低成本、雙芯片壓控放大器和視頻開關(guān)

Charles Kitchin

從歷史上看，構(gòu)建寬帶寬、高質(zhì)量、壓控放大器非常困難。分立式設(shè)計(jì)需要大量的設(shè)計(jì)工作，而VCA的單片或混合集成電路方法價(jià)格昂貴，或者性能不佳。

隨著采用塑料封裝的539MHz模擬乘法器AD60JN的推出，寬帶增益控制現(xiàn)在能夠以低成本實(shí)現(xiàn)。與ADI公司或Signetics公司提供的5539N寬帶運(yùn)算放大器（同樣采用塑料封裝）配合使用時(shí)，這兩個(gè)器件可以連接在一起，形成具有出色性能的高速壓控放大器（VCA）或視頻開關(guān)。除了提供50MHz帶寬外，這種組合還滿足最嚴(yán)格的差分相位和差分增益要求。AD539/5539能夠直接驅(qū)動(dòng)75Ω端接同軸電纜。

回顧一些基礎(chǔ)知識(shí)

在介紹完整電路之前，本文將回顧模擬乘法的一些基本原理以及AD539的主要特性。單片乘法器自1970年以來已上市，此前發(fā)現(xiàn)了一種基于雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓與其集電極電流之間對(duì)數(shù)關(guān)系的重要電路設(shè)計(jì)技術(shù)?，F(xiàn)在所有IC乘法器都使用這個(gè)概念，稱為跨導(dǎo)線性原理。

單象限乘法器接受 V 的輸入電壓X和 VY只有一個(gè)極性;因此，它們的操作僅限于 1 象限 X、Y 坐標(biāo)系的象限 4。這種類型的乘法器最常用于高精度計(jì)算角色。

兩象限乘法器可以在其一個(gè)輸入端口上接受任一極性的電壓，但它們只能在另一個(gè)輸入端接受單個(gè)極性電壓。在增益控制應(yīng)用中，雙極性輸入被視為“信號(hào)”輸入，單極性輸入稱為“控制”輸入;因此當(dāng) VX僅限于正值，乘數(shù)運(yùn)算僅限于象限 1 和 4。

四象限乘法器允許在輸入極性任意組合的所有四個(gè)象限中操作。由于這種變體始終在輸出端保留正確的符號(hào)。乍一看，四象限類型似乎總是最有用的乘數(shù)品種。然而，事實(shí)并非如此。

直到最近，提高乘法器性能的主要重點(diǎn)是更高的精度，四象限操作是標(biāo)準(zhǔn)的。然而，推出雙象限乘法器AD539偏離了這一趨勢，它提供了針對(duì)增益控制應(yīng)用優(yōu)化的50MHz低失真器件。

兩象限乘數(shù)相對(duì)于其他類型的一些優(yōu)勢

四象限模擬乘法器通常用于快速計(jì)算應(yīng)用、校正廣角 CRT 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的失真以及執(zhí)行調(diào)制和解調(diào)操作。然而，在增益控制應(yīng)用中，雙象限乘法器是更好的選擇，因?yàn)樵撈骷槍?duì)交流信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。這種類型的乘法器通常用于精密AGC、實(shí)現(xiàn)壓控放大器以及創(chuàng)建各種類型的可編程濾波器。

AD539等兩象限乘法器在增益控制應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢，在這些應(yīng)用中，不需要（也不需要）響應(yīng)雙極性控制輸入電壓。因此，兩象限乘法器的一個(gè)功能優(yōu)勢是，對(duì)于V的所有值，可以完全阻塞控制通道X零以下。實(shí)際上，控制通道的失調(diào)電壓可以達(dá)到通用四象限乘法器的十分之一左右;這也提供了改進(jìn)的低電平增益精度。

其他優(yōu)點(diǎn)涉及在消除四象限要求時(shí)對(duì)IC設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。在AD539中，這些結(jié)果可實(shí)現(xiàn)更高的帶寬（60MHz，而通用器件為1MHz），低增益下的信號(hào)饋通更小，短語響應(yīng)更好，信號(hào)路徑失真更低（大多數(shù)應(yīng)用中AD539在全輸出時(shí)產(chǎn)生的THD小于0.05%），控制通道線性度更高，噪聲更低（特別是在低增益時(shí)）。

