Цифровые устройства, построенные с использованием аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования все больше используюься в аудио технике и практически стали стандартом. Их использование дает больше возможностей по управлению и преобразованию звука, они дешевы и надежны. Но, я хочу рассказать о «гибриде», который можно поставить между аналогом и цифрой. Эта технология называется Bucket Brigade Device (BBD) — на русский язык ее можно перевести как «пожарная цепочка» (по аналогии с людьми, которые тушат пожар и передают друг другу по цепочке ведра с водой).
Данная технология появилась в головах братьев Филипс, как принцип зхадержки, построенный на переключаемых конденсаторах.
Упрощенно этот принцип будет выглядеть так:
цепочка BBD с переключаемыми конденсаторами
По сути схема выше относится к дискретно-аналоговым устройствам, сигнал в нем дискретизируется по времени, но не квантуется по амплитуде, как это происходит в цифровой технике. U1 в этой схеме будет непрерывным аналоговым сигналом. В начальный момент времени ключ S1 будет разомкнут, в S2 соответсвенно замкнут. Конденсаторы C1 и C2 у нас разряжены. Теперь мы изменим состояние ключей на обратное (S1 — замкнут, S2 — разомкнут), конденсатор C1 начинает заряжаться до среднего значения для U1 за время, пока S1 замкнут. В следующий момент времени состояние ключей опять меняется на обратное и заряд C1 перетекает на конденсатор C2. Далее весь цикл повторяется. В итоге мы получаем, через определенный промежуток времени (время периода переключения) , на выходе устройства тот же потенциал, что был на входе.
Нужно учесть то, что сигнал является дискретным (разделенным) по времени и потому, по теореме Котельниква, частота переключений должна быть выше в два раза максимальной частоты сигнала. Также ключи S1,S2 ни при каких условиях не могут быть замкнуты одновременно. По нашей схеме два конденсатора не обеспечат задержку сигнала на значительное время. Вот тут и появляются «пожарные цепочки», состоящие из конденсаторов, ёмкость которых увеличена пропорционально (т.е например 256, 512, 1024…). В качестве ключей, замыкающих-размыкающих, наши контакты мы используем полевые транзисторы. Схема подобного устройства приведена на рисунке ниже. VT1, VT3, VT5 — это ключи (транзисторы — переключатели), а VT2, VT4 — усилители нашего сигнала.
схема цепи BBD
Расчёт задержки в такой цепи можно сделать по формуле: T = N/f , где:
T — время задержки;
N — количество пар конденсаторов;
f — частота переключения;
Большинство BBD устройств выпускатся в корпусе, в котором уже есть двухфазный генератор, который создает неперекрывающиеся множественные (ортогональные) последовательности импульсов (ортогональные разложения Котельникова), представлены на рисунке ниже:
форма импульсов тактового генератора для управления BBD
Если рассматривать эту технологию на практике, то это микросхема MN3012 фирмы Panasonic. Она содержит линии задержки по 3,5,190 ступеням BBD и тактового генератора. Микросхема MN3012 обеспечивает задержку 0,475 до 10 мс при максимальных верхних частотах входного сигнала от 100 кГц до 5 кГц. Динамический диапазон при этом будет составлять 98 дБ, нелинейные искажения 0.4%. Тактовый генератор, который встроен в микросхему, позволяет менять тактовую частоту в широких пределах (от 10 до 200 кГц), изменяя сопротивление внешнего резистора (СР1-Ср2).
структура микросхемы MN3012
Устройство BBD формируя линию задержки и подключенное различными способами, позволяет получить большой спектр глубоких, контрастных звуковых эффектов. Самая распространенная схема — это преобразователь моносигнала в стерео или устройства задержки (например хорус). Если на входе монофонический сигнал, то устройство работает следующим образом: сигнал, смешанный со своей задержанной по времени копией поступает в правый канал, а в левый канал поступает исходный сигнал, с инвертированной задержанной копией. В обоих каналах задержка осуществляется на 190 ступени BBD. Этот пример позволяет достичь пространственного звучания монофонического сигнала. Если на вход мы подадим уже стерео сигнал, то осуществляется задержка правого канала на пятой ступени BBD, тем самым расширяя звучание стерео сигнала. Необходимо понить, что верхняя граница частоты входного сигнала не должна быть больше половины частоты тактового генератора, а выходной сигнал BBD будет содержать избыточные высокочастотные составляющие, являющиеся следствием тайм дискретизации. Поэтому на входе и на выходе линии задержки необходимо устанавливать соответсвующие фильтры, которые будут срезать эти избыточные частоты.
