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2181CS08-U

器件型号:2181CS08-U
器件类别:半导体    其他集成电路(IC)   
文件大小:3468.66KB,共10页
厂商名称:THAT Corporation
厂商官网:http://www.thatcorp.com/
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器件描述

operational amplifiers - Op amps trimmable vca .02% thd

参数
Manufacturer: THAT Corporation
Product Category: Operational Amplifiers - Op Amps
RoHS: Yes
Brand: THAT
Gain Bandwidth Product: 20 MHz
Number of Channels: 1 Channel
Input Offset Voltage: 5 mV
Input Bias Current - Max: 15 nA
Operating Supply Voltage: +/- 4 V to +/- 18 V
Mounting Style: SMD/SMT
Package / Case: SO-8
Slew Rate: 12 V/us
Shutdown: No Shutdown
Maximum Operating Temperature: + 70 C
Packaging: Tube
Dual Supply Voltage: +/- 15 V
Maximum Dual Supply Voltage: +/- 18 V
Minimum Dual Supply Voltage: +/- 4 V
Minimum Operating Temperature: 0 C
Factory Pack Quantity: 98
Supply Current: 4 mA

2181CS08-U器件文档内容

               FEATURES                                           Blackmer Trimmable IC
                                                           Voltage Controlled Amplifiers
Wide Dynamic Range: >120 dB
Wide Gain Range: >130 dB                                  THAT 2181A, 2181B, 2181C
Exponential (dB) Gain Control
Low Distortion:                                               APPLICATIONS

   ~ 0.0025 % (typical 2181A)                         Faders
   ~ 0.005 % (typical 2181C)                         Panners
Wide Gain-Bandwidth: 20 MHz                         Compressors
Dual Gain-Control Ports (pos/neg)                   Expanders
Pin-Compatible with 2150-Series                     Equalizers
                                                      Filters
                                                      Oscillators
                                                      Automation Systems

                                     Description

     THAT 2181 Series integrated-circuit voltage          The VCA design takes advantage of a fully
controlled amplifiers (VCAs) are very high-          complementary dielectric isolation process which
performance current-in/current-out devices with      offers closely matched NPN/PNP pairs. This deliv-
two opposing-polarity, voltage-sensitive control     ers performance unobtainable through any
ports. They offer wide-range exponential control     conventional process, integrated or discrete. The
of gain and attenuation with low signal distortion.  parts are available in three grades, allowing the
The parts are selected after packaging based         user to optimize cost vs. performance. Both 8-pin
primarily on after-trim THD and control-voltage      single-in-line (SIP) and surface mount (SO)
feedthrough performance.                             packages are available.

                                                                        Pin Name SIP Pin SO Pin

                                                                        Input                     1   1

                                                     7                  Ec+                       2   2

                                     2k              Vcc

                                                                        Ec-                       3   3

        BIAS CURRENT                                         2          Sym                       4   4
        COMPENSATION
                                                            Ec+         V-                        5   5
Input                                                25
                                                                        Gnd                       6   6
    1                                                       Ec-
    6                                  Vbe                              V+                        7   7
                                     MULTI-                  3
Gnd                                  PLIER                              Output                    8   8
                                                             8
                                                                            Table 1. Pin Assignments
                                                       Output

                                                             4

                                                           Sym

                                                     Iadj               Max Trimmed   Plastic        Plastic
                                                                   V-         THD       SIP            SO

                                                                     5  @1V,1kHz,0dB

                                                        Iset            0.01% 2181AL08-U 2181AS08-U

                                                                        0.02% 2181BL08-U 2181BS08-U

                                                                        0.05% 2181CL08-U 2181CS08-U

Figure 1. 2181 Series Equivalent Circuit Diagram                        Table 2. Ordering information

                      THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, Massachusetts 01757-1656; USA
                            Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Web: www.thatcorp.com
                               Copyright 2008, THAT Corporation Document 600030 Rev 02
Document 600030 Rev 02                                    Page 2 of 12                                THAT 2181 Series
                                                                                   Blackmer Trimmable IC VCAs

                                      SPECIFICATIONS1

                                      Absolute Maximum Ratings2,3

Positive Supply Voltage (VCC)                     +20 V     Power Dissipation (PD) (TA = 75 C)          330 mW
Negative Supply Voltage (VEE)                      -20 V    Operating Temperature Range (TOP)        0 to +70 C
Supply Current (ICC)                              10 mA     Storage Temperature Range (TST)      -40 to +125 C
Maximum EC EC+ - (EC-)                             1V

