
既然可以远距离调整电阻,何必费力地摆弄呢?远程可变电阻让模拟电路控制变得更加轻松、简洁,也更有趣。接下来,我们将探讨一些具体动手实践的创意,来探索这一领域。
首先需要明确的是,这里讨论的远程可变电阻器实际上是一种电压控制电阻器(VCR)。电压控制电阻器是一种电阻值随施加电压而变化的电子元件。
如果您正在使用模拟电子设备或音频设备,电压控制电阻器就是幕后的“魔法”, 能够让电路更加灵活和富有表现力。
与普通固定电阻不同,电压控制电阻会根据施加的控制电压(CV)动态调节其阻值。电压控制电阻的核心元件通常是场效应晶体管(FET),其漏源电阻可以通过调节栅极电压来精确改变,也就是说栅极电压用作控制电压,使FET能够充当可变电阻器。
图1:结型场效应晶体管(JFET)在可变衰减器中充当可变电阻器的基本示意图。来源:作者
这里值得注意的是,可变电阻器是一种很简单的电子元件,其电阻可以手动调节,而可变衰减器是一个更复杂的电路,用于控制信号强度,通常通过在设计中集成可变电阻器来实现。
因此,场效应晶体管(FET)本质上是一个电阻随施加电压变化的元件。通过调整栅极和源极之间的电压,可以控制漏极和源极之间的电阻,本质上就是把它变成了一个电压控制可变电阻器。
很酷吧?不过问题是,场效应晶体管(FET)有三个引脚,所以在远程可变电阻电路中使用它们可能会有点复杂。这让我开始思考,有没有更简单的替代方案?就在那时,我发现了一个很棒的小器件:光场效应晶体管(FET)光耦合器。它可以轻松地实现同样的效果,同时还能在输入和输出之间提供完全的电流隔离,使整个电路设计变得更加简洁易用。
光电场效应晶体管(FET)光耦合器提供与模拟电路高度匹配的电气负载,在输入激活时从高阻抗会迅速转换为低电阻。它可以用作可变电阻器,但输入电流和输出电阻之间的关系是非线性的,且不能被完全预测。
图2:分压衰减器的简单电路,展示了基于电压控制电阻的光电场效应晶体管(FET)光耦合器的基本应用。来源:作者
本次推荐的元件是H11F1M,这是一款非常方便的小元件,它将红外光发射器与对称双边硅光电探测器组合在一起,性能堪比专为失真而设计的理想隔离场效应晶体管(FET)。它主要用于控制低电平交流和直流模拟信号。
图3:H11F1M用于控制低电平交流和直流模拟信号。来源:onsemi
回到上文所述的基本隔离分压衰减器方案,实现音频静音电路的一种直接方法是在需要静音时硬切换H11F1M中的LED。
这种简单的方法应该足以满足大多数应用的需求。或者,也可以使用脉冲宽度调制(PWM)信号来软切换LED,而不是硬切换,从而实现更平滑的切换。
理论上,我们希望导通电阻尽可能低,以实现最好的静音效果;关断电阻尽可能低,以实现对音频信号的最小滤波。而据我从数据手册中了解,H11F1M的关断电阻为15pF,导通电阻为200Ω。
许多具有类似功能的音频应用都需要低信号失真和有效处理大信号的能力,后续文章我也将提供关于如何最大程度降低失真及相关实践的指导。
接下来,我稍微偏离了一点原来的方法,定制了一个粗糙的实验电路,该电路使用外部可变控制电压来调节放大增益。这个版本没有使用H11F1M光电场效应晶体管(FET)光耦合器,而是采用了LCR-0202 Vactrol。原理图如下所示。
图4:该电路利用外部可变控制电压调节放大增益。来源:作者
我在一块小面包板上搭建了这个电路,它能正常工作。初始测试中,将一个1kHz正弦波(幅度约为100mV)施加到输入端(IN),并在改变控制电压输入的同时,在输出端(OUT)记录输出值。
随后观察到,测量的输出值与估算值非常接近,通过自验证有效地确认了电路的功能。此外,一个自制的Vactrol(由一个5毫米琥珀色LED和一个5毫米光敏电阻组成)也成功地与该电路一起进行了测试,并达到了预期的效果。
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