将 FET 用于电压控制电路的指南，第 1 部分

[导读]我很高兴在我们的行业中仍然有一些公司在制造精密、分立的晶体管;线性集成系统是我遇到过的最好的系统之一。有如此多的应用需要使用优质分立元件而不是集成电路来设计电路。

我很高兴在我们的行业中仍然有一些公司在制造精密、分立的晶体管;线性集成系统是我遇到过的最好的系统之一。有如此多的应用需要使用优质分立元件而不是集成电路来设计电路。

Linear Integrated Systems 生产各种 FET(场效应晶体管)。特别是他们有多种匹配的双产品。拥有匹配的设备有很多优点。例如，如果您正在构建双通道立体声音频产品，则在同一封装中包含两个或四个设备可以使两个音频通道更紧密地匹配。

本文将探讨在压控电路中使用 FET。

1. 使用 FET 作为压控电阻。

2. 使用 FET 作为压控放大器和有源混频器。

3. 使用 FET 作为压控移相器来处理音乐。

4. 使用 FET 作为压控带通滤波器。

我们还将探索减少非线性或失真以及自动偏置 FET 的方法。

FET 压控电阻

图 1显示了 N 沟道 FET 的典型电流-电压关系。

图 1不同栅源电压 VGS1、VGS2 和 VGS3 的典型 N 沟道 FET I/V 曲线。

FET 基本上有两个区域：

饱和区包括每个水平平坦部分，其中 FET 充当压控电流源，而另一个包括倾斜“弯曲部分”的区域是三极管或欧姆区，其中 FET 可以充当电压控制电流源。受控电阻。如果仔细观察，我们会注意到图 1 中的三极管区域的漏源电压 (VDS) 为非负值。

注：FET 中的三极管或欧姆区有时称为线性区。 FET 作为压控电阻器 (VCR) 工作在该区域。优选地，在VCR模式下，在FET的漏极和源极端子上不存在DC电压。

如果我们扩展 VDS 电压范围以包含特定栅源电压的轻微负电压，我们会发现仍然存在电阻效应(图 2)。

图 2 FET 的三极管区域扩展到负 VDS 电压 – VDS1，但仍然显示出电阻效应。

斜率定义为：

斜率 = ΔID/ΔVDS = g ds =漏极和源极之间的电导。

漏极和源极之间的电阻是电导的倒数，

R ds = 1 / g ds = ΔVDS/ΔID

当我们观察表示 g ds 、S1 和 S2的两个斜率时，我们会发现它们大致相同。但如果我们仔细观察，它们实际上略有不同，S2 的坡度比 S1 的坡度更陡。斜率越陡，电导越高，电阻越低。例如，S2 或 – VDS1 周围的高斜率区域周围的电阻低于 S1 或 + VDS1 周围的电阻。电阻从+VDS1 到-VDS1 的逐渐变化会导致失真。幸运的是，失真可以保持很小。

例如，对于漏极和源极上的小交流信号(例如，< 500 mV 峰峰值)，谐波失真可能“相当”低。例如，如果漏极和源极之间的交流信号电压在 – 250 mV 和 +250 mV 之间，则谐波失真将“小”，通常 < 3%。

此时，人们可能会问是否有专门针对压控电阻器应用而制造的特定 FET?答案是肯定的(例如，VCR11)，但事实证明，几乎任何其他 FET(例如，JFET 和 MOSFET)都可以用作压控电阻器。

基本压控电阻 (VCR) 电路

压控电阻器最简单的用途之一是电子控制衰减器或“音量控制”。基本电路形成如图3、4、5和6所示的分压器。

在每个电路中，FET(Q1、Q2、Q3 和 Q4)的漏极端子和源极端子提供压控电阻。对于大于20Hz的频率，C1的阻抗可以被认为是交流短路。我们看下面的图3：

图 3 N 沟道 JFET 衰减器电路。

在图 3中，通过将 Q1 的栅极电压设置为 0 伏或接地来实现最大衰减。 R2 为 Q1 的漏极建立一条到地的直流路径。如果C1用导线代替，并且输入信号源没有明显的直流偏移电压(例如，<10mV DC)，并且输入信号源有到地的直流路径，则可以省略。

当 Q1 栅极处的负电压导致 Q1 截止(例如，栅极电压 → V p ，夹断电压)时，会发生最小衰减(例如“直通”)。

则衰减器的传递函数为：

V输出/V输入 = [R ds || R2] / [R1 + ( R ds || R2 )]

请注意，R ds是给定栅源电压下的漏源电阻。

如果 R ds << R2，则

V输出/V输入 = [ R ds ] / [R1 + Rds ]

