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4320 DEMO-A

器件型号:4320 DEMO-A
器件类别:嵌入式解决方案    工程工具    模拟与数字IC开发工具    放大器 IC 开发工具   
厂商名称:THAT Corporation
厂商官网:http://www.thatcorp.com/
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器件描述

放大器 IC 开发工具 Low-Voltage Dynamics Processor Demo Board

参数
产品属性属性值
制造商:THAT Corporation
产品种类:放大器 IC 开发工具
RoHS:N
工具用于评估:THAT4320
工作电源电压:5 V
封装:Bulk
描述/功能:Audio DSPs
系列:4320
商标:THAT
产品类型:Amplifier IC Development Tools
子类别:Development Tools
商标名:Analog Engine

4320 DEMO-A器件文档内容

                                                                                                 Pre-trimmed Low-voltage Low-power

                                                                                             Analog Engine® Dynamics Processor IC

                                                                                                                                 THAT 4320

                 FEATURES                                                                                  APPLICATIONS

•  Pre-trimmed VCA &                   RMS detector                                       •  Companding noise reduction

•  Wide supply voltage range: 4.5V~16V                                                           • Wireless microphones

•  Low supply current: 3.7mA typ. (5V)                                                           • Wireless instrument packs

•  Four opamps                                                                                   • Wireless in-ear monitors

•  One low-noise opamp (<5nV/rt-Hz)                                                       •  Battery operated dynamics processors

•  On board PTAT reference                                                                       • Compressors

                                                                                                 • Limiters

•  Wide dynamic range: 120dB as                                                                  • AGCs

   compander

                                                                                                 • De-essers

                                                                  Description

      The  THAT4320       is    a  single-chip  Analog       Engine®                 technology for noise reduction. However, with 22 active

optimized for low-voltage, low-power operation. Incor-                               pins, the part is extremely flexible and can be configured

porating a high-performance voltage- controlled ampli-                               for  a  wide    range     of  applications  including  single   and

fier  (VCA),   RMS-level      sensor,  and  four     opamps,         the             multi-band companders, compressors, limiters, AGCs,

surface mount part is aimed at battery-operated audio                                de-essers, etc.

applications     such   as  wireless      microphones,       wireless

instruments      and   in-ear   monitors.   The      4320    operates                     What really sets the 4320 apart is the transparent

from a single supply voltage down to +4.5Vdc, drawing                                sound of its Blackmer® VCA coupled with its accurate

only 3.7mA.                                                                          true-RMS level detector.         The IC is useful in battery-

      This IC also works at supply voltages up to 16Vdc,                             powered mixers, compressor/limiters, ENG devices and

making it useful in line-operated products as well. The                              other   portable      audio   products.     The  part  is  highly

VCA is pre-trimmed at wafer stage to deliver low distor-                             integrated      and    requires  minimal    external   support

tion  without    further    adjustment.    And,      one     opamp       is          circuitry: it even contains an on-board PTAT (propor-

quiet enough to be used as a microphone preamp.                                      tional  to  absolute      temperature)      voltage  reference  to

      The  part  was    developed      specifically  for     use     as  a           generate thermally compensated control voltages for

companding       noise    reduction    system,       drawing      from               thresholds and gain settings.

THAT’s     long  history        and    experience    with         dbx®

                            27     26           25   23                          21              20   18       17          16

                                                                         OUT

                                                             IN   VCA                OA3

                                                             EC+         EC-

                            VEE                                                                                    VCC           15

                 28                         THAT

                                                4320                                                 VCC/2 Buffer

                                                                                                                                 13

                                                                              RMS

                 1                                                       IN        OUT

                                                                              CT                                                 14

                                                                                                    VPTAT   VREF      GND

                                   2   3                  4       6           7           8      9         11

                        Figure 1. THAT4320 equivalent block diagram (QSOP-28 pin assignments shown)

                               THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

           Tel:  +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

                                   Copyright © 2009, THAT Corporation;                  Document 600045 Rev 06
Document 600045 Rev 06                                        Page 2 of 16                 THAT4320 Pre-trimmed Low-voltage Low-power

                                                                                                Analog Engine® Dynamics Processor IC

                                                         SPECIFICATIONS

                                               Absolute Maximum Ratings1

Positive Supply Voltage (VCC)                            +18V                    Power Dissipation (PD) at TA=85 ºC             400mW

Supply Current  (ICC)                                    30mA                    Input Voltage                               Supply Voltage

Operating Temperature Range      (TOP)                   -40 to +85 ºC           Storage Temperature Range (TST)             -40 to +125 ºC

Junction Temperature (TJ)                                -40 to +125 ºC          Lead Temperature Range (Soldering, 10 sec)                 300 ºC

Output Short-Circuit Duration                            30 sec

                                               Electrical Characteristics2

Parameter                        Symbol                                  Conditions             Min          Typ     Max                    Units

Power Supply

Positive Supply Voltage          VCC                     Referenced to GND                      +4.5         -       +16                    V

Negative Supply Voltage (OA1)    VEE                                     OA1 only               VCC-16       0       0                      V

Resistive Divider Voltage        VPIN13                  When overridden by split supply        VCC - 8  VCC / 2     GND +   8              V

Supply Current                   ICC                                     No Signal

                                                                         VCC=+5 V                            3.7     6                      mA

                                                                         VCC=+15 V                           5       10                     mA

                                 IEE                     VCC=+5V, VEE=-5 V                                   0.6     -                      mA

Voltage Controlled Amplifier (VCA)

Max. I/O Signal Current         i + i IN(VCA)  OUT(VCA)                  VCC = +5 V                          500                            µApeak

                                                                         VCC = +15 V                         1                  mApeak

Gain at 0V Control3              G0                           0V at +IN of OA2                  -1.5         0       +1.5                   dB

Gain-Control Constant            EC+/Gain (dB)           -60  dB < gain < +40          dB       -            6.0     -          mV/dB

Gain-Control Tempco              ∆EC/∆TCHIP                   Ref TCHIP=27ºC                    -        +0.33       -                      %/ºC

Output Offset Voltage Change4 ∆ VOFF(OUT)                                ROUT = 20 kΩ

                                                                         0 dB gain              -            1       15                     mV

                                                                         +15 dB gain            -            3       30                     mV

                                                                         +30 dB gain            -            10      50                     mV

Output Noise                     eN(OUT)                                 0 dB gain

                                                         22Hz~22kHz, RIN=ROUT=20 kΩ             -            -98     -95                    dBV

Total Harmonic Distortion3       THD                     VIN= -5dBV, 1kHz, 0V at +IN of OA2                  0.05    0.1                    %

RMS Level Detector

Output Voltage at Reference iIN  eO(0)                        iIN = 7.5 µA RMS                  -8           0       +8                     mV

Output Error at Input Extremes   eO(RMS)error            iIN = 200 nA RMS                                    1       3                      dB

                                                              iIN = 1 mA RMS                                 1       3                      dB

1.  If the devices are subjected to stress above the Absolute Maximum Ratings, permanent damage may result.          Sustained operation at or

near the Absolute Maximum Ratings conditions is not recommended.         In particular, like all semiconductor devices, device reliability

declines as operating temperature increases.

