60 Years of Audio Transistors
Arto Kolinummi is a lecturer of audio and analog electronics at Tampere University of Technology. He is currently finishing his doctoral dissertation on internal linearity of audio power amplifiers. He's also an active DIY audio enthusiast.
In this article he goes through the history of Class AB transistor amplifiers and how their typology has evolved. According to him, the basic structure of such amplifiers has not greatly changed over the decades but opportunities for finetuning are almost endless. Much depends on sizing, components, and on how power transmission and cabling have been realized.
The full article with pics in Finnish.
Transistorivahvistimien kytkennät eivät ole rakenteeltaan suuresti muuttuneet viimeisen 40-vuoden aikana. Mahdollisuudet pieneen hienosäätöön ovat kuitenkin rajattomat. Paljon riippuu mitoituksesta, käytetyistä komponenteista sekä tehonsyötön ja johdotuksen toteutuksesta.
Transistorin kehitys lähti liikkeelle puolijohdediodien kehityksestä. Diodeja tarvittiin toisen maailmansodan aikoihin tutkavastaanottimissa. William Shockley kokosi tiimin kehittämään triodiputken kaltaista puolijohdekomponenttia. Tässä onnistuttiin lukuisten yritysten jälkeen ja John Bardeen ja Walter Brattain demonstroivat puhevahvistinta Bell Laboratoryssä 23. joulukuuta 1947. Tuota päivää pidetään transistorin syntymäpäivänä.
Laite oli toteutettu germaniumpohjaisella kärkitransistorilla, joka oli saatu ensimmäisen kerran toimimaan muutamaa päivää aikaisemmin. Kärkitransistorissa oli kaksi kultakontaktia hyvin lähellä toisiaan ja alustana germanium puolijohde. Johtamalla pieni virta toiseen kultakohtioista saatiin suurempi virta kulkemaan toisen kultakohtion ja alustan välillä, eli komponentti toimi vahvistimena.
Kunnia transistorin keksimisestä annettiin Bardeenille ja Brattainille. Tämän Shockley koki vääryytenä. Tilanteesta tulistuneena hän päätti näyttää, kuka oli ollut projektin oikeat aivot ja kehitti muutamassa kuukaudessa kokonaan uudentyyppisen transistorirakenteen. Tämä rakenne kehittyi myöhemmin bipolaaritransistoriksi (BJT). Nykyään transistorilla yleisesti tarkoitetaan juuri BJT:ä. Bipolaaritransistorit korvasivat nopeasti hankalasti valmistettavat ja epäluotettavat kärkitransistorit.
Germaniumin käytössä puolijohteena oli ongelmana erityisesti materiaalin epäpuhtaudet: toimivia transistoreja saatiin käytetystä materiaalista varsin vähän. Germaniumin ongelmana oli myös huono lämmönsieto ja vuotovirtojen voimakas lämpötilariippuvuus. Varhaiset germaniumtransistorit olivat myös taajuuskaistaltaan vaatimattomia sekä kalliita valmistaa.
Ensimmäinen piipohjainen transistori rakennettiin Bell Laboratoryssä vuonna 1954 Tanenbaumin toimesta. 1959 Fairchild kehitti menetelmän massatuottaa piitransistoreja. Vuonna 1962 valmistusmenetelmää parannettiin ja lopputuloksena syntyi rakenne, joka vastaa nykyistä bipolaaritransistoria. Germaniumin käytöstä transistoreissa luovuttiin lähes kokonaan 60-luvun loppuun mennessä. Pii on edelleen puolijohteena lähes kaikissa komponenteissa, vaikka uusien materiaalien ja rakenteiden kehittäminen on edelleen voimakasta.
Kanavatransistorin (Field Effect Transistor, FET) periaate patentoitiin jo vuonna 1925 Julius Lilienfeldin ja myöhemmin 1934 Oskar Heilin toimesta. Niitä ei silloin kuitenkaan vielä pystytty rakentamaan. Bardeen, Brattain ja Shockley yrittivät rakentaa Lilienfeldin patentoimaa kanavatransistoria keksiessään kärkitransistorin viittaamatta lainkaan alkuperäiseen patenttiin. Ensimmäistä kanavatransistoria saatiin odottaa yli 40 vuotta. Carver Mead raportoi rakentamastaan FETistä vuonna 1966. Nykyiset digitaalipiirit toteutetaan lähes yksinomaan FETeillä.
