ssM 2000

Data Sheet Solid State Music ssM 2000

DUAL LII{EAR.ANTILOG VOTTAGE CONTROTTED AMPTIFIER

The SSM 20OO is a duaf two-quadrant multiplier, each channef harring ,"eparate control and differential signal inputs and a current output. ln addition to linear amplilude control, on

n h i n I n o o i n L p l c m e n t . q h e r r e h e e n n n o r r i d e d f o r n r o d t r c i n g a n v r r r P r v 6 6 r r r 5

a n t i l o g c o n t r o l c h a r a c t e r j s t i c a t t h e o p t i o n o f t h e d e s i g n e r .

T h a r i o : n . F v r L ! r " u i /a a \ t h e r r q p d i n e n r i d e r n r i e t . r r n f a t t d i n f n e n t t e n c v

applications including Voltage Controlfed Amplifiersr Mixdown Panels and as a Biquad T\rning Element. Both channefs are temperature compensated and each channel has an 8O db range.

l i l -

l N +

C O N I N

FEATURES

r Linear or Antilog Control- Charac- teristi-cs

r BO db Control Range

r Excelfent Control Accuracy (l% or better over the entire control range )

r Dral Design (completely indepen- dent selection of controL

n h a p a a - l a r i c i _ i n e \

r Internal Temperature Compensation r Current Output

r Differential Sigrtal Inputs r 2OO Nanoamp Input Bias Current

L o w N o i s e L o w D l r t o r t i o n

A P P L I C A T I O N S

r Voltage Conlrolled Filters

r Two and Four Q-radrant Multi-pliers r Audio l,Lixdown Panels

r AGC Circuits

^ ^ * r - ^ r ' - ' C u r r e n t S o u r c e s

I V U ! U d B C V U r r u f U r a s u

and Sinks

r Anlilog Amplifiers and Expanders a Voltage Control-l-ed Quadrature

0sclflators 1 OUT 1 + S I G I N c o N t N l 1 - S r G rN

- Vcc 2 - S r G l N c o N l N 2 2 + s t G t N

L O G E M I T 1 DIODE 1 G N D +Vcc t o c E U t T 2 DIODE 2 v t R 2 OUT

I

a

1 1 6 2 1 5 3 1 4 4 1 3 5 1 2 6 1 1 7 1 0 8 9

TOP

lcfi cotrnol

EOUTVALENT SCHEMATTC IONE StDE I

S o f id S t a t e M u s i c , 2 1 0 2 A Walsh Ave., Santa Clara, CA 95O5O 9/76

t4o8l 246-2707

ssil 2()0()

Signal Input Bias Current

tttoise Siy'!.oise@1OVpp - ' S i g i n

l l h r n n p l M a l . n h i n q

a - Linear b - Antilog Channel Separation

Sunpl-v Voltase 1

Conlrol- Current

Input Resistance 50 Meg Output Offset Current

-

q , ' h h l r ' O l r o o n *

@ I c o n t r o l - = 1 m A S i e n e l I n n r r t V n l t. a s e V V , R e s i s l o r

V. R Temp. Comp.

F r i c * a r + i ^ - , ' T H n )

@ 1 l / n n S i o T n

S P E C I F I C A T I O N S

AUDIO I N

Min

Max

20OnA 40OnA 84db

4 2 . 5 %

2.5% rq"

1 0 0 d b f 1ov = L2\l

- 1 m A

1OO Meg

- 10 mA 72nA

^ ^ + l + . O V - V ^ ^ - 2 . 5 V

600 650 800

- +2OaoppnfCo -

o . 1 %

O V

L I N E A R C O N T R O L (n o n i n v c r t l n g )

R 1 C w " = 1

colrTRoL I N

2N5ZrO or aquly

Low

PASS

V i n

A D J U 5 T 9 o T F o c 6 0 n V A l T O P O F

V t R Q V t n = l V

A N T I L O G C O N T R O L

)€ CONTROL OP TMPS LM -){)il, Te e ,'",e M C 1 i 9 : , , o r F E T

2N52'lO or 2N930

d l o d c

( F o r aOdb r.ns.);

1 . , 1 1

r r p ' : 1 , .

A N T I L O G C O N T R O L G R A P H

+/+V

O bo(!