2.  Unless otherwise noted, TA=25ºC, VCC=+5V, VEE=0 V. Test circuit is as shown in Figure 2.

3.  Assumes OA2 is configured for unity gain, & includes offset voltage of OA2.

4.  Reference is to output offset with -80 dB VCA gain.

                            THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

           Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

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Document 600045 Rev 06                               Page 3 of 16              THAT4320 Pre-trimmed Low-voltage Low-power

                                                                                Analog Engine® Dynamics Processor IC

                                Electrical Characteristics (con’t)2

Parameter                       Symbol               Conditions                 Min            Typ     Max       Units

Scale Factor Match to VCA                   -20 dB < VCA gain < +20 dB

                                                     1 µA< iIN(RMS) < 100 µ A   .95            1       1.05      -

Rectifier Balance                                    ±7.5mA DCIN                               ±1                dB

Timing Current                  IT                                              -              7.5     -         µA

Filtering Time Constant         τ                                                        3467 X CTIME            s

Output Tempco                   ∆EO/∆TCHIP           Ref TCHIP = 27 ºC          -        +0.33         -         %/ºC

Load Resistance                 RL          -250mV < VOUTRMS< +250mV, re:Vref   2                                kΩ

Capacitive Load                 CL                                                                     150       pF

Operational Amplifier OA1

Input Offset Voltage            VOS                                             -              ±1      ± 3.5     mV

Input Bias Current              IB                                              -              500     1200      nA

Input Offset Current            IOS                                             -              ± 30    ± 120     nA

Input Common Mode Range         VICR+                                           4              4.3     -         V

                                VICR-                                           -              0.4     0.6       V

Equivalent Input Noise Voltage  eN(IN)               f = 1 kHz                  -              4.5     6         nV/√Hz

Equivalent Input Noise Current  iN(IN)               f = 1 kHz                  -              0.9     -         pA/√Hz

Gain Bandwidth Product          GBW                  f = 50 kHz                 -              13      -         MHz

Slew Rate                       SR                   G = +10, CL = 100 pF       2.3            4       -         V/μs

Open Loop Gain                  AVOL                 RL = 10 kΩ                 -              95      -         dB

Output Short Circuit Current    ISC+        Output to VCC/2, VID = +0.4 V       -2.3           -6.5    -20       mA

                                ISC-        Output to VCC/2, VID = -0.4 V       1.5            3.7     12        mA

Output Voltage Range            VO+         RL = 10 kΩ to VCC/2, G = +10        VCC-0.9  VCC-0.75      -         V

                                VO-                                                      VEE+0.75      VEE+0.95  V

Capacitive Load                 CL                                                                     150       pF

Power Supply Rejection Ratio    PSRR                 +5 V < VCC-VEE < +15V      -              105     -         dB

Operational Amplifier OA2 (Control Voltage  Buffer)

Input Offset Voltage            VOS                                             -        ± 1.5         ±6        mV

Input Bias Current              IB                                              -              450     1000      nA

Input Offset Current            IOS                                             -              ± 25    ± 100     nA

Input Common Mode Range         VICR                                            -1                     +1        V

Equivalent Input Noise Voltage  eN(IN)               f = 1 kHz                  -              8       -         nV/√Hz

Equivalent Input Noise Current  iN(IN)               f = 1 kHz                  -              0.6     -         pA/√Hz

Gain Bandwidth Product          GBW         f = 50 kHz, CL= 100 nF, RL= 10 kΩ   -        0.012/CL      -         Hz

Slew Rate                       SR                   G = +1                              ISC/CL        -         V/µs

                              THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

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                                                                                        Analog Engine® Dynamics Processor IC

                                Electrical Characteristics (con’t)2

Parameter                       Symbol              Conditions                          Min    Typ             Max          Units

Open Loop Gain                  AVOL                RL = 10 kΩ                          -      57.5                         dB

                                                                                              20*log(.075*RI)               dB

Output Short Circuit Current    ISC+    Output to VCC/2, VID = +0.4 V                   -      -4              -            mA

                                ISC-                Output to VCC/2, VID = -0.4 V       -      2.7             -            mA

Power Supply Rejection Ratio    PSRR                +5 V < VCC < +15 V                  -      88              -            dB

Capacitive Load5                CL                                                      22                                  nF

Operational Amplifier OA3 (VCA Current-to-Voltage Converter)

Input Offset Voltage            VOS                                                           ± 1.5                         mV

Input Bias Current              IB                                                      -      200                          nA

Input Offset Current            IOS                                                           Only one input is accessible

Input Common Mode Range         VICR                                                          Not meaningful

Equivalent Input Noise Voltage  eN(IN)              f = 1 kHz                           -      10.5            -            nV/√Hz

Equivalent Input Noise Current  iN(IN)              f = 1 kHz                           -      0.3             -            pA/√Hz

Gain Bandwidth Product          GBW                 f = 50 kHz                          -      7.3             -            MHz

Slew Rate                       SR                  CL = 100 pF                         -      3.2             -            V/μs

Open Loop Gain                  AVOL                RL = 10 kΩ                          -      92              -            dB

Output Short Circuit Current    ISC+                Output to VCC/2                            -3.5            -            mA

                                ISC-                                                           2.5             -            mA

Output Voltage Range                    RL = 10 kΩ  to VCC/2, Rf = 20 kΩ,    0 dB  VCA  gain

                                VO+                 Iin(VCA) = +100 μA                  4.1    4.25            -            V

                                VO-                 Iin(VCA) = -100 μA                         0.75            0.9          V

Capacitive Load                 CL                                                                             150          pF

Operational Amplifier OA4

Input Offset Voltage            VOS                                                     -     ± 1.5            ±5           mV

Input Bias Current              IB                                                      -      200             500          nA

Input Offset Current            IOS                                                     -      ± 10            ± 50         nA

Input Common Mode Range         VICR+                                                   4      4.3             -            V

                                VICR-                                                   -      0.4             0.6          V

Equivalent Input Noise Voltage  eN(IN)              f = 1 kHz                           -      10.5            14           nV/√Hz

Equivalent Input Noise Current  iN(IN)              f = 1 kHz                           -      0.3             -            pA/√Hz

Gain Bandwidth Product          GBW                 f = 50 kHz                          -      7.3             -            MHz

Slew Rate                       SR                  G = +10, CL = 100 pF                2.0    3.2             -            V/μs

Open Loop Gain                  AVOL                RL = 10 kΩ                          -      92              -            dB

5. Note - OA2  and the VCC/2 buffer require a capacitve load for stability.

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                                                                                            Analog Engine® Dynamics Processor IC

                              Electrical Characteristics (con’t)2

Parameter                     Symbol                Conditions                              Min   Typ           Max     Units

Output Short Circuit Current     ISC+               Output to VCC/2, VID = +0.4 V           -1.3  -3.5          -12     mA

                                 ISC-               Output to VCC/2, VID = -0.4 V           1     2.5           8       mA

Output Voltage Range             VO+                RL = 10 kΩ to VCC/2, G = +10            4.1   4.25          -            V

                                 VO-                                                              0.75          0.9          V

Capacitive Load                  CL                                                                             150          pF

Power Supply Rejection Ratio  PSRR                  +5V < VCC < +15 V                       -     100           -            dB

VCC/2 Reference Buffer

Reference Voltage                VREF               No Signal, No load on pin 13,

                                                    VCC = +5 V, RL= 3 kΩ to VCC or GND      2.4   2.5           2.6          V

                                                    VCC = +15 V                             -     VCC/2         -            V

Voltage Divider Impedance     RA, RB                                                        -     20            -            kΩ

Output Short Circuit Current     IOsc-              Output to VCC                                 -3                    mA

                                 IOsc+              Output to GND                                 4.5                   mA

Output Noise Voltage          eN(OUT)               22 Hz ~ 22 kHz, CFILT= 22 μF            -     -120          -117    dBV

Capacitive Load5                 CL                                                         22                               nF

Proportional To Absolute Temperature (PTAT) Voltage Generator

Output Voltage                   VPTAT              RL = 10 kΩ, TCHIP = 25 ºC               -     VREF - 0.072  -            V

