很少有在壓控音頻濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用的濾波器。這引起了我對(duì)這種電路的興趣。壓控濾波器（VCF）在音頻電路中是一個(gè)有用的，甚至是必不可少的元件。憑借20世紀(jì)模擬工程師的所有創(chuàng)造力，這些電路稀缺的事實(shí)令人著迷。為什么拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這么少？為什么現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看起來(lái)都不像濾波器？

用于音頻應(yīng)用的壓控濾波器

壓控濾波器（VCF）是模擬合成器的支柱。最常見(jiàn)的配置是使用基于運(yùn)算跨導(dǎo)放大器（OTA）的濾波器，LM13600和LM3080等集成電路是受歡迎的選擇。Korg根據(jù)Sallen-Key或OTA制造了諸如Korg35、4023、4025和4075等芯片。但是有一個(gè)濾波器比其他濾波器更出色，因?yàn)樗哂袆?chuàng)造性、有效性，而且（很好的權(quán)威性）可以聽(tīng)到出色的聲音。這是Moog階梯濾波器。

Moog梯形濾波器原理圖

下面來(lái)看看Moog濾波器。

圖1.MoogProdigy模擬合成器中出現(xiàn)的著名Moog濾波器。

在這里看到八個(gè)晶體管在一個(gè)階梯中，有一個(gè)電阻分壓器鏈，由一個(gè)偏壓/控制電流Ibias驅(qū)動(dòng)。音頻輸入應(yīng)用于Q1，反饋（用于共振，在電子音樂(lè)中也稱為強(qiáng)調(diào)）應(yīng)用于Q2，而其他晶體管成對(duì)，連接在基極，電容器并聯(lián)其發(fā)射器。作為最頂部電容兩端的電壓輸出。為了簡(jiǎn)化這一點(diǎn)，我們可以（小心）去掉偏置組件，得到如圖2所示的原理圖。

圖2.Moog濾波器的簡(jiǎn)化原理圖

這只是有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)榛夭皇歉?dòng)的，而是通過(guò)一個(gè)除法器保持恒定的電位。

Moog梯形濾波器解釋

來(lái)看看電路。電路的截止頻率控制是施加到差分對(duì)Q1-Q2的電流Ibias。對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，改變Ibiass會(huì)導(dǎo)致晶體管的偏置電流發(fā)生變化。忽略基極電流（即假設(shè)高β）我們看到流過(guò)Q1的直流電流必須流過(guò)左側(cè)階梯的其余部分，同樣，對(duì)于Q2和右側(cè)階梯的直流電流也必須流過(guò)。

晶體管對(duì)Q3-Q4、Q5-Q6和Q7-Q8均具有兩個(gè)晶體管和一個(gè)電容器。成對(duì)的晶體管共享相同的基極電壓但具有不同的發(fā)射極電流。由于小信號(hào)電流是不同的，用于晶體管的小信號(hào)Vbe將是不同的，因此在發(fā)射極電容器之間會(huì)產(chǎn)生電位。電容器是頻率相關(guān)的電抗，產(chǎn)生濾波效應(yīng)。為了了解這有多精確，必須分析濾波器的三個(gè)不同部分，如圖3所示。

圖3.梯形濾波器拓?fù)涞娜齻€(gè)元素（a）驅(qū)動(dòng)差分對(duì)（b）中間階梯低通濾波器部分（c）最頂部的輸出濾波器部

該電路可分為驅(qū)動(dòng)器（圖3a）和低通濾波器（圖3b和3c）。（b）和（c）的輸入源是電流信號(hào)，在反饋側(cè)接地以便于分析（通過(guò)對(duì)稱確認(rèn)這是安全的）。

驅(qū)動(dòng)

圖4.濾波器的驅(qū)動(dòng)部分。

驅(qū)動(dòng)部分是差分對(duì)，也稱為發(fā)射極耦合對(duì)。為了從小信號(hào)的角度分析該電路，我們可以用適當(dāng)?shù)囊纛l有源區(qū)模型替換晶體管。兩種常見(jiàn)的選擇是混合π模型（以輸入電阻建模的跨導(dǎo)）或T模型（以基極發(fā)射極電阻建模的跨導(dǎo)）。

圖5.三種晶體管模型（a）NPN晶體管（b）T模型（c）混合π模型

T模型和混合π模型中的電阻與等于晶體管β的因子相關(guān)。雖然它們具有不同的電路配置，但模型在分析上是相同的。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路，我們可以使用混合π模型。

圖6.用晶體管的低頻混合π等效模擬驅(qū)動(dòng)器中的晶體管。

用開(kāi)路代替恒流源，用接地代替恒壓源，可以簡(jiǎn)化電路，如圖7所示。對(duì)于小信號(hào)電流增益計(jì)算、負(fù)載短路，使我們能夠有效地將集電器接地。通常，我們也會(huì)計(jì)算輸出阻抗來(lái)計(jì)算負(fù)載，但在這種情況下，我們不必這樣做。這可以通過(guò)依賴電流源的存在來(lái)證明，并且因?yàn)闆](méi)有考慮厄利效應(yīng)（其表現(xiàn)為與電流源并聯(lián)的輸出阻抗）。我們不會(huì)考慮共模效應(yīng)，因?yàn)榫w管的偏置點(diǎn)足夠小。最后，為了模擬差分輸入，我們將向兩個(gè)晶體管施加相等和相反的輸入電壓。這不是絕對(duì)必要的，但它會(huì)使分析更容易。

圖7.使用一些簡(jiǎn)化技術(shù)進(jìn)行分析的小信號(hào)電路。
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