                        Recommended Operating Conditions

                                                            2181A           2181B                 2181C
                                                                                            Min Typ Max Units
Parameter               Symbol        Conditions            Min Typ Max Min Typ Max

Positive Supply Voltage VCC                                 +4 +15 +18 +4 +15 +18 +4 +15 +18 V
                                                            -4 -15 -18 -4 -15 -18 -4 -15 -18 V
Negative Supply Voltage VEE                                 1 2.4 3.5 1 2.4 3.5 1 2.4 3.5 mA
                                                            -- 0.35 2.5 -- 0.35 2.5 -- 0.35 2.5 mA
Bias Current            ISET          VCC - VEE = 30 V
                                        ISET = 2.4 mA
Signal Current          IIN + IOUT

                                      Electrical Characteristics2

                                                            2181A           2181B                 2181C
                                                                                            Min Typ Max Units
Parameter               Symbol        Conditions            Min Typ Max Min Typ Max

Supply Current          ICC           No signal             -- 2.4 4 -- 2.4 4 -- 2.4 4 mA

Equiv. Input Bias Current IB           No Signal            -- 2 10 -- 2 12 -- 2 15 nA
                                                            -- 5 -- -- 5 -- -- 5 -- mV
Input Offset Voltage    VOFF(IN)       No Signal

Output Offset Voltage VOFF(OUT)       Rout = 20 k
                                       0 dB gain
                                                            -- 0.5 1 -- 1          2 -- 1.5 3 mV
                                      +15 dB gain
                                      +30 dB gain           --1         3 -- 1.5 4 -- 3 10 mV

                                                            -- 3 12 -- 5 15 -- 9 30 mV

Gain Cell Idling Current IIDLE                               -- 20 --        -- 20 --        -- 20 -- A

Gain-Control Constant               TA =25C (TCHIP35C)    6.0 6.1 6.2     6.0 6.1 6.2     6.0 6.1 6.2 mV/dB
                                                            -6.2 -6.1 -6.0  -6.2 -6.1 -6.0  -6.2 -6.1 -6.0 mV/dB
                                    -60 dB < gain < +40 dB   -- +0.33 --     -- +0.33 --     -- +0.33 -- %/C

                      EC+ /Gain (dB) Pin 2 (Fig. 15)

                      EC- /Gain (dB)  Pin 3

Gain-Control TempCo EC /TCHIP Ref TCHIP = 27C

Gain-Control Linearity                -60 to +40 dB gain    -- 0.5 2 -- 0.5 2 -- 0.5 2 %

1 kHz Off Isolation                 EC+= -360mV,EC-=+360mV 110 115 -- 110 115 -- 110 115 -- dB
Output Noise
                        en(OUT)       20 Hz ~ 20 kHz
                                        Rout = 20k
                                          0 dB gain         -- -98 -97 -- -98 -96 -- -98 -95 dBV
                                        +15 dB gain         -- -88 -86 -- -88 -85 -- -88 -84 dBV

Voltage at V-           VV-           No Signal             -3.1 -2.85 -2.6 -3.1 -2.85 -2.6 -3.2 -2.85 -2.6 V

1. All specifications are subject to change without notice.
2. Unless otherwise noted, TA=25C, VCC=+15V, VEE= -15V. Test circuit as shown in Figure 2. SYM ADJ is adjusted for minimum THD at 1 V, 1 kHz, Ec- = -Ec+ = 0 V.
3. Stresses above those listed under "Absolute Maximum Ratings" may cause permanent damage to the device. These are stress ratings only; the functional operation of
the device at these or any other conditions above those indicated in the operational sections of this specification is not impli ed. Exposure to absolute maximum rating condi-
tions for extended periods may affect device reliability.

