Componenten: emmertjesgeheugens (BBD's)

(gepubliceerd op 02-02-2020)

Zij zouden eigenlijk uitgestorven moeten zijn, deze relieken uit een ver analoog verleden. De grote IC-fabrikanten maken deze IC's immers al lang niet meer. Maar dank zij twee kleine bedrijfjes kunt u deze analoge IC's nog steeds gebruiken bij uw experimenten met analoge audio-effect schakelingen.

Werking en principes van emmertjesgeheugens


Wat zijn emmertjesgeheugens?
Kort beschreven zijn emmertjesgeheugens of 'bucket brigade delay's' (BBD), zoals zij in het Engels worden genoemd, IC's die analoge audiosignalen kunnen vertragen. Nu moet u bij het woord vertragen niet meteen denken aan seconden, maar eerder aan tientallen of maximaal honderd milliseconde. Tóch kunt u met dergelijke kleine vertragingen allerlei zeer interessante geluidseffecten genereren. Diverse generaties gitaristen hebben hun specifieke sound ontwikkeld dank zij de effectpedalen van hun elektronische gitaren. In deze pedalen zaten (en zitten nog steeds) emmertjesgeheugens die zorgen voor nagalm-, chorus-, phasing- en vibrato-effecten. Het feit dat zo'n pedaal met een ouderwets emmertjesgeheugen werkt wordt tegenwoordig zelfs als reclamekreet gebruikt voor het aanprijzen van de (vaak dure) producten.

Emmertjesgeheugens-01 (© www.bax-shop.nl)
Een Foxgear effectpedaal dat nog werkt met BBD's. (© www.bax-shop.nl)
De ontwikkeling van het bucket brigade principe
Zoals veel elektronische principes werd ook dit principe ontwikkeld in het Philips-lab en wel in 1969 door F. Sangster en K. Teer. Philips bracht een aantal zeer bekende BBD's op de markt, zoals de TDA1022. Het principe werd snel gekopieerd door andere IC-fabrikanten. Panasonic en Matsushita zetten rond 1980 een beroemde reeks emmertjesgeheugens op de markt met als codering MN3xxx en Reticon volgde met als codering SADxxxx.
Deze IC's worden niet meer gemaakt, sommige typen zijn echter nog wel te koop via eBay en AliExpress. Het Chinese bedrijf Xvive heeft in 2009 de productie van sommige leden uit de MN-familie weer opgepakt, onder andere voor gebruik in de eigen effectpedalen en deze IC's zijn nu weer courant leverbaar. Een ander bedrijf, Coolaudio, heeft onder de codering V32xx een reeks goedkope BBD's ontwikkeld die compatibel zijn met de MN-reeks.

Hoe werkt een emmertjesgeheugen?
Emmertjesgeheugens, officieel analoge vertragingslijnen genoemd, zijn schakelingen die tot de groep 'ladingstransport schakelingen' behoren. Bij dit soort schakelingen wordt de analoge ingangsspanning onder de vorm van elektrische ladingen opgeslagen in kleine condensatoren. Door met deze lading te manipuleren kunt u verschillende soorten signaalbewerkingen, zoals vertraging of filtering, uitvoeren. Nadien worden de ladingen weer omgezet in een analoge uitgangsspanning.
Bij emmertjesgeheugens worden deze technieken toegepast om analoge signalen in de tijd te vertragen. Een analoog signaal dat op een tijd t1 op de ingang wordt aangelegd zal op een tijd t1 + Δt aan de uitgang verschijnen. De vertragingstijd Δt is instelbaar en wordt bepaald door de frequentie van een kloksignaal.

Toepassingen voornamelijk in het audiobereik
Met emmertjesgeheugens kunt u geluidssignalen dus op een heel eenvoudige manier vertragen, waardoor u onder andere echo- en nagalmeffecten kunt produceren. Hoewel dergelijke schakelingen tegenwoordig volledig digitaal worden uitgewerkt zijn deze digitale schakelingen veel ingewikkelder. Het is bovendien niet per definitie zo dat de kwaliteit van de digitale schakelingen beter is dan deze van de veel eenvoudiger analoge schakelingen met emmertjesgeheugens.
Naast deze voor de hand liggende toepassingen kunt u met emmertjesgeheugens echter nog veel meer. Vaak kunt u zelfs een emmertjesgeheugen toepassen in de meest onvermoede schakelingen uit de analoge techniek.

Het algemeen principe van een emmertjesgeheugen
Het algemeen werkingsprincipe van een emmertjesgeheugen in geschetst in de onderstaande figuur. Een aantal even grote condensatoren C1 tot en met C5 staat geschakeld tussen de ingang van versterkers A met een zeer hoge ingangsimpedantie en de massa. Deze versterkers staan is serie, maar tussen iedere uitgang en ingang zijn elektronische schakelaars S1 tot en met S5 opgenomen. Deze elektronische schakelaars worden op de getekende manier verbonden met twee kloklijnen CP1 en CP2. Op deze lijnen worden twee blokvormige signalen aangesloten, die ten opzichte van elkaar geïnverteerd zijn. De elektronische schakelaars sluiten als hun kloksignaal 'H' is. Bij de eerste klokperiode zullen bijgevolg alle oneven schakelaars sluiten, bij de volgende periode alle even schakelaars.

Emmertjesgeheugens-02 (© 2020 Jos Verstraten)
De principiële werking van een emmertjesgeheugen. (© 2020 Jos Verstraten)
Eén versterker plus één schakelaar plus één condensator is een cel
De basis van een emmertjesgeheugen vormt dus de combinatie van één versterker, één schakelaar en één condensator. Later zal blijken dat de versterker en de schakelaar met slechts één MOSFET worden uitgevoerd. De combinatie van MOSFET plus condensator noemt men een 'cel' en het aantal cellen is de belangrijkste eigenschap van een emmertjesgeheugen. Hoe meer cellen een IC bevat, hoe langer immers de vertraging zal zijn die het IC aan het ingangssignaal aan te bieden heeft. In de praktijk zijn er BBD's ontwikkeld met 256, 512, 1.024, 1.539, 2.048, 3.328 en 4.096 cellen.


