向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

如何在电压控制电路中使用FET(第二部分)

时间:2018-08-31 作者:Ron Quan 阅读:
文章探讨了如何在电压控制电路中使用FET,分五部分连载,重点介绍几种FET的使用方法,同时还将探讨减少非线性或失真并自动偏置FET的方法。文章第一部分讨论了将FET用作压控电阻,本设计实例是文章第二部分,以具体的示例进行详细探讨。

在《如何在电压控制电路中使用FET(第一部分)》中,我们已经分析了FET压控电阻、基本压控电阻电路,以及平衡或推挽式压控电阻(VCR)电路。接下来,让我们看看带反馈的N沟道JFET衰减器电路(见图8)。

DI3-F8-201809.png
图8:反馈电阻R3和R4可减少失真。

我们回到第一部分的图2,对于没有反馈电阻的压控电阻,可以看到通过S1和S2斜率,VDS>0V的电阻比VDS<0V时的电阻要高。

如果图8中的VDS>0V或为正电压,则VDS的一部分(Q1的漏极和源极两端的电压)正电压通过R3被加到栅极电压上。再加上VR1的滑动电压,就使得栅极的负电压减小,这意味着漏极至源极电阻下降。

当VDS<0V时,额外的负电压通过R3施加到栅极,这使得栅极负电压更大,导致Q1的漏极和源极上的电阻更高。

因此,使用反馈电阻网络R3和R4,VDS>0V和VDS<0V的电阻值变得更接近,这将减少失真。

请注意,当R3 = R4时,R3和R4将VDS电压的一半馈送给栅极。我们来看看为什么这有助于消除失真。

我们来看一下漏极电流公程(1):

DI3-E1-201809.png

我们希望能够消除(Vds/VP)(Vds/VP)相关项,这样当我们求Id相对于Vds的导数时,电导(gds)只跟Vgs有关。对于线性电导,我们仍然需要漏极电流方程中的Vds项,它将乘以一个常数或与控制电压相关的因子。

令Vgs = Vc + kVds,其中Vc是控制电压,k是反馈因子,0<k<1。


这将得出:

DI3-E7-201809.png

设置最后两项来相互抵消,即:

DI3-E7-1-201809.png

或者:

DI3-E7-2-201809.png

如果等式两边都除以IDSS,然后两边再乘以(Vp)(Vp),可得到:

DI3-E7-3-201809.png

两边都除以(Vds)(Vds),可以得到k:

2k = 1

k = 1/2

对于反馈电阻R3和R4:

k = 1/2 = R4/(R3 + R4)

这意味着在反馈因子k = 1/2时,R3 = R4。

对于Vgs = Vc + kVds:

k = 1/2

k = 0.5

Vgs = Vc + 0.5Vds

现在我们再回到公式(7):

DI3-E7-4-201809.png

若k = 1/2,公式(7)的最后两项就抵消了。

DI3-E8-11-201809.png

对于给定的Vp和IDSS,公式(11)表明,漏极到源极的电阻Rds仅取决于控制电压VC,而跟Vds无关。因此,使用反馈电阻R3和R4可以比较近似地提供一个线性压控电阻器。


图9示出了一个利用反馈电阻降低失真的P沟道JFET。

DI3-F9-201809.png
图9:P沟道压控电阻电路示例,利用反馈电阻网络R3和R4来降低失真。

请注意在图8和图9中,反馈电阻网络使用高电阻值以便让FET(例如,图8和图9中的Q1和Q2)漏源电阻跟R2一起形成一个分压器。

例如,如果R3和R4 = 22kΩ,那么将会有一个大约44kΩ的电阻与R5以及FET的漏极-源极电阻并联。这个电阻将“清除”一些FET的Rds影响。当R2 = 47kΩ、FET处于截止(例如无限电阻)状态时,输入信号Vin不会无衰减地通过。

使用反馈网络来减少失真也可用于增强型MOSFET(图10)。

DI3-F10-201809.png
图10:带反馈网络的N沟道MOSFET压控衰减器电路可减少失真。

要消除增强型器件的失真,反馈网络R3和R4应该具有相等的电阻。然而,在某些情况下,使用缓冲放大器(如图14)可以更好地降低失真。


图11示出了一个P沟道MOSFET压控衰减器。

DI3-F11-201809.png
图11:利用电阻网络R3和R4来降低P沟道MOSFET压控衰减器的失真。

改善降低失真的电路

图8、9、10和11都是利用反馈电阻网络R3和R4来降低失真,但这种方式也有一些缺点:

  1. 只使用阻值非常大的电阻R3和R4,限制了衰减范围;
  2. 电阻网络跟控制电压相连,这会通过R3和R4向漏极端子泄漏轻微的DC或控制偏置电压;
  3. 电阻网络R3和R4会将控制电压范围减半施加给栅极。如果FET具有较高的夹断电压,如-10V,则需要-20V的控制电压。

为了改进上面的第一点和第二点,图12、13、14和15利用电压跟随器U1A,将缓冲的漏-源电压反馈到栅极。

DI3-F12-201809.png
图12:通过R3和R4网络减少失真,利用U1A将缓冲的漏-源电压反馈到N沟道FET的栅极。

R3和R4的电阻值可以降低,而不会限制衰减范围。

请注意,这里没有添加其它器件,只使用了现有的输出缓冲放大器U1A。可以看出,电阻R3和R4不会再增加任何直流偏置或控制电压到FET的漏极端子。更重要的是,R3和R4的串联电阻不再与R5并联,也不再与FET的漏源电压控制电阻并联。

