CN106911319B - 一种基于jfet的压控浮地线性连续可调电阻电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及本发明涉及一种基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路。本发明基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，包括压控阻抗VCI变换电路和压控电压电路。该电路通过压控电压电路和压控阻抗变化电路组合，该电路的设计有效可行，既可以消除JFET本身非线性、扩展动态范围，又可以完全消除JFET内部参数开启电压，得到一个只与压控电压和阻值R有关的浮地可调电阻；本发明是一种有效可行的压控浮地线性连续可调电阻电路设计方案。

Description

一种基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路

技术领域

本发明涉及一种基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，属于模拟电子电路的技术领域。

背景技术

模拟可变电阻是被人们长期研究的课题，其作为模拟电路中的重要组成元素，被广泛应用在参数可调控的滤波器、可编程模拟乘法器电路、信号发生器、自动增益控制放大器等电路中。目前常采用的可变电阻有两种，一种是电学中常用的器件，例如滑动变阻器、电阻箱、电位器等器件。另外一种是利用运算放大器和无源器件构成的仿真等效可变电阻。例如利用跨导运算放大器组成的仿真可变电阻、CCCII实现的仿真可变电阻、开关电容实现的仿真可变电阻和使用场效应管(FET)实现可变电阻等。电学中常用的电阻器只能做到有级调节，不能做到连续调节，而且需要人为手动调节无法进行高精度校准。现有技术中利用电子器件组成的等效可调电阻存在的主要问题有电路复杂、实现较困难、可调性较差、不易控制和无法串并联到电路中得到有效的应用等。

场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)JFET是在同一块N形半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极g，N型半导体两端分别引出两个电极，分别称为漏极d，源极s。结型场效应晶体管是一种具有放大功能的三端有源器件,是单极场效应管中最简单的一种,其又可分为N沟道或者P沟道两种类型。

场效应晶体管(JFET)与双极型晶体管不同，双极晶体管属于电流控制，场效应晶体管的特点是输入阻抗高，输入端的电流极小，适合用作高阻抗放大器，而且场效应晶体管是多子导电，抗辐射能力比双极型器件好，温度稳定性也比较好。场效应晶体管JFET工作在可变电阻区时，其漏源之间的沟道电阻与栅源电压V_GS有关，相当于一个等效的压控电阻。基于上述特性，场效应晶体管被应用到仪器仪表和自动控制系统等领域，但未有效的应用到连续可调电阻电路的领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路。

本发明的技术方案为：

一种基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，包括压控阻抗VCI变换电路和压控电压电路；

所述压控电压电路包括场效应晶体管Q2、运算放大器U1A和运算放大器U2A；场效应晶体管Q2的漏极与输入电压V2连接，场效应晶体管Q2的源极与运算放大器U1A的反向输入端连接；输入电压V1通过电阻与运算放大器U1A的反向输入端连接，运算放大器U1A的同相输入端接地；场效应晶体管Q2的栅极和场效应晶体管Q2的漏极之间连接有电阻R1，场效应晶体管Q2的栅极通过电阻R2与运算放大器U1A的输出端连接；运算放大器U1A的输出端与运算放大器U2A的同相输入端连接；运算放大器U2A的反向输入端与运算放大器U2A的输出端连接构成电压跟随器；

所述压控阻抗VCI变换电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、场效应晶体管Q1、负载Z1和负载Z2；场效应晶体管Q1的漏极与运算放大器U2的反向输入端连接，场效应晶体管Q1的源极与两个串联的电阻R8、R9连接；运算放大器U3的同向输入端连接在电阻R8和电阻R9之间，运算放大器U3的反向输入端通过电阻R4接地，运算放大器U3的输出端通过电阻R3与运算放大器U3的反向输入端连接，运算放大器U3的输出端通过电阻R6与场效应晶体管Q1的栅极连接；场效应晶体管Q1的栅极通过电阻R7连接输入电压Vc；

压控电压电路用于提供压控电压，得到一个参数与场效应晶体管内部参数完全无关的等效电阻，通过调节压控电压即可得到阻值明确的等效电阻。

优选的，所述压控阻抗VCI变换电路包括GIC基本电路和消除线性扩展动态范围电路。消除线性扩展动态范围电路用于消除场效应管JFET的非线性并扩展等效电阻的动态范围；GIC基本电路使等效电阻浮地，使其能够任意串联、并到任意电路中。

