探索SA572可编程模拟压扩器：高性能音频增益控制的理想之选

在音频系统和通信领域，对高性能增益控制电路的需求日益增长。今天，我们将深入探讨安森美（onsemi）的SA572可编程模拟压扩器，它为音频和通信应用带来了卓越的性能和灵活性。

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一、SA572概述

SA572是一款双通道、高性能增益控制电路，每个通道都可用于动态范围压缩或扩展。它集成了全波整流器、线性化且温度补偿的可变增益单元（G）以及动态时间常数缓冲器。这种设计使得它在减少高性能音频系统中的噪声方面表现出色，同时也适用于广泛的通信系统和视频记录应用。

特点总结

1. 独立控制攻击和恢复时间：能够根据不同的应用需求，灵活调整增益控制信号的攻击和恢复时间，有效减少低频率失真。
2. 低频率增益控制纹波改善：通过优化设计，降低了低频率增益控制中的纹波失真，提高了音频质量。
3. 宽动态范围：动态范围大于110 dB，能够处理大幅度的信号变化。
4. 温度补偿增益控制：确保在不同温度环境下，增益控制的稳定性和准确性。
5. 低失真增益单元：提供低失真的信号处理，保证音频信号的纯净度。
6. 低噪声：典型噪声仅为6.0 V，减少了对音频信号的干扰。
7. 宽电源电压范围：工作电压范围为6.0 V - 22 V，增加了应用的灵活性。
8. 系统级可调节：可通过外部组件进行系统级调节，满足不同应用的需求。
9. 无铅封装：符合环保要求。

二、引脚功能与最大额定值

引脚功能

SA572采用16引脚封装，每个引脚都有特定的功能。例如，TRACK TRIM A和TRACK TRIM B用于跟踪调整，RECT IN A和RECT IN B是整流器输入，AG OUT A和AG OUT B是可变增益单元输出等。详细的引脚功能描述可参考数据手册中的表格。

最大额定值

额定值	符号	值	单位
电源电压	VCC	22	VDC
工作温度范围	TA	-40 to +85	°C
工作结温	TJ	150	°C
功率耗散	PD	500	mW
热阻（结到环境）	RJA	105	°C/W

超过这些最大额定值可能会损坏设备，因此在设计时需要严格遵守。

三、电气特性

在标准测试条件下（(V{CC}=15V)，(T{A}=25^{circ}C)，扩展器模式），SA572展现出了一系列优秀的电气特性。

电源相关特性

• 电源电压范围为6.0 - 22 VDC，无信号时的电源电流为6.3 mA。
• 内部电压参考为2.3 - 2.7 VDC。

失真特性

• 总谐波失真（未调整）在不同条件下有不同的值，例如在1.0 kHz，(C_{A}=1.0F)时为0.2 - 1.0%。
• 调整后的总谐波失真更低，如在1.0 kHz，(C_{R}=10F)时为0.05%。

其他特性

• 无信号输出噪声在20 - 20 kHz范围内为6.0 - 25 V。
• 直流电平偏移在输入从无信号变为100 mVRMS时为 - 20 - 50 mV。
• 单位增益电平为 - 1.5 - +1.5 dB。
• 大信号失真在(V{1}=V{2}=400 mV)时为 - 0.7 - 3.0%。
• 跟踪误差在不同输入条件下有相应规定，如(V{2}= +6.0 dB)，(V{1}= 0 dB)时为0.2 dB。
• 通道串扰在通道A测量，200 mVRMS输入到通道B输出时为60 dB。
• 电源抑制比在120 Hz时为 - 70 dB。

四、电路分析

增益单元

增益单元的电路配置中，差分对(Q{1}-Q{2})和(Q{3}-Q{4})的基极分别连接到OPA (A{1})的输出和输入。通过负反馈，使得(Q{1}-Q{2})和(Q{3}-Q{4})的(V{BE})相等。从晶体管模型方程可推导出相关关系，如(Delta V{BE{Q 3 Q 4}}=Delta{BE{Q 1 Q 2}})。

增益单元的输出电流(I{O})与增益控制电流(I{G})和输入电流(I{IN})之间存在特定的关系。如果所有晶体管(Q{1}) - (Q{4})尺寸相同，可简化为(I{0}=frac{2}{I{2}} cdot I{IN} cdot I{G}-frac{1}{I{2}}left(I{2}-2 I{1}right) cdot I_{G})。其中，第一项体现了线性化两象限跨导放大器的乘法关系，第二项是由于器件不匹配导致的增益控制直通。通过使用大尺寸匹配器件和精心布局，可将其最小化。偏移电压可通过向THD调整引脚注入25 A以内的电流源进行调整。

整流器

整流器采用全波设计，输入电压通过输入电阻(R{2})转换为电流，根据信号极性导通(Q{5})或(Q{6})。增益块(A{2})的环路增益降低了电压 - 电流转换器的死区。如果采用交流耦合，整流器误差仅来自增益块(A{2})的输入偏置电流（典型值约70 nA）。增益块(A{2})的频率响应在高频时会导致二阶误差。(Q{6})的集电极电流被镜像并在(Q{5})的集电极求和，形成全波整流输出电流(I{R})，其传递函数为(I{R}=frac{V{IN}-V{REF}}{R{2}})。若(V{IN})为交流耦合，方程可简化为(I{RAC }=frac{V{IN }(AVG)}{R{2}})。内部偏置方案将最大输出电流(I{R})限制在300 A左右，在1.0 dB误差带内，整流器的输入范围约为52 dB。

