Русская Википедия:Ячейка Блэкмера
Яче́йка Блэ́кмера (Шаблон:Lang-en) — схема электронного управляемого напряжением усилителя (УНУ, амплитудный модулятор) с экспоненциальной характеристикой управления, предложенная и доведённая до серийного выпуска Шаблон:Нп5 в 1970—1973 годыШаблон:Sfn. Четырёхтранзисторное ядро схемы образовано двумя встречно включёнными токовыми зеркалами на комплементарных 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 направленияШаблон:Sfn. 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 токиШаблон:Sfn.
Ячейка Блэкмера — исторически перваяШаблон:Sfn 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 родаШаблон:SfnШаблон:Ref+.
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 виртуальной землиШаблон:Sfn. А1 преобразует модулируемое напряжение Vx во входной ток ядра I1, А2 преобразует выходной ток ядра I2 в выходное напряжение VxyШаблон:Sfn. 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 серияхШаблон:Sfn). 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[1].
При заземлённых управляющих входах (Vy=0) ядро работает как двунаправленный повторитель тока, а ячейка в целом — как повторитель напряженияШаблон:Ref+. 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/RШаблон:Sfn. Так как напряжения база-эмиттер Т1 и Т2 равны, то коллекторный ток Т2 точно повторяет коллекторный ток Т1Шаблон:Sfn. Этот ток (I2) преобразуется в выходное напряжение Vxy преобразователем на A2Шаблон:Sfn. 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, Т4Шаблон:Sfn.
При ненулевом управляющем напряжении Vy (диапазон его изменений составляет несколько сотен мВШаблон:Ref+), приложенном между базами Т1 и Т2, напряжение база-эмиттер T2 увеличивается на величину VyШаблон:Sfn. При положительном Vy ток I2 возрастает, а при отрицательном Vy убывает пропорционально экспоненте Vy:
- <math>I_2 = I_1 e^{ \frac { V_y } {v_t} },</math>Шаблон:Sfn
где <math>v_t</math> — 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 ОУШаблон:Sfn. Использовать в этом качестве обычный делитель напряжения нельзя: источник управляющего сигнала должен иметь низкое внутреннее сопротивление, достижимое лишь в схемах на ОУШаблон:Sfn.
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 коэффициентомШаблон:Sfn.
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 ВШаблон:Sfn. Нелинейные искажения простейшей ячейки Блэкмера порождаются тремя явлениямиШаблон:Sfn:
- 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 токШаблон:Sfn.
Основной способ нейтрализации первых двух явлений — увеличение геометрических размеров транзисторов ядраШаблон:Sfn. Чем больше площадь эмиттерного перехода, тем меньше его сопротивление (в серийных ИС оно не превышает 1 ОмШаблон:Sfn), и тем меньше влияние технологического разброса при фотолитографииШаблон:SfnШаблон:Ref+. Рассогласование параметров транзисторов, обусловленное разницей их температур, предотвращается оптимальным размещением на кристаллеШаблон:Sfn. Рассогласование параметров транзисторов, обусловленное технологическими различиями pnp- и npn-структур, на практике нейтрализуется балансировкой (симметрированием) верхнего и нижнего зеркалШаблон:Sfn. Для этого в цепь базы одного из выходных транзисторов вводится внешний постоянный ток, смещающий напряжение на базе на величину порядка нескольких десятков или сотен мкВШаблон:Sfn. В идеале, это дополнительное напряжение смещения должно быть пропорционально абсолютной температуреШаблон:Sfn. В интегральных схемах 1980-х годов для балансировки использовались внешние потенциометры, в 1990-е годы цепь смещения, пропорционального абсолютной температуре, стали размещать непосредственно на кристаллеШаблон:Sfn. Каждый кристалл балансируется индивидуальной лазерной подгонкой, но при последующем корпусировании настройка неизбежно сбиваетсяШаблон:Sfn. Готовые микросхемы сортируются по ценовым группам в зависимости от степени разбалансировки, которая в свою очередь определяет коэффициент нелинейных искажений конкретного экземпляраШаблон:Sfn.
Шум
Основной составляющей собственного шума ячейки Блэкмера является дробовой шум транзисторов ядраШаблон:Sfn. Понятие отношения сигнал-шум к ячейке Блэкмера не вполне применимоШаблон:Sfn, 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 зависимостьюШаблон:Sfn. 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 измеренияхШаблон:Sfn; вопрос о заметности пульсаций шума на слух однозначного ответа не имеетШаблон:Sfn. Пульсации дробового и теплового шума устранить невозможно, но их заметность можно снизить намеренным увеличением шума покояШаблон:Sfn.
