低成本、双芯片压控放大器和视频开关

Charles Kitchin

从历史上看，构建宽带宽、高质量、压控放大器非常困难。分立式设计需要大量的设计工作，而VCA的单片或混合集成电路方法价格昂贵，或者性能不佳。

随着采用塑料封装的539MHz模拟乘法器AD60JN的推出，宽带增益控制现在能够以低成本实现。与ADI公司或Signetics公司提供的5539N宽带运算放大器（同样采用塑料封装）配合使用时，这两个器件可以连接在一起，形成具有出色性能的高速压控放大器（VCA）或视频开关。除了提供50MHz带宽外，这种组合还满足最严格的差分相位和差分增益要求。AD539/5539能够直接驱动75Ω端接同轴电缆。

回顾一些基础知识

在介绍完整电路之前，本文将回顾模拟乘法的一些基本原理以及AD539的主要特性。单片乘法器自1970年以来已上市，此前发现了一种基于双极晶体管基极-发射极电压与其集电极电流之间对数关系的重要电路设计技术。现在所有IC乘法器都使用这个概念，称为跨导线性原理。

单象限乘法器接受 V 的输入电压X和 VY只有一个极性;因此，它们的操作仅限于 1 象限 X、Y 坐标系的象限 4。这种类型的乘法器最常用于高精度计算角色。

两象限乘法器可以在其一个输入端口上接受任一极性的电压，但它们只能在另一个输入端接受单个极性电压。在增益控制应用中，双极性输入被视为“信号”输入，单极性输入称为“控制”输入;因此当 VX仅限于正值，乘数运算仅限于象限 1 和 4。

四象限乘法器允许在输入极性任意组合的所有四个象限中操作。由于这种变体始终在输出端保留正确的符号。乍一看，四象限类型似乎总是最有用的乘数品种。然而，事实并非如此。

直到最近，提高乘法器性能的主要重点是更高的精度，四象限操作是标准的。然而，推出双象限乘法器AD539偏离了这一趋势，它提供了针对增益控制应用优化的50MHz低失真器件。

两象限乘数相对于其他类型的一些优势

四象限模拟乘法器通常用于快速计算应用、校正广角 CRT 偏转系统的失真以及执行调制和解调操作。然而，在增益控制应用中，双象限乘法器是更好的选择，因为该器件针对交流信号进行了优化。这种类型的乘法器通常用于精密AGC、实现压控放大器以及创建各种类型的可编程滤波器。

AD539等两象限乘法器在增益控制应用中具有重要优势，在这些应用中，不需要（也不需要）响应双极性控制输入电压。因此，两象限乘法器的一个功能优势是，对于V的所有值，可以完全阻塞控制通道X零以下。实际上，控制通道的失调电压可以达到通用四象限乘法器的十分之一左右;这也提供了改进的低电平增益精度。

其他优点涉及在消除四象限要求时对IC设计进行改进。在AD539中，这些结果可实现更高的带宽（60MHz，而通用器件为1MHz），低增益下的信号馈通更小，短语响应更好，信号路径失真更低（大多数应用中AD539在全输出时产生的THD小于0.05%），控制通道线性度更高，噪声更低（特别是在低增益时）。

具有公共控制的双信号通道

AD539的一个独特特性是它自己独立的信号输入通道V。Y1和 VY2，每个同时由一个公共输入 V 控制X.VX具有 3 至 + <>V FS 的范围。所有输入均参考公共（输入）接地连接。

双信号通道可以以许多不同的方式使用。首先，当然，它们可以用来控制一对单独输入信号的幅度。事实证明，AD539出色的增益跟踪和通道之间的高分离度在该应用中很有价值;事实上，高频下出现的带宽、串扰和其他限制更多地是由 PC 板布局而不是 IC 本身引起的。

在仅涉及单个通道的应用中，信号输入和输出可以并联连接。当驱动接地电阻负载时，这种配置的优点是将负载功率提高四倍。或者，双信号通道可以从互补（相位和反相）信号驱动，以实现低至0.01%的失真系数;此模式通常在低速应用（带宽小于1MHz的应用）中更实用。

两个信号通道也可以串联连接，从而提供VX2VY功能。这导致电路具有更高的增益，增益控制范围是增益的两倍（最高可达100dB是可行的），或者相反，在减小的控制电压范围内提供具有更恒定带宽的电路。使用恒定带宽电路时，增益现在随控制电压的平方变化，这在某些应用中是有利的。

50MHz压控放大器

图1所示为50MHz压控放大器（VCA）电路，适用于高质量视频速度应用。AD539双信号通道的输出（有关更完整的电路分析，请参见“AD539内部”）在减法配置中更适用于运算放大器。这种连接有两个主要优点：首先，它可以更好地抑制控制电压，特别是在过驱动（VX<0 或 VX>3.3V）。其次，它提供同相或反相响应的选择，使用输入V。Y1或 VY2分别。在本电路中，运算放大器的输出等于：