VCA Gain Change Caused by VPTAT                     VPTAT applied to OA2, AV = +1

                                                    VCA Gain at 1 kHz                       -11   -12           -13          dB

Output Tempco                 ∆(VPTAT-VREF)/∆TCHIP  Ref TCHIP = 27 ºC                       -     +0.33         -       %/ºC

Maximum Sink Current          ISINK(MAX)                                                    800                              µA

Capacitive Load                  CL                                                                             150          pF

Performance as a Compander6 (through an encode-decode cycle)

Dynamic Range                             (Max signal level) - (No Signal Output Noise)           120                        dB

Distortion                       THD                f = 1 kHz                                     0.1                        %

Frequency response         -20 dB re: Max Signal    20 Hz ~ 20 kHz                                ± 1.5                      dB

                                          Package Characteristics

Parameter                     Symbol                Conditions                                    QSOP-28       QFN-24  Units

Surface Mount Packages                    See page 16 for pinouts and dimensions

Thermal Resistance               θJA                Package soldered to board.                    90            70      ºC/W

                                                    Thermal pad not soldered on QFN7

Soldering Reflow Profile                                                                    JEDEC JESD22-A113-B (220    ºC)

6. Compressor circuit is as shown in Figure 12, Expander circuit is as shown in Figure 13.

7. For best VCA THD performance, QFN thermal pad should not be soldered to the PCB.

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                                                                                                                                                           Analog Engine® Dynamics Processor IC

                       DUT VCC                                                                                                                   DUTB

                                                                     OA1 AC/DC         IN     R14                     K4A  5                 27  4320

                                                                                                                   8                              +        25                                        OA1 OUTPUT

                               R2                                                             1k00                                           26   O- A128

           VPTAT              10k0                                                                     8              R9                                         C5

                                                                                              K3A                   100k            C12                                                 CL1          RL1

                                     DUTE               DUT VCC                                        5                            22p                        100n                 150p             10k0

           C13                                                                                                  R19                 CM       OA1 VEE            CM                      CM

           150p                9   VPTAT   VCC      15                                                          9k09                NP0                    C11                          NP0

VREF OUT                       11                   13     C8           C7

                                   VREF    Filt            22u          10u                                                                       22p CM NP0

                         C1    1                    14     (CFILT)                                                                  5        R8

           R1            22n       Gnd     Gnd                          C4                             K5A                    K6A            100k

           3k01          MY                                             100n                        5              R13              8                      R18

                                     4320                               CM                                   8

                                                                                                    4           1k00                                       9k09

                5

           K1A

                8

DUT VCC         8                                                                                                                                K8A                             DUT-2D

                    K2A                                                                       OA4 AC/DC         IN      R11                  8        5                  18      4320                OA4 OUTPUT

           4        5                                                                                                                                                         +         16
                                                                                                                        1k00                                                  OA4
                                                                                                                                 5               R6                      17   -

                                                           R47                                                             K7A               100k          C15                   C9          CL4     RL4

                                                                                                                                 8                         22p                               150p

                                                           15k0                                                                              R16           CM                                        10k0

                                                           R46       5                                                                       9k09          NP0               22p CM          CM

                       C16                                 20k0             K11A                                                                                 5        R5 NP0             NP0

                                                           C10       8                        OA3 OUT                                                      K10A           100k

                       22p     R57      DUTA                                                                               5 K9A                  R10            8               R15
                               6k82
                                        4320                                                                                        8
                                                        22p CM                 CL6                                         4                     1k00
                                                                                                                                                                                 9k09
VCA AC IN C19                                              NP0                 150p     RL6
                       R44     23                21
                                                        -                               20k0
                                    In  VCA                      20
                       20k0                             OA3
           470n                     Ec+                 +                                                                                    RMS OUT
                                                                                                                                                                         DUTC
                MY                                                                                        K18A     V REF   OUT
                                                VREF                                          K17A 4            4                   C17                                  4320

                                                                        R3                    8           8                         10n MY       R25                 8    RMS           6    R24     C27   RMS AC IN

OA2 OUT                             4      +     2                                                     5        5                                                        Out        In

                                          OA2-   3                   10k0         K16A 4                                                     5k    0.1%                       CT            5k 0.1%  22u

           CL2         C20          C22          5 K14A8             5      8       8                        VPTAT               R22                                             7

           22n         78n                                                                 5                                  5k 0.1%                R43            C14
                                                                                                                                                                    150p
           MY       5  My                                            K15A                     R50                                         2        3k32             CM              C18

                                   22p CM                                         R7                                          6                                     NP0             1u

                       K12A         R17              R4                           100k        15k0           OA2                 8        3                                         (CTIME)

                    8               9k09             10k0                                     R56         AC/DC IN                     1

                                     4                                                        976                                U1A

                         R12         5     8                                                                               OP-07B

                         1k00            K13A                                                                                                VREF OUT

                                   Figure 2.            4320 Test Circuit Schematic (QSOP-28 pin assignments shown)

                                                             REPRESENTATIVE DATA

Figure 3.  VCA THD vs. Level at 0 dB gain (BW=22kHz)                                                                    Figure 4.            VCA THD vs. Level at +12 dB gain (BW=22kHz)

Figure 5.  VCA THD vs. Level at -12 dB gain (BW=22kHz)                                                                              Figure 6.         VCA THD vs. Frequency (BW=80kHz)

                                   THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

           Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

                                                                     Copyright © 2009, THAT Corporation
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                                                                                           Analog Engine® Dynamics Processor IC

           Figure 7.  VCA Gain vs. Control Voltage                              Figure 8.  VCA Noise vs. Gain (BW=22kHz)

             Figure 9.   VCA Offset vs. Gain                                        Figure 10.  RMS Output vs. Level

      Figure 11.   RMS Frequency Response vs. Level

                                              Theory              of  Operation

      The  THAT    4320  Dynamics  Processor         combines         to deliver wide bandwidth and excellent audio perform-

THAT Corporation’s proven Voltage-Controlled Ampli-                   ance while consuming very low current and operating

fier  (VCA)  and   RMS-Level     Detector   designs  with  four       over a wide range of power supply voltages.

general-purpose opamps to produce an Analog Engine

useful in a variety of dynamics processor applications.                  For details of the theory of operation of the VCA and

The part is integrated using a proprietary, fully comple-             RMS Detector building blocks, the interested reader is

mentary,     dielectric-isolation  process.   This   process          referred  to  THAT   Corporation’s  data     sheets  on  the

produces     very  high-quality    bipolar  transistors    (both      2180-Series VCAs and the 2252 RMS Level Detector.

NPNs and PNPs) with unusually low collector-substrate                 Theory of the interconnection of exponentially-controlled

capacitances. The 4320 takes advantage of these devices               VCAs and log-responding level detectors is covered in

                              THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

             Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

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                                                                                                           Analog Engine® Dynamics Processor IC

THAT Corporation’s design note DN01, The Mathemat-                                       1) Supply current for the VCA depends on VCC. At

ics of Log-Based Dynamic Processors.                                            +5 V VCC, approximately 500 μA is available for the sum

The VCA — in Brief                                                              of input and output signal currents. This increases to

                                                                                about 1 mA at +15 V VCC. (Compare this to ~1.8 mA for

    The VCA in THAT 4320 is based on THAT Corpora-                              a 2180 Series VCA when biased as recommended. This

tion’s highly successful complementary log-antilog gain                         is       appropriate      given    the    lower   supply      voltage  for    the

cell topology -- The Blackmer® VCA -- as used in THAT                           4320.)