+J -lo

o o

+;V

luA r(,'r:,t Control Current

V c o n : R x l c o n

f l'"

- R t

L O G E M I T

- Vcc

NOTCH

Solid State Music

D u a l L i n e a r - A n t i l o g V o l t a g e C o n t r o l l e d A m p l i f i e r A p p l i c a t i o n N o t e

C o n t r o l C i r c u i t s

T o p r o d u c e a l i n e a r c o n t r o l o f a r n p l l f i c a t i o n i n t h e S S M 2 0 0 0 , a l i n e a r v o l t a g e t o c u r r e n t c o n v e r t e r i s u s e d t o s u p p l y a n o u t p u t c o n t r o l c u r r e n t f r o m a n l n p u t v o l t a g e . T h e c i r c u i t i n F i g . A i s u s e d f o r a p o s i t i v e c o n t r o l v o l t a g e ( V c / R " = I c ) , a n d F i g . B f o r a n e g a t i v e v o l t a g e ( - V c / R c = I c ) . T h e r e s i s t o r i n t h e s e c i r c u i g s s h o u l d b e c h o s e n s o t h a t t h e m a x i m u r n d e s l r e d i n p u t v o l t a g e w i l l p r o d u c e a n o u t p t i t c L r r r e n t o f 1 M i 1 . T h e F i g . A c i r c u i t h a s t h e a d v a n t a g e o f h l g h e r i n p u t i m p e d a n c e a n d i n F i g . B a l a r g e r c o . n t r o l v o l t a q e c a n b e u s e d w i t h o u t r u n n i n g i n t o t h e b i a s v o l t a g e o n t h e c o n t r o l p i n ( V s g - 4 V ) . T o " g a n g " t h e

s a i n 5 f b o E h h a l v e s o f t h e I . C t o t h e s a m e c o n t r o l v o l t a g e , t h e c i r c u l t i n F l g . C i s u s e d . T h e 3 . 3 K r e s i s t o r s f o r c e a m a t c h i n t h e c o n t r o l c u r r e n t s i n b o t h a m p s a n d a l s o o f f e r c u r r e n t l i n i t i n g . F o r t h e l a t t e r r e a s o n , l t m a y b e a g o o d i d e a t o i n c l u d e s u c h a r e s i s t o r i n c l r c u i t B , a n d a l s o i l r c i r c u i t I i f a s m a 1 1 R s i s s e l e c t e d .

A t l t i l o g c o n t r o l o f g a i n l s a c h i e v e d b y t h e e x p o n e n t i a l v o l l a g e t o c u r r e n t c o n v e r t e r s i n F i g . D . l i l e g r a p h a L t h e b o t t o m o f t h e p a g e s h o w s t h e A n t i l o g I s t o V g i n r e l a t i o n s h i p a t v a r l o u s r e f e r e n c e c u r r e n t s . A s c a n b e s e e n f r o m t h e g r a p h , E h e r a n g e o f c o n t r o l i s d e t e r m i n e d b y t h e r e f e r e n c e c u r r e n t w h i c h i s s e t u p b y t h e c i r c u i c s i n F i g s . E a n d F ; 8 0 d b f o r l r s ; = 1 0 0 n A e t c . T h e s c a l e f a c t o r , 1 d e c a d e p e r v o l t , i s d e t e r m i n e d 1 . y t h e a l l e n u a t o r w h i c h i n t h i s c a s e g i v e s 6 0 m V a t t h e o p a m p n o n - l n v e r t l n g i n p u t f o r 1 V o l t a t t h e c o n t r o l

i n p u t . I n t h e m o r e g e n e r a l c a s e :

l n ( r c l r r e f ) = R t v i n / ( R l + R 2 ) . v r v r = k T / q

A n t i t o g C o n t r o l i r a P h

ssM 2000

r o o t i o n " r r l F i s A 3 ' 3 * l l ,"

<*

4 V

v"fl /

: R l l

M

c o n t o

!

v o I t a

s a

Vr"g=2v f'

2 N 5 2 1 O r

3 v

2 V

1 v

G n d t O O n A

1 o u t 1 + S i g i n

C o n i n 1 1 - S l g i n - vcc 2 - S l g i n C o n i n 2 2 * S i g i n

l u A l O u A I O O u A l l l l l A C o n t r o l C u r r c n t

L o g c m i t 1 D i o d c 1 G n d

* V c c L o g c m i t 2 D i o d c 2

v t R 2 o u t

t/

i.>

l r o

2 1 5 3 1 4 4 1 3 5 1 2 6 1 1 7 1 0 8 9

T o p V i e w

S o f id S t a t e M u s i c , 2 1 O 2 A W a l s h A v e . , S a n t a C l a r a , C A

