La celda de ganancia de Blackmer es un circuito amplificador controlado por voltaje (VCA) de frecuencia de audio con una ley de control exponencial . Fue inventado y patentado por David E. Blackmer entre 1970 y 1973. El núcleo de cuatro transistores de la celda Blackmer original contiene dos espejos de corriente bipolares complementarios que realizan operaciones log-antilogarítmicas en voltajes de entrada de manera alternada en contrafase. Los moduladores log-antilogarítmicos anteriores que usaban la característica exponencial fundamental de una unión p–n eran unipolares; la aplicación de Blackmer del procesamiento de señales en contrafase permitió la modulación de voltajes bipolares y corrientes bidireccionales.
La celda Blackmer, que se fabrica desde 1973, es el primer circuito VCA de precisión apto para audio profesional . Ya en la década de 1970, las celdas Blackmer de producción alcanzaron Rango de control de 110 dB con distorsión armónica total de no más del 0,01 % y muy alto cumplimiento de la ley de control exponencial ideal. El circuito se utilizó en consolas de mezcla controladas a distancia, compresores de señal, amplificadores de micrófono y sistemas de reducción de ruido dbx . En el siglo XXI, la celda Blackmer, junto con el elemento controlado por voltaje operacional (OVCE) de Douglas Frey, sigue siendo una de las dos topologías de VCA integradas que todavía se utilizan ampliamente en equipos de estudio y escenario. [1]
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En la década de 1960, los estudios de grabación estadounidenses adoptaron la grabación multipista . Las pistas estrechas de las grabadoras multipista eran más ruidosas que las pistas anchas de sus predecesoras; mezclar muchas pistas estrechas degradaba aún más la relación señal-ruido de las cintas maestras . [2] La mezcla se convirtió en un proceso complejo que requería la operación sincronizada con precisión de numerosos controles y faders, que eran demasiado numerosos para operar manualmente. [2] Estos problemas de los primeros estudios multipista crearon una demanda de reducción de ruido de calidad profesional y automatización de la consola . [2] En el núcleo de ambas funciones estaba el amplificador controlado por voltaje (VCA). [2]
La primera topología de VCA de estado sólido era un atenuador en lugar de un amplificador ; empleaba un transistor de efecto de campo de unión en modo de resistencia controlada por voltaje . [3] Estos atenuadores, que eran de última generación a principios de la década de 1970, se utilizaron con éxito en sistemas de reducción de ruido profesionales Dolby A y Dolby B de consumo , pero no satisfacían todas las demandas de los ingenieros de mezcla . [3] En 1968, Barrie Gilbert inventó la celda Gilbert que fue rápidamente adoptada por los diseñadores de radio y computadoras analógicas , pero carecía de la precisión requerida para el equipo de estudio. [2] Entre 1970 y 1973, David E. Blackmer inventó y patentó la celda log-antilog multiplicadora de cuatro transistores , dirigida al audio profesional. [2] 1989b
La celda Blackmer era más precisa y tenía un rango dinámico mayor que las topologías VCA anteriores, pero requería transistores complementarios bien emparejados de ambos tipos de polaridad que aún no se podían implementar en un circuito integrado (CI) de silicio. [2] La tecnología de aislamiento de unión contemporánea ofrecía transistores pnp de bajo rendimiento, por lo que los diseñadores de circuitos integrados tuvieron que usar solo transistores npn. [4] Los circuitos Gilbert y Dolby se integraron fácilmente en silicio [5] [1] pero la celda Blackmer tuvo que ensamblarse a partir de transistores discretos, seleccionados con mucho tedio y emparejados con precisión. [2] [4] Para garantizar el funcionamiento isotérmico, estos transistores de lata de metal se mantuvieron firmemente unidos con un bloque cerámico conductor térmico y se aislaron del entorno con una lata de acero. Los primeros circuitos integrados híbridos de este tipo, el dbx202 de "lata negra", fueron fabricados por la empresa de Blackmer en 