Blackmerův článek ( anglicky Blackmer [gain] cell ) je obvod elektronického napěťově řízeného zesilovače (UNU, amplitudový modulátor ) s exponenciální regulační charakteristikou, který navrhl a uvedl do sériové výroby David Blackmer v letech 1970-1973 [1 ] . Čtyřtranzistorové jádro obvodu je tvořeno dvěma protilehlými proudovými zrcadly na komplementárních bipolárních tranzistorech . Vstupní tranzistor každého ze zrcadel je logaritmem vstupního proudu a výstupní tranzistor je antilogaritmem součtu logaritmu vstupního proudu a modulačního napětí . Logaritmické zesilovače využívající fundamentální exponenciální závislost proudu přes pn-přechod na napětí na něm byly známy dlouho před Blackmerovou prací, ale pracovaly pouze s napětími jedné polarity a proudy jednoho směru [2] . Novinkou Blackmerova vynálezu bylo samostatné, push-pull zpracování kladných a záporných půlvln střídavého signálu pomocí dvou komplementárních obvodů, což poprvé umožnilo logaritmy střídavých napětí a proudů [3] .
Blackmer cell je historicky první [1] přesný obvod UNU vhodný pro vysoce kvalitní záznam a přehrávání zvuku. Již v 70. letech 20. století byl dynamický rozsah regulace sériových produktů 110 dB nebo více s nízkým, ne více než 0,01 %, nelineárním zkreslením ; lineární vztah mezi řídicím napětím a logaritmem zesilovacího faktoru působícího v celém regulačním rozsahu. Blackmerovými hlavními aplikacemi byly mixážní pulty s dálkovým ovládáním , studiové audio kompresory , mikrofonní zesilovače a kompandéry pro redukci šumu dbx . V roce 2010 se jedná o jedno ze dvou schémat tohoto druhu, které se stále široce používají ve studiovém a koncertním vybavení [4] [comm. 1] .
Čtyřtranzistorové jádro nejjednoduššího Blackmerova článku (v diagramu zakroužkované tečkovanou čarou) jsou dvě protilehlá proudová zrcadla . Spodní zrcadlo na npn tranzistorech T1 a T2 je řízeno vstupním vstupním proudem I1 a horní zrcadlo na tranzistorech pnp T3 a T4 je řízeno výstupním proudem I1. Modulované napětí je přivedeno na vstup Vx, řídicí (modulační) napětí je přivedeno na vstup Vy. Operační zesilovače A1, A2 podporují nulový potenciál virtuální země na kolektorech všech čtyř tranzistorů [5] . A1 převádí modulované napětí Vx na vstupní proud jádra I1, A2 převádí výstupní proud jádra I2 na výstupní napětí Vxy [5] . Odpory R ve zpětnovazebních obvodech operačního zesilovače, které nastavují konverzní koeficienty proud-napětí a omezují rozsah proudů v jádru, jsou zvoleny poměrně velké (100 kOhm v raných sériových mikrosestavách, 10 kOhm v pozdějších řadách [6] ) . Klidový proud jádra Io je nastaven externím, tepelně stabilizovaným předpětím. Napětí na jádře, rovné dvojnásobku klidového napětí báze-emitoru, se nemění ve všech režimech. Charakteristickou vlastností proudových analogových obvodů je napěťová stálost: proud je v nich nositelem analogového signálu a potenciály na tranzistorových výstupech zůstávají prakticky nezměněny [7] .
S uzemněnými řídicími vstupy (Vy=0) funguje jádro jako obousměrný sledovač proudu a článek jako celek funguje jako sledovač napětí [comm. 2] . Když je na vstup Vx přivedeno kladné napětí, výstupní napětí operačního zesilovače A1 se sníží na úroveň, při které je proud I1 tekoucí do kolektoru T1 přesně roven Vx/R [8] . Protože jsou napětí báze-emitor T1 a T2 stejná, kolektorový proud T2 přesně opakuje kolektorový proud T1 [8] . Tento proud (I2) je převodníkem na A2 převeden na výstupní napětí Vxy [9] . Protože je článek zpočátku nastaven na režim AB , když Vx prochází nulou, výstupní proud je tvořen oběma zrcadly a při záporném Vx je výstupní proud generován zrcadlem T3, T4 [9] .