s/ ze

9 5 0 5 0 1 4 0 8 1 2 4 6 - 2 7 0 7

P a g e 2

A s o n e c a n s e e t h i s e x p r e s s i o n i s t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e . T h i s e f f e c t c a n b e l a r g e l y c a n c e l l e d i f t h e V r r e s i s t o r p r o v i d e d o n t h e c h i p i s u s e d f o r R 1 . W l t h t h i s r e s i s t o r a n 8 0 d b c o n l r o l r a n g e c a n b e u s e d , i t t t . 1 1 0 2 . t t o r d u e t o E e m p e r a t u r e o v e r t h e s p a n f r o m l 0 o C t o 4 5 o C . T h i s w o r s t c a s e e r r o r w i l l o c c u r f o r E h e l a r g e s t c o n t r o l c u r r e n t i n t h e r a n g e . A n o r d l n a r y r e s i s t o r c a n b e u s e d a s R 1 f o r r o o m t e m P e r a t u r e a p p l i c a c i o n " ( Z S o C I f O o C ) w i t h o n l y a L O % e r r o r l f t h e c o n t r o l r a n g e i s r e s t r i c t e d t o 4 0 d b . ( 1 0 0 t o 1 ) . A n i d e a l t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t l n g r e s l s t o r w o u l d h a v e a t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t o f 3 3 0 O p p m / C o . I f e x t r e m e l y p r e c i s e V t t e m p e r a g u r e c o m p e n s a t i o n i s r e q u l r e d i n t h e a n t i l o g c o n t r o l m o d e , a T e l L a b s T y p e Q 8 1 r e s i s t o r

o ' . e q . , i , r a i . n c c a n b e u s e d i n p l a c e o f t h e o n c h l p V a r e s i . s t o r . A n o t h e r a l t e r n a t i v e i s t o u s e a F a i r c h i l d u A 7 2 6 T e r n p e r a t u r e c o n t r o l l e d D i f f e r e n t l a l p a i r 1 n p l a c e o f t h e o n c h i p l o g g i n g e l e m e n t s . I n t h i s c a s e , n o V a r e s i s t o r i s r e q u i r e d .

I f a c o n t r o l r a n g e o f 6 0 d b o r g r e a t e r i s d e s l r e d , a l o w l n p u t b l a s o p a m p s u c h a s t h e L M 3 0 8 o r t h e T e l e d y n e 8 4 4 s h o u l d b e u s e d i n t t r e V t o I c o n v e r t e r w l t h a l o w l e a k a g e o u t p u t t r a n s i t o r s u c h a s a 2 N 5 2 1 0 o r a 2 N 9 3 0 . A s w i t h c h e l i n e a r i n v e r g l n g c o n t r o l c l r c u l t , a 3 , 3 K r e s i s t o r i s p l a c e d 1 n a s e r i e s w l t h t h e c o l l e c t o r o f t h e o u t p u t t r a n s i t o r f o r c u r r e n t l i m l t i n g . T o g a n g b o t h a m p l t f l e r s t o t h e s a m e c o n t r o l v o l t a g e , t h e c i r c u i t i n F i g . G i s u s e d .

vq4

F i g , H s h o r ^ r s h a l f o f t h e 5 $ { 2 0 0 0 u s e d a s a v o l t a g e c o n t r o l l e d a r n p l l f i e r . T h e o u t p u t v o l t a g e i s r e l a t e d t o t h e i n p u t v o l t a g e s a n d c o n t r o l c u r r e n t b y : .

V o u t = I c o n ( V + - V - ) R F / 1 . 0 6 x 1 0 '

A l i n e a r o r a n t i l o g v o l t a g e t o c u r r e n t c o n v e r l e r s e t s t h e c o n t r o l c u r r e n t a n d t h e o p a n p c o n v e r t s t h e o u t p u l c u r r e n t t o a n o u t p u t v o l t a g e . T h e c a p a c i t o r i n p a r a l 1 e l w i t h t h e f e e d b a c k r e s l s t o r l s n e c e s s a r y t o p r e v e n t o s c i l l a t l o n . F o r a l O K f e e d b a c k r e s i s t o r , 1 5 0 t o 2 2 0 p f s h o u l d b e s u f f l c l e n t , g i v i n g a b a n d w i d t h o f a b o u t 1 0 0 K H z . A N T I L O G V C A W I T H I 3 0 d b C O N T R O L M N G E

I n F i g . | , both halves of the SSM200O are cascaded to produce an antl-log arnplifler w i t h a 1 3 0 d b c o n t r o l r a n g e . T h e c o n t r o l c u r r e n t i n e a c h h a l f o f E h e d e v l c e v a r l e s o n l y f r o m 5 0 0 r : A t o 2 5 0 n A , m a k l n g i t p o s s i b l e t o m a i n t a i n a s i g n a l b a n d w i d t h i n e x c e s s o f 5 0 K H z d o w n t o t h e e x t r e m e l o w e n d . T t r e c o n t r o l c i r c u i t i s d e s i g n e d t o p r o v i d e 1 0 d b o f g a l n p e r v o l t ; t h e . 0 2 u f c a p a c i t o r w a s f o u n d n e c e s s a r y t o p r e v e n t o s c i l a t i o n . I f t h e i n p u t s i g n a l l e v e l i s k e p E a t 3 v o l t s p e a k t o p e a k , t h e s i g n a l t o n o l s e r a t l o l s 6 8 d b a n d d l s t o r t l o n w 1 1 1 b e l e s s E h a n 0 . 3 2 .