1973. Cinco años después, Blackmer lanzó el CI híbrido de "lata dorada" dbx202C mejorado; La distorsión armónica total disminuyó del 0,03% al 0,01% y el rango de control de ganancia aumentó de110 dB a116 dB . [6] En 1980, Blackmer lanzó una versión diseñada por Bob Adams , el dbx2001. [7] A diferencia de las celdas Blackmer anteriores que operaban en clase AB , el dbx2001 operaba en clase A. La distorsión se redujo a menos del 0,001%, pero el ruido y el rango dinámico del dbx2001 eran inferiores a los de los circuitos de clase AB. [6] Esta primera generación de VCA de Blackmer tuvo una vida útil muy larga; a partir de 2002, las consolas analógicas construidas alrededor de las "latas" dbx202 originales todavía se usaban en estudios de grabación profesionales. [8]
En 1980, los circuitos integrados bipolares complementarios se hicieron posibles y Allison Research lanzó el primer circuito integrado monolítico de celda de ganancia Blackmer. El ECG-101, diseñado por Paul Buff, contenía solo el núcleo de una celda Blackmer modificada (un conjunto de ocho transistores emparejados) y estaba destinado a una operación de clase A pura. [9] [7] Tenía una firma sónica única que casi no tenía armónicos indeseables de orden impar y era más fácil de estabilizar que la celda Blackmer original. [9] En 1981, dbx, Inc. lanzó su propio circuito integrado monolítico, el dbx2150/2151/2155, que fue diseñado por Dave Welland, el futuro cofundador de Silicon Labs . [6] [7] Las tres designaciones numéricas denotaban tres grados del mismo chip; 2151 era el mejor, 2155 el peor; el 2150 de gama media era la versión más utilizada. [6] El encapsulado de ocho pines en línea (SIP8) aseguró un buen aislamiento entre entradas y salidas, y se convirtió en el estándar de la industria que se utilizó en los circuitos integrados dbx2100, THAT2150 y THAT2181 posteriores. Estos circuitos, al igual que los circuitos integrados híbridos dbx originales, eran un producto de nicho de pequeño volumen que se utilizaba exclusivamente en audio analógico profesional. [8] Las aplicaciones típicas incluyen consolas de mezcla , compresores , puertas de ruido , duckers , de-essers y filtros de estado variable . [10] El sistema de reducción de ruido dbx, que utilizaba la celda Blackmer, tuvo un éxito limitado en el mercado semiprofesional y fracasó en los mercados de consumo, perdiendo ante Dolby C. [ 11] El único mercado masivo donde dbx logró un uso sustancial fue el North American Multichannel Television Sound , que se introdujo en 1984 y funcionó hasta el final de la transmisión de televisión analógica en 2009. [12]
En el siglo XXI, THAT Corporation (descendiente directo de dbx, Inc. de Blackmers) fabrica circuitos integrados profesionales de Blackmer mediante tecnología de aislamiento dieléctrico. [4] En abril de 2020, la empresa ofrecía un circuito integrado Blackmer de canal doble y dos de canal único, y cuatro circuitos integrados de "motor analógico" que contienen celdas Blackmer controladas por detectores RMS de Blackmer . [13]
La celda Blackmer es un descendiente directo de un circuito log-antilog de dos transistores, que a su vez es un derivado del espejo de corriente simple . Normalmente, las bases de dos transistores de un espejo están unidas para garantizar que la corriente de colector I 2 del transistor de salida T2 refleje exactamente la corriente de colector I 1 del transistor de entrada T1. La tensión de polarización positiva o negativa adicional V Y aplicada entre las bases de T1 y T2 convierte el espejo en un amplificador o atenuador de corriente [14] . El factor de escala o ganancia de corriente sigue la fórmula exponencial de Shockley : [15]
donde el voltaje térmico , proporcional a la temperatura absoluta , e igual a25,852 mV a300 K . [17]
La tensión de control V Y suele estar referenciada a tierra , ya sea con un terminal conectado a tierra o con ambos terminales accionados diferencialmente con una tensión de modo común de cero voltios. Esto requiere reducir el potencial del emisor por debajo de tierra, normalmente con un amplificador operacional A1 que también convierte la tensión de entrada V X en corriente de entrada I 1 (la denominada configuración de transdiodo ). Un segundo amplificador operacional A2 convierte la corriente de salida I 2 en tensión de salida V XY . [18] [14]
