Ячейка усиления Блэкмера

Ячейка усиления Блэкмера представляет собой схему усилителя с управляемым напряжением (VCA) звуковой частоты с экспоненциальным законом управления . Она была изобретена и запатентована Дэвидом Э. Блэкмером между 1970 и 1973 годами. Четырехтранзисторное ядро ​​оригинальной ячейки Блэкмера содержит два дополнительных биполярных токовых зеркала , которые выполняют логарифмические-антилогарифмические операции над входными напряжениями в двухтактном, чередующемся режиме. Более ранние логарифмические-антилогарифмические модуляторы, использующие фундаментальную экспоненциальную характеристику p–n-перехода, были униполярными; применение Блэкмером двухтактной обработки сигнала позволило модулировать биполярные напряжения и двунаправленные токи.

Ячейка Блэкмера, которая производится с 1973 года, является первой прецизионной схемой VCA, которая была пригодна для профессионального аудио . Еще в 1970-х годах производство ячеек Блэкмера достигло Диапазон управления 110 дБ с общим гармоническим искажением не более 0,01% и очень высоким соответствием идеальному экспоненциальному закону управления. Схема использовалась в дистанционно управляемых микшерных пультах, компрессорах сигналов, микрофонных усилителях и системах шумоподавления dbx . В 21 веке ячейка Блэкмера, наряду с элементом управления рабочим напряжением (OVCE) Дугласа Фрея, остается одной из двух интегрированных топологий VCA, которые по-прежнему широко используются в студийном и сценическом оборудовании. ^[1]

В 1960-х годах американские студии звукозаписи перешли на многодорожечную запись . Узкие дорожки многодорожечных магнитофонов были более шумными, чем широкие дорожки их предшественников; сведение множества узких дорожек еще больше ухудшало соотношение сигнал/шум мастер -лент . ^[2] Сведение стало сложным процессом, требующим точной синхронизации работы многочисленных элементов управления и фейдеров, которых было слишком много, чтобы управлять ими вручную. ^[2] Эти проблемы ранних многодорожечных студий создали спрос на профессиональное шумоподавление и автоматизацию пульта . ^[2] В основе обеих этих функций лежал усилитель, управляемый напряжением (VCA). ^[2]

Самая ранняя твердотельная топология VCA была аттенюатором , а не усилителем ; она использовала полевой транзистор с переходом в режиме сопротивления, управляемого напряжением . ^[3] Эти аттенюаторы, которые были передовыми в начале 1970-х годов, успешно использовались в профессиональных системах шумоподавления Dolby A и потребительских системах шумоподавления Dolby B , но не отвечали всем требованиям инженеров по микшированию . ^[3] В 1968 году Барри Гилберт изобрел ячейку Гилберта , которая была быстро принята на вооружение разработчиками радио и аналоговых компьютеров , но не обладала точностью, необходимой для студийного оборудования. ^[2] Между 1970 и 1973 годами Дэвид Э. Блэкмер изобрел и запатентовал четырехтранзисторную умножающую логарифмическую антилогарифмическую ячейку, предназначенную для профессионального звука. ^{[2] 1989b}

Ячейка Блэкмера была более точной и имела больший динамический диапазон , чем предыдущие топологии VCA, но она требовала хорошо подобранных комплементарных транзисторов обоих типов полярности , которые еще не могли быть реализованы в кремниевой интегральной схеме (ИС). ^[2] Современная технология изоляции переходов предлагала плохо работающие pnp-транзисторы, поэтому разработчикам интегральных схем приходилось использовать только npn-транзисторы. ^[4] Схемы Гилберта и Долби были легко интегрированы в кремний ^{[5] [1],} но ячейку Блэкмера приходилось собирать из утомительно отобранных, точно подобранных, дискретных транзисторов. ^{[2] [4]} Для обеспечения изотермической работы эти транзисторы в металлическом корпусе были прочно скреплены вместе с теплопроводным керамическим блоком и изолированы от окружающей среды стальным корпусом. Первые гибридные интегральные схемы этого типа, «черная банка» dbx202, были изготовлены компанией Блэкмера в 1973 году. Пять лет спустя Блэкмер выпустила улучшенную гибридную ИС dbx202C «золотая банка»; Общие гармонические искажения снизились с 0,03% до 0,01%, а диапазон регулировки усиления увеличился с110 дБ до116 дБ . ^[6] В 1980 году Blackmer выпустила версию, разработанную Бобом Адамсом , dbx2001. ^[7] В отличие от более ранних ячеек Blackmer, которые работали в классе AB , dbx2001 работал в классе A. Искажения снизились до менее чем 0,001%, но шум и динамический диапазон dbx2001 были хуже, чем у схем класса AB. ^[6] Это первое поколение усилителей Blackmer VCA имело очень долгий срок службы; по состоянию на 2002 год аналоговые консоли, построенные на основе оригинальных «банок» dbx202, все еще использовались в профессиональных студиях звукозаписи. ^[8]

