Blackmer cell ( engelsk Blackmer [gain] cell ) er et kredsløb af en elektronisk spændingsstyret forstærker (UNU, amplitude modulator ) med en eksponentiel kontrolkarakteristik, foreslået og bragt til serieproduktion af David Blackmer i 1970-1973 [1 ] . Den fire-transistor kerne af kredsløbet er dannet af to back -to-back strømspejle på komplementære bipolære transistorer . Indgangstransistoren for hvert af spejlene er logaritmen af indgangsstrømmen , og udgangstransistoren er antilogaritmen af summen af logaritmen af indgangsstrømmen og den modulerende spænding . Logaritmiske forstærkere , der brugte den fundamentale eksponentielle afhængighed af strømmen gennem pn-forbindelsen af spændingen over den, var kendt længe før Blackmers arbejde, men de fungerede kun med spændinger af én polaritet og strømme i én retning [2] . Det nye ved Blackmers opfindelse var den separate push-pull- behandling af de positive og negative halvbølger af et vekslende signal ved hjælp af to komplementære kredsløb, som for første gang gjorde det muligt at tage logaritmer af vekselspændinger og strømme [3] .
Blackmer-cellen er historisk set det første [1] præcisions UNU-kredsløb, der er egnet til lydoptagelse og afspilning af høj kvalitet. Allerede i 1970'erne var det dynamiske reguleringsområde for serielle produkter 110 dB eller mere med lav, ikke mere end 0,01 %, ikke-lineær forvrængning ; et lineært forhold mellem styrespændingen og logaritmen af forstærkningsfaktoren opereret over hele styreområdet. Blackmers vigtigste applikationer var fjernbetjeningsmixerkonsoller , studielydkompressorer , mikrofonforstærkere og dbx - støjreduktionskompandere . I 2010'erne er dette en af to ordninger af denne art, der stadig er meget udbredt i studie- og koncertudstyr [4] [komm. 1] .
Fire-transistorkernen i den simpleste Blackmer-celle (omkranset i diagrammet af en stiplet linje) er to ryg-til-ryg strømspejle . Det nederste spejl, på npn-transistorerne T1 og T2, styres af den indgående indgangsstrøm I1, og det øverste, på pnp-transistorerne T3 og T4, styres af den udgående strøm I1. Den modulerede spænding påføres Vx-indgangen, styrespændingen (modulerende) påføres Vy-indgangen. Operationsforstærkere A1, A2 understøtter nulpotentialet for den virtuelle jord på kollektorerne af alle fire transistorer [5] . A1 konverterer moduleret spænding Vx til kerneindgangsstrøm I1, A2 konverterer kerneudgangsstrøm I2 til udgangsspænding Vxy [5] . Modstandene R i op-forstærkerens feedbackkredsløb, som indstiller strøm-spændingskonverteringskoefficienterne og begrænser rækkevidden af kernestrømme, er valgt ret store (100 kOhm i tidlige serielle mikrosamlinger, 10 kOhm i senere serier [6] ) . Kernehvilestrømmen Io indstilles af et eksternt, termisk stabiliseret forspændingskredsløb. Spændingen på kernen, svarende til to gange hvilespændingen af base-emitteren, er uændret i alle tilstande. Spændingskonstans er en karakteristisk egenskab ved aktuelle analoge kredsløb: Strømmen er bæreren for det analoge signal i dem, og potentialerne ved transistorudgangene forbliver praktisk talt uændrede [7] .
Med jordede styreindgange (Vy=0) fungerer kernen som en tovejs strømfølger, og cellen som helhed fungerer som en spændingsfølger [komm. 2] . Når en positiv spænding påføres Vx-indgangen, reduceres udgangsspændingen af op-amp A1 til et niveau, hvor strømmen I1, der strømmer ind i kollektoren T1, er nøjagtigt lig med Vx/R [8] . Da base-emitterspændingerne T1 og T2 er ens, gentager kollektorstrømmen T2 nøjagtigt kollektorstrømmen T1 [8] . Denne strøm (I2) konverteres til udgangsspænding Vxy af konverteren ved A2 [9] . Da cellen initialt er forspændt til AB-tilstanden , når Vx passerer gennem nul, dannes udgangsstrømmen af begge spejle, og med negativ Vx genereres udgangsstrømmen af spejlet T3, T4 [9] .
