Vactrol簡介
Vactrol是一種由LED與光敏電阻(LDR)組成并封裝于遮光外殼中的光電耦合設備。它常見于模擬音樂電子電路中，如音頻壓縮器(audio compressors)、壓控放大器(VCA)、壓控濾波器(VCF)等應用。
現今，多數這類功能已由模擬IC取代，因此Vactrol逐漸變得罕見。然而，其重要優勢之一(也是仍受青睞的原因)在于比起晶體管電路，Vactrol在較大信號下具有極低的失真特性。
不過，Vactrol在以小控制電流驅動時反應緩慢、響應滯后，且具非線性特性曲線。值得慶幸的是，其電導與控制電流之間的特性曲線比起電阻與控制電流的關系更為線性。這一特點在某些應用中具有優勢，例如在VCF中，頻率響應與1/RC成正比時，此特性有助于提升線性度。
對于音樂電子應用而言，電導的指數控制更為理想。這是因為電壓控制電路通常采用伏特/倍頻(volt/octave)特性，即每增加1伏特(V)控制電壓，VCF的截止頻率就會加倍。
采用指數控制的另一個優點在于，LED的電流永遠不會降至0 (因為y = exp(x) > 0)，因此LDR不會達到其完全暗態的最大電阻值。這種特性對LDR的響應時間具有正面影響，使其在動態變化中表現更快。
指數Vactrol控制電路
通常，若要將線性控制電壓轉換為指數電流，會使用一對晶體管組成的轉換電路。然而在Vactrol的應用中，這對晶體管可以直接由LED取代，因為LED與二極管一樣，本身就是一種電壓控制的指數電流源。
為了進行溫度補償，仍需要兩顆匹配的LED，類似于傳統晶體管電路的設計。圖1顯示了這一指數Vactrol控制的仿真電路。
圖1：指數Vactrol驅動電路中，使用一顆參考LED將線性控制電壓轉換為指數電流，并以兩顆匹配LED進行溫度補償。
在此電路中，LED2以電流Iref = -V/R4運行。當控制電壓(CV)為0時，Vactrol的LED2中電流相同，此時LDR的電阻被設定在期望電阻范圍的中間值，約為30μA所對應的電流。
當CV增加時，LED2陰極的電壓降低，而陽極與陰極之間的電壓差增大，使LED電流呈指數上升。
相反地，當CV為負時，LED2兩端的電壓差降低，導致其電流呈指數下降。LDR的電阻范圍則由求和放大器U1的增益決定。在實際應用中，LDR的電阻可從約1M? (CV = -5V) 變化至約1k? (CV = +5V)，可使VCF的截止頻率從20Hz調整至20kHz。
熱敏電阻R3可改善LED電流的溫度漂移，但LDR本身的溫度依賴性仍約為0.2%/K，因此該Vactrol電路不太適合用于高端壓控振蕩器(VCO)。
對于其他應用，如VCF或VCA，其溫度穩定性已足夠，在多數情況下甚至可以省略熱敏電阻。
圖2顯示在20℃與40℃時，仿真所得的LDR電阻曲線與LED2電流變化。
圖2：20℃與40℃下的仿真電阻曲線與LED2電流關系。
實際操作的注意事項
我們針對該電路設計了一個小型PCB。SMD LED采用標準白光型號，封裝為5730規格。Vactrol的LED2位于PCB上方，用以照射兩個GL5537光敏電阻，這兩個LDR以約45度角配置于LED2上方。
通過輕微彎折LDR，可在機械上微調兩者的匹配電阻。外部則以小型黑色3D打印盒及采用黑色阻焊層的PCB包覆，以防止外界光線干擾電路運作。實驗結果顯示，使用一顆LED照亮兩顆或四顆LDR的電路已成功運行，可用以實現二階及四階VCF。
