基于吉伯尔特乘法器的电子电位器*

任青莲

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024;2.太原科技大学 华科学院，山西 太原 030024)

0 引言

电位器是一种应用较广的可调电子元件，传统的机械电位器通过机械结构带动滑片改变电阻值，价格低，结构简单，但存在机械磨损、游标污染、电阻漂移、滑动噪声大等缺点。对低噪声吉伯尔特乘法器进行简化，可得到结构简单、调节方便、性能优良的电子电位器，避免了传统机械电位器因滑片磨损产生的接触不良，也消除了由于机械触点磨损产生的噪声干扰和失真。

1 电路组成及工作原理

对Bary Gilbert提出的吉伯型乘法器进行简化，可以得到如图1所示电路，该电路为由差分放大器构成的分流电路。

图1 吉伯型乘法器简化原理电路图

由PN结理论可知，在小电流下晶体管发射极的伏安特性可表示为：

iE=IS(euBE/UT-1)≈ISeuBE/UTuBE≫UT.

(1)

其中：iE为晶体管发射极电流；IS为反向饱和电流；uBE为发射极电压；UT为温度电压当量，在常温T=300 K时，UT≈26 mV。

设图1中晶体管的参数相同，差分对管VT1、VT2集电极电流分别为：

iC1=αISeuBE1/UT.

(2)

iC2=αISeuBE2/UT.

(3)

将式(2)与式(3)相除，得:

(4)

其中:UC为控制电压，UC=uBE1-uBE2。

又因为

iC1+iC2=iC5.

(5)

联立式(4)与式(5)，可得：

(6)

(7)

将式(6)与式(7)相减，得：

(8)

式(5)与式(8)相减，可得:

(9)

式(5)与式(8)相加，可得:

(10)

同理，对差分对管VT3、VT4可得:

(11)

对晶体管VT6，其集电极电流为:

(12)

对晶体管VT5，其集电极电流为:

(13)

式(13)中,ic5为交流成分，IC5为直流成分，iC5为动态值，三者间的关系为：iC5=IC5+ic5。

图1中，UBE5=UBE6，R1=R2，所以有：

IC6=IC5.

(14)

综上分析，可得输出电流：

(15)

由式(15)可知，iC2+iC4的直流成分是一定的，交流成分随控制电压UC进行变化，即输出电流iC2+iC4的波形受控制电压UC控制，该电路为一受电压UC控制的电流调节器。

2 实用电路

将图1中的晶体管VT5、VT6用电阻代替，则可得到实用的4管电子电位器电路，如图2所示。

图2 4管电子电位器

图2中，控制电压UC通过电阻R7和R6分压对输出电流iC2+iC4进行控制，使用时可将控制电压UC经电压跟随器后接入电路，以提高其驱动能力。二极管VD起保护作用，防止晶体管VT1、VT2由于输入电压ui过大而击穿，正常工作时，二极管VD处于截止状态。

由前面的分析可知，图2中:

(16)

输入信号ui通过电阻R3使晶体管VT1、VT2的射极电流i01发生变化。

输出电流iC2+iC4为:

(17)

由公式(17)可知，改变控制电压UC的大小，可以实现对输出电流iC2+iC4的控制,当控制电压UC一定时，输出电流iC2+iC4与输入电压成线性关系。

3 电路特性仿真分析

根据图2实用电路，用PSPICE进行仿真，仿真电路如图3所示。

图3 4管电子电位器PSPICE仿真电路图

图4为输出电流iC2+iC4的仿真波形，图中给出波形巧好一个周期。由图4可知，输出电流iC2+iC4的直流成分是一定的，交流成分随着控制电压进行变化，控制电压UC越大，输出电流越小，输出电流的变化范围可达0.15 mA。

图4 输出电流iC2+iC4的仿真波形(f=1 kHz) 图5 输出电压的仿真波形 图6 输出电压的频率特性

图5为输入电压频率f=1 kHz时输出电压随控制电压UC变化的波形。从图5可以看出，控制电压UC越大，电阻越大，输出电流越小，输出电压也越小。

图6为输出电压的频率特性，利用PSPICE的特征函数Bandwidth(V(OUT),3)计算输出电压的3 dB带宽。当控制电压UC=0 V时，带宽为57.665 kHz；当控制电压UC=4 V时，带宽为58.032 kHz。由此可见，控制电压对带宽的影响不大。

图7为输出噪声电压曲线。由图7可知，输出噪声电压最大只有约82 nV，噪声很小。

图7 总的输出噪声电压曲线

4 结束语

本文介绍的是基于Bary Gilbert提出的吉伯型乘法器进行简化后的电子电位器，采用了4个晶体管，电路结构简单，控制灵活方便，频带宽度可达58 kHz、输出噪声电压小，只有约82 nV。该电子电位器可以作为电流调节器，也可作为压控放大器，或在音响设备中可以作为音量调节器。