Blackmer vinstcell

Blackmer -förstärkningscellen är en ljudfrekvensspänningsstyrd förstärkarkrets (VCA) med en exponentiell styrlag . Den uppfanns och patenterades av David E. Blackmer mellan 1970 och 1973. Kärnan med fyra transistorer i den ursprungliga Blackmer-cellen innehåller två komplementära bipolära strömspeglar som utför log-antilog- operationer på inspänningar på ett push-pull, alternerande sätt. Tidigare log-antilog-modulatorer som använde den fundamentala exponentiella egenskapen för en p-n-övergång var unipolära; Blackmers tillämpning av push-pull-signalbehandling möjliggjorde modulering av bipolära spänningar och dubbelriktade strömmar.

Blackmer-cellen, som har tillverkats sedan 1973, är den första precisions-VCA-kretsen som var lämplig för professionellt ljud . Redan på 1970-talet uppnådde produktionen av Blackmer-celler 110 dB kontrollområde med total harmonisk distorsion på högst 0,01 % och mycket hög överensstämmelse med ideal exponentiell styrlag. Kretsen användes i fjärrstyrda mixerbord, signalkompressorer, mikrofonförstärkare och dbx brusreduceringssystem . Under 2000-talet förblir Blackmer-cellen, tillsammans med Douglas Freys Operational Voltage Controlled Element (OVCE), en av två integrerade VCA-topologier som fortfarande används i stor utsträckning i studio- och scenutrustning.

Utveckling och applikationer

Professionella ljudsignalprocessorer från dbx, Inc., baserade på Blackmer förstärkningscell. Dbx, grundat och ägt av Blackmer, var det första företaget som kommersialiserade hans uppfinningar

På 1960-talet antog amerikanska inspelningsstudior flerspårsinspelning . Smala spår av flerspårsinspelare var bullrigare än breda spår av sina föregångare; Att blanda ner många smala spår försämrade ytterligare signal-brusförhållandet för masterband . Blandning blev en komplex process som krävde en exakt tidsinställd drift av många kontroller och faders, som var för många för att fungera manuellt. brusreducering av professionell kvalitet och konsolautomation . Kärnan i båda dessa funktioner var den spänningsstyrda förstärkaren (VCA).

Den tidigaste solid-state VCA-topologin var en dämpare snarare än en förstärkare ; den använde en kopplingsfälteffekttransistor i spänningsstyrt resistansläge . Dessa dämpare, som var toppmoderna i början av 1970-talet, användes framgångsrikt i professionella Dolby A- och Dolby B- brusreduceringssystem för konsumenter men uppfyllde inte alla krav från mixningstekniker . 1968 uppfann Barrie Gilbert Gilbert-cellen som snabbt antogs av radio- och analoga datordesigners men som saknade den precision som krävs för studioutrustning. Mellan 1970 och 1973 uppfann och patenterade David E. Blackmer den multiplicerande log-antilogcellen med fyra transistorer , inriktad på professionellt ljud.

Blackmer-cellen var mer exakt och hade ett större dynamiskt omfång än tidigare VCA-topologier men den krävde välmatchade komplementära transistorer av båda polaritetstyperna som ännu inte kunde implementeras i en integrerad kiselkrets (IC). Samtida kopplingsisoleringsteknologi erbjöd dåligt presterande pnp-transistorer, så konstruktörer av integrerade kretsar var tvungna att använda enbart npn-transistorer. Gilbert- och Dolby-kretsarna var lätta att integrera i kisel, men Blackmer-cellen var tvungen att monteras från tröttsamt utvalda, precisionsmatchade, diskreta transistorer. För att säkerställa isotermisk drift hölls dessa metallburktransistorer stadigt samman med ett termiskt ledande keramiskt block och isolerades från omgivningen med en stålburk. De första integrerade hybridkretsarna av denna typ, den "svarta burken" dbx202, tillverkades av Blackmers företag 1973. Fem år senare släppte Blackmer den förbättrade dbx202C "guldburken" hybrid-IC; total harmonisk distorsion minskade från 0,03 % till 0,01 % och förstärkningskontrollområdet ökade från 110 dB till 116 dB . 1980 släppte Blackmer en version designad av Bob Adams , dbx2001. Till skillnad från tidigare Blackmer-celler som fungerade i mager klass AB , fungerade dbx2001 i klass A. Distorsionen sjönk till mindre än 0,001 % men bruset och det dynamiska omfånget för dbx2001 var sämre än för klass AB-kretsar. Denna första generation av Blackmer VCA:er hade en mycket lång livslängd; Från och med 2002 användes fortfarande analoga konsoler byggda kring de ursprungliga dbx202 "burkarna" i professionella inspelningsstudior.

