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用场效应晶体管提高电流源性能

电力电子 | 发布时间:2018-11-11 | 人气: | #评论# | 本文关键字:场效应管,JFET,MOSFET
摘要:很多像热敏电阻和应变仪桥接器(strain-gauge bridge)的制程控制传感器,都需要精确的偏置电流。藉由增加一颗电流设定电阻R1后,工程师就可以配置电压基准电路IC1,以产生一个精确的恒定电

很多像热敏电阻和应变仪桥接器(strain-gauge bridge)的制程控制传感器,都需要精确的偏置电流。藉由增加一颗电流设定电阻R1后,工程师就可以配置电压基准电路IC1,以产生一个精确的恒定电流源(图 1)。但是,该恒定电流源的误差与 R1 和 IC1 的精度有关,并影响到测量精度和分辨率。虽然工程师可以采用精度高于大多数常用电压基准IC1的高精度电阻,但电压基准的误差就决定了该电流源的精度。制造商会尽力降低电压基准的温度敏感度和输出电压误差,但对电源变化的敏感性仍可影响到它的精度,尤其是对于必须在多种供电电压下工作的制程控制应用更是如此。
一组串迭放大(cascode)的JFET对:Q1和Q2构成了一恒定电流源,恒定电流源可以将基准电路对供电电压波动的敏感性降到最低,并将IC1的工作电压扩大超过其5.5V的最大额定值。另外,Q1和Q2还有效地将电流源的等效电阻从数百万奥姆(megohm)提高到十亿奥姆(gigohm)的范围。在电路的 Norton模型中,等效电阻代表理想电流源上的并联电阻。


当N沟道JFET栅源偏压为0V时,是一个工作在最大饱和漏电流下的耗尽型(depletion-mode)器件。相对于需要栅极偏压才能导通的耗尽型MOSFET相比,JFET在预设导通的状态下作业,并且需要栅极偏压来关断。当栅源电压比源电压更低时,JFET 的漏极电流在夹断电压(pinch-off voltage)处趋于零。JFET的漏极电流大致上是依据其栅极偏置电流的变化而变化:ID??IDSS×(1+VGS/VP)2,其中 ID 是漏极电流,IDSS是漏极饱和电流,VGS 是栅源电压,而VP是夹断电压。
假定IC1的输出电压VREF保持在恒定1.8V。由于输出电压驱动Q2的栅极,IC1的输入电压 VIN 等于 VREF–VGS(Q2),或1.8V–(–1.2V)=3V。因此,Q2 的栅源电压就依赖 1.2V 的标称夹断电压,并与电流源的微小变动保持一致性的变化。当电源电压从3V变化至30V以上时,输入电压仍能如愿保持几乎恒定,因为VREF也保持不变。串迭放大FET结构增加了电流源的Norton等效电阻,使之超出只有电压基准和R1的情况。使用单颗的JFET也可以,但两颗 JFET的堆栈可进一步提高电路的等效阻抗。注意IC1并没有降低精度,因为JFET将IC1的输入电压保持在几乎恒定的状态下,而IC1还有效地消除了初始栅源电压的变化,以及Q1和Q2带来的温度效应。
由VIN、VREF和VGS(Q2)组成的Kirchhoff电压回路,其负反馈可以使漏极电流达到一个均衡偏置点,满足Q2的传输方程式。Q2的漏极电流包括 (VREF/R1)与IC1内部“家务(housekeeping)”电流 IGND 之和,是恒定的。增加Q1可将Q2输出阻抗的影响降低到无关紧要的程度。调整R1的值可以在200μA至5mA的有用范围内调整电路的输出电流,而Q2的饱和漏极电流规格是上限。如果你选择了一个有较高饱和漏极电流的JFET,一定要确保不超过Q1的最大功率耗散值。
注意,电路的电源电压下限必须高于电路的3V电压与传感器产生的电压降之和:ISOURCE×R2。电路的电源电压上限决不能超过ISOURCE×R2+30V。例如,当为一个1-kΩ压力传感器桥R2提供2.5mA电流时,电源电压范围限制为5.5至32.5V。在电源电压很宽变化范围内,电路输出电流的变动小于1μA(图 2)。


责任编辑:电流源性能
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