Resistencia controlada por voltaje

Una resistencia controlada por voltaje (VCR) es un dispositivo activo de tres terminales con un puerto de entrada y dos puertos de salida. El voltaje del puerto de entrada controla el valor de la resistencia entre los puertos de salida. Las videograbadoras se construyen con mayor frecuencia con transistores de efecto de campo (FET). A menudo se utilizan dos tipos de FET: el JFET y el MOSFET . Hay resistencias controladas por voltaje flotante y resistencias controladas por voltaje con conexión a tierra. Los VCR flotantes se pueden colocar entre dos componentes activos o pasivos. Los VCR conectados a tierra, el diseño más común y menos complicado, requieren que un puerto de la resistencia controlada por voltaje esté conectado a tierra.

Usos

Las resistencias controladas por voltaje son uno de los bloques de diseño analógico más utilizados: filtros analógicos adaptativos, ^[1] circuitos de control automático de ganancia, generadores de reloj , ^[2] compresores, ^[3] electrómetros , ^[4] recolectores de energía, ^[5] expansores, ^[6] audífonos , ^[7] atenuadores de luz , ^[8] moduladores (mezcladores), ^[9] redes neuronales artificiales , ^[10] amplificadores de ganancia programable , ^[11] arreglos en fase , ^[12] bucles de bloqueo de fase , ^[13]circuitos de atenuación controlados por fase, ^[14] circuitos de retardo y avance de fase, ^[15] filtros sintonizables, ^[16] atenuadores variables, ^[17] osciladores controlados por voltaje , ^[18] multivibradores controlados por voltaje, ^[19] también como generadores de forma de onda , ^[20] todos incluyen resistencias controladas por voltaje.

El JFET es uno de los dispositivos activos más comunes utilizados para el diseño de resistencias controladas por voltaje. Tanto es así, que los dispositivos JFET se empaquetan y venden como resistencias controladas por voltaje. ^[21] Por lo general, los JFET cuando se empaquetan como VCR a menudo tienen altos voltajes de pinzamiento, lo que resulta en un mayor rango de resistencia dinámica. Los JFET para VCR a menudo se empaquetan en pares, lo que permite diseños de VCR que requieren parámetros de transistores coincidentes.

Para aplicaciones de VCR que involucran amplificación de señal de sensor o audio, a menudo se usan JFET discretos. Una razón es que los JFET y las topologías de circuito construidas con JFET presentan bajo nivel de ruido (específicamente bajo ruido de parpadeo 1 / f y bajo ruido de ráfaga). En estas aplicaciones, los JFET de bajo ruido permiten mediciones más confiables y precisas y mayores niveles de pureza del sonido. ^[22]

Otra razón por la que se utilizan JFET discretos es que los JFET son más adecuados para entornos difíciles. Los JFET pueden soportar interferencias eléctricas, electromagnéticas (EMI) y otras descargas de alta radiación mejor que los circuitos MOSFET. ^{[23] Los} JFET pueden incluso servir como un dispositivo de protección contra sobretensiones de entrada. ^{[24] Los} JFET también son menos susceptibles a las descargas electrostáticas que los MOSFET. ^[25]

Diseño de resistencia controlada por voltaje

Dos de los diseños más comunes y rentables para JFET VCR son el diseño de VCR no linealizado y linealizado. El diseño no linealizado solo requiere un JFET. El diseño linealizado también usa un JFET, pero tiene dos resistencias de linealización. Los diseños linealizados se utilizan para aplicaciones de VCR que requieren altos niveles de voltaje de señal de entrada. Los diseños no linealizados se utilizan en aplicaciones de CC de bajo nivel de señal de entrada y basadas en costos.

Diseño de VCR no linealizado

Divisor de voltaje programable basado en JFET VCR

En el circuito de la figura, un diseño de VCR no linealizado, la resistencia controlada por voltaje, el LSK489C JFET, se utiliza como divisor de voltaje programable. El suministro de VGS establece el nivel de resistencia de salida del JFET. La resistencia de drenaje a fuente del JFET ( R _DS ) y la resistencia de drenaje ( R ₁ ) forman la red del divisor de voltaje. El voltaje de salida se puede determinar a partir de la ecuación

V _salida = V _DC  ·  R _DS  / ( R ₁ + R _DS ).