                            THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, Massachusetts 01757-1656; USA
                                  Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Web: www.thatcorp.com
                                                          Copyright 2008, THAT Corporation
THAT 2181 Series                                      Page 3 of 12                    Document 600030 Rev 02
Blackmer Trimmable IC VCAs

                               Electrical Characteristics (con't)2

                                                           2181A         2181B              2181C
                                                                                      Min Typ Max Units
Parameter       Symbol              Conditions         Min Typ Max Min Typ Max

Total Harmonic Distortion THD       1 kHz

                               VIN = 0 dBV, 0 dB gain -- 0.0025 0.005 -- 0.004 0.008 -- 0.005 0.02 %

                               VIN = +10 dBV, -15 dB gain -- 0.018 0.025 -- 0.025 0.035 -- 0.035 0.07 %

                               VIN = -5 dBV, +15 dB gain -- 0.018 0.025 -- 0.025 0.035 -- 0.035 0.07 %

                               VIN = +10 dBV, 0 dB gain -- 0.004 0.008 -- 0.006 0.010 -- 0.015 -- %

Slew Rate                      RIN = ROUT = 20 k       -- 12 -- -- 12 -- -- 12 -- V/s

Symmetry Control Voltage VSYM AV = 0dB, Minimum THD -0.5 -- +0.5 -1.5 -- +1.5 -2.5 -- +2.5 mV

Gain at 0 V Control Voltage         EC- = 0 mV         -0.1 0.0 +0.1 -0.15 0.0 +0.15 -0.2 0.0 +0.2 dB

                                              Vcc

                               2181                   Ec-                       22p

                               Series

                               VCA 7                                            20k

                                                V+ 3

IN                                         1          Ec-           OUT        -

                                                -IN    SYM          8          OP275

                                                      Ec+  4                   +                OUT
                                                  GND
           10u                 20k                     2
                                                V- 6
                                                   5

                                                                                           Vcc

    Power Supplies                   5.1k                                Rsym         50k  SYM
      Vcc = +15 V                                                                          ADJ
      Vee = -15 V
                                                              680k (2181A)
                                                              220k (2181B)             Vee
                                                              130k (2181C)
                                           Vee

                                       Figure 2. Typical Application Circuit

Figure 3. 2181 Series Frequency Response vs. Gain                      Figure 4. 2181 Series Noise (20kHz NBW) vs. Gain

           THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, Massachusetts 01757-1656; USA
                 Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Web: www.thatcorp.com
                                         Copyright 2008, THAT Corporation
Document 600030 Rev 02                         Page 4 of 12                       THAT 2181 Series
                                                               Blackmer Trimmable IC VCAs

                                         Theory of Operation4

     The THAT 2181 Series VCAs are designed for
high performance in audio-frequency applications
requiring exponential gain control, low distortion,
wide dynamic range and low control-voltage
feedthrough. These parts control gain by converting
an input current signal to a bipolar logged voltage,
adding a dc control voltage, and re-converting the
summed voltage back to a current through a bipolar
antilog circuit.

     Figure 5 presents a considerably simplified inter-      Figure 6. Gain vs. Control Voltage (EC+, Pin 2) at 25C
nal circuit diagram of the IC. The ac input signal
current flows in pin 1, the input pin. An internal
operational transconductance amplifier (OTA) works
to maintain pin 1 at a virtual ground potential by
driving the emitters of Q1 and (through the Voltage
Bias Generator) Q3. Q3/D3 and Q1/D1 act to log the
input current, producing a voltage, V3, which repre-
sents the bipolar logarithm of the input current. (The
voltage at the junction of D1 and D2 is the same as
V3, but shifted by four forward Vbe drops.)

Gain Control                                                 Figure 7. Gain vs. Control Voltage (EC-, Pin 3) at 25C

     Since pin 8, the output, is usually connected to a
virtual ground, Q2/D2 and Q4/D4 take the bipolar
antilog of V3, creating an output current which is a
precise replica of the input current. If pin 2 (EC+) and
pin 3 (EC-) are held at ground (with pin 4 - SYM -
connected to a high impedance current source), the
output current will equal the input current. For pin 2
positive or pin 3 negative, the output current will be
scaled larger than the input current. For pin 2
negative or pin 3 positive, the output current is
scaled smaller than the input.

                                                             Figure 8. Gain vs. Control Voltage (EC-) with Temp (C)

                                                               In normal operation, the output current is
                                                          converted to a voltage via an opamp-based I-V
                                                          converter, as shown in Figure 2, where the conver-
                                                          sion ratio is determined by the feedback resistor
                                                          connected between the output and inverting input.
                                                          The signal path through the VCA and the output
                                                          opamp is non-inverting.

