Linear Integrated Systems(LIS)生產各種場效應電晶體(FET),特別值得一提的是他們有各種匹配雙元件產品,這種匹配元件封裝有其獨特優勢。例如,如果在設計一個雙聲道身歷聲音訊產品,那麼在同一個封裝中包含兩個或四個元件就可以使兩個音訊通道匹配更加緊密。

本文將探討如何在電壓控制電路中使用FET,重點介紹幾種FET的使用方法:

  1. FET用作壓控電阻;

  2. FET用作電壓控制放大器和主動混頻器;

  3. FET用作壓控移相器來處理音樂;

  4. FET用作壓控帶通濾波器。

本文還將探討減少非線性或失真並自動偏置FET的方法。

FET電壓控制電阻

圖1顯示了一個N通道FET的典型電流-電壓關係。

20180726TA01P1 圖1 在不同的閘極至源極電壓VGS1/VGS2/VGS3下,典型的N通道FET的I/V曲線。

FET一般有兩個區域:

飽和區包括曲線的水準部分,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(triode)或歐姆區(ohmic region),此時FET用作壓控電阻。如果仔細觀察,會注意到圖1中的三極管區域顯示了非負的漏源電壓(VDS)。

請注意,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漏極和源極端子間不存在DC電壓。

如果將針對特定閘-源電壓的VDS電壓範圍擴大,使其略包含負電壓,可看到仍然存在電阻效應(圖2)。

20180726TA01P2 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。

並且漏極和源極之間的電阻是電導的倒數,Rds =1/gds =ΔVDS/ΔID

來看看表示gds的兩個斜率S1和S2,會發現它們大致相同,但是如果看仔細一點,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於S1或+VDS1附近的電阻,電阻從+VDS1到-VDS1逐漸變化會導致失真,幸好失真可以減到很小。

例如,當漏極和源極兩端的小AC訊號小於500mV峰-峰值時,諧波失真可以保持在「合理的」低水準。如果漏極和源極之間的交流訊號電壓在-250mV~+250mV之間,那麼諧波失真將會「很小」,通常小於3%。

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

基本的壓控電阻電路

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」。如圖3、圖4、圖5和圖6所示,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。當頻率大於20Hz時,C1的阻抗可被視為AC短路。

在圖3中,將Q1的閘極電壓設置為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,並且輸入訊號源沒有明顯的DC失調電壓(即小於10mV DC),同時輸入訊號源有一個直流接地路徑,它就可以被忽略。

20180726TA01P3 圖3 N通道JFET衰減器電路。

當Q1閘極處的負電壓導致Q1處於切斷狀態(即當閘極電壓→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是給定閘源電壓的漏源電阻。

如果Rds << R2,那麼:

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

例如,如果Rds=10kΩ,那麼:

Vout /Vin =[10kΩ]/[47kΩ+10kΩ]=10kΩ/57kΩ=10/57=0.1754

「耗盡型」N通道JFET的漏極電流由Sedra和Smith撰寫的「微電子電路(Microelectronic Circuits)」一文提出:

20182726TA01P3-1

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提供;

Vgs是N通道元件的閘極到源極電壓,是非正電壓;

Vp是夾斷電壓或切斷電壓,這是施加到閘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通道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

20180726TA01P4 圖4 P通道FET衰減器電路。

對於歐姆、三極管或線性區的N通道JFET,公式(1)至(5)僅在Vp ≦ Vgs ≦ 0V時有效。

電導gds是透過求Id關於Vds的導數得到。

20182726TA01P4-1

電阻Rds是電導gds的倒數:

20182726TA01P4-2

公式(4)顯示Rds是基於固定參數IDSS、Vp和固定閘源電壓Vgs的非線性電阻,與漏極和源極兩端的(AC訊號)電壓Vds有關。

20180726TA01P5 圖5 N通道MOSFET衰減器電路。

對漏極和源極兩端小訊號初步近似,當Vds→0時:

20182726TA01P5-1

公式(5)則是固定參數IDSS、Vp和固定閘源電壓Vgs的函數。電壓控制的「線性」電阻可由Vgs電壓設置。

20180726TA01P6 圖6 P通道MOSFET衰減器電路。

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

20182726TA01P6-1

根據公式(5),如果設定Vgs =Vp,那麼漏源電阻將無窮大(即開路):

20182726TA01P6-2

對於N通道JFET,若想透過設置Vgs =0V來得到最小電阻值,會發生什麼呢?