2180-Series IC VCAs. VCA symmetry is trimmed during                                      2) The signal current output of the VCA is inter-

wafer probe for minimum distortion. No external adjust-                         nally        connected         to  the    inverting   input        of  on-chip

ment is allowed. See Figures 3 ~ 6, page 6 for the repre-                       opamp        OA3.     In       order  to  provide     external         feedback

sentative THD data.                                                             around this opamp, this node is brought out to a pin.

    Input signals are currents in the VCA’s IN pin. This                                 3) Only the EC+ node is available for gain control.                  A

pin is a virtual ground with dc level approximately equal                       SYM          control  port     (similar   to   that   on      the  2180   VCA)

to  VREF,  so    in    normal   operation           an  input     voltage  is   exists, but is driven from an internally trimmed current

converted to input current via an appropriately sized                           generator.           The negative control port (EC-) is internally

resistor (R44 in Figure 2, Page 6). Because the currents                        connected to VREF.

associated with dc offsets present at the input pin and

any dc offset in preceding stages will be modulated by                                   4)  The      control-voltage     constant        is   approximately

gain changes (thereby becoming audible as thumps), the                          6.0 mV/dB, due primarily to the lower internal operating

input pin is normally ac-coupled (C19 in Figure 2).                             temperature of the 4320 compared to that of the 2180

    The VCA output signal is also a current, inverted                           Series (and the 4301).

with respect to the input current. In normal operation,                                  5) The OTA used for the VCA’s internal opamp in

the output current is converted to a voltage via inverter                       the 4320 uses less emitter degeneration resistance in its

OA3, where the ratio of the conversion is determined by                         output than that of the 2180 VCA.                     This requires that

the feedback resistor (R46 or R47, Figure 2) connected                          the source impedance at the VCA’s input (which is a

between OA3‘s output and its inverting input. The signal                        summing junction) must be under 5 kΩ at frequencies

path through the VCA and OA3 is noninverting.                                   over 1 MHz. In Figure 2, C16 and R57 accomplish this.

    The    gain    of   the    VCA    is  controlled     by    the  voltage     See the applications section for an alternative on how to

applied between EC+ and EC-. Note that EC- is an internal                       address this issue.

node connected to the VREF generator. Gain (in decibels)                        The RMS Detector — in Brief

is proportional to (EC+ – EC-). See Figure 7 [page 7]. The

constant of proportionality is 6.0 mV/dB for the voltage                                 The 4320’s detector computes RMS level by rectify-

at EC+ (relative to VREF).                                                      ing input current signals, converting the rectified current

                                                                                to a logarithmic voltage, and applying that voltage to a

    The VCA’s noise performance varies with gain in a                           log-domain            filter.  The    output      signal   is  a   dc  voltage

predictable    way,        but  due       to  the   way    internal     bias    proportional to the decibel-level of the RMS value of the

currents vary with gain, noise at the output is not strictly                    input signal current. Some ac component (at twice the

the product of a static input noise times the voltage gain                      input        frequency)        remains        superimposed         on  the    dc

commanded.           Figure 8 [page 7] plots noise (in dBV —                    output.      The      ac   signal     is  attenuated       by  a   log-domain

referenced     to  1    V  —    in  a  22     kHz   bandwidth)      at     the  filter, which constitutes a single-pole rolloff with cutoff

output of OA3 vs. VCA gain commands over a range of                             determined by an external capacitor and a programma-

-100 dB to +30 dB gain. At large attenuation, the noise                         ble dc current.

floor of ~-109 dBV is limited by the input noise of OA3

and its feedback resistor. At 0 dB gain, the noise floor is                              As  in  the  VCA,         input  signals     are  currents       to  the

~-98 dBV as specified. In the vicinity of 0 dB gain, the                        RMS IN pin. This input is a virtual ground with dc level

noise   increases       more    slowly        than  the    gain:  approxi-      equal to VREF, so a resistor (R24 in Figure 2) is normally

mately     5  dB     noise      increase      for   every    10   dB    gain    used to convert input voltages to the desired current.

increase.     Finally,     as   gain   approaches        30    dB,  output      The      level    detector     is     capable     of  accurately       resolving

noise begins to increase directly with gain.                                    signals well below 10 mV (with a 5 kΩ input resistor).

                                                                                However,         if   the      detector   is  to  accurately       track  such

    While the 4320’s VCA circuitry is very similar to that                      low-level signals, ac coupling is normally required (C27

of the THAT 2180 Series VCAs, there are several impor-                          in Figure 2).         Note also that small, low-voltage electro-

tant differences, as follows.                                                   lytic capacitors used for this purpose may create signifi-

                                                                                cant leakage if they support half the supply voltage, as is

                                                                                the case when the source is dc-referenced to ground. To

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ensure good detector tracking to low levels, a tantalum                         2) The time constant of the 4320’s RMS detector is

capacitor or high-voltage electrolytic may be required for                determined by the combination of an external capacitor

input coupling.                                                           (connected to the CT pin) and an internal current source.

                                                                          The internal current source is set to about 7.5 μA. A

     The    log-domain     filter  cutoff     frequency   is  usually     resistor is not normally connected directly to the CT pin

placed well below the frequency range of interest. For an                 on the 4320.

audio-band detector, a         typical value would be 5 Hz, or a

32 ms time constant (τ). The filter’s time constant is                          3) The 0 dB reference point, or level match, is also

determined by an external capacitor CTIME attached to                     set to approximately 7.5 μA. However, as in the 2252,

the CT pin, and an internal current source (IT) connected                 the   level     match        will  be   affected      by   any   additional

to CT. The current source is internally fixed at 7.5 μA.                  currents drawn from the CT pin.

The resulting time constant in seconds is approximately                   The Opamps — in Brief

equal   to  3467  *    CTIME.     Note that, as a result of the

mathematics of RMS detection, the attack and release                            The four opamps in the 4320 have been optimized

time   constants  are      fixed   in  their  relationship    to  each    independently to suit each one’s intended application.

other.                                                                    While     they      all  use  PNP       input     stages,  they       differ  in

     The RMS detector is capable of driving large spikes                  bandwidth,          noise     level,    and     compensation          scheme

of current into CTIME, particularly when the audio signal                 depending on their expected uses. Therefore, to get the

input   to  the  RMS    detector       increases  suddenly.       This    most out of the 4320, it is useful to know the major

current is drawn from VCC at pin 15 (QFN pin 16), fed                     differences among these opamps.

through CTIME at pin 7 (QFN pin 10), and returns to the                   OA1 - Low Source Impedance Pre-amp

power supply through the ground end of CTIME.                     If not        OA1,      with      typical       equivalent       input   noise        of

handled properly through layout and bypassing, these                      4.5 nV/√Hz, is the quietest opamp on the 4320. This

currents can mix with the audio with unpredictable and                    opamp       is   intended          for  signal    conditioning        such    as

undesirable      results.      As  noted      in  the  Applications       preamplification             from       low-impedance          sources.       (At

section, local bypassing from the VCC pin to the ground                   source impedances of >5.6 kΩ, the input current noise

end of CTIME is strongly recommended in order to keep

these currents out of the ground structure of the device.                 contribution will surpass the voltage contribution.)