Med en ikke-nul styrespænding Vy (omfanget af dens ændringer er flere hundrede mV [komm. 3] ), påført mellem baserne T1 og T2, stiger base-emitterspændingen T2 med mængden Vy [8] . Med positiv Vy stiger strømmen I2, og med negativ Vy falder den i forhold til eksponenten Vy:
[9]hvor er temperaturpotentialet, proportionalt med den absolutte temperatur af pn-forbindelser , for silicium, lig med ca. 26 mV ved 300 K. En stigning i Vy med 26 mV øger forstærkningen med en faktor på 2,718 eller +8,6 dB; et fald i Vy med 26 mV reducerer Ku med samme faktor. Takket være krydskoblingen mellem baserne af de fire transistorer gælder det samme forhold for det øverste transistorpar: ved 300 K er hældningen af den modulerende karakteristik 0,33 dB/mV (eller 3 mV/dB) for begge positive og negative værdier af Vx. I praksis er en så høj hældning ubelejlig, og normalt kobles kernen med et styresignal, målt i V-enheder, gennem en aktiv dæmper på en støjsvag op-amp [10] . Det er umuligt at bruge en konventionel spændingsdeler i denne kapacitet : styresignalkilden skal have lav intern modstand , som kun kan opnås i op-forstærkerkredsløb [10] .
Når temperaturen stiger, falder dB/mV-hældningen omvendt med den absolutte temperatur, og mængden af styrespænding, der kræves for at opretholde den valgte forstærkning (mV/dB), stiger. Den enkleste måde at neutralisere denne afhængighed på er at bruge en styrespændingsskala, der er direkte proportional med den absolutte temperatur. I analoge blandekonsoller blev denne rolle udført af passive kredsløb på termistorer med en positiv temperaturkoefficient [11] .
De vigtigste kvalitetsindikatorer for Blackmer-cellen - niveauet af ikke-lineær forvrængning , støjniveauet og den maksimale undertrykkelse af det modulerede signal (ellers det dynamiske reguleringsområde) - er indbyrdes forbundet. Det er umuligt i praksis at opnå den bedste ydeevne i ét produkt; hver chipserie er optimeret til et sæt af kompromis kriterier.
I serielle mikrosamlinger af første generation faldt koefficienten for ikke-lineær forvrængning ikke under 0,03%, i de senere, forbedrede versioner i integreret design blev den reduceret til 0,001% ved en udgangsspænding på 1 V [10] . Ikke-lineære forvrængninger af den enkleste Blackmer-celle genereres af tre fænomener [12] :
Den vigtigste måde at neutralisere de to første fænomener på er at øge de geometriske dimensioner af kernetransistorerne [13] . Jo større arealet af emitterforbindelsen er, desto lavere er modstanden (i serielle IC'er overstiger den ikke 1 Ohm [14] ), og jo mindre er effekten af teknologisk spredning i fotolitografi [15] [komm. 4] . Misforholdet mellem transistorernes parametre på grund af forskellen i deres temperaturer forhindres af optimal placering på chippen [15] . Mismatchen af transistorparametre, på grund af teknologiske forskelle mellem pnp- og npn-strukturer, neutraliseres i praksis ved at afbalancere (afbalancere) de øvre og nedre spejle [15] . For at gøre dette indføres en ekstern jævnstrøm i basiskredsløbet af en af udgangstransistorerne, som forskyder spændingen ved basen med en værdi af størrelsesordenen flere tiere eller hundreder af mikrovolt [17] . Ideelt set bør denne yderligere forspænding være proportional med den absolutte temperatur [17] . I integrerede kredsløb fra 1980'erne blev eksterne potentiometre brugt til at balancere; i 1990'erne begyndte et forspændingskredsløb proportionalt med den absolutte temperatur at blive placeret direkte på chippen [18] . Hver krystal afbalanceres af en individuel laserjustering , men justeringen vil uundgåeligt komme på afveje med efterfølgende emballering [18] . Færdige mikrokredsløb sorteres i prisgrupper afhængigt af graden af ubalance, som igen bestemmer koefficienten for ikke-lineær forvrængning af en bestemt instans [18] .
