如何在電壓控製電路中使用FET（第一部分）
發布時間：2018-07-17 來源：Ron Quan 責任編輯：wenwei
【導讀】LIS公司生產各種FET（場效應晶體管），tebiezhideyitideshitamenyougezhongpipeishuangqijianchanpin，zhezhongpipeiqijianfengzhuangyouqiduteyoushi。liru，ruguoninzaishejiyigeshuangshengdaolitishengyinpinchanpin，namezaitongyigefengzhuangzhongbaohanlianggehuosigeqijianjiukeyishilianggeyinpintongdaopipeigengjiajinmi。
本文將探討如何在電壓控製電路中使用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用作電壓控製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並自動偏置FET的方法。
FET電壓控製電阻
圖1顯示了一個N溝道FET的典型電流-電壓關係。
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用作電壓控製電流源；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電壓範圍擴大，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於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隻用作電壓控製電阻的？答案是肯定的（比如VCR11）。事實上，任何其它FET（比如JFET和MOSFET）都可用作電壓控製電阻。
基本的壓控電阻（VCR）電路
電壓控製電阻最簡單的一種用途是電子控製衰減器或“音量控製”。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製電阻。當頻率大於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，並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處於切斷狀態（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。
對於歐姆、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關於Vds的導數得到的。
電阻Rds是電導gds的倒數：
公式（4）顯示Rds是基於固定參數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。電壓控製的“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，那麼漏源電阻將無窮大（即開路）：
對於N溝道JFET，若想通過設置Vgs = 0V來得到最小電阻值，會發生什麼呢？
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，那麼：
Rds=-1.5v/[-2(0.005A)]=-1.5v/[-0.01A]=1.5v/0.01A=150Ω
Rds =150Ω
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，隻是柵極的控製電壓為正值，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用作電壓控製電阻
MOSFET也可被用作電壓控製電阻，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，而隻是給出典型的IV曲線和閾值電壓範圍圖。
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電壓控製電阻電路。
圖6：P溝道MOSFET衰減器電路。
對於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，那麼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緩衝輸入信號Vin，並用Q1A（雙FET封裝的一半）驅動第一個電壓控製衰減器電路。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提供電壓控製分壓電路。電壓跟隨放大器U1A緩衝Q1A漏極端子的電壓控製衰減信號。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的漏極對電壓控製的衰減反相信號進行緩衝。由U2A、R4、R5、R7和R8組成的差分放大器從U1A和U3A中減掉輸出，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 = 線性分壓係數
a2 = 二次失真係數
對於非反相信號：
U1A pin 1 = a1 Vin + a2 (Vin)2
對於反相信號：
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後，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倍的電壓控製衰減信號，並且沒有二次失真。
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於圖4、圖5和圖6中所示的P溝道JFET、N溝道MOSFET和P溝道MOSFET電壓控製衰減器電路。
huozhe，womenkeyixiangjibendedianyakongzhidianzudianlushijiafankuilaixiaochuercishizhen。dangwomenyingyongzhegefankuishi，shuchuxinhaohuiduichengdishizhen，zheshiyouqicishizhenyinqide。
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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