还有一个额外的好处,R3和R4可以是阻值较低的电阻器,这样控制电压可以在更高的频率下运行,而不必担心FET的栅源电容会降低频率响应。

类似地,图13显示了一个P沟道JFET的例子,图14和15显示了MOSFET例子。

DI3-F13-201809.png
图13:P沟道JFET压控电阻电路通过缓冲放大器U1A、利用电阻网络来降低失真。

无论信号是否被缓冲,通过反馈电阻网络R3和R4降低失真的效果都很好。但是,至少在MOSFET的一个例子中,缓冲器降低失真的效果要比通过R3连接漏极和栅极更好(图14)。

DI3-F14-201809.png
图14:N沟道MOSFET通过缓冲放大器U1A来减少失真。

对于N沟道MOSFET,比如SD5000 DMOS器件,使用缓冲放大器U1A(或等同产品)可以更好地降低失真,这要比使R3与漏极和栅极连接、R4连接到控制电压和栅极的效果更好。有关P通道示例,请参见图15。

DI3-F15-201809.png
图15:P沟道MOSFET衰减器电路通过电压跟随器U1A以及R3和R4来降低失真。

在图12、13、14和15中,失真减小了,并且反馈电阻R3与FET的漏极隔离。但是,我们应该观察到控制电压Vcont在FET的栅极中衰减了50%。

我们可以使用如图16和17所示的求和放大器将整个控制电压传输到栅极,这样就不需要两倍的控制电压。

DI3-F16-201809.png
图16:包含U1B和U3A的求和放大器电路可以避免控制电压衰减到Q1A的栅极。

为了提供从漏极到栅极的失真减少反馈,缓冲放大器U1A将漏极电压耦合到R2。由于U1B的反馈电阻R4(10kΩ)是R2(20kΩ)的一半,所以在U1B的引脚7处增益为-0.5。单位增益反相放大器电路通过R5、R6和U3A将U1B引脚7的相位反相,使Q1A漏极电压的一半发送至栅极。控制电压通过VR1无衰减地发送至Q1A的栅极。这是通过包含U1B和U3A的加法放大器电路完成的。图16示出了一个N沟道JFET Q1A,其中控制电压可从0V变化到–V。如果N沟道JFET变为P沟道JFET,则控制电压将从0V变化到+V。电阻器R7为FET的栅极提供一些保护,因为在电源启动状态下有可能引起栅极正向偏置到源极结点。

类似地,对于图17中的N沟道MOSFET,有一半的漏极信号电压通过U1B和U3A传输回栅极。R2和R4在U1B引脚7上构成一个50%反相增益放大器。带R5和R6的单位增益反相放大器U3翻转U1B引脚7的相位,使得50%的漏极信号电压耦合到U2A的栅极。VR1通过单位增益放大器,包括带R3和R4的U1B,以及带R5和R6的U3A,将其全控制电压传输到U2A的栅极。

对于N沟道MOSFET,控制电压从0V变化到+V,而对于P沟道器件,控制电压从0V变到-V。

本系列文章的下一篇将介绍通过降低漏源电压来实现FET调制器电路和可变增益放大器。

DI3-F17-201809.png
图17:通过U1B和U3A求和放大器可从VR1传输控制电压而不会衰减。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN美国网站,参考链接:A guide to using FETs for voltage controlled circuits, Part 2,由Jenny Liao编译。)

 

《电子技术设计》2018年9月刊版权所有,禁止转载。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 用1%电阻就能构建属于自己的差动放大器 在一种相对常见的情况下,1% 电阻器和一个较好的运算放大器便可以构建一个完全合格的差动放大器。当我们在负载“低侧”的情况下使用一个分流器进行电流测量时,共模电压常常非常小……
  • 模拟电路教程:电流源 什么是电流源?基本电流源其实就是向负载提供电流的电路。本设计实例简单介绍了下面几种电流源:称为电流镜的双晶体管电流源、Widlar电流源、Howland电流源,以及采用分立放大器和电阻器的低成本双极性电流源。
  • 差动放大器:良好匹配电阻器不可或缺的器件 在单片IC设计过程中,我们常常会竭尽所能地对内部组件进行精确的匹配。例如,精确匹配运算放大器的输入晶体管,旨在获得低失调电压。如果我们必须使用属于我们自己的离散晶体管运算放大器,则我们会得到 30mV 甚至更高的失调电压……
  • 迷失在线圈里 这是一个“你有多少资源,便抱多大希望”的故事。虽然作者在电路设计中选择的电感器体积有点大,但LTspice的蒙特卡罗分析表明其受元件公差影响不大,而且现代铁氧体电感器的磁导率通常温度系数都很低,结果满足了功率预 算。所以,看到不起眼的电感器,别急着走开,当功率预算很紧时,它可能很有用!
  • Spectrum View 在电源网络调试 及PLL故障诊断场景的应 前三篇文章主要介绍了Spectrum View的功能特点、相关理论知识,及其在多域联合分析上的应用,本文将通过常见的电源网络调试及PLL故障诊断等测试场景进一步描述Spectrum View的应用。
  • 运算放大器的输入和输出电压范围到底有多大? 我们常常会收到一些与电源有关的应用问题,询问我们运算放大器的输入和输出电压范围到底有多大。既然大家存在这方面的疑惑,那么我们就利用这篇文章来为大家解疑释惑……
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告