Transistoreista on kehitetty lukuisia eri versioita eri käyttösovelluksiin. Eniten perinteisistä rakenteista eroavat RF-sovelluksiin suunnitellut transistorit ja IGBTt (Insulated Gate Bipolar Transistor), joissa on ominaisuuksiltaan yhdistettynä MOSFETin eristetty ohjaus ja pienen saturaatiojännitteen omaava nopea BJT kytkin. Ensimmäisiä viittauksia IGBTstä on jo vuodelta -68, mutta ensimmäinen suuritehoiset IGBTt toi markkinoille Toshiba vasta vuonna 1984. IGBTt on suunniteltu suuritehoisiksi kytkimiksi, mutta niitä on toisinaan käytetty myös audiovahvistimien päätetransistorina.
Komponenttipuolella on tapahtunut jonkinverran kehitystä viimeisten vuosikymmenten aikana. Lineaarikäyttöön suunnitellut komponentit menettävät todennäköisesti nykyisinkin vähäisiä asemiaan tulevaisuudessa, kun markkinat täyttyvät D-luokan toteutuksista, joissa transistoreja käytetään vain kytkiminä. Kuvaputkitelevision poistuminen markkinoilta vei yhden sovelluskohteen, johon vielä viime vuosina kehitettiin uusia lineaarisiin audiolaitteisiin soveltuvia komponentteja.
Piipohjaisten transistorien myötä 60-luvulla tehotasot kasvoivat, lämpötilasietoisuus, luotettavuus sekä tasalaatuisuus paranivat. Nopeiden vahvistimien tekeminen on nykyisin helpompaa kuin 60- ja 70-luvuilla, erityisesti tehotransistorien parantumisen ansiosta. D-luokan toteutuksiin eli kytkinkäyttöön kehitettyjä transistoreja ilmestyy markkinoille koko ajan varsin kiivaaseen tahtiin. Valtaosa uusista kytkintransistoreista on (MOS)FETtejä. Rakenteelliset erot perinteiseen MOSFETtiin voivat kuitenkin olla merkittäviä.
Lineaariset audiovahvistimet toteutetaan nykyisin joitakin harvoja poikkeuksia lukuunottamatta BJT:llä. MOSFETtejä käytetään päätetransistoreina niiden paremman luotettavuuden ja tehonkeston vuoksi. Huonosti saatavilla olevat JFETit soveltuvat esivahvistimiin ja päätevahvistimien etuasteisiin. Kaikkia transistoreja ohjataan jännitteellä ja ohjauksella saadaan komponentin läpi kulkevaa virtaa muutettua. FETin ohjausvirta häviävän pieni. BJT puolestaan vaatii jonkin verran ohjausvirtaa, joka on yleensä noin sadasosa tai hieman alle transistorin läpi kulkevasta virrasta. Bipolaaritransistori toisinaan ajatellaankin virtaohjattuna komponenttina, vaikka ohjausvirta on lähinnä rakenteesta johtuva epäihanteellisuus. Päätetransistoreissa on edullista, jos virtavahvistus säilyy vakaana isolla kuormitusalueella. Tämä ominaisuus on alkuajoista merkittävästi parantunut.
Eri transistorityypit käyttäytyvät audiokäytössä hämmästyttävän samalla tavalla, vaikka rakenne ja toimintaperiaate eroavatkin toisistaan merkittävästi. Transistorin antovirran ja ohjausjännitteen välistä riippuvuutta kutsutaan transkonduktanssiksi, ja se on yksi merkittävästi transistorin käyttäytymiseen vaikuttava suure. Vahvistinkäytössä muita oleellisia suureita ovat jännitteen, virran ja tehonkesto sekä joissain tilanteissa myös toiminta suurilla taajuuksilla. BJT:n transkonduktanssi on merkittävästi FETtejä suurempi, minkä vuoksi BJT on oikein käytettynä merkittävästi näitä lineaarisempi. BJT myös mahdollistaa suuremman vahvistuksen aikaansaamisen yksinkertaisilla kytkennöillä. MOSFET sietää tehoasteessa enemmän kuormitusta kuin vastaavankokoinen BJT.