К 1980 году комплементарные биполярные ИС стали возможны, и Allison Research выпустила первую монолитную ИС ячейки усиления Блэкмера. ECG-101, разработанная Полом Баффом, содержала только ядро ​​модифицированной ячейки Блэкмера — набор из восьми согласованных транзисторов — и предназначалась для работы в чистом классе A. ^{[9] [7]} Она имела уникальную звуковую сигнатуру, которая почти не имела нежелательных гармоник нечетного порядка и была легче стабилизируема , чем исходная ячейка Блэкмера. ^[9] В 1981 году dbx, Inc. выпустила собственную монолитную ИС, dbx2150/2151/2155, разработанную Дэйвом Уэлландом, будущим соучредителем Silicon Labs . ^{[6] [7]} Три цифровых обозначения обозначали три сорта одного и того же чипа: 2151 — лучший, 2155 — худший; средняя версия 2150 была наиболее широко используемой. ^[6] Восьмиконтактный однорядный корпус (SIP8) обеспечивал хорошую изоляцию между входами и выходами и стал отраслевым стандартом, который использовался в более поздних ИС dbx2100, THAT2150 и THAT2181. Эти схемы, как и оригинальные гибридные ИС dbx, были малотиражным нишевым продуктом, который использовался исключительно в профессиональном аналоговом аудио. ^[8] Типичные области применения включают микшерные пульты , компрессоры , шумоподавители , дакеры , деэссеры и фильтры с переменным состоянием . ^[10] Система шумоподавления dbx, которая использовала ячейку Блэкмера, имела ограниченный успех на полупрофессиональном рынке и потерпела неудачу на потребительском рынке, проиграв Dolby C. [ ^11] Единственным массовым рынком, где dbx добился существенного использования, был североамериканский многоканальный телевизионный звук , который был представлен в 1984 году и работал до конца аналогового телевизионного вещания в 2009 году. ^[12]

В XXI веке профессиональные микросхемы Blackmer производятся корпорацией THAT Corporation — прямым потомком Blackmers' dbx, Inc. — с использованием технологии диэлектрической изоляции. ^[4] По состоянию на апрель 2020 года компания предлагала одну двухканальную и две одноканальные микросхемы Blackmer, а также четыре микросхемы «аналогового двигателя», содержащие ячейки Blackmer, которые контролируются детекторами Blackmer RMS . ^[13]

Ячейка Блэкмера является прямым потомком двухтранзисторной логарифмической антилогарифмической схемы, которая сама является производной простого токового зеркала . Обычно базы двух транзисторов зеркала связаны вместе, чтобы гарантировать, что коллекторный ток I ₂ выходного транзистора T2 точно отражает коллекторный ток I ₁ входного транзистора T1. Дополнительное положительное или отрицательное напряжение смещения V _Y, приложенное между базами T1 и T2, преобразует зеркало в усилитель тока или аттенюатор ^[14] . Масштабный коэффициент или усиление по току следует экспоненциальной формуле Шокли : ^[15]

${\displaystyle I_{2}=I_{1}e^{\frac {V_{Y}}{\phi _{t}}},}$^{[16] [5]}

где это тепловое напряжение , пропорциональное абсолютной температуре и равное${\displaystyle \фи _{т}}$25,852 мВ при300 К. [ ^17]