Una simulación LTSpice del diseño de VCR no linealizado verifica que la resistencia JFET cambia con un cambio en el voltaje de puerta a fuente ( V _GS ). En la simulación (a continuación), se aplica un voltaje de entrada constante (el suministro de VCC se establece en 4 voltios) y el voltaje de puerta a fuente se reduce en pasos, lo que aumenta la resistencia de drenaje a fuente JFET. La resistencia entre los terminales de drenaje y fuente del JFET aumenta a medida que el voltaje de puerta a fuente se vuelve más negativo y disminuye a medida que el voltaje de puerta a fuente se acerca a 0 voltios. La siguiente simulación lo confirma. El voltaje de salida es de aproximadamente 2,5 voltios con un voltaje de puerta a fuente de -1 voltio. Por el contrario, el voltaje de salida cae a aproximadamente 1,6 voltios cuando el voltaje de puerta a fuente es de 0 voltios.

Con una señal de entrada de 4 voltios y R ₁ de 300 ohmios, el rango de resistencia para el VCR JFET se puede calcular a partir de los resultados de la simulación, ya que V _GS varía entre -1 voltio y 0 voltios usando la ecuación

R _DS = V ₀  ·  R ₁  / ( V _DS - V ₀ ).

Usando la ecuación anterior, en V _GS = −1 V, la resistencia de la videograbadora es de aproximadamente 500 ohmios, y en V _GD = 0 V, la resistencia de la videograbadora es de aproximadamente 200 ohmios.

La aplicación de un voltaje de rampa a la entrada de un circuito VCR similar (la resistencia de carga se ha cambiado a 3000 ohmios) permite determinar el valor exacto de la resistencia del JFET a medida que se varía el voltaje de entrada.

La simulación rampa, a continuación, revela que la resistencia drenaje-fuente del JFET es bastante constante (alrededor de 280 ohmios) hasta que el voltaje de barrido de entrada, V _{de barrido} ( V _señal ), alcanza aproximadamente 2 V. En este punto el desagüe La resistencia a la fuente comienza a aumentar lentamente hasta que el voltaje de entrada alcanza los 8 V.Aproximadamente 8 V, para esta condición de polarización ( V _GS = 0 V y R = 3 kΩ), la corriente de drenaje JFET ( I _D(J1)) se satura y la resistencia ya no es constante y cambia con un aumento en el voltaje de entrada. La simulación de rampa también indica que incluso por debajo de 2 V, la resistencia del VCR no es completamente independiente del nivel de voltaje de entrada. Es decir, la resistencia del VCR no representa una resistencia perfectamente lineal.

Debido a que la resistencia no es constante por encima de 2 V, este diseño de VCR no linealizado se usa con mayor frecuencia cuando la señal de voltaje de entrada está por debajo de 1 V, como en aplicaciones de sensores o en aplicaciones donde la distorsión no es una preocupación en niveles de voltaje de entrada más altos. O en otros casos, cuando no se requiere un valor de resistencia constante (por ejemplo, en aplicaciones de atenuación LED y circuitos de efectos de pedal musical).

Diseño de VCR linealizado

Para aumentar el rango dinámico del voltaje de entrada, mantener una resistencia constante sobre el rango de la señal de entrada, y para mejorar la relación señal / ruido y las especificaciones de distorsión armónica total, se utilizan resistencias de linealización.

Una limitación fundamental de las resistencias controladas por voltaje es que la señal de entrada debe mantenerse por debajo del voltaje de linealización (aproximadamente el punto en el que el JFET entra en saturación). Si se excede el voltaje de linealización, el valor de la resistencia de control de voltaje cambiará tanto con el nivel de la señal de voltaje de entrada como con el voltaje de puerta a fuente. ^[26]

En la siguiente figura se muestra un diseño de VCR linealizado.

Se solicita que se incluya en este artículo un diagrama o diagramas eléctricos que ilustren el diseño de VCR linealizado para mejorar su calidad . En el Laboratorio Gráfico se pueden solicitar ilustraciones, gráficos o diagramas específicos . Para obtener más información, consulte la discusión en esta página y / o la lista en Wikipedia: imágenes solicitadas .

Para evaluar la capacidad de este diseño para manejar señales de entrada más grandes, se aplica una rampa a la entrada del VCR. A partir de los resultados de la simulación de rampa, se determina qué tan cerca el VCR emula un resistor real y sobre qué rango de voltajes de entrada se comporta el VCR como un resistor.

La simulación de rampa de VCR linealizada, a continuación, indica que la resistencia del VCR es constante a aproximadamente 260 ohmios para un rango de señal de entrada de aproximadamente −6 V a 6 V (la curva V ( V _salida ) / I ( R ₁ )). El barrido también indica que la resistencia del VCR comienza a aumentar drásticamente, como lo hace en el diseño no linealizado, una vez que el JFET entra en su región de saturación.