En matemáticas, la función logarítmica se define solo para argumentos positivos . Un circuito log-antilog construido con transistores NPN solo aceptará voltaje de entrada positivo V X o solo negativo V X en el caso de transistores PNP. [19] [14] Esto es inaceptable en aplicaciones de audio, que tienen que manejar señales de corriente alterna (CA). [5] Agregar una compensación de corriente continua (CC) a las señales de audio, como lo propuso Embley en 1970, [6] funcionará con una configuración de ganancia fija, pero cualquier cambio en la ganancia modulará la compensación de CC de salida. [5]
El circuito Blackmer consta de dos VCA log-antilog complementarios. [20] Su núcleo de cuatro transistores (la celda Blackmer propiamente dicha) combina dos espejos de corriente complementarios que están conectados uno detrás del otro y funcionan en modo push-pull . [21] El espejo tipo NPN inferior (T1, T2) absorbe la corriente de entrada I 1 ; el espejo tipo PNP superior (T3, T4) genera la corriente de entrada I 1 en la dirección opuesta. [4] Un multiplicador V BE acoplado térmicamente al núcleo mantiene alrededor de 1,5 V (2 V BE ) a través de sus terminales de suministro de energía y regula su corriente inactiva (2 mA o menos en circuitos integrados monolíticos de producción [13] ). El voltaje de señal se aplica a los terminales V X y el voltaje de control a los terminales V Y. Los amplificadores operacionales A1 y A2 realizan las mismas funciones de conversión de voltaje a corriente y corriente a voltaje que sus contrapartes en un circuito logarítmico-antilogarítmico unipolar [20] y mantienen el potencial de tierra virtual en los nodos de entrada y salida del núcleo. Los valores de las resistencias de retroalimentación generalmente se establecen en10 kOhmios (100 kOhm en los primeros circuitos integrados híbridos); [22] deben ser iguales para garantizar una ganancia unitaria con un voltaje de control cero. [23] Los potenciales de todos los nodos del núcleo excepto V y son casi independientes de las señales de entrada, lo que es común a todos los circuitos en modo de corriente, que procesan corrientes de señal en lugar de voltajes.
Cuando el voltaje de control V Y = 0, el núcleo funciona como un seguidor de corriente bidireccional, replicando la corriente de entrada I 1 a la corriente de salida I 2 . En núcleos polarizados a la clase A pura, ambos espejos contribuyen con sus partes de I 2 simultáneamente; en núcleos polarizados a la clase AB, esto solo es cierto para valores muy pequeños de V X e I 1 . A un V X más alto, uno de los espejos de un núcleo de clase AB se apaga y toda la corriente de salida I 2 se absorbe o se alimenta con el otro espejo, que está activo. Con V Y positivo (negativo) , la corriente a través del espejo activo o ambos espejos en la clase A aumenta (disminuye) exponencialmente, exactamente como lo hace en un circuito log-antilog de un solo cuadrante:
En300 K , la pendiente de la ley de control exponencial es igual a0,33 dB/mV (o3,0 mV/dB ) para valores negativos o positivos de V X . En la práctica, la pendiente es inconvenientemente pronunciada y el núcleo suele estar desacoplado de los voltajes de control del mundo real con un atenuador activo. Este atenuador, o cualquier otra fuente de V Y , debe tener un ruido muy bajo y una impedancia de salida muy baja , lo que solo se puede lograr en circuitos basados en amplificadores operacionales. Un controlador V Y de un solo extremo es casi tan bueno como un controlador balanceado simétrico ; tener dos terminales V Y permite el control de la celda mediante dos voltajes independientes de un solo extremo. [4]