F o u r Quadrant Multiplier

I n F l g . J h a l f o f a S S M 2 0 0 0 l s u s e d a s a f o u r q u a d r a n t m u l t i p l l e r g r o u n d 1 s :

T h e o u t D u t c u r r e n t i n t o a v i r t u a l

r o u t = - v 1 v 2 / R " ( 1 . 0 6 x l 0 r )

T o a d j u s t t h e c i r c u i t f o r p r o p e r o p e r a t L o n , a s l g n a l l s a p p l l e d f o t h e V 2 l n p u t w i t h V 1 g o u n d e d a n d R O

crinned for mlnlrnrm feedthrough. V2 ls then grounded, a slgnal applied to V1 and RF trlnmed for minimum

f e e d t h r o u g h w h i c h s h o u l d o c c u r w h e n :

. ^ l

R r . = 1 . 0 6 x 1 0 ' / I r " 6

A m a x l m u m b a n d w i d t h o f a b o u t 2 5 O l 4 1 Z w i l l b e o b t a l n e d w i t h l r " g = 200 uA. I t L e o p a m p c i r c u i t u s e d w i t h t h e v c A c a n b e a d d e d t o c o n v e r t t h e o u t p u t c u r r e n t t o a b u f f e r e d v o l t a g e .

v o l t a s e C o n t r o l l e d F i l t e r

U s i n g t h e c i r c u i t I n F l g . K a v o l t a g e c o n t r o l l e d f i l t e r w i t h a 1 0 , 0 0 0 t o I c o n t r o l r a n g e c a n b e i m p l e r n e n t e d . T h e i c ' w a n d h l g h p a s s o u t p u t s h a v e l 2 d b / o c t a v e r o l l o f f s , t h e b a n d p a s s o u t p u t h a s 6 d b / o c t a v e s k i r t s a n d t h e n o t c h o u t p u t h a s a s h a r p n u l l a t t h e c u t o f f f r e q u e n c y . S u c h c l r c u l t s c a n b e s e r l - e d t o p r o d u c e m o r e c o m p l e x f i l t e r s , I n t h i s a p p l l c a t l o n t h e S S M 2 0 0 0 c a n b e t h o u g h t o f a s a p a l r o f n a t c h e d v o l t a g e c o n t r o l l e d r e s l s t o r s . T h e R r l n t h e d e s l g n e q u a t l o n f o r t h e c u t o f f f r e q u e n c y g i v e n n e x t t o t h e f i g u r e t s l 0 . 6 K w h e n t h e c o n t r o l c u r r e n t i n b o t h h a l - v e s o f t h e d e v l , c e 1 s 1 M i l . A t 1 0 0 u A c o n t r o l c u r r e n t , t h e v a l u e o f t h e R 1 w i l l i n c r e a s e t o 1 0 6 K a n d s o f o r t h . F o r c o n t r o l r a n g e s o f 1 0 0 0 t o 1 o r g r e a t e r , l o w i n p u t b i a s o p a m p s s h o u l d b e u s e d i n t h e c o n t r o l c l r c u L t a n d s i g n a l s e c t i o n o f t h e f l l t e r . T h e M C 1 4 5 6 a n d t h e T e l e d y n e 8 4 4 p e r f o r m w e l l i n t h e s i g n a l s e c t i o n o f f e r l n g J - o w i n p u t b i a s , l o v r n o l s e a n d w i d e p o w e r b a n d r s l d t h . I f a n t l l o g c o n t r o l i s u s e d , t h e g r e a t e s t c o n t r o l a c c u r a c y f o r a 1 0 0 0 t o 1 r a n g e f u o b t a l n e d f o r c o n t r o l c u r r e n t s o f 2 5 0 n A E o 2 5 0 u A .

( F o r o t h e r f i l t e r s t h a t c a n b e u s e d w l t h t h e 2 0 0 0 s e e J T o r ^ r , " A S t e p b y S t e p A c t i v e F i l t e r D e s i g n "

I E E E S p e c t r u m , p p 6 4 - 5 8 , D e c . 1 9 6 9 ) .

vtR

trct:vfr-

vcc

1,"

,O2ul , 33Ks

l'" ^{S i s I n -}

F i g 1 { v c A

P a g e 3

220Pt

v c F

D c r l g n E q u r t i o n r R = l O K R1C wo= 1 R . = 2 1 2 K @ 1 . = S O O U A

' R ' J 1 2 o ' l l R A= 2-1/Q d i o d e s

2 2 O p t S i g i n *

P a s e S i g i n

I n p u t A l t c n u a t o r i o n a l l +

F i g K

H 1 9 h P a s e

B a n d 3'3K

6V Br

)l('

L o w P r s s

9 1 6 Z e n e r s n e e d e d ' l a t c h u P w h € n i s o v e r d r i v e n .

