本文將探討如何在電壓控制電路中使用FET，分四部分連載，重點介紹幾種FET的使用方法：

 

● FET用作壓控電阻；

● FET用作電壓控制放大器和有源混頻器；

● FET用作壓控移相器來處理音樂；

● FET用作壓控帶通濾波器。

 

我們還將探討減少非線性或失真并自動偏置FET的方法。

 

FET電壓控制電阻

 

圖1顯示了一個N溝道FET的典型電流-電壓關系。

 

圖1：在不同的柵極至源極電壓VGS1/VGS2/VGS3下，典型的N溝道FET的I/V曲線。

 

FET一般有兩個區域：飽和區包括曲線的水平部分，這時FET用作電壓控制電流源；另一個區域包括傾斜的“彎曲部分”，稱為三極管或歐姆區，此時FET用作壓控電阻。如果仔細觀察，我們會注意到圖1中的三極管區域顯示了非負的漏源電壓（VDS）。

 

注意：FET中的三極管或歐姆區有時稱為線性區。FET作為壓控電阻（VCR）工作在這個區域。理想情況下，VCR模式下的FET漏極和源極端子之間不存在DC電壓。

 

如果我們將針對特定柵-源電壓的VDS電壓范圍擴大，使其略包含負電壓，我們看到仍然存在電阻效應（圖2）。

 

圖2：FET的三極管區擴展到負VDS電壓（- VDS1）仍然表現出電阻效應。

 

斜率定義為：

 

斜率=ΔID / ΔVDS= gds = 漏極和源極間的電導

 

漏極和源極之間的電阻是電導的倒數：

 

Rds = 1 / gds =ΔVDS/ΔID

 

我們看一下表示gds的兩個斜率S1和S2，會發現它們大致相同。但是如果仔細看，就會看出它們實際上有一點不同，S2的斜率比S1的斜率更陡一些。斜率越陡，電導率越高，電阻越低。例如，S2或-VDS1的高斜率區域附近的電阻低于S1或+ VDS1附近的電阻。電阻從+VDS1逐漸變化為-VDS1會導致失真，幸好失真可以減到很小。

 

例如，當漏極和源極兩端的小AC信號 < 500mV峰-峰值時，諧波失真可以保持在“合理的”低水平。如果漏極和源極之間的交流信號電壓在 - 250mV與+250mV之間，諧波失真將會“很小”，通常 < 3％。

 

這時你也許會問，有沒有FET只用作電壓控制電阻的？答案是肯定的（比如VCR11）。事實上，任何其它FET（比如JFET和MOSFET）都可用作電壓控制電阻。

 

基本的壓控電阻（VCR）電路

電壓控制電阻最簡單的一種用途是電子控制衰減器或“音量控制”。在圖3、圖4、圖5和圖6中，基本電路構成一個分壓器。

 

在每一個電路中，FET（Q1/Q2/Q3/Q4）的漏極和源極端子提供電壓控制電阻。當頻率大于20Hz時，C1的阻抗可被視為AC短路。

 

圖3：N溝道JFET衰減器電路。

 

在圖3中，將Q1的柵極電壓設置為0V或接地可實現最大衰減。R2將為Q1的漏極建立直流接地路徑。如果用導線代替C1，并且輸入信號源沒有明顯的DC偏置電壓（即 < 10mV DC），同時輸入信號源有一個直流接地路徑，它就可以被忽略。

 

當Q1柵極的負電壓導致Q1處于切斷狀態（即當柵極電壓→Vp時的夾斷電壓）時，發生最小衰減（即“貫通”）。

 

衰減器的傳遞函數是：

 

Vout/Vin = [Rds || R2] / [R1 + ( Rds || R2 )]

 

請注意，Rds是給定柵源電壓的漏源電阻。

 

如果Rds << R2，那么：

 

Vout/Vin = [ Rds] / [R1 + Rds ]

 

例如，如果Rds = 10k?，那么：

 

Vout/Vin = [10k?] / [47k? + 10k?] = 10k?/57k? = 10/57 = 0.1754

 

“耗盡型”N溝道JFET的漏極電流由Sedra和Smith的《微電子電路》給出：

 

 

其中，IDSS是Vgs = 0時的漏極電流。這一“最大”漏極電流在產品規格表中給出。

 

Vgs是N溝道器件的柵極到源極電壓，是非正電壓。

 

Vp 是夾斷電壓或切斷電壓。這是施加到柵極和源極以提供零漏極電流的電壓。產品規格表中給出了N溝道JFET的夾斷電壓Vp ≤ 0。而且，當Vgs = Vp時，漏極到源極電阻是無限的，因為沒有電流流入FET的漏極。

 

Vds是漏源電壓。這可以是漏極和源極之間的交流電壓，如圖3、圖4、圖5和圖6中的Vout。

 

對于歐姆、三極管或線性區的N溝道JFET，公式（1）至（5）僅在Vp≤Vgs≤ 0V時有效。

 

電導gds是通過求Id關于Vds的導數得到的。

 

 

電阻Rds是電導gds的倒數：

 

 

公式（4）顯示Rds是基于固定參數IDSS、Vp和固定柵源電壓Vgs的非線性電阻，與漏極和源極兩端的（AC信號）電壓Vds有關。

 

對漏極和源極兩端小信號初步近似，當Vds→0時：

 

 

公式（5）則是固定參數IDSS、Vp和固定柵源電壓Vgs的函數。電壓控制的“線性”電阻可由Vgs電壓設置。

 

例如，如果Vp = -1.5V, Vgs = -1.0V, 且IDSS = 0.005A = 5 mA，則：

 

 

根據公式（5），如果我們設定Vgs = Vp，那么漏源電阻將無窮大（即開路）：

 

 

對于N溝道JFET，若想通過設置Vgs = 0V來得到最小電阻值，會發生什么呢？

 

 

若Vgs = 0V，公式便簡化為：

 

Rds = Vp/[-2IDSS]

 

例如，如果Vp = -1.5V，IDSS = 0.005A = 5mA, 且Vgs= 0V，那么：

 

Rds=-1.5v/[-2(0.005A)]=-1.5v/[-0.01A]=1.5v/0.01A=150?

