AD539：高性能寬帶雙聲道線性乘法/除法器的深度剖析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，尋找高性能、多功能的模擬器件至關(guān)重要。AD539作為一款低失真模擬乘法器，具有雙信號通道和線性增益控制功能，廣泛應(yīng)用于精確高帶寬AGC和VCA系統(tǒng)、電壓控制濾波器、視頻信號處理等領(lǐng)域。下面，我們將深入了解這款器件。

文件下載：AD539.pdf

1. AD539特性一覽

1.1 功能特性

AD539具備2象限乘法/除法功能，擁有2個(gè)獨(dú)立信號通道。其信號帶寬高達(dá)60 MHz（IOUT），線性控制通道帶寬為5 MHz，失真低至0.01%，并且是經(jīng)過完全校準(zhǔn)的單片電路。這些特性使得它在高速和高精度應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

它適用于多種場景，如精確高帶寬自動(dòng)增益控制（AGC）和壓控放大器（VCA）系統(tǒng)、電壓控制濾波器、視頻信號處理、高速模擬除法、自動(dòng)信號電平控制以及平方律增益/損耗控制等。

2. 器件詳細(xì)解讀

2.1 整體概述

AD539有兩個(gè)相同的信號通道（Y1和Y2），通過一個(gè)公共的X輸入實(shí)現(xiàn)增益的線性控制。它具有出色的交流特性，視頻頻率下的 -3 dB帶寬超過60 MHz，不僅在高速應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，在計(jì)算應(yīng)用中也具備良好的靜態(tài)精度。其縮放由帶隙電壓基準(zhǔn)精確確定，關(guān)鍵參數(shù)在制造過程中經(jīng)過激光微調(diào)。

2.2 帶寬與輸出特性

使用AD539搭配最高100 Ω的簡單電阻負(fù)載時(shí)，在大部分增益范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)全帶寬。不過，在這種情況下，輸出電壓限制在幾百毫伏。

2.3 雙通道的靈活運(yùn)用

雙通道設(shè)計(jì)為應(yīng)用帶來了極大的靈活性。在單通道應(yīng)用中，通道可以并聯(lián)使用以加倍輸出電流，串聯(lián)使用實(shí)現(xiàn)控制范圍超過100 dB的平方律增益功能，或者差分使用以降低失真。此外，通道也能獨(dú)立使用，例如在音頻立體聲應(yīng)用中，通道間串?dāng)_低。利用雙通道和公共控制，還能輕松設(shè)計(jì)基于狀態(tài)變量方法的電壓控制濾波器和振蕩器。同時(shí)，AD539還可配置為信號帶寬高達(dá)15 MHz的除法器。

2.4 功耗與版本

AD539使用推薦的 ±5 V電源時(shí)，功耗僅為135 mW。它有三種版本：J和K級適用于0至70°C的工作環(huán)境，S級可在 -55°C至 +125°C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。J和K級有密封陶瓷SBDIP（D - 16）或低成本PDIP（N - 16）封裝可選，S級則有陶瓷SBDIP（D - 16）或LCC（E - 20 - 1）封裝。S級還有MIL - STD - 883和標(biāo)準(zhǔn)軍事圖紙（DESC）編號5962 - 8980901EA版本。

3. 技術(shù)參數(shù)分析

3.1 信號通道動(dòng)態(tài)特性

不同配置下，AD539的信號通道表現(xiàn)各異。例如，在最小配置（ (R{L}=50 Omega) ， (C{C}=0.01 mu F) ）時(shí)， -3 dB帶寬為30 - 60 MHz；標(biāo)準(zhǔn)2通道乘法器配置下，最大輸出可達(dá)4.5 V。此外，還給出了不同頻率下的饋通、差分相位線性度、群延遲等參數(shù)。

3.2 控制通道動(dòng)態(tài)特性

控制通道的 -3 dB帶寬在 (C{C}=3000 pF) ， (V{X} dc = 1.5 V) ， (V_{x} ac = 100 mV rms) 時(shí)為5 MHz。

3.3 輸入輸出參數(shù)