Transistorivahvistimien kehittyminen
Ensimmäiset transistorivahvistimet muistuttivat rakenteeltaan suuresti putkivahvistimia. Käytännössä kaikki alkuvaiheen transistorivahvistimet käyttivät putkitekniikasta tuttua päätemuuntajaa sekä vahvistimen lähdössä, että toisinaan myös vahvistinasteiden välissä. Yksinkertaisin toteutus on yksipuoleinen A-luokan vahvistin. Transistoreilla päästiin eroon putkilaitteiden suurista jännitetasoista ja kelluvista hehkujännitteistä. Vuorovaihekytkennässä saadaan eliminoitua muuntajan tasavirta, jolloin siitä voidaan tehdä pienempi tai ajaa suurempia tehotasoja.
Alkuvaiheen transistorivahvistimet oli toteutettu korvaamalla putkivahvistimien putket transistoreilla.
Transistorit sopivat jännite ja virta-arvoiltaan paremmin ajamaan pientä kaiutinkuormaa, joten rakenne ei välttämättä vaadi sovitusmuuntajaa toisin kuin putkitoteutukset. Muuntajien eliminointia audiokytkennöistä pidetään merkittävänä askeleena audiolaitteiden kehityksessä. Yksipuoleisia käyttöjännitteitä käytettäessä tarvitaan edelleen tasajännite-erotus vahvistimen lähtöön eikä kondensaattorikaan ole äänenlaadun kannalta edullinen ratkaisu. Kaksipuoleiset käyttöjännitteet poistivat ulostulokondensaattorin tarpeen.
Muuntajattomia transistorivahvistinkytkentöjä
Tyhjiöputkien polariteetti on aina sama. Transistoreista sen sijaan voidaan rakentaa peilikuvakomponentit. N ja P tyypin FETit ja NPN ja PNP tyypin bipolaaritransistorit. Tämä mahdollistaa valtavan määrän uudentyyppisiä kytkentöjä putkilaitteisiin verrattuna. Komplementtitransistorien saatavuus oli transistorien alkuvaiheessa heikko. Niitä osattiin kyllä valmistaa jo aikaisessa vaiheessa, mutta todenteolla ne yleistyivät vasta 60-luvun puolivälissä.
G.C. Sziklai julkaisi jo vuonna -53 joukon varsin edistyksellisiä kytkentärakenteita, jotka käyttivät hyväkseen komplementtitransistoreja. Hänen mukaansa nimetty Sziklai-pari oli eräs näistä. Samaisesta rakenteesta käytetään myös teknisempää nimitystä: complementary feedback pair (CFP). Kytkennässä oli lukuisia erittäin mielenkiintoisia ominaisuuksia, joita ei siihen mennessä oltu nähty. Rakenne on kokonaan tasajännitekytketty ja siinä on poikkeuksellisen hyvä tasajännitetarkkuus, erinomainen lineaarisuus ja olematon biasvirta. Koska kytkentä oli alunalkaen suunniteltu ja toteutettu germanium transistoreilla, jotka kytkeytyvät päälle pehmeästi ja alhaisella jännitteellä, ei rakenne myöskään tuottanut merkittäviä ongelmia ylimenosärön suhteen vaikka kannat on kytketty suoraan yhteen.
Symmetrinen Sziklai-pari kytkentä vuodelta 1953
Koska kunnollisia komplementtitransistoreja ei ollut yleisesti saatavilla, käytettiin usein rakenteita, jotka pyrkivät simuloimaan oikeaa komplementtirakennetta. Näennäiskomplementtirakenteissa tehokomponentit ovat sitä tyyppiä, jota sattuu olemaan paremmin saatavilla ja ohjauspuoli toteutetaan oikeilla komplementtitransistoreilla. Germaniumtransistoreita oli helpompi valmistaa PNP-tyyppisenä, kun taas nykyisin piitransistoreissa NPN on yleisempi ja paremmat ominaisuudet omaava. Näennäiskomplementtirakenteiden lineaarisuus ei vastannut aitoja komplementtikytkentöjä, mutta pienillä parannuksilla niiden suorituskyvystä saatiin riittävä. Näennäiskomplementtirakenteita käytetään edelleen operaatiovahvistimissa.