År 1980 blev komplementära bipolära IC:er möjliga och Allison Research släppte den första monolitiska Blackmer gain cell IC. ECG-101, som designades av Paul Buff, innehöll bara kärnan av en modifierad Blackmer-cell – en uppsättning av åtta matchade transistorer – och var avsedd för ren klass A-drift. Den hade en unik ljudsignatur som nästan inte hade några oönskade övertoner av udda ordning och som var lättare att stabilisera än den ursprungliga Blackmer-cellen. 1981 släppte dbx, Inc. sin egen monolitiska IC, dbx2150/2151/2155, som designades av Dave Welland, den framtida medgrundaren av Silicon Labs . De tre numeriska beteckningarna betecknade tre kvaliteter av samma chip; 2151 är bäst, 2155 sämst; mitten av raden 2150 var den mest använda versionen. Det åttastifts single-in-line- paketet (SIP8) garanterade god isolering mellan ingångar och utgångar och blev industristandarden som användes i de senare dbx2100, THAT2150 och THAT2181 IC:erna. Dessa kretsar, liksom de ursprungliga hybrid dbx IC:erna, var en nischprodukt med liten volym som uteslutande användes i professionellt analogt ljud. Typiska applikationer inkluderar mixerbord , kompressorer , noise-gates , duckers , de-essers och tillståndsvariable filter . Dbx-brusreduceringssystemet, som använde Blackmer-cellen, hade begränsad framgång på semiprofessionell marknad och misslyckades på konsumentmarknaderna och förlorade mot Dolby C . Den enda massmarknaden där dbx fick betydande användning var North American Multichannel Television Sound , som introducerades 1984 och fungerade fram till slutet av analoga tv-sändningar 2009.

Under 2000-talet tillverkas professionella Blackmer ICs av THAT Corporation – en direkt ättling till Blackmers dbx, Inc. – med hjälp av dielektrisk isoleringsteknik. Från och med april 2020 erbjöd företaget en dubbelkanals och två enkelkanals Blackmer IC:er och fyra "analog motor" IC:er innehållande Blackmer-celler som kontrolleras av Blackmer RMS- detektorer .

Drift

Enkel, enkvadrant log-antilog-omvandlare

Log-antilog princip

Blackmer-cellen är en direkt ättling till en log-antilog-krets med två transistorer, i sig en derivata av den enkla strömspegeln . Normalt är baserna för två transistorer i en spegel sammanbundna för att säkerställa att kollektorströmmen I2 hos utgångstransistorn T2 exakt speglar kollektorströmmen Ii hos ingångstransistorn T1. Ytterligare positiv eller negativ förspänning V Y som appliceras mellan baserna för T1 och T2 omvandlar spegeln till en strömförstärkare eller dämpare. Skalfaktor eller strömförstärkning följer den exponentiella Shockley-formeln :

där är den termiska spänningen , proportionell mot absolut temperatur , och lika med 25,852 mV vid 300 K .

Styrspänningen V Y refereras vanligtvis till jord , antingen med en plint jordad eller med båda plintarna drivna differentiellt med noll volt common-mode spänning. Detta kräver sänkning av emitterpotentialen under jord, vanligtvis med en operationsförstärkare A1 som även omvandlar inspänningen V X till inström I 1 (så kallad transdiodkonfiguration ). En andra operationsförstärkare A2 omvandlar utström I2 till utspänning VXY .

I matematik definieras logaritmfunktionen endast för positivt argument . En log-antilogkrets byggd med NPN-transistorer accepterar endast positiv inspänning V X eller endast negativ V X i fallet med PNP-transistorer. Detta är oacceptabelt i ljudapplikationer, som måste hantera växelströmssignaler (AC). Att lägga till likströmsförskjutning (DC) till ljudsignaler, som föreslogs av Embley 1970, kommer att fungera med en fast förstärkningsinställning, men alla förändringar i förstärkningen kommer att modulera utgångens DC-offset.