具有公共控制的雙信號(hào)通道

AD539的一個(gè)獨(dú)特特性是它自己獨(dú)立的信號(hào)輸入通道V。Y1和 VY2，每個(gè)同時(shí)由一個(gè)公共輸入 V 控制X.VX具有 3 至 + <>V FS 的范圍。所有輸入均參考公共（輸入）接地連接。

雙信號(hào)通道可以以許多不同的方式使用。首先，當(dāng)然，它們可以用來控制一對(duì)單獨(dú)輸入信號(hào)的幅度。事實(shí)證明，AD539出色的增益跟蹤和通道之間的高分離度在該應(yīng)用中很有價(jià)值;事實(shí)上，高頻下出現(xiàn)的帶寬、串?dāng)_和其他限制更多地是由 PC 板布局而不是 IC 本身引起的。

在僅涉及單個(gè)通道的應(yīng)用中，信號(hào)輸入和輸出可以并聯(lián)連接。當(dāng)驅(qū)動(dòng)接地電阻負(fù)載時(shí)，這種配置的優(yōu)點(diǎn)是將負(fù)載功率提高四倍?；蛘?，雙信號(hào)通道可以從互補(bǔ)（相位和反相）信號(hào)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)低至0.01%的失真系數(shù);此模式通常在低速應(yīng)用（帶寬小于1MHz的應(yīng)用）中更實(shí)用。

兩個(gè)信號(hào)通道也可以串聯(lián)連接，從而提供VX2VY功能。這導(dǎo)致電路具有更高的增益，增益控制范圍是增益的兩倍（最高可達(dá)100dB是可行的），或者相反，在減小的控制電壓范圍內(nèi)提供具有更恒定帶寬的電路。使用恒定帶寬電路時(shí)，增益現(xiàn)在隨控制電壓的平方變化，這在某些應(yīng)用中是有利的。

50MHz壓控放大器

圖1所示為50MHz壓控放大器（VCA）電路，適用于高質(zhì)量視頻速度應(yīng)用。AD539雙信號(hào)通道的輸出（有關(guān)更完整的電路分析，請(qǐng)參見“AD539內(nèi)部”）在減法配置中更適用于運(yùn)算放大器。這種連接有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：首先，它可以更好地抑制控制電壓，特別是在過驅(qū)動(dòng)（VX<0 或 VX>3.3V）。其次，它提供同相或反相響應(yīng)的選擇，使用輸入V。Y1或 VY2分別。在本電路中，運(yùn)算放大器的輸出等于：

圖1.寬帶寬壓控放大器。

因此，增益在 V 處是單位x= + 2V。自 VX可以超量程至+3.3V，此配置下的最大增益約為4.3dB。（注意：如果AD9的引腳539接地，而不是連接到5539N的輸出，則最大增益變?yōu)?0dB。

該電路的帶寬在全增益時(shí)超過50MHz，在較低增益時(shí)不會(huì)受到實(shí)質(zhì)性影響。當(dāng)然，當(dāng)VX為零（或略負(fù)，以覆蓋殘余輸入偏移） 高頻下仍有少量容性饋通;因此，在布置印刷電路板時(shí)需要格外小心，以盡量減少這種影響。此外，對(duì)于 V 的小值X，此饋通與乘法器輸出的組合可能會(huì)導(dǎo)致它們異相的響應(yīng)下降。圖2顯示了同相輸入的交流響應(yīng)，反相輸入的響應(yīng)V。Y2，本質(zhì)上相同。試驗(yàn)條件：VY1= 0.5V 有效值，值為 VX從 + 10mV 至 + 3.16V;這是在輸出端的負(fù)載為75Ω的情況下。V處的饋通件X還顯示了?10mV。

圖2.VCA在不同增益V下的交流響應(yīng)Y= 0.5V 有效值。

信號(hào)通道在V處的瞬態(tài)響應(yīng)X= + 2V， VY= V外= + 或 ? 1V 如圖 3 所示;VCA驅(qū)動(dòng)一個(gè)75Ω負(fù)載。上升和下降時(shí)間均約為7ns。