Управляющее напряжение V _Y обычно соотносится с землей , либо с одним заземленным выводом, либо с обоими выводами, управляемыми дифференциально с нулевым синфазным напряжением. Это требует понижения потенциала эмиттера ниже земли, обычно с помощью операционного усилителя A1, который также преобразует входное напряжение V _X во входной ток I ₁ (так называемая трансдиодная конфигурация ). Второй операционный усилитель A2 преобразует выходной ток I ₂ в выходное напряжение V _XY . ^{[18] [14]}

В математике логарифмическая функция определяется только для положительного аргумента . Логарифмическая антилогарифмическая схема, построенная на NPN-транзисторах, будет принимать только положительное входное напряжение V _X или только отрицательное V _X в случае PNP-транзисторов. ^{[19] [14]} Это неприемлемо в аудиоприложениях, которые должны обрабатывать сигналы переменного тока (AC). ^[5] Добавление смещения постоянного тока (DC) к аудиосигналам, как было предложено Эмбли в 1970 году, ^[6] будет работать при фиксированной настройке усиления, но любые изменения усиления будут модулировать выходное смещение постоянного тока. ^[5]

Схема Блэкмера состоит из двух дополнительных логарифмических антилогарифмических усилителей напряжения (VCA). ^[20] Ее четырехтранзисторное ядро ​​— собственно ячейка Блэкмера — объединяет два дополнительных токовых зеркала, которые соединены встречно-параллельно и работают в режиме «тяни-толкай» . ^[21] Нижнее зеркало типа NPN (T1, T2) поглощает входной ток I ₁ ; верхнее зеркало типа PNP (T3, T4) является источником входного тока I ₁ в противоположном направлении. ^[4] Умножитель V _BE , термически связанный с ядром, поддерживает около 1,5 В (2 В _BE ) на своих клеммах питания и регулирует свой ток холостого хода (2 мА или менее в производственных монолитных ИС ^[13] ). Сигнальное напряжение подается на клеммы V _X , а управляющее напряжение — на клеммы V _Y . Операционные усилители A1 и A2 выполняют те же функции преобразователя напряжения в ток и тока в напряжение, что и их аналоги в однополярной логарифмической-антилогарифмической схеме ^[20] и поддерживают виртуальный потенциал земли на входных и выходных узлах ядра. Значения резисторов обратной связи обычно устанавливаются на уровне10 кОм (100 кОм в ранних гибридных ИС); ^[22] они должны быть равны, чтобы обеспечить единичное усиление при нулевом управляющем напряжении. ^[23] Потенциалы всех узлов ядра, кроме V _y, практически не зависят от входных сигналов, что является общим для всех схем токового режима, которые обрабатывают токи сигналов, а не напряжения.

Когда управляющее напряжение V _Y = 0, ядро ​​работает как двунаправленный повторитель тока, воспроизводя входной ток I ₁ в выходной ток I ₂ . В ядрах, смещенных к чистому классу A, оба зеркала вносят свои доли I ₂ одновременно; в ядрах, смещенных к классу AB, это справедливо только для очень малых значений V _X и I ₁ . При более высоком V _X одно из зеркал ядра класса AB отключается, и весь выходной ток I ₂ поглощается или поступает с другим зеркалом, которое является активным. При положительном (отрицательном) V _Y ток через активное зеркало или оба зеркала в классе A увеличивается (уменьшается) экспоненциально, точно так же, как это происходит в одноквадрантной логарифмической-антилогарифмической схеме:

${\displaystyle I_{2}=I_{1}e^{\frac {V_{Y}}{\phi _{t}}}={\frac {V_{X}}{R}}e^{\frac {V_{Y}}{\phi _{t}}},}$

${\displaystyle V_{XY}=V_{X}e^{\frac {V_{Y}}{\phi _{t}}},}$предполагая равные значения R в A1 и A2 ^[16]