Een analoog signaal op de ingang
Wat gebeurt er als u op de ingang een analoog signaal aansluit? Dit wordt toegelicht aan de hand van de onderstaande figuur. Bij de eerste klokpuls gaat schakelaar S1 sluiten. De op dit moment aanwezige ingangsspanning wordt via de gesloten schakelaar doorgekoppeld naar de condensator C1, die oplaadt tot de momentane waarde van het signaal. De bufferversterker zal dit signaal overnemen, met als gevolg dat de spanning over de condensator C1 ook verschijnt op de uitgang van de versterker.
Bij de volgende periode van de klok opent schakelaar S1 en sluit schakelaar S2. Het ingangssignaal wordt losgekoppeld van de schakeling. Condensator C2 wordt nu echter opgeladen tot de uitgangsspanning van de eerste versterker of, met andere woorden, tot de spanning die bij de eerste klokpuls op condensator C1 stond. Bij de derde klokpuls opent schakelaar S2, maar gaan S1 en S3 sluiten. Het eerste signaalmonstertje wordt nu afgenomen van de uitgang van de tweede versterker en doorgekoppeld naar de derde condensator. Maar op hetzelfde moment zal, via de gesloten schakelaar S1, weer de momentane waarde van het ingangssignaal de condensator C1 opladen.
U kunt dus besluiten dat de signaalmonstertjes op het ritme van de klok van condensator naar condensator worden doorgeschoven.

Emmertjesgeheugens-03 (© 2020 Jos Verstraten)
De condensatoren gedragen zich als 'emmertjes in een keten' die op het ritme van
de klok hun lading doorgeven. (© 2020 Jos Verstraten)
Waar de naam 'bucket brigade' vandaan komt
De werking is te vergelijken met de manier waarop men vroeger branden bluste. Een lange rij hulpverleners gaven gevulde emmers aan elkaar door, in de hoop dat er op het laatst nog voldoende water in de emmers aanwezig was om althans een paar druppeltjes op de vlammen te gieten. Vandaar dat men dit soort schakelingen in het Engels 'bucket brigades' oftewel 'emmertjesbrigades' noemt.

De vertragingstijd
Het eerste monstertje staat na vijf klokpulsen op condensator C5. Het ingangssignaal wordt dus vertraagd door de schakeling geleid en wel met een vertragingstijd die afhankelijk is van het aantal condensatoren en van de frequentie van de klok. Hoe meer cellen er tussen de in- en de uitgang staan, hoe langer het zal duren alvorens een signaalmonstertje alle condensatoren heeft doorlopen. Hoe lager de klokfrequentie, hoe langer de monstertjes opgespaard blijven in één condensator en hoe langer het duurt alvorens alle cellen doorlopen zijn.
In het algemeen kunt u stellen dat als de keten is opgebouwd uit N cellen de momentane waarde van de ingangsspanning op tijdstip t1 op de uitgang verschijnt op tijdstip:
tn = t1 + [N • Δt]
Hierin staat Δt voor de breedte van de halve periode van het kloksignaal. De vertragingstijd kan worden berekend met de formule:
t = N / [2 • f]
Hierin is:
       - t: de vertragingstijd van het emmertjesgeheugen.
       - N: het aantal cellen van het emmertjesgeheugen.
       - f: de frequentie van het kloksignaal.

Grenzen aan de vertraging
Een groot nadeel van een emmertjesgeheugen is dat de maximale vertragingstijd beperkt is. Bij de doorgang van het signaal door het geheugen zal er steeds iets van het signaal verloren gaan. De condensatoren van de cellen zijn niet ideaal, maar zullen iets lekken. Die lekstroom heeft tot gevolg dat het signaal in iedere cel iets kleiner wordt. Als u tienduizenden cellen in serie schakelt, dan zult u in de laatste cel erg weinig van het oorspronkelijke signaal terug vinden!
In het algemeen kunt u stellen dat vertragingen tot een halve seconde nog goed te realiseren zijn met emmertjesgeheugens. Wilt u langer vertragen, dan moet u omschakelen naar de veel ingewikkelder digitale techniek. Hierbij zijn in principe geen grenzen gesteld aan de maximale vertraging.

Kwantisering
Het vreemde is dat de uitgangsspanning van een analoge vertragingslijn er net zo uitziet als deze van een digitale vertragingslijn. Ook nu heeft het signaal geen vloeiend verloop, maar is samengesteld uit trapjes. De uitgangsspanning is dus gekwantiseerd. Dit wordt toegelicht aan de hand van de onderstaande figuur. De breedte van de trapjes is afhankelijk van de frequentie van de klok. Dat de uitgangsspanning trapvormig is, zal wel duidelijk zijn. De laatste condensator in de keten houdt zijn spanning vast gedurende een van de halve perioden van de klok en wordt eerst bij de volgende periode 'ververst'.

Emmertjesgeheugens-04 (© 2020 Jos Verstraten)
Aan de hand van deze figuur wordt het ontstaan van een gekwantificeerde uitgangsspanning toegelicht. (© 2020 Jos Verstraten)
Afsluiten met een laagdoorlaat filter
Het feit dat een emmertjesgeheugen een uitgangsspanning genereert die vergelijkbaar is met deze die uit een digitale schakeling komt, heeft bepaalde consequenties. U moet dezelfde maatregelen treffen als bij digitale schakelingen. Een emmertjesgeheugen moet dus altijd gevolgd worden door een laagdoorlaat filter dat er voor zorgt dat de trapjes worden afgevlakt, zodat een vloeiend verlopend signaal ontstaat.