圖3.壓控放大器V的瞬態(tài)響應(yīng)X= + 2 伏 = ± 1 伏。

在視頻應(yīng)用中，信號(hào)通道的增益和相位在整個(gè)信號(hào)窗口內(nèi)保持恒定非常重要。響應(yīng)的這些方面分別稱為差分增益和差分相位特性，通過將副載波頻率（NTSC系統(tǒng)約為3.58MHz）的小交流信號(hào)疊加在偏置信號(hào)之上來測量，偏置信號(hào)在其標(biāo)稱范圍內(nèi)調(diào)制通道，通常為0至+ 1V。圖4顯示了V的增益變化Y= ? 1V 至 + 1V，頻率為 3.58MHz，三個(gè) V 值X.圖5顯示了相同條件下的相位變化。在大多數(shù)情況下，這種性能類似于使用更昂貴的定制電路可以實(shí)現(xiàn)的性能。盡管AD539的控制通道更容易被快速變化的步進(jìn)輸入過載。

圖4.壓控放大器的差分增益。

圖5.壓控放大器的差分相位。

最后電路的幾個(gè)細(xì)節(jié)：一般來說，控制放大器補(bǔ)償電容為引腳2，CC，必須具有 3000pF （3nF） 的最小值，以提供電路穩(wěn)定性和最大控制帶寬。但是，如果不需要最大控制帶寬，則建議使用較大的 C 值C，典型值介于 0.01 和 0.1μF 之間。像設(shè)計(jì)的許多方面一樣，C的價(jià)值C將是一個(gè)權(quán)衡：C 的值更高C將降低高頻失真，減少高頻串?dāng)_，并改善信號(hào)通道相位響應(yīng)。相反，C 的值較低C將提供更高的控制通道帶寬，但代價(jià)是在幅度調(diào)制載波信號(hào)時(shí)輸出響應(yīng)的線性度下降?？刂仆ǖ缼拰⑴c C 的值成反比變化C，使用 C 提供 2MHz 的典型帶寬C0.01μF 和 A VX電壓為 + 1.7 伏。

通過使用前饋電容C，可以進(jìn)一步提高控制通道的帶寬和脈沖響應(yīng)FF，值介于 C 的 5% 到 20% 之間C.CFF應(yīng)仔細(xì)調(diào)整，以便為施加到控制通道的特定階躍輸入提供最佳脈沖響應(yīng)。請(qǐng)注意，由于 CFF連接在線性控制輸入（引腳1）和對(duì)數(shù)節(jié)點(diǎn)之間，控制通道與脈沖輸入的建立時(shí)間將隨不同的控制輸入階躍電平而變化。

二極管D1箝位AD2引腳539處的對(duì)數(shù)控制節(jié)點(diǎn)（防止該點(diǎn)變?yōu)樨?fù)值）;當(dāng)控制輸入低于地電位時(shí)，該二極管有助于縮短電路恢復(fù)時(shí)間。

AD539/5539組合作為快速、低饋通、視頻開關(guān)

圖6顯示了如何使用AD539/5539組合來創(chuàng)建適合許多高頻應(yīng)用（包括顏色鍵切換）的快速視頻速度開關(guān)。它具有反相和同相輸入，可為反向端接的1Ω負(fù)載提供±75V輸出（或向2Ω負(fù)載提供±150V輸出）。提供可選的輸出失調(diào)調(diào)整。視頻開關(guān)的輸入范圍與輸出范圍相同：±任一輸入端的1V在1Ω負(fù)載上產(chǎn)生±1V （同相）或±75V （反相）。該電路在“ON”時(shí)提供約1的無量綱增益，在“OFF”時(shí)提供零的無量綱增益。

