Полевые транзисторы со статической индукцией (SIT)

В середине 1970-х транзисторы специального назначения Jfet, изобретенные в Японии и получившие обозначение "транзисторы со статической индукцией" (SIT) начали использоваться в усилителях мощности "Vfet", производимых компаниями "Yamaha" и "Sony". Эти усилители производились несколько лет, затем их производство было прекращено, однако они все еще высоко ценятся в сообществе ценителей высококлассной аудиоаппаратуры. Устройства, в которых используются транзисторы SIT, обладают уникальными характеристиками, имеющими особую ценность для звуковых усилителей. Вот выдержка из патента, выданного изобретателю Нишидзава: "Зависимость тока стока от напряжения на стоке чуть ли не полностью имитирует зависимость тока анода от напряжения на аноде триодной вакуумной лампы". Они нашли употребление в радарах и других экзотических устройствах, но после того как "Sony" и "Yamaha" прекратили  производство таких транзисторов, пригодных для применения в усилителях мощности, они выросли в цене и их трудно достать.

Недавно возобновился интерес к транзисторам SIT; это произошло, в частности, из-за того, что две компании, занимающиеся производством аудиоаппаратуры, решились взяться за это трудное дело и вложили  свои  средства в производство новых транзисторов, пригодных для изготовления усилителей мощности звуковых частот. Первой из них стала японская компания "Digital Do Main", которая выпустила два усилителя, основанных на более новых (осовремененных)  вариантах исходных кремниевых компонентов производства "Yamaha". Второй является "First Watt", начавшая производство совсем новых устройств, в которых используются транзисторы SIT, с использованием новой технологии производства приборов из карбида кремния, разработанной SemiSouth. Именно эта "триодная характеристика" обеспечивает исключительность транзисторов SIT. Ваш обычный транзистор большой мощности JFET или MOSFET представляет собой источник тока, управляемый напряжением, характеристики которого похожи на характеристики пентода: В противоположность им транзистор SIT представляет собой варистор (переменный резистор), характеристики которого похожи на характеристики триода: Аудиофилы часто идут на большие расходы, чтобы   заиметь ламповый усилитель с мощностью не превышающей пяти Ватт только из-за особых звуковых характеристик вакуумных триодов.  К сожалению, их рабочие характеристики частично ограничены необходимостью преобразования высокого напряжения / малого тока, поступающих на триод, в низкое напряжение / большой ток в районе динамиков. Это предполагает использование трансформатора и наличие всех вызванных им искажений. Разумеется, было бы прекрасно, если бы триоды управляли работой динамиков без трансформаторов. Некоторые разработчики задались целью получить транзисторы, обеспечивающие такое же звучание, как и триоды, но у них мало что получилось. Полевые транзисторы могут обеспечивать такое же качество звука, как пентоды, но чтобы полевые транзисторы могли достигать уровня триодов, требуется определённый набор мер, что бы FET мог делать «триодные трюки». Есть и такие, что додумались ни много, не мало до того, что поклонников звука удовлетворит только раскалённая колба. Может, это и так, но проверить не помешает. Есть два момента, которые нам нужны от полупроводниковых приборов для этих целей. Во-первых, нам нужно, чтобы у них была квадратичная входная характеристика, как у ламп. К счастью, у полевых транзисторов она такой и является – ток, проходящий через полевой транзистор, достаточно хорошо описывается квадратичной функцией напряжения затвор-исток. Во-вторых, нам нужно получить малое сопротивление стока, равное импедансу анода в триоде. Именно в этом случае усилительное устройство может рассматриваться как переменный резистор, а не как источник переменного тока.

Зачем нам нужна такая характеристика? Для этого есть три причины:

• Во-первых, это позволяет использовать одиночный усилительный каскад с усилением и по напряжению, и по току, у которого высокий входной и низкий выходной импеданс и отсутствует как обычная, так и замкнутая отрицательная обратная связь.
• Во-вторых, эта характеристика позволяет "определять нагрузочную линию", то есть конкретное описание контура усилительного устройства в цепях преобразования напряжения/тока в ходе усиления сигнала и подачи его на динамик. Правильно выбрав эту линию, вы можете получить действительно низкий уровень искажений. Пентоды и транзисторы Mosfet не очень хорошо справляются с этой задачей.
• В-третьих: как и у триодов, у транзисторов SIT мягкая перегрузочная характеристика. При превышении допустимых значений сигнал на диаграмме получается сжатым, со скругленными вершинами вместо острых обрезанных импульсов; в результате они более изящны при перегрузке.

