基于吉伯爾特乘法器的電子電位器*

任青蓮

(1.太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024;2.太原科技大學 華科學院，山西 太原 030024)

0 引言

電位器是一種應用較廣的可調電子元件，傳統的機械電位器通過機械結構帶動滑片改變電阻值，價格低，結構簡單，但存在機械磨損、游標污染、電阻漂移、滑動噪聲大等缺點。對低噪聲吉伯爾特乘法器進行簡化，可得到結構簡單、調節方便、性能優良的電子電位器，避免了傳統機械電位器因滑片磨損產生的接觸不良，也消除了由于機械觸點磨損產生的噪聲干擾和失真。

1 電路組成及工作原理

對Bary Gilbert提出的吉伯型乘法器進行簡化，可以得到如圖1所示電路，該電路為由差分放大器構成的分流電路。

圖1 吉伯型乘法器簡化原理電路圖

由PN結理論可知，在小電流下晶體管發射極的伏安特性可表示為：

iE=IS(euBE/UT-1)≈ISeuBE/UTuBE?UT.

(1)

其中：iE為晶體管發射極電流；IS為反向飽和電流；uBE為發射極電壓；UT為溫度電壓當量，在常溫T=300 K時，UT≈26 mV。

設圖1中晶體管的參數相同，差分對管VT1、VT2集電極電流分別為：

iC1=αISeuBE1/UT.

(2)

iC2=αISeuBE2/UT.

(3)

將式(2)與式(3)相除，得:

(4)

其中:UC為控制電壓，UC=uBE1-uBE2。

又因為

iC1+iC2=iC5.

(5)

聯立式(4)與式(5)，可得：

(6)

(7)

將式(6)與式(7)相減，得：

(8)

式(5)與式(8)相減，可得:

(9)

式(5)與式(8)相加，可得:

(10)

同理，對差分對管VT3、VT4可得:

(11)

對晶體管VT6，其集電極電流為:

(12)

對晶體管VT5，其集電極電流為:

(13)

式(13)中,ic5為交流成分，IC5為直流成分，iC5為動態值，三者間的關系為：iC5=IC5+ic5。

圖1中，UBE5=UBE6，R1=R2，所以有：

IC6=IC5.

(14)

綜上分析，可得輸出電流：

(15)

由式(15)可知，iC2+iC4的直流成分是一定的，交流成分隨控制電壓UC進行變化，即輸出電流iC2+iC4的波形受控制電壓UC控制，該電路為一受電壓UC控制的電流調節器。

2 實用電路

將圖1中的晶體管VT5、VT6用電阻代替，則可得到實用的4管電子電位器電路，如圖2所示。

圖2 4管電子電位器

圖2中，控制電壓UC通過電阻R7和R6分壓對輸出電流iC2+iC4進行控制，使用時可將控制電壓UC經電壓跟隨器后接入電路，以提高其驅動能力。二極管VD起保護作用，防止晶體管VT1、VT2由于輸入電壓ui過大而擊穿，正常工作時，二極管VD處于截止狀態。

由前面的分析可知，圖2中:

(16)

輸入信號ui通過電阻R3使晶體管VT1、VT2的射極電流i01發生變化。

輸出電流iC2+iC4為:

(17)

由公式(17)可知，改變控制電壓UC的大小，可以實現對輸出電流iC2+iC4的控制,當控制電壓UC一定時，輸出電流iC2+iC4與輸入電壓成線性關系。

3 電路特性仿真分析

根據圖2實用電路，用PSPICE進行仿真，仿真電路如圖3所示。

圖3 4管電子電位器PSPICE仿真電路圖

圖4為輸出電流iC2+iC4的仿真波形，圖中給出波形巧好一個周期。由圖4可知，輸出電流iC2+iC4的直流成分是一定的，交流成分隨著控制電壓進行變化，控制電壓UC越大，輸出電流越小，輸出電流的變化范圍可達0.15 mA。

圖4 輸出電流iC2+iC4的仿真波形(f=1 kHz) 圖5 輸出電壓的仿真波形 圖6 輸出電壓的頻率特性

圖5為輸入電壓頻率f=1 kHz時輸出電壓隨控制電壓UC變化的波形。從圖5可以看出，控制電壓UC越大，電阻越大，輸出電流越小，輸出電壓也越小。

圖6為輸出電壓的頻率特性，利用PSPICE的特征函數Bandwidth(V(OUT),3)計算輸出電壓的3 dB帶寬。當控制電壓UC=0 V時，帶寬為57.665 kHz；當控制電壓UC=4 V時，帶寬為58.032 kHz。由此可見，控制電壓對帶寬的影響不大。

圖7為輸出噪聲電壓曲線。由圖7可知，輸出噪聲電壓最大只有約82 nV，噪聲很小。

圖7 總的輸出噪聲電壓曲線

4 結束語

本文介紹的是基于Bary Gilbert提出的吉伯型乘法器進行簡化后的電子電位器，采用了4個晶體管，電路結構簡單，控制靈活方便，頻帶寬度可達58 kHz、輸出噪聲電壓小，只有約82 nV。該電子電位器可以作為電流調節器，也可作為壓控放大器，或在音響設備中可以作為音量調節器。