圖6.模擬乘法器視頻開關(guān)。

差分配置使用AD539的兩個(gè)通道，不僅提供替代輸入相位，而且還消除AD539門控時(shí)輸出電流階躍變化引起的開關(guān)基座。

圖7和圖8所示的波形是在75Ω端接上采集的;在兩張照片中，0至+ 1V的信號(hào)（在本例中為1MHz的偏移正弦波）施加到同相輸入。在圖7中，包絡(luò)響應(yīng)顯示輸出在大約50ns內(nèi)完全切換。請(qǐng)注意，當(dāng)控制輸入為零（或大于負(fù)）時(shí)，輸出為ON，對(duì)于+ 1V或更大的控制輸入，輸出為OFF?？刂菩盘?hào)突破很少。

圖7.視頻切換器的控制響應(yīng)。

圖8.視頻切換器的信號(hào)響應(yīng)。

圖8顯示了信號(hào)通道上對(duì)0至+1V脈沖的響應(yīng)。當(dāng)控制輸入保持在零時(shí)，上升時(shí)間小于10ns。反相輸入的響應(yīng)類似。

該開關(guān)的差分增益和差分相位特性與視頻應(yīng)用兼容。在0至+ 05V的信號(hào)窗口內(nèi)，增量增益變化小于0.1dB，在0.5MHz副載波頻率下相位變化小于3.58度。該電路在75Ω負(fù)載下測得的噪聲電平在200至0MHz帶寬內(nèi)典型值為50μV，或每根赫茲約100nV。噪聲頻譜密度基本平坦至40MHz。

AD539內(nèi)部

圖9是一個(gè)簡化的原理圖，概述了AD539乘法器的主要設(shè)計(jì)特性。Q1至Q6，從乘法器的跨導(dǎo)線性磁芯，是多發(fā)射極NPN晶體管，具有非常低的基極電阻，以最小化噪聲和失真;發(fā)射極區(qū)域縮放也用于優(yōu)化電路的這一關(guān)鍵部分。Q1-Q2、Q3-Q4和Q5-Q6對(duì)中的每一個(gè)都來自所謂的“受控級(jí)聯(lián)”電路;這基本上是一個(gè)接地基極晶體管，其中添加了另一個(gè)器件，用于從發(fā)射器中去除一些信號(hào)。這會(huì)改變級(jí)聯(lián)的增益，從幾乎單位（當(dāng)沒有電流被移除時(shí)）變?yōu)榱悖ó?dāng)所有信號(hào)被移除時(shí)）?！笆芸丶?jí)聯(lián)”配置具有非常理想的特性，可用于兩象限乘法。

圖9.AD539模擬乘法器的簡化原理圖

穩(wěn)定的1.375mA基準(zhǔn)電流（決定乘法器縮放）提供給受控級(jí)聯(lián)Q1-Q2的共發(fā)射極，其基極由控制放大器（高速運(yùn)算放大器）偏置。當(dāng)控制輸入V時(shí)X為零，Q2 偏置。該偏置電壓被傳送到同樣關(guān)斷的Q3和Q6;因此，到輸出端的信號(hào)傳輸被阻斷。作為 VX增加，電流通過RX（一X） 被迫流入 Q2 的收集器;該電流僅代表1.375mA基準(zhǔn)電流的一小部分。當(dāng) VX= 3V （其標(biāo)稱滿量程值），1.2mA 流入 RX和問題 2;這是基準(zhǔn)電流的0.873（或87.3%）。

相應(yīng)地，提供給公共發(fā)射極節(jié)點(diǎn)控制的級(jí)聯(lián)碼Q3-Q4和Q5-Q6的相同比例的信號(hào)和偏置電流被傳送到兩個(gè)輸出。

現(xiàn)在考慮信號(hào)路徑。電壓 VY1和 VY2通過具有1.74Ω跨阻的V-I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電流。在滿量程輸入± 2V時(shí)，提供給級(jí)聯(lián)的信號(hào)電流±1.15mA;這疊加在2.75mA的偏置電流上。因此，當(dāng) VX= + 3V，Q3或Q6的集電極電流將由±1mA （0.873 × 1.15mA）的信號(hào)分量和2.4mA的直流分量組成，對(duì)于V的其他值，這兩種電流都成比例地較小X.直流分量由電阻R去除X1和 RX2，直接從 V 驅(qū)動(dòng)X.因此，最終輸出是值電流：