Уровень дробового шума транзистора пропорционален квадратному корню мгновенного значения его эмиттерного токаШаблон:Sfn, поэтому для уменьшения шума покоя следует сместить ячейку в режим АВ и установить минимально возможное значение тока покояШаблон:Sfn. Для уменьшения нелинейных искажений, особенно на высоких частотах, напротив, следует сместить ячейку в режим А, что неизбежно увеличивает мощность шумаШаблон:Sfn. 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 дБШаблон:Sfn. Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки, единственно верного решения не существуетШаблон:Sfn.
Ячейка Блэкмера чрезвычайно чувствительна к шумам и прочим помехам, поступающим извне на управляющий вход: эти помехи, наложенные на управляющий сигнал, непосредственно модулируют выходной токШаблон:SfnШаблон:Sfn. 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/<math>\sqrt{}</math>ГцШаблон:Sfn. 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 цепиШаблон:SfnШаблон:Sfn. Шумы и помехи в этой цепи следует искоренять столь же последовательно, как и шумы основного звукового каналаШаблон:Sfn.
Усовершенствованные варианты
Восьмитранзисторное ядро
Альтернативный балансировке способ симметрирования верхнего (pnp) и нижнего (npn) предложил Шаблон:Нп5Шаблон:SfnШаблон:Ref+. В ячейке Баффа последовательно с каждым из четырёх транзисторов ядра Блэкмера включен дополнительный транзистор противоположного типа проводимости в диодном включенииШаблон:Sfn. 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 схемыШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Схема Баффа была реализована в полупроводниковых ИС EGC-101 и TA-101, выпускавшихся компаниями Allison Research и Valley People с 1980 годаШаблон:Sfn.
Второе полезное свойство введённых Баффом диодов — стабилизация петли обратной связи, охватывающей входные транзисторы ядраШаблон:Sfn. В обычном, четырёхтранзисторном, ядре петлевое усиление изменяется в столь широком диапазоне, что устойчивая работа входного ОУ возможна лишь в режиме ABШаблон:Sfn. 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 номиналаШаблон:Sfn.
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)Шаблон:Sfn. При нулевом управляющем напряжении, если эффективные сопротивленияШаблон:Ref+ всех четырёх эмиттеров ядра совпадают, ошибки логарифмирования входных и выходных транзисторов взаимно компенсируютсяШаблон:Sfn. В любой иной точке нескомпенсированная ошибка логарифмирования порождает зависимость коэффициента передачи тока от его амплитуды, и как следствие, неблагозвучные нечётные гармоники в выходном сигналеШаблон:Sfn.
Для нейтрализации ошибки логарифмирования применяется восьмитранзисторная модификация ячейки Блэкмера с перекрёстными обратными связямиШаблон:Sfn. 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 базойШаблон:Sfn. 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 токовШаблон:Sfn. Нейтрализовать «вклад» сопротивлений баз можно только уменьшением их абсолютных величин через увеличение геометрических размеров транзисторовШаблон:Sfn. В серийных микросхемах они столь велики, что для коррекции ошибки достаточно добавочных резисторов величиной не более 1 ОмШаблон:Sfn.
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 количестваШаблон:Sfn. 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 дБШаблон:Sfn. На практике количество запараллеливаемых ядер ограничено как их стоимостью, так и сложностью согласования их рабочих точекШаблон:Sfn. В выпускавшейся серийно гибридной сборке dbx202x использовалось восемь параллельных ядер в интегральном исполнении, в сборке THAT2002 — четыре ядраШаблон:Sfn.
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)Шаблон:Sfn. При использовании классического операционного усилителя петлевое усиление цепи, охватывающей входной ОУ, изменяется в зависимости от мгновенного значения тока через активные транзисторы ячейкиШаблон:Sfn. ОУ широкого применения, охваченные глубокой отрицательной обратной связью, способны эффективно компенсировать нелинейность нагрузки лишь на низких частотахШаблон:Sfn. На верхних октавах звукового диапазона, по мере спада коэффициента усиления ОУ, нелинейные искажения возрастают до неприемлемых значенийШаблон:Sfn.
Нелинейность такого рода можно исключить, заменив усилитель с выходом по напряжению (ОУ) на усилитель с выходом по току (транскондуктивный усилитель)Шаблон:Sfn. Петлевое усиления транскондуктивного усилителя, включённого вместо А1, не зависит от мгновенного значения тока (но по-прежнему зависит от коэффициента усиления ячейки, заданного управляющим напряжением)Шаблон:Sfn. 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 дБШаблон:Sfn. 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)Шаблон:Sfn.