При проектировании схем все усилия были направлены на простоту и минимализм. Разумеется, вы можете получить действительно неплохие рабочие характеристики, используя многокаскадные схемы и отрицательную обратную связь. Но нам нужно, чтобы звук можно было снимать с одиночного усилительного каскада с несимметричным выходом, обеспечивающего усиление как по напряжению, так и по току и работающего как устройство класса A без обратной связи или отрицательной обратной связи, и еще нам нужно, чтобы у него был высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Также нам нужны, в достаточной степени, низкий уровень искажений и простая характеристика искажений низшего порядка. Мы можем попробовать добиться этого, используя пентоды или транзисторы Mosfet, но результаты не выдержат сравнения и качество звука не будет приемлемым. Это как раз тот случай, когда измеренные и субъективно воспринимаемые характеристики согласуются между собой.

Стоит заметить, что первоначальные попытки компаний "Sony" и "Yamaha" не были минималистичными: в их многокаскадных усилительных схемах было много деталей и в значительной мере, использовалась отрицательная связь. Есть несколько причин для перехода к подобному минимализму. Первая из них – просто эстетическая: есть все основания восхищаться усилителем, демонстрирующим хорошие характеристики всего с одним транзистором. И, разумеется, во всем этом содержится вызов: "Насколько безупречным ты можешь сделать такой усилитель?". Есть и другая причина для разработки минималистских схем, более обоснованная практическими соображениями. Все обычно согласны с тем, что если искажений не избежать, то лучше, чтобы они были в форме гармоник низшего порядка и ограничились только второй и третьей гармоникой, если это возможно. Устройство класса A с несимметричным выходом в общем случае может послужить самым простым решением в этом случае.

Многим аудиофилам не нравится звук, полученный с использованием отрицательной обратной связи, ну или они, как минимум, так полагают. То, что отрицательная обратная связь приводит к уменьшению уровня искажений, но при этом ее воздействие приводит к усложнению характеристики, — это правда. Минимализм — это разумная основа для проектирования звуковоспроизводящих устройств, в которых используются транзисторы SIT: в этом случае можно добиться как объективно, так и субъективно хороших рабочих характеристик при помощи одного транзистора SIT в очень простой схеме,Диапазон рабочих частот расширяется примерно до ‑3 дБ при 200 кГц с импедансом источника 600 Ом; с источником на 50 Ом получается вполне приличный маленький передатчик с амплитудной модуляцией. Разумеется, целевая аудитория для такого усилителя захочет узнать побольше о его звуке. Насколько он по субъективным критериям выдерживает сравнение с устройствами на вакуумных триодах? Сделав множество таких усилителей, я могу сказать по этому поводу то, что прежде всего можно их спроектировать так, чтобы они выдавали исключительное звучание со многими акустическими системами, предназначенными для работы с ламповыми усилителями. К ним могут относиться, например, ваши высокочувствительные динамики, использующие компрессионные драйверы или широкополосные драйверы с большими магнитами и бумажными диффузорами.

Вот комментарий, сделанный слушателем-владельцем простого опытного образца усилителя на транзисторах SIT, используемого с акустической системой Lowther: Усилитель звучит шикарно. В комнате создается атмосфера студии звукозаписи – подключив усилитель, это замечаешь прежде всего. Эффект слегка одурманивает.   ...такое впечатление, что SIT обеспечивает динамик гораздо большими возможностями контроля и детализации. Несмотря ни на что, звук получается очень чистый. Очень похоже на SET с очень низким показателем искажения. SIT обеспечивает высокую детализацию, сохраняя при этом необходимый динамический контраст. Детали не бросаются в глаза, они выглядят очень естественно, как неотъемлемая часть музыки. 

Правда ли простые усилители на транзисторах SIT обеспечивают такое же звучание, что и однотактные устройства на триодах (SET)? Это спорный вопрос. Отсутствие выходного трансформатора с его значительными ограничениями представляет собой сильную сторону устройств на транзисторах SIT в отношении рабочего диапазона и уровня искажений. С другой стороны некоторым нравится звучание, «окрашенное» трансформаторами.