进一步优选的，所述GIC基本电路包括运算放大器U1、运算放大器U2；运算放大器U1的反向输入端与运算放大器U2的反向输入端连接；运算放大器U1的同相输入端连接输入信号；运算放大器U2的同相输入端通过负载Z5接地；运算放大器U1的输出电压反馈到运算放大器U2的输入端，运算放大器U2的输出电压反馈到运算放大器U1的输入端；

所述消除线性扩展动态范围电路，包括场效应晶体管Q1、运算放大器U3和运算放大器U4。所述压控阻抗VCI变换电路由GIC基本电路和消除线性扩展动态范围电路变换组成。将GIC基本电路中的Z3替换为场效应晶体管Q1并工作在可变电阻区；将GIC电路中的阻抗Z5替换为压控阻抗VCI变换电路中的电阻R5。

压控阻抗VCI变换电路的优点是，借助GIC基本电路可以使消除线性扩展动态范围电路中的等效电阻成为可以浮地的等效电阻，这样GIC基本电路使等效电阻既可以是接地电阻也可以是浮地电阻。消除线性扩展动态范围电路用于消除场效应管Q1、Q2的非线性并扩展等效电阻的动态范围。

优选的，场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q2为相同规格、相同参数的场效应晶体管。使用两个完全相同的场效应晶体管可以消除场效应晶体管内部的夹断电压，消除场效应晶体管内部特性引起的非线性，使等效电阻的沟道电阻电流与端电压呈线性变化。

优选的，所述压控阻抗VCI变换电路的等效阻抗

其中，Z1是负载Z1的阻抗，Z2是负载Z2的阻抗；R_DS是场效应晶体管Q1漏极和源极之间的等效电阻，V_P是场效应晶体管Q1的夹断电压，I_DSS是场效应晶体管Q1的饱和漏电流，V_C是场效应晶体管Q1的输入电压，

优选的，所述压控电压电路的输出电压V_C＝2[-V₁/(k₁RV₂)+V_P]

其中，V₁、V₂是压控电压电路的输入电压,R是压控电压电路的输入电阻，I′_DSS是场效应晶体管Q2的饱和漏电流；V_P是场效应晶体管Q1的夹断电压；

优选的，所述基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路的等效电阻

其中，Z₁是负载Z₁的阻抗，Z₂是负载Z₂的阻抗；V₁、V₂是压控电压电路的输入电压；

R是压控电压电路的输入电阻。

本发明的有益效果为：

1.基于JFET的内部特性，如果JFET工作在可变电阻区域当做压控电阻使用，则要求漏源两级的电压较小，即电压动态范围小(一般小于1)，本发明所述基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，能有效的扩大沟道电阻的端电压范围(沟道电阻两端的电压)，消除非线性，扩展沟道电阻电流与端电压的线性范围，而且在实现大阻抗时其线性范围不易失真；

2.本发明所述消除线性扩展动态电路消除了JFET的非线性，扩大了电阻的等效范围,GIC基本节电路使等效电阻等效成为浮地电阻，可以串并联接到任意电路中；压控电阻电路提供了一个压控电压，消除了由于JFET非线性导致的JFET的等效电阻的阻值只与压控电压和电阻R有关的特性；

3.本发明所述基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，通过压控电压电路和压控阻抗变化电路组合，既消除JFET本身非线性、扩展了动态范围，又消除了JFET内部参数开启电压；是一种有效可行的压控浮地线性连续可调电阻电路设计方案。

附图说明

图1是本发明所述基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路的结构图；

图2是GIC基本电路的结构图；

图3是消除线性扩展动态范围电路结构图；

图4是压控阻抗VCI变换电路结构图；

图5是压控电压电路结构图；

图6是基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路的等效电阻特性分析图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1、图4、图5所示。

一种基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，包括压控阻抗VCI变换电路和压控电压电路；

所述压控电压电路包括场效应晶体管Q2、运算放大器U1A和运算放大器U2A；场效应晶体管Q2的漏极与输入电压V2连接，场效应晶体管Q2的源极与运算放大器U1A的反向输入端连接；输入电压V1通过电阻与运算放大器U1A的反向输入端连接，运算放大器U1A的同相输入端接地；场效应晶体管Q2的栅极和场效应晶体管Q2的漏极之间连接有电阻R1，场效应晶体管Q2的栅极通过电阻R2与运算放大器U1A的输出端连接；运算放大器U1A的输出端与运算放大器U2A的同相输入端连接；运算放大器U2A的反向输入端与运算放大器U2A的输出端连接构成电压跟随器；

