Резистор, управляемый напряжением
Резистор , управляемый напряжением (VCR), представляет собой трехконтактное активное устройство с одним входным портом и двумя выходными портами. Напряжение входного порта управляет номиналом резистора между выходными портами. Видеомагнитофоны чаще всего изготавливаются на полевых транзисторах (FET). Часто используются два типа полевых транзисторов: JFET и MOSFET . Существуют как плавающие резисторы, управляемые напряжением, так и заземленные резисторы, управляемые напряжением. Плавающие видеомагнитофоны можно размещать между двумя пассивными или активными компонентами. Заземленные видеомагнитофоны, более распространенная и менее сложная конструкция, требуют заземления одного порта резистора, управляемого напряжением.
Использование
[ редактировать ]Резисторы, управляемые напряжением, являются одними из наиболее часто используемых аналоговых конструктивных блоков: адаптивных аналоговых фильтров, [1] схемы автоматической регулировки усиления, тактовые генераторы , [2] компрессоры, [3] электрометры , [4] сборщики энергии, [5] эспандеры, [6] слуховые аппараты , [7] диммеры света , [8] модуляторы (микшеры), [9] искусственные нейронные сети , [10] усилители с программируемым усилением , [11] фазированные решетки , [12] петли фазовой автоподстройки частоты , [13] схемы регулирования яркости с фазовым регулированием, [14] схемы фазовой задержки и опережения, [15] настраиваемые фильтры, [16] переменные аттенюаторы, [17] генераторы, управляемые напряжением , [18] мультивибраторы, управляемые напряжением, [19] а также генераторы сигналов , [20] все они включают резисторы, управляемые напряжением.
JFET . — одно из наиболее распространенных активных устройств, используемых для проектирования резисторов, управляемых напряжением Настолько, что устройства JFET упаковываются и продаются как резисторы, управляемые напряжением. [21] Обычно JFET, когда они упакованы в видеомагнитофоны, часто имеют высокие напряжения отсечки, что приводит к большему диапазону динамического сопротивления. JFET для видеомагнитофонов часто компонуются парами, что позволяет создавать видеомагнитофоны, требующие согласованных параметров транзисторов.
Для приложений видеомагнитофонов, которые включают усиление сигнала датчика или звука, часто используются дискретные JFET. Одна из причин заключается в том, что JFET и топологии схем, построенные с использованием JFET, имеют низкий уровень шума (в частности, низкий уровень 1/ f фликкер-шума и низкий пакетный шум). В этих приложениях малошумящие JFET обеспечивают более надежные и точные измерения и повышенный уровень чистоты звука. [22]
Другая причина использования дискретных JFET заключается в том, что JFET лучше подходят для суровых условий эксплуатации. JFET-транзисторы могут противостоять электрическим, электромагнитным помехам (EMI) и другим сильным радиационным ударам лучше, чем схемы MOSFET. [23] JFET могут даже служить устройством защиты от перенапряжения на входе. [24] JFET также менее восприимчивы к электростатическому разряду, чем MOSFET. [25]
Конструкция резистора, управляемого напряжением
[ редактировать ]Двумя наиболее распространенными и наиболее экономически эффективными конструкциями видеомагнитофонов на полевых транзисторах являются нелинейная и линеаризованная конструкции видеомагнитофонов. Для нелинеаризованной конструкции требуется только один JFET. В линеаризованной конструкции также используется один JFET, но имеются два резистора линеаризации. Линеаризованные конструкции используются для видеомагнитофонов, требующих высоких уровней входного напряжения. Нелинеаризованные конструкции используются в устройствах с низким уровнем входного сигнала и в экономичных приложениях постоянного тока.
