我很高興在我們的行業(yè)中仍然有一些公司在制造精密、分立的晶體管;線性集成系統(tǒng)是我遇到過的最好的系統(tǒng)之一。有如此多的應(yīng)用需要使用優(yōu)質(zhì)分立元件而不是集成電路來設(shè)計電路。
Linear Integrated Systems 生產(chǎn)各種 FET(場效應(yīng)晶體管)。特別是他們有多種匹配的雙產(chǎn)品。擁有匹配的設(shè)備有很多優(yōu)點。例如，如果您正在構(gòu)建雙通道立體聲音頻產(chǎn)品，則在同一封裝中包含兩個或四個設(shè)備可以使兩個音頻通道更緊密地匹配。
本文將探討在壓控電路中使用 FET。
1. 使用 FET 作為壓控電阻。
2. 使用 FET 作為壓控放大器和有源混頻器。
3. 使用 FET 作為壓控移相器來處理音樂。
4. 使用 FET 作為壓控帶通濾波器。
我們還將探索減少非線性或失真以及自動偏置 FET 的方法。
FET 壓控電阻
圖 1顯示了 N 溝道 FET 的典型電流-電壓關(guān)系。
圖 1不同柵源電壓 VGS1、VGS2 和 VGS3 的典型 N 溝道 FET I/V 曲線。
FET 基本上有兩個區(qū)域：
飽和區(qū)包括每個水平平坦部分，其中 FET 充當(dāng)壓控電流源，而另一個包括傾斜“彎曲部分”的區(qū)域是三極管或歐姆區(qū)，其中 FET 可以充當(dāng)電壓控制電流源。受控電阻。如果仔細觀察，我們會注意到圖 1 中的三極管區(qū)域的漏源電壓 (VDS) 為非負值。
注：FET 中的三極管或歐姆區(qū)有時稱為線性區(qū)。 FET 作為壓控電阻器 (VCR) 工作在該區(qū)域。優(yōu)選地，在VCR模式下，在FET的漏極和源極端子上不存在DC電壓。
如果我們擴展 VDS 電壓范圍以包含特定柵源電壓的輕微負電壓，我們會發(fā)現(xiàn)仍然存在電阻效應(yīng)(圖 2)。
圖 2 FET 的三極管區(qū)域擴展到負 VDS 電壓 – VDS1，但仍然顯示出電阻效應(yīng)。
斜率定義為：
斜率 = ΔID/ΔVDS = g ds =漏極和源極之間的電導(dǎo)。
漏極和源極之間的電阻是電導(dǎo)的倒數(shù)，
R ds = 1 / g ds = ΔVDS/ΔID
當(dāng)我們觀察表示 g ds 、S1 和 S2的兩個斜率時，我們會發(fā)現(xiàn)它們大致相同。但如果我們仔細觀察，它們實際上略有不同，S2 的坡度比 S1 的坡度更陡。斜率越陡，電導(dǎo)越高，電阻越低。例如，S2 或 – VDS1 周圍的高斜率區(qū)域周圍的電阻低于 S1 或 + VDS1 周圍的電阻。電阻從+VDS1 到-VDS1 的逐漸變化會導(dǎo)致失真。幸運的是，失真可以保持很小。
例如，對于漏極和源極上的小交流信號(例如，< 500 mV 峰峰值)，諧波失真可能“相當(dāng)”低。例如，如果漏極和源極之間的交流信號電壓在 – 250 mV 和 +250 mV 之間，則諧波失真將“小”，通常 < 3%。
此時，人們可能會問是否有專門針對壓控電阻器應(yīng)用而制造的特定 FET?答案是肯定的(例如，VCR11)，但事實證明，幾乎任何其他 FET(例如，JFET 和 MOSFET)都可以用作壓控電阻器。
基本壓控電阻 (VCR) 電路
壓控電阻器最簡單的用途之一是電子控制衰減器或“音量控制”?；倦娐沸纬扇鐖D3、4、5和6所示的分壓器。
在每個電路中，F(xiàn)ET(Q1、Q2、Q3 和 Q4)的漏極端子和源極端子提供壓控電阻。對于大于20Hz的頻率，C1的阻抗可以被認(rèn)為是交流短路。我們看下面的圖3：
圖 3 N 溝道 JFET 衰減器電路。