例如，如果 Rds = 10KΩ，则

V输出/V输入 = [10KΩ] / [47KΩ + 10KΩ] = 10KΩ/57KΩ = 10/57 = 0.1754

I DSS = V gs = 0时的漏极电流。规格表中给出了该“最大”漏极电流。

V gs = 栅源电压，对于 N 沟道器件来说是非正电压。

V p = 夹断电压或截止电压。这是施加到栅极和源极以提供零漏极电流的电压。规格表中给出了 N 通道 JFET 的夹断电压V p ≤ 0 V。另外，如果Vgs = Vp，则漏源电阻为无穷大，因为没有电流流入 FET 的漏极。

V ds = 漏源电压。这可以是漏极和源极之间的交流电压，如图 3、4、5 和 6 中的 Vout。

现在让我们看看当我们通过将 N 通道 JFET 设置为V gs = 0 伏特来获得最小电阻时会发生什么。

或者更好的是，对于Vgs = 0 伏，这可以简化为更简单的形式：

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

电阻= 150Ω

图 4显示了 P 沟道 FET 衰减器电路。其工作原理与图 3类似，不同之处在于栅极控制电压为正，以截止 Q2 以实现最小衰减。同样，当栅极电压为零或接地时，我们会得到最大衰减。

图 4 P 沟道 JFET 衰减器电路。

在图 5中，MOSFET 也被用作压控电阻器。由于当今大多数 MOSFET 倾向于“增强模式” ，这意味着栅极所需的偏置是正电压，以打开漏极电流以降低其 R ds。因此，如果栅极电压为 0 伏，则 MOSFET 关闭。

图5 N沟道MOSFET衰减器电路

对于 N 通道增强模式器件 Q3，衰减器在零伏时将输入信号以最小的衰减传递至 Vout。如果VR1设置为大于阈值电压 V th的正电压，Q3的漏源电阻将开始下降。请注意， N 沟道 MOSFET 的阈值电压 V th > 0 V

应该注意的是，大多数分立 MOSFET 规格表不会列出k' = μ n C ox、C ox = ε ox / t ox W和L。相反，他们将给出典型 IV 曲线和阈值电压范围的图。

如果我们查看 N 通道 JFET 的方程 (1)，我们会发现方程 (6) 非常相似。请注意，它们都包含“-( Vds )( Vds )”项，这会产生非线性电阻。

图 6显示了 P 沟道 MOSFET 压控电阻电路。

图6 P沟道MOSFET衰减器电路。

对于 P 通道增强模式器件 Q4，衰减器在零伏时将输入信号以最小的衰减传递至 Vout。如果VR1设置为比阈值电压V th更负的电压， Q4的漏源电阻将开始下降。请注意，P 沟道 MOSFET 的阈值电压是负电压(例如，V th < 0 伏)。

一般来说，图 5 和图 6所示的衰减器电路将允许小信号的谐波失真相当小，Vout 处的峰峰值 < 500 mV。如果存在失真，二阶谐波失真将占主导地位。

平衡或推挽式 VCR 电路

我们可以通过制作如图 7所示的推挽电路来进一步线性化或大幅减少二阶失真。特别是，具有双匹配 FET(例如，VCR11N、LSK489、LSK389 等)可实现偶次失真消除。

图 7使用双匹配 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 衰减器电路可消除或减少二阶失真。在图7中，U1B缓冲输入信号Vin，并用Q1A(双FET封装的一半)驱动第一个压控衰减器电路。 Vbias 显示为可变直流负电压，它改变 Q1A 的漏极至源极电阻，以通过串联电阻器 R2 提供压控分压器电路。电压跟随放大器U1A缓冲Q1A漏极的压控衰减信号。注意，FET输入运放如TL082、TL062、LF353、AD712等一般与R3、R9等高阻抗输入电阻一起使用。

运算放大器电路 R12、R11 和 U2B 形成反相放大器，通过 R10 将异相信号发送到第二压控衰减器电路。 Q1B 的栅极具有相同的 Vbias 信号，允许 Q1A 和 Q1B 的漏极和源极具有匹配的衰减特性。电压跟随器 U3A 通过 Q1B 的漏极缓冲电压控制的衰减异相信号。由 U2A、R4、R5、R7 和 R8 形成的差分放大器减去 U1A 和 U3A 的输出，以通过 Vout 抵消二阶失真。请参阅下文了解更多详情。

此时，Q1A 和 Q1B 的漏极均存在同相的二阶失真。原因是二阶失真意味着 x 2函数。

但请注意，对负信号进行平方和对正信号进行平方会得到相同的结果。那是

(- x) 2 = (+ x) 2

输出信号的特征如下：

a 1 = 线性分压器系数

a 2 = 二阶失真系数

对于同相信号，U1A 引脚 1 = a 1 Vin + a 2 (Vin) 2

对于反相信号，U3A 引脚 1 = a 1 (- Vin) + a 2 (- Vin) 2

请注意： (Vin) 2 = (- Vin) 2

因此，对于反相信号，

U3A 引脚 1 = – a 1 Vin + a 2 (Vin) 2

差分放大器 U2A 对来自 U1A 引脚 1 和 U3A 引脚 1 的同相和反相信号进行减法，我们有：