La ganancia de la celda Blackmer tiene una relación inversa con la temperatura: cuanto más caliente esté el CI, menor será la pendiente de la ley de control exponencial. Por ejemplo, V Y =+70 mV a300 K se traduce en una ganancia de 10 veces o+20 dB . A medida que la temperatura de la matriz aumenta a310 K , ganancia en V Y =+70 mV disminuye en0,66 dB a+19,3 dB ; a temperatura máxima de funcionamiento de343 mil (70 °C ) desciende a+17,2 dB . En la práctica, esta deficiencia se supera fácilmente utilizando una escala de control proporcional a la temperatura absoluta (PTAT). En los sistemas de reducción de ruido de dbx y el motor analógico de THAT Corp, esto está garantizado por la física del detector RMS de Blackmer , que es PTAT por diseño. En las antiguas consolas de mezcla , se lograba el mismo efecto utilizando termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) . [24]
Los desajustes entre los transistores PNP y NPN de una celda Blackmer básica se equilibran normalmente con un ajuste. Alternativamente, los transistores se pueden equilibrar por diseño mediante la inclusión de transistores de tipo opuesto conectados por diodos en cada pata del núcleo. Cada una de las cuatro patas del núcleo modificado contiene un transistor de tipo NPN y uno de tipo PNP; aunque siguen siendo funcionalmente asimétricos, el grado de asimetría se reduce considerablemente. La pendiente de la ley de control exponencial es exactamente la mitad de la de la celda de cuatro transistores. Esta mejora fue inventada por el ingeniero de grabación Paul Conrad Buff y fabricada desde 1980 como el IC monolítico ECG-101 por Allison Research y el idéntico TA-101 por Valley People. [25] [26]
Las resistencias parásitas de base y emisor distorsionan las características de corriente-voltaje de los transistores del mundo real, introduciendo un error de logaritmo y distorsionando la señal de salida. Para mejorar la precisión más allá de lo que se podía lograr mediante el uso de transistores de núcleo de gran tamaño, Blackmer sugirió usar su núcleo de ocho transistores con bucles de retroalimentación locales intercalados . El circuito, que se produjo por primera vez como híbrido dbx202C en 1978 y como circuitos integrados monolíticos 2150/2151/2155 en 1981, minimiza la distorsión de error de registro cuando el valor de cada resistencia de retroalimentación es igual a la suma de las resistencias de emisor equivalentes en transistores NPN y PNP. Un modelo simple predice que este enfoque neutraliza todas las fuentes de error de logaritmo, pero en realidad, la retroalimentación no puede compensar los efectos de hacinamiento de corriente , que solo se pueden reducir aumentando el tamaño de los transistores. Los núcleos de los circuitos integrados monolíticos de Blackmer son tan grandes que los valores de resistencia de retroalimentación efectiva son inferiores a un ohmio. [27] [25]
Los núcleos Blackmer, al ser dispositivos de entrada y salida de corriente, se pueden conectar fácilmente en paralelo . [28] El cableado de núcleos idénticos en paralelo aumenta las corrientes de entrada y salida proporcionalmente al número de núcleos, sin embargo, la corriente de ruido aumenta solo como la raíz cuadrada del mismo número. La conexión en paralelo de cuatro núcleos, por ejemplo, aumenta la corriente de señal cuatro veces y aumenta la corriente de ruido dos veces, mejorando la relación señal/ruido en 6 dB. El primer circuito de producción de este tipo, el híbrido dbx202x, contenía ocho núcleos paralelos compuestos de transistores discretos; el híbrido THAT2002 contenía cuatro chips THAT2181 monolíticos. [29] [30]
El diseño de un circuito integrado de celda Blackmer es un compromiso que favorece una combinación específica de distorsión, ruido y rango dinámico de ajustes de ganancia. Estas propiedades son fundamentales para la aplicación de audio profesional y están interrelacionadas y no se pueden perfeccionar simultáneamente. La elección de la simplicidad del circuito (recorte integrado a nivel de oblea) o la distorsión más baja (recorte externo en el circuito) también se fija a nivel de chip. [16] [6]
La distorsión de un núcleo Blackmer de clase AB tiene tres fuentes principales:
Las dos primeras fuentes están contenidas dentro del núcleo y definen patrones de distorsión a bajas frecuencias. Ambas se suprimen aumentando el tamaño de los transistores, aunque la neutralización efectiva del error logarítmico solo es posible en núcleos mejorados de ocho transistores. [31] Los transistores grandes tienen resistencias parásitas menores y son menos sensibles a los inevitables desajustes de área aleatorios. [31] Los desajustes temporales causados por gradientes térmicos se evitan colocando cuidadosamente los transistores del núcleo y los componentes circundantes en el CI. [32] El desajuste residual de los espejos PNP y NPN se compensa con el ajuste , generalmente inyectando una corriente muy pequeña en uno de los dos transistores de salida del núcleo. [33] Esto crea un voltaje de polarización pequeño y asimétrico de unos pocos milivoltios o menos, que idealmente debería ser proporcional a la temperatura absoluta. [33] En los CI monolíticos, esto se garantiza utilizando una fuente PTAT acoplada térmicamente de corriente de polarización. [33] El ajuste a nivel de oblea sufre cambios aleatorios durante el empaquetado posterior de la matriz ; Los circuitos integrados recortados en obleas tienen una THD nominal máxima de 0,01 % (mejor grado) a 0,05 % (peor grado) con una entrada RMS de 1 V. [34] Reducciones adicionales a 0,001 % de THD requieren un ajuste fino en el circuito, [35] que normalmente se realiza una vez utilizando un analizador de THD de precisión y no necesita ajustes adicionales. [30]
El amplificador de salida A2 opera con una ganancia fija de bucle cerrado, impulsa una carga benigna de impedancia constante y no degrada la distorsión. [35] El amplificador de entrada A1 impulsa un bucle de retroalimentación no lineal envuelto alrededor del núcleo y debe permanecer estable en cualquier combinación posible de V X y V Y . [35] Para evitar la distorsión de cruce , A1 debe tener un ancho de banda muy alto y una velocidad de respuesta rápida [9] pero en frecuencias de audio agudas , su no linealidad se convierte en el factor dominante de distorsión a medida que disminuye la ganancia de bucle abierto de A1. [35] Este tipo de distorsión es común en los amplificadores operacionales con salida de voltaje; en los circuitos integrados de producción, se anula efectivamente reemplazando el amplificador de salida de voltaje con un amplificador de transconductancia de salida de corriente . [35] [4]
La estimación y medición de la relación señal-ruido es difícil y ambigua debido a la relación compleja y no lineal entre corrientes, voltajes y ruido. Con señales de entrada cero o muy pequeñas, el núcleo tiene un nivel de ruido muy bajo . Con señales de entrada altas, este ruido residual se ve inundado por un ruido de modulación mucho mayor que contiene productos de ruido de disparo , ruido térmico de los transistores del núcleo y ruidos externos que se inyectan en los terminales V Y. [36] Las señales de entrada más altas causan una mayor modulación: "el ruido sigue a la señal", de manera no lineal. [9]
En configuraciones de ganancia o atenuación moderadas, el ruido del núcleo (asumiendo que los circuitos circundantes están libres de ruido) está determinado por el ruido de disparo de la corriente del colector, que es proporcional a la raíz cuadrada de la corriente del emisor. [37] Por lo tanto, el ruido más bajo se logra en núcleos de clase AB con corrientes de reposo muy pequeñas. Los diseños para la distorsión más baja requieren un funcionamiento de clase A pura a costa de un mayor ruido. Por ejemplo, en los circuitos integrados de THAT Corp, el aumento de la corriente de reposo de 20 μA (clase AB) a 750 μA (clase A) provoca un aumento del nivel de ruido de fondo sin señal de 17 dB; [38] en las "latas" híbridas de dbx, Inc. la diferencia era de 10 o 16 dB. [6] En la práctica, no existe un compromiso perfecto; la elección de clase AB de bajo ruido o clase A de baja distorsión depende de la aplicación. [39]