图1.宽带宽压控放大器。

因此，增益在 V 处是单位x= + 2V。自 VX可以超量程至+3.3V，此配置下的最大增益约为4.3dB。（注意：如果AD9的引脚539接地，而不是连接到5539N的输出，则最大增益变为10dB。

该电路的带宽在全增益时超过50MHz，在较低增益时不会受到实质性影响。当然，当VX为零（或略负，以覆盖残余输入偏移） 高频下仍有少量容性馈通;因此，在布置印刷电路板时需要格外小心，以尽量减少这种影响。此外，对于 V 的小值X，此馈通与乘法器输出的组合可能会导致它们异相的响应下降。图2显示了同相输入的交流响应，反相输入的响应V。Y2，本质上相同。试验条件：VY1= 0.5V 有效值，值为 VX从 + 10mV 至 + 3.16V;这是在输出端的负载为75Ω的情况下。V处的馈通件X还显示了−10mV。

图2.VCA在不同增益V下的交流响应Y= 0.5V 有效值。

信号通道在V处的瞬态响应X= + 2V， VY= V外= + 或 − 1V 如图 3 所示;VCA驱动一个75Ω负载。上升和下降时间均约为7ns。

图3.压控放大器V的瞬态响应X= + 2 伏 = ± 1 伏。

在视频应用中，信号通道的增益和相位在整个信号窗口内保持恒定非常重要。响应的这些方面分别称为差分增益和差分相位特性，通过将副载波频率（NTSC系统约为3.58MHz）的小交流信号叠加在偏置信号之上来测量，偏置信号在其标称范围内调制通道，通常为0至+ 1V。图4显示了V的增益变化Y= − 1V 至 + 1V，频率为 3.58MHz，三个 V 值X.图5显示了相同条件下的相位变化。在大多数情况下，这种性能类似于使用更昂贵的定制电路可以实现的性能。尽管AD539的控制通道更容易被快速变化的步进输入过载。

图4.压控放大器的差分增益。

图5.压控放大器的差分相位。

最后电路的几个细节：一般来说，控制放大器补偿电容为引脚2，CC，必须具有 3000pF （3nF） 的最小值，以提供电路稳定性和最大控制带宽。但是，如果不需要最大控制带宽，则建议使用较大的 C 值C，典型值介于 0.01 和 0.1μF 之间。像设计的许多方面一样，C的价值C将是一个权衡：C 的值更高C将降低高频失真，减少高频串扰，并改善信号通道相位响应。相反，C 的值较低C将提供更高的控制通道带宽，但代价是在幅度调制载波信号时输出响应的线性度下降。控制通道带宽将与 C 的值成反比变化C，使用 C 提供 2MHz 的典型带宽C0.01μF 和 A VX电压为 + 1.7 伏。

通过使用前馈电容C，可以进一步提高控制通道的带宽和脉冲响应FF，值介于 C 的 5% 到 20% 之间C.CFF应仔细调整，以便为施加到控制通道的特定阶跃输入提供最佳脉冲响应。请注意，由于 CFF连接在线性控制输入（引脚1）和对数节点之间，控制通道与脉冲输入的建立时间将随不同的控制输入阶跃电平而变化。

二极管D1箝位AD2引脚539处的对数控制节点（防止该点变为负值）;当控制输入低于地电位时，该二极管有助于缩短电路恢复时间。

AD539/5539组合作为快速、低馈通、视频开关

图6显示了如何使用AD539/5539组合来创建适合许多高频应用（包括颜色键切换）的快速视频速度开关。它具有反相和同相输入，可为反向端接的1Ω负载提供±75V输出（或向2Ω负载提供±150V输出）。提供可选的输出失调调整。视频开关的输入范围与输出范围相同：±任一输入端的1V在1Ω负载上产生±1V （同相）或±75V （反相）。该电路在“ON”时提供约1的无量纲增益，在“OFF”时提供零的无量纲增益。

图6.模拟乘法器视频开关。

差分配置使用AD539的两个通道，不仅提供替代输入相位，而且还消除AD539门控时输出电流阶跃变化引起的开关基座。

图7和图8所示的波形是在75Ω端接上采集的;在两张照片中，0至+ 1V的信号（在本例中为1MHz的偏移正弦波）施加到同相输入。在图7中，包络响应显示输出在大约50ns内完全切换。请注意，当控制输入为零（或大于负）时，输出为ON，对于+ 1V或更大的控制输入，输出为OFF。控制信号突破很少。

图7.视频切换器的控制响应。

图8.视频切换器的信号响应。

图8显示了信号通道上对0至+1V脉冲的响应。当控制输入保持在零时，上升时间小于10ns。反相输入的响应类似。

该开关的差分增益和差分相位特性与视频应用兼容。在0至+ 05V的信号窗口内，增量增益变化小于0.1dB，在0.5MHz副载波频率下相位变化小于3.58度。该电路在75Ω负载下测得的噪声电平在200至0MHz带宽内典型值为50μV，或每根赫兹约100nV。噪声频谱密度基本平坦至40MHz。