Het sampling theorema toepassen
Een analoge vertragingslijn gehoorzaamt, net zoals zijn digitale soortgenoot, aan het 'sampling theorema'. Dat zeer fundamenteel principe uit de elektronica stelt dat uit een gekwantiseerd signaal alleen bij benadering de vorm van het oorspronkelijk signaal is af te leiden (door filtering) als er minstens twee monsters worden genomen per periode. Omdat de elektronische schakelaars in een emmertjesgeheugen niet ideaal zijn, stelt men zelfs dat drie monsters per periode het absolute minimum is om het ingangssignaal zonder al te grote vervormingen terug te kunnen winnen uit het gekwantificeerde uitgangssignaal van het emmertjesgeheugen.
Hierdoor wordt er dus een verband gelegd tussen de bandbreedte van het ingangssignaal en de waarde van de klokfrequentie. Wilt u een signaal met een bandbreedte van 20 kHz onvervormd door een emmertjesgeheugen sturen, dan mag de klokfrequentie niet lager zijn dan 60 kHz. Wilt u echter met een dergelijke hoge klokfrequentie bruikbare vertragingen opwekken, dan zal het emmertjesgeheugen uit heel veel trappen moeten bestaan. Zelfs bij een emmertjesgeheugen dat uit 4.096 trappen bestaat (een in de praktijk voorkomende waarde), zal de maximale vertragingstijd beperkt blijven tot:
t = 4.096 / [2 • 60.000] = 34 ms
Omdat dergelijke vertragingstijden in de praktijk meestal onbruikbaar zijn, zult u een compromis moeten sluiten. Dat kan door de bandbreedte van het ingangssignaal te beperken. Het sampling theorema zorgt er dan voor dat de frequentie van de klok kan dalen, waardoor met hetzelfde aantal elementen veel langere vertragingstijden mogelijk zijn.

Het blokschema van een praktische schakeling
Uit de besproken gegevens kunt u besluiten dat het blokschema van de schakeling rond een emmertjesgeheugen er uit moet zien zoals getekend in de onderstaande figuur. Niet toevallig heeft het blokschema heel veel gemeen met dat van een soortgelijke digitale schakeling! Na de eventuele ingangsversterker wordt het analoog signaal aangeboden aan een scherp afsnijdend laagdoorlaat filter. Dit filter beperkt de bandbreedte en zorgt ervoor dat u een lage klokfrequentie kunt toepassen zonder dat u last krijgt van het sampling theorema.
Het gefilterde signaal wordt aangeboden aan de ingang van het emmertjesgeheugen. Het vertraagde uitgangssignaal gaat weer naar een scherp afsnijdend laagdoorlaat filter. Dit uitgangsfilter zorgt voor het verwijderen van de trapvormige omhullende van het signaal, dus voor het uitfilteren van de hogere harmonischen. Het signaal krijgt weer een nette analoge vorm en kan eventueel via een uitgangsversterker aan de buitenwereld worden aangeboden. Het emmertjesgeheugen wordt natuurlijk gestuurd uit een klokgenerator. Omdat beide noodzakelijke kloksignalen heel precies in tegenfase moeten zijn, wordt in de meeste gevallen gebruik gemaakt van een flip-flop. Op de Q en Q-niet uitgangen staat twee heel mooie signalen, die precies in tegenfase zijn. De flop-flop wordt gestuurd uit de eigenlijke klokgenerator, die in de meeste gevallen een instelbare frequentie heeft, zodat u de vertraging van de schakeling kunt variëren.

Emmertjesgeheugens-05 (© 2020 Jos Verstraten)
Het blokschema van een praktische schakeling. (© 2020 Jos Verstraten)

Geïntegreerde emmertjesgeheugens


Inleiding
De principiële schakeling van de tweede afbeelding in dit artikel is dan wel een emmertjesgeheugen, maar de toegepaste schakelingen lenen zich niet voor integratie op grote schaal. De elektronische schakelaars en de bufferversterkers kunnen natuurlijk veel gemakkelijke worden geïntegreerd onder de vorm van MOSFET-transistoren. Dat is dan ook precies hetgeen in de praktijk gebeurt. Het schema in de onderstaande figuur geeft een indruk van de manier waarop een en ander georganiseerd wordt op chipniveau. De condensatoren zijn, als gevolg van de toegepaste integratietechniek, aangebracht tussen de gate en de drain van de schakel-FET's. Dit heeft echter tot gevolg dat deze onderdelen niet alleen door het ingangssignaal worden opgeladen, maar ook door de klokpuls. Omdat dit laatste signaal veel groter is dan het ingangssignaal, zal dit laatste gesuperponeerd worden op de 'daken' van de kloksignalen. Op de een of andere manier moet het nuttig signaal natuurlijk gescheiden worden van de twee kloksignalen.

Emmertjesgeheugens-06 (© Panasonic/Matsushita)
De opbouw van een geïntegreerd emmertjesgeheugen. (© Panasonic/Matsushita)
Twee uitgangen
Vandaar dat een geïntegreerd emmertjesgeheugen altijd twee uitgangen heeft. In de bovenstaande figuur is rechts voorgesteld hoe het nuttig signaal (gearceerd weergegeven) gesuperponeerd is op de twee uitgangssignalen. Beide uitgangen worden nu resistief met elkaar gemengd. Omdat beide kloksignalen ten opzichte van elkaar geïnverteerd zijn, zal na het mengen van de signalen alleen het nuttig signaal overblijven.