Näennäiskomplementtirakenteita.
RCA:n tutkija H.C. Lin kehitti vuonna 1956 vahvistintopologian (Lin-topologia), joka on edelleen pohjana useimpien, sekä erilliskomponenteista kasattujen, että integroitujen vahvistimien kytkennöissä. Kyseessä on perinteinen kolmiasteinen kytkentä, jossa on sisääntuloaste, vahvistusaste, tehoaste sekä globaali takaisinkytkentä. Alkuperäinen versio kytkennästä ei saavuttanut merkittävää suosiota, mutta 60-luvun alkupuolella piitransistorien yleistyttyä ja muutaman pikku päivityksen kera, kytkentä löi laudalta pääosan aikaisemmista vahvistintopologioista. Näistä muutoksista oleellisin oli differentiaaliparin käyttö sisääntuloasteessa. Differentiaalipari ei itsessään ollut uusi keksintö vaan se oli ollut jo pitkään menestyksekkäästi käytössä putkilaitteissa.
Alkuperäinen Lin-topologia.
Paranneltu Lin-topologia differentiaalisella sisääntulolla ja symmetrisellä pääteasteella ja virtalähdekuormalla
Muuntajattomat rakenteet ja mahdollistivat isomman vahvistuksen, taajuuskaistan ja tehon. Nopeus ja iso vahvistus mahdollistivat voimakkaan takaisinkytkennän käyttämisen. Näin saatiin kytkennän ulostulo hyvin lineaariseksi välittämättä sisäisen toteutuksen laadusta. Erityisesti operaatiovahvistimissa on nähtävissä edelleen se, että vahvistimen erinomaiset mitattavat ominaisuudet perustuvat lähes yksinomaan voimakkaaseen takaisinkytkentään.
Putkilaitteissa on käytetty paljon rakenteiden symmetrisyyttä hyväksi lineaarisuuden parantamisessa. Komplementtitransistorit mahdollistavat symmetristen rakenteiden toteuttamisen ilman muuntajaa. Lin-toteutus sen sijaan on varsin epäsymmetrinen poislukien parannellun version differentiaalinen sisääntuloaste. Sisääntulo- ja vahvistusasteen epäsymmetrinen kuormitus itse asiassa tekee rakenteesta jopa huomattavan epälineaarisen, Kokonaisuuden hyvä mitattu suorituskyky perustuu siis tässäkin tapauksessa voimakkaaseen takaisinkytkentään.
Selkeästi parempaan lopputulokseen päästään tekemällä Lin-topologiasta symmetrinen versio kahdentamalla etu- ja vahvistusasteet samanlaisilla, mutta komplementtitransistoreilla toteutetuilla asteilla. Toteutus parantaa paitsi lineaarisuutta mutta myös joukkoa muita oleellisia ominaisuuksia. Rakenne eri variaatioineen on ollut, ja yhä edelleen on, yksi yleisimmistä high-end ja hifilaitteissa käytetyistä vahvistinkytkennöistä.
Komplementtisymmetrisiä vahvistintopologioita
Peilatun ja peilaamattoman Lin-topologian lisäksi käytetään jonkinverran virtatakaisinkytkentäperiaatteella toimivia rakenteita, sekä kaksi- ja neliasteisia vahvistimia, joissa on siis tehoasteen lisäksi joko yksi tai kolme vahvistusastetta, tavallisen kahden sijaan. Isoja rakennemuutoksia vahvistimien kytkentöihin ei ole tullut viimeisen 40-vuoden aikana joskin mahdollisuudet pieneen hienosäätöön ovat rajattomat. Hyvin samanlainen tai jopa sama kytkentä saadaan toimimaan varsin eri tavalla sen mukaan, miten rakenne mitoitetaan, mitä komponentteja käytetään, sekä miten tehonsyöttö ja johdotus toteutetaan.