В300 К , наклон экспоненциального закона управления равен0,33 дБ/мВ (или3,0 мВ/дБ ) для отрицательных или положительных значений V _X . На практике наклон неудобно крутой, и сердечник обычно развязан от реальных управляющих напряжений с помощью активного аттенюатора. Этот аттенюатор или любой другой источник V _Y должен иметь очень низкий уровень шума и очень низкое выходное сопротивление , что достижимо только в схемах на основе операционных усилителей. Несимметричный привод V _Y почти так же хорош, как симметричный сбалансированный привод ; наличие двух выводов V _Y позволяет управлять ячейкой двумя независимыми несимметричными напряжениями. ^[4]

Коэффициент усиления ячейки Блэкмера имеет обратную зависимость от температуры: чем горячее ИС, тем ниже наклон экспоненциального закона управления. Например, V _Y =+70 мВ при300 К означает выигрыш в 10 раз или+20 дБ . Когда температура кристалла повышается до310 К , усиление при V _Y =+70 мВ уменьшается на0,66 дБ до+19,3 дБ ; при максимальной рабочей температуре343 К (70 °C ) падает до+17,2 дБ . На практике этот недостаток легко преодолевается с помощью контрольной шкалы, пропорциональной абсолютной температуре (PTAT). В системах шумоподавления dbx и аналоговом движке THAT Corp это обеспечивается физикой детектора Blackmer RMS , который по конструкции является PTAT. В старых микшерных пультах тот же эффект достигался с помощью термисторов с положительным температурным коэффициентом (PTC) . ^[24]

Несоответствия транзисторов PNP и NPN базовой ячейки Блэкмера обычно уравновешиваются обрезкой. В качестве альтернативы транзисторы могут быть уравновешены конструкцией путем включения транзисторов противоположного типа, соединенных диодами, в каждую ножку сердечника. Каждая из четырех ножек модифицированного сердечника содержит один транзистор типа NPN и один транзистор типа PNP; хотя они все еще функционально асимметричны, степень асимметрии значительно уменьшена. Наклон экспоненциального закона управления составляет ровно половину от наклона четырехтранзисторной ячейки. Это усовершенствование было изобретено звукорежиссером Полом Конрадом Баффом и производится с 1980 года как монолитная ИС ECG-101 компанией Allison Research и идентичная TA-101 компанией Valley People. ^{[25] [26]}

Паразитные сопротивления базы и эмиттера искажают вольт-амперные характеристики реальных транзисторов, внося ошибку логарифмирования и искажая выходной сигнал. Чтобы улучшить точность сверх того, что было достижимо за счет использования транзисторов с увеличенным размером ядра, Блэкмер предложил использовать свое восьмитранзисторное ядро ​​с чередующимися локальными контурами обратной связи . Схема, которая впервые была произведена как гибридная dbx202C в 1978 году и как монолитные ИС 2150/2151/2155 в 1981 году, минимизирует искажение логарифмической ошибки, когда значение каждого резистора обратной связи равно сумме эквивалентных сопротивлений эмиттера на NPN и PNP транзисторах. Простая модель предсказывает, что этот подход нейтрализует все источники ошибки логарифмирования, но в действительности обратная связь не может компенсировать эффекты скученности тока , которые можно уменьшить только путем увеличения размеров транзисторов. Ядра монолитных ИС Блэкмера настолько велики, что эффективные значения резисторов обратной связи составляют менее одного Ома. ^{[27] [25]}

Ядра Блэкмера, являясь устройствами с током на входе и выходе, могут быть легко соединены параллельно . ^[28] Параллельное соединение идентичных ядер увеличивает входные и выходные токи пропорционально количеству ядер, однако шумовой ток увеличивается только как квадратный корень того же числа. Например, параллельное соединение четырех ядер увеличивает сигнальный ток в четыре раза и шумовой ток в два раза, улучшая отношение сигнал/шум на 6 дБ. Первая производственная схема этого типа, гибридная dbx202x, содержала восемь параллельных ядер, состоящих из дискретных транзисторов; гибридная THAT2002 содержала четыре монолитных кристалла THAT2181. ^{[29] [30]}

Конструкция ячейки Blackmer IC представляет собой компромисс, благоприятствующий определенной комбинации искажений, шума и динамического диапазона настроек усиления. Эти свойства имеют решающее значение для профессионального аудиоприложения, они взаимосвязаны и не могут быть улучшены одновременно. Выбор простоты схемы (встроенная подстройка на уровне пластины) или наименьшего искажения (внешняя подстройка внутри схемы) также фиксируется на уровне кристалла. ^{[16] [6]}