De standaard schakeling
In de onderstaande figuur is de standaard schakeling rond een geïntegreerd emmertjesgeheugen getekend. De als buffer dienende MOS-transistoren moeten ingesteld worden in het midden van het lineaire gedeelte van hun karakteristiek. Dit lineaire gebied is vanwege de grote spreiding op de afknijpspanningen van de onderlinge transistoren vrij klein. Meestal bedraagt het lineaire gebied van de gehele schakeling maar 1,5 Veffectief.
Om deze beperkte uitsturingsruimte optimaal te benutten moet u de instelspanning door middel van een externe potentiometer aan het IC aanbieden. In het schema wordt het emmertjesgeheugen ingesteld via de instelpotentiometer R2, die gevoed wordt tussen de (negatieve) voedingsspanning -Ub en de massa. Deze instelspanning wordt via de weerstand R4 aan de ingang van de vertragingslijn aangeboden. Het ingangssignaal wordt via de condensator C1 gesuperponeerd op de instelspanning. Daarnaast treft u meestal ook nog een afzonderlijke bias-ingang VGG aan, die op een spanning komt te staan die iets minder negatief is dan de negatieve voedingsspanning. In het voorbeeld wordt deze spanning afgeleid van de resistieve deler R7-R8.
De twee uitgangen worden aangesloten op de twee uiteinden van een instelpotentiometer R5. U kunt de loper zo instellen, dat beide kloksignalen volledig onderdrukt worden en alleen het nuttig signaal ter beschikking staat. Dit wordt via de scheidingscondensator C2 naar de volgende schakeling gevoerd.

Emmertjesgeheugens-07 (© 2020 Jos Verstraten)
De externe schakeling rond een standaard emmertjesgeheugen. (© 2020 Jos Verstraten)
Oscilloscoop noodzakelijk
Uit dit standaard schema volgt dat u voor het afregelen van een emmertjesgeheugen in ieder geval een oscilloscoop ter beschikking moet hebben! Zonder zo'n apparaat zal het heel erg moeilijk worden om het kloksignaal volledig weg te filteren.

De klokingangen
De meeste schakelingen hebben twee klokingangen, waarop u de twee ten opzichte van elkaar geïnverteerde kloksignalen moet aansluiten. Er zijn echter ook typen die intern een flip-flop hebben, die de twee interne kloksignalen genereert. In dat geval is de frequentie van de interne klok uiteraard de helft van de frequentie van het extern kloksignaal.

Share

De klokoscillator
Aan de schakeling van de klokoscillator worden tamelijk hoge eisen gesteld. De schakeling moet twee absoluut symmetrische blokspanningen genereren, die bovendien behoorlijk capacitief belast moeten kunnen worden zonder dat de stijg- en daaltijden van de signalen worden aangetast. De meeste geïntegreerde flip-flop's leveren wel mooie symmetrische signalen, maar kunnen de zware capacitieve belasting niet aansturen. Vandaar dat meestal symmetrische drivers worden gebruikt, zoals getekend in de onderstaande figuur. De vier poorten van de CMOS-schakeling CD4011B vormen een zelfoscillerende schakeling. De frequentie van de schakeling wordt bepaald door de twee even grote weerstanden R1 en R2 en de condensator C1. Door de twee weerstanden te vervangen door een lineaire stereo potentiometer kunt u de frequentie instellen tussen 5 kHz en 500 kHz. De twee uitgangen worden aangeboden aan identieke complementaire eindtrapjes, die zorgen voor een zeer lage uitgangsimpedantie.
De transistoren schakelen de uitgang ofwel naar de massa, ofwel naar de negatieve voedingsspanning. Op deze manier kunnen de kloksignalen de grote capacitieve belasting van het emmertjesgeheugen zonder problemen aansturen. De buffers kunnen, zelfs bij de grote capacitieve belasting van een uit 4.096 cellen samengesteld emmertjesgeheugen, pulsen afgeven met stijg- en daaltijden van maximaal 100 ns.

Emmertjesgeheugens-08 (© 2020 Jos Verstraten)
Een voorbeeld van een goed bruikbare klokoscillator met geïnverteerde uitgangen. (© 2020 Jos Verstraten)
Grenzen aan de klokfrequentie
Aan de frequentie van de klok worden grenzen gesteld. Dat die frequentie een bepaalde maximale waarde heeft, zal wel zonder meer duidelijk zijn. Die maximale frequentie wordt bepaald door de specificaties van het toegepaste emmertjesgeheugen. Minder voor de hand liggend is dat er ook een minimale waarde bestaat. In tegenstelling tot digitale vertragingen kunt u de klokfrequentie niet tot bijvoorbeeld 100 Hz reduceren. Dat heeft alles te maken met de fundamentele werking van een emmertjesgeheugen. Een lage klokfrequentie betekent dat de signaalmonsters lang in de condensatoren bewaard moeten blijven. Daar zit het probleem! De condensatoren hebben een bepaalde lekstroom en het gevolg is dat de spanning langzaam maar zeker weglekt. Wordt de frequentie van de klok te laag, dan zal het signaal gedurende de doorgang door alle cellen steeds kleiner worden, zodat er op het laatst geen spanning meer beschikbaar is.