Fyrtransistor Blackmer kärna

Den kompletta Blackmer-förstärkningscellen, reglerad med en VBE - multiplikator

Blackmer-kretsen består av två komplementära log-antilog VCA:er. Dess fyra transistorkärna – den egentliga Blackmer-cellen – kombinerar två kompletterande strömspeglar som är kopplade rygg-till-rygg och fungerar på ett push-pull- sätt. Den undre spegeln av NPN-typ (T1, T2) sänker inströmmen I1 ; den övre spegeln av PNP-typ (T3, T4) hämtar inström I 1 i motsatt riktning. En VBE - multiplikator som är termiskt kopplad till kärnan bibehåller cirka 1,5 V (2 V BE ) över sina strömförsörjningsterminaler och reglerar dess tomgångsström ( 2 mA eller mindre i produktion av monolitiska IC). Signalspänning appliceras på plintarna V X och styrspänningen till plintarna VY . Operationsförstärkarna A1 och A2 utför samma spänning-till-ström- och ström-till-spänning-omvandlarfunktioner som sina motsvarigheter i en unipolär log-antilog-krets och upprätthåller virtuell jordpotential vid kärnans ingångs- och utgångsnoder. Värden på återkopplingsmotstånd är vanligtvis inställda på 10 kOhm ( 100 kOhm i tidiga hybrid-ICs); de måste vara lika för att säkerställa enhetsförstärkning vid noll styrspänning. Potentialen för alla kärnans noder förutom Vy är nästan oberoende av ingångssignaler, vilket är gemensamt för alla strömlägeskretsar, som behandlar signalströmmar snarare än spänningar.

När styrspänningen VY = 0 fungerar kärnan som en dubbelriktad strömföljare, som replikerar inströmmen Ii till utströmmen I2 . I kärnor som är förspända till ren klass A bidrar båda speglarna med sina andelar av I 2 samtidigt; i kärnor som är förspända till klass AB, gäller detta endast för mycket små värden på V X och I 1 . Vid högre V X stängs en av speglarna i en klass AB-kärna av och all utström I 2 sänks eller kopplas till den andra spegeln, som är aktiv. Med positiv (negativ) VY- ström genom den aktiva spegeln eller båda speglarna i klass A ökar (minskar) exponentiellt, precis som den gör i en log-antilogkrets med en kvadrant:

R i A1 och A2

Vid 300 K är lutningen för den exponentiella kontrolllagen lika med 0,33 dB/mV (eller 3,0 mV/dB ) för antingen negativa eller positiva värden på Vx . I praktiken är lutningen obekvämt brant och kärnan är vanligtvis frikopplad från verkliga styrspänningar med en aktiv dämpare. Denna dämpare, eller någon annan källa till V Y , måste ha mycket lågt brus och mycket låg utgångsimpedans , vilket endast kan uppnås i op-amp-baserade kretsar. En enkelsidig VY- enhet är nästan lika bra som en symmetrisk balanserad enhet ; att ha två VY- anslutningar tillåter styrning av cellen med två oberoende enändsspänningar.

Förstärkningen av Blackmer-cellen har ett omvänt förhållande till temperaturen; Ju varmare IC, desto lägre lutning för exponentiell kontrolllag. Till exempel, V Y = +70 mV vid 300 K översätts till en förstärkning på 10 gånger eller +20 dB . När formtemperaturen stiger till 310 K , minskar förstärkningen vid VY = +70 mV med 0,66 dB till +19,3 dB ; vid maximal drifttemperatur på 343 K ( 70 °C ) sjunker den till +17,2 dB . I praktiken övervinns denna brist lätt genom att använda en kontrollskala som är proportionell mot absolut temperatur (PTAT). I dbx brusreduceringssystem och THAT Corps analoga motor säkerställs detta av fysiken hos Blackmer RMS-detektorn , som är PTAT av design. I gamla blandningskonsoler uppnåddes samma effekt med termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC) .