Нелинеаризованная конструкция видеомагнитофона
[ редактировать ]
В схеме на рисунке используется нелинейная конструкция видеомагнитофона, в качестве программируемого делителя напряжения используется управляемый напряжением резистор LSK489C JFET. Источник питания VGS устанавливает уровень выходного сопротивления JFET. Сопротивление сток-исток полевого транзистора ( R DS ) и резистор стока ( R 1 ) образуют цепь делителя напряжения. Выходное напряжение можно определить из уравнения
- V выход = V DC · р DS / ( р 1 + р DS ).
Моделирование LTSpice конструкции нелинейного видеомагнитофона подтверждает, что сопротивление JFET изменяется с изменением напряжения затвор-исток ( V GS ). В моделировании (ниже) подается постоянное входное напряжение (питание постоянного тока установлено на 4 В), а напряжение затвор-исток ступенчато снижается, что увеличивает сопротивление сток-исток JFET. Сопротивление между выводами сток-исток JFET увеличивается, когда напряжение затвор-исток становится более отрицательным, и уменьшается, когда напряжение затвор-исток приближается к 0 вольт. Симуляция ниже подтверждает это. Выходное напряжение составляет около 2,5 вольт при напряжении затвор-исток -1 вольт. И наоборот, выходное напряжение падает примерно до 1,6 В, когда напряжение затвор-исток равно 0 В.
При входном сигнале 4 В и резисторе R 1, равном 300 Ом, диапазон сопротивления для JFET видеомагнитофона можно рассчитать на основе результатов моделирования, поскольку V GS изменяется от -1 В до 0 В, используя уравнение
- р DS знак равно V 0 · р 1 / ( V DS - V 0 ).
Используя приведенное выше уравнение, при V GS = -1 В сопротивление КВМ составляет около 500 Ом, а при V GD = 0 В сопротивление КВМ составляет около 200 Ом.
Подача линейно изменяющегося напряжения на вход аналогичной схемы видеомагнитофона (нагрузочный резистор изменен на 3000 Ом) позволяет определить точное значение сопротивления полевого транзистора при изменении входного напряжения.
Моделирование линейного изменения, приведенное ниже, показывает, что сопротивление сток-исток JFET довольно постоянно (около 280 Ом) до тех пор, пока входное напряжение развертки, V развертка ( V сигнал ), не достигнет примерно 2 В. В этот момент напряжение стока Сопротивление -исток начинает медленно расти, пока входное напряжение не достигнет 8 В. При напряжении около 8 В для этого условия смещения ( V GS = 0 В и R = 3 кОм) ток стока JFET ( I D (J1)) насыщается, причем сопротивление уже не является постоянным и изменяется с увеличением входного напряжения. Моделирование линейного изменения также показывает, что даже ниже 2 В сопротивление видеомагнитофона не является полностью независимым от уровня входного напряжения. То есть сопротивление видеомагнитофона не представляет собой идеально линейный резистор.
Поскольку сопротивление не является постоянным выше 2 В, такая конструкция нелинейного видеомагнитофона чаще всего используется, когда сигнал входного напряжения ниже 1 В, например, в датчиках или в приложениях, где искажения не вызывают беспокойства при более высоких уровнях входного напряжения. Или в других случаях, когда резистор постоянной величины не требуется (например, в светодиодных диммерах и схемах эффектов музыкальной педали).
Линеаризованная конструкция видеомагнитофона
[ редактировать ]Чтобы расширить динамический диапазон входного напряжения, поддерживать постоянное сопротивление во всем диапазоне входного сигнала, а также улучшить соотношение сигнал/шум и характеристики общих гармонических искажений, используются резисторы линеаризации.
Фундаментальным ограничением резисторов, управляемых напряжением, является то, что входной сигнал должен поддерживаться ниже напряжения линеаризации (приблизительно точки, когда JFET входит в насыщение). Если напряжение линеаризации превышено, значение резистора управления напряжением будет меняться как в зависимости от уровня сигнала входного напряжения, так и напряжения затвор-исток. [26]
Для оценки способности этой конструкции обрабатывать более крупные входные сигналы к входу видеомагнитофона применяется линейное изменение. По результатам моделирования линейного изменения определяется, насколько точно видеомагнитофон имитирует реальный резистор и в каком диапазоне входных напряжений видеомагнитофон ведет себя как резистор.