Het gebruik van companders
Een emmertjesgeheugen heeft een zeer beperkte uitsturingsruimte. Oversturen van de schakeling leidt niet alleen tot grote vervormingen op het uitgangssignaal, maar kan zelfs tot gevolg hebben dat de schakeling volledig blokkeert en eerst na het uit- en weer inschakelen van de voedingsspanning bereid is normaal te werken. In principe kunt u deze situatie voorkomen door in de ingang eenvoudige diodebegrenzers op te nemen.
Maar een van de vervelende eigenschappen van een emmertjesgeheugen is dat de schakeling nogal wat ruis produceert. Deze ruis ontstaat door de niet ideale eigenschappen van de sampling condensatoren. Deze hebben een lekstroom, waardoor de opgebouwde spanning vrij snel afvloeit. Het is logisch dat dit verschijnsel erger wordt als de frequentie van de klok daalt. Hoe trager de klok, hoe langer het duurt voordat de condensatoren opnieuw geladen worden en hoe meer spanning er zal weglekken.
Deze weglekkende spanningen uiten zich onder de vorm van zeer breedbandige ruis, die maar moeilijk weg te filteren is. Het gevolg is dat emmertjesgeheugens een maximale signaal/ruis-verhouding hebben van ongeveer 70 dB. Zowel het probleem van het kleine uitsturingsbereik als dit van de ruis kan opgelost worden door de schakeling op te nemen in een compander. Zoals getekend in de onderstaande figuur bestaat een dergelijke schakeling uit twee delen, namelijk een compressor aan de ingang en een expander aan de uitgang. De compressor zal de kleine ingangssignalen ongemoeid doorkoppelen naar het emmertjesgeheugen, maar de (te) grote signalen verzwakken. Op deze manier neemt het uitsturingsbereik van het emmertjesgeheugen toe. De expander zal de kleine ruissignalen ongemoeid doorlaten, maar de grotere nuttige signalen extra versterken. Op deze manier neemt de signaal/ruis-verhouding van het geheel toe.

Emmertjesgeheugens-09 (© 2020 Jos Verstraten)
Het gebruik van een compander minimaliseert de ruis en maximaliseert het uitsturingsbereik. (© 2020 Jos Verstraten)

Toepassingen van emmertjesgeheugens


Inleiding
Naast het voor de hand liggende gebruik als vertrager van analoge signalen, met als praktische toepassingen echo en nagalm, kunt u een emmertjesgeheugen nog in een heleboel andere schakelingen gebruiken. Een kort en alles behalve volledig overzicht:
       - Nagalm.
       - Echo.
       - Automatic Double Tracking.
       - Multiple Voice Effect.
       - Chorus.
       - Phasing (flanging).
       - Vibrato.
       - Haas compensatie.
       - Eerste golffront compensatie.
       - Klik onderdrukking.
       - Kamfilter.
       - Transversaal filter.

Een eigen artikel op dit blog
Omdat de bespreking van deze toepassingen nogal wat ruimte vergt hebben wij besloten deze toepassingen van emmertjesgeheugens op te nemen in een eigen artikel op dit blog, zie:
Know-how: audio-effecten creëren

De TDA1022 van Philips, 512 cellen


Kennismaking
Dit beroemde emmertjesgeheugen van Philips wordt nog steeds door tientallen leveranciers op eBay aangeboden voor prijzen rond € 15,00 per stuk. Deze vertragingslijn is uitgevoerd in P-channel MOSFET-technologie en wordt gevoed uit een maximale voedingsspanníng van -15 V. De klokfrequentie kan liggen tussen 5 kHz en 500 kHz, hetgeen overeen komt met een vertragingstijd van 51,2 ms tot 0,512 ms. De maximale frequentie van het signaal op de ingang bedraagt 45 kHz. U moet de signaalingang op pen 5 instellen op een instelspanning van ongeveer -5,0 V. De signaalverzwakking tussen de in- en de uitgang bij 1 kHz en een klok van 40 kHz bedraagt ongeveer 4 dB.
De twee uitgangen op de pennen 8 en 12 kunnen parallel worden geschakeld op een weerstand die naar de massa gaat. Het uitfilteren van de klok gebeurt dan in die weerstand. Het IC is ondergebracht in een DIL-16 behuizing, waarvan de aansluitgegevens zijn voorgesteld in de onderstaande figuur. Rechts in deze figuur ziet u de minimaal noodzakelijke externe schakeling rond dit IC.
Emmertjesgeheugens-10 (© 2020 Jos Verstraten)
Aansluitgegevens en basisschema van de TDA1022. (© 2020 Jos Verstraten)
Phasing- en vibrato-effecten met de TDA1022
In de onderstaande figuur is een door Elektuur ontworpen praktische schakeling rond de TDA1022 getekend. Het schema, dat phasing- en vibrato-effecten aan een audiosignaal toevoegt, is overgenomen uit Elektuur september 1976. Het hart van de oscillatorschakeling wordt gevormd door een XR2207. Dit IC is geschakeld als voltage controlled oscillator (VCO) met een zeer groot instelgebied. Met de potentiometer P3 kunt u de frequentie van de oscillator instellen tussen 20 kHz en 1 MHz zonder dat omschakeling van de timing condensator C14 noodzakelijk is. De TDA1022 heeft echter een tweefasige klok nodig. Bovendien moet de uitgangsimpedantie van de oscillator zo laag mogelijk zijn om de capaciteiten van het emmertjesgeheugen snel op te laden.
Achter de VCO wordt een als tweedeler geschakelde type-D flip-flop van het type 7474 geschakeld, die de twee tegengestelde kloksignalen levert. De uítgangsimpedantíe van dit IC is echter niet laag genoeg om het emmertjesgeheugen te kunnen sturen. Bovendien voldoet de uitgangsamplitude niet aan de door de TDAl022 gestelde eisen. Het is dus noodzakelijk de flip-flop te bufferen. De door T1 en T2 gevormde buffertrap voldoet uitstekend aan bovenstaande eis, omdat de door de gekruiste basisinstelling en de tweefasige aansturing een sterke meekoppeling tijdens het omschakelen wordt verkregen. De modulatie van de VCO kan (indien gewenst) via één van de twee ingangen voor externe modulatie of vanuit de interne VLF-generator gebeuren.
De VLF-generator levert een sinusvormig signaal van zeer lage frequentie. Met S3 kunt u drie bereiken selecteren, namelijk 0,3 Hz ~ 1,3 Hz of 0,9 Hz ~ 2,8 Hz of 2 Hz ~ 6,5 Hz. Er zijn twee externe modulatie-opties ingebouwd. Bij de eerste optie wordt het modulatiesignaal rechtstreeks aan de VCO aangelegd (Ext-1). De Ext-2 ingang is voor de met T6 opgebouwde versterkertrap geplaatst en is dus veel gevoeliger dan Ext-1. Een modulatiespanning van 100 mV op Ext-2 is voldoende om de effecten hoorbaar te maken.
Emmertjesgeheugens-11 (© 1976 Elektuur)
Een phaser- en vibrato-schakeling rond de TDA1022. (© 1976 Elektuur)
In serie schakelen van twee TDA1022 IC's
In de onderstaande figuur is geschetst hoe u twee identieke emmertjesgeheugens van het type TDA1022 in serie kunt schakelen. Met de instelpotentiometer van 4,7 kΩ in de ingang stelt u de twee IC's in het lineaire gebied in, hetgeen betekent dat er een spanning van -5,0 V op de loper moet verschijnen.