Hovedkomponenten i Blackmer-cellens iboende støj er skudstøjen fra kernetransistorerne [19] . Konceptet med signal-til-støj-forholdet til Blackmer-cellen er ikke helt anvendeligt [20] , da cellen ud over hvilestøjen (udgangsstøjstrøm i fravær af et moduleret signal) genererer pulserende støj moduleret af indgangssignal, forbundet med den øjeblikkelige værdi af indgangssignalet ved en ikke-lineær afhængighed [16] . Disse bølgestøj omfatter både skudstøj, termisk støj fra transistorer og støj fra styrespændingskilden. Jo lavere hvilestøj, jo mere mærkbare disse pulsationer, i det mindste ved instrumentelle målinger [1] ; spørgsmålet om synligheden af støjbølger ved øret har ikke et klart svar [20] . Skud- og termisk støjbølger kan ikke elimineres, men deres synlighed kan reduceres ved bevidst at øge hvilestøjen [21] .
Støjniveauet for en transistor er proportionalt med kvadratroden af den øjeblikkelige værdi af dens emitterstrøm [22] , derfor, for at reducere hvilestøj, skift cellen til AB-tilstand og indstil den mindst mulige hvilestrømværdi [19] . For at reducere ikke-lineære forvrængninger, især ved høje frekvenser, skal cellen tværtimod skiftes til mode A, hvilket uundgåeligt øger støjeffekten [19] . For eksempel i den integrerede udvikling af THAT Corporation i 1990'erne førte ændring af kernens hvilestrøm fra 20 μA (AB-tilstand) til 750 μA (A-tilstand) til en stigning i hvilestøjen med 17 dB [16] . Begge tilgange har deres fordele og ulemper; der er ingen enkelt korrekt løsning [21] .
Blackmer-cellen er ekstremt følsom over for støj og anden interferens, der kommer udefra til kontrolindgangen: disse interferenser, overlejret på styresignalet, modulerer direkte udgangsstrømmen [20] [23] . Med en relativt stor rækkevidde af det modulerede signal råder ekstern støj over alle dets egne støjkilder; for dette er det tilstrækkeligt, at den spektrale støjtæthed ved styreindgangen er adskillige nV/ Hz [24] . Denne eller større spændingsstøjtæthed, reduceret til inputtet, har langt størstedelen af operationsforstærkere med bred anvendelse. En indlysende, men altid fulgt i praksis, måde at minimere sådan interferens på er omhyggelig design af styrekredsløbet [25] [20] . Støj og interferens i dette kredsløb bør elimineres lige så konsekvent som støjen fra hovedlydkanalen [25] .
En alternativ balanceringsmetode til at balancere top (pnp) og bund (npn) blev foreslået af Paul Buff [20] [komm. 5] . I Buff-cellen, i serie med hver af de fire transistorer i Blackmer-kernen, er en ekstra transistor af den modsatte type ledningsevne forbundet i en diodeforbindelse [20] . Hver af kernens fire arme har et par komplementære transistorer, hvilket reducerer Blackmer-kredsløbets "medfødte" asymmetri betydeligt. Styrehældningen for cellen med otte transistorer (6 mV/dB eller 0,17 dB/mV) er halvdelen af grundkredsløbet [5] [27] [20] . Buff-kredsløbet er blevet implementeret i EGC-101 og TA-101 halvleder-IC'er fremstillet af Allison Research og Valley People siden 1980 [20] .