Figure 5. Simplified Internal Circuit Diagram                  The scale factor between the output and input
                                                          currents is the gain of the VCA. Either pin 2 (Ec+) or
                                                          pin 3 (Ec-), or both, may be used to control gain.
                                                          Gain is exponentially proportional to the voltage at
                                                          pin 2, and exponentially proportional to the negative
                                                          of the voltage at pin 3. Therefore, pin 2 (Ec+) is the
                                                          positive control port, while pin 3 (Ec-) is the

4. For more details about the internal workings of the 2181 Series of VCAs, see An Improved Monolithic Voltage-Controlled
Amplifier, by Gary K. Hebert (Chief Technology Officer, for THAT Corporation), presented at the 99th convention of the
Audio Engineering Society, New York, Preprint number 4055.

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negative control port. Because of the exponential        Trimming
characteristic, the control voltage sets gain linearly
in decibels. Figure 6 shows the decibel current gain          The 2181-Series VCAs are intended to be
of a 2181 versus the voltage at Ec+, while Figure 7      adjusted for minimum distortion by applying a small
shows gain versus the Ec-.                               variable offset voltage to pin 4, the SYM pin. Note
                                                         that there is a 25  resistor internal to the 2181
Temperature Effects                                      between pin 4 and pin 2. As shown in Figure 2,
                                                         Page 3, the usual method of applying this offset is to
     The logging and antilogging in the VCA depends      use the internal 25  resistor along with a larger
on the logarithmic relationship between voltage and      value resistor to form a voltage divider connected to
current in a semiconductor junction (in particular,      the wiper of a trim pot across the supply rails.
between a transistor's Vbe and IC). As is well known,
this relationship is temperature dependent. There-            This trim should be adjusted for minimum
fore, the gain of any log-antilog VCA depends on its     harmonic distortion. This is usually done by applying
temperature.                                             a middle-level, middle-frequency signal (e.g. 1 kHz at
                                                         1 V) to the audio input, setting the VCA to 0 dB gain,
     Figure 8 shows the effect of temperature on the     and adjusting the SYM trim while observing THD at
negative control port. (The positive control port        the output. In the 2181, this adjustment coincides
behaves in the same manner.) Note that the gain at       closely with the setting which produces minimum
Ec = 0 V is 0 dB, regardless of temperature. Chang-      control-voltage feedthrough, though the two settings
ing temperature changes the scale factor of the gain     are not always identical.
by 0.33%/C, which pivots the curve about the 0 dB
point.                                                   DC Feedthrough

     Mathematically, the 2181's gain characteristic is        Normally, a small dc error term flows in pin 8
                                                         (the output). When the gain is changed, the dc term
Gain  =         EC+ - EC-      ,  Eq. 1                  changes. This control-voltage feedthrough is more
         (0.0061)(1+0.0033 T)                            pronounced with gain; the A version of the part
                                                         produces the least feedthrough, the C version the
     where T is the difference between room              most. See Figure 9 for typical curves for dc offset vs.
temperature (25C) and the actual temperature, and       gain
Gain is the gain in decibels. At room temperature,
this reduces to                                                     Figure 9. Representative DC Offset vs. Gain

Gain  =  EC+ - EC-  ,             Eq. 2                  Audio Performance
           0.0061
                                                              The 2181-Series VCA design, fabrication and
     If only the positive control port is used, this     testing ensure extremely good audio performance
becomes                                                  when used as recommended. The 2181 maintains
                                                         low distortion over a wide range of gain, cut and
Gain  =   EC+    ,                Eq. 3                  signal levels. Figures 10 through 12 show typical
         0.0061                                          distortion performance for representative samples of
                                                         each grade of the part. At or near unity gain, the
     If only the negative control port is used, this     2181 behaves much like a good opamp, with low
becomes                                                  distortion over the entire audio band. Figure 13
                                                         shows typical THD for a 2181A over frequency at 0
Gain  =    EC-   ,                Eq. 4                  dB gain, with a 1 V input signal, while Figure 14
         0.0061                                          details the harmonic content of the distortion in a
                                                         typical Agrade part.
DC Bias Currents

     The 2181 current consumption is determined by
the resistor between pin 5 (V-) and the negative
supply voltage (VEE). Typically, with 15V supplies, the
resistor is 5.1 k, which provides approximately
2.4 mA. This current is split into two paths: 570 A
is used for biasing the IC, and the remainder
becomes ICELL as shown in Figure 5. ICELL is furth

     er split in two parts: about 20 A biases the core
transistors (Q1 through Q4), the rest is available for
input and output signal current.

