宽带与蓝牙技术 宽带压控增益放大器 VCA610 及其应用 翟俊祥 （西安建筑科技大学信控学院，陕西 西安 710055 ） 摘要：介绍了电压控制放大器 V C A 6 1 0 的 性 能 、特 点和 使用 注意事 项 ，给出了它的各种应用电路， 分 析 了 它 们 的 工 作 原 理 和 性 能 。 关 键 词 ： 压 控 放 大 器 （ V C A ）； 时 间 增 益 补 偿 （ T G C ）； 自 动 增 益 控 制 （ A G C ）； 指 数 放 大 器 ； 对 数 放 大 器 ； 压 控 滤 波 器 （ V C F ） 中图分类号：TN722.7 +4 文献标识码：B 文章编号：1003-353X(2002)01-0056-04 1 V C A 6 1 0 简 介 V C A 6 1 0 是 B U R R - B R O W N 公司生产的宽带、 增 益 连 续 可 变 的 电 压 控 制 放 大 器 ， 小 信 号 带 宽 3 0 M H z ，额定输出电压 3 V p - p，输出电流 8 0 m A ， 具有 8 0 d B 的增益变化范围，在外加电压 V C 控制 下，可以连续地、线性地从 -40dB 变化到 +40dB。 图 1 是它的原理示意框图。控制电压 V C 对增益 G 的 控 制 作 用 为 ： G(V/V)= (210 CV + )1 G(dB)=-40V C-40 所以，当 V C 从 0 变化到 - 2 V 时，增益从 - 4 0 d B 线 性地变化到 + 4 0 d B 。另外，当 + 0 . 1 V ≤ V C ≤ + 2 V 时，G = - 8 0 d B ，这就实际上有效地阻断了放大器。 的偏置电流来改变其跨导 g m，从而改变放大器的 增益。这种方法比在放大器的输入电路中改变增 益设置电阻的方法，减少了增益电阻上产生的噪 声影响。g m 对温度是很敏感的，V C A 6 1 0 采用专 门的模拟信号处理技术，免除了温度对放大器增 益 的 影 响 。 2 使 用 提 示 2.1 输入偏置和失调补偿 电压放大器的输入级为高阻输入的差动放大 器，可以方便地进行输入阻抗匹配。为了方便输入 端选择，内部晶体管的基极没有连任何电路。使用 时外部应提供直流通路，为晶体管提供基极偏流， 也可在输入端对失调电压进行补偿。由于 VCA610 的失调电压随增益的大小而变化，不可能对各种增 益的情况进行完全补偿，应选择使用时的最大增益 进行调节，使此时的输出失调最小。加入补偿电路 时要注意减小噪声影响。在图 2 所示补偿电路中， R2 采用较小的阻值，既可减小该电阻本身所产生的 热噪声，同时也减小了放大器输入噪声电流在它上 图 1 VCA610 的原理框图 增益控制的基本原理是通过改变双极型晶体管 图2 失调补偿 56 半导体技术第 27 卷第 1 期 二 O O 二年 一月 - 

宽带与蓝牙技术 面的噪声效应。在电位器的滑动端接入旁路电容， 地 短 路 等 。 可以滤除电源噪声。为了增强滤波效果，也为了减 小电源消耗，电位器阻值应选大点。当电位器滑向 两端时，滤波作用减弱，所以应注意选取 R 1 与 R 2 的比值。按图中阻值和电源电压（± 5 V ），放大 3 V C A 6 1 0应 用 电 路 V C A 6 1 0 可变增益的特性，广泛用于自动增 益 控 制（A G C ）放 大 器 、稳 幅 振 荡 器 、对 数 或 器的输入端可得到± 5mV 的补偿电压，而失调补偿 指数放大器、频率变换等电路中，其压控特性在 大概只需要这个数值的十分之一，这就保证了电位 非电量测量、无损伤结构探测、脉冲回波补偿和 器的滑动端处于靠近中间的位置，使其等效滤波电 医学成像等很多领域得到了广泛地应用。下面介 阻不致太小，从而有效滤除电源噪声。 绍它的几种实际应用电路。 2.2 增益控制 3.1 超声回波补偿放大器 增益控制放大器具有 1MHz 的带宽，这在一些 当用超声脉冲进行结构探测时，回波信号会因 应用中是非常有用的。但在一般的增益控制和阻 结构深度而衰减。在图 4 电路中，晶体兼作超声脉 断使用中，高频噪声会对增益控制信号产生调制 效应，可像图 3 那样在控制电压输入端对高频噪声 进行滤波。