t o p r € Y c n t c i r c u l t F i g J

f4-ury'^,

't'>T/

-f lK K-Y-R1

N o t c h

P a g c 4

V o l t a p e C o n t r o l l e d Q u a d r a t u r e O s c l l l a t o r

T h e v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r c l r c u l t s h o w n l - n F i g . L l s v e r y s i m l - l a r t o t h e v o l t a g e c o n t r o l l e d f i l t e r . A n e x t r e m e l y l o w d l s t o r t i o n s l n e w a v e ( a p p r o x i m a t e l y . O 4 7 . ) c a r ^ b e p r o d u c e d u s i n g t h i s c i r c u i t ' A s . i n t h e f 1 1 t e r , t h e S S M 2 0 0 0 l s u s e d a s a p a i r o f v o l t a g e c o n t r o l l e d r e s l s t o r s t o t u n e a b i q u a d s E a g e . A 1 1 d h e d e s i g r r t l p s g i v e n f o r t h e V C F a l s o a p p l y h e r e . T h e d e s l g n p r o c e d u r e l s :

@fr-uandwidth product of op amps in Hz) P^(Output power in dbm)

nl(cirluit impedance in ohms) t?(center frequency in Hz)

D"(Total harrnonic distortion in db)

+ l D / ' . ] \

1 ) P e a k o u t p u t v o l t a g e ; V p o = ( R o / 5 o o ) f 1 0 " o u - " ' 2 ) T r a n s f e r r a t i o ; r - 1 0 ( ( D - 9 ) / 2 0 ) = 8 4

l) Peak limiter voltage; Yro=2Yrotfr 4) Q setting resistorl R*f t6rfrf

o

5) C: fo capacitorg R2=n3=1/ (z.,cf )=27.2K@I.=5OOuA 6 ) R7&RS ; R7=R8=100(Vcc-O. 6-V1p)/V]p

7) e

"i

cc=t+/(tutcB.\)

N o i s e , D i - s t o r E l o n a n d O f f s e t

T h e o u t p u t s i g n a l t o n o l s e r a t i o o f t h e 2 0 0 0 l n t o a 1 0 K n r e t a l f i l m r e s l s t o r w i t h a n l n p u t s l g n a l o f 3 v o l t s p e a k t o p e a k 1 s 7 2 d b t n d e p e n d e n t o f t h e c o n t r o l c u r r e n t .

T h e t o t a l h a r m o n i c d l s t o r t l o n i s 1 l n e a r l y d e p e n d e n t o n t h e l n p u t s l g n a l a m p l i t u d e . T y p i c a l v a l u e s a r e 1 2 w i t h a 1 0 v o l t p e a k t o p e a k s i g n a l a n d 0 . 1 2 w i t h a 1 v o l t s l g n a l , e t c . *

O f f s e t i n L h e 2 0 0 0 i s b e s t t h o u g h t o f r e f e r r e d t o t h e o u t p u t r a t h e r t h a n t h e s l g n a l i n p u t s . D u e t o t h e n a g u r e o f t h e d e s i g n , t h e D . C . o f f s e t a p p e a r i n g a t t h e o u t p u t w 1 1 1 b e a s m a 1 1 f r a c t l o n o f t h e c o n t r o l c u r r e n t . T l p l c a l l y , 2 % w i X h b o t h s i g n a l l n p u t s g r o u n d e d . T f t h e c o n t r o l c u r r e n t l s k e p t u n d e r 5 0 0 u A , t h e o f f s e t c a n b e t r l m n e d o u t b y a p o t s t r e t c h e d b e t w e e n f h e s u p p l l e s a n d l ^ I i t h t h e w l p e r c o n n e c t e d t o o n e o f t h e s l g n a l i n p u t s .

x h l n t o . r f f h a ^ i r c u i t s i n f i g u r e s C o r G a r e u s e d a s c o n t r o l c i r c u i t s t o g a n g b o t h s i d e s o f t h e

SSI12OOO to the same controJ- voltage, the distortion figure is doubled and includes some second

harrnonic distortion. Using two control circuits with a conmon input will avoid this.

V o l t a g c 9 o n t r o l l c 4 Q u e d r a t u r c O s c l l l a t o r

l G iv e s * t a l e d ju s t m . n t o r u s e 1 0 0 K I i x c d l

t

I I I I

I I I

I I

t_

S l n c l w ^ t l

C o e l w o t l

Rt=100/L

R E C F - l \ / [ r A i : F i l ] 5 1 9 7 ?