Emmertjesgeheugens-12 (© 1975 Philips)
Het in serie schakelen van twee TDA1022's. (© 1975 Philips)

De SAD512D van Reticon, 512 cellen


Kennismaking
Ook dit IC wordt nog volop aangeboden via eBay en AliExpress voor een prijs van € 10,00 per stuk (als u goed zoekt). Dit IC is samengesteld met N-channel MOSFET's en heeft een enkelvoudige TTL-compatibele klokingang, die intern een flip-flop stuurt. Daarnaast is echter ook een SYNC-ingang aanwezig, die gebruikt kan worden als u meerdere identieke schakelingen in serie zet. Op deze parallel geschakelde SYNC's moet dan een symmetrische blokgolf worden aangelegd met een amplitude van 5 V. De normale klokingang blijft dan open. Gebruikt u de SYNC niet, dan moet u deze aansluiting met de massa verbinden. Voor ingangsspanningen onder 500 mVeffectief blijft de totale vervorming van de schakeling onder 1 %. Boven deze waarde neemt de vervorming echter heel snel toe, zodat u er steeds voor moet zorgen dat de ingangsspanning niet groter dan een halve volt kan worden.
Bij gebruik van een 100 kHz kloksignaal en filters met afsnijfrequenties van 20 kHz bedraagt de signaal/ruis-verhouding meer dan 70 dB. Dit is een heel erg hoge waarde, die nog verbeterd kan worden door de schakeling op te nemen in een compander. De maximale signaalfrequentie bedraagt 300 kHz, de klok kan tot 1,5 MHz gepulst worden. De klokingang heeft een ingangscapaciteit van slechts 8 pF, zodat de klokoscillator vrij eenvoudig van opzet kan zijn. De maximale voedingsspanning bedraagt +17 V. Op pen 5 moet de instelspanning VGG worden aangesloten, die ongeveer één volt lager is dan de voedingsspanning. De SAD512D is ondergebracht in een DIL-8 behuizing waarvan de aansluitgegevens zijn voorgesteld in de onderstaande figuur, waar u ook de minimale externe bedrading rond de SAD512D ziet. De ingang moet ingesteld worden op een bepaalde spanning om de MOSFET`s in het midden van hun lineair bereik in te stellen. Het ingangssignaal wordt capacitief op deze instelspanning gesuperponeerd.
De twee uitgangen worden op de gebruikelijke manier via een instelpotentiometertje verbonden met de uitgangsschakeling. In het getekende voorbeeld wordt de uitgang afgesloten met een eenvoudige emittervolger T1.

Emmertjesgeheugens-13 (© 2020 Jos Verstraten)
Aansluitgegevens en basisschema van de SAD512D. (© 2020 Jos Verstraten)
Nagalmschakeling met een SAD512D
In de onderstaande figuur is een praktische voorbeeldschakeling uit Practical Electronics rond de SAD512D getekend. Het betreft een nagalmschakeling met een maximale vertraging van 50 ms. De klokgenerator is opgebouwd rond de twee flip-flop's van een CD4013B. Dank zij de lage capacitieve impedantie van de klokingang is dit zonder meer mogelijk. De frequentie van de generator is met de potentiometer van 1 MΩ instelbaar tussen 20 kHz en 200 kHz. De uitgang van het emmertjesgeheugen gaat naar een laagdoorlaat filter met een afsnijfrequentie van 25 kHz.

Emmertjesgeheugens-14 (© 1978 Practical Electronics)
Een nagalmschakeling met een SAD512D. (© 1978 Practical Electronics)

De MN3005 van Xvive, 4.096 cellen


Kennismaking
Dit IC is een kloon van het originele Mitsubishi/Panasonic emmertjesgeheugen met hetzelfde typenummer. Het IC is te koop voor prijzen vanaf US$ 15.00. Met een klokfrequentie van 10 kHz kunt u met deze BBD een vertraging van 205 ms genereren bij een signaal/ruis-verhouding van 75 dB. De maximale voedingsspanning bedraagt -18,0 V en de maximale klokfrequentie 100 kHz. De capacitieve belasting van beide klokingangen bedraagt typisch 2,8 nF. Aan de ingang kunt u signalen tot 10 kHz en 0,9 Veffectief aanleggen. Het signaalverlies wordt intern gecompenseerd, zodat de totale versterking tussen de in- en de uitgang maximaal ± 4 dB bedraagt met een typische waarde van 0 dB. De MN3005 is ondergebracht in een DIL-16 behuizing, waarbij echter de middelste pennen niet aanwezig zijn, zie de onderstaande figuur. In deze figuur is rechts de minimale externe bedrading weergegeven.

