A Blackmer cell ( angolul Blackmer [gain] cell ) egy elektronikus feszültségvezérelt erősítő (UNU, amplitúdómodulátor ) exponenciális szabályozási karakterisztikával rendelkező áramköre, amelyet David Blackmer javasolt és hozott sorozatgyártásba 1970-1973-ban [1 ] . Az áramkör négy tranzisztoros magját két, egymással ellentétes áramtükör alkotja komplementer bipoláris tranzisztorokon . Mindegyik tükör bemeneti tranzisztorja a bemeneti áram logaritmusát veszi fel , a kimeneti tranzisztor pedig az antilogaritmusta bemeneti áram és a moduláló feszültség logaritmusának összege . A logaritmikus erősítők , amelyek a pn-átmeneten áthaladó áram alapvető exponenciális függését használták a rajta lévő feszültségtől, már jóval Blackmer munkája előtt ismertek voltak, de csak egy polaritású feszültségekkel és egyirányú áramokkal működtek [2] . Blackmer találmányának újdonsága a váltakozó jel pozitív és negatív félhullámainak különálló, push-pull feldolgozása volt két komplementer áramkör segítségével, amely először tette lehetővé váltakozó feszültségek és áramok logaritmusának felvételét [3] .
A Blackmer cella történelmileg az első [1] precíziós UNU áramkör, amely kiváló minőségű hangrögzítésre és lejátszásra alkalmas. A sorozattermékek szabályozási dinamikatartománya már az 1970-es években 110 dB vagy több volt, alacsony, legfeljebb 0,01%-os nemlineáris torzítás mellett ; lineáris kapcsolat a vezérlőfeszültség és a teljes szabályozási tartományban működtetett erősítési tényező logaritmusa között. A Blackmer fő alkalmazásai a távirányítós keverőpultok , stúdió hangkompresszorok , mikrofonerősítők és dbx zajcsökkentő kompanderek voltak . A 2010-es években ez az egyike annak a két ilyen sémának, amelyeket még mindig széles körben használnak stúdió- és koncertberendezésekben [4] [comm. 1] .
A legegyszerűbb Blackmer cella négy tranzisztoros magja (a diagramon szaggatott vonallal körbevéve) két egymásnak ellentmondó áramtükör . Az alsó tükröt a T1 és T2 npn tranzisztoron a bejövő I1 bemeneti áram, a felsőt pedig a T3 és T4 pnp tranzisztoron az I1 kifolyó áram vezérli. A modulált feszültség a Vx bemenetre, a vezérlő (moduláló) feszültség a Vy bemenetre kerül. Az A1, A2 műveleti erősítők mind a négy tranzisztor kollektorán támogatják a virtuális föld nulla potenciálját [5] . Az A1 a modulált Vx feszültséget I1 mag bemeneti árammá, az A2 az I2 mag kimeneti áramot Vxy kimeneti feszültséggé alakítja [5] . Az op-erősítő visszacsatoló áramköreiben lévő R ellenállásokat, amelyek beállítják az áram-feszültség konverziós együtthatókat és korlátozzák a magáramok tartományát, meglehetősen nagyra választják (100 kOhm a korai soros mikroegységeknél, 10 kOhm a későbbi sorozatoknál [6] ) . Az Io mag nyugalmi áramát egy külső, termikusan stabilizált előfeszítő áramkör állítja be. A magon lévő feszültség, amely megegyezik az alap-emitter nyugalmi feszültségének kétszeresével, minden üzemmódban változatlan. A feszültségállandóság az áramanalóg áramkörök jellemző tulajdonsága: az áram az analóg jel hordozója bennük, a tranzisztorok kimenetein a potenciálok gyakorlatilag változatlanok [7] .
Földelt vezérlő bemeneteknél (Vy=0) a mag kétirányú áramkövetőként, a cella egésze pedig feszültségkövetőként működik [comm. 2] . Ha pozitív feszültséget kapcsolunk a Vx bemenetre, az A1 műveleti erősítő kimeneti feszültsége olyan szintre csökken, amelynél a T1 kollektorba befolyó I1 áram pontosan egyenlő Vx/R-rel [8] . Mivel a T1 és T2 alap-emitter feszültségek egyenlőek, a T2 kollektoráram pontosan megismétli a T1 kollektoráramot [8] . Ezt az áramot (I2) az A2-nél lévő konverter Vxy kimeneti feszültséggé alakítja [9] . Mivel a cella kezdetben AB üzemmódra van előfeszítve , amikor Vx átmegy nullán, a kimeneti áramot mindkét tükör alkotja, negatív Vx esetén pedig a kimenő áramot a T3, T4 tükör hozza létre [9] .