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Figure 10. 1 kHz THD+Noise vs. Input Level, 0dB Gain    Figure 13. 2181A THD+N vs Frequency, 0dB gain 1kHz 1V

Figure 11. 1 kHz THD+Noise vs. Input Level, +15dB Gain                Figure 14. FFT of THD, Typical 2181A,
                                                                                  0dB Gain, 1V, 1kHz

Figure 12. 1 kHz THD+Noise vs. Input Level, -15dB Gain

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Input                        Applications

                                             High-Frequency Distortion

     As mentioned above, input and output signals are          The choice of input resistor has an additional,
currents, not voltages. While this often causes some      subtle effect on distortion. Since the feedback imped-
conceptual difficulty for designers first exposed to      ances around the internal opamp (essentially Q1/D1
this convention, the current input/output mode            and Q3/D3) are fixed, low values for the input resis-
provides great flexibility in application.                tor will require more closed-loop gain from the
                                                          opamp. Since the open-loop gain naturally falls off at
     The Input pin (pin 1) is a virtual ground with       high frequencies, asking for too much gain will lead
negative feedback provided internally (see Figure 5,      to increased high-frequency distortion. For best
Page 4). The input resistor (shown as 20 k in             results, this resistor should be kept to 10 k or
Figure 2, Page 3) should be scaled to convert the         above.
available ac input voltage to a current within the
linear range of the device. Generally, peak input         Stability
currents should be kept under 1 mA for best distor-
tion performance.                                              An additional consideration is stability: the inter-
                                                          nal op amp is intended for operation with source
     Refer to Figures 10 through 12 to see how distor-    impedances of less than 60 k at high frequencies.
tion varies with signal level for the three parts in the  For most audio applications, this will present no
2181 Series for 0 dB, +15 dB and -15 dB gain. The         problem.
circuit of Figure 2, Page 3 was used to generate these
curves.                                                   DC Coupling

     For a specific application, the acceptable distor-        The quiescent dc voltage level at the input (the
tion will usually determine the maximum signal            input offset voltage) is approximately 0 V, but, as in
current level which may be used. Note that, with          many general-purpose opamps, this is not well
20 k current-to-voltage converting resistors, distor-     controlled. Any dc input currents will cause dc in the
tion remains low even at 10 V rms input at 0 dB or        output which will be modulated by gain; this may
-15 dB gain, and at 1.7 V rms input at +15 dB gain        cause audible thumps. If the input is dc coupled, dc
(~10 V rms output). This is especially true in the A     input currents may be generated due to the input
and B grades of the part.                                offset voltage of the 2181 itself, or due to offsets in
                                                          stages preceeding the 2181. Therefore, capacitive
Distortion vs. Noise                                      coupling is almost mandatory for quality audio appli-
                                                          cations. Choose a capacitor which will give accept-
     A designer may trade off noise for distortion by     able low frequency performance for the application.
decreasing the 20 k current-to-voltage converting
resistors used at the input and output in Figure 2,       Summing Multiple Input Signals
Page 3. For every dB these resistor values are
decreased, the voltage noise at the output of the              Multiple signals may be summed via multiple
OP275 is reduced by one dB. For example, with             resistors, just as with an inverting opamp configura-
10 k resistors, the output noise floor drops to           tion. In such a case, a single coupling capacitor may
104 dBV (typical) at 0 dB gain -- a 6 dB reduction       be located next to pin 1 rather than multiple capaci-
in noise because 10 k is 1/2 of (6 dB lower than)         tors at the driven ends of the summing resistors.
20 k.                                                     However, take care that the capacitor does not pick
                                                          up stray signals.
     Conversely, if THD is more important than noise
performance, increasing these resistors to 40 k will      Output
increase the noise level by 6 dB, while reducing
distortion at maximum voltage levels. Furthermore, if          The Output pin (pin 8) is intended to be
maximum signal levels are higher (or lower) than the      connected to a virtual ground node, so that current
traditional 10 V rms, these resistors should be           flowing in it may be converted to a voltage (see
scaled to accommodate the actual voltages prevalent       Figures 2 & 15). Choose the external opamp for good
in the circuit. Since the 2181 handles signals as         audio performance. The feedback resistor should be
currents, these ICs can even operate with signal          chosen based on the desired current-to-voltage
levels far exceeding the 2181's supply rails, provided    conversion constant. Since the input resistor deter-
appropriately large resistors are used.                   mines the voltage-to-current conversion at the input,