Emmertjesgeheugens-15 (© 2020 Jos Verstraten)
Aansluitgegevens en basisschema van de MN3005. (© 2020 Jos Verstraten)
Audio delay line met de MN3005
In de onderstaande figuur is een praktisch bruikbaar schema van een audio vertragingslijn voorgesteld met een MN3005 als basis. Het ingangssignaal gaat eerst naar een laagdoorlaat filter met een afsnijfrequentie van 4 kHz. De uitgang van deze schakeling rond de TL072 (A) gaat naar de analoge ingang van de MN3005. De twee vertraagde uitgangen gaan naar een tweede laagdoorlaat filter rond een TL071. Ook dit filter heeft een afsnijfrequentie van 4 kHz. De twee kloksignalen worden gegenereerd door een MN3101, een IC dat speciaal hiervoor werd ontwikkeld door Panasonic (lees verder). De klokfrequentie wordt ingesteld met de potentiometer VR2 van 250 kΩ. Met de instelpotentiometer VR1 van 10 kΩ kunt u de ingang van de MN3006 instellen op een bias-spanning van 6 V (zie TP1). De TL072 (B) wordt gebruikt voor het creëren van een virtuele massa die precies op de helft van de 12 V voedingsspanning staat. Met deze hulpspanning van 6 V worden de twee op-amp's op hun positieve ingangen ingesteld in het midden van het uitsturingsbereik.

Emmertjesgeheugens-16 (© SpeechJam)
Voorbeeldschakeling rond de MN3005. (© SpeechJam)

De MN3007 van Xvive, 1.024 cellen


Kennismaking
Dit IC is een kloon van het originele Mitsubishi/Panasonic emmertjesgeheugen met hetzelfde typenummer. Het IC is extreem goedkoop te verkrijgen voor prijzen vanaf US$ 5.00. Met een klokfrequentie van 10 kHz kunt u met deze BBD een vertraging van 51,2 ms genereren bij een signaal/ruis-verhouding van 70 dB. De maximale voedingsspanning bedraagt -15,0 V en de maximale klokfrequentie 100 kHz. De capacitieve belasting van beide klokingangen bedraagt typisch slechts 700 pF. Aan de ingang kunt u signalen tot 12 kHz en 1,5 Veffectief aanleggen. De totale harmonische vervorming bedraagt slechts 0,5 % typisch met een maximaal gespecificeerde waarde van 2,5 %. Het signaalverlies wordt intern gecompenseerd, zodat de totale versterking tussen de in- en de uitgang maximaal ± 4 dB bedraagt met een typische waarde van 0 dB. De MN3007 is ondergebracht in een DIL-8 behuizing, zie de onderstaande figuur. In deze figuur is rechts de minimale externe bedrading weergegeven, voor de afwisseling met een positieve voedingsspanning.

Emmertjesgeheugens-17 (© 2020 Jos Verstraten)
Aansluitgegevens en basisschema van de MN3007. (© 2020 Jos Verstraten)
Een chorus-effect schakeling rond de MN3007
In de onderstaande figuur is een door Myriad Design ontwikkeld schema van een chorus-effect schakeling weergegeven. De werking zal inmiddels wél duidelijk zijn, alle schema's volgen immers dezelfde ontwerpfilosofie. Het ingangssignaal gaat naar een laagdoorlaat filter U1A en gaat vervolgens naar de ingang van het emmertjesgeheugen. Nadien volgt weer een laagdoorlaat filter, in dit geval samengesteld rond de transistor Q1. Het vertraagde signaal wordt met het ingangssignaal gemengd in de resistieve menger rond U1B. De klokoscillator is opgebouwd rond U3. Met een CD4046B worden uit de vierkantgolf uitgang van de TL072 twee geïnverteerde klokpulsen afgeleid die rechtstreeks de klokingangen van het emmertjesgeheugen sturen. Ook nu worden de op-amp's ingesteld op ongeveer de helft van de voedingsspanning via de weerstandsdeler R19/R20.

Emmertjesgeheugens-18 (© 2014 Myriad Design)
Een chorus-effect schakeling met een MN3007. (© 2014 Myriad Design)

De MN3009 van Xvive, 256 cellen


Kennismaking
Dit is het kleine broertje van de MN3007 met slechts 256 cellen en een maximale vertraging van 12,8 ms. De maximale voedingsspanning bedraagt -15,0 V en de maximale klokfrequentie 200 kHz, waarbij de vertraging wordt gereduceerd tot 0,64 ms. De capacitieve belasting van beide klokingangen bedraagt typisch 200 pF. Aan de ingang kunt u signalen tot 12 kHz en 1,5 Veffectief aanleggen. De totale harmonische vervorming bedraagt 0,3 % typisch met een maximaal gespecificeerde waarde van 2,5 %. Het signaalverlies wordt intern gecompenseerd, zodat de totale versterking tussen de in- en de uitgang maximaal ± 4 dB bedraagt met een typische waarde van 0 dB. De MN3009 zit in dezelfde DIL-8 behuizing als de MN3007 en heeft dezelfde aansluitingen. zodat een eigen illustratie voor deze chip niet noodzakelijk is.
Zowel de nieuwe Xvive als de oude Panasonic en Mitsubishi chip's zijn via eBay courant leverbaar bij tientallen aanbieders. De prijzen lopen echter nogal uiteen en zijn meestal veel hoger dan deze van de MN3007.