Приведенное ниже линеаризованное моделирование линейного изменения видеомагнитофона показывает, что сопротивление видеомагнитофона постоянно и составляет примерно 260 Ом для диапазона входного сигнала примерно от -6 В до 6 В ( кривая V ( V out ) / I ( R 1 )). Развертка также показывает, что сопротивление КВМ начинает резко возрастать, как и в нелинейной конструкции, как только полевой транзистор входит в область насыщения.
Из-за более широкой области постоянного сопротивления линеаризованного видеомагнитофона к видеомагнитофону без искажений можно подавать гораздо большие входные сигналы, чем в нелинеаризованных конструкциях. Однако также важно учитывать, что номинал резистора стока незначительно влияет на диапазон напряжений сток-исток, при котором сопротивление видеомагнитофона остается постоянным.
Из-за увеличенного диапазона линеаризации линеаризованная схема способна обрабатывать сигналы переменного тока с размахом порядка 8 В до того, как появятся визуальные уровни искажений. В приведенном ниже моделировании используется дренажный резистор сопротивлением 3000 Ом. иллюстрирует, что видеомагнитофон может успешно использоваться при довольно высоком входном напряжении входных сигналов. В этой конструкции размах входного напряжения 8 В может быть ослаблен с пикового значения 2,2 В до пикового значения 0,5 В, когда управляющее напряжение изменяется от -2,5 В до 0,5 В.
Что важно отметить в конструкции линеаризованного видеомагнитофона, в отличие от нелинейной конструкции, так это то, что выходной сигнал не имеет какого-либо значительного смещения. Оно остается в центре на уровне 0 В при изменении управляющего напряжения. Моделирование нелинейной конструкции указывает на значительное напряжение смещения на выходе. Другой важной характеристикой линеаризованного видеомагнитофона является то, что он имеет более высокий выходной ток, чем нелинейный. Эффект резисторов линеаризации заключается в эффективном увеличении коэффициента усиления крутизны видеомагнитофона.
Выбор диапазона сопротивления
[ редактировать ]Различные JFET можно использовать для получения разных диапазонов сопротивления видеомагнитофона. Обычно, чем выше значение IDSS для JFET, тем ниже получаемое значение сопротивления. Аналогично, JFET с более низкими значениями IDSS имеют более высокие значения сопротивления. [27] С помощью группы JFET с различными значениями IDSS (и, следовательно, значениями R DS ) можно создать группы программируемых схем автоматической регулировки усиления, которые предлагают широкий диапазон диапазонов сопротивления. Например, LSK489A и LSK489C с классом IDSS JFETS демонстрируют изменение сопротивления 3:1.
Соображения об искажениях
[ редактировать ]Искажения являются основной проблемой резисторов, управляемых напряжением. Когда подается входной сигнал переменного или не постоянного тока, что приводит к тому, что резистор видеомагнитофона выходит из области линейного триода (или работает в менее чем идеально линейной области триода), происходит неравномерное усиление входного сигнала (как прямой результат нелинейное увеличение сопротивления). Это приводит к искажению выходного сигнала.
Чтобы преодолеть эту проблему, нелинейные видеомагнитофоны просто работают при довольно низких уровнях сигнала. С другой стороны, конструкции линеаризованных видеомагнитофонов будут иметь значительно меньшие искажения при гораздо более высоких уровнях входного напряжения и позволят улучшить характеристики общих гармонических искажений.
Например, приведенное ниже моделирование показывает значительное количество визуальных искажений, когда входной сигнал с размахом 5 В подается на нелинейный видеомагнитофон.
С другой стороны, моделирование конструкции линеаризованного видеомагнитофона показывает очень небольшие искажения при подаче входного сигнала с размахом 8 В (рис. 7).