 

Rds =150?

 

圖4示出了一個P溝道FET衰減器電路。它的工作方式與圖3相似，只是柵極的控制電壓為正值，切斷Q2獲得最小衰減。同樣，當柵極電壓為零或接地時，得到最大衰減。

 

圖4：P溝道JFET衰減器電路。

 

MOSFET用作電壓控制電阻

 

MOSFET也可被用作電壓控制電阻，如圖5所示。目前大多數MOSFET都是“增強型”，這意味著開通漏極電流以降低其Rds所需的柵極偏置電壓為正電壓。因此，如果柵極電壓為0V，則MOSFET關斷。

 

圖5：N溝道MOSFET衰減器電路。

 

采用N溝道增強型器件Q3，在0V電壓時，衰減器將輸入信號以最小衰減傳遞至Vout。如果將VR1設置為大于閾值電壓Vth的正電壓，那么Q3的漏源電阻將開始下降。請注意，對于N溝道MOSFET，閾值電壓Vth> 0V。

 

根據Gray和Meyer的《模擬集成電路的分析和設計》，N溝道MOSFET的漏極電流由公式（6）表征：

 

其中：

 

 

應該注意的是，大多數分立MOSFET產品規格表不會列出k’ = μnCox，Cox = εox/ tox，W

和L，而只是給出典型的IV曲線和閾值電壓范圍圖。

 

N溝道JFET的公式（1）跟公式（6）非常相似。請注意，它們都包含“ - (Vds)(Vds)”項，這會導致非線性電阻。

 

重申一下，N溝道JFET的公式是：

 

 

圖6示出了一個P溝道MOSFET電壓控制電阻電路。

 

圖6：P溝道MOSFET衰減器電路。

 

對于P溝道增強模式器件Q4，在零電壓時，衰減器將輸入信號以最小衰減傳遞至Vout。如果VR1設置為比閾值電壓Vth更負的電壓，那么Q4的漏源電阻將開始下降。注意，P溝道MOSFET的閾值電壓是負電壓（Vth< 0V）。

 

一般來說，圖5和圖6所示的衰減器電路允許小信號有適當的諧波失真，Vout的峰峰值

電壓 < 500mV。如果有失真，主要就是二次諧波失真。

 

平衡或推挽式VCR電路

我們可以利用圖7所示的推挽電路進一步線性化或顯著減少二次失真。特別是雙配對FET（比如VCR11N、LSK489和LSK389等），可以消除偶次失真。

 

圖7：一個N溝道平衡配置示例，使用雙配對FET LSK489的Q1A和Q1B來降低失真。

 

推挽或平衡VCR衰減器電路可以消除或減少二次失真。在圖7中，U1B緩沖輸入信號Vin，并用Q1A（雙FET封裝的一半）驅動第一個電壓控制衰減器電路。Vbias是可變DC負電壓，可以改變Q1A的漏源電阻，通過串聯電阻R2提供電壓控制分壓電路。電壓跟隨放大器U1A緩沖Q1A漏極端子的電壓控制衰減信號。請注意，FET輸入運算放大器（如TL082、TL062、LF353和AD712等）通常與高阻抗輸入電阻器（如R3和R9）一起使用。

 

運算放大器電路R12、R11和U2B構成一個反相放大器，通過R10發送一個反相信號到第二個壓控衰減器電路。Q1B的柵極有相同的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的漏極對電壓控制的衰減反相信號進行緩沖。由U2A、R4、R5、R7和R8組成的差分放大器從U1A和U3A中減掉輸出，通過Vout消除二次失真。

 

至此，同相的Q1A和Q1B的漏極都有二次失真，二次失真意味著一個x2函數。

 

應注意的是，對負信號平方和對正信號平方得到的結果相同，即：

 

(- x)2 = (+ x)2

 

輸出信號可表征如下：

 

a1 = 線性分壓系數

 

a2 = 二次失真系數

 

對于非反相信號：

 

U1A pin 1 = a1 Vin + a2 (Vin)2

 

對于反相信號：

 

U3A pin 1 = a1 (- Vin) + a2 (- Vin)2

 

注意：(Vin)2 = (- Vin)2

 

所以，對反相信號，我們有：

 

U3A pin 1 = - a1 Vin + a2 (Vin)2

 

差分放大器U2A從U1A引腳1和U3A引腳1中減去同相和反相信號后，得到：

 

 

注意，a2 (Vin)2 - a2 (Vin)2 = 0

 

因此，差分放大器電路U2A引腳1的輸出 = 2a1 Vin，注意不存在二次失真項。這意味著我們得到一個放大了2倍的電壓控制衰減信號，并且沒有二次失真。

 

注意，圖7顯示了一個N溝道JFET的例子，但推挽或平衡操作的基本原理可以應用于圖4、圖5和圖6中所示的P溝道JFET、N溝道MOSFET和P溝道MOSFET電壓控制衰減器電路。

 

或者，我們可以向基本的電壓控制電阻電路施加反饋來消除二次失真。當我們應用這個反饋時，輸出信號會對稱地失真，這是由奇次失真引起的。

 

在第二部分中，我們將以示例詳細探討。

 

本文轉載自電子技術設計。

 

 

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