在圖 3中，通過將 Q1 的柵極電壓設(shè)置為 0 伏或接地來實現(xiàn)最大衰減。 R2 為 Q1 的漏極建立一條到地的直流路徑。如果C1用導(dǎo)線代替，并且輸入信號源沒有明顯的直流偏移電壓(例如，<10mV DC)，并且輸入信號源有到地的直流路徑，則可以省略。
當(dāng) Q1 柵極處的負電壓導(dǎo)致 Q1 截止(例如，柵極電壓 → V p ，夾斷電壓)時，會發(fā)生最小衰減(例如“直通”)。
則衰減器的傳遞函數(shù)為：
V輸出/V輸入 = [R ds || R2] / [R1 + ( R ds || R2 )]
請注意，R ds是給定柵源電壓下的漏源電阻。
如果 R ds << R2，則
V輸出/V輸入 = [ R ds ] / [R1 + Rds ]
例如，如果 Rds = 10KΩ，則
V輸出/V輸入 = [10KΩ] / [47KΩ + 10KΩ] = 10KΩ/57KΩ = 10/57 = 0.1754
I DSS = V gs = 0時的漏極電流。規(guī)格表中給出了該“最大”漏極電流。
V gs = 柵源電壓，對于 N 溝道器件來說是非正電壓。
V p = 夾斷電壓或截止電壓。這是施加到柵極和源極以提供零漏極電流的電壓。規(guī)格表中給出了 N 通道 JFET 的夾斷電壓V p ≤ 0 V。另外，如果Vgs = Vp，則漏源電阻為無窮大，因為沒有電流流入 FET 的漏極。
V ds = 漏源電壓。這可以是漏極和源極之間的交流電壓，如圖 3、4、5 和 6 中的 Vout。
現(xiàn)在讓我們看看當(dāng)我們通過將 N 通道 JFET 設(shè)置為V gs = 0 伏特來獲得最小電阻時會發(fā)生什么。
或者更好的是，對于Vgs = 0 伏，這可以簡化為更簡單的形式：
R ds = Vp /[-2I DSS ]
例如，如果再次Vp = -1.5 伏且 I DSS = 0.005 A = 5 mA，且V gs = 0 伏
R ds = -1.5v/[-2(0.005A)] = -1.5v/[-0.01A] = 1.5v/0.01A = 150Ω
電阻= 150Ω
圖 4顯示了 P 溝道 FET 衰減器電路。其工作原理與圖 3類似，不同之處在于柵極控制電壓為正，以截止 Q2 以實現(xiàn)最小衰減。同樣，當(dāng)柵極電壓為零或接地時，我們會得到最大衰減。
圖 4 P 溝道 JFET 衰減器電路。
在圖 5中，MOSFET 也被用作壓控電阻器。由于當(dāng)今大多數(shù) MOSFET 傾向于“增強模式” ，這意味著柵極所需的偏置是正電壓，以打開漏極電流以降低其 R ds。因此，如果柵極電壓為 0 伏，則 MOSFET 關(guān)閉。
圖5 N溝道MOSFET衰減器電路
對于 N 通道增強模式器件 Q3，衰減器在零伏時將輸入信號以最小的衰減傳遞至 Vout。如果VR1設(shè)置為大于閾值電壓 V th的正電壓，Q3的漏源電阻將開始下降。請注意， N 溝道 MOSFET 的閾值電壓 V th > 0 V
應(yīng)該注意的是，大多數(shù)分立 MOSFET 規(guī)格表不會列出k' = μ n C ox、C ox = ε ox / t ox W和L。相反，他們將給出典型 IV 曲線和閾值電壓范圍的圖。
如果我們查看 N 通道 JFET 的方程 (1)，我們會發(fā)現(xiàn)方程 (6) 非常相似。請注意，它們都包含“-( Vds )( Vds )”項，這會產(chǎn)生非線性電阻。
圖 6顯示了 P 溝道 MOSFET 壓控電阻電路。
圖6 P溝道MOSFET衰減器電路。
對于 P 通道增強模式器件 Q4，衰減器在零伏時將輸入信號以最小的衰減傳遞至 Vout。如果VR1設(shè)置為比閾值電壓V th更負的電壓， Q4的漏源電阻將開始下降。請注意，P 溝道 MOSFET 的閾值電壓是負電壓(例如，V th < 0 伏)。