Другие топологии и конструкции видеомагнитофонов
[ редактировать ]Помимо этих более простых конструкций видеомагнитофонов, существует множество более сложных конструкций. Эти конструкции часто включают в себя схему дифференциально-разностного конвейерного тока (DDCC), дифференциальный усилитель, два или более согласованных транзистора JFET или один или два операционных усилителя . Эти конструкции обеспечивают улучшение динамического диапазона, искажений, соотношения сигнал/шум и чувствительности к изменениям температуры. [28] [29]
Теория дизайна – IV анализ
[ редактировать ]Характеристики передачи ток-напряжение (IV) определяют, как будет работать видеомагнитофон на полевом транзисторе. В частности, линейные участки ВАХ определяют диапазон входного сигнала, в котором видеомагнитофон будет вести себя как резистор. Кривые конкретного JFET также определяют диапазон значений резисторов, на которые можно запрограммировать видеомагнитофон.
Математическая функция, определяющая кривую IV JFET, не является линейной. Однако есть участки этих кривых, которые очень линейны. К ним относятся область триода (также известная как омическая или линейная область) и область насыщения (также известная как активная область или область источника постоянного тока). В области триода JFET действует как резистор, однако в области насыщения он ведет себя как источник постоянного тока. Точка, разделяющая триодную область и область насыщения, примерно соответствует точке, где V DS равно V GS на каждой из ВАХ.
В триодной области изменения напряжения сток-исток не изменят (или изменят очень незначительно) сопротивление между выводами стока и истока JFET. В области насыщения или, точнее, в области постоянного тока, изменения напряжения сток-исток потребуют изменения сопротивления сток-исток таким образом, чтобы ток оставался постоянным при различных значениях сток-исток. уровни напряжения.
Для значений V GS, близких к нулю, напряжение линеаризации напряжения сток-исток или точка прерывания триода намного выше, чем когда уровни V GS близки к напряжению отсечки. Это означает, что для поддержания постоянного поведения резистора при различных значениях V GS максимальное значение линеаризации должно быть установлено в соответствии с самым высоким используемым значением V GS .
Область линейного триода фактически включает отрицательные VGS значения . На рисунке ниже показано моделирование LTSPICE (LTSPICE) ВАХ в области триода. Как можно видеть, нелинеаризованный LSK489 примерно линеен примерно от -0,1 В до 0,1 В. Для уровней V GS около 0 В линейный диапазон триода простирается примерно от -0,2 В до 0,2 В. Поскольку значение V GS увеличивается, область линейного триода существенно уменьшается.
И наоборот, когда используются резисторы линеаризации, аналогичное моделирование развертки ВАХ показывает, что область линейного триода значительно расширяется. Из ВАХ видно, что область линеаризации для линеаризованной конструкции легко расширяется от −6 В до 6 В ( I DS против V DS против V на кривых). Намного выше диапазона примерно 200 мВ, который обеспечивает нелинейная конструкция.
Дополнительный интерес представляет то, что линеаризация приводит к линеаризации напряжения затвор-исток, даже несмотря на то, что входное напряжение ( V in ) поддерживается на постоянном уровне постоянного тока во время каждой развертки. Это связано с тем, что при изменении входного напряжения значение напряжения V GS меняется так, что V GS всегда равно половине V DS . Изменение V GS при изменении V DS таково, что JFET ведет себя как резистор до тех пор, пока JFET не достигнет насыщения.
Математика линеаризации
[ редактировать ]Математика резисторов линеаризации напрямую связана с устранением члена V DS второй степени в уравнении триода JFET. Это уравнение связывает ток стока с V GS и V DS . Кляйнфельд [30] применяет действующий закон Кирхгофа, чтобы доказать, что V DS нелинейный член сокращается с помощью резисторов линеаризации. Резисторы линеаризации, чтобы обеспечить компенсацию члена второй степени (квадратичного), должны быть одинаковыми. Равнозначные резисторы линеаризации делят напряжение сток-исток на 2, эффективно компенсируя нелинейный член V DS в уравнении триода JFET.