     The dc output of the detector is scaled with the same                      OA1 is a unity-gain stable, with source impedances at

constant of proportionality as the VCA gain control: 6.0                  both   inputs       less  than     ~    5  kΩ,    13    MHz     opamp    .    Its

mV/dB. See figure 10 [page 7]. The detector’s 0 dB refer-                 output typically swings to within 0.75 V of VCC or VEE,

ence (iin0), the input current which causes the detector’s                allowing it to support a 1.2 VRMS sine wave from a single

output to equal VREF), is trimmed during wafer probe to                   +5 V supply (4.75 VRMS with a +15 V supply). Its typical

approximately equal 7.5 μA. The RMS detector output                       slew   rate     is  ~     4  V/μs,      allowing    the   part  to    support

stage is capable of sinking or sourcing 125 μA.               It is also  maximum level sine waves at up to 360 kHz on a +5 V

capable of driving up to 150 pF of capacitance.                           supply (94 kHz on a +15 V supply). OA1‘s output is

                                                                          capable of driving up to 150 pF, so it is possible to

     Frequency response of the detector extends across                    directly bypass RF to ground via a small capacitor at

the audio band for a wide range of input signal levels.                   OA1‘s output, as is often desired in wireless transmitter

Note, however, that it does fall off at high frequencies at               applications.

low signal levels. See figure 11 (page 7).                                                                        feature8

                                                                                OA1‘s     most      unusual                   is   that   it’s  negative

     Differences between the 4320’s RMS Level Detector                    power supply connection is brought out separately to

circuitry   and   that  of   the   THAT       2252  RMS       Detector    VEE   at    pin     28    (QFN      pin    3)   to    provide    additional

include the following.                                                    headroom in certain applications. While VEE is normally

                                                                          connected to the power supply ground (and pins 1 and

     1) The rectifier in the 4320 RMS Detector is inter-                  14 (QFN pin 4 and 15), which are the ground connec-

nally balanced by design, and cannot be balanced via an                   tions for the rest of the chip), it can be connected to a

external control. The 4320 will typically balance positive                separate negative supply. OA1‘s positive supply connec-

and negative halves of the input signal within 10 %, but                  tion is internally connected to VCC at pin 15 (QFN pin

in extreme cases the mismatch may reach +40, -30 %                        16).  Therefore, OA1 sees as its supply voltage the differ-

(±3     dB).     However,      even    such       extreme-sounding        ence between VCC and VEE. Note that this difference must

mismatches       will   not       significantly   increase    ripple-     not exceed 16 V.

induced     distortion  in     dynamics       processors  over    that

caused by signal ripple alone.

8 THAT has applied for patent coverage on this novel approach.

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     To gain an advantage from the separate VEE connec-                               Like OA1, because it handles audio signals directly,

tion for this opamp, the design must provide a negative                     OA3       is    optimized      for     audio    performance.           It’s output

supply below ground to this pin.            By doing, so, OA1 can           typically swings to within 0.75 V of VCC or ground, allow-

gain additional voltage swing over that available to the                    ing it to support a 1.2 VRMS sine wave from a single +5 V

rest of the IC.       Because OA1 is commonly used as a                     supply (4.75 VRMS with a +15 V supply). It’s typical slew

pre-amp before a noise reduction compressor based on                        rate      is      ~3.2       V/μs,     allowing      the     part   to     support

the rest of the chip, headroom is most critical at this                     maximum level sine waves at up to 290 kHz on a +5 V

point.   (The VCA will reduce the audio signal’s dynamic                    supply (75 kHz on a +15 V supply).

range    to  a    more    manageable        level      for  subsequent

stages.) The rest of the chip can run from +5 V and                                   As with the other opamps, OA3‘s output is capable of

ground to maintain low power dissipation, while only                        driving up to 150 pF, so it is possible to directly bypass

OA1 is run from, say, a ±5 V supply to gain additional                      RF to ground via a small capacitor at OA3‘s output. It’s

headroom.                                                                   output section is capable of supplying at least 1 mA,

                                                                            making it possible to use this opamp directly as the

     To see how this works in practice, suppose VCC is                      output          stage      in  lightly      loaded    applications.             Note,

+5 V.    If VEE is set to 0 V (ground), the maximum swing                   however, that OA3‘s output is not designed to withstand

at OA1‘s output is typically 3.5 V (typically, OA1 reaches                  an indefinite short-circuit to a power supply or ground

within ~0.75 V of its supply rails), If, instead, VEE is set                rail, and a resistor should be included in series with

to -5 V, the maximum swing at OA1‘s output increases to                     such outputs to ensure stability with capacitive loads

8.5 V — for a 7.7 dB increase in dynamic range!                             larger than 150 pF.

OA2 - Control Voltage Buffer                                                OA4 - General Purpose OpAmp

     OA2 is intended as a control voltage buffer, and is                              OA4 is intended for either signal or control voltage

the least general purpose of the four opamps. It is exter-                  applications. It is a unity-gain stable, 7.3 MHz opamp

nally compensated, and requires at least 22 nF at its                       with moderately low input noise voltage of 10.5 nV/√Hz,

output to remain stable.               This was a deliberate design         and moderately low input noise current of 0.3 pA/√Hz.

choice based on several factors including the relatively                    Because           of   it’s   lower    current   noise,      OA4       is  a    better

limited bandwidth and voltage swing required for the                        choice for an audio pre-amp than OA1 in cases where

VCA control port and the importance of low noise (and                       the source impedance feeding it is high.

low RF content) at this node. Additionally, the capacitive

high-frequency output impedance guarantees stability in                               All other characteristics of OA4 are similar to those

the VCA.                                                                    of OA3.

     Because      it  is  intended      to  handle     only     the  VCA    VCC/2 Reference Buffer

control     port  signal    (consisting     primarily       of  dc   with             For single-supply applications, the 4320 requires a

added low frequency content), OA2 is optimized for dc at                    center-tap to provide a synthetic “ground” reference for

the expense of ac performance.              This opamp has limited          its       circuitry.       The   4320       contains      a  built-in      resistive

input    compliance       (±1       V   common     mode      range),   is   divider         (at    pins    13/14/15),       followed     by     a  buffer,  to

relatively slow (120 kHz gain-bandwidth product with a                      provide a low-impedance source at approximately half

typical 100 nF capacitive load), has low open-loop gain                     VCC. Note that the center tap of the resistive divider is

(57 dB with the typical 10 kΩ resistive load), and has                      brought           out    to    filter  the  voltage,     thereby       minimizing

approximately a 10 Ω output impedance. These charac-                        noise         in    the      divider.   A   large     electrolytic         capacitor

teristics,   while    limiting      in  an  opamp      intended        for  (typically 22 μF or greater) is used for this purpose.

handling audio signals, are ideal for the control voltage

buffer.     In particular, compensating the opamp at its                              The output of the buffer is available at pin 11. This

output takes advantage of an often-required RF-bypass                       is “VREF”. The buffer is capable of delivering ~3 mA at its

capacitor to minimize noise pickup at the sensitive VCA                     output. Like OA2, it is compensated by capacitance at its

control port.                                                               output, working against an internal output impedance of

OA3 - VCA Current-to-Voltage Converter                                      approximately 10 Ω; at least 22 nF should be used to

                                                                            ensure          stability,     reduce    high-frequency      output           imped-

     OA3     is   intended      to     translate  the  VCA’s    output      ance, and attenuate high-frequency noise.

currents into voltage signals. It is a unity-gain stable,                             VREF    may     be   used    to   supply    a   “ground”         reference

7.3  MHz     opamp        with  moderately        low  input    noise  of   voltage         to   other     sections     of  circuits     beyond        the  4320

10.5 nv/√Hz. This noise floor complements that of the                       itself.       However, in any such uses, the designer should

VCA.                                                                        take      care         to    minimize       currents,        especially         signal

                                                                            currents,           that   flow  through        the  VREF    line.     Any signal

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currents should return to the real circuit ground (GND);                  only at room temperature. (At room temperature, the

VREF should be connected only to relatively high imped-                   gain control constant is 6.0 mV/dB.) If the temperature

ance loads (e.g., the positive input of opamps).                 Where    increases by 10 ºC, the voltage for 0 dB gain remains the

significant currents (signal or otherwise) must be deliv-                 same, but that for 20 dB gain increases by 3.3 %, to

ered at the VREF dc level, an opamp should be used to                     124 mV. If the same 120 mV gain command is applied

buffer the VREF line itself.                                              (because it comes from a source that does not vary with

                                                                          temperature), the gain will be 19.35 dB, not 20 dB.