Při nenulovém řídicím napětí Vy (rozsah jeho změn je několik stovek mV [comm. 3] ), přivedeném mezi báze T1 a T2, se napětí báze-emitor T2 zvýší o hodnotu Vy [8] . S kladným Vy se proud I2 zvyšuje a se záporným Vy klesá v poměru k exponentu Vy:
[9]kde je teplotní potenciál úměrný absolutní teplotě pn přechodů pro křemík rovný přibližně 26 mV při 300 K. Zvýšení Vy o 26 mV zvyšuje zisk faktorem 2,718 nebo +8,6 dB; pokles Vy o 26 mV snižuje Ku stejným faktorem. Díky křížové vazbě mezi bázemi čtyř tranzistorů platí stejný vztah pro horní pár tranzistorů: při 300 K je strmost modulační charakteristiky 0,33 dB/mV (nebo 3 mV/dB) pro oba kladné a záporné hodnoty Vx. V praxi je takto vysoký sklon nepohodlný a obvykle je jádro spřaženo s řídicím signálem, měřeným v jednotkách V, přes aktivní atenuátor na nízkošumovém operačním zesilovači [10] . V této kapacitě není možné použít konvenční dělič napětí : zdroj řídicího signálu musí mít nízký vnitřní odpor , dosažitelný pouze v obvodech operačních zesilovačů [10] .
Jak teplota stoupá, strmost dB/mV klesá nepřímo s absolutní teplotou a zvyšuje se velikost řídicího napětí potřebného k udržení zvoleného zesílení (mV/dB). Nejjednodušší způsob, jak neutralizovat tuto závislost, je použít stupnici řídicího napětí, která je přímo úměrná absolutní teplotě. V analogových mixážních pultech tuto roli plnily pasivní obvody na termistorech s kladným teplotním koeficientem [11] .
Nejdůležitější ukazatele kvality Blackmerova článku - úroveň nelineárního zkreslení , úroveň šumu a maximální potlačení modulovaného signálu (jinak dynamický rozsah regulace) - jsou vzájemně propojeny. V praxi je nemožné dosáhnout nejlepšího výkonu v jednom produktu; každá řada čipů je optimalizována pro kompromisní sadu kritérií.
V sériových mikrosestavách první generace neklesl koeficient nelineárního zkreslení pod 0,03 %, u pozdějších, vylepšených verzí v integrovaném provedení byl snížen na 0,001 % při výstupním napětí 1 V [10] . Nelineární zkreslení nejjednoduššího Blackmerova článku jsou generována třemi jevy [12] :
Hlavním způsobem neutralizace prvních dvou jevů je zvětšení geometrických rozměrů tranzistorů jádra [13] . Čím větší je plocha přechodu emitoru, tím nižší je jeho odpor (u sériových IO nepřesahuje 1 Ohm [14] ), a tím menší je vliv technologického rozšíření ve fotolitografii [15] [comm. 4] . Nesouladu parametrů tranzistorů, vzhledem k rozdílu jejich teplot, se zabrání optimálním umístěním na čipu [15] . Nesoulad parametrů tranzistorů, způsobený technologickými rozdíly mezi strukturami pnp a npn, je v praxi neutralizován vyvážením (vyvážením) horního a spodního zrcadla [15] . K tomu se do obvodu báze jednoho z výstupních tranzistorů přivede vnější stejnosměrný proud, který posune napětí na bázi o hodnotu v řádu několika desítek či stovek mikrovoltů [17] . V ideálním případě by toto dodatečné předpětí mělo být úměrné absolutní teplotě [17] . V integrovaných obvodech 80. let se k vyvažování používaly externí potenciometry, v 90. letech se přímo na čip začal umisťovat obvod předpětí úměrný absolutní teplotě [18] . Každý krystal je vyvážen individuální laserovou úpravou , ale úprava se nevyhnutelně ztratí s následným balením [18] . Hotové mikroobvody jsou řazeny do cenových skupin v závislosti na míře nevyváženosti, která následně určuje koeficient nelineárního zkreslení konkrétní instance [18] .
Hlavní složkou vlastního šumu Blackmerova článku je výstřelový šum tranzistorů jádra [19] . Koncepce odstupu signálu od šumu pro Blackmerův článek není zcela použitelná [20] , protože kromě klidového šumu (výstupní šumový proud v nepřítomnosti modulovaného signálu) buňka generuje pulzující šum modulovaný vstupní signál, spojený s okamžitou hodnotou vstupního signálu nelineární závislostí [16] . Tyto vlnové zvuky zahrnují jak výstřelový šum, tepelný šum od tranzistorů, tak šum ze zdroje řídicího napětí. Čím nižší je klidový šum, tím jsou tyto pulzace patrnější, alespoň při přístrojovém měření [1] ; otázka viditelnosti vlnění hluku sluchem nemá jednoznačnou odpověď [20] . Vlnění výstřelu a tepelného hluku nelze eliminovat, ale jejich viditelnost lze snížit záměrným zvýšením klidového hluku [21] .