Искажения сердечника Blackmer класса AB имеют три основных источника:

• Ошибка логарифмирования из-за конечных паразитных сопротивлений ;
• Асимметрия верхних (PNP) и нижних (NPN) транзисторов;
• Нелинейность входного преобразователя напряжения в ток (А1). ^[20]

Первые два источника содержатся в ядре и определяют искажения на низких частотах. Оба подавляются увеличением размеров транзистора, хотя эффективная нейтрализация ошибки логарифмирования возможна только в улучшенных восьмитранзисторных ядрах. ^[31] Большие транзисторы имеют меньшее паразитное сопротивление и менее чувствительны к неизбежным случайным несоответствиям областей. ^[31] Временные несоответствия, вызванные тепловыми градиентами, избегаются путем тщательного размещения основных транзисторов и окружающих компонентов на ИС. ^[32] Остаточное несоответствие зеркал PNP и NPN компенсируется обрезкой , обычно путем подачи очень малого тока в один из двух выходных транзисторов ядра. ^[33] Это создает небольшое, асимметричное напряжение смещения в несколько милливольт или меньше, которое в идеале должно быть пропорционально абсолютной температуре. ^[33] В монолитных ИС это обеспечивается использованием термически связанного источника тока смещения PTAT. ^[33] Подгонка на уровне пластины страдает от случайных сдвигов во время последующей упаковки кристалла ; ИС с подгонкой на пластине имеют максимальный номинальный THD от 0,01% (лучший класс) до 0,05% (худший класс) при входном напряжении 1 В RMS. ^[34] Дальнейшее снижение THD до 0,001% требует тонкой подгонки внутри схемы, ^[35] которая обычно выполняется один раз с использованием прецизионного анализатора THD и не требует дополнительных настроек. ^[30]

Выходной усилитель A2 работает с фиксированным усилением замкнутого контура, управляет нагрузкой с мягким постоянным импедансом и не ухудшает искажения. ^[35] Входной усилитель A1 управляет нелинейной петлей обратной связи, обернутой вокруг сердечника, и должен оставаться стабильным при любой возможной комбинации V _X и V _Y . ^[35] Чтобы избежать искажений кроссовера , A1 должен иметь очень широкую полосу пропускания и быструю скорость нарастания ^[9], но на высоких звуковых частотах его нелинейность становится доминирующим фактором искажения, поскольку усиление разомкнутого контура A1 уменьшается. ^[35] Этот тип искажений является общим для операционных усилителей с выходом напряжения; в производственных ИС он эффективно сводится к нулю путем замены усилителя с выходом напряжения на усилитель с токовой проводимостью . ^{[35] [4]}

Оценка и измерение отношения сигнал/шум сложны и неоднозначны из-за сложной нелинейной зависимости между токами, напряжениями и шумом. При нулевых или очень малых входных сигналах ядро ​​имеет очень низкий уровень шума . При высоких входных сигналах этот остаточный шум тонет в гораздо большем шуме модуляции, содержащем продукты дробового шума , теплового шума от транзисторов ядра и внешних шумов, которые вводятся в клеммы V _Y. ^[36] Более высокие входные сигналы вызывают большую модуляцию: «шум следует за сигналом» нелинейным образом. ^[9]

При умеренных настройках усиления или затухания шум сердечника — при условии отсутствия шума в окружающих схемах — определяется дробовым шумом тока коллектора, который пропорционален квадратному корню тока эмиттера. ^[37] Таким образом, самый низкий шум достигается в сердечниках класса AB с очень малыми токами холостого хода. Конструкции для самых низких искажений требуют работы в чистом классе A за счет более высокого шума. Например, в ИС THAT Corp увеличение тока холостого хода с 20 мкА (класс AB) до 750 мкА (класс A) вызывает рост уровня шума без сигнала на 17 дБ; ^[38] в гибридных «банках» dbx, Inc. разница составляла либо 10, либо 16 дБ. ^[6] На практике идеального компромисса не существует; выбор класса AB с низким уровнем шума или класса A с низким уровнем искажений зависит от области применения. ^[39]