     Another approach to power supply arrangements is

to   operate  the   4320     from  symmetrical        split   supplies            If the supply that feeds the gain-control pot derives

(e.g., ±5 V and ground).         In such cases, the center-tap of         from a stable voltage source, the commanded gain will

the resistive divider at pin 13 (QFN pin 14) should be                    drift with temperature.            Alternatively, if the supply can

grounded.     This  will  force    VREF    to  very   nearly     ground   be made to vary with temperature just as the control

(within the offset of the VCC/2 buffer).                                  port’s sensitivity drifts, the two can compensate each

                                                                          other and the result will be stable.           That is the purpose

     A final note on the subject of power supply connec-                  of the 4320’s PTAT voltage generator: to supply a voltage

tions is that both of the 4320’s two GND, pins 1 and 14                   that drifts exactly as the VCA and the RMS detector

(QFN pins 4 and 15), must be tied together for proper                     drifts. The PTAT voltage can be used, with appropriate

operation     of  the   device.    While       these  pins    are  tied   scaling, to reference all gain controls, gain offsets, and

together internally on the chip, due to the large size of                 threshold        setting     amplifiers   throughout        the    level-

the die inside the part, the resistance and inductance of                 processing side chain. And, because the PTAT generator

the internal connection is not as low as an external PCB                  is integrated on the same IC as its VCA and RMS detec-

trace can provide.      The 4320 may not meet all its speci-              tor, temperature tracking between these three compo-

fications  unless      a  short    PCB      connection       is  made     nents is excellent.

between these two pins.

PTAT Voltage Generator                                                    The No Connection Pins

                                                                                  Some  pins      on    the  THAT4320        are  labeled    "No

     The VCA control port and the RMS-level detector                      Connection"        (N/C).     These    pins    are   not    internally

output     both   share   a   fundamental      temperature         drift  connected to the 4320 die, so it is acceptable to leave

proportional to absolute temperature.                 Room tempera-       these pins unconnected or to connect these pins to some

ture is approximately 300 ºK (or 27 ºC), so near room                     external circuit nodes. In fact, the placement of the N/C

temperature the drift amounts to +0.33 %/ºC.                 The drift    pins was chosen partly to facilitate passive guarding to

is expressed in percent per degree Celsius because the                    certain      pins  which      are  sensitive   to  low-level   leakage

magnitude of the change with temperature depends on                       currents (e.g., the RMS and VCA inputs).

the  gain     control   command        or   detected  level      being

presented. There is no temperature drift at 0 dB gain, or                         Because the dc potential at the most sensitive circuit

at the RMS’ reference level.           But, away from either of           nodes is very close to VREF, THAT Corporation recom-

these 0 dB points, the scale factor of these parameters                   mends        that  all  the   N/C  pins   be   connected       to  VREF

varies by 0.33 % for each degree Celsius of temperature                   wherever      possible.      However,    layout    constraints     may

change.                                                                   preclude such a connection. In this case, either leave the

                                                                          pins open, or choose a slow moving (dc) signal that is

     The PTAT voltage generator produces an output that                   close in dc potential to VREF, such as VPTAT. Tying the N/C

varies directly with absolute temperature.            At 25 ºC, it’s      pins to VCC or GND -- not recommended -- will guard

output is 72 mV.       One end of the generator is connected              against      AC    signals,   but  runs   the  risk     of  generating

to VREF, the other (negative end) is buffered and brought                 unanticipated dc leakage currents which can spoil the

out at VPTAT at pin 9 (QFN pin 12). While one application                 performance of the 4320's VCA and RMS detector.

for the voltage on this pin might be to read the tempera-

ture of the IC, it has many important practical uses in                   Noise Reduction (Compander) Configurations

audio   applications      based    on  the     4320.  Basically,   it             A primary use of the 4320 is for noise reduction

provides a voltage that can be used, after appropriate                    systems, particularly within battery-operated devices.             In

scaling, to supply any gain controls or offsets used to                   these applications, one 4320 is configured for use as a

condition the RMS detector output and/or the VCA gain                     compressor         to   condition  audio  signals    before      feeding

control signals.                                                          them into a noisy channel.           A second 4320, configured

     An example may help make this clear.               Suppose a         as an expander, is located at the receiver end of the

designer   wants    to    provide  a   potentiometer    to       control  noisy channel.          The compressor increases gain in the

signal gain through the VCA. If the desired gain range is                 presence of low-level audio signals, and reduces its gain

0 to +20 dB, the VCA control port must be driven from                     in      the  presence     of  high-level      audio  signals.      The

0 mV (for 0 dB gain) to +120 mV (for +20 dB gain), but                    expander works in opposite, complementary fashion to

                                 THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

              Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

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Document 600045 Rev 06                                                Page  12   of  16             THAT4320 Pre-trimmed Low-voltage Low-power

                                                                                                              Analog Engine® Dynamics Processor IC

restore the original signal levels present at the input of                            The      RMS  detector       responds            accurately  over   a  wide

the compressor.                                                                       range of levels; the VCA responds accurately to a wide

                                                                                      range of gain commands; the detector output and the

During          low-level    audio    passages,  the  compressor                      VCA control input are fully configurable; and the part

increases signal levels, bringing them up above the noise                             contains      enough    opamps         to  provide      many      options  in

floor of the noisy channel.           At the receiving end, the                       signal conditioning.          All these features mean that the

expander reduces the signal back to it’s original level, in                           4320 will support a wide range of compander designs

the process attenuating the channel noise.                                            (and     more),     including      simple        2:1  wide   range     (level-

During          high-level   audio    passages,  the  compressor                      independent)        systems,       level-dependent           systems     with

decreases signal levels, reducing them to fit within the                              thresholds    and       varying     compression         slopes,    systems

headroom limits of the noisy channel.                The expander                     including noise gating and/or limiting, and systems with

increases the signal back to its original level.            While the                 varying degrees of pre-emphasis and filtering in both the

channel noise may be increased in this action, a well-                                signal and detector paths.                 Furthermore, much of this

designed compander will mask the noise floor with the                                 can    be     accomplished     by      extensively      conditioning       the

signal itself.                                                                        control voltage sidechain rather than the audio signal

                                                                                      itself.    The audio signal can pass through as little as one

The 4320 was designed to facilitate the design of a                                   VCA and one opamp, and still support multiple ratios,

wide  variety   of  companding        noise      reduction  systems.                  thresholds, and time constants.

