Яче́йка Блэ́кмера () — схема электронного управляемого напряжением усилителя (УНУ, амплитудный модулятор) с экспоненциальной характеристикой управления, предложенная и доведённая до серийного выпуска в 1970—1973 годы. Четырёхтранзисторное ядро схемы образовано двумя встречно включёнными токовыми зеркалами на комплементарных биполярных транзисторах. Входной транзистор каждого из зеркал логарифмирует входной ток, а выходной транзистор антилогарифмирует сумму логарифма входного тока и модулирующего напряжения. Логарифмирующие усилители, использующие фундаментальную экспоненциальную зависимость тока через pn-переход от напряжения на нём, были известны задолго до работ Блэкмера, но оперировали только напряжениями одной полярности и токами одного направления. Новизна изобретения Блэкмера заключалась в раздельной, двухтактной обработке положительной и отрицательной полуволн переменного сигнала с помощью двух комплементарных цепей, что впервые позволило логарифмировать знакопеременные напряжения и токи.
Ячейка Блэкмера — исторически первая схема прецизионного УНУ, пригодная для высококачественной записи и воспроизведения звука. Уже в 1970-е годы динамический диапазон регулирования серийных изделий составлял 110 дБ и более при низких, не более 0,01 %, нелинейных искажениях; во всём диапазоне регулирования действовала линейная зависимость между управляющим напряжением и логарифмом коэффициента усиления. Основными сферами применения схемы Блэкмера стали дистанционно управляемые микшерные пульты, студийные компрессоры аудиосигнала, микрофонные усилители и компандеры системы шумопонижения dbx. В 2010-е годы это одна из двух по-прежнему широко применяющихся в студийной и концертной аппаратуре схем этого рода.
Принцип действия
Четырёхтранзисторное ядро простейшей ячейки Блэкмера (на схеме обведено пунктиром) представляет собой два встречно включённых токовых зеркала. Нижнее зеркало, на npn-транзисторах Т1 и Т2, управляется втекающим входным током I1, а верхнее, на pnp-транзисторах Т3 и Т4 — вытекающим током I1. Модулируемое напряжение подаётся на вход Vx, управляющее (модулирующее) напряжение — на вход Vy. Операционные усилители A1, A2 поддерживают на коллекторах всех четырёх транзисторов нулевой потенциал виртуальной земли. А1 преобразует модулируемое напряжение Vx во входной ток ядра I1, А2 преобразует выходной ток ядра I2 в выходное напряжение Vxy. Сопротивления R в цепях обратной связи ОУ, задающие коэффициенты преобразования ток-напряжение и ограничивающие размах токов ядра, выбираются достаточно большими (100 кОм в ранних серийных микросборках, 10 кОм в позднейших сериях). Ток покоя ядра Io задаёт внешняя, термостабилизированная цепь смещения. Напряжение на ядре, равное удвоенному напряжения покоя база-эмиттер, во всех режимах неизменно. Постоянство напряжений — характерное свойство то́ковых аналоговых схем: носителем аналогового сигнала в них служит ток, а потенциалы на выводах транзисторов остаются практически неизменны* .
При заземлённых управляющих входах (Vy=0) ядро работает как двунаправленный повторитель тока, а ячейка в целом — как повторитель напряжения. При подаче на вход Vx положительного напряжения выходное напряжение ОУ A1 уменьшается до уровня, при котором ток I1, втекающий в коллектор T1, точно равен Vx/R. Так как напряжения база-эмиттер Т1 и Т2 равны, то коллекторный ток Т2 точно повторяет коллекторный ток Т1. Этот ток (I2) преобразуется в выходное напряжение Vxy преобразователем на A2. Так как ячейка изначально смещена в режим AB, то при переходе Vx через ноль выходной ток формируют оба зеркала, а при отрицательных Vx выходной ток генерируется зеркалом Т3, Т4.