THe ^G r Lsenr llulr I PL I ER I r u E l r c t R o t ' t t c l v l u s t c :

- b y D a v e R o s s u n , E p S y s t e m s , 3 0 4 6 S c o t t B l v d . , S a n t a C l a r a , C A 9 5 0 5 0 M o s t E L E C T R O N 0 T E S r e a d e n s a r e f a m i l i a r w i t h t h e R C A C A 3 0 8 0 a n d i t s

u s e s a s a g a i n c o n t r o l l e d s t a g e i n f o r m i n g v o l t a g e c o n t r o l l e d a m p l i f j e r s a n d f i l t e r s . T h e C A 3 0 B 0 h a s i t s p r o b l e m s , a s m a n y r e a d e r s h a v e n o d o u b t d i s c o v e r e d . S o m e o f t h e s e c o m e fr o m p r o c e s s v a r i a t i o n s , m o s t l y d u e t o t h e f a c t t h a t t h e P N P t r a n s ' i s t o r s u s e d i n t h e p o s i t i v e r a i l c u r r e n t m ' i r r o r s h a v e b e t a s o f a r o u n d . | 0 ,

w h i c h , ' , ^ l h e n t h e p r o c e s s i n g is p o o r , c a n g o t o m o r e l i k e 5 . B u t e v e n a t t h e ' i r b e s t , 3 0 8 0 ' s u s e d i n V C A a p p l i c a l , i o n s a r e n o i s y a n d c a u s e s i g n i f i c a n t d i s t o r t i c i n .

T h e 3 0 B C t y p e m u l t j p l i e r , v r h e t h e r d i s c r e t e ( s e e E N S - 7 3 d e s i g n f o r V C A b y D a v e R o s s u m ) o r i n t e g r a t e d , u s e s a d i f f e r e n t i a l i n p u t s t a g e s u c h a s t h a t s h o w n i n f i g u r e 1 . l ' h e t w o o u t p u t c u r r e n t s , I i a n d 1 2 a r e t h e n s u b t r a c t e d a n d c o n v e r t e d t o a v o l t a g e , e i t h e r b y t h e c u r r e n t m i r r o r a r r a n g e r n e n t i n t h e 3 0 8 0 c h i p o r b y a d i f f e r e n t j a l a m p l i f i e r j n t h e d i s c r e t e d e s i g n . T h e r e s u l t i n g _ q l q g l q t _ E s ] _ t r a n s f e r e q u a t j o n f o r t h e c i r c u i t i s t h e n :

V o = R t . 1 . r ( v + - v - )

; l / [ e r ( v + - v - ) + t ] r = q / t t T T h u s w e s e e t h a t t h e c " i r c u ' i t i s b y n o m e a n s I i n e a r , a n d t o a v o i d g r o s s d i s t o r t i o n t h e i n p u t v o l t a g c t o t h e t r a n s i s t o r b a s e s o f t h e i n p u t s t a g e m u s t b e k e p t s m a 1 1 . l ^ l e h a v e t y p ' i c a l l y b e e n u s i n g t h e a t t e n u a t i o n o f l 0 0 K t o 2 2 0 o h m s ' i n t o the stage;

a t l 0 V p / p t l r i s c l i v e s a d i s t o r t i o n o f l . 3 i ( , . I f w e a s s u m e l 0 m j c r o v o l t s o f n o ' i s e a t t h e t r a r r s j s t o r b a s e , t h i s q ' i v e s a l s o a w o r s t c a s e s i g n a l t o n o i s e r a t j o o f 6 6 d B , f o r t h e s a m e l O V p / p s i g n a l .

O b v i o u s i y , i f r r e c o u l d i m p r o v e th e t h e o r e t i c a l t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c t o a m o r e I i r r e a l ^ f o r m , r v e c o u l d i m p r o v e th e d js t o r t j o n . I f i n s t e a d w e c h o s e t o i n c r e : s e n u r s i g n a l l e v e l t o t l ' : e t r a n s i s t o r b a s e s , w e c o u l d u s e t h e i m p r o v e d C i s t c r t j c l r 1 - c jn : t c a d ' l o ' , r e r t h e n o i s c . f n ' t u n a t e l y , a c j r c u i t l ; j i h s u c h a n i m p r o v c d t r a n s f e r c h a r a c t e l ' i s t i c e x js t s - i t i s c a l l e d a G ' i l b e r t r n u l t j p l i e r .

T h e G j l b e r t m u l t i p l i e r d e r i v e s i t s i m p r o v e d p e r f o r m a n c e b y p r e - d i s t o r t i n g t h e i n p u t s i . q n a l t o o u r a l r e a d y s h o w n g a i n c o n t r o l s t a g e . T h i s i s c j o n e b y a d d ' i n g a p a i r o f m a t c h e d d i o d e s i n f r o n t o f t h e t r a n s i s t o r s , a n d m a k i n g th e i n p u t a

d i f f e r e n t j a l c u r r e n t , a s s h o v r n i n f i g u r e 2 . T h e t r a n s f e r e q u a t i o n i s n o w :

v o = R r . [ ( t * / i - ) - 1 ) / [ (r* / r)+ t]

N o t e t h a t i r t h e d i o d e s a r e o n a c o m m o n s u b s t r a t e w ' i t h t h e d i f f e r e n t i a l p a i r , t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d c n c e o f t h e g a i n d i s a p p e a r s !