A T1 és T2 bázisok között alkalmazott Vy nem nulla vezérlőfeszültség mellett (változási tartománya több száz mV [komm. 3] ), a T2 bázisemitter feszültség Vy [8] értékkel növekszik . Pozitív Vy esetén az I2 áram növekszik, negatív Vy esetén pedig a Vy kitevővel arányosan csökken :
[9]ahol a pn átmenetek abszolút hőmérsékletével arányos hőmérsékleti potenciál szilícium esetében körülbelül 26 mV 300 K-on. A Vy 26 mV-tal történő növelése az erősítést 2,718 -szorosára , vagyis +8,6 dB-re növeli; a Vy 26 mV-os csökkenése ugyanilyen tényezővel csökkenti a Ku-t. A négy tranzisztor alapjai közötti keresztcsatolásnak köszönhetően a felső tranzisztorpárra is ugyanez az összefüggés vonatkozik: 300 K-en a modulációs karakterisztika meredeksége mindkét pozitív esetében 0,33 dB/mV (vagy 3 mV/dB). és Vx negatív értékei. A gyakorlatban az ilyen nagy meredekség kényelmetlen, és általában a maghoz egy V egységekben mért vezérlőjelet kapcsolnak egy alacsony zajszintű műveleti erősítőn lévő aktív csillapítón keresztül [10] . Ebben a kapacitásban nem lehet hagyományos feszültségosztót használni : a vezérlőjelforrásnak alacsony belső ellenállással kell rendelkeznie , amely csak a műveleti erősítő áramkörökben érhető el [10] .
A hőmérséklet emelkedésével a dB/mV meredeksége az abszolút hőmérséklettel fordítottan csökken, és nő a kiválasztott erősítés (mV/dB) fenntartásához szükséges vezérlőfeszültség mértéke. Ezt a függést a legegyszerűbben az abszolút hőmérséklettel egyenesen arányos vezérlőfeszültség skála segítségével lehet semlegesíteni. Az analóg keverőpultoknál ezt a szerepet passzív áramkörök töltötték be pozitív hőmérsékleti együtthatójú termisztorokon [11] .
A Blackmer cella legfontosabb minőségi mutatói - a nemlineáris torzítás szintje , a zajszint és a modulált jel maximális elnyomása (egyébként a szabályozás dinamikus tartománya) - összefüggenek. A gyakorlatban lehetetlen egy termékben a legjobb teljesítményt elérni; minden chip sorozat kompromisszumos kritériumkészletre van optimalizálva.
Az első generációs soros mikroösszeállításokban a nemlineáris torzítási együttható nem esett 0,03% alá, a későbbi, továbbfejlesztett, integrált kialakítású változatokban 1 V kimeneti feszültség mellett 0,001%-ra csökkent [10] . A legegyszerűbb Blackmer cella nemlineáris torzításait három jelenség generálja [12] :
Az első két jelenség semlegesítésének fő módja a magtranzisztorok geometriai méreteinek növelése [13] . Minél nagyobb az emitter csomópont területe, annál kisebb az ellenállása (soros IC-kben nem haladja meg az 1 Ohm-ot [14] ), és annál kisebb a technológiai terjedés hatása a fotolitográfiában [15] [comm. 4] . A tranzisztorok paramétereinek hőmérséklet-különbségből adódó eltérését a chipen történő optimális elhelyezés akadályozza meg [15] . A pnp és npn struktúrák közötti technológiai különbségekből adódó tranzisztorparaméterek eltérését a gyakorlatban a felső és alsó tükör kiegyensúlyozása (kiegyensúlyozása) semlegesíti [15] . Ehhez az egyik kimeneti tranzisztor alapáramkörébe külső egyenáramot vezetnek, amely több tíz vagy száz mikrovolt nagyságrendű értékkel eltolja a bázison a feszültséget [17] . Ideális esetben ennek a járulékos előfeszítő feszültségnek arányosnak kell lennie az abszolút hőmérséklettel [17] . Az 1980-as évek integrált áramköreiben külső potenciométereket használtak a kiegyenlítésre, a 90-es években az abszolút hőmérséklettel arányos előfeszítő áramkört kezdtek el közvetlenül a chipre helyezni [18] . Minden kristályt egyéni lézeres beállítással egyensúlyoznak ki , de a beállítás elkerülhetetlenül tévedésbe kerül a későbbi csomagolással [18] . A kész mikroáramkörök az egyensúlyhiány mértékétől függően árcsoportokba vannak sorolva, ami viszont meghatározza egy adott példány nemlineáris torzítási együtthatóját [18] .
