Яче́йка Блэ́кмера ( англ. Blackmer [gain] cell ) — схема электронного (УНУ, амплитудный модулятор ) с экспоненциальной характеристикой управления, предложенная и доведённая до серийного выпуска в 1970—1973 годы . Четырёхтранзисторное ядро схемы образовано двумя встречно включёнными токовыми зеркалами на биполярных транзисторах . Входной транзистор каждого из зеркал логарифмирует входной ток , а выходной транзистор антилогарифмирует сумму логарифма входного тока и модулирующего напряжения . Логарифмирующие усилители , использующие фундаментальную экспоненциальную зависимость тока через pn-переход от напряжения на нём, были известны задолго до работ Блэкмера, но оперировали только напряжениями одной полярности и токами одного направления . Новизна изобретения Блэкмера заключалась в раздельной, двухтактной обработке положительной и отрицательной полуволн переменного сигнала с помощью двух комплементарных цепей, что впервые позволило логарифмировать знакопеременные напряжения и токи .

Ячейка Блэкмера — исторически первая схема прецизионного УНУ, пригодная для высококачественной записи и воспроизведения звука. Уже в 1970-е годы динамический диапазон регулирования серийных изделий составлял 110 дБ и более при низких, не более 0,01 %, нелинейных искажениях ; во всём диапазоне регулирования действовала линейная зависимость между управляющим напряжением и логарифмом коэффициента усиления. Основными сферами применения схемы Блэкмера стали дистанционно управляемые микшерные пульты , студийные компрессоры аудиосигнала , микрофонные усилители и компандеры системы шумопонижения dbx . В 2010-е годы это одна из двух по-прежнему широко применяющихся в студийной и концертной аппаратуре схем этого рода .

Принцип действия

Четырёхтранзисторное ядро простейшей ячейки Блэкмера (на схеме обведено пунктиром) представляет собой два встречно включённых токовых зеркала . Нижнее зеркало, на npn-транзисторах Т1 и Т2, управляется втекающим входным током I1, а верхнее, на pnp-транзисторах Т3 и Т4 — вытекающим током I1. Модулируемое напряжение подаётся на вход Vx, управляющее (модулирующее) напряжение — на вход Vy. Операционные усилители A1, A2 поддерживают на коллекторах всех четырёх транзисторов нулевой потенциал . А1 преобразует модулируемое напряжение Vx во входной ток ядра I1, А2 преобразует выходной ток ядра I2 в выходное напряжение Vxy . Сопротивления R в цепях обратной связи ОУ, задающие коэффициенты преобразования ток-напряжение и ограничивающие размах токов ядра, выбираются достаточно большими (100 кОм в ранних серийных микросборках, 10 кОм в позднейших сериях ). Ток покоя ядра Io задаёт внешняя, термостабилизированная цепь смещения. Напряжение на ядре, равное удвоенному напряжения покоя база-эмиттер, во всех режимах неизменно. Постоянство напряжений — характерное свойство то́ковых аналоговых схем: носителем аналогового сигнала в них служит ток, а потенциалы на выводах транзисторов остаются практически неизменны .

При заземлённых управляющих входах (Vy=0) ядро работает как двунаправленный повторитель тока, а ячейка в целом — как повторитель напряжения . При подаче на вход Vx положительного напряжения выходное напряжение ОУ A1 уменьшается до уровня, при котором ток I1, втекающий в коллектор T1, точно равен Vx/R . Так как напряжения база-эмиттер Т1 и Т2 равны, то коллекторный ток Т2 точно повторяет коллекторный ток Т1 . Этот ток (I2) преобразуется в выходное напряжение Vxy преобразователем на A2 . Так как ячейка изначально смещена в режим AB , то при переходе Vx через ноль выходной ток формируют оба зеркала, а при отрицательных Vx выходной ток генерируется зеркалом Т3, Т4 .

При ненулевом управляющем напряжении Vy (диапазон его изменений составляет несколько сотен мВ ), приложенном между базами Т1 и Т2, напряжение база-эмиттер T2 увеличивается на величину Vy . При положительном Vy ток I2 возрастает, а при отрицательном Vy убывает пропорционально экспоненте Vy:

${\displaystyle I_{2}=I_{1}e^{\frac {V_{y}}{v_{t}}},}$

где ${\displaystyle v_{t}}$ — температурный потенциал, пропорциональный абсолютной температуре pn-переходов , для кремния равный примерно 26 мВ при 300 К. Рост Vy на 26 мВ увеличивает коэффициент усиления в 2,718 раз , или на +8,6 дБ; уменьшение Vy на 26 мВ во столько же раз уменьшает Ку. Благодаря перекрёстными связям между базами четырёх транзисторов та же зависимость действует и для верхней пары транзисторов: при 300 К крутизна модулирующей характеристики составляет 0,33 дБ/мВ (или 3 мВ/дБ) и для положительных, и для отрицательных значений Vx. На практике столь высокая крутизна неудобна, и обычно ядро сопрягается с управляющим сигналом, измеряемым единицами В, через активный аттенюатор на малошумящем ОУ . Использовать в этом качестве обычный делитель напряжения нельзя: источник управляющего сигнала должен иметь низкое внутреннее сопротивление , достижимое лишь в схемах на ОУ .

С ростом температуры крутизна характеристики, выраженная в дБ/мВ, уменьшается обратно пропорционально абсолютной температуре, а величина управляющего напряжения, необходимая для поддержания выбранного коэффициента усиления (мВ/дБ), возрастает. Простейший способ нейтрализации этой зависимости — использование шкалы управляющих напряжений, прямо пропорциональной абсолютной температуре. В аналоговых микшерских пультах эту роль выполняли пассивные цепи на терморезисторах с положительным температурным коэффициентом .

Нелинейные искажения

Важнейшие качественные показатели ячейки Блэкмера — уровень нелинейных искажений , уровень шума , и предельное подавление модулируемого сигнала (иначе, динамический диапазон регулирования) — взаимосвязаны между собой. Добиться наилучших показателей в одном изделии на практике невозможно; каждая серия микросхем оптимизируется под компромиссный набор критериев.

В серийных микросборках первого поколения коэффициент нелинейных искажений не опускался ниже 0,03 %, в позднейших, улучшенных вариантах в интегральном исполнении он был снижен до 0,001 % при выходном напряжении 1 В . Нелинейные искажения простейшей ячейки Блэкмера порождаются тремя явлениями :

• ошибкой логарифмирования из-за падения напряжения на ненулевых сопротивлениях баз и эмиттеров транзисторов;
• асимметрией верхней и нижней половин ядра;
• и нелинейностью входного преобразователя напряжения в ток .

Основной способ нейтрализации первых двух явлений — увеличение геометрических размеров транзисторов ядра . Чем больше площадь эмиттерного перехода, тем меньше его сопротивление (в серийных ИС оно не превышает 1 Ом ), и тем меньше влияние технологического разброса при фотолитографии . Рассогласование параметров транзисторов, обусловленное разницей их температур, предотвращается оптимальным размещением на кристалле . Рассогласование параметров транзисторов, обусловленное технологическими различиями pnp- и npn-структур, на практике нейтрализуется балансировкой (симметрированием) верхнего и нижнего зеркал . Для этого в цепь базы одного из выходных транзисторов вводится внешний постоянный ток, смещающий напряжение на базе на величину порядка нескольких десятков или сотен мкВ . В идеале, это дополнительное напряжение смещения должно быть пропорционально абсолютной температуре . В интегральных схемах 1980-х годов для балансировки использовались внешние потенциометры, в 1990-е годы цепь смещения, пропорционального абсолютной температуре, стали размещать непосредственно на кристалле . Каждый кристалл балансируется индивидуальной , но при последующем корпусировании настройка неизбежно сбивается . Готовые микросхемы сортируются по ценовым группам в зависимости от степени разбалансировки, которая в свою очередь определяет коэффициент нелинейных искажений конкретного экземпляра .

Шум

Основной составляющей собственного шума ячейки Блэкмера является дробовой шум транзисторов ядра . Понятие отношения сигнал-шум к ячейке Блэкмера не вполне применимо , так как помимо шума покоя (выходного шумового тока в отсутствие модулируемого сигнала), ячейка генерирует пульсирующие, промодулированные входным сигналом шумы, связанные с мгновенным значением входного сигнала нелинейной зависимостью . Эти пульсирующие шумы содержат как дробовой шум, так и тепловые шумы транзисторов, и шумы источника управляющего напряжения. Чем ниже шум покоя, тем заметнее эти пульсации, по крайней мере, при инструментальных измерениях ; вопрос о заметности пульсаций шума на слух однозначного ответа не имеет . Пульсации дробового и теплового шума устранить невозможно, но их заметность можно снизить намеренным увеличением шума покоя .