一般來說，圖 5 和圖 6所示的衰減器電路將允許小信號的諧波失真相當(dāng)小，Vout 處的峰峰值 < 500 mV。如果存在失真，二階諧波失真將占主導(dǎo)地位。
平衡或推挽式 VCR 電路
我們可以通過制作如圖 7所示的推挽電路來進一步線性化或大幅減少二階失真。特別是，具有雙匹配 FET(例如，VCR11N、LSK489、LSK389 等)可實現(xiàn)偶次失真消除。
圖 7使用雙匹配 FET、LSK489、Q1A 和 Q1B 降低失真的 N 通道平衡配置示例。
推挽或平衡 VCR 衰減器電路可消除或減少二階失真。在圖7中，U1B緩沖輸入信號Vin，并用Q1A(雙FET封裝的一半)驅(qū)動第一個壓控衰減器電路。 Vbias 顯示為可變直流負電壓，它改變 Q1A 的漏極至源極電阻，以通過串聯(lián)電阻器 R2 提供壓控分壓器電路。電壓跟隨放大器U1A緩沖Q1A漏極的壓控衰減信號。注意，F(xiàn)ET輸入運放如TL082、TL062、LF353、AD712等一般與R3、R9等高阻抗輸入電阻一起使用。
運算放大器電路 R12、R11 和 U2B 形成反相放大器，通過 R10 將異相信號發(fā)送到第二壓控衰減器電路。 Q1B 的柵極具有相同的 Vbias 信號，允許 Q1A 和 Q1B 的漏極和源極具有匹配的衰減特性。電壓跟隨器 U3A 通過 Q1B 的漏極緩沖電壓控制的衰減異相信號。 由 U2A、R4、R5、R7 和 R8 形成的差分放大器減去 U1A 和 U3A 的輸出，以通過 Vout 抵消二階失真。請參閱下文了解更多詳情。
此時，Q1A 和 Q1B 的漏極均存在同相的二階失真。原因是二階失真意味著 x 2函數(shù)。
但請注意，對負信號進行平方和對正信號進行平方會得到相同的結(jié)果。那是
(- x) 2 = (+ x) 2
輸出信號的特征如下：
a 1 = 線性分壓器系數(shù)
a 2 = 二階失真系數(shù)
對于同相信號，U1A 引腳 1 = a 1 Vin + a 2 (Vin) 2
對于反相信號，U3A 引腳 1 = a 1 (- Vin) + a 2 (- Vin) 2
請注意： (Vin) 2 = (- Vin) 2
因此，對于反相信號，
U3A 引腳 1 = – a 1 Vin + a 2 (Vin) 2
差分放大器 U2A 對來自 U1A 引腳 1 和 U3A 引腳 1 的同相和反相信號進行減法，我們有：
a 1 Vin + a 2 (Vin) 2 – [ – a 1 Vin + a 2 (Vin) 2 ] = a 1 Vin + a 2 (Vin ) 2 + a 1 Vin – a 2 (Vin) 2 =
a 1 Vin + a 1 Vin + a 2 (Vin) 2 – a 2 (Vin) 2 = 2a 1 Vin + 0 (Vin) 2 = 2a 1 Vin
請注意，a 2 (Vin) 2 – a 2 (Vin) 2 = 0
這樣，差分放大電路U2A引腳1的輸出=2a 1 Vin，并注意不存在二階失真項。這意味著我們得到了放大 2 倍的壓控衰減信號，并且沒有二階失真。
請注意，圖 7顯示的是 N 溝道 JFET 示例，但推挽或平衡操作的基本原理可應(yīng)用于圖 4、5 和 6 中所示的 P 溝道 JFET、N 溝道 MOSFET 和 P 溝道 MOSFET 壓控衰減器電路分別。
或者，我們可以將反饋應(yīng)用于基本壓控電阻電路，以基本上消除二階失真。當(dāng)我們應(yīng)用這種反饋時，輸出信號會對稱失真 。這意味著主要是奇數(shù)階失真產(chǎn)物。
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