IAS VOLTAGE

t t t o

va- V - , F i g 1

V ' , F i g I +

I c

F IGURE - B A S i C I M U L T I P L I E R

E N # 6 7 (3 )

F I G U R E 2 - P R E - D I S T O R T I O N

T h i s n e w e q u a t i o n l o o k s a l o t m o r e lj n e a r . I n f a c t , u s i n g t h e f u l l c i r c u i t o f f i g u r e 3 , w e f i n d i t i s I i n e a r , ' i d e a l = l y I i n e a r . T h e f i n a l e q u a t ' i o n , i g n o r i n g t h e v i r i a t i o n i n V b e o f t h e i n p u t t F a n s i s t o r s ( w h i c h re a ' l l y i s p r e t t y s m a l l ) i s :

v e = R I . ( v + - u ' ) / I ' R '

I n f a c t t h e V g g v a r i a t j o n i n t r o d u c e s a f o r a 1 0 V p / p s i g n a l . B u t l o o k w h a t w e c a n d o t r a n s j s t o r b a s e s . T h e f j r s t i n p u t s t a g e h a s l 0 m i c r o v o l t n o ' i s y t r a n s j s t o r s S / N j s . | 2 0

d B . c a n a l s o h a v e la r g e s i g n a l s , l i k e 2 0 0 m V , fo r

v e r y s m a l l d i s t o r t i o n , a b o u t 0 . 2 % t o t h e s i g n a l s a t t h e v a r i o u s t h e f u l l l 0 V p / p a c r o s s it ; w i t h

T h e s e c o n d p a i r , o u r o l d f r i e n d s , a n o t h e r 2 0 d B o r 8 6 d B S / N . M u c h b e t t e r .

B I A S VOLTAGE

rl

Y

i

W h a t h a v e w e D a j d f o r a l ' l t h i s i m p r o v e m e n t ? O b v i o u s l y m o r e p a r t s , ' i n c l u d i n g s o m e m a t c h e d p a i r s . A l s o t h e i n p u t s t o t h e a m p l i f i e r a r e n o l o n g e r s u m m i n g n o d e s ; t h e y r e q u i r e f u l l l e v e l s i g n a l s a n d a n y s u m m i n g m u s t b e d o n e b y e x ' t e r n a l o p - a m p s . T h e - c o n t r o l j n p u t t o t h e i n p u t p a i r n o l o n g e r f l o a t s a r o u n d r v i t h c o m m o n m o d e , b u t s t a y s p u t a n d c a n b e e a s j l y s u p p l i e d w i t h c u r r e n t w i t h o u t a n o t h e r c u r r e n t m i r r o r .

T h e a d d j t j o n a l p a r t s v r o u l d b e a p r o b l e m f o r u s l i t t l e f o l k , b u t o n a n I C t h e y a r e n o p r o b l e m ; m a t c h e d t r a n s i s t o r s a r e c h e a p a n d s m a l ' i o n c h i p s . A d u a l 2 q u a d r a n t

( y e s V i r g i n i a , 4 q u a d r a n t G i l b e r t s h a v e b e e n u s e d fo r y e a f s ' i n t h e . | 4 9 5 )

m u l t i p l i e r i - n i p n a s b e e n - d e v e l o p e d b y R o n D o w o f E x a r a n d i s a v a j i a b l e f o r s a l e ( s e e b e l o w ) .

I t ' s k i n d o f a n e a t c h i p , a s i t n o t o n l y h a s t w o i n d e p e n d e n t G i l b e r t V C A ' s o n i t ' b u t t h e e x t r a p i n s a r e b o n n e c t e d t o s o m e m a t c h e d p a r t s t h a t c a n b e u s e d fo r

e x p o n e n t i a l ' g e n e r a t o r s f o r c o n t r o l l i n g t h e c h a n n e l s , v e r y u s e f u l i n V C F d e s i g n s . F i g u r e { - s h o w s a b a s i c b l o c k d " i a g r a m o f t h e c h j p ; t h e q u o t e d s p e c s a r e i n t a b l e l . B a d n e v r s : t h e c h i p i s d e s i g n e d w i t h 2 4 v o l t b r e a k d o w n , a n d u s e f r o m t l 5 v o l t s u p p l i e s is n ' t r e c o m m e n d e d . H o r i e v e r , I ' v e s p e c c h e c k e d 8 c h i p s a t t h e h i g h e r s u p p l y v o l t a g e a n d a ' l l w o r k e d f i n e w i t h n o n o t i c a b l e l e a k a g e . T a l k j n g t h i s o v e r w i t h R o n , w e d e i i d e d th a t t h e t h i n g s " s h o u l d " w o r k 0 K a t t l 5 V f o r m o s t a p p l i c a t ' i o n s , a s n o N P N c o l l e c t o r i n t h e d e v i c e e x c e e d s 2 3 V ' i n s u c h o p e r a t ' i o n a n d t h e s p e c is 2 4 V m i n . S o u s e t h e m , b u t b e w a r e .