Уровень дробового шума транзистора пропорционален квадратному корню мгновенного значения его эмиттерного тока , поэтому для уменьшения шума покоя следует сместить ячейку в режим АВ и установить минимально возможное значение тока покоя . Для уменьшения нелинейных искажений, особенно на высоких частотах, напротив, следует сместить ячейку в режим А, что неизбежно увеличивает мощность шума . Например, в интегральных разработках THAT Corporation 1990-х годов изменение тока покоя ядра с 20 мкА (режим АВ) до 750 мкА (режим А) приводило к росту шума покоя на 17 дБ . Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки, единственно верного решения не существует .

Ячейка Блэкмера чрезвычайно чувствительна к шумам и прочим помехам, поступающим извне на управляющий вход: эти помехи, наложенные на управляющий сигнал, непосредственно модулируют выходной ток . При относительно большом размахе модулируемого сигнала внешняя помеха преобладает над всеми собственными источниками шума; для этого достаточно, чтобы спектральная плотность помехи на управляющем входе составляла несколько нВ/ ${\displaystyle {\sqrt {}}}$ Гц . Такую, или бо́льшую, плотность шума напряжения, приведённую ко входу, имеет абсолютное большинство ОУ широкого применения. Очевидный, но всегда соблюдавшийся на практике способ минимизации таких помех — тщательное проектирование управляющей цепи . Шумы и помехи в этой цепи следует искоренять столь же последовательно, как и шумы основного звукового канала .

Усовершенствованные варианты

Восьмитранзисторное ядро

Альтернативный балансировке способ симметрирования верхнего (pnp) и нижнего (npn) предложил . В ячейке Баффа последовательно с каждым из четырёх транзисторов ядра Блэкмера включен дополнительный транзистор противоположного типа проводимости в диодном включении . В каждом из четырёх плеч ядра работает пара комплементарных транзисторов, что заметно снижает «врождённую» асимметрию блэкмеровской схемы. Крутизна управления восьмитранзисторной ячейки (6 мВ/дБ или 0,17 дБ/мВ) вдвое ниже, чем у базовой схемы . Схема Баффа была реализована в полупроводниковых ИС EGC-101 и TA-101, выпускавшихся компаниями и с 1980 года .

Второе полезное свойство введённых Баффом диодов — стабилизация петли обратной связи, охватывающей входные транзисторы ядра . В обычном, четырёхтранзисторном, ядре петлевое усиление изменяется в столь широком диапазоне, что устойчивая работа входного ОУ возможна лишь в режиме AB . Диоды (транзисторы в диодном включении) служат своего рода балластом , который снижает петлевое усиление входного контура до значений, при которых для надёжной стабилизации входного ОУ в наиболее сложном режиме А достаточно единственной корректирующей ёмкости малого номинала .

Коррекция ошибки логарифмирования

Теоретическая экспоненциальная зависимость тока через прямо смещённый эмиттерный переход от напряжения на нём на практике нарушается из-за падения напряжения на активных сопротивлениях базы и эмиттера (активным сопротивлением коллектора на практике можно пренебречь) . При нулевом управляющем напряжении, если эффективные сопротивления всех четырёх эмиттеров ядра совпадают, ошибки логарифмирования входных и выходных транзисторов взаимно компенсируются . В любой иной точке нескомпенсированная ошибка логарифмирования порождает зависимость коэффициента передачи тока от его амплитуды, и как следствие, неблагозвучные нечётные гармоники в выходном сигнале .

Для нейтрализации ошибки логарифмирования применяется восьмитранзисторная модификация ячейки Блэкмера с перекрёстными обратными связями . Величины добавочных сопротивлений R, при которых ошибки входных и выходных транзисторов компенсируют друг друга, равны 2Ree/α, где Ree — эффективное сопротивление эмиттера, α — коэффициент передачи тока в схеме с общей базой . На практике такой подход позволяет нейтрализовать влияние сопротивлений эмиттеров (их величины практически постоянны во всех режимах), но не сопротивлений баз, которые изменяются в зависимости от протекающих токов . Нейтрализовать «вклад» сопротивлений баз можно только уменьшением их абсолютных величин через увеличение геометрических размеров транзисторов . В серийных микросхемах они столь велики, что для коррекции ошибки достаточно добавочных резисторов величиной не более 1 Ом .

Параллельное включение

При параллельном включении идентичных ядер Блэкмера, так же как и при параллельном включении транзисторов, входной и выходной токи возрастают пропорционально количеству ядер, а шумовая составляющая выходного тока — лишь пропорционально квадратному корню из количества . Например, при включении четырёх ядер выходной ток возрастает в четыре раза, а ток шума — всего в два раза, следовательно, отношение сигнал-шум улучшается на 6 дБ . На практике количество запараллеливаемых ядер ограничено как их стоимостью, так и сложностью согласования их рабочих точек . В выпускавшейся серийно гибридной сборке dbx202x использовалось восемь параллельных ядер в интегральном исполнении, в сборке THAT2002 — четыре ядра .