Debido a la región de resistencia constante más amplia de la videograbadora linealizada, las señales de entrada mucho más grandes que los diseños no linealizados se pueden aplicar a la videograbadora sin distorsión. Sin embargo, también es importante considerar que el valor de la resistencia de drenaje afectará levemente el rango de voltajes de drenaje a fuente en el que la resistencia del VCR es constante.

Debido al mayor rango de linealización, el circuito linealizado es capaz de manejar señales de CA que están en el orden de 8 V pico a pico antes de que aparezcan los niveles visuales de distorsión. La siguiente simulación, que utiliza una resistencia de drenaje de 3000 ohmios, ilustra que la videograbadora se puede utilizar con éxito en señales de entrada de voltaje de entrada bastante alto. Para este diseño, la señal de voltaje de entrada de pico a pico de 8 V se puede atenuar de un pico de 2,2 voltios a un pico de 0,5 voltios cuando el voltaje de control varía de -2,5 voltios a 0,5 voltios.

Lo que es importante tener en cuenta sobre el diseño de VCR linealizado, a diferencia del diseño no linealizado, es que la señal de salida no tiene ningún desplazamiento significativo. Permanece centrado en 0 V cuando se cambia el voltaje de control. Las simulaciones del diseño no linealizado indican un voltaje de compensación significativo en la salida. Otra característica importante del diseño de VCR linealizado es que tiene una corriente de salida más alta que el diseño no linealizado. El efecto de las resistencias de linealización es aumentar efectivamente la ganancia de transconductancia del VCR.

Selección de rango de resistencia

Se pueden usar diferentes JFET para obtener diferentes rangos de resistencia de VCR. Normalmente, cuanto mayor sea el valor de IDSS para un JFET, menor será el valor de resistencia obtenido. De manera similar, los JFET con valores más bajos de IDSS tienen valores más altos de resistencia. ^[27] Con un banco de JFET, con diferentes valores IDSS (y por lo tanto, valores R _DS ), se pueden construir bancos de circuitos de control de ganancia automático programables que ofrecen una amplia gama de rangos de resistencia. Por ejemplo, LSK489A y LSK489C, IDSS JFETS graduados, muestran una variación de resistencia de 3: 1.

Consideraciones de distorsión

La distorsión es una preocupación importante con las resistencias controladas por voltaje. Cuando se aplica una señal de entrada de CA o no CC que da como resultado que la resistencia de la videograbadora se mueva fuera de la región de triodo lineal (u opere en una región de triodo menos que perfectamente lineal), se produce una amplificación desigual de la señal de entrada (como resultado directo de un aumento no lineal de la resistencia). Esto da como resultado una distorsión de la señal de salida.

Para superar este problema, los VCR no linealizados simplemente funcionan a niveles de señal bastante bajos. Los diseños de VCR linealizados, por otro lado, tendrán una distorsión significativamente menor a niveles de señal de voltaje de entrada mucho más altos y permitirán una mejora en la especificación de distorsión armónica total.

Por ejemplo, la siguiente simulación muestra una cantidad significativa de distorsión visual cuando la señal de entrada de 5 V pico a pico se aplica a un diseño de VCR no linealizado.

Por otro lado, una simulación de un diseño de VCR linealizado muestra muy poca distorsión cuando se aplica una señal de entrada de pico a pico de 8 V (Figura 7).

Otras topologías y diseños de VCR

Además de estos diseños de VCR más básicos, existen numerosos diseños más sofisticados. Estos diseños a menudo incluyen un circuito de corriente transportadora diferencial diferencial (DDCC), un amplificador diferencial, dos o más transistores JFET emparejados o uno o dos amplificadores operacionales . Estos diseños ofrecen mejoras en el rango dinámico, la distorsión, la relación señal-ruido y la sensibilidad a las variaciones de temperatura. ^{[28] [29]}

Teoría del diseño - análisis IV

Las características de transferencia de corriente-voltaje (IV) determinan cómo funcionará el JFET VCR. Específicamente, las regiones lineales de las curvas IV determinan el rango de la señal de entrada donde el VCR se comportará como una resistencia. Las curvas de un JFET específico también dictan el rango de valores de resistencia a los que se puede programar el VCR.

La función matemática que define una curva JFET IV no es lineal. Sin embargo, hay regiones de estas curvas que son muy lineales. Estos incluyen la región del triodo (también conocida como región óhmica o lineal) y la región de saturación (también conocida como región activa o región de fuente de corriente constante). En la región del triodo, el JFET actúa como una resistencia, sin embargo, en la región de saturación se comporta como una fuente de corriente constante. El punto que separa la región del triodo y la región de saturación es aproximadamente el punto donde V _DS es igual a V _GS en cada una de las curvas IV.