A Blackmer cella inherens zajának fő összetevője a magtranzisztorok lövési zaja [19] . A jel-zaj arány fogalma a Blackmer cellára nem egészen alkalmazható [20] , mivel a nyugalmi zajon (modulált jel hiányában a kimeneti zajáram) mellett a cella pulzáló zajt generál, amelyet a bemeneti jel, amely a bemeneti jel pillanatnyi értékéhez kapcsolódik egy nemlineáris függőséggel [16] . Ezek a hullámzó zajok magukban foglalják a lövészajt, a tranzisztorok termikus zaját és a vezérlő feszültségforrás zaját. Minél alacsonyabb a nyugalmi zaj, annál észrevehetőbbek ezek a lüktetések, legalábbis műszeres méréseknél [1] ; a zajhullámok fül általi láthatóságának kérdésére nincs egyértelmű válasz [20] . A lövés- és hőzaj hullámzása nem küszöbölhető ki, de láthatóságuk csökkenthető a nyugalmi zaj szándékos növelésével [21] .
Egy tranzisztor lövészajszintje arányos emitterárama pillanatnyi értékének négyzetgyökével [22] , ezért a nyugalmi zaj csökkentése érdekében állítsa a cellát AB üzemmódba, és állítsa be a lehetséges minimális nyugalmi áramértéket [19] . A nemlineáris torzítások csökkentése érdekében, különösen magas frekvenciákon, éppen ellenkezőleg, a cellát A módba kell tolni, ami elkerülhetetlenül növeli a zajteljesítményt [19] . Például a THAT Corporation integrált fejlesztései során az 1990-es években a mag nyugalmi áramának 20 μA-ról (AB üzemmód) 750 μA-re (A mód) történő módosítása a nyugalmi zaj 17 dB-lel történő növekedését eredményezte [16] . Mindkét megközelítésnek megvannak a maga előnyei és hátrányai, nincs egyetlen helyes megoldás [21] .
A Blackmer cella rendkívül érzékeny a kívülről a vezérlőbemenetre érkező zajokra és egyéb interferenciákra: ezek az interferenciák a vezérlőjelre szuperponálva közvetlenül modulálják a kimeneti áramot [20] [23] . A modulált jel viszonylag nagy tartománya esetén a külső zaj minden saját zajforrás felett érvényesül; ehhez elegendő, ha a spektrális zajsűrűség a vezérlőbemeneten több nV/ Hz [24] . Ez a vagy nagyobb feszültségzaj-sűrűség, a bemenetre csökkentve, a műveleti erősítők túlnyomó többsége széles körben alkalmazható. Az ilyen interferencia minimalizálásának kézenfekvő, de a gyakorlatban mindig követett módja a vezérlőáramkör gondos tervezése [25] [20] . Ebben az áramkörben a zajt és az interferenciát ugyanolyan következetesen kell kiküszöbölni, mint a fő audiocsatorna zaját [25] .
A felső (pnp) és az alsó (npn) kiegyensúlyozására egy alternatív kiegyensúlyozási módszert javasolt Paul Buff [20] [comm. 5] . A Buff cellában a Blackmer mag mind a négy tranzisztorával sorba kapcsolva egy másik, ellentétes vezetőképességű tranzisztor van diódakapcsolásban [20] . A mag mind a négy karján egy pár kiegészítő tranzisztor található, ami jelentősen csökkenti a Blackmer áramkör "veleszületett" aszimmetriáját. A nyolc tranzisztoros cella szabályozási meredeksége (6 mV/dB vagy 0,17 dB/mV) fele az alapáramkörének [5] [27] [20] . A Buff áramkört 1980 óta alkalmazzák az Allison Research and Valley People által gyártott EGC-101 és TA-101 félvezető IC-kben [20] .