общая схема устройства на MN3012
Ещё один вариант применения этого принципа — звуковой ревербератор (естественный пространственный звук). В природе это звук, который многократно отражается от стен. В подобных устройствах уже используется обратная связь с выхода на вход. Исходный задержанный сигнал приходит на вход с ослабленной амплитудой и снова задерживается с понижением амплитуды до того момента. как полностью не затеряется в шумах. Нужно скзать, что на микросхемах BBD созданы многие эффекты для гитаристов, эксперты говорят, что звучание этих устройств более теплое, чем у цифровых процессоровс преобразованием АЦП-ЦАП.
Устройства на BBD имеют низкую стоимость, высокую надежность и простоту реализации. К недостаткам можно отнести низкое соотношение сигнал/шум. В России примерами микросхем с технологией BBD могут, например служить микросхемы серии КР1016БР1. Микросхема представляет собой дискретно-аналоговую линию задержки с шестью промежуточными выводами, обеспечивающими задержку на 196, 331, 597, 863, 1395, 1664 периода тактовой частоты и предназначены для обработки сигналов в звукозаписывающей аппаратуре и электромузыкальных инструментах для создания звуковых эффектов и улучшения качества звучания. Содержит встроенный генератор тактовых сигналов, чем отличается от зарубежного аналога. Содержит 10000 интегральных элементов. Корпус типа 2120.24-3, масса не более 6 г.
корпус КР1016БР1
Условное графическое обозначение КР1016БР1
1 — выход 3 (597Tc);
2 — выход 2 (331Tc);
3 — выход 1 (198Tc);
4,5,8,9,15…17,19…21 — свободные;
6 — напряжение смещения;
7 — напряжение экрана;
10 — напряжение питания Uп1;
11 — вход;
12 — общий;
13 — вход генератора;
14 — выход генератора;
18 — напряжение питания Uп2;
22 — выход 6 (1664Tc);
23 — выход 5 (1395Tc);
24 — выход 4 (863Tc)
схема включения КР1016БР1
| 1 | Номинальное напряжение питания Uп1 Uп2 |
9 В  10 %15 В 10 % |
| 2 | Выходное напряжение низкого уровня тактового генератора | не более 0,4 В |
| 3 | Выходное напряжение высокого уровня тактового генератора | не менее 1,3 В |
| 4 | Ток потребления от источника питания Uп1 от источника питания Uп2 |
не более 3,5 мА не более 1,5 мА |
| 5 | Потребляемая мощность | не более 40 мВт |
| 6 | Коэффициент ослабления на верхней граничной частоте | не менее 0,4 |
| 7 | Коэффициент усиления напряжения при fc=40кГц при fc=10кГц при fc=100кГц |
0,8…1,2 0,5…1,2 0,8…1,2 |
| 8 | Коэффициент гармоник | не более 2,5% |
| 9 | Приведенное ко входу напряжение шумов | не более 1500 мкВ |
| 10 | Динамический диапазон | не менее 62 дБ |
| 11 | Время задержки | 1,98…166,4 мс |
| 1 | Напряжение питания Uп1 Uп2 |
8,1…9,9 В 13,5…16,5 В |
| 2 | Максимальное входное напряжение | 1 В |
| 3 | Входное напряжение низкого уровня тактового генератора | -0,1…+0,4 В |
| 4 | Входное напряжение высокого уровня тактового генератора | 1,3…Uп В |
| 5 | Частота следования импульсов тактовых сигналов | 10…100 кГц |
| 6 | Минимальное сопротивление нагрузки | 100 кОм |
| 7 | Максимальная емкость нагрузки | 250 пФ |
| 8 | Температура окружающей среды | -10…+70 ° C |
Аналогом КР1016БР1 является зарубежная MN3011.