20182726TA01P6-3

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,那麼:

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

Rds =150Ω

圖4顯示一個P通道FET衰減器電路。它的工作方式與圖3相似,只是閘極的控制電壓為正值,以切斷Q2獲得最小衰減。同樣,當閘極電壓為零或接地時,得到最大衰減。

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所需的閘極偏置電壓為正電壓,因此,如果閘極電壓為0V,則MOSFET關斷。

採用N通道增強型元件Q3,在0V電壓時,衰減器將輸入訊號以最小衰減傳遞至Vout。如果將VR1設置為大於閾值電壓Vth的正電壓,那麼Q3的漏源電阻將開始下降。請注意,對於N通道MOSFET,閾值電壓Vth > 0V。

根據Gray和Meyer所寫的「模擬積體電路的分析和設計(Analysis and Design of Analog Integrated Circuits)」一文,N通道MOSFET的漏極電流由公式(6)表示:

20182726TA01P6-4

其中:

K’ =μnCox

Cox = εox/tox

W = MOS元件的寬度;

L = MOS元件的通道長度。

應該注意的是,大多數離散MOSFET產品規格表不會列出k’ =μnCox,Coxox/tox,W和L,而只是提供典型的IV曲線和閾值電壓範圍圖。

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

重申一下,N通道JFET的公式是:

20182726TA01P6-5

圖6顯示一個P通道MOSFET電壓控制電阻電路。對於P通道增強模式元件Q4,在零電壓時,衰減器將 輸入訊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,那麼Q4的漏源電阻將開始下降。請注意,P通道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訊號有適當的諧波失真,Vout的峰-峰電壓小於500mV。如果有失真,主要就是二階諧波失真。

平衡或推挽(push-pull)VCR電路

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。

20180726TA01P7 圖7 一個N通道平衡配置示例,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緩衝輸入訊號Vin,並用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,透過串聯電阻R2提供電壓控制分壓電路,電壓跟隨放大器U1A緩衝Q1A漏極端子的電壓控制衰減訊號。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,透過R10發送一個反相訊號到第二個壓控衰減器電路。Q1B的閘極有相同的Vbias訊號,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利用Q1B的漏極對電壓控制的衰減反相訊號進行緩衝,由U2A、R4、R5、R7和R8組成的差分放大器從U1A和U3A中減掉輸出,透過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,平方負訊號和平方正訊號得到相同的結果,即:

(-x)2 = (+x)2

輸出訊號可表示如下:

a1 =線性分壓係數;

a2 =二次失真係數。

對於非反相訊號:

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

對於反相訊號:

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

請注意:(Vin)2 = (-Vin)2

所以,對反相訊號可得到:

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

差分放大器U2A從U1A接腳1和U3A接腳1中減去同相和反相訊號後,得到:

a1Vin+a2(Vin)2-[-a1Vin+a2(Vin)2] = a1Vin+a2(Vin)2+a1Vin-a2(Vin)2 = a1Vin+a1Vin+a2(Vin)2-a2(Vin)2 = 2a1Vin+0(Vin)2=2a1Vin

請注意,a2(Vin)2-a2(Vin)2=0

因此,差分放大器電路U2A接腳1的輸出=2a1Vin,並注意不存在二次失真。這意味著得到一個放大了2倍的電壓控制衰減訊號,並且沒有二次失真。

請注意,圖7顯示一個N通道JFET的例子,但推挽或平衡操作的基本原理可以應用於圖4、圖5和圖6中所示的P通道JFET、N通道MOSFET和P通道MOSFET電壓控制衰減器電路。

或者,可以向基本的電壓控制電阻電路施加回饋來消除二次失真。當應用這個回饋時,輸出訊號會對稱地失真,這是由奇次失真引起。

(參考原文: A guide to using FETs for voltage controlled circuits, Part 1,by Ron Quan)