A Buff által bemutatott diódák második hasznos tulajdonsága a mag bemeneti tranzisztorait lefedő visszacsatoló hurok stabilizálása [20] . Egy hagyományos, négy tranzisztoros magban a hurokerősítés olyan széles tartományban változik, hogy a bemeneti műveleti erősítő stabil működése csak AB üzemmódban lehetséges [20] . A diódák (tranzisztorok a diódakapcsolásban) egyfajta előtétként szolgálnak , amely a bemeneti áramkör hurokerősítését olyan értékekre csökkenti, amelyeknél egyetlen kis értékű korrekciós kapacitás elegendő a bemeneti műveleti erősítő megbízható stabilizálásához. komplex módus A [28] .
Az előrefeszített emitter átmeneten átmenő áram elméleti exponenciális függése a rajta lévő feszültségtől a gyakorlatban megsérül az alap és az emitter aktív ellenállásai közötti feszültségesés miatt (a gyakorlatban a kollektor aktív ellenállása elhanyagolható ) [29] . Nulla vezérlőfeszültségnél, ha az effektív ellenállások [komm. 6] a mag mind a négy emitterének azonosak, a bemeneti és kimeneti tranzisztorok logaritmusának hibái kölcsönösen kompenzálódnak [29] . Bármely más ponton egy kompenzálatlan logaritmushiba az áramátviteli együttható amplitúdójától való függőségét generálja, és ennek eredményeként a kimenőjelben disszonáns páratlan harmonikusokat generál [29] .
A logaritmushiba semlegesítésére a Blackmer cella nyolc tranzisztoros kereszt-visszacsatolású módosítását alkalmazzák [20] . Az R kiegészítő ellenállások értékei, amelyeknél a bemeneti és kimeneti tranzisztorok hibái kompenzálják egymást, egyenlőek 2Ree/α, ahol Ree az emitter effektív ellenállása, α az áramátviteli tényező az áramkörben. közös alap [14] . A gyakorlatban ez a megközelítés lehetővé teszi az emitter ellenállások hatásának semlegesítését (értékeik gyakorlatilag minden üzemmódban állandóak), de nem az alapellenállásokat, amelyek az áramló áramoktól függően változnak [14] . Az alapellenállások "hozzájárulásának" semlegesítése csak abszolút értékük csökkentésével lehetséges a tranzisztorok geometriai méreteinek növelésével [14] . Soros mikroáramkörökben ezek olyan nagyok, hogy a hiba kijavításához elegendő további, legfeljebb 1 ohmos ellenállás [14] .
Azonos Blackmer magok párhuzamos csatlakoztatása, valamint tranzisztorok párhuzamos csatlakoztatása esetén a bemeneti és kimeneti áramok a magok számával arányosan nőnek, és a kimeneti áram zajkomponense csak a magok számának négyzetgyökével arányosan nő . a szám [30] . Például négy mag bekapcsolásakor a kimeneti áram négyszeresére nő, a zajáram pedig csak duplájára nő, ezért a jel-zaj arány 6 dB-lel javul [30] . A gyakorlatban a párhuzamosítható magok számát mind a költségük, mind a működési pontjaik összehangolásának nehézsége korlátozza [31] . A sorozatgyártású dbx202x hibrid szerelvény nyolc párhuzamos integrált magot, míg a THAT2002 szerelvény négy magot használt [30] .
A Blackmer cella, különösen, ha AB módra van előfeszítve, összetett, nem lineáris terhelés a bemeneti erősítő számára (A1 a kapcsolási rajzon) [32] . Klasszikus műveleti erősítő használatakor a bemeneti műveleti erősítő körüli áramkör hurokerősítése a cella aktív tranzisztorjain áthaladó pillanatnyi áram függvényében változik [32] . A széleskörű alkalmazású, mély negatív visszacsatolás által lefedett op-erősítők csak alacsony frekvenciákon képesek hatékonyan kompenzálni a terhelés nemlinearitását [32] . Az audió tartomány felső oktávjaiban az op-amp erősítésének csökkenésével a nemlineáris torzítás elfogadhatatlan értékekre nő [32] .
