電路中的FET恒流源

FET 恒流源使用 JFET 和 MOSFET 來提供負(fù)載電流，盡管負(fù)載電阻或電源電壓發(fā)生變化，但仍保持恒定。

FET 恒流源是一種有源電路，它使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管向電路提供恒定量的電流。恒定電流源和電流吸收器（與電流源相反）是一種使用單個(gè) FET 和電阻器形成具有恒定電流值（例如 100 uA、1 mA 或 20 mA）的偏置電路或電壓基準(zhǔn)的簡(jiǎn)單方法.

恒流源通常用于電容器充電電路中以實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)目的或用于可充電電池充電應(yīng)用，以及用于以恒定亮度驅(qū)動(dòng) LED 串的線性 LED 電路。電阻電壓基準(zhǔn)也可以使用恒流源形成，因?yàn)槿绻离娮璧闹挡⑶伊鬟^它的電流是恒定且穩(wěn)定的，那么您可以簡(jiǎn)單地使用歐姆定律來找到電壓降。然而，創(chuàng)建準(zhǔn)確可靠的恒流源的關(guān)鍵在于使用低跨導(dǎo) FET 以及精密電阻值將電流轉(zhuǎn)換為精確穩(wěn)定的電壓。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常用于創(chuàng)建電流源，其中結(jié)型 FET (JFET) 和金屬氧化物半導(dǎo)體 MOSFET 已在低電流源應(yīng)用中使用。在最簡(jiǎn)單的形式中，JFET 可用作壓控電阻器，其中一個(gè)小柵極電壓控制其通道的導(dǎo)通。我們?cè)陉P(guān)于 JFET 的教程中看到，JFET 是耗盡型器件，而 N 溝道 JFET 是“常開”器件，直到柵源電壓 (VGS) 變?yōu)樨?fù)值足以將其“關(guān)閉”。P 溝道 JFET 也是一個(gè)常開耗盡器件，需要柵極電壓變得足夠正以將其“關(guān)閉”。

N 溝道 JFET 偏置

在其有源區(qū)使用時(shí)具有正常偏置的共源極配置 N 溝道 JFET 的標(biāo)準(zhǔn)排列和連接。這里，柵源電壓 V GS等于柵極電源或輸入電壓 V G，它設(shè)置了柵極和源極之間的反向偏置，而 V DD提供了來自電源的漏極到源極電壓和電流。排水到源頭。進(jìn)入 JFET 漏極端子的電流標(biāo)記為 I D。

漏源電壓 V DS是 JFET 的正向壓降，是漏電流 I D的函數(shù)，用于不同的柵源值 V GS。當(dāng) V DS處于其最小值時(shí)，JFET 的導(dǎo)電溝道完全打開并且 I D處于其最大值，這稱為漏