Den anden nyttige egenskab ved dioderne introduceret af Buff er stabiliseringen af feedbacksløjfen, der dækker indgangstransistorerne i kernen [20] . I en konventionel fire-transistorkerne varierer loop-forstærkningen i et så bredt område, at stabil drift af input-op-amp kun er mulig i AB-tilstanden [20] . Dioder (transistorer i diode switching) tjener som en slags ballast , der reducerer sløjfeforstærkningen af inputkredsløbet til værdier, hvor en enkelt korrektionskapacitans af en lille værdi er tilstrækkelig til pålideligt at stabilisere input op-amp i det meste kompleks tilstand A [28] .
Den teoretiske eksponentielle afhængighed af strømmen gennem en fremadrettet emitterforbindelse af spændingen over den overtrædes i praksis på grund af spændingsfaldet over de aktive modstande af basen og emitteren (i praksis kan den aktive modstand af solfangeren negligeres ) [29] . Ved nul styrespænding, hvis de effektive modstande [komm. 6] af alle fire emittere i kernen er de samme, fejlene i logaritmen af input- og outputtransistorerne kompenseres gensidigt [29] . På ethvert andet tidspunkt genererer en ukompenseret logaritmefejl en afhængighed af strømoverførselskoefficienten af dens amplitude og som et resultat dissonante ulige harmoniske i udgangssignalet [29] .
For at neutralisere logaritmefejlen bruges en otte-transistor modifikation af Blackmer-cellen med krydsfeedbacks [20] . Værdierne af yderligere modstande R, ved hvilke fejlene i input- og outputtransistorerne kompenserer hinanden, er lig med 2Ree/α, hvor Ree er emitterens effektive modstand, α er strømoverførselskoefficienten i kredsløbet med en fælles base [14] . I praksis gør denne tilgang det muligt at neutralisere effekten af emittermodstande (deres værdier er praktisk talt konstante i alle tilstande), men ikke basismodstande, som ændrer sig afhængigt af de flydende strømme [14] . At neutralisere "bidraget" af basismodstandene er kun muligt ved at reducere deres absolutte værdier gennem en stigning i de geometriske dimensioner af transistorer [14] . I serielle mikrokredsløb er de så store, at yderligere modstande på højst 1 Ohm er tilstrækkelige til at rette fejlen [14] .
Når identiske Blackmer-kerner er forbundet parallelt, såvel som når transistorer er forbundet parallelt, stiger indgangs- og udgangsstrømmene proportionalt med antallet af kerner, og støjkomponenten af udgangsstrømmen stiger kun proportionalt med kvadratroden af tallet [30] . For eksempel, når fire kerner er tændt, øges udgangsstrømmen fire gange, og støjstrømmen fordobles kun, derfor forbedres signal-til-støj-forholdet med 6 dB [30] . I praksis er antallet af kerner, der kan paralleliseres, begrænset både af deres omkostninger og af vanskeligheden ved at matche deres driftspunkter [31] . Den masseproducerede dbx202x hybrid enhed brugte otte parallelle integrerede kerner, mens THAT2002 enheden brugte fire kerner [30] .
Blackmer-cellen, især når den er forspændt til AB-tilstand, er en kompleks, ikke-lineær belastning for indgangsforstærkeren (A1 i kredsløbsdiagrammet) [32] . Når du bruger en klassisk op-amp , ændres loop-forstærkningen af kredsløbet omkring input-op-forstærkeren afhængigt af den øjeblikkelige strøm gennem cellens aktive transistorer [32] . Op-amps med bred anvendelse, dækket af dyb negativ feedback , er kun i stand til effektivt at kompensere for belastningens ikke-linearitet ved lave frekvenser [32] . I de øvre oktaver af lydområdet, når op-ampens forstærkning falder, øges den ikke-lineære forvrængning til uacceptable værdier [32] .