信號輸入 (V{Y1}) 和 (V{Y2}) 的標(biāo)稱滿量程輸入為 ±2 V，輸入電阻約為400 kΩ；控制輸入 (V_{x}) 的標(biāo)稱滿量程輸入為3.0 V，輸入電阻為500 Ω。輸出方面，滿量程輸出電流為 ±1 mA，峰值輸出電流可達(dá) ±2.8 mA。

3.4 乘法器特性

乘法器的縮放電壓 (V{U}) 典型值為1.0 V，精度在0.5 - 2%之間，電源靈敏度為0.04%/V?？偝朔ㄕ`差在 (V{x} leq 3 V) ， -2 V < (V_{Y}) < +2 V時(shí)為1 - 2.5% FSR。

4. 引腳配置與功能

AD539有20引腳LLC和16引腳PDIP、SBDIP等不同封裝，不同引腳具有不同的功能。例如， (V{X}) 為控制通道輸入， (V{Y1}) 和 (V_{Y2}) 為信號通道輸入，CHAN1 OUTPUT和CHAN2 OUTPUT為通道輸出等。同時(shí)，還給出了各引腳的詳細(xì)描述和注意事項(xiàng)，如NC引腳表示無連接，不要連接到該引腳。

5. 典型性能曲線

文檔中給出了多個(gè)典型性能曲線，如最大交流增益誤差邊界、總諧波失真與控制電壓的關(guān)系、高頻響應(yīng)等。這些曲線直觀地展示了AD539在不同條件下的性能表現(xiàn)，有助于工程師在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行參考。例如，從總諧波失真與控制電壓的關(guān)系曲線中，可以了解到在不同控制電壓下，器件的失真情況。

6. 工作原理

6.1 電路結(jié)構(gòu)

AD539的簡化原理圖顯示，Q1 - Q6為大幾何尺寸晶體管，通過發(fā)射極面積縮放降低失真。帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電流 (I_{REF}=1.375 mA) ，施加到由Q1和Q2組成的受控共源共柵的公共發(fā)射極節(jié)點(diǎn)。

6.2 電流分配

當(dāng) (V{x}=0 V) 時(shí)， (I{REF}) 全部流經(jīng)Q1；隨著 (V{x}) 升高，流經(jīng)Q2的 (I{REF}) 比例與控制電流 (V_{X} / 2.5 kΩ) 平衡。由于Q1、Q4、Q5和Q2、Q3、Q6的基極連接方式，三個(gè)受控共源共柵以相同比例分配電流到發(fā)射極節(jié)點(diǎn)。

6.3 信號處理

信號電壓 (V{Y1}) 和 (V{Y2}) 先通過電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電流，疊加在2.75 mA的偏置電流上，施加到受控共源共柵Q3/Q4或Q5/Q6的公共發(fā)射極節(jié)點(diǎn)。輸出信號電流與 (V_{X}) 線性相關(guān)，可通過外部負(fù)載電阻或反饋電阻進(jìn)行處理。

7. 設(shè)計(jì)建議

7.1 電路布局

使用高質(zhì)量的接地平面，將器件直接焊接到電路板或安裝在低矮插座中。注意BASE COMMON引腳容易拾取不必要的信號，電源引腳（ (+V{s}) 和 (-V{S}) ）應(yīng)連接0.1 μF - 1 μF的去耦電容到接地平面。在使用外部高速運(yùn)算放大器時(shí)，應(yīng)使用單獨(dú)的電源去耦，并在主電源和去耦電容之間插入10 Ω的小電阻。

7.2 控制放大器補(bǔ)償電容

控制放大器補(bǔ)償電容 (C{C}) 應(yīng)具有短引線接地，最小值為3 nF。為改善信號通道相位響應(yīng)、高頻串?dāng)_和高頻失真，建議使用0.01 μF - 0.1 μF的較大電容?？刂茙捙c該電容成反比，可通過在 (V{X}) 和HF COMP引腳之間使用 (C_{C}) 值5% - 20%的前饋電容來改善控制通道的帶寬和脈沖響應(yīng)。

7.3 控制電壓范圍

(V{x}) 不應(yīng)超過0 V - 3 V的指定范圍。當(dāng) (V{X}<0 V) 時(shí)，交流增益為零，但存在前饋路徑導(dǎo)致控制饋通?？赏ㄟ^在HF COMP引腳連接小信號肖特基二極管來改善從負(fù)值 (V{X}) 的恢復(fù)時(shí)間。當(dāng) (V{X}>3.2 V) 時(shí)，交流增益達(dá)到最大值，過驅(qū)動(dòng)會(huì)在輸出端表現(xiàn)為控制饋通。

