任青莲
(1.太原科技大学 电子信息工程学院,山西 太原 030024;2.太原科技大学 华科学院,山西 太原 030024)
电位器是一种应用较广的可调电子元件,传统的机械电位器通过机械结构带动滑片改变电阻值,价格低,结构简单,但存在机械磨损、游标污染、电阻漂移、滑动噪声大等缺点。对低噪声吉伯尔特乘法器进行简化,可得到结构简单、调节方便、性能优良的电子电位器,避免了传统机械电位器因滑片磨损产生的接触不良,也消除了由于机械触点磨损产生的噪声干扰和失真。
对Bary Gilbert提出的吉伯型乘法器进行简化,可以得到如图1所示电路,该电路为由差分放大器构成的分流电路。
图1 吉伯型乘法器简化原理电路图
由PN结理论可知,在小电流下晶体管发射极的伏安特性可表示为:
iE=IS(euBE/UT-1)≈ISeuBE/UTuBE≫UT.
(1)
其中:iE为晶体管发射极电流;IS为反向饱和电流;uBE为发射极电压;UT为温度电压当量,在常温T=300 K时,UT≈26 mV。
设图1中晶体管的参数相同,差分对管VT1、VT2集电极电流分别为:
iC1=αISeuBE1/UT.
(2)
iC2=αISeuBE2/UT.
(3)
将式(2)与式(3)相除,得:
(4)
其中:UC为控制电压,UC=uBE1-uBE2。
又因为
iC1+iC2=iC5.
(5)
联立式(4)与式(5),可得:
(6)
(7)
将式(6)与式(7)相减,得:
(8)
式(5)与式(8)相减,可得:
(9)
式(5)与式(8)相加,可得:
(10)
同理,对差分对管VT3、VT4可得:
(11)
对晶体管VT6,其集电极电流为:
(12)
对晶体管VT5,其集电极电流为:
(13)
式(13)中,ic5为交流成分,IC5为直流成分,iC5为动态值,三者间的关系为:iC5=IC5+ic5。
图1中,UBE5=UBE6,R1=R2,所以有:
IC6=IC5.
(14)
综上分析,可得输出电流:
(15)
由式(15)可知,iC2+iC4的直流成分是一定的,交流成分随控制电压UC进行变化,即输出电流iC2+iC4的波形受控制电压UC控制,该电路为一受电压UC控制的电流调节器。
将图1中的晶体管VT5、VT6用电阻代替,则可得到实用的4管电子电位器电路,如图2所示。
图2 4管电子电位器
图2中,控制电压UC通过电阻R7和R6分压对输出电流iC2+iC4进行控制,使用时可将控制电压UC经电压跟随器后接入电路,以提高其驱动能力。二极管VD起保护作用,防止晶体管VT1、VT2由于输入电压ui过大而击穿,正常工作时,二极管VD处于截止状态。
由前面的分析可知,图2中:
(16)
输入信号ui通过电阻R3使晶体管VT1、VT2的射极电流i01发生变化。
输出电流iC2+iC4为:
(17)
由公式(17)可知,改变控制电压UC的大小,可以实现对输出电流iC2+iC4的控制,当控制电压UC一定时,输出电流iC2+iC4与输入电压成线性关系。
根据图2实用电路,用PSPICE进行仿真,仿真电路如图3所示。
图3 4管电子电位器PSPICE仿真电路图
图4为输出电流iC2+iC4的仿真波形,图中给出波形巧好一个周期。由图4可知,输出电流iC2+iC4的直流成分是一定的,交流成分随着控制电压进行变化,控制电压UC越大,输出电流越小,输出电流的变化范围可达0.15 mA。
图4 输出电流iC2+iC4的仿真波形(f=1 kHz) 图5 输出电压的仿真波形 图6 输出电压的频率特性
图5为输入电压频率f=1 kHz时输出电压随控制电压UC变化的波形。从图5可以看出,控制电压UC越大,电阻越大,输出电流越小,输出电压也越小。
图6为输出电压的频率特性,利用PSPICE的特征函数Bandwidth(V(OUT),3)计算输出电压的3 dB带宽。当控制电压UC=0 V时,带宽为57.665 kHz;当控制电压UC=4 V时,带宽为58.032 kHz。由此可见,控制电压对带宽的影响不大。
图7为输出噪声电压曲线。由图7可知,输出噪声电压最大只有约82 nV,噪声很小。
图7 总的输出噪声电压曲线
本文介绍的是基于Bary Gilbert提出的吉伯型乘法器进行简化后的电子电位器,采用了4个晶体管,电路结构简单,控制灵活方便,频带宽度可达58 kHz、输出噪声电压小,只有约82 nV。该电子电位器可以作为电流调节器,也可作为压控放大器,或在音响设备中可以作为音量调节器。