Будущее резисторов, управляемых напряжением
[ редактировать ]Повседневные и высокопроизводительные видеомагнитофоны необходимы для успешного проектирования многих аналоговых электронных схем и будут оставаться таковыми и впредь. Ожидается, что конструкции видеомагнитофонов будут играть центральную роль в развитии сенсорных сетей на основе искусственного интеллекта (нейронных). [31] Видеомагнитофон, по сути, является сердцем синаптических клеток нейронной сети . [32] необходим для обеспечения высокоскоростной аналоговой обработки данных и управления информацией, что в настоящее время делают микроконтроллеры, цифро-аналоговые преобразователи и аналого-цифровые преобразователи.
Малошумящие JFET-транзисторы благодаря своей малой чувствительности к сигналу, устойчивости к электромагнитному и радиационному излучению, а также их способности быть сконфигурированными как в качестве видеомагнитофона в синаптической ячейке, так и в качестве малошумящего высокопроизводительного предусилителя датчика предлагают решение для реализации сенсорные узлы на базе искусственного интеллекта. Это естественное продолжение того факта, что малошумящие JFET-транзисторы и малошумящие топологии JFET широко используются при разработке малошумящих видеомагнитофонов и малошумящих предусилителей в приложениях для измерения датчиков. [33] [34]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джафарипаха, М.; Аль-Хашими, Б.М.; Уайт, Нью-Мексико (май 2004 г.). Рассмотрение проекта и реализация аналоговых адаптивных фильтров для коррекции отклика датчика. Труды ICEE2004.
- ^ Грисон, Джеффри К. (1983). Управляемый напряжением элемент сопротивления с превосходным динамическим диапазоном. Патент США US 5264785 A, US 5264785 A.
- ^ Шервин, Джим (1975, август).
- ^ Ви, Кенг Хунгл; Сарпешкар, Рахул (1986) Омический дифференциальный усилитель JFET, Keithley Instruments, патент США.
- ^ Шнайдер, Лейф Э.; Томпсон, Кевин Д. (2014). Самооптимизирующийся сборщик энергии с использованием генератора с переменным исходным напряжением. Патент США Perpetua Power Source Technologies, Inc. US 8664931 B2.
- ^ Шервин, Джим (1975, август).
- ^ Мадаффари, Питер Л. (2000). Усилитель с пониженной входной емкостью. Тиббетс Индастриз, Инк. Патент США US 6023194 А.
- ^ Балленджер, Мэтью; Кендрик, Джордж (2006). Лампа со встроенным преобразователем напряжения, имеющая схему регулировки яркости с фазовым регулированием, содержащую резистор, управляемый напряжением. Патент США Osram Sylvania, Inc., США 20060082320 A1.
- ^ Стоффер, К. Дэниел В. (1971). Сбалансированный модулятор с резисторами, управляемыми напряжением JFET. Компания Collins Radio, патент США US 3621473 A.
- ^ Сунг-Дэ, Ли; Вон Хё, Ли; Кан-Мин, Чунг (1998). Высоколинейный резистор, управляемый напряжением, для нейронного чипа. Системы, человек и кибернетика, 1998. Международная конференция IEEE 1998 года.
- ^ Молина, Джонни Ф.; Ститт II, Марк; Р., Берт, Родни. (1994). Схема усилителя с программируемым усилением и метод смещения переключателей усиления JFET на их основе Берр-Браун. Патент США US 5327098 А.
- ^ Электросмэш. Фазеры анализа MXR Phase 90. www.electrosmash.com.
- ^ Цай, Цунг-Сянь; Хун, Цзун-Сянь, Чен, Цзянь-Хун; Юань, Мин-Шуэ (2010) Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с регулировкой усиления. Тайваньская компания по производству полупроводников. Патент США US7786771 B2.