Hladina výstřelového šumu tranzistoru je úměrná druhé odmocnině okamžité hodnoty jeho emitorového proudu [22] , proto pro snížení klidového šumu přepněte článek do režimu AB a nastavte minimální možnou hodnotu klidového proudu [19] . Pro snížení nelineárních zkreslení, zejména na vysokých frekvencích, by naopak měl být článek posunut do režimu A, což nevyhnutelně zvyšuje šumový výkon [19] . Například v integrovaném vývoji THAT Corporation v 90. letech vedla změna klidového proudu jádra z 20 μA (režim AB) na 750 μA (režim A) ke zvýšení klidového hluku o 17 dB [16] . Oba přístupy mají své výhody i nevýhody, neexistuje jediné správné řešení [21] .
Blackmerův článek je extrémně citlivý na šum a jiné rušení přicházející zvenčí na řídicí vstup: tyto rušení, superponované na řídicí signál, přímo modulují výstupní proud [20] [23] . Při relativně velkém rozsahu modulovaného signálu převažuje vnější šum nad všemi vlastními zdroji šumu; k tomu stačí, aby spektrální hustota šumu na řídicím vstupu byla několik nV/ Hz [24] . Tato nebo větší hustota šumu napětí, redukovaná na vstup, má převážnou většinu operačních zesilovačů širokého uplatnění. Samozřejmým, ale v praxi vždy dodržovaným způsobem, jak takové rušení minimalizovat, je pečlivý návrh řídicího obvodu [25] [20] . Šum a rušení v tomto obvodu by měly být eliminovány stejně důsledně jako šum hlavního audio kanálu [25] .
Alternativní způsob vyvažování pro vyvažování horní části (pnp) a dna (npn) navrhl Paul Buff [20] [comm. 5] . V Buffově článku je v sérii s každým ze čtyř tranzistorů Blackmerova jádra zapojen v diodovém zapojení další tranzistor opačného typu vodivosti [20] . Každé ze čtyř ramen jádra má dvojici komplementárních tranzistorů, což výrazně snižuje „vrozenou“ asymetrii Blackmerova obvodu. Řídicí strmost osmitranzistorového článku (6 mV/dB nebo 0,17 dB/mV) je poloviční oproti základnímu obvodu [5] [27] [20] . Obvod Buff je implementován v polovodičových integrovaných obvodech EGC-101 a TA-101 vyráběných Allison Research and Valley People od roku 1980 [20] .
Druhou užitečnou vlastností diod představených Buffem je stabilizace zpětnovazební smyčky pokrývající vstupní tranzistory jádra [20] . V konvenčním čtyřtranzistorovém jádru se zisk smyčky mění v tak širokém rozsahu, že stabilní provoz vstupního operačního zesilovače je možný pouze v režimu AB [20] . Diody (tranzistory ve spínání diod) slouží jako jakýsi předřadník , který snižuje zisk smyčky vstupního obvodu na hodnoty, při kterých stačí jediná korekční kapacita malé hodnoty ke spolehlivé stabilizaci vstupního operačního zesilovače ve většině případů. komplexní režim A [28] .
Teoretická exponenciální závislost proudu procházejícího přechodem emitoru na napětí na něm je v praxi porušována v důsledku úbytku napětí na aktivních odporech báze a emitoru (v praxi lze aktivní odpor kolektoru zanedbat). ) [29] . Při nulovém řídicím napětí, pokud jsou efektivní odpory [comm. 6] jsou všechny čtyři emitory jádra stejné, chyby logaritmu vstupního a výstupního tranzistoru jsou vzájemně kompenzovány [29] . V kterémkoli jiném bodě nekompenzovaná chyba logaritmu generuje závislost koeficientu přenosu proudu na jeho amplitudě a v důsledku toho disonantní liché harmonické ve výstupním signálu [29] .
K neutralizaci logaritmické chyby se používá osmitranzistorová modifikace Blackmerova článku s křížovými zpětnými vazbami [20] . Hodnoty přídavných odporů R, při kterých se chyby vstupního a výstupního tranzistoru vzájemně kompenzují, se rovnají 2Ree/α, kde Ree je efektivní odpor emitoru, α je koeficient přenosu proudu v obvodu s společný základ [14] . V praxi tento přístup umožňuje neutralizovat vliv odporů emitorů (jejich hodnoty jsou prakticky konstantní ve všech režimech), nikoli však odporů bází, které se mění v závislosti na protékajících proudech [14] . Neutralizovat „příspěvek“ základních odporů je možné pouze snížením jejich absolutních hodnot zvětšením geometrických rozměrů tranzistorů [14] . V sériových mikroobvodech jsou tak velké, že k opravě chyby postačují dodatečné odpory maximálně 1 Ohm [14] .