F i g u r e 5 s h o w s a l i n e a r V C A , a n e x p o n e n t i a ' l 1 y c o n t r o l l e d V C A a n d a V C F , u s i n g m o r e o r l e s s t r a d ' i t j o n a l t e c h n i q u e s . N o t e fo r t h e b i q u a d V C F s h o w n , s o m e l i m i t i n g d i o d e s m u s t b e a d d e d a s t h e i n p u t s t a g e t o t h e G j l b e r t m u l t ' i p ' l i e r is s u b j e c t t o

l a t c h - u p i f o v e r d r i v e n . T h i s d i o d e s w o n ' t t u r n o n i n n o r m a l o p e r a t i o n . F I G U R E 3 - G I L B E R T M U L T I P L I E R

EN/l67 (4)

CNTL I + S I G I - S I G CNTL + S I G - S I G 2

L O G E M I T I

LOG EMIT 2

z

2

n HAAr---r

^t 650o + +2000ppm

FIGURE 4 - SSI'I

A ?

O

-E---o

Y H

2OOO DUAL

M I N 5 0 V e e + 4

. | 0 0

* 6

OUT 2 DIODE 1

D I O D E 2

V e e VCA

0 . 2 % 2 I

? . 5 V c c GND

PAMNTTER

S i g n a l I n P u t B i a s C u r r e n t I n p u t R e s i s t a n c e

S i q n a l I n P u t V o l t a g e N o i s e

D i s t o r t j o n ( t H 0 ) l V P / P 0 u t p u t O f f s e t C u r r e n t C h a n n e l M a t c h i n g C h a n n e l Is o l a t i o n C o n t r o l C u r r e n t S u p p l y V o l ta g e S u p p l y C u r r e n t

TYP 200 1 0 0

MA.X LINIT

400 nA

l,l5) V c c - 2 . 5 V - 8 0 d 8 I n / I c

% r c

2 . s %

t 0 %

d B

I rnA

t12 V

1 2 m A

s i g n a l L ' i n

E x p ' 1

l 0

TneLr :l

I c h e c k e d , a s m e n t j o n e d a b o v e , a g r o u p o f t h e s e I C ' s a n d f o u n d a f e w s p e c s t h a t o u q h t t o b e r e p o r t e d . T h e n o j s e w a s i n c r e d i b i y 1 o w , b e t t e r t h a n B 0 d B d o w n ( v i r t u a l l y

i n a u d ' i b l e ) . T h e c o n t r o l r e j e c t i o n v a r i e d a l o t , b u t a v e r a g e d a b o u t 4 0 m V f o r a s w e e p f r o m 0 t o u n ' i t y o a i n ( a b o u t 5 0 d B ) . T h e c o n t r o l r e i e c t ' i o n jn f i l t e r c i r c u i t s v r a s w o r s e , a v e r a g i n g a b o u t 5 0 0 m V ( 2 6 d B ) f o r a l 3 o c t a v e s v r e e p . - 0 n e p a r t . i g o t w a s n o t

t o t a l i y t u n c l i o i a l ; I c a n n o t v o u c h fo r t h e t e s t i n g o n p a r t s f o r s a l e ( m i n e w e r e u n t e s t e d ) .

I f y o u a r e i n t e r e s t e d in p r r r c h a s ' i n g t h e s e , t h e I C i s c a l l e d t h e S S M 2 0 0 0 , a v a i l a b l e t h r o u g h S o l i d S t a t e l t l u s j c , 2102A W a l s h A v e . , S a n t a C l a r a , C A 9 5 0 5 0 . I d o n ' t h a v e fj r m p r i c e s , b u t v l a s to ' l d p a r t s v r i l l b e a b o u t $ 6 i n o n e s , d r o p p ' i n g i n a n y q u a n t i t y . B e s t t h i n g t o c l o is y r r i t e f o r a s p e c s h e e t a n d a p n o t e s , a n d a s k a b o u t p r i c e s .

E N i l 6 7 (s )

1 0pF

g .

l 0 0 K

Linear: VCA, !><lor1gff!-ial- U s i n s S S I ' 1 2 0 0 0 D u a 1

v c A , a n d V C F

S I G

h i B N P N

I . . I N E A R V C A

r o o K ( 3 )

o u t BP

-'l

I

S I G O

' l I i

-{ Lp o u t

.Oil

t 0 K

K

Vc o-

E X P O N N N T I A L V C F

EXPONENT IAL

t 00K H P o u t

2000 pF

7 4 1 ^{h i} _NPN

2 . 2 i ' 1

E N # 6 7 ( 6 )