цены на них просто смешные.**

Итак, приступим к рассмотрению схем усилителей на германиевых полупроводниках. Но сначала несколько принципов, соблюдение которых исключительно важно для получения действительно высокого качества звучания.

1. В схеме усилителя не должно быть ни одного кремниевого полупроводника.

2. Монтаж производится объемным навесным способом, с максимальным использованием выводов самих деталей. Печатные платы значительно ухудшают звучание.

3. Количество транзисторов в усилителе должно быть минимально возможным.

4. Транзисторы следует отбирать попарно не только для верхнего и нижнего плеча выходного каскада, но и для обоих каналов. Стало быть, придется отобрать по 4 экземпляра с возможно близкими значениями h21э (не менее 100) и минимальным Iко.

5. Сердечник силового трансформатора изготавливается из пластин Ш с сечением не менее 15 см2. Очень желательно предусмотреть экранную обмотку, которую следует заземлить.

Остальные рекомендации были даны в предыдущих номерах «Практики».

Схема №1, минималистская

Принцип не нов, такая схемотехника была весьма популярна в шестидесятые годы. На мой взгляд, это чуть ли не единственная конфигурация бестрансформаторного усилителя, соответствующая аудиофильским канонам. Благодаря своей простоте позволяет добиться высокого качества звучания при минимальных затратах. Автором она была лишь адаптирована к современным требованиям High End Audio.

Настройка усилителя весьма проста. Сначала устанавливаем резистором R2 половину напряжения питания на «минусе» конденсатора С7. Затем подбираем R13 так, чтобы миллиамперметр, включенный в коллекторную цепь выходных транзисторов, показал ток покоя 40 — 50 мА, не больше. При подаче сигнала на вход следует убедиться в отсутствии самовозбуждения, хотя оно и маловероятно. Если все же на экране осциллографа заметны признаки ВЧ-генерации, попробуйте увеличить емкость конденсатора С5. Для устойчивой работы усилителя при изменении температуры диоды VD1, 2, должны быть смазаны теплопроводной пастой и прижаты к одному из выходных транзисторов. Последние устанавливаются на теплоотводах площадью не менее 200 см2.

Схема №2, усовершенствованная

В первой схеме был квазикомплементарный выходной каскад, поскольку промышленность 40 лет назад не выпускала мощных германиевых транзисторов со структурой n-p-n. Комплементарные пары ГТ703 (p-n-p) и ГТ705 (n-p-n) появились лишь в 70-х, что позволило усовершенствовать схему выходного каскада. Но мир далек от совершенства — у перечисленных выше типов максимальный ток коллектора всего 3,5 А (у П217В Iк max = 7,5 A). Поэтому применить их в схеме можно, лишь поставив по два в плечо. Этим, собственно, и отличается №2, разве что полярность блока питания противоположна. И усилитель напряжения (VT1), соответственно, реализован на транзисторе другой проводимости.

Настраивается схема точно так же, даже ток покоя выходного каскада такой же.

Коротко о блоке питания

Для получения высокого качества звучания придется поискать в закромах 4 германиевых диода Д305. Другие категорически не рекомендуются. Соединяем их мостом, шунтируем слюдой КСО по 0,01 мкФ, а затем ставим 8 конденсаторов 1000 мкФ X 63 В (те же К50-29 или Philips), которые тоже шунтируем слюдой. Наращивать емкость не надо — тональный баланс уходит вниз, теряется воздух.

Параметры обеих схем примерно одинаковы: выходная мощность 20 Вт на нагрузке 4 Ом при искажениях 0,1 — 0,2%. Разумеется, эти цифры мало что говорят о звучании. Уверен в одном — послушав грамотно сделанный по одной из этих схем усилитель, вы вряд ли вернетесь к кремниевым транзисторам.

Апрель 2003 г.

От редакции:

Мы послушали у Жана прототип первого варианта усилителя. Первое впечатление — необычно. Звучание отчасти транзисторное (хороший контроль нагрузки, четкий бас, убедительный драйв), отчасти ламповое (отсутствие жесткости, воздух, деликатность, если хотите). Усилитель заводит, но не раздражает назойливостью. Мощности хватает, чтобы без малейших признаков клиппинга раскачать до невыносимой громкости напольную акустику с чувствительностью 90 дБ. Что интересно — тональный баланс на разных уровнях почти не меняется.

Это результат продуманной конструкции и тщательно подобранных деталей. Учитывая, что комплект транзисторов обойдется рублей в пятьдесят (хотя, если не очень повезет, для подбора пар может потребоваться несколько десятков, смотря какая партия попадется), не экономьте на других элементах, особенно конденсаторах.

Буквально за пару часов на макетной плате был собран один канал усилителя для анализа схемы. На выходе устанавливались американские германиевые транзисторы Altec AU108 с граничной частотой 3 МГц. При этом полоса пропускания по уровню 0,5 дБ была 10 Гц — 27 кГц, искажения на мощности 15 Вт примерно 0,2%. Доминировала 3-я гармоника, но наблюдались выбросы и более высоких порядков, вплоть до 11-го. С транзисторами ГТ-705Д (Fгр. = 10 кГц) ситуация была несколько иной: полоса сузилась до 18 кГц, зато гармоник выше 5-й на экране анализатора вообще не было видно. Изменилось и звучание — оно как-то потеплело, смягчилось, но искрящееся прежде «серебро» поблекло. Так что первый вариант можно рекомендовать для акустики с «мягкими» пищалками, а второй — с титановыми или пьезоизлучателями. Характер искажений зависит от качества конденсаторов С7 и С6 на схемах 1 и 2 соответственно. А вот их шунтирование слюдой и пленкой не очень заметно на слух.

К недостаткам схемы следует отнести малое входное сопротивление (около 2 кОм в верхнем положении регулятора громкости), которое может перегрузить выходной буфер источника сигнала. Второй момент — уровень искажений сильно зависит от характеристик и режима первого транзистора. Чтобы повысить линейность входного каскада, имеет смысл ввести две вольт-добавки для питания коллекторной и эмиттерной цепи T1 [1]. Для этого делаются два дополнительных независимых стабилизатора с выходным напряжением 3 В. «Плюс» одного соединяется с шиной питания — 40 В (все пояснения даются для схемы 1, для другой схемы полярность меняется на противоположную), а «минус» подается на верхний вывод R4. Резистор R7 и конденсатор C6 из схемы исключаются. Второй источник включается так: «минус» на землю, а «плюс» — на нижние выводы резисторов R3 и R6. Конденсатор C4 при этом остается между эмиттером и землей. Возможно, стоит поэкспериментировать со стабилизированным питанием. Любые изменения в питании и самой схеме усилителя радикально влияют на звук, что открывает широкие возможности для твикинга.

[1]. Г.Левинзон, А.Логинов, «Высококачественный усилитель низкой частоты». М., «Энергия», 1977.