Při paralelním zapojení stejných jader Blackmer a také při paralelním zapojení tranzistorů se vstupní a výstupní proudy zvyšují úměrně počtu jader a šumová složka výstupního proudu se zvyšuje pouze úměrně druhé odmocnině číslo [30] . Například při zapnutí čtyř jader se výstupní proud zvýší čtyřikrát a šumový proud se pouze zdvojnásobí, proto se poměr signálu k šumu zlepší o 6 dB [30] . V praxi je počet jader, která lze paralelizovat, omezen jak jejich cenou, tak obtížností přizpůsobení jejich provozním bodům [31] . Sériově vyráběná hybridní sestava dbx202x používala osm paralelně integrovaných jader, zatímco sestava THAT2002 čtyři jádra [30] .
Blackmerův článek, zvláště když je nastaven na režim AB, je složitá, nelineární zátěž pro vstupní zesilovač (A1 ve schématu zapojení) [32] . Při použití klasického operačního zesilovače se smyčkové zesílení obvodu kolem vstupního operačního zesilovače mění v závislosti na okamžitém proudu aktivními tranzistory buňky [32] . Operační zesilovače širokého použití, pokryté hlubokou negativní zpětnou vazbou , jsou schopny účinně kompenzovat nelinearitu zátěže pouze při nízkých frekvencích [32] . V horních oktávách zvukového rozsahu, jak se zisk operačního zesilovače snižuje, nelineární zkreslení se zvyšuje na nepřijatelné hodnoty [32] .
Nelinearitu tohoto druhu lze eliminovat výměnou napěťového výstupního zesilovače (op-amp) za proudový výstupní zesilovač ( transkonduktivní zesilovač ) [32] . Zesílení smyčky transkonduktivního zesilovače připojeného místo A1 nezávisí na okamžité hodnotě proudu (ale stále závisí na zesílení článku daného řídicím napětím) [32] . Takové řešení se používá např. v IC THAT2181. Vstupní zesilovač tohoto obvodu podle vývojáře nevnáší do signálu až do zesílení buňky +20 dB znatelné zkreslení [33] . Při nižších úrovních zisku není deklarovaný koeficient nelineárního zkreslení větší než 0,005 %, hladina šumu při zisku jednoty není horší než -97 dbV , rozsah řízení zisku je 100 dB s chybou řízení ne větší než 2 % (130 dB bez limitu chyby) [9] .
Ve většině aplikací v reálném světě Blackmerův článek účinně potlačuje průchod řídicího signálu na výstup obvodu. Při vysokých rychlostech náběhu a poklesu řídicího signálu však může být uzavřen na výstupu obvodu přes kolektorové kapacity výstupních tranzistorů jádra [23] . Protifázové pulzní šumové proudy procházející kapacitami dvou tranzistorů se vzájemně kompenzují pouze částečně; plná kompenzace není možná kvůli nevyhnutelnému rozdílu v kapacitách tranzistorů pnp a npn [23] . Osmitranzistorové články v módu A [28] jsou obzvláště náchylné k těmto rušením . K úplnému potlačení rušení je na vstup operačního zesilovače A2 přiváděn proud, který se rovná velikosti rozdílového proudu rušení a má opačný směr [23] . Hodnota separační kapacity, kterou je tento proud přiváděn, je určena empiricky [23] .
Na přelomu 60. a 70. let, kdy nahrávací studia přešla na vícekanálový magnetický záznam , museli producenti a zvukaři čelit nárůstu hluku na úroveň nepřijatelnou ve studiové technice. Úzké stopy vícekanálových rekordérů byly hlučnější než široké stopy jejich předchůdců; velké množství stop používaných při míchání problém jen zhoršilo [34] . Zároveň se počet všemožných elektronických zařízení ve studiích rozrostl natolik, že bylo obtížné je ručně spravovat [34] . V průmyslu byla poptávka na jedné straně po systémech redukce hluku a na druhé straně po dálkovém ovládání studiového vybavení [34] . Základní elektronickou jednotkou používanou pro oba tyto úkoly byl a zůstává napěťově řízený zesilovač (VCA) - nízkošumový, širokopásmový amplitudový modulátor [34] .