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 ядраШаблон:Sfn. 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-транзисторовШаблон:Sfn. Особенно подвержены этим помехам восьмитранзисторные ячейки в режиме АШаблон:Sfn. Для полного подавления помехи на вход ОУ А2 подаётся ток, равный по величине разностному току помехи и противоположный ей по направлениюШаблон:Sfn. Величина разделительной ёмкости, через которую подаётся этот ток, определяется опытным путёмШаблон:Sfn.
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 проблемуШаблон:Sfn. Одновременно, количество всевозможных электронных устройств в студиях выросло настолько, что управлять ими вручную стало затруднительноШаблон:Sfn. В отрасли возник спрос, с одной стороны, на системы шумопонижения, а с другой — на средства дистанционного управления студийным оборудованиемШаблон:Sfn. Базовым электронным узлом, использовавшимся для обеих этих задач, был и остаётся управляемый напряжением усилитель (УНУ) — малошумящий, широкополосный амплитудный модуляторШаблон:Sfn.
Первыми УНУ, широко распространившимися в звукотехнике, были дешёвые модуляторы на базе полевого транзистора в режиме управляемого сопротивленияШаблон:Sfn. Эти узлы использовались, например, во всех вариантах бытовой системы шумопонижения Dolby BШаблон:Sfn, но требованиям профессиональных звукоинженеров не удовлетворялиШаблон:Sfn. 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 звукаШаблон:Sfn. 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 исполненииШаблон:Sfn.
В 1973 году основанная Блэкмером компания dbx, Inc. вывела на рынок первую микросборку его схемы, dbx202Шаблон:Sfn. За характерный вид корпуса американские звукоинженеры прозвали её «чёрной банкой», Шаблон:Lang-en)Шаблон:Sfn. В dbx202 использовались четвёрки тщательно подобранных дискретных транзисторов в металлических корпусахШаблон:Sfn. Транзисторы запрессовывались в керамическую обойму, служившую общим «термостатом», и распаивались на текстолитовую плату, которая в свою очередь запрессовывалась в «чёрную банку»Шаблон:Sfn. По утверждениям компании, уровень тепловой инерции конструкции был таков, что неизбежные для схемы Блэкмера тепловые искажения проявлялись только на самых нижних звуковых частотахШаблон:Sfn. 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 дБШаблон:Sfn. В 1980 году на рынок вышла работающая в режиме А ИС dbx2001Шаблон:Sfn (разработчик — Шаблон:Нп5[2]). Заявленный коэффициент нелинейных искажений снизился до менее 0,001 %; уровень шума и диапазон регулирования были, напротив, хуже чем у аналогов в режиме АВШаблон:Sfn.
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 гармоникиШаблон:Sfn; характерный «почерк» этой ИС определялся исключительно уровнем чётных гармоник, который зависел от точности балансировки нуляШаблон:Sfn.
В 1981 году, после четырёх лет экспериментов, на рынок вышло первое семейство полупроводниковых ИС компании dbx, Inc. — dbx2150/2151/2155Шаблон:Sfn (разработчик — Дэйв Уэлланд, будущий основатель Silicon Labs[2]). Под этими тремя обозначениями продавалась одна и та же ИС: лучшие образцы маркировались кодом 2151, худшие — 2155Шаблон:Sfn, а наибольшее распространение получила средняя по качеству серия dbx2150Шаблон:Sfn. 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 далееШаблон:Sfn. Основным потребителем прецизионных микросхем этого поколения был и остаётся узкий круг производителей студийной аппаратурыШаблон:Sfn. Попытки вывести на рынок бытовой аппаратуры систему шумопонижения dbx, ядром которой служила ячейка Блэкмера в связке с блэкмеровским же детектором среднеквадратического напряжения, закончились поражением[3]. Единственным действительно массовым рынком стали оснащённые системой dbx декодеры системы Шаблон:Нп5 стандарта BTSC, действовавшего в США с 1984 по 2009 годы[4].
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 THAT Corporation. Именно к ней перешли права на патенты Блэкмера и торговая марка BlackmerШаблон:Sfn. По состоянию на февраль 2016 года, THAT Corporation продолжает выпуск двух одиночных и одного сдвоенного УНУ по схеме Блэкмера[5].
Комментарии
Примечания
Литература
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
.jpg){kind=link}