En la región del triodo, los cambios en el voltaje de drenaje a fuente no cambiarán (o cambiarán muy poco) la resistencia entre los terminales de drenaje y fuente del JFET. En la región de saturación, o más apropiadamente en la región de corriente constante, los cambios en el voltaje de drenaje a fuente requerirán que la resistencia de drenaje a fuente cambie de manera que la corriente permanezca en un valor constante para diferentes drenaje a fuente. niveles de voltaje.

Para valores de V _GS cercanos a cero, el voltaje de linealización de voltaje de drenaje a fuente o el punto de ruptura del triodo es mucho más alto que cuando los niveles de V _GS están cerca del voltaje de pinch-off. Esto significa que para mantener el comportamiento de la resistencia constante para diferentes valores de V _GS , el valor máximo de linealización se establecería de acuerdo con el valor más alto de V _GS utilizado.

La región del triodo lineal en realidad incluye valores negativos de V _GS . La siguiente figura muestra una simulación LTSPICE (LTSPICE) de las curvas IV en la región del triodo. Como puede verse, un LSK489 no linealizado es aproximadamente lineal de aproximadamente −0,1 V a 0,1 V.Para niveles de V _GS cercanos a 0 V, el rango lineal del triodo se extiende desde aproximadamente −0,2 V a 0,2 V. Como valor de V _GS aumenta, la región del triodo lineal se reduce significativamente.

Por el contrario, cuando se utilizan resistencias de linealización, una simulación de barrido de curva IV similar indica que la región del triodo lineal se extiende significativamente. A partir de las curvas IV, se puede ver que la región de linealización para el diseño linealizado se extiende fácilmente de −6 V a 6 V (la I _DS frente a V _DS frente a V _{en las} curvas). Muy por encima del rango de aproximadamente 200 mV que produce el diseño no linealizado.

De mayor interés es que la linealización da como resultado la linealización del voltaje de puerta a fuente incluso aunque el voltaje de entrada ( V _in ) se mantenga a un nivel de CC constante durante cada uno de los barridos. Esto se debe a que a medida que cambia el voltaje de entrada, el valor del voltaje V _GS cambia de manera que V _GS siempre es igual a la mitad de V _DS . El cambio en V _GS para cambios en V _DS es tal que el JFET se comporta como una resistencia hasta el punto donde se satura el JFET.

Las matemáticas de la linealización

Las matemáticas detrás de las resistencias de linealización están directamente relacionadas con la cancelación del término V _{DS de} segundo grado en la ecuación del triodo JFET. Esta ecuación relaciona la corriente de drenaje con V _GS y V _DS . Kleinfeld ^[30] aplica la ley actual de Kirchhoff para demostrar que el término no lineal V _DS se cancela con resistencias de linealización. Las resistencias de linealización, para efectuar la cancelación del término de segundo grado (cuadrático) deben ser iguales. Las resistencias de linealización de igual valor dividen el voltaje de drenaje a fuente por 2, cancelando efectivamente el término V _DS no lineal en la ecuación del triodo JFET.

El futuro de las resistencias controladas por voltaje

Los VCR de uso diario y de alto rendimiento son esenciales para el diseño exitoso de muchos diseños de circuitos electrónicos analógicos y seguirán siéndolo. Se espera que los diseños de VCR desempeñen un papel central en el avance de las redes de sensores basadas en inteligencia artificial (neuronales). ^[31] El VCR, básicamente el corazón de las células sinápticas en una red neuronal , ^[32] es necesario para permitir el procesamiento de datos analógicos de alta velocidad y el control de la información que los microcontroladores, convertidores de digital a analógico y analógico a digital los convertidores lo hacen actualmente.

Los JFET de bajo ruido debido a su baja sensibilidad de señal, resistencia electromagnética y a la radiación, y su capacidad para configurarse como un VCR en una celda sináptica y como un preamplificador de sensor de alto rendimiento y bajo ruido, ofrecen una solución para la implementación de nodos sensores basados ​​en inteligencia artificial. Esta es una extensión natural del hecho de que los JFET de bajo ruido y las topologías de circuitos JFET de bajo ruido se utilizan ampliamente en el diseño de VCR de bajo ruido y preamplificadores de bajo ruido en aplicaciones de medición de sensores. ^{[33] [34]}

Referencias

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