Åtta transistorkärna

Grundläggande fyra transistor Blackmer kärna, Paul Buff åtta transistor kärna och åtta transistor kärna med logaritmisk felkorrigering

Felmatchningar av PNP- och NPN-transistorer i en grundläggande Blackmer-cell balanseras vanligtvis med trimning. Alternativt kan transistorer balanseras genom design genom att inkludera diodkopplade transistorer av motsatt typ i varje ben av kärnan. Var och en av de fyra benen hos den modifierade kärnan innehåller en NPN- och en PNP-typtransistor; även om de fortfarande är funktionellt asymmetriska, reduceras graden av asymmetri kraftigt. Lutningen för exponentiell styrlag är exakt hälften av den för fyrtransistorcellen. Denna förbättring uppfanns av inspelningsingenjören Paul Conrad Buff och tillverkades sedan 1980 som den monolitiska ECG-101 IC av Allison Research och den identiska TA-101 av Valley People.

Åtta transistorkärna med loggfelskorrigering

Parasitiska bas- och emitterresistanser förvränger ström-spänningsegenskaperna hos verkliga transistorer, introducerar logaritmfel och förvränger utsignalen. För att förbättra precisionen utöver vad som var möjligt genom användningen av överdimensionerade kärntransistorer, föreslog Blackmer att man skulle använda sin åttatransistorkärna med interfolierade lokala återkopplingsslingor . Kretsen, som först producerades som hybrid dbx202C 1978 och som monolitiska 2150/2151/2155 ICs 1981, minimerar log-feldistorsion när värdet på varje återkopplingsmotstånd är lika med summan av ekvivalenta emitterresistanser på NPN- och PNP-transistorer. En enkel modell förutsäger att detta tillvägagångssätt neutraliserar alla källor till logartmfel men i verkligheten kan återkoppling inte kompensera för nuvarande trängningseffekter , som endast kan reduceras genom att öka transistorstorlekarna. Kärnor av monolitiska Blackmer ICs är så stora effektiva återkopplingsmotståndsvärden är mindre än en ohm.

Parallell ledning av kärnor

Blackmer-kärnor, som är ström-in, ström-ut-enheter, kan enkelt kopplas parallellt . Att parallellkoppla identiska kärnor ökar in- och utströmmarna proportionellt mot antalet kärnor, men brusströmmen stiger endast som kvadratroten av samma antal. Parallellt med fyra kärnor, till exempel, ökar signalströmmen fyra gånger och ökar brusströmmen två gånger, vilket förbättrar signal-brusförhållandet med 6 dB. Den första produktionskretsen av denna typ, hybriden dbx202x, innehöll åtta parallella kärnor bestående av diskreta transistorer; hybriden THAT2002 innehöll fyra monolitiska THAT2181-matriser.

Prestanda

Designen av en Blackmer cell IC är en kompromiss som gynnar en specifik kombination av distorsion, brus och dynamiskt omfång av förstärkningsinställningar. Dessa egenskaper är kritiska för professionella ljudapplikationer och är relaterade till varandra och kan inte fulländas samtidigt. Valet av enkelhet i kretsen (inbyggd trimning på skivan) eller lägsta distorsion (extern trimning i kretsen) är också fixerat på stansnivån.

Förvrängning

Distorsion av en klass AB Blackmer-kärna har tre huvudkällor:

De två första källorna finns i kärnan och definierar distorsionsmönster vid låga frekvenser. Båda undertrycks av ökande transistorstorlekar, även om effektiv neutralisering av logaritmfel endast är möjlig i förbättrade åtta-transistorkärnor. Stora transistorer har mindre parasitresistanser och är mindre känsliga för oundvikliga slumpmässiga areafelmatchningar. Temporala missanpassningar orsakade av termiska gradienter undviks genom noggrann placering av kärntransistorer och omgivande komponenter på IC. Den kvarvarande missanpassningen av PNP- och NPN-speglar kompenseras för med trimning , vanligtvis genom att injicera en mycket liten ström i en av kärnans två utgångstransistorer. Detta skapar en liten, asymmetrisk förspänning på några millivolt eller mindre, som helst bör vara proportionell mot den absoluta temperaturen. I monolitiska IC:er säkerställs detta genom att använda en termiskt kopplad PTAT-källa för förspänningsström. Trimning på wafernivå lider av slumpmässiga förskjutningar under efterföljande formförpackning ; wafer-trimmade IC:er har maximalt klassificerad THD från 0,01 % (bästa betyg) till 0,05 % (sämsta betyg) vid 1V RMS-ingång. Ytterligare minskningar till 0,001 % THD kräver fintrimning i kretsen, vilket normalt utförs en gång med en precisions- THD-analysator och behöver inga ytterligare justeringar.