                                                     Optional Clipper/Overload Protection

                                                                       D1

                                                                       D2

                                                                                                    20 kHz Butterworth LPF

                                              6dB Static Gain          C5

                                 C9       R3                          22p NPO                       C8                                 Decoder     Out

                                 10n  1k10                             R4                           3n3                   U1D

      In            C3                R1                               20k0                         NPO 2.5%         17   -

                                                 23             21                    R5            R6                           16

                                                     In VCA                  20                                      18   OA4
                                      10k0                            OA3                                                 +
                    10u
                                                     Ec+                              9k09          2k05      C1
                                                                                                                          4320
                                                                VREF                                          1n

                                                                      R13        VREF                         NPO

                                                      4      +  2                                             2.5%

                                                           OA2  3     2k49
                                                             -
                                                     U1A
                                                                                             10  dB / ~ 50 μs pre-emphasis
      VCC =     +5 V                                 4320

                                                                                                    R10       C14

                                                      R9

                                                     4k99                           U1C             2k26      10n

                                                                                    4320

      Un-used and available                          C11               R8        8    RMS        6  R2        C2

      for low noise pre-amp                                            4k99         Out  CT  In     4k99

      or other circuits                     C12      100n       R7                                            470n

                    U1B                   100n                  10k0                     7          VCC       60 Hz HPF          U1E

      VREF          4320                                            6dB Static Gain                                              4320                    VPTAT

                27                                                                                                           15               9

                    +        25                                                                                                  VCC   VPTAT

                26  OA1                                         VPTAT            C10                C4              FILT                                 VREF
                    -                                                                                                        13               11
                         28                                                      10u                     22u  C13                      VREF
                                                                             (CTIME)                                             Filt

                                                                                                              100n           14               1

                                                                                                                                 Gnd   Gnd               C6

                                                                                                                                                         100n

                                                                                                              C7

                                                                                                              22u

                                 Figure 12.   THAT4320 2:1 Encoder Circuit (QSOP-28 pin assignments shown)

                                      THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

                Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

                                                     Copyright © 2009, THAT Corporation
Document 600045 Rev 06                                                  Page 13 of 16      THAT4320 Pre-trimmed Low-voltage Low-power

                                                                                                        Analog Engine® Dynamics Processor IC

                                                                   Applications

      The 4320 includes so many useful building blocks                       approximately          2.9      kHz      (f3),  and  stopping   at    around

and operates from such a wide range of supply voltages                       6.5 kHz (f4). These frequencies were chosen such that

that it is suitable for a wide variety of dynamics process-                            f1 %                  f3 % f4

ing   applications.       Chief    among     these        are  wireless                         f2  =

companding systems. For this datasheet, we show the

part in a simple 2:1 companding noise reduction system                                 This effectively centers the rising sections of both the

that  performs        as   well    or    better     than  any      analog    RMS and VCA pre-emphasis curves. This network feeds

companding solution on the market today. Many other                          the input of the RMS detector, which is a virtual ground

configurations        of  the  4320    are   possible,    but  are     not   referenced to VREF.

shown here. THAT intends to publish additional circuits                                As  described     in      the  Theory      of  Operation    section

in   forthcoming      applications     notes.    Please    check       with  “The RMS Detector - In Brief” (on page 9), the RMS

THAT’s      applications       engineering   department        to  see  if   detector is capable of driving large spikes of current into

your application has been covered yet, and for personal-                     the averaging capacitor CTIME. To prevent these currents

ized assistance with specific designs.                                       from upsetting circuit grounds, it is necessary to bypass

The encoder                                                                  VCC to a point very near the grounded end of the CTIME

                                                                             with a capacitor (C4 in Figure 12) equal to or greater

      Figure 12 shows a simple 2:1 encoder or feedback                       than the value of CTIME. The grounded ends of these two

compressor.      The      encoder    in  a   wireless     companding         capacitors         should       be   connected       together  before   being

system      is  located    in  the     transmitter      and    generally     tied      to  the    rest   of  the      ground  system.       Doing  so    will

operates from a battery supply.                                              ensure that the current spikes flow within the local loop

      To optimize signal levels within the voltage limita-                   consisting         of  the  two      capacitors,     and  stay  out     of  the

tions of the battery supply, the encoder VCA gain is                         ground system. This requirement applies to the decoder

offset by 6 dB via the ratio of R4 to R1. Additionally,                      and other applications of the THAT4320 as well.

another 6 dB of static gain is injected at the control port                            The output of the RMS detector is zero volts when

opamp, via VPTAT and R7. (A 36 mV dc offset is required                      the RMS input current is equal to the timing current

to produce 6 dB of static gain. Since VPTAT ~ -72 mV, a                      (internally set to ~7.5 μA).              A low-frequency voltage level

gain of -1/2 will create the required 36 mV. Because the                     of -26 dBu was chosen as the desired zero dB reference

PTAT generator voltage tracks in temperature with the                        since this, in conjunction with the applied static gain,

VCA gain control constant, this gain will be stable over                     makes         optimal      use  of   the  available      gain  in  the  VCA.

temperature.)                                                                Then, the RMS detector’s low-frequency input resistance

      This      encoder        includes          a   high-frequency          can be calculated as:

pre-emphasis network at the input of the VCA (R3/C9)                                                %        −26

                                                                                       R2 =  0.775      10   20   { 4.99 k

that ultimately provides 20 dB of gain at 20 kHz. Its                                               7.5 A

lower corner frequency is at approximately 1.5 kHz (f1);

the upper corner is near 15 kHz (f2).                                                  From the desired 10 dB pre-emphasis, the value for

                                                                             R10 can then be calculated to be 2.26 kΩ.                      C14 is calcu-

      Companding noise reduction encoders often include                      lated         based    on   the      desired     pre-emphasis         starting

a   clipper     somewhere      in   the  signal     path   to  prevent       frequency.

overmodulation of the RF channel. The optional anti-

parallelled diodes D1 and D2, can perform that function                                In THAT Corporation’s design note DN03, A Signal

in   this   circuit,  and      should    be  placed     ahead      of  the   Limiter for Power Amplifiers, the compression ratio for

20    kHz   Butterworth        low-pass  filter     composed       of  OA4   a feedback compressor was derived using the analytical

and its surrounding components. This placement helps                         technique described in DN01A, The Mathematics of Log

reduce “spectral splatter” that results from momentary                       Based Dynamics Processors. This technique is referred

clipping. What clipping takes place is limited in duration                   to as ‘working in the log domain’. Using these methods,

to   transients  only,     since    the  encoder     will      eventually    it can be shown that the compression ratio (C.R.) of a

reduce its gain to below the clip point.                                     feedback compressor is

      The output of the low-pass filter is the output of the                           C.R. = 1 + A,

encoder. This is where the input to the RMS detector is                                where A is the absolute value of the gain of the side

derived. The input circuit for the RMS detector includes                     chain.

another      pre-emphasis        network         which    provides      a

maximum of 10 dB of pre-emphasis (R10/C14), rising at                                  The RMS detector’s output is connected to the VCA

                                                                             gain control port (EC+) through OA2, configured for an

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                                                                                                                   Analog Engine® Dynamics Processor IC

inverting gain of one. This fixes the compression ratio at                                 and C9 provide the necessary compensation to maintain

2:1. Note that the negative sign in the side chain gain                                    stability.

makes this circuit a compressor.

                                                                                                OA1 is used to implement another 20 kHz Butter-

The decoder                                                                                worth low-pass filter.              This ensures that noise picked up

    Figure 13 shows the THAT4320 configured as a 2:1                                       in the transmission channel will not cause mistracking

expander, an arrangement intended to complement the                                        between the detectors in the encoder and decoder. The

encoder  in     Figure  12.     This  circuit  is    optimized      for                    output of this filter feeds the RMS detector input, which

low-voltage operation, as might be the case for a decoder                                  in turn has the same pre-emphasis network as in the

in  an  in-ear   monitoring       system    which    will    run   from                    encoder RMS detector.

battery power.                                                                                  Using      the     same     log        based  mathematics         described

    The pre-emphasis network from the VCA input                         in                 earlier, the expansion ratio of a feedforward expander

Figure  12   is  now    in   the  feedback     loop    of    OA3;   This                   can be shown to be

provides de-emphasis. The VCA is set up with -12 dB of                                          E.R. = 1 + A

static gain to keep output signal levels low for battery

operation. Because the VCA is not stable unless it sees a                                       OA2 is configured as a gain-of-one follower.                      This

high frequency source impedance of 5 kΩ or less, R5                                        reverses the polarity of the control signal relative to the

                                                                                           encoder, and makes this circuit a 2:1 expander.