Az ilyen nemlinearitás kiküszöbölhető, ha a feszültség-kimeneti erősítőt (op-amp) egy áramkimeneti erősítőre ( transzkonduktív erősítő ) cseréljük [32] . Az A1 helyett csatlakoztatott transzkonduktív erősítő hurokerősítése nem függ a pillanatnyi áramértéktől (de attól még függ a vezérlőfeszültség által adott cellaerősítés) [32] . Ilyen megoldást használnak például az IC THAT2181. A fejlesztő szerint ennek az áramkörnek a bemeneti erősítője +20 dB cellaerősítésig nem okoz észrevehető torzítást a jelben [33] . Alacsonyabb erősítési szinteken a deklarált nemlineáris torzítási együttható legfeljebb 0,005%, a zajszint egységerősítésnél nem rosszabb -97 dbV -nál , az erősítés szabályozási tartománya 100 dB, 2-nél nem nagyobb szabályozási hibával. % (130 dB hibahatár nélkül) [9] .
A legtöbb valós alkalmazásban a Blackmer cella hatékonyan elnyomja a vezérlőjel áthaladását az áramkör kimenetére. A vezérlőjel nagy emelkedési és lefutási sebessége esetén azonban a mag kimeneti tranzisztorainak kollektorkapacitásain keresztül lezárható az áramkör kimenetére [23] . A két tranzisztor kapacitásán áthaladó antifázisú impulzus zajáramok csak részben kompenzálják egymást; teljes kompenzáció nem lehetséges a pnp és npn tranzisztorok kapacitásának elkerülhetetlen különbsége miatt [23] . A nyolc tranzisztoros cellák az A módban [28] különösen érzékenyek ezekre az interferenciákra . Az interferencia teljes elnyomására az A2 műveleti erősítő bemenetére áramot vezetnek, amely egyenlő az interferencia áramkülönbségével, és azzal ellentétes irányban [23] . Az elválasztó kapacitás értékét, amelyen keresztül ezt az áramot tápláljuk, empirikusan határozzuk meg [23] .
Az 1960-as és 1970-es évek fordulóján, amikor a hangstúdiók áttértek a többcsatornás mágneses felvételre , a producerek és hangmérnökök a zajszint növekedésével szembesültek, amely a stúdiótechnikában elfogadhatatlan szintre emelkedett. A többcsatornás felvevők keskeny sávjai zajosabbak voltak, mint elődeik széles sávjai; a keveréshez használt számok nagy száma csak súlyosbította a problémát [34] . Ugyanakkor a stúdiókban olyannyira megnőtt a mindenféle elektronikai eszköz száma, hogy nehézkessé vált a manuális kezelése [34] . Az iparban kereslet mutatkozott egyrészt a zajcsökkentő rendszerekre , másrészt a stúdióberendezések távvezérlésére [34] . Mindkét feladathoz használt alapvető elektronikus egység egy feszültségvezérelt erősítő (VCA) volt és maradt – egy alacsony zajszintű, szélessávú amplitúdómodulátor [34] .
Az első UNU-k, amelyeket széles körben alkalmaztak a hangtechnikában, olcsó modulátorok voltak, amelyek szabályozott ellenállású térhatású tranzisztoron alapultak [35] . Ezeket a csomópontokat alkalmazták például a hazai Dolby B zajcsökkentő rendszer összes változatában [35] , de nem elégítették ki a professzionális hangmérnökök által támasztott követelményeket [35] . 1968-ban Barry Gilbert feltalálta az UNU áramkört egyfajta vezetőképességű bipoláris tranzisztorokon, amelyet széles körben használnak a rádiótechnikában; 1971-ben David Blackmer egy alternatív kialakítást javasolt, amely komplementer bipoláris tranzisztorokon alapul, kiváló minőségű hangrögzítésre és lejátszásra [34] . A Blackmer megoldásának minden érdeme ellenére volt egy alapvető hátránya: az 1970-es években a Gilbert cellával ellentétben nem lehetett integrált kialakításban megvalósítani [36] .