- ^ Балленджер, Мэтью Б; Кендрик, Джордж Б. (2010). Лампа со встроенным преобразователем напряжения, имеющая схему регулировки яркости с фазовым регулированием, содержащую резистор, управляемый напряжением. Osram Sylvania Inc., патент США US 7839095 B2.
- ^ Полевые транзисторы как резисторы, управляемые напряжением, (1997, март). Вишай.
- ^ Кумнгерн, Монтри; Тортеанчай, США; Дежхан, Кобчай (2011, апрель). Плавающий резистор, управляемый напряжением с использованием DDCC, Радиотехника.
- ^ Маккарти, Дэниел П.; Коннелл, Лоуренс Э; Холленбек, Нил В. (2009) Линейный регулируемый аттенюатор, управляемый напряжением, с линейным наклоном усиления дБ/В. FreeScale Semiconductor. Патент США US 20090143036 А1.
- ^ Гриффен, Джед Д. (2002). Высокоточный генератор, управляемый напряжением, с RC-цепью. Патент США корпорации Intel US 6498539 B2.
- ^ Аппарат высоковольтной электрической стимуляции растений (2012 г. Научно-исследовательский институт овощей, Тибетская академия сельскохозяйственных и животноводческих наук, патент Китая CN 202285631 U.
- ^ Саймонс, Пит (2013). Генерация цифровых сигналов. Издательство Кембриджского университета. С. 33.
- ^ VCR11 Резистор, управляемый напряжением . Линейные интегрированные системы.
- ^ Максвелл, Джон (1976), AN-6602Low Noise JFET - Решение проблем с шумом. Фэйрчайлд Полупроводник.
- ^ Левинзон, Феликс (2014). Пьезоэлектрические акселерометры со встроенной электроникой. Спрингер, стр. 75.
- ^ Ян, Эрик; Милич, Огнен; Чжоу, Цзинхай (ноябрь 2011 г.), Устройство защиты от перенапряжения на входе с использованием JFET, Monolithic Power Systems, Inc. Патент США US 8068321 B2.
- ^ Раундри, Роберт Ньютон (ноябрь 2014 г.). Схема защиты от электростатического разряда JFET для приложений с низким напряжением. Патент США US 20140339608 А1.
- ^ Полевые транзисторы как резисторы, управляемые напряжением, (1997, март). Вишай.
- ^ Полевые транзисторы как резисторы, управляемые напряжением, (1997, март). Вишай.
- ^ Ви, Кенг Хунгл; Сарпешкар, Рахул (1986) Омический дифференциальный усилитель JFET, Keithley Instruments, патент США
- ^ Холани, Рани; Панди, Прем С; Тивари, Нитья (2014). Схема на основе JFET для реализации прецизионного и линейного плавающего сопротивления, управляемого напряжением, Ежегодная конференция IEEE в Индии, 2014 г. (INDICON).
- ^ Исследовательская лаборатория Дэвида Кляйнфельда в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Полевой транзистор как резистор, управляемый напряжением. https://neurophysical.ucsd.edu/courses/physical_120/The%20Field%20Effect%20Transistor%20as%20a%20Voltage%20Controlled%20Resistor.pdf
- ^ Ляо, Ихуа. Нейронные сети в аппаратном обеспечении: обзор, аналоговые нейрочипы, раздел 5.3.2, Калифорнийский университет в Дэвисе.
- ^ Чжан, Сяолинь; Маэда, Ёсинори (2012). Эквивалентная нервная цепь, эквивалентная синапсу, и тело нервной клетки Токийский технологический институт. Патент США US 8112373 B2.
- ^ Университет Райса (июнь 2016 г.), RedEye позволит вашему телефону видеть круглосуточно и без выходных. Наука Дейли.
- ^ Цюань, Рон. Руководство по использованию датчиков JFET для сенсорных приложений. Линейные системы.