電壓控制電路中幾種FET的使用方法

LIS公司生產(chǎn)各種FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管），特別值得一提的是他們有各種匹配雙器件產(chǎn)品，這種匹配器件封裝有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。例如，如果您在設(shè)計(jì)一個(gè)雙聲道立體聲音頻產(chǎn)品，那么在同一個(gè)封裝中包含兩個(gè)或四個(gè)器件就可以使兩個(gè)音頻通道匹配更加緊密。

本文將探討如何在電壓控制電路中使用FET，分四部分連載，重點(diǎn)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(dòng)偏置FET的方法。

FET電壓控制電阻

圖1顯示了一個(gè)N溝道FET的典型電流-電壓關(guān)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(gè)區(qū)域：飽和區(qū)包括曲線的水平部分，這時(shí)FET用作電壓控制電流源；另一個(gè)區(qū)域包括傾斜的“彎曲部分”，稱為三極管或歐姆區(qū)，此時(shí)FET用作壓控電阻。如果仔細(xì)觀察，我們會(huì)注意到圖1中的三極管區(qū)域顯示了非負(fù)的漏源電壓（VDS）。

注意：FET中的三極管或歐姆區(qū)有時(shí)稱為線性區(qū)。FET作為壓控電阻（VCR）工作在這個(gè)區(qū)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(duì)特定柵-源電壓的VDS電壓范圍擴(kuò)大，使其略包含負(fù)電壓，我們看到仍然存在電阻效應(yīng)（圖2）。

圖2：FET的三極管區(qū)擴(kuò)展到負(fù)VDS電壓（- VDS1）仍然表現(xiàn)出電阻效應(yīng)。

斜率定義為：

斜率=ΔID / ΔVDS= gds = 漏極和源極間的電導(dǎo)

漏極和源極之間的電阻是電導(dǎo)的倒數(shù)：

Rds = 1 / gds =ΔVDS/ΔID

我們看一下表示gds的兩個(gè)斜率S1和S2，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們大致相同。但是如果仔細(xì)看，就會(huì)看出它們實(shí)際上有一點(diǎn)不同，S2的斜率比S1的斜率更陡一些。斜率越陡，電導(dǎo)率越高，電阻越低。例如，S2或-VDS1的高斜率區(qū)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(huì)導(dǎo)致失真，幸好失真可以減到很小。

例如，當(dāng)漏極和源極兩端的小AC信號(hào) < 500mV峰-峰值時(shí)，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(hào)電壓在 - 250mV與+250mV之間，諧波失真將會(huì)“很小”，通常 < 3％。

這時(shí)你也許會(huì)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(shí)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(gòu)成一個(gè)分壓器。

在每一個(gè)電路中，F(xiàn)ET（Q1/Q2/Q3/Q4）的漏極和源極端子提供電壓控制電阻。當(dāng)頻率大于20Hz時(shí)，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(shè)置為0V或接地可實(shí)現(xiàn)最大衰減。R2將為Q1的漏極建立直流接地路徑。如果用導(dǎo)線代替C1，并且輸入信號(hào)源沒有明顯的DC偏置電壓（即 < 10mV DC），同時(shí)輸入信號(hào)源有一個(gè)直流接地路徑，它就可以被忽略。

當(dāng)Q1柵極的負(fù)電壓導(dǎo)致Q1處于切斷狀態(tài)（即當(dāng)柵極電壓→Vp時(shí)的夾斷電壓）時(shí)，發(fā)生最小衰減（即“貫通”）。

衰減器的傳遞函數(shù)是：

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

請(qǐng)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(shí)的漏極電流。這一“最大”漏極電流在產(chǎn)品規(guī)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(chǎn)品規(guī)格表中給出了N溝道JFET的夾斷電壓Vp ≤ 0。而且，當(dāng)Vgs = Vp時(shí)，漏極到源極電阻是無限的，因?yàn)闆]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(duì)于歐姆、三極管或線性區(qū)的N溝道JFET，公式（1）至（5）僅在Vp≤Vgs≤ 0V時(shí)有效。