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the familiar ratio of Rf /Ri for an inverting opamp will       Mathematically, this can be expressed as
determine the overall voltage gain when the 2181 is
set for 0 dB current gain. Since the VCA performs              ICELL  Peak (IIN) + Peak (IOUT) + 220 A; and
best at settings near unity gain, use the input and
feedback resistors to provide design-center gain or            ICELL = ISET - 350 A. Therefore,
loss, if necessary.
                                                               ISET  Peak (IIN) + Peak (IOUT) + 570 A.
     A small feedback capacitor around the output
opamp is needed to cancel the output capacitance of            The voltage at V- (pin 5) is four diode drops
the VCA. Without it, this capacitance will destabilize    below ground, which, for the 2181, is approximately
most opamps. The capacitance at pin 8 is typically        -2.85 V. Since this pin connects to a (high
15 pF.                                                    impedance) current supply, not a voltage supply,
                                                          bypassing at pin 5 is not normally necessary.
Power Supplies
                                                          Ground
Positive
                                                               The GND pin (pin 6) is used as a ground refer-
     The positive supply is connected directly to V+      ence for the VCA. The non-inverting input of the
(pin 7). No special bypassing is necessary, but it is     internal opamp is connected here, as are various
good practice to include a small (~1 f) electrolytic      portions of the internal bias network. It may not be
or (~0.1 f) ceramic capacitor close to the VCA IC on      used as an additional input pin.
the PCB. Performance is not particularly dependent
on supply voltage. The lowest permissible supply          Voltage Control
voltage is determined by the sum of the input and
output currents plus ISET , which must be supplied        Negative Sense
through the output of the internal transconductance
amplifier and down through the core and voltage bias           EC- (pin 3) is the negative voltage control port.
generator. Reducing signal currents may help accom-       This point controls gain inversely with applied
modate low supply voltages. THAT Corporation              voltage: positive voltage causes loss, negative voltage
intends to publish an application note covering           causes gain. As described on Page 5, the current gain
operation on low supply voltages. Please inquire for      of the VCA is unity when pin 3 is at 0 V with respect
its availability.                                         to pin 2, and varies with voltage at approximately
                                                          -6.1 mV/dB, at room temperature.
     The highest permissible supply voltage is fixed by
the process characteristics and internal power            Positive Sense
consumption. +18 V is the nominal limit.
                                                               As mentioned earlier, EC+ (pin 2) is the positive-
Negative                                                  sense voltage control port. A typical circuit using this
                                                          approach is shown in Figure 15. EC- (Pin 3) should be
     The negative supply terminal is V- (pin 5). Unlike   grounded, and EC+ (pin 2) driven from a
normal negative supply pins, this point is intended to    low-impedance voltage source. Using the opposite
be connected to a current source ISET (usually simply     sense of control can sometimes save an inverter in
a resistor to VEE), which determines the current avail-   the control path.
able for the device. As mentioned before, this source
must supply the sum of the input and output signal        Positive and Negative
currents, plus the bias to run the rest) of the IC. The
minimum value for this current is 570 A over the               It is also possible (and sometimes advantageous)
sum of the required signal currents. Usually, ISET        to drive both control ports, either with differential
should equal 2.4 mA for most pro audio applications       drive (in which case, the control sensitivities of each
with 15 V supplies. Higher bias levels are of limited    port are summed), or through two different control
value, largely because the core transistors become        signals. There is no reason why both control ports
ineffective at logging and antilogging at currents over   cannot be used simultaneously.
1 mA.

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Symmetry                                                         output impedance of an opamp typically rises at high
                                                                 frequencies because open loop gain falls off as
     The SYM pin (pin 4) is actually a sort of                   frequency increases. A typical opamp's output imped-
additional positive-sense control port. It is provided           ance is therefore inductive at high frequencies.
to allow Vbe mismatches in the core transistors to be            Excessive inductance in the control port source
adjusted after packaging and installation in the                 impedance can cause the VCA to oscillate internally.
circuit board. It should only be used for this                   In such cases, a 100  resistor in series with a
purpose. Connect pin 4 only to a high-impedance                  1.5 nF capacitor from the control port to ground will
source as shown in Figures 2 and 15.                             usually suffice to prevent the instability.