Замена входного ОУ на усилитель с токовым выходом

Ячейка Блэкмера, в особенности смещённая в режим АВ, представляет собой сложную, нелинейную нагрузку для входного усилителя (А1 на принципиальной схеме) . При использовании классического операционного усилителя цепи, охватывающей входной ОУ, изменяется в зависимости от мгновенного значения тока через активные транзисторы ячейки . ОУ широкого применения, охваченные глубокой отрицательной обратной связью , способны эффективно компенсировать нелинейность нагрузки лишь на низких частотах . На верхних октавах звукового диапазона, по мере спада коэффициента усиления ОУ, нелинейные искажения возрастают до неприемлемых значений .

Нелинейность такого рода можно исключить, заменив усилитель с выходом по напряжению (ОУ) на усилитель с выходом по току ( ) . Петлевое усиления транскондуктивного усилителя, включённого вместо А1, не зависит от мгновенного значения тока (но по-прежнему зависит от коэффициента усиления ячейки, заданного управляющим напряжением) . Такое решение применяется, например, в ИС THAT2181. По утверждению разработчика, входной усилитель этой схемы не привносит в сигнал заметных искажений вплоть до коэффициента усиления ячейки +20 дБ . На меньших уровнях усиления заявленный коэффициент нелинейных искажений составляет не более 0,005 %, уровень шума при единичном усилении не хуже −97 dbV , диапазон регулирования усиления составляет 100 дБ при погрешности регулирования не более 2 % (130 дБ без ограничения по погрешности) .

Подавление прохождения управляющего сигнала на выход ячейки

В большинстве реальных применений ячейка Блэкмера эффективно подавляет прохождение управляющего сигнала на выход схемы. Однако при больших скоростях нарастания и спада управляющего сигнала он может замыкаться на выход схемы через коллекторные ёмкости выходных транзисторов ядра . Противофазные импульсные токи помехи, проходящие через ёмкости двух транзисторов, компенсируют друг друга лишь частично; полная компенсация невозможна из-за неизбежной разницы емкостей pnp- и npn-транзисторов . Особенно подвержены этим помехам восьмитранзисторные ячейки в режиме А . Для полного подавления помехи на вход ОУ А2 подаётся ток, равный по величине разностному току помехи и противоположный ей по направлению . Величина разделительной ёмкости, через которую подаётся этот ток, определяется опытным путём .

История разработки и применения

На рубеже 1960-х и 1970-х годов, по мере перехода студий звукозаписи на многоканальную магнитную запись , продюсеры и звукоинженеры столкнулись с ростом шума до неприемлемых в студийной технике уровней. Узкие дорожки многоканальных магнитофонов шумели больше, чем широкие дорожки их предшественников; большое число дорожек, используемых при сведении , лишь усугубляло проблему . Одновременно, количество всевозможных электронных устройств в студиях выросло настолько, что управлять ими вручную стало затруднительно . В отрасли возник спрос, с одной стороны, на системы шумопонижения , а с другой — на средства дистанционного управления студийным оборудованием . Базовым электронным узлом, использовавшимся для обеих этих задач, был и остаётся (УНУ) — малошумящий, широкополосный амплитудный модулятор .

Первыми УНУ, широко распространившимися в звукотехнике, были дешёвые модуляторы на базе полевого транзистора в режиме управляемого сопротивления . Эти узлы использовались, например, во всех вариантах бытовой системы шумопонижения Dolby B , но требованиям профессиональных звукоинженеров не удовлетворяли . В 1968 году Барри Гилберт изобрёл схему УНУ на биполярных транзисторах одного типа проводимости, которая широко распространилась в радиотехнике; в 1971 году Дэвид Блэкмер предложил альтернативную конструкцию на комплементарных биполярных транзисторах, рассчитанную на высококачественную запись и воспроизведение звука . При всех своих достоинствах у решения Блэкмера был принципиальный недостаток: в 1970-е годы оно, в отличие от ячейки Гилберта, не могло быть реализовано в интегральном исполнении .