De MN3011 van Panasonic, getapte 3.328 cellen


Kennismaking
Dit IC is op eBay via diverse aanbieders leverbaar, waarbij de prijzen echter uiteen lopen van € 10,00 tot € 60,00. Goed zoeken, dus! Ook een aantal reguliere Europese elektronica postorderbedrijven heeft dit IC nog steeds in voorraad.
Dit bucket brigade delay is een vreemde eend in de bijt. Deze chip bevat 3.328 cellen, die echter getapt worden aangeboden:
       - OUT 1 na 396 cellen.
       - OUT 2 na 662 cellen.
       - OUT 3 na 1.194 cellen.
       - OUT 4 na 1.726 cellen.
       - OUT 5 na 2.790 cellen.
       - OUT 6 na 3.328 cellen.
Iedere OUT levert dus een eigen vertragingstijd. De kortste vertragingstijd wordt terug gevonden op pen 9, de langste op pen 4. Dank zij deze aftakkingen kunt u met deze schakeling een heleboel verschillende vertragingstijden genereren. Als u deze met elkaar mengt, ontstaat een zeer realistisch nagalmeffect. Als u uitgaat van een klokfrequentie van 10 kHz tot 100 kHz zijn de beschikbare vertragingen:
       - OUT 1: 1,98 ms tot 19,8 ms.
       - OUT 2: 3,31 ms tot 33,1 ms.
       - OUT 3: 5,97 ms tot 59,7 ms.
       - OUT 4: 8,63 ms tot 86,3 ms.
       - OUT 5: 13,95 ms tot 139,5 ms.
       - OUT 6: 16,64 ms tot 166,4 ms.
De geadviseerde voedingsspanning bedraagt 15 V, waarbij het IC slechts 8 mA stroom opneemt. Minimale vervorming wordt verkregen door de bias-spanning op de ingang af te regelen op de optimale waarde. De grenzen zijn de helft van de voedingsspanning ±2 V.
Bij een ingangsspanning van 0,770 Veffectief en een frequentie van 1 kHz bedraagt de vervorming bij optimale instelling 0,4 %. De signaaldemping tussen de in- en de uitgang bedraagt maximaal 4 dB. De bandbreedte van het ingangssignaal gaat tot ongeveer 10 kHz bij een klokfrequentie van 40 kHz.
In de onderstaande figuur zijn de aansluitgegevens en het intern schema van dit IC getekend.

Emmertjesgeheugens-19 (© 2020 Jos Verstraten)
Aansluitgegevens en intern schema van de MN3011. (© 2020 Jos Verstraten)
Een professionele nagalm unit met een MN3011
In het onderstaand schema, gepubliceerd in het april nummer 1982 van het Engelse tijdschrift ETI, vormt een MN3011 het hart van een zeer goede nagalm unit. IC1a is de ingangsversterker, waarvan de instelbare versterking (RV1) wordt gecontroleerd door IC1b. Dit is een oversturingsindicator die een LED laat branden als de ingangsspanning te hoog wordt. Het laagdoorlaat filter aan de ingang is opgebouwd rond IC2a en IC2b. Het emmertjesgeheugen IC3 wordt van kloksignaal voorzien door een MN3101 (zie verder). De zes uitgangssignalen van het delay worden resistief gemengd via de weerstanden R16 tot en met R25. Nadien volgt uiteraard weer een laagdoorlaat filter rond IC4a en IC4b. Via IC1c wordt een deel van het ingangssignaal (RV2) resistief gemengd met de vertraagde signalen.

Emmertjesgeheugens-20 (© 1982 ETI)
Een professionele nagalm met een MN3011. (© 1982 ETI)

De V32xx-serie van Coolaudio


Drie compatibele emmertjesgeheugens
Coolaudio brengt drie BBD's op de markt waarvan het voornaamste kenmerk is dat zij heel erg goedkoop zijn en schakeltechnisch compatibel met de MN-chip's:
       - V3207: 1.024 cellen.
       - V3208D: 2.048 cellen.
       - V3205D: 4.096 cellen.
In de onderstaande figuur zijn de aansluitgegevens van deze drie ICs samengevat.

Emmertjesgeheugens-21 (© 2020 Jos Verstraten)
De aansluitgegevens van de Coolaudio-chip's. (© 2020 Jos Verstraten)
Een snel overzicht van de specificaties
In de onderstaande tabel hebben wij de belangrijkste specificaties van de drie leden van deze familie samengevat. De prijzen zijn deze die bij de fabrikant Coolaudio op de site staan voor levering van één stuk.
Uiteraard is de gebruikte technologie identiek aan deze van de in dit artikel uitgebreid besproken typen. U kunt deze laatste zonder meer vervangen door de producten van Coolaudio.

Emmertjesgeheugens-22 (© 2020 Jos Verstraten)
De voornaamste specificaties van de Coolaudio-chip's. (© 2020 Jos Verstraten)

De MN3101, MN3102 en V3102D klokgeneratoren


Kennismaking
Zowel Panasonic, Xvive als Coolaudio hebben een speciaal IC ontwikkeld, waarmee u de twee kloksignalen voor emmertjesgeheugens kunt opwekken. Dat zijn:
      - Panasonic: MN3101.
      - Xvive: MN3102.
      - Coolaudio: V3102D.
Het zijn drie vrijwel compatibele IC's die u voor een prijs van ongeveer $ 2,50 overal kunt kopen. De chip's zitten in een DIL-8 behuizing, waarvan de aansluitgegevens in de onderstaande figuur zijn gegeven. De IC's wekken bovendien op de uitgang VGG de één volt lagere spanning dan de voedingsspanning op die u op de VGG-pennen van de emmertjesgeheugens moet aanbieden. Wiskundig uitgedrukt:
VGG = 14/15 • Vc
Vreemd genoeg mag u de MN3102 voeden tot slechts -12 V, de twee overige tot -16 V. Let hier op, want de meeste schema's met emmertjesgeheugens werken met -15 V voeding en dan zit u bij gebruik van de Xvive-chip met een probleem. De twee klokuitgangen hebben voldoende stroomcapaciteit om in totaal 8.192 cellen van signaal te voorzien. De frequentie wordt op de getekende manier ingesteld met twee weerstanden en een condensator. De waarde van deze grootheid ligt tussen 100 Hz en 1 MHz.

Emmertjesgeheugens-23 (© 2020 Jos Verstraten)
De gegevens van de drie klokgeneratoren. (© 2020 Jos Verstraten)



(Sponsor advertentie)