První UNU, které byly široce používány ve zvukovém inženýrství, byly levné modulátory založené na tranzistoru s efektem pole v režimu řízeného odporu [35] . Tyto uzly byly použity např. ve všech variantách domácího systému redukce šumu Dolby B [35] , ale nevyhovovaly požadavkům profesionálních zvukařů [35] . V roce 1968 vynalezl Barry Gilbert obvod UNU na bipolárních tranzistorech jednoho typu vodivosti, který je široce používán v radiotechnice; v roce 1971 navrhl David Blackmer alternativní design založený na komplementárních bipolárních tranzistorech, určený pro vysoce kvalitní záznam a přehrávání zvuku [34] . Přes všechny své přednosti mělo Blackmerovo řešení zásadní nevýhodu: v 70. letech 20. století na rozdíl od Gilbertovy buňky nemohlo být implementováno v integrálním provedení [36] .
V roce 1973 Blackmer založil dbx, Inc. uvedl na trh první mikrosestavu svého schématu dbx202 [ 1] . Pro charakteristický vzhled skříně ji američtí zvukaři přezdívali „black can“, eng. černá plechovka ) [6] . dbx202 používal čtyři pečlivě vybrané diskrétní tranzistory v kovových pouzdrech [1] . Tranzistory byly zalisovány do keramického držáku, který sloužil jako běžný „termostat“, a připájeny na textolitovou desku , která byla následně zalisována do „černé nádoby“ [1] . Podle společnosti byla úroveň tepelné setrvačnosti konstrukce taková, že tepelné zkreslení nevyhnutelné pro obvod Blackmer se objevilo pouze při nejnižších zvukových frekvencích [1] . V roce 1978 byl uveden na trh osmitranzistorový dbx202C s logaritmickým obvodem pro korekci chyb; koeficient nelineárního zkreslení (Kni) byl snížen z 0,03 % na 0,01 % a rozsah řízení zvýšen ze 110 na 116 dB [1] . V roce 1980 uvedl Robert Adams [37] na trh integrovaný obvod dbx2001 [1] módu A. Deklarovaná THD snížena na méně než 0,001 %; hladina hluku a regulační rozsah byly naopak horší než u analogů v režimu AB [1] .
V této době již planární mikroelektronické technologie dosáhly úrovně, která umožňovala vytvářet vysoce kvalitní komplementární páry npn- a pnp-tranzistorů na jediném čipu. První polovodičový integrovaný obvod Blackmer cell byl uveden na trh společností Allison Research. IC ECG-101, který ve skutečnosti představoval sadu osmi izolovaných tranzistorů, navržený Paulem Buffem, byl navržen pro provoz v režimu A. Díky přechodu na režim A výstupní proud EGC-101 prakticky chyběl jako disonantní liché harmonické [20] ; charakteristický „rukopis“ tohoto IO byl určen výhradně úrovní sudých harmonických, která závisela na přesnosti nulového vyvážení [20] .
V roce 1981, po čtyřech letech experimentování, vstoupila na trh první řada polovodičových integrovaných obvodů společnosti dbx, Inc. - dbx2150/2151/2155 [1] (vývojář - Dave Welland, budoucí zakladatel Silicon Labs [37] ). Pod těmito třemi označeními se prodával stejný IC: nejlepší vzorky byly označeny kódem 2151, nejhorší - 2155 [1] , nejrozšířenější byla řada dbx2150 [38] průměrné kvality . Osmikolíkové jednořadé pouzdro (SIP8) a jeho pinout poskytovaly vynikající izolaci vstupních a výstupních signálů a staly se průmyslovým standardem a následně byly reprodukovány ve vylepšených verzích obvodu Blackmer - dbx2100, THAT2150, THAT2181 a tak dále [10] . Hlavním spotřebitelem přesných mikroobvodů této generace byl a zůstává úzký okruh výrobců studiových zařízení [39] . Pokusy uvést na trh domácího vybavení systém redukce šumu dbx , jehož jádrem byl Blackmerův článek ve spojení s detektorem napětí Blackmer RMS , skončily neúspěchem [40] . Jediným skutečným masovým trhem byly dekodéry systému televizního vysílání BTSC vybavené dbx , který byl v platnosti ve Spojených státech v letech 1984 až 2009 [41] .
Po Blackmerově odchodu z dbx, Inc. společnost převzal konglomerát Harman International . V roce 1989, dbx, Inc. se rozštěpila, přičemž Harman International si ponechala obchod se studiovým vybavením a obchod s mikročipy, vedený Blackmerovými studenty, se stal nezávislou THAT Corporation . Právě na ni byla převedena práva na Blackmerovy patenty a ochranná známka Blackmer [42] . Od února 2016 THAT Corporation pokračuje ve výrobě dvou jednoduchých a jednoho duálního UNU podle schématu Blackmer [43] .