AD539内部

图9是一个简化的原理图，概述了AD539乘法器的主要设计特性。Q1至Q6，从乘法器的跨导线性磁芯，是多发射极NPN晶体管，具有非常低的基极电阻，以最小化噪声和失真;发射极区域缩放也用于优化电路的这一关键部分。Q1-Q2、Q3-Q4和Q5-Q6对中的每一个都来自所谓的“受控级联”电路;这基本上是一个接地基极晶体管，其中添加了另一个器件，用于从发射器中去除一些信号。这会改变级联的增益，从几乎单位（当没有电流被移除时）变为零（当所有信号被移除时）。“受控级联”配置具有非常理想的特性，可用于两象限乘法。

图9.AD539模拟乘法器的简化原理图

稳定的1.375mA基准电流（决定乘法器缩放）提供给受控级联Q1-Q2的共发射极，其基极由控制放大器（高速运算放大器）偏置。当控制输入V时X为零，Q2 偏置。该偏置电压被传送到同样关断的Q3和Q6;因此，到输出端的信号传输被阻断。作为 VX增加，电流通过RX（一X） 被迫流入 Q2 的收集器;该电流仅代表1.375mA基准电流的一小部分。当 VX= 3V （其标称满量程值），1.2mA 流入 RX和问题 2;这是基准电流的0.873（或87.3%）。

相应地，提供给公共发射极节点控制的级联码Q3-Q4和Q5-Q6的相同比例的信号和偏置电流被传送到两个输出。

现在考虑信号路径。电压 VY1和 VY2通过具有1.74Ω跨阻的V-I转换器转换为电流。在满量程输入± 2V时，提供给级联的信号电流±1.15mA;这叠加在2.75mA的偏置电流上。因此，当 VX= + 3V，Q3或Q6的集电极电流将由±1mA （0.873 × 1.15mA）的信号分量和2.4mA的直流分量组成，对于V的其他值，这两种电流都成比例地较小X.直流分量由电阻R去除X1和 RX2，直接从 V 驱动X.因此，最终输出是值电流：

注意V的峰值Y可± 4.2V （使用 − VS电源至少为 − 7.5V） 和 VX可以超量程10%至+ 3.3V，因此每个通道的峰值输出电流可以略高于±2mA，当通道并联使用时最大±4mA。这些电流可以直接输送到接地负载电阻器或端接同轴电缆。使用同轴电缆可以实现AD60的全部539MHz带宽，但峰值信号幅度将非常有限（使用330Ω负载时仅±75mV）。显然，需要一些额外的收益。

遗憾的是，AD539无法包含额外增益所需的放大器，这主要是由于功耗方面的考虑。此外，由于薄膜电阻器的容差为1%，因此使用简单的负载电阻器会产生增益误差（高达±5.20dB）。幸运的是，通过使用外部运算放大器，输出电流可以使用片内应用电阻R转换为更大的电压。W和 RZ为此目的而提供。这些电阻的标称值为6kΩ。但它们在制造过程中经过激光调整，以便在用作反相运算放大器周围的反馈电阻时实现高增益精度。仅使用 R 时W（RW1对于 CH1， RW2对于CH2），传递特性变为：

当 RW和 RZ并联使用，增益减半，即：

带宽现在主要由运算放大器决定。对于宽带应用，5539N是AD539的理想低成本补充;这种组合能够为1Ω负载提供±75V电压，而单独使用AD60实现的539MHz带宽衰减很小。

视频带宽电路的布局

仔细的元件布局、足够的电源旁路和适当的同轴电缆端接在视频带宽电路的实现中都非常重要。不幸的是，即使采取了这些预防措施，在压控放大器的情况下仍然会出现一些额外的困难。当输入信号泄漏到输出时，增益应为零时，可能会发生这种情况。此馈通将导致由不需要的信号的高频分量生成的重影图像。

一个好的接地层是必不可少的！为了确保这一点，建议在印刷电路板的上表面和下表面上的两个芯片的引脚行之间运行该接地的一部分。典型AD539/5539布局的接地层如图10所示。此外，所有去耦电容必须具有到该接地层的最小引线长度。此外，输入和输出连接必须保持简短，并且应尽可能彼此物理分离。还建议AD539JN和5539N采用单独的电源去耦。

图 10.典型AD539/5539接地层的布局

正确的电缆端接对于足够的高频性能也至关重要。四分之一瓦的碳电阻器非常适合此功能，因为它们是无感且相当便宜的;也可以使用百分之一的金属膜电阻器，尽管应首先测量其电感（因为电阻器的这种特性可能因每个制造商而异）。避免使用绕线电阻器进行端接！

本应用笔记中描述的VCA设计为直接工作在75Ω负载下，因此未使用“反向端接”（即，将负载电压减半的串联电阻）。在大多数情况下，短电缆（长达 6 英尺）的弱反射不会造成任何可见影响。但是，当使用很长的电缆时，可能需要插入一个75Ω电阻与5539N的输出串联以吸收这些反射。

审核编辑：郭婷