電導(dǎo)gds是通過求Id關(guān)于Vds的導(dǎo)數(shù)得到的。

電阻Rds是電導(dǎo)gds的倒數(shù)：

公式（4）顯示Rds是基于固定參數(shù)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(hào)）電壓Vds有關(guān)。

對(duì)漏極和源極兩端小信號(hào)初步近似，當(dāng)Vds→0時(shí)：

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

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

根據(jù)公式（5），如果我們?cè)O(shè)定Vgs = Vp，那么漏源電阻將無窮大（即開路）：

對(duì)于N溝道JFET，若想通過設(shè)置Vgs = 0V來得到最小電阻值，會(huì)發(fā)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(gè)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(dāng)柵極電壓為零或接地時(shí)，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(shù)MOSFET都是“增強(qiáng)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(guān)斷。

圖5：N溝道MOSFET衰減器電路。

采用N溝道增強(qiáng)型器件Q3，在0V電壓時(shí)，衰減器將輸入信號(hào)以最小衰減傳遞至Vout。如果將VR1設(shè)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(qǐng)注意，對(duì)于N溝道MOSFET，閾值電壓Vth> 0V。

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

其中：

應(yīng)該注意的是，大多數(shù)分立MOSFET產(chǎn)品規(guī)格表不會(huì)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(qǐng)注意，它們都包含“ - (Vds)(Vds)”項(xiàng)，這會(huì)導(dǎo)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(gè)P溝道MOSFET電壓控制電阻電路。

圖6：P溝道MOSFET衰減器電路。

對(duì)于P溝道增強(qiáng)模式器件Q4，在零電壓時(shí)，衰減器將輸入信號(hào)以最小衰減傳遞至Vout。如果VR1設(shè)置為比閾值電壓Vth更負(fù)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(fù)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(hào)有適當(dāng)?shù)闹C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(jìn)一步線性化或顯著減少二次失真。特別是雙配對(duì)FET（比如VCR11N、LSK489和LSK389等），可以消除偶次失真。

圖7：一個(gè)N溝道平衡配置示例，使用雙配對(duì)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(hào)Vin，并用Q1A（雙FET封裝的一半）驅(qū)動(dòng)第一個(gè)電壓控制衰減器電路。

Vbias是可變DC負(fù)電壓，可以改變Q1A的漏源電阻，通過串聯(lián)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(hào)。

請(qǐng)注意，F(xiàn)ET輸入運(yùn)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(yùn)算放大器電路R12、R11和U2B構(gòu)成一個(gè)反相放大器，通過R10發(fā)送一個(gè)反相信號(hào)到第二個(gè)壓控衰減器電路。Q1B的柵極有相同的Vbias信號(hào)，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(duì)電壓控制的衰減反相信號(hào)進(jìn)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(gè)x2函數(shù)。

應(yīng)注意的是，對(duì)負(fù)信號(hào)平方和對(duì)正信號(hào)平方得到的結(jié)果相同，即：

(- x)2= (+ x)2

輸出信號(hào)可表征如下：

a1 = 線性分壓系數(shù)a2 = 二次失真系數(shù)

對(duì)于非反相信號(hào)：

U1A pin 1 = a1Vin + a2(Vin)2

對(duì)于反相信號(hào)：

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

注意：(Vin)2= (- Vin)2

所以，對(duì)反相信號(hào)，我們有：

U3A pin 1 = - a1Vin + 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(hào)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 = 2a1Vin，注意不存在二次失真項(xiàng)。這意味著我們得到一個(gè)放大了2倍的電壓控制衰減信號(hào)，并且沒有二次失真。

注意，圖7顯示了一個(gè)N溝道JFET的例子，但推挽或平衡操作的基本原理可以應(yīng)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(dāng)我們應(yīng)用這個(gè)反饋時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)對(duì)稱地失真，這是由奇次失真引起的。