                                                                                                                           20 dB / ~ 100 μs de-emphasis

                                                                                                                                            C5

                                                                                                                                       22p NPO

                                                                                                                                       C11        R4

                                                                                      C9         R5                                             1k10

                                                                                                                                       10n

                                                                                      47p     4k99                                            R8

                                                                                  C3                                                        10k0

                                                                                                 R7        23                    21    -                    Out

                                                                                                                In VCA                 OA3    20

                                                                                  2u2         40k2                 Ec+                 +

                                                                            -12dB Static      Gain     U1A                       VREF

                                                                                                       4320     4           +    2

                                                   20 kHz    Butterworth    LPF                                         OA2-     3

                                               C1                                                C14

                                               3n3 NPO                      U1B                  100n

        Encoder Out         C6        R1           R6                       4320

                                                                    27  +

                                      9k09     2k05                     -OA128    25        C14            60 Hz HPF

                            1u                               C8     26                                 R8

                                  R3                         1n                                      2k26          U1C

                        VREF      100k                                                      10n                    4320

                                                                                            C2         R2       6       RMS         8

                                                                                                                   In       Out

                             VCC                     U1E                                   470n      4k99               CT

                                                     4320               VPTAT                                           7                         Un-used

                                               15                   9

                                                       VCC   VPTAT                                                          C10

                        C12                    13                   11                        VREF                          10u

                        22u                            Filt  VREF                                                                                        U1D

                                               14                   1                                                                             17  -

                                                       Gnd   Gnd                      C7                                                              OA4     16

                                C13                                                   100n                                                        18  +

                                100n  C4                                                                                                                 4320

                                      22u                                                                                                             VREF

                                Figure 13.  THAT4320 2:1 Decoder Circuit (QSOP-28 pin assignments shown)

                                  THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

             Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

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                                                                                               Analog Engine® Dynamics Processor IC

General Dynamics Processor Configurations                                     4320 with only minor variations.    Of course, look for

                                                                              more applications information aimed specifically at the

The        same  distinguishing     features    that   make     the           4320 in the future.

4320   so  applicable     to  companding        noise   reduction

systems    also  qualify  it   for  application    to   dynamics              Where to go from here

processors of all types.      This is even more so when the                       The  design  of  compander    systems  and  dynamics

application must run from battery power. The 4320 is                          processors is a very intricate art: witness the prolifera-

versatile  enough    to   be   used    as     the  heart    of  a             tion of first analog, then digital companding systems,

compressor,      expander,     noise  gate,     AGC,    de-esser,             and the many different dynamics processors available in

frequency-sensitive      compressor,   and         many     other             the market today.       In the applications section of this

dynamics processors.      It is beyond the scope of this data                 data sheet, we offer a single example of a compander as

sheet  to  provide   specific  advice  about       any  of  these             a starting point only.  THAT Corporation’s applications

functional classes.      We refer the interested reader to                    engineering  department  is  ready  to  assist  customers

THAT’s applications notebooks volumes 1 and 2, which                          with suggestions for tailoring and extending these basic

contain many circuits based on THAT’s other VCAs and                          circuits to meet specific needs.

RMS level detectors, but are largely applicable to the

                                                   Ordering           Information

           Package                     Order Number                   For sales:

       28 pin QSOP                     4320Q28-U                          Tel: +1 (508) 634-9922

       24 pin QFN (5x5)                4320N24-U                          Fax: +1 (508)634-6698

                 Table 1. Ordering information                            E-mail: sales@thatcorp.com

                               THAT Corporation; 45 Sumner Street; Milford, MA 01757-1656; USA

           Tel: +1 508 478 9200; Fax: +1 508 478 0990; Email: info@thatcorp.com; Web: www.thatcorp.com

                                                   Copyright © 2009, THAT Corporation
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                                                                                         Analog Engine® Dynamics Processor IC

                                            Package          Information

Pin Name                            Pin  Number

GND                                      1

OA2 +IN                                  2                                     1

OA2 -IN                                  3

OA2 OUT                                  4                                                                      D

No Connection                            5

RMS IN                                   6                                                                            A

CAP                                      7

RMS OUT                                  8

VPTAT                                    9

No Connection                            10

VREF                                     11                                                                     E

No Connection                            12                                                  B

FILTER                                   13                                                  C                                   G

GND                                      14                                    J                                              H

VCC                                      15

OA4 OUT                                  16

OA4 -IN                                  17                                                               0-8º

OA4 +IN                                  18                                              I

No Connection                            19

OA3 OUT                                  20                                 ITEM     MILLIMETERS                      INCHES

VCA OUT                                  21                                    A     9.80 - 9.98                      0.386 - 0.393

No Connection                            22                                    B     3.81 - 3.99                      0.150 - 0.157

                                                                               C     5.79 - 6.20                      0.228 - 0.244

VCA IN                                   23                                    D     0.20 - 0.30                      0.008 - 0.012

No Connection                            24                                    E     0.635 BSC                        0.025 BSC

OA1 OUT                                  25                                    G     1.35 - 1.75                      0.0532 - 0.0688

                                                                               H     0.10 - 0.25                      0.004 - 0.010

OA1 -IN                                  26                                    I     0.40 - 1.27                      0.016 - 0.050

OA1 +IN                                  27                                    J     0.19 - 0.25                      0.0075 - 0.0098

OA1 VEE                                  28

Table 2. QSOP-28             pin    assignments                                Figure 14. QSOP-28               package drawing

Pin Name                            Pin Number                                                                        Exposed

OA1 -IN                                  1                                                   I                        Thermal Pad

OA1 +IN                                  2                                           13                18          D

OA1 VEE                                  3                                     12                          19

GND                                      4

OA2 +IN                                  5                                  J                K                                            B

OA2 -IN                                  6

OA2 OUT                                  7                                        7                        24

No Connection                            8                                           6                 1

RMS IN                                   9                                        E                                F                   G

CAP                                      10                                          BOTTOM     VIEW

RMS OUT                                  11                                 C

VPTAT                                    12

VREF                                     13

FILTER                                   14                                                                        H

GND                                      15                                              0°

VCC                                      16                                                  A

OA4 OUT                                  17

OA4 -IN                                  18

OA4 +IN                                  19                                 ITEM         MILLIMETERS                  INCHES

No Connection                            20                                    A         5.00 ± 0.10                  0.197 ± 0.004

                                                                               B         5.00 ± 0.10                  0.197 ± 0.004

OA3 OUT                                  21                                    C         0.90 ± 0.05                  0.035 ± 0.002

VCA OUT                                  22                                    D         0.25 ± 0.05                  0.010 ± 0.002

VCA IN                                   23                                    E         0.65 ± 0.05                  0.026 ± 0.002

                                                                               F         0.40 ± 0.05                  0.016 ± 0.002

OA1 OUT                                  24                                    G         0.00 ~ 0.05                  0.000 ~ 0.020

GND*                                THERMAL PAD (25)                           H         0.20 ± 0.05                  0.008 ± 0.002

                                                                               I         3.40 ± 0.05                  0.134 ± 0.002

Table 3. QFN-24              (5x5)  pin assignments                            J         3.40 ± 0.05                  0.134 ± 0.002

                                                                               K         C' 0.4 x 45°                 C‘ 0.016 x 45°

* For best VCA THD performance the QFN’s thermal pad should

not be soldered to the PCB.                                                 Figure   15. QFN-24            (5x5)   package drawing

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