缓冲放大器

在音频系统中，希望对突发音调输入具有快速攻击时间和缓慢恢复时间。快速攻击时间可减少瞬态通道过载，但会导致低频纹波失真，而缓慢恢复时间可改善这种失真。缓冲放大器的设计允许通过最少的外部组件实现这一特性。整流器输出电流通过(Q{8})、(Q{9})和(Q{10})镜像到单极缓冲放大器(A{3})的输入和输出。二极管(D{11})和(D{12})提高了跟踪精度，并为(A{3})提供共模偏置。对于正向输入信号，缓冲放大器像电压跟随器，因此(A{3})的输出阻抗使电容(C{R})对攻击时间的贡献不显著。忽略二极管阻抗，(Delta G)的增益(G{a}(t))可表示为(G{a}(t)=left(G{aINT}-G{aFNL}right) e^{frac{-t}{tau{A}}}+G{aFNL})，其中(tau{A}=R{A} cdot C{A}=10 k Omega cdot C{A})。对于负向信号，如果电容(C{R})大于电容(C{A})，二极管(D{15})会打开(A{3})的反馈回路，恢复时间仅取决于(C{R} cdot R{R})。(Delta G)的动态增益(G{R}(t))可表示为(G{R}(t)=left(G{RINT}-G{RFNL}right) e^{frac{-t}{tau{R}}}+G{RFNL})，其中(tau{R}=R{R} cdot C{R}=10 k Omega cdot C{R})。增益控制电流通过(Q{14})镜像到增益单元。由于(A{2})和(A{3})的输入偏置电流导致的低电平增益误差，可通过向跟踪调整引脚注入3.0 A的电流源进行调整。

五、应用电路

基本扩展器

基本扩展器电路的增益表达式为(frac{V{OUT }}{V{IN }}=left(frac{2}{I{1}} cdot frac{R{3} cdot V{IN(AVG)}}{R{2} cdot R{1}}right)^{2})。电阻(R{1})是6.8 k内部电阻，最大输入电流可达140 A，对应峰值电压为952 mV。整流器的输入峰值电流受内部偏置系统限制为300 A。(R{2})和(R{3})为外部电阻，可通过调整(R{3} / R{2})的比例来实现所需的系统电压和电流水平。较小的(R{2})会导致更高的增益控制电流和更小的静态和动态跟踪误差，但如果输入由大源阻抗的电压驱动，可能需要阻抗缓冲器(A{1})。增益单元输出电流馈入外部OPA (A{2})的求和节点，(R{3})和(A{2})将增益单元输出电流转换为输出电压。在高性能应用中，(A{2})需要是低噪声、高速和宽带的，以确保增益单元的高性能输出不被降低。(A{2})的同相输入可偏置在低噪声内部参考引脚6或10，电阻(R{4})用于偏置(A{2})的输出直流电平以实现最大摆幅，输出直流电平为(V{OUT } DC=V{REF }left(1+frac{R{3}}{R{4}}right)-V{B} frac{R{3}}{R{4}})。(C{A})设置攻击时间常数，(C{R})设置恢复时间常数。

基本压缩器

基本压缩器电路将IC置于OPA (A{1})的反馈回路中，系统增益表达式为(frac{V{OUT }}{V{IN }}= left(frac{I{1}}{2} cdot frac{R{2} cdot R{1}}{R{3} cdot V{IN(AVG)}}right)^{frac{1}{2}})。(R{DC 1})、(R{DC 2})和(C{DC})为(A{1})形成直流反馈，(A{1})的输出直流电平为(V{OUT } D C =V{REF }left(1+frac{R{DC 1}+R{DC 2}}{R{4}}right) -V{B} cdotleft(frac{R{DC 1}+R{DC 2}}{R{4}}right))。齐纳二极管(D{1})和(D{2})用于通道过载保护。

基本压扩系统

上述基本压缩器和扩展器可应用于磁带/光盘降噪、数字音频、斗链延迟线等系统。还可以轻松集成诸如带限、频带分割、预加重、去加重和均衡等系统设计技术，SA572是实现高性能音频系统的多功能模块。

自动电平控制（ALC）

在ALC配置中，可变增益单元置于运算放大器的反馈回路中，整流器连接到输入。当输入幅度高于交叉点时，系统整体增益成比例下降，保持输出幅度恒定；当输入幅度低于交叉点时，系统整体增益成比例上升，保持输出幅度在相同恒定水平。增益表达式为(Gain =frac{R{1} R{2} I{1}}{2 R{3} V{I N}( avg )})，输出直流电平可通过(V{OUT } DC=left(1+frac{R{DC 1}+R{DC 2}}{R{4}}right) V{REF })设置，输出电平可通过(V_{OUTLEVEL }=frac{R{1} R{2} I{1}}{2 R{3}}left(frac{V{IN }}{V{IN }( avg )}right))计算。对于非常低的输入电平，可能不需要ALC，为限制最大增益，添加了电阻(R{X})。

六、订购信息与封装尺寸

订购信息

器件	描述	封装	温度范围	运输方式
SA572DR2G	16引脚塑料小外形封装（无铅）	SO - 16 WB	-40 to +85 °C	1000 / 卷带包装

封装尺寸

SOIC - 16 WB封装的SA572有详细的尺寸规格，如A尺寸为2.35 - 2.65 mm，B尺寸为0.35 - 0.49 mm等，具体可参考数据手册中的表格。

七、总结与思考

SA572可编程模拟压扩器凭借其丰富的特点和灵活的应用电路，为音频和通信领域的工程师提供了强大的工具。它在噪声降低、增益控制等方面表现出色，能够满足不同应用的需求。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用场景，合理选择外部组件，优化电路参数，以充分发挥SA572的性能。同时，我们也可以思考如何进一步拓展SA572的应用领域，以及如何与其他电路进行更好的集成，以实现更高效、更优质的音频和通信系统。你在使用类似的压扩器时遇到过哪些问题呢？你对SA572的应用有什么独特的想法吗？欢迎在评论区分享你的经验和见解。