注意V的峰值Y可± 4.2V （使用 ? VS電源至少為 ? 7.5V） 和 VX可以超量程10%至+ 3.3V，因此每個(gè)通道的峰值輸出電流可以略高于±2mA，當(dāng)通道并聯(lián)使用時(shí)最大±4mA。這些電流可以直接輸送到接地負(fù)載電阻器或端接同軸電纜。使用同軸電纜可以實(shí)現(xiàn)AD60的全部539MHz帶寬，但峰值信號(hào)幅度將非常有限（使用330Ω負(fù)載時(shí)僅±75mV）。顯然，需要一些額外的收益。

遺憾的是，AD539無法包含額外增益所需的放大器，這主要是由于功耗方面的考慮。此外，由于薄膜電阻器的容差為1%，因此使用簡單的負(fù)載電阻器會(huì)產(chǎn)生增益誤差（高達(dá)±5.20dB）。幸運(yùn)的是，通過使用外部運(yùn)算放大器，輸出電流可以使用片內(nèi)應(yīng)用電阻R轉(zhuǎn)換為更大的電壓。W和 RZ為此目的而提供。這些電阻的標(biāo)稱值為6kΩ。但它們在制造過程中經(jīng)過激光調(diào)整，以便在用作反相運(yùn)算放大器周圍的反饋電阻時(shí)實(shí)現(xiàn)高增益精度。僅使用 R 時(shí)W（RW1對(duì)于 CH1， RW2對(duì)于CH2），傳遞特性變?yōu)椋?/p>

當(dāng) RW和 RZ并聯(lián)使用，增益減半，即：

帶寬現(xiàn)在主要由運(yùn)算放大器決定。對(duì)于寬帶應(yīng)用，5539N是AD539的理想低成本補(bǔ)充;這種組合能夠?yàn)?Ω負(fù)載提供±75V電壓，而單獨(dú)使用AD60實(shí)現(xiàn)的539MHz帶寬衰減很小。

視頻帶寬電路的布局

仔細(xì)的元件布局、足夠的電源旁路和適當(dāng)?shù)耐S電纜端接在視頻帶寬電路的實(shí)現(xiàn)中都非常重要。不幸的是，即使采取了這些預(yù)防措施，在壓控放大器的情況下仍然會(huì)出現(xiàn)一些額外的困難。當(dāng)輸入信號(hào)泄漏到輸出時(shí)，增益應(yīng)為零時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。此饋通將導(dǎo)致由不需要的信號(hào)的高頻分量生成的重影圖像。

一個(gè)好的接地層是必不可少的！為了確保這一點(diǎn)，建議在印刷電路板的上表面和下表面上的兩個(gè)芯片的引腳行之間運(yùn)行該接地的一部分。典型AD539/5539布局的接地層如圖10所示。此外，所有去耦電容必須具有到該接地層的最小引線長度。此外，輸入和輸出連接必須保持簡短，并且應(yīng)盡可能彼此物理分離。還建議AD539JN和5539N采用單獨(dú)的電源去耦。

圖 10.典型AD539/5539接地層的布局

正確的電纜端接對(duì)于足夠的高頻性能也至關(guān)重要。四分之一瓦的碳電阻器非常適合此功能，因?yàn)樗鼈兪菬o感且相當(dāng)便宜的;也可以使用百分之一的金屬膜電阻器，盡管應(yīng)首先測量其電感（因?yàn)殡娮杵鞯倪@種特性可能因每個(gè)制造商而異）。避免使用繞線電阻器進(jìn)行端接！

本應(yīng)用筆記中描述的VCA設(shè)計(jì)為直接工作在75Ω負(fù)載下，因此未使用“反向端接”（即，將負(fù)載電壓減半的串聯(lián)電阻）。在大多數(shù)情況下，短電纜（長達(dá) 6 英尺）的弱反射不會(huì)造成任何可見影響。但是，當(dāng)使用很長的電纜時(shí)，可能需要插入一個(gè)75Ω電阻與5539N的輸出串聯(lián)以吸收這些反射。

審核編輯：郭婷