Ikke-linearitet af denne art kan elimineres ved at erstatte spændingsudgangsforstærkeren (op-amp) med en strømudgangsforstærker ( transkonduktiv forstærker ) [32] . Sløjfeforstærkningen af den transkonduktive forstærker tilsluttet i stedet for A1 afhænger ikke af den øjeblikkelige strømværdi (men afhænger stadig af celleforstærkningen givet af styrespændingen) [32] . En sådan løsning bruges for eksempel i IC THAT2181. Ifølge udvikleren introducerer indgangsforstærkeren til dette kredsløb ikke mærkbare forvrængninger i signalet op til en celleforstærkning på +20 dB [33] . Ved lavere forstærkningsniveauer er den erklærede koefficient for ikke-lineær forvrængning ikke mere end 0,005%, støjniveauet ved enhedsforstærkning er ikke værre end -97 dbV , forstærkningskontrolområdet er 100 dB med en kontrolfejl på ikke mere end 2 % (130 dB uden fejlgrænse) [9] .
I de fleste applikationer i den virkelige verden undertrykker Blackmer-cellen effektivt passagen af styresignalet til udgangen af kredsløbet. Ved høje stignings- og faldhastigheder af styresignalet kan det imidlertid lukkes til udgangen af kredsløbet gennem kollektorkapacitanserne på kernens udgangstransistorer [23] . De modfaseimpulsstøjstrømme, der går gennem de to transistors kapacitanser, kompenserer kun delvist hinanden; fuld kompensation er ikke mulig på grund af den uundgåelige forskel i kapacitanserne af pnp- og npn-transistorer [23] . Otte-transistorceller i mode A [28] er særligt modtagelige for disse interferenser . For fuldstændigt at undertrykke interferensen tilføres en strøm til indgangen på op-amp A2, som er lig med differensstrømmen af interferensen og modsat den i retning [23] . Værdien af den separerende kapacitans, gennem hvilken denne strøm tilføres, bestemmes empirisk [23] .
I begyndelsen af 1960'erne og 1970'erne, da optagestudier skiftede til multi-kanal magnetisk optagelse , blev producenter og lydteknikere konfronteret med en stigning i støj til niveauer, der var uacceptable i studieteknologi. De smalle spor af multi-kanal optagere var mere støjende end de brede spor fra deres forgængere; det store antal spor, der blev brugt til at blande , forværrede kun problemet [34] . Samtidig er antallet af alle slags elektroniske enheder i studierne vokset så meget, at det er blevet svært at administrere dem manuelt [34] . Der var en efterspørgsel i branchen på den ene side efter støjreduktionssystemer , og på den anden side efter fjernstyring af studieudstyr [34] . Den grundlæggende elektroniske enhed, der blev brugt til begge disse opgaver, var og forbliver en spændingsstyret forstærker ( VCA ) - en støjsvag bredbåndsamplitudemodulator [34] .
De første UNU'er, der blev meget brugt i lydteknik, var billige modulatorer baseret på en felteffekttransistor i kontrolleret modstandstilstand [35] . Disse noder blev f.eks. brugt i alle varianter af det indenlandske Dolby B -støjreduktionssystem [35] , men de opfyldte ikke kravene fra professionelle lydteknikere [35] . I 1968 opfandt Barry Gilbert UNU-kredsløbet på bipolære transistorer af én type ledningsevne, som er meget udbredt i radioteknik; i 1971 foreslog David Blackmer et alternativt design baseret på komplementære bipolære transistorer, designet til lydoptagelse og afspilning af høj kvalitet [34] . På trods af alle sine fordele havde Blackmers løsning en grundlæggende ulempe: i 1970'erne kunne den i modsætning til Gilbert-cellen ikke implementeres i et integreret design [36] .