Шум операционных усилителей A1 и A2 существенен только при очень низких или очень высоких настройках усиления. В ИС класса AB от THAT Corporation шум A2 становится доминирующим при усилении−30 дБ или менее, шум A2 становится доминирующим при усилениях+20 дБ или более. При высоких уровнях выходного сигнала шумовая сигнатура доминирует за счет шумов, вводимых через управляющие терминалы, даже если были приняты надлежащие меры для подавления их источников. ^[36]

Ячейки Блэкмера особенно чувствительны к помехам на управляющих терминалах. Любой сигнал, поступающий на порт V _Y , будь то полезное управляющее напряжение или нежелательный шум, напрямую модулирует выходной сигнал со скоростью0,33 дБ/мВ для четырехтранзисторной ячейки или0,17 дБ/мВ для ячейки из восьми транзисторов.1 мВ случайного шума или гула приводит к модуляции 4% или 2%, что ухудшает отношение сигнал/шум до абсолютно неприемлемых значений. ^[40] Загрязнение V _Y входным сигналом V _X вызывает не шум, а неприемлемо высокие гармонические искажения. ^[30]

Схемы, управляющие терминалами V _Y, должны быть спроектированы так же тщательно, как и профессиональные аудиотракты. На практике терминалы V _{Y обычно напрямую подключаются к внешним управляющим сигналам с помощью малошумящих операционных усилителей, что обеспечивает минимально возможное выходное сопротивление;} ^[30] недорогие усилители, такие как NE5532, являются худшей, но приемлемой альтернативой более тихим, но более дорогим моделям. ^[41] Усилители этого класса характеризуются плотностью шума звуковой частоты в несколько нВ/ Гц, которая, хотя и низкая, заглушает другие источники шума при высоких уровнях сигнала. ^[42]${\displaystyle {\sqrt {}}}$

В ядрах класса AB подавление входного сигнала в выключенном состоянии, которое отмечает нижнюю границу шкалы управления, достигает110 дБ на 1 кГц, но ухудшается на более высоких звуковых частотах из-за паразитных емкостей . Однорядные корпуса ИС, в противном случае устаревшие, хорошо работают в этом отношении из-за относительно большого расстояния между входными и выходными контактами. Следует проявлять осторожность, чтобы предотвратить емкостную связь от входа V _X к неинвертирующему входу A1. ^[30] В ядрах класса A шкала управления неизбежно уже из-за более высокого уровня остаточного шума. ^[43]

В ядрах класса AB на низких частотах прохождение управляющего напряжения V _Y в выходной сигнал имеет два основных источника: несоответствия в транзисторах ядра, которые уменьшаются за счет увеличения размеров транзистора, и прохождение входного тока смещения. Любая постоянная составляющая V _X и входное напряжение смещения усилителя A1 вводят постоянные компоненты во входной ток I ₁ , которые реплицируются на выходе и модулируются ядром вместе с входным сигналом переменного тока. Эти источники прохождений можно нейтрализовать с помощью емкостной связи, оставив одну нежелательную постоянную составляющую, входной ток смещения A1. Этот ток можно уменьшить до нескольких наноампер с помощью входных каскадов с компенсацией смещения. На высоких частотах V _Y напрямую связано с выходным узлом через емкости коллектор-база транзисторов ядра. Дифференциальное управление V _Y не устраняет проблему из-за разных емкостей транзисторов PNP и NPN. ^[40] Остаточный сквозной сигнал V _Y может быть сведен к нулю путем прямой подачи инвертированного сигнала V _Y в выходной узел через конденсатор малой емкости, восстанавливая емкостную симметрию сердечника. ^[40]

Сердечники класса A, в целом, более склонны к сквозному контролю напряжения из-за температурных градиентов в сердечнике (в классе AB те же градиенты проявляются как искажения). Ранние ИС класса A, используемые в качестве заглушающих вентилей, производили слышимые низкочастотные «стуки», но последующие усовершенствования в производстве ИС значительно уменьшили нежелательные сквозные помехи. ^[43]