由于 2m A 的输入偏置电流在 R P 上的压 降会引入增益误差，所以 R P 不应大于 1 0 0 W 。另 外，如前所述，0 ≤ V C ≤ - 2 V 时，放大器工作在 增益控制模式，+0.1V ≤ V C ≤ + 2 V 时，放大器处 于阻断状态。为了防止内部线路饱和，控制电压 V C 的绝对值不应大于 2 V 。 增益极性取决于输入信号接入放大器的哪个输 入端，但为了避免输出信号到同相输入端的有害 反馈，应尽量采用同相输入端接地而输入信号从 反相输入端加入的办法。 图3 控制信号滤波 2.3 布线注意事项 为了发挥 V C A 6 1 0 的性能，要合理布局，精 心装配，高频应用时应当注意布线技术。例如印 刷板上的导线应宽而短，减小信号和供电回路的 电阻和电感；采取良好的电源去耦措施，去耦电 容要用大容量的钽电容和无感小电容并联，以获 得良好的去耦效果；不用的管脚尽量靠近管壳对 January 2002 冲发生器和回波检测传感器，由发射/接收转换开关 连到 VCA610 的输入端。增益控制电压 V C 与转换开 关由逻辑信号控制协调工作。在回波接收期间，V C 为一个随时间负向变化的斜坡电压，适当调节这个 电压的变化速率，即可对回波脉冲由于深度的衰减 进行补偿。这一技术也叫时间增益补偿（T G C ）。 图4 超声回波放大器 3.2 宽范围低噪声压控放大器（V C A ） V C A 6 1 0 的 增 益 控 制 范 围 为 8 0 d B （ - 4 0 ~ + 4 0 d B ）。为了获得更大的控制范围，可以像图 5 那样将两级放大器串联。简单地将 Vc1 和 Vc2 同时 图5 宽范围低噪声压控放大器 Semiconductor Technology Vol. 27 No. 1 57 

宽带与蓝牙技术 接到 0~-2V 的控制电压，就可得到 -80~+80dB 的 增益变化范围，但这样会增大放大器的噪声。应 该像图 5 表格中那样，分别固定一个电压而只变化 另一个电压，各自获得一半的增益范围。这样做 使得 G1 总是大于 G2。由于增益大对应着晶体管偏 置电流大，减小了噪声的影响，而前级放大器的 噪声在总的放大器噪声中起着重要作用。 3.3 宽 范 围 自 动 增 益 控 制 （A G C ）放大器 图7 文氏振荡器 VCA610 良好的压控增益特性使它成为精密 AGC 的理想元件。图 6 所示 AGC 电路在输入电压 60dB 的 变化范围（2 m V ~ 2 V ）内都能保持恒定的输出电压 （振幅值等于直流参考电压 V R）。O P A 6 2 0 组成的电 压比较器和二极管D组成的振幅检波器对放大器的输 出进行检测。当输出电压 VO 的正峰值超过参考电压 V R 时，比较器输出为正，使二极管导通，经 R 3 给 保持电容 C H 充电，使 V C 向正方向（负电压的值减 小）变化，从而使得 V C A 6 1 0 的增益减小。二极 管 D 截止期间，电容 C H 经 R 1 和 R 2 放电，R 1 与 R 2 组 成分压器，限制了 C H 上 的 最 大 负 电 压 ，以防止 VCA610 的增益控制电路过载。R 4 和 C C 对 AGC 反馈 环进行相位补偿。CH 的充电时间常数主要由 R3 和 CH 确定，放电时间常数主要由 R 1 、R 2 和 C H 确定，这 些参数和相位补偿参数都与放大器的信号频率有关， 图中数值针对 100kHz 的信号频率。 该频率的振荡。此时，R 1 继续对 C H 充电，放大器 的增益继续增大，使输出电压不断增加。当输出 电压的振幅值等于参考电压 V R 时，A G C 起作用， 并将输出电压维持在这个水平上。如果将直流参考 电压 V R 用一个交流信号来代替（当然需要加一定 的直流偏置，使 OPA620 的反相输入端始终为正电 位）， 就可以用该信号对输出电压进行幅度调制。 3.5 低漂移宽带指数放大器 以 p n 结的伏安特性为基础的指数和对数放大 器 ， 是 以 e 为 底 的 自 然 指 数 、 对 数 关 系 ， 而 V C A 6 1 0 实现的是以 1 0 为底的常用指数和对数运 算。