Control Port Drive Impedance                                     Noise Considerations

     The control ports (pins 2 through 4) are                         It is second nature among good audio designers
connected directly to the bases of the logging and/or            to consider the effects of noisy devices on the signal
antilogging transistors. The accuracy of the logging             path. As is well known, this includes not only active
and antilogging is dependent on the EC+ and EC-                  devices such as opamps and transistors, but extends
voltages being exactly as desired to control gain. The           to the choice of impedance levels as well. High value
base current in the core transistors will follow the             resistors have higher inherent thermal noise, and the
collector currents, of course. Since the collector               noise performance of an otherwise quiet circuit can
currents are signal-related, the base currents are               be easily spoiled by the wrong choice of impedance
therefore also signal-related. Should the source                 levels.
impedance of the control voltage(s) be large, the
signal-related base currents will cause signal-related                Less well known, however, is the effect of noisy
voltages to appear at the control ports, which will              circuitry and high impedance levels in the control
interfere with precise logging and antilogging, in turn          path of voltage-control circuitry. The 2181 Series
causing distortion.                                              VCAs act like multipliers: when no signal is present
                                                                 at the signal input, noise at the control input is
     The 2181 Series VCAs are designed to be                     rejected. So, when measuring noise (in the absence
operated with zero source impedance at pins 2 and                of signal as most everyone does), even very noisy
3, and a high (50 k) source impedance at pin 4.                  control circuitry often goes unnoticed. However,
To realize all the performance designed into a 2181,             noise at the control port of these parts will cause
keep the source impedance of the control voltage                 noise modulation of the signal. This can become
driver well under 50 .                                           significant if care is not taken to drive the control
                                                                 ports with quiet signals.
     This often suggests driving the control port
directly with an opamp. However, the closed-loop

                                        Vcc

                             2181                        Ec-                22p

                             Series

                             VCA 7                                          20k

                                         V+ 3

IN                                   1                   Ec-     OUT        -
                                                                 8
                                         -IN             SYM                OP275

                                                         Ec+  4             +                OUT
                                           GND
    10u                      20k                         2
                                         V- 6
                                         5

                                                                                        Vcc

    Power Supplies                 5.1k                               Rsym         50k  SYM
      Vcc = +15 V                                                                       ADJ
      Vee = -15 V
                                                           680k (2181A)
                                                           220k (2181B)            Vee
                                                           130k (2181C)
                                        Vee

                             Figure 15. Positive Control Port using Pin 4

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                                                          Blackmer Trimmable IC VCAs

     The 2181 Series VCAs have a small amount of          null for minimum THD varies with frequency. It is
inherent noise modulation because of its class AB         often possible to counteract a small amount of pure
biasing scheme, where the shot noise in the core          fundamental picked up in the control path by
transistors reaches a minimum with no signal, and         "misadjusting" the symmetry setting. Since the
increases with the square root of the instantaneous       amount of pickup usually varies with frequency, the
signal current. However, in an optimum circuit, the       optimum trim setting will vary with frequency and
noise floor rises only to -94 dBV with a 50 A rms         level. A useful technique to confirm this problem is
signal at unity gain -- 4 dB of noise modulation. By      to temporarily bypass the control port to ground via
contrast, if a unity-gain connected, non-inverting        a modest-sized capacitor (e.g., 10 F). If the distor-
5534 opamp is used to directly drive the control          tion diminishes, signal pickup in the control path is
port, the noise floor will rise to 92 dBV -- 6 dB of      the likely cause.
noise modulation.
                                                          Temperature Sensitivity
     To avoid excessive noise, one must take care to
use quiet electronics throughout the control-voltage           As shown by Equation 1 (Page 5), the gain of a
circuitry. One useful technique is to process control     2181 VCA is sensitive to temperature in proportion
voltages at a multiple of the eventual control constant   to the amount of gain or loss commanded. The
(e.g., 61 mV/dB -- ten times higher than the VCA          constant of proportionality is 0.33% of the decibel
requires), and then attenuate the control signal just     gain commanded, per degree Celsius, referenced to
before the final drive amplifier. With careful attention  27>C (300K). This means that at 0 dB gain, there
to impedance levels, relatively noisy opamps may be       is no change in gain with temperature. However, at
used for all but the final stage.                         -122 mV, the gain will be +20 dB at room tempera-
                                                          ture, but will be 20.66 dB at a temperature 10C
Stray Signal Pickup                                       lower.