7.4 電源電壓

AD539的電源電壓范圍為 ±4.5 V - ±16.5 V。為適應(yīng) ±4.2 V的峰值信號輸入，建議使用標(biāo)稱 +5 V和 -7.5 V的電源。雖然提高電源電壓對性能沒有明顯優(yōu)勢，但為方便起見，可與運(yùn)算放大器使用相同電源。不過，在 ±16.5 V時(shí)，器件功耗較高，需要使用散熱片以確?？煽啃?。

8. 應(yīng)用電路分析

8.1 基本乘法器連接

標(biāo)準(zhǔn)雙通道乘法器電路使用運(yùn)算放大器提供輸出功率，并通過AD539的反饋電阻實(shí)現(xiàn)精確縮放。在標(biāo)稱滿量程輸入 (V{x}=3 V) 和 (V{Y}= pm 2 V) 時(shí)，滿量程輸出為 ±6 V。不同的運(yùn)算放大器選擇可能需要不同的電源電壓，以確保輸出峰值。在小 (V_{x}) 值時(shí)，控制通道的失調(diào)電壓會(huì)影響增益/損耗精度。此外，可通過多種方式改變縮放，如并聯(lián)使用反饋電阻、將通道并聯(lián)使用等。信號通道的交流和瞬態(tài)響應(yīng)主要取決于運(yùn)算放大器，合理布局電路組件可降低饋通和提高響應(yīng)的平坦度。

8.2 最小寬帶配置

使用簡單電阻負(fù)載將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大帶寬。此時(shí)，器件更像電壓控制衰減器，兩通道之間的增益和相位匹配良好。通過并聯(lián)使用兩通道可將輸出功率提高四倍。小信號硅二極管可在輸出負(fù)向提供額外的電壓合規(guī)性。

8.3 差分配置

在單通道處理中，差分使用通道可消除殘余瞬態(tài)控制饋通。通過減去通道1和通道2的輸出，可有效改善大信號響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)通道由互補(bǔ)輸入驅(qū)動(dòng)并差分使用輸出時(shí)，可降低失真。

8.4 50 MHz電壓控制放大器

該電路適用于高品質(zhì)視頻速度應(yīng)用，通過將AD539的兩個(gè)信號通道輸出以減法配置應(yīng)用到運(yùn)算放大器，可提高對控制電壓的抑制能力，并提供非反相或反相響應(yīng)選擇。電路的 -3 dB帶寬在全增益時(shí)超過50 MHz，在低增益時(shí)影響不大。設(shè)計(jì)時(shí)需注意布局以減少高頻電容饋通，小 (V_{x}) 值時(shí)，饋通與乘法器輸出的組合可能導(dǎo)致響應(yīng)下降。

8.5 基本除法器連接

AD539作為兩象限模擬除法器，在寬帶、寬增益范圍應(yīng)用中表現(xiàn)出色。其最簡單的除法連接電路的傳遞函數(shù)為 (V{Y}=-V{U} V{W} / V{X}) ，在 (V{X}=1 V) 時(shí)具有單位增益， (V{X}=0.01 V) 時(shí)增益為40 dB。輸出擺幅限制在標(biāo)稱滿量程 ±2 V和峰值 ±4.2 V。設(shè)計(jì)時(shí)需注意運(yùn)算放大器的失調(diào)調(diào)整，以確保高增益應(yīng)用中輸出的直流電平準(zhǔn)確。同時(shí)，應(yīng)選擇合適的運(yùn)算放大器，并注意帶寬隨 (V_{X}) 值的變化。

9. 總結(jié)

AD539是一款功能強(qiáng)大、性能出色的模擬器件，其雙信號通道和線性增益控制功能為電子工程師提供了豐富的設(shè)計(jì)可能性。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇配置和外部組件，同時(shí)注意電路布局和電源管理，以充分發(fā)揮AD539的性能優(yōu)勢。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地理解和應(yīng)用AD539。大家在使用AD539的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。