提高电流源性能的JFET级联技术

很多工艺控制传感器（如热敏电阻器和应变桥）都需要精确的偏置电流。增加一只电流设置电阻器R₁后,电压基准电路IC₁就可以构成一个恒定和精确的电流源（图1）。但是,该电流源的误差与R₁和IC₁的精度有关,并影响着测量精度和分辨率。虽然我们可以采用精度高于大多数常用电压基准IC₁的高精度电阻器,但电压基准的误差左右了该电流源的精度。制造商会尽力减小电压基准的温度灵敏度和输出电压误差,但对电源变动的敏感性仍可影响到它的精度,尤其是对于必须工作在供电电压范围很宽的工艺控制应用场合。

用一个级联的JFET对—Q₁和Q₂构成的恒流源可以减小基准电路对供电电压波动的敏感性,并将IC₁的工作电压扩展到5.5V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兆欧几乎提高到千兆欧范围。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的栅源偏压为0V时,就是一个工作在最大饱和漏极电流下的耗尽型器件。与需要栅极偏压才能导通的耗尽型MOSFET相比,JFET工作在默认的导通状态,需要栅极偏压来关断。当栅源电压比源电压更负时,JFET的漏极电流在关断电压下趋向零。JFET的漏极电流大致围绕其栅极偏置电流而变化：I_D≈I_DSS×(1+V_GS/V_P)²,其中I_D是漏极电流,I_DSS是漏极饱和电流,V_GS是栅源电压,而V_P是关断电压。

假定IC₁的输出电压V_REF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V_IN等于 V_REF-V_GS(Q2),或1.8V-(-1.2V)=3V。因此,Q₂的栅源电压就保持在其1.2V的标称关断电压上,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,输入电压仍能保持基本恒定,因为V_REF也保持不变。级联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。使用单只JFET也可以,但两只JFET的堆叠可进一步提高电路的等效阻抗。注意IC₁并没有降低精度,这是因为JFET将IC₁的输入电压保持在几乎恒定状态,而IC₁还有效地消除了初始栅源电压变化,以及Q₁和Q₂引起的温度影响。

Kirchhoff电压回路由V_IN、V_REF和V_GS(Q2)组成,其负反馈可以使漏极电流达到一个均衡偏置点,符合Q₂的传输公式。Q₂的漏极电流为 (V_REF/R₁)与IC₁内部“家务管理”电流I_GND之和,是恒定的。增加Q₁可将Q₂输出阻抗的影响降低至无关紧要的程度。调整R₁的值可在一个有用范围内（200mA~5 mA）变化电路的输出电流,而Q₂的饱和漏极电流是上限。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的最大功耗值。

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：I_SOURCE×R₂。电路的电源电压上限决不能超过I_SOURCE×R₂+30V。例如,当为一个1kΩ压力传感器桥R₂ 加上2.5 mA 电流时,电源电压范围限制为5.5V ~ 32.5V。在电源电压很宽范围内,电路输出电流的变动小于1mA（图2）。