     It is also common practice among audio design-            For most audio applications, this change with
ers to design circuit boards to minimize the pickup       temperature is of little consequence. However, if
of stray signals within the signal path. As with noise    necessary, it may be compensated by a resistor
in the control path, signal pickup in the control path    embedded in the control voltage path whose value
can adversely effect the performance of an otherwise      varies with temperature at the same rate of 0.33%/C.
good VCA. Because it is a multiplier, the 2181            Such parts are available from RCD Components, Inc,
produces second harmonic distortion if the audio          www.rcd-comp.com, and KOA/Speer Electronics,
signal itself is present at the control port. Only a      www.koaspeer.com.
small voltage at the control port is required: as little
as 10 V of signal can increase distortion to over         Closing Thoughts
0.01%. This can frequently be seen at high frequen-
cies, where capacitive coupling between the signal             THAT Corporation welcomes comments,
and control paths can cause stray signal pickup.          questions and suggestions regarding these devices,
                                                          their design and application. Our engineering staff
     Because the signal levels involved are very small,   includes designers who have decades of experience in
this problem can be difficult to diagnose. One clue to    applying our parts. Please feel free to contact us to
the presence of this problem is that the symmetry         discuss your applications in detail.

THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, Massachusetts 01757-1656; USA
      Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Web: www.thatcorp.com
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Blackmer Trimmable IC VCAs

                                           Package Information

The THAT 2181-series is available in 8-pin SO and      makes it possible to solder these devices using lead-
8-pin SIP packages. Package dimensions are shown       free and lead-bearing solders.
in Figure 16 and 17 below; Pinouts are given in
Table 1 on page 1. Ordering information is provided         Neither the lead-frame nor the plastic mold
in Table 2 also on page 1.                             compound used in the 2181-series contains any
                                                       hazardous substances as specified in the European
     The 2181-series packages are entirely lead-free.  Union's Directive on the Restriction of the Use of
The lead-frames are copper, plated with successive     Certain Hazardous Substances in Electrical and
layers of nickel, palladium, and gold. This approach   Electronic Equipment 2002/95/EG of January 27,
                                                       2003

                                       Package Characteristics

Parameter                      Symbol                  Conditions            Min  Typ        Max  Units

Through-hole package                        See Figure 16 for dimensions          8 Pin SIP

Thermal Resistance             JA           SIP package soldered to board         100             C/W

Environmental Regulation Compliance                                 Complies with January 27, 2003 RoHS requirements

Surface-mount package                       See Figure 17 for dimensions          8 Pin SO

Thermal Resistance             JA           SO package soldered to board          150             C/W

Soldering Reflow Profile                                                     JEDEC JESD22-A113-D (250C)

Moisture Sensitivity Level     MSL Above-referenced JEDEC soldering profile       1

Environmental Regulation Compliance                                 Complies with January 27, 2003 RoHS requirements

           A                                I

                            H
                                        J

1                           GM

           B                                   K

           D                F               L

           C                E TYP.

           N

   ITEM    MILLIMETERS      INCHES
     A     19.5 +0.2/-0     0.77 +0.008/-0
     B     1.25             0.049
     C     0.65             0.026
     D     0.85             0.033
     E     2.54 0.2        0.100 0.008
     F     0.9              0.04
    G      1.2              0.05
     H     5.8 +0.2/-0      0.23 +0.008/-0
     I     2.8 +0.1/-0      0.11 +0.004/-0
     J     10.5 0.5        0.413 0.02
     K     1.3              0.05
     L     0.3              0.012
    M      3.5 0.5         0.14 0.02
     N     17.78 0.3       0.700 0.012

Figure 16. -L (SIP) Version Package Outline Drawing                 Figure 17. -S (SO) Version Package Outline Drawing

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                         Notes

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  2181AS08-U 2181BS08-U 2181CS08-U 2181AL08-U 2181BL08-U 2181CL08-U 2181-DEMO
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