При ненулевом управляющем напряжении Vy (диапазон его изменений составляет несколько сотен мВ), приложенном между базами Т1 и Т2, напряжение база-эмиттер T2 увеличивается на величину Vy. При положительном Vy ток I2 возрастает, а при отрицательном Vy убывает пропорционально экспоненте Vy:
где — температурный потенциал, пропорциональный абсолютной температуре pn-переходов, для кремния равный примерно 26 мВ при 300 К. Рост Vy на 26 мВ увеличивает коэффициент усиления в 2,718 раз, или на +8,6 дБ; уменьшение Vy на 26 мВ во столько же раз уменьшает Ку. Благодаря перекрёстными связям между базами четырёх транзисторов та же зависимость действует и для верхней пары транзисторов: при 300 К крутизна модулирующей характеристики составляет 0,33 дБ/мВ (или 3 мВ/дБ) и для положительных, и для отрицательных значений Vx. На практике столь высокая крутизна неудобна, и обычно ядро сопрягается с управляющим сигналом, измеряемым единицами В, через активный аттенюатор на малошумящем ОУ. Использовать в этом качестве обычный делитель напряжения нельзя: источник управляющего сигнала должен иметь низкое внутреннее сопротивление, достижимое лишь в схемах на ОУ.
С ростом температуры крутизна характеристики, выраженная в дБ/мВ, уменьшается обратно пропорционально абсолютной температуре, а величина управляющего напряжения, необходимая для поддержания выбранного коэффициента усиления (мВ/дБ), возрастает. Простейший способ нейтрализации этой зависимости — использование шкалы управляющих напряжений, прямо пропорциональной абсолютной температуре. В аналоговых микшерских пультах эту роль выполняли пассивные цепи на терморезисторах с положительным температурным коэффициентом.
Нелинейные искажения
Важнейшие качественные показатели ячейки Блэкмера — уровень нелинейных искажений, уровень шума, и предельное подавление модулируемого сигнала (иначе, динамический диапазон регулирования) — взаимосвязаны между собой. Добиться наилучших показателей в одном изделии на практике невозможно; каждая серия микросхем оптимизируется под компромиссный набор критериев.
В серийных микросборках первого поколения коэффициент нелинейных искажений не опускался ниже 0,03 %, в позднейших, улучшенных вариантах в интегральном исполнении он был снижен до 0,001 % при выходном напряжении 1 В. Нелинейные искажения простейшей ячейки Блэкмера порождаются тремя явлениями: ошибкой логарифмирования из-за падения напряжения на ненулевых сопротивлениях баз и эмиттеров транзисторов; асимметрией верхней и нижней половин ядра; и нелинейностью входного преобразователя напряжения в ток.
Основной способ нейтрализации первых двух явлений — увеличение геометрических размеров транзисторов ядра. Чем больше площадь эмиттерного перехода, тем меньше его сопротивление (в серийных ИС оно не превышает 1 Ом), и тем меньше влияние технологического разброса при фотолитографии. Рассогласование параметров транзисторов, обусловленное разницей их температур, предотвращается оптимальным размещением на кристалле. Рассогласование параметров транзисторов, обусловленное технологическими различиями pnp- и npn-структур, на практике нейтрализуется балансировкой (симметрированием) верхнего и нижнего зеркал. Для этого в цепь базы одного из выходных транзисторов вводится внешний постоянный ток, смещающий напряжение на базе на величину порядка нескольких десятков или сотен мкВ. В идеале, это дополнительное напряжение смещения должно быть пропорционально абсолютной температуре. В интегральных схемах 1980-х годов для балансировки использовались внешние потенциометры, в 1990-е годы цепь смещения, пропорционального абсолютной температуре, стали размещать непосредственно на кристалле. Каждый кристалл балансируется индивидуальной лазерной подгонкой, но при последующем корпусировании настройка неизбежно сбивается. Готовые микросхемы сортируются по ценовым группам в зависимости от степени разбалансировки, которая в свою очередь определяет коэффициент нелинейных искажений конкретного экземпляра.