图 8 中, V O 与 V i n 的对数成比例： V O -= -= -= GV R V R 10 (2 V C + )1 2 VR in1 + RR 2 1 + 1 V R 10 选取参考电压 V R 的值或调节 R 1 与 R 2 的分压 比，均可改变输出灵敏度，但应注意，不要使 V R 或 V C 数值过大而使放大器过载。 图 6 AGC 电路 3.4 稳幅振荡器及幅度调制器 在图 6 的 A G C 放大器的基础上，用 R C 串并 联分压电路引入正反馈，而将反相输入端接地， 就构成了输出幅度稳定的文氏振荡器（如图 7 所 示）。 接通电源后，经 R 1 向 C H 充电，使 V C 负向 变化，放大器的增益从它的最小值开始增大。对 于频率为 f 0=1/2 π R WC W 的信号，反馈电路的分压 系数为 1/3，所以当放大倍数达到 3 时，就会产生 图8 指数放大器 3.6 低漂移宽带对数放大器 如果把放大器的输出信号按指数关系采样进行 反馈，就会得到相反的对数运算。图 9 就是按照 58 半导体技术第 27 卷第 1 期 二 O O 二年 一月 œ œ ß ø Œ Œ º Ø - - 

宽带与蓝牙技术 图9 对数放大器 这个原理构成的对数放大器。 由图可见，只要 V O A ≠ V i n，就会产生反馈电 流对 C C 充电，使 V O L 变化。V O L 的变化经过分压控 制 V C ，调节 V C A 6 1 0 的增益，使 V O A 发生变化。 平 衡 时 ， V O A = V i n 。所以： (a) 低通滤波器 (b) 高通滤波器 V in = V -= OA V R -= R GV + )1 (2 VC 10 -= V R 10 2 VR 1 OL + RR 2 1 + 1 V OL -= + 1( R 2 R 1 + log5.01) V in V R 由上式可见，输入电压 V in 必须与参考电压 V R 极性相反，如果 V R 从 VCA610 的同相输入端加入， 则 V i n 必须与 V R 极性相同。不管哪种情形，V i n 只 能是单一极性。V R 如果是另外一个信号电压，则 可进行两个信号电压之比的对数运算。同样，在 保证 VC 不致过大而使增益控制电路饱和的情况下， 可以通过 R 1 与 R 2 的比值调节放大器的灵敏度。 3.7 压 控 滤 波 器 （ V C F ） 压 控 滤 波 器 就 是 不 用 改 变 滤 波 元 件 的 参 数 ， 而是利用电压方便地调节和控制滤波器的截止频率 和通带，这在很多场合是非常有用的，图 10 就是 利用 V C A 6 1 0 实现压控滤波的实用电路。 我们可以这样来理解图 10 （a ）电路的工作 原理：设 V C A 6 1 0 的 增 益 G = 1 ，则 它 的 作 用 就 象一条短路线一样，R 2 与 C 并联作为 O P A 6 2 0 的 反 馈 元 件 。 由 于 高 频 反 馈 强 ， 低 频 反 馈 弱 ， 显 然它是一个低通滤波器，其上限频率 f h = 1 / 2 π R 2 C 。 对 于 G ≠ 1 ， 则 V O = G V O A ， 流 过 R 2 的 电 (c) 带通滤波器 图10 压控滤波器 流则为 I = V O / R 2= G V O A/ R 2= V O A/ （R 2/ G ）（左端为 虚地）， 这就相当于一个数值为 R 2/ G 的电阻与 C 并联接在 V O A 与虚地之间，因此，O P A 6 2 0 有源 低通滤波器的上限频率成为： = f h 1 R G 2 ) C (π2 = G CR π2 2 用控制电压 VC 改变 VCA610 的增益 G 就实现了 通过电压控制滤波器截止频率的目的，按图中参 数，上限频率可在 1 0 0 H z 与 1 M H z 之间变化。 图 1 0 （b ）中，R 3 起 相 位 补 偿 作 用 ，数值 很小。忽略了 R3，并用相同的方法分析,可得它的 下 限 频 率 为 ： f = l π2 1 CGR 1 （下转第 6 4 页） January 2002 Semiconductor Technology Vol. 27 No. 1 59 œ ß ø Œ º Ø - · · ł Ł - - 