Utgångsförstärkaren A2 arbetar med fast sluten slingförstärkning, driver en godartad konstantimpedansbelastning och försämrar inte distorsion. Ingångsförstärkaren A1 driver en icke-linjär återkopplingsslinga lindad runt kärnan och måste förbli stabil vid alla möjliga kombinationer av V X och V Y . För att undvika crossover-distorsion måste A1 ha mycket hög bandbredd och en snabb svänghastighet , men vid diskantljudfrekvenser blir dess olinjäritet den dominerande distorsionsfaktorn när den öppna slingaförstärkningen för A1 minskar. Denna typ av distorsion är vanlig för operationsförstärkare med spänningsutgång; i produktions-IC:er nollställs det effektivt genom att ersätta spänningsutgångsförstärkaren med en strömutgångstranskonduktansförstärkare .

Ljud

Uppskattning och mätning av signal-brusförhållande är svårt och tvetydigt på grund av det komplexa, icke-linjära förhållandet mellan strömmar, spänningar och brus. Vid noll eller mycket små insignaler har kärnan ett mycket lågt brusgolv . Vid höga insignaler översvämmas detta restbrus av mycket större moduleringsbrus som innehåller produkter av skottbrus , termiskt brus från kärnans transistorer och externa brus som injiceras i VY- terminaler . Högre insignaler orsakar större modulering: "brus följer signalen", på ett olinjärt sätt.

Vid måttliga förstärknings- eller dämpningsinställningar bestäms bruset i kärnan – förutsatt att det är brusfritt omgivande kretsar – av kollektorströmsskottbrus, som är proportionellt mot kvadratroten av emitterströmmen. Det lägsta ljudet uppnås således i klass AB-kärnor med mycket små tomgångsströmmar. Konstruktioner för lägsta distorsion kräver ren klass A-drift till priset av högre brus. Till exempel, i THAT Corps IC:er, orsakar ökning av tomgångsström från 20 μA (klass AB) till 750 μA (klass A) en ökning av no-signal brusgolvet med 17 dB; i dbx, Inc. hybrid "burkar" var skillnaden antingen 10 eller 16 dB. I praktiken finns det ingen perfekt kompromiss; valet av lågbrusklass AB eller lågdistorsionsklass A beror på applikation.

Brus från operationsförstärkarna A1 och A2 är endast material vid mycket låga eller mycket höga förstärkningsinställningar. I klass AB IC från THAT Corporation blir bruset för A2 dominerande vid förstärkning på -30 dB eller mindre, bruset för A2 blir dominant vid förstärkningar på +20 dB eller mer. Vid höga utgångsnivåer domineras brussignaturen av brus som injiceras via kontrollterminaler, även när man har vidtagit lämplig försiktighet för att undertrycka deras källor.

Injektion av brus och distorsion via styrterminaler

Blackmer-celler är särskilt känsliga för störningar vid kontrollterminaler. Varje signal som kommer till VY- porten , antingen en användbar styrspänning eller oönskat brus, modulerar direkt utsignalen med en hastighet av 0,33 dB/mV för en fyrtransistorcell eller 0,17 dB/mV för en åttatransistorcell. 1 mV slumpmässigt brus eller brum resulterar i antingen 4 % eller 2 % modulering, vilket försämrar signal-brusförhållandet till absolut oacceptabla värden. Kontaminering av V Y med insignal V X orsakar inte brus, utan oacceptabelt hög övertonsdistorsion.