В 1973 году основанная Блэкмером компания dbx, Inc. вывела на рынок первую микросборку его схемы, dbx202 . За характерный вид корпуса американские звукоинженеры прозвали её «чёрной банкой», англ. black can ) . В dbx202 использовались четвёрки тщательно подобранных дискретных транзисторов в металлических корпусах . Транзисторы запрессовывались в керамическую обойму, служившую общим «термостатом», и распаивались на текстолитовую плату , которая в свою очередь запрессовывалась в «чёрную банку» . По утверждениям компании, уровень тепловой инерции конструкции был таков, что неизбежные для схемы Блэкмера тепловые искажения проявлялись только на самых нижних звуковых частотах . В 1978 году была выпущена восьмитранзисторная dbx202C с цепью коррекции ошибки логарифмирования; коэффициент нелинейных искажений (Кни) удалось снизить с 0,03 % до 0,01 %, а диапазон регулирования вырос с 110 до 116 дБ . В 1980 году на рынок вышла работающая в режиме А ИС dbx2001 (разработчик — ). Заявленный коэффициент нелинейных искажений снизился до менее 0,001 %; уровень шума и диапазон регулирования были, напротив, хуже чем у аналогов в режиме АВ .

К этому времени планарные микроэлектронные технологии вышли на уровень, позволивший формировать на одном кристалле качественные комплементарные пары npn- и pnp-транзисторов. Первую полупроводниковую ИС ячейки Блэкмера вывела на рынок компания Allison Research. Спроектированная Полом Баффом ИС ECG-101, фактически представлявшая набор из восьми изолированных транзисторов, была рассчитана на работу в режиме А. Благодаря переводу в режим А в выходном токе EGC-101 практически отсутствовали неблагозвучные нечётные гармоники ; характерный «почерк» этой ИС определялся исключительно уровнем чётных гармоник, который зависел от точности балансировки нуля .

В 1981 году, после четырёх лет экспериментов, на рынок вышло первое семейство полупроводниковых ИС компании dbx, Inc. — dbx2150/2151/2155 (разработчик — Дэйв Уэлланд, будущий основатель Silicon Labs ). Под этими тремя обозначениями продавалась одна и та же ИС: лучшие образцы маркировались кодом 2151, худшие — 2155 , а наибольшее распространение получила средняя по качеству серия dbx2150 . Однорядный корпус с восемью выводами (SIP8) и его цоколёвка обеспечивали отличную изоляцию входных и выходных сигналов и стали отраслевым стандартом, а впоследствии воспроизводились в улучшенных вариантах блэкмеровской схемы — dbx2100, THAT2150, THAT2181 и так далее . Основным потребителем прецизионных микросхем этого поколения был и остаётся узкий круг производителей студийной аппаратуры . Попытки вывести на рынок бытовой аппаратуры систему шумопонижения dbx , ядром которой служила ячейка Блэкмера в связке с блэкмеровским же , закончились поражением . Единственным действительно массовым рынком стали оснащённые системой dbx декодеры системы стандарта BTSC, действовавшего в США с 1984 по 2009 годы .

После ухода Блэкмера из dbx, Inc. компанию поглотил конгломерат Harman International . В 1989 году dbx, Inc. разделилась: Harman International оставила себе производство студийной аппаратуры, а возглавляемое учениками Блэкмера производство микросхем стало независимой компанией . Именно к ней перешли права на патенты Блэкмера и торговая марка Blackmer . По состоянию на февраль 2016 года, THAT Corporation продолжает выпуск двух одиночных и одного сдвоенного УНУ по схеме Блэкмера .

Комментарии

Примечания

Литература

• . Foreword // Design and Analysis of Integrator-Based Log-Domain Filter Circuits / ed. Gordon W. Roberts, Vincent W. Leung. — Springer Science & Business Media, 2006. — ISBN 9780306470547 .
• Ron Dow and Dan Parks. Understanding and Using VCAs // Broadcast Engineering. — 1990. — № September. — P. 84—94.
• Ben Duncan. VCAs Investigated. Part Two // Studio Sound. — 1989. — № July. — P. 58—62.
• Gary K. Hebert. // The 99th Convention of the Audio Engineering Society. 1995, October 6-9, New York. — 1995. — P. 1-34 (препринт).
• Joshua Israelsohn. // Electronic Design News. — 2002. — № August. — P. 38—46.
• Self, D. Small Signal Audio Design. — Focal Press / Elsevier, 2010. — ISBN 9780240521770 .
• That Corporation. // That Corporation Application Note. — 2002. — № 127. — P. 1-8.
• Les Tyler and Wayne Kirkwood. Dedicated Analog Circuits for Audio Applications // Handbook for Sound Engineers (fifth edition) / Greg Ballou. — CRC Press, 2015. — P. 128-151. — ISBN 9781135016661 .