1973-ban Blackmer megalapította a dbx, Inc.-t. piacra hozta sémájának első mikro-összeállítását, a dbx202-t [ 1] . A tok jellegzetes megjelenése miatt az amerikai hangmérnökök „fekete kannának” nevezték el. fekete doboz ) [6] . A dbx202 négy, gondosan kiválasztott diszkrét tranzisztort használt fém tokban [1] . A tranzisztorokat kerámia tartóba préselték, amely közös "termosztátként" szolgált, és egy textolit táblára forrasztották , amelyet viszont egy "fekete tégelybe" préseltek [1] . A cég szerint a tervezés hőtehetetlenségi szintje olyan volt, hogy a Blackmer áramkör számára elkerülhetetlen hőtorzulás csak a legalacsonyabb hangfrekvenciákon jelentkezett [1] . 1978-ban megjelent a nyolctranzisztoros dbx202C logaritmus hibajavító áramkörrel; a nemlineáris torzítási együttható (Kni) 0,03%-ról 0,01%-ra csökkent, a szabályozási tartomány pedig 110-ről 116 dB-re nőtt [1] . 1980-ban a dbx2001 [1] módú A IC- t Robert Adams [37] vezette be a piacra . A bejelentett THD 0,001% alá csökkent; a zajszint és a szabályozási tartomány éppen ellenkezőleg, rosszabb volt, mint az AB módú analógoké [1] .
Ekkorra a síkbeli mikroelektronikai technológiák elérték azt a szintet, amely lehetővé tette az npn- és pnp-tranzisztorok kiváló minőségű, komplementer párjait egyetlen chipen. Az első Blackmer cellás félvezető IC -t az Allison Research hozta forgalomba. A Paul Buff által tervezett ECG-101 IC, amely valójában nyolc leválasztott tranzisztor halmazát képviselte, A módban való működésre tervezték. Az A módba való átvitel miatt az EGC-101 kimeneti áramában gyakorlatilag nem volt disszonáns. páratlan harmonikusok [20] ; ennek az IC-nek a jellegzetes "kézírását" kizárólag a páros harmonikusok szintje határozta meg, ami a nulla kiegyenlítés pontosságától függött [20] .
1981-ben, négy év kísérletezés után, a dbx, Inc. félvezető IC első családja megjelent a piacon. - dbx2150/2151/2155 [1] (fejlesztő - Dave Welland, a Silicon Labs jövőbeli alapítója [37] ). E három megnevezés alatt ugyanazt az IC-t árulták: a legjobb mintákat a 2151-es kóddal, a legrosszabbat - 2155 -ös kóddal jelölték [1] , a legszélesebb körben pedig az átlagos minőségű dbx2150 sorozatot [38] használták . A nyolctűs egysoros csomag (SIP8) és annak kivezetése kiválóan elszigetelte a bemeneti és kimeneti jeleket, és iparági szabvány lett, majd ezt követően a Blackmer áramkör továbbfejlesztett változataiban reprodukálták – dbx2100, THAT2150, THAT2181 és így tovább [10] . Ennek a generációnak a precíziós mikroáramkörök fő fogyasztója a stúdióberendezések gyártóinak szűk köre volt és maradt [39] . A dbx zajcsökkentő rendszer háztartási berendezések piacára történő bevezetésére tett kísérletek, amelyek magja a Blackmer cella volt a Blackmer RMS feszültségérzékelővel együtt , vereséggel végződtek [40] . Az egyetlen igazi tömegpiacot az Egyesült Államokban 1984 és 2009 között érvényben lévő BTSC TV műsorszórási rendszer dbx-szel felszerelt dekóderei jelentették [41] .
Miután Blackmer távozott a dbx, Inc.-től. a céget a Harman International konglomerátum vette át . 1989-ben a dbx, Inc. szétszakadt, a Harman International megtartotta a stúdiófelszerelés-üzletágat, és a Blackmer tanítványai által vezetett mikrochip-üzletág független THAT Corporation lett . Rá ruházták át a Blackmer szabadalmakra és a Blackmer védjegyre vonatkozó jogokat [42] . 2016 februárjától a THAT Corporation továbbra is két szimpla és egy kettős UNU-t gyárt a Blackmer-séma szerint [43] .