I 1973 grundlagde Blackmer dbx, Inc. bragte den første mikrosamling af hans skema, dbx202 [ 1] på markedet . For det karakteristiske udseende af sagen gav amerikanske lydteknikere den tilnavnet "den sorte dåse", eng. sort dåse ) [6] . dbx202 brugte fire nøje udvalgte diskrete transistorer i metalhuse [1] . Transistorerne blev presset ind i en keramisk holder, der fungerede som en almindelig "termostat", og loddet på en tekstolitplade , som igen blev presset til en "sort krukke" [1] . Ifølge virksomheden var niveauet af termisk inerti af designet sådan, at den termiske forvrængning, der var uundgåelig for Blackmer-kredsløbet, kun optrådte ved de laveste lydfrekvenser [1] . I 1978 blev otte-transistoren dbx202C frigivet med et logaritmefejlkorrektionskredsløb; koefficienten for ikke-lineær forvrængning (Kni) blev reduceret fra 0,03 % til 0,01 %, og kontrolområdet steg fra 110 til 116 dB [1] . I 1980 blev dbx2001 [1] mode A IC introduceret på markedet af Robert Adams [37] . Erklæret THD reduceret til mindre end 0,001 %; støjniveauet og kontrolområdet var tværtimod værre end analoger i AB-tilstanden [1] .
På dette tidspunkt havde plane mikroelektroniske teknologier nået et niveau, der gjorde det muligt at danne komplementære par af høj kvalitet af npn- og pnp-transistorer på en enkelt chip. Den første Blackmer celle halvleder IC blev bragt på markedet af Allison Research. Designet af Paul Buff, ECG-101 IC, som faktisk repræsenterede et sæt af otte isolerede transistorer, blev designet til at fungere i mode A. På grund af overførslen til mode A var udgangsstrømmen fra EGC-101 praktisk talt fraværende af dissonant ulige harmoniske [20] ; den karakteristiske "håndskrift" af denne IC blev udelukkende bestemt af niveauet af lige harmoniske, som afhang af nøjagtigheden af nulbalancering [20] .
I 1981, efter fire års eksperimenter, kom dbx, Inc.'s første familie af halvleder-IC'er på markedet. - dbx2150/2151/2155 [1] (udvikler - Dave Welland, fremtidig grundlægger af Silicon Labs [37] ). Under disse tre betegnelser blev den samme IC solgt: de bedste prøver blev mærket med koden 2151, den dårligste - 2155 [1] , og dbx2150-serien [38] af gennemsnitlig kvalitet var mest udbredt . Den otte-benede single-row pakke (SIP8) og dens pinout gav fremragende isolering af input- og outputsignaler og blev industristandarden og blev efterfølgende gengivet i forbedrede versioner af Blackmer-kredsløbet - dbx2100, THAT2150, THAT2181 og så videre [10] . Hovedforbrugeren af præcisionsmikrokredsløb i denne generation var og er fortsat en snæver kreds af producenter af studieudstyr [39] . Forsøg på at bringe dbx-støjreduktionssystemet til markedet for husholdningsudstyr , hvis kerne var Blackmer-cellen i forbindelse med Blackmer RMS-spændingsdetektoren , endte med nederlag [40] . Det eneste rigtige massemarked har været de dbx-udstyrede dekodere af BTSC tv-udsendelsessystemet , der var gældende i USA fra 1984 til 2009 [41] .
Efter Blackmers afgang fra dbx, Inc. virksomheden blev overtaget af konglomeratet Harman International . I 1989, dbx, Inc. splintrede, hvor Harman International beholdt studieudstyrsvirksomheden, og mikrochipvirksomheden, ledet af Blackmers studerende, blev den uafhængige THAT Corporation . Det var til hende, at rettighederne til Blackmers patenter og Blackmer-varemærket blev overdraget [42] . Fra februar 2016 fortsætter THAT Corporation med at producere to single og en dual UNU i henhold til Blackmer-ordningen [43] .