Kretsar som driver VY- terminaler måste utformas lika noggrant som ljudvägar av professionell kvalitet är. I praktiken är VY - terminaler vanligtvis kopplade till externa styrsignaler med lågbrusiga operationsförstärkare direkt, vilket säkerställer lägsta möjliga utgångsimpedans; lågprisförstärkare som NE5532 är ett sämre men acceptabelt alternativ till tystare men dyrare modeller. Förstärkare av denna klass kännetecknas av ljudfrekvensbrusetäthet några nV/ Hz som, även om de är låga, kommer att översvämma andra bruskällor vid höga signalnivåer.

Kontrollområde

I klass AB-kärnor når off-state undertryckning av insignalen, som markerar den lägsta änden av kontrollskalan, 110 dB vid 1 kHz men försämras vid högre ljudfrekvenser på grund av parasitiska kapacitanser . Single-in-line IC-paket, annars föråldrade, fungerar bra i detta avseende på grund av det relativt långa avståndet mellan ingångs- och utgångsstift. Försiktighet bör iakttas för att förhindra kapacitiv koppling från V X -ingång till A1 icke-inverterande ingång. I klass A-kärnor är kontrollskalan oundvikligen smalare på grund av högre restljudnivå.

Styrspänningsgenomföring

I klass AB-kärnor, vid låga frekvenser, har genommatningen av styrspänningen VY till utsignalen två huvudsakliga källor: felanpassningar i kärntransistorer som reduceras genom ökande transistorstorlekar och genommatning av ingångsförspänningsström. Vilken likströmskomponent som helst av Vx och ingångsoffsetspänning från förstärkaren Al injicerar likströmskomponenter i inströmmen Ii, som replikeras vid utgången och moduleras av kärnan tillsammans med växelströmsinsignalen. Dessa genomströmningskällor kan neutraliseras med kapacitiv koppling, vilket lämnar en oönskad DC-komponent, ingångsförspänning på A1. Denna ström kan reduceras till några nanoampere med förspänningsavbrytande ingångssteg. Vid höga frekvenser kopplas VY till utgångsnoden direkt via kollektorbaskapacitanser hos kärntransistorerna. Differentiell VY - drivenhet eliminerar inte problemet på grund av de olika kapacitanserna hos PNP- och NPN-transistorer. Den kvarvarande VY - genomföringen kan nollställas genom frammatning av inverterad VY i utgångsnoden via en kondensator med lågt värde, vilket återställer kärnans kapacitiva symmetri.

Klass A-kärnor är i allmänhet mer benägna att styra spänningsgenomföring på grund av termiska gradienter i kärnan (i klass AB visar sig samma gradienter som distorsion). Tidiga klass A IC:er som användes som muting-grindar producerade hörbara, lågfrekventa "dunk" men efterföljande förbättringar i produktions-IC:er minskade den oönskade genomströmningen avsevärt.

Bibliografi

  •   Adams, Robert (2006). "Förord". I Gordon W. Roberts, Vincent W. Leung (red.). Design och analys av integratorbaserade loggdomänfilterkretsar . Springer Science & Business Media. ISBN 9780306470547 .
  • Dow, Ron; Parks, Dan (1990). "Förstå och använda VCAs". Broadcast Engineering (september): 84–94.
  • Duncan, Ben (1989a). "VCA undersökt. Del ett". Studioljud (juni): 82–88.
  • Duncan, Ben (1989b). "VCA undersökt. Del två". Studioljud (juli): 58–62.
  • Hebert, Gary K. (1995). "En förbättrad monolitisk spänningskontrollerad förstärkare" ( PDF) . AES Convention Paper Forum. 99:e konventet, 1995 6–9 oktober : 1–35. (förtryck)
  • Israelsohn, Joshua (2002). "Få kontroll" (PDF) . Electronic Design News (augusti): 38–46.
  •   Själv, Douglas (2010). Ljuddesign för små signaler . Focal Press / Elsevier. ISBN 9780240521770 .
  • THAT Corporation (2002). "Uppgradering av modulära VCA:er" (PDF) . THAT Corporation Design Note 127 : 1–8.
  •   Tyler, Les; Kirkwood, Wayne (2008). "12.3.4 Dedikerade analoga integrerade kretsar för ljudtillämpningar". I Glen Ballou (red.). Handbok för ljudtekniker. Fjärde upplagan . Focal/Elsevier. ISBN 978-0-240-80969-4 .