所述压控阻抗VCI变换电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、场效应晶体管Q1、负载Z1和负载Z2；场效应晶体管Q1的漏极与运算放大器U2的反向输入端连接，场效应晶体管Q1的源极与两个串联的电阻R8、R9连接；运算放大器U3的同向输入端连接在电阻R8和电阻R9之间，运算放大器U3的反向输入端通过电阻R4接地，运算放大器U3的输出端通过电阻R3与运算放大器U3的反向输入端连接，运算放大器U3的输出端通过电阻R6与场效应晶体管Q1的栅极连接；场效应晶体管Q1的栅极通过电阻R7连接输入电压Vc；

压控电压电路用于提供压控电压，得到一个参数与场效应晶体管内部参数完全无关的等效电阻，通过调节压控电压即可得到阻值明确的等效电阻。

实施例2

如实施例1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，所不同的是，所述压控阻抗VCI变换电路包括GIC基本电路和消除线性扩展动态范围电路。消除线性扩展动态范围电路用于消除场效应管JFET的非线性并扩展等效电阻的动态范围；GIC基本电路使等效电阻浮地，使其能够任意串联、并到任意电路中。

实施例3

如图2、图3所示。

如实施例2所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，所不同的是，所述GIC基本电路包括运算放大器U1、运算放大器U2；运算放大器U1的反向输入端与运算放大器U2的反向输入端连接；运算放大器U1的同相输入端连接输入信号Vi；运算放大器U2的同相输入端通过负载Z5接地；运算放大器U1的输出电压反馈到运算放大器U2的输入端，运算放大器U2的输出电压反馈到运算放大器U1的输入端；

所述消除线性扩展动态范围电路，包括场效应晶体管Q1、运算放大器U3和运算放大器U4。所述压控阻抗VCI变换电路由GIC基本电路和消除线性扩展动态范围电路变换组成。将GIC基本电路中的Z3替换为场效应晶体管Q1并工作在可变电阻区；将GIC电路中的阻抗Z5替换为压控阻抗VCI变换电路中的电阻R5。

压控阻抗VCI变换电路的优点是，借助GIC基本电路可以使消除线性扩展动态范围电路中的等效电阻成为可以浮地的等效电阻，这样GIC基本电路使等效电阻既可以是接地电阻也可以是浮地电阻。消除线性扩展动态范围电路用于消除场效应管Q1、Q2的非线性并扩展等效电阻的动态范围。

实施例4

如实施例1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，所不同的是，场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q2为相同规格、相同参数的场效应晶体管。使用两个完全相同的场效应晶体管可以消除场效应晶体管内部的夹断电压，消除场效应晶体管内部特性引起的非线性，使等效电阻的沟道电阻电流与端电压呈线性变化。

利用一个与压控阻抗VCI变换电路中完全一样的JFET电阻，能够提供一个完全与JFET内部参数开启电压无关的电阻，等效电阻的阻值只与电压V1、V2(此处的V1、V2为图5中的V1、V2)和电阻R有关，等效电阻的阻值范围较大且失真不严重。

实施例5

如实施例1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，所不同的是，所述压控阻抗VCI变换电路的等效阻抗

其中，Z1是负载Z1的阻抗，Z2是负载Z2的阻抗；R_DS是场效应晶体管Q1漏极和源极之间的等效电阻，V_P是场效应晶体管Q1的夹断电压，I_DSS是场效应晶体管Q1的饱和漏电流，V_C是场效应晶体管Q1的输入电压，

实施例6

如实施例1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，所不同的是，所述压控电压电路的输出电压V_C＝2[-V₁/(k₁RV₂)+V_P]

其中，V₁、V₂是压控电压电路的输入电压,R是压控电压电路的输入电阻，I′_DSS是场效应晶体管Q2的饱和漏电流；V_P是场效应晶体管Q1的夹断电压。

实施例7

如实施例1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，所不同的是，所述基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路的等效电阻