企业之窗 创业热潮，虽然很多硅谷人士都坚信硅谷的 金涌向中国，这对中国来说会是一个千载难逢的 未来，对于前往中国创业的艰辛有充分的了解， 发展机会。据称，2000 年大陆芯片市场容量为 30 但作为华人，中国大陆的魅力是难以抵挡的。新 亿美元，其中只有 1 4 . 5 % 是由大陆厂商提供 的。 进将采取半自有产品半代工，半外销半内销的经 而到 2 0 0 5 年，大陆的芯片产量将达到 2 0 0 亿块， 营 模 式 。 销售额达到 600 亿至 800 亿元，但是还只能满足国 问：现今中国已进入 W T O ，中国半导体产业 内市场 3 0 % 的需求。巨大的市场和广阔的前景使 已在逐渐与国际接轨，国家又相继推出一系列优 中国大陆成为全球芯片厂商的乐土。虽然受国际 惠政策支持微电子产业，您认为中国的半导体产 及美国经济的影响，预计将于 2001 年底复苏的半 业会达到人们的期望值吗？ 导体产业会推迟进程，但投资者都认为中国的半 答：政治稳定，技 术 水 平 较 高 ， 人才济 济， 导体业掘起的势头会很迅猛，也非常看好中国市 劳动力低廉是中国的一大优势。现在中国又加入 场。新进将要成为一个真正立足于中国市场，在 了 W T O ，市场较开放，政府又相继推出一系列优 世界市场中能够竞争的有一定知明度、有一定先 惠政策和条例（如国家 1 8 号文、5 4 号文）吸引 进技术和技术含量的一家半导体制造公司。 大量资金的投入。美国 9 1 1 事件之后，更多的资 （上接第 5 9 页） 当增益控制电压 V C 从 0 变到 - 2 V 时，下限频 率从 1 0 k H z 变到 1 H z 。值得一提的是，理论上高 通滤波器的带宽应从 fL 开始直到无穷大频率，但 实际由于运算放大器有限带宽及相位补偿电路， 都限制了高通滤波器的高频性能。 图 1 0 （c ）是一个压控带通滤波器，其频率 ( jA V w ) = = V O V I 1 + 1 jn w ( RC G RC w ) 令 虚 部 为 0 ，则 得 中 心 频 率： = f 0 G π2 RC = ( 10 π2 + )1 cV RC 响 应 为 ： 可见，中心频率是受 V C 控制的。 （收稿日期：2 0 0 0 1 2 0 8 ） （上接第 6 1 页） 中 国 会 成 为 我 们 全 球 业 务 的 重 要 基 础。” 当 然 ， 1000 万美元建成两层占地 120,000 平方英尺的世 Pond同 时 表 示 ：“ 随 着 全 球 经 济 发 展 放 缓 ， 快 界级后端厂房。其后将加建 280,000 平方英尺的 捷将分阶段实施建厂计划，以便能有效地与市场 厂房，以及最后阶段 400,000 平方英尺的扩充厂 发 展 接 轨。” 房 。 全 新 厂 房 的 总 投 资 额 ， 包 括 购 地 、 建 筑 成 接着他说：“ 在 目 前 的 经 济 形 势 下 建 立 新 的 本及设备安装等，预计将于未来五年达到 2 亿美 生产基地，表明了我们欲继续成为半导体产业先 元 。 驱 的 决 心 。 在 这 段 困 难 时 期 ， 快 捷 已 成 功 超 越 苏州市副市长兼苏州工业园管理委员会主席 业 界 发 展 ，所有产品线均取得更高的市场份额， 王金华说：“对于快捷半导体公司决定在苏州作 成为全球领先的功率产品供货商及亚洲第一的分 出 重 要 的 投 资 ， 我 们 引 以 为 荣 。 快 捷 将 与 多 家 立组件供货商。我有信心这个新工厂将有助于我 世界领先的科技公司一样，得以充分享用中国和 们 在 全 球 竞 争 激 烈 的 市 场 上 ， 如 中 国 ， 争 取 到 新加坡合作工业园政府所提供的优美环境、优秀 更 多 的 市 场 份 额。” 人 才 和 优 质 服 务。” 据 悉 ， 中 国 -新 加 坡 苏 州 第 一 阶 段 工 程 将 于 2002 年 年 初 展 开 ， 耗 资 工业园位于江苏省，是中国最成功的工业园之一。 64 半导体技术第 27 卷第 1 期 二 O O 二年 一月 - - -