Шум
Основной составляющей собственного шума ячейки Блэкмера является дробовой шум транзисторов ядра. Понятие отношения сигнал-шум к ячейке Блэкмера не вполне применимо, так как помимо шума покоя (выходного шумового тока в отсутствие модулируемого сигнала), ячейка генерирует пульсирующие, промодулированные входным сигналом шумы, связанные с мгновенным значением входного сигнала нелинейной зависимостью. Эти пульсирующие шумы содержат как дробовой шум, так и тепловые шумы транзисторов, и шумы источника управляющего напряжения. Чем ниже шум покоя, тем заметнее эти пульсации, по крайней мере, при инструментальных измерениях; вопрос о заметности пульсаций шума на слух однозначного ответа не имеет. Пульсации дробового и теплового шума устранить невозможно, но их заметность можно снизить намеренным увеличением шума покоя.
Уровень дробового шума транзистора пропорционален квадратному корню мгновенного значения его эмиттерного тока, поэтому для уменьшения шума покоя следует сместить ячейку в режим АВ и установить минимально возможное значение тока покоя. Для уменьшения нелинейных искажений, особенно на высоких частотах, напротив, следует сместить ячейку в режим А, что неизбежно увеличивает мощность шума. Например, в интегральных разработках THAT Corporation 1990-х годов изменение тока покоя ядра с 20 мкА (режим АВ) до 750 мкА (режим А) приводило к росту шума покоя на 17 дБ. Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки, единственно верного решения не существует.
Ячейка Блэкмера чрезвычайно чувствительна к шумам и прочим помехам, поступающим извне на управляющий вход: эти помехи, наложенные на управляющий сигнал, непосредственно модулируют выходной ток. При относительно большом размахе модулируемого сигнала внешняя помеха преобладает над всеми собственными источниками шума; для этого достаточно, чтобы спектральная плотность помехи на управляющем входе составляла несколько нВ/Гц. Такую, или бо́льшую, плотность шума напряжения, приведённую ко входу, имеет абсолютное большинство ОУ широкого применения. Очевидный, но всегда соблюдавшийся на практике способ минимизации таких помех — тщательное проектирование управляющей цепи. Шумы и помехи в этой цепи следует искоренять столь же последовательно, как и шумы основного звукового канала.
Усовершенствованные варианты
Восьмитранзисторное ядро
Альтернативный балансировке способ симметрирования верхнего (pnp) и нижнего (npn) предложил . В ячейке Баффа последовательно с каждым из четырёх транзисторов ядра Блэкмера включен дополнительный транзистор противоположного типа проводимости в диодном включении. В каждом из четырёх плеч ядра работает пара комплементарных транзисторов, что заметно снижает «врождённую» асимметрию блэкмеровской схемы. Крутизна управления восьмитранзисторной ячейки (6 мВ/дБ или 0,17 дБ/мВ) вдвое ниже, чем у базовой схемы. Схема Баффа была реализована в полупроводниковых ИС EGC-101 и TA-101, выпускавшихся компаниями Allison Research и Valley People с 1980 года.
Второе полезное свойство введённых Баффом диодов — стабилизация петли обратной связи, охватывающей входные транзисторы ядра. В обычном, четырёхтранзисторном, ядре петлевое усиление изменяется в столь широком диапазоне, что устойчивая работа входного ОУ возможна лишь в режиме AB. Диоды (транзисторы в диодном включении) служат своего рода балластом, который снижает петлевое усиление входного контура до значений, при которых для надёжной стабилизации входного ОУ в наиболее сложном режиме А достаточно единственной корректирующей ёмкости малого номинала.
Коррекция ошибки логарифмирования
Теоретическая экспоненциальная зависимость тока через прямо смещённый эмиттерный переход от напряжения на нём на практике нарушается из-за падения напряжения на активных сопротивлениях базы и эмиттера (активным сопротивлением коллектора на практике можно пренебречь). При нулевом управляющем напряжении, если эффективные сопротивления всех четырёх эмиттеров ядра совпадают, ошибки логарифмирования входных и выходных транзисторов взаимно компенсируются. В любой иной точке нескомпенсированная ошибка логарифмирования порождает зависимость коэффициента передачи тока от его амплитуды, и как следствие, неблагозвучные нечётные гармоники в выходном сигнале.