El ruido de los amplificadores operacionales A1 y A2 solo es importante en configuraciones de ganancia muy baja o muy alta. En los circuitos integrados de clase AB de THAT Corporation, el ruido de A2 se vuelve dominante en la ganancia de−30 dB o menos, el ruido de A2 se vuelve dominante en ganancias de+20 dB o más. A niveles de salida altos, la firma de ruido está dominada por ruidos inyectados a través de terminales de control, incluso cuando se ha tomado el cuidado adecuado para suprimir sus fuentes. [36]
Las celdas Blackmer son particularmente sensibles a las interferencias en los terminales de control. Cualquier señal que llegue al puerto V Y , ya sea un voltaje de control útil o un ruido no deseado, modula directamente la señal de salida a una velocidad de0,33 dB/mV para una celda de cuatro transistores o0,17 dB/mV para una celda de ocho transistores.Un ruido aleatorio de 1 mV produce una modulación del 4% o del 2%, degradando la relación señal-ruido a valores absolutamente inaceptables. [40] La contaminación de V Y con la señal de entrada V X no causa ruido, sino una distorsión armónica inaceptablemente alta. [30]
Los circuitos que controlan los terminales V Y deben diseñarse tan minuciosamente como las rutas de audio de nivel profesional. En la práctica, los terminales V Y suelen estar interconectados a señales de control externas con amplificadores operacionales de bajo ruido directamente, lo que garantiza la menor impedancia de salida posible; [30] Los amplificadores de bajo costo como el NE5532 son una alternativa inferior pero aceptable a los modelos más silenciosos pero más caros. [41] Los amplificadores de esta clase se caracterizan por una densidad de ruido de audiofrecuencia de unos pocos nV/ Hz que, aunque baja, inundará otras fuentes de ruido a niveles de señal altos. [42]
En los núcleos de clase AB, la supresión de estado fuera de estado de la señal de entrada, que marca el extremo más bajo de la escala de control, alcanza110 dB a 1 kHz, pero se deteriora a frecuencias de audio más altas debido a capacitancias parásitas . Los paquetes de CI de una sola línea, que de otro modo serían obsoletos, funcionan bien en este sentido debido a la distancia relativamente larga entre los pines de entrada y salida. Se debe tener cuidado para evitar el acoplamiento capacitivo de la entrada V X a la entrada no inversora A1. [30] En los núcleos de clase A, la escala de control es inevitablemente más estrecha debido al mayor nivel de ruido residual. [43]
En los núcleos de clase AB, a bajas frecuencias, la alimentación directa de la tensión de control V Y a la señal de salida tiene dos fuentes principales: desajustes en los transistores del núcleo que se reducen al aumentar el tamaño de los transistores, y la alimentación directa de la corriente de polarización de entrada. Cualquier componente de CC de V X y la tensión de compensación de entrada del amplificador A1 inyectan componentes de CC en la corriente de entrada I 1 , que se replican en la salida y se modulan por el núcleo junto con la señal de entrada de CA. Estas fuentes de alimentación directa se pueden neutralizar con acoplamiento capacitivo, dejando un componente de CC no deseado, la corriente de polarización de entrada de A1. Esta corriente se puede reducir a unos pocos nanoamperios con etapas de entrada con cancelación de polarización. A altas frecuencias, V Y se acopla al nodo de salida directamente a través de las capacitancias de colector-base de los transistores del núcleo. El control diferencial de V Y no elimina el problema debido a las diferentes capacitancias de los transistores PNP y NPN. [40] La alimentación residual de V Y se puede anular mediante la inyección de avance de V Y invertida en el nodo de salida a través de un capacitor de pequeño valor, restaurando la simetría capacitiva del núcleo. [40]
Los núcleos de clase A, en general, son más propensos a la transmisión de voltaje de control debido a los gradientes térmicos en el núcleo (en la clase AB, los mismos gradientes se manifiestan como distorsión). Los primeros circuitos integrados de clase A utilizados como puertas silenciadoras producían "golpes" audibles de baja frecuencia, pero las mejoras posteriores en los circuitos integrados de producción redujeron significativamente la transmisión indeseable. [43]