其中，Z₁是负载Z₁的阻抗，Z₂是负载Z₂的阻抗；V₁、V₂是压控电压电路的输入电压；

R是压控电压电路的输入电阻。

借助Multisim仿真工具，给实施例1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路施加输入信号；即在图1中的Vin+和Vin-之间提供输入信号Vi，电阻R＝1KΩ，V1为变化的输入电压，Z1、Z2分别设置成R1＝100KΩ,R2＝100KΩ，R3＝R4＝R5＝R6＝R7＝100KΩ，R8＝R9＝a/2*100KΩ＝5KΩ，得到等效电阻的电阻特性图如图6。仿真得到的等效电阻值结果如表1所示。通过图6和表1的数据结果可知，实施1所述的压控浮地电阻是线性并且是浮地连续可调的，并且扩大了JFET工作在可变电阻区的可变电阻值的范围。

表1：

Claims (6)

1.一种基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，其特征在于，包括压控阻抗VCI变换电路和压控电压电路；所述压控电压电路包括场效应晶体管Q2、运算放大器U1A和运算放大器U2A；场效应晶体管Q2的漏极与输入电压V2连接，场效应晶体管Q2的源极与运算放大器U1A的反向输入端连接；输入电压V1通过电阻与运算放大器U1A的反向输入端连接，运算放大器U1A的同相输入端接地；场效应晶体管Q2的栅极和场效应晶体管Q2的漏极之间连接有电阻R1，场效应晶体管Q2的栅极通过电阻R2与运算放大器U1A的输出端连接；运算放大器U1A的输出端与运算放大器U2A的同相输入端连接；运算放大器U2A的反向输入端与运算放大器U2A的输出端连接构成电压跟随器；所述压控阻抗VCI变换电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、场效应晶体管Q1、负载Z1和负载Z2；场效应晶体管Q1的漏极与运算放大器U2的反向输入端连接，场效应晶体管Q1的源极与两个串联的电阻R8、R9连接；运算放大器U3的同向输入端连接在电阻R8和电阻R9之间，运算放大器U3的反向输入端通过电阻R4接地，运算放大器U3的输出端通过电阻R3与运算放大器U3的反向输入端连接，运算放大器U3的输出端通过电阻R6与场效应晶体管Q1的栅极连接；场效应晶体管Q1的栅极通过电阻R7连接输入电压Vc；场效应晶体管Q1的漏极与运算放大器U1的正向输入端连接；场效应晶体管Q1的源极与运算放大器U1的输出端连接；场效应晶体管Q2的输出端连接在负载Z1和负载Z2之间。

2.根据权利要求1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，其特征在于，所述压控阻抗VCI变换电路包括GIC基本电路和消除线性扩展动态范围电路。

3.根据权利要求2所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，其特征在于，所述GIC基本电路包括运算放大器U1、运算放大器U2；运算放大器U1的反向输入端与运算放大器U2的反向输入端连接；运算放大器U1的同相输入端连接输入信号；运算放大器U2的同相输入端通过负载Z5接地；运算放大器U1的输出电压反馈到运算放大器U2的输入端，运算放大器U2的输出电压反馈到运算放大器U1的输入端；所述消除线性扩展动态范围电路，包括场效应晶体管Q1、运算放大器U3和运算放大器U4；场效应晶体管Q1的栅极通过电阻与运算放大器U4的输出端连接；运算放大器U4的输出端通过电阻与运算放大器U3的同向输入端连接；场效应晶体管Q1的源极同时与运算放大器U3的输出端和反向输入端连接；运算放大器U4的同向输入端与场效应晶体管Q1的漏极连接；运算放大器U4的反向输入端通过电阻接地。

4.根据权利要求1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，其特征在于，场效应晶体管Q1和场效应晶体管Q2为相同规格、相同参数的场效应晶体管。

5.根据权利要求1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，其特征在于，所述压控阻抗VCI变换电路的等效阻抗

其中，Z1是负载Z1的阻抗，Z2是负载Z2的阻抗；R_DS是场效应晶体管Q1漏极和源极之间的等效电阻，V_P是场效应晶体管Q1的夹断电压，I_DSS是场效应晶体管Q1的饱和漏电流，V_C是场效应晶体管Q1的输入电压，

6.根据权利要求1所述的基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路，其特征在于，所述基于JFET的压控浮地线性连续可调电阻电路的等效电阻

其中，Z₁是负载Z₁的阻抗，Z₂是负载Z₂的阻抗；V₁、V₂是压控电压电路的输入电压；

R是压控电压电路的输入电阻。

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