提高電流源性能的JFET級聯(lián)技術(shù)

很多工藝控制傳感器（如熱敏電阻器和應(yīng)變橋）都需要精確的偏置電流。增加一只電流設(shè)置電阻器R₁后,電壓基準(zhǔn)電路IC₁就可以構(gòu)成一個恒定和精確的電流源（圖1）。但是,該電流源的誤差與R₁和IC₁的精度有關(guān),并影響著測量精度和分辨率。雖然我們可以采用精度高于大多數(shù)常用電壓基準(zhǔn)IC₁的高精度電阻器,但電壓基準(zhǔn)的誤差左右了該電流源的精度。制造商會盡力減小電壓基準(zhǔn)的溫度靈敏度和輸出電壓誤差,但對電源變動的敏感性仍可影響到它的精度,尤其是對于必須工作在供電電壓范圍很寬的工藝控制應(yīng)用場合。

用一個級聯(lián)的JFET對—Q₁和Q₂構(gòu)成的恒流源可以減小基準(zhǔn)電路對供電電壓波動的敏感性,并將IC₁的工作電壓擴(kuò)展到5.5V最大額定值。另外,Q₁和Q₂還有效地將電流源的等效電阻從數(shù)兆歐幾乎提高到千兆歐范圍。在電路的Norton模型中,等效電阻代表理想電流源上的并聯(lián)電阻。

當(dāng)N溝道JFET的柵源偏壓為0V時,就是一個工作在最大飽和漏極電流下的耗盡型器件。與需要柵極偏壓才能導(dǎo)通的耗盡型MOSFET相比,JFET工作在默認(rèn)的導(dǎo)通狀態(tài),需要柵極偏壓來關(guān)斷。當(dāng)柵源電壓比源電壓更負(fù)時,JFET的漏極電流在關(guān)斷電壓下趨向零。JFET的漏極電流大致圍繞其柵極偏置電流而變化：I_D≈I_DSS×(1+V_GS/V_P)²,其中I_D是漏極電流,I_DSS是漏極飽和電流,V_GS是柵源電壓,而V_P是關(guān)斷電壓。

假定IC₁的輸出電壓V_REF保持在恒定1.8V。由于輸出電壓驅(qū)動Q₂的柵極,IC₁的輸入電壓V_IN等于 V_REF-V_GS(Q2),或1.8V-(-1.2V)=3V。因此,Q₂的柵源電壓就保持在其1.2V的標(biāo)稱關(guān)斷電壓上,并與電流源的微小變動保持一致性的變化。當(dāng)電源電壓從3V變化至30V以上時,輸入電壓仍能保持基本恒定,因為V_REF也保持不變。級聯(lián)FET結(jié)構(gòu)增加了電流源的Norton等效電阻,使之超出只有電壓基準(zhǔn)和R₁的情況。使用單只JFET也可以,但兩只JFET的堆疊可進(jìn)一步提高電路的等效阻抗。注意IC₁并沒有降低精度,這是因為JFET將IC₁的輸入電壓保持在幾乎恒定狀態(tài),而IC₁還有效地消除了初始柵源電壓變化,以及Q₁和Q₂引起的溫度影響。

Kirchhoff電壓回路由V_IN、V_REF和V_GS(Q2)組成,其負(fù)反饋可以使漏極電流達(dá)到一個均衡偏置點(diǎn),符合Q₂的傳輸公式。Q₂的漏極電流為 (V_REF/R₁)與IC₁內(nèi)部“家務(wù)管理”電流I_GND之和,是恒定的。增加Q₁可將Q₂輸出阻抗的影響降低至無關(guān)緊要的程度。調(diào)整R₁的值可在一個有用范圍內(nèi)（200mA~5 mA）變化電路的輸出電流,而Q₂的飽和漏極電流是上限。如果你選擇了一個有較高飽和漏極電流的JFET,一定要確保不超過Q₁的最大功耗值。

注意,電路的電源電壓下限必須高于電路的3V電壓與傳感器產(chǎn)生的電壓降之和：I_SOURCE×R₂。電路的電源電壓上限決不能超過I_SOURCE×R₂+30V。例如,當(dāng)為一個1kΩ壓力傳感器橋R₂ 加上2.5 mA 電流時,電源電壓范圍限制為5.5V ~ 32.5V。在電源電壓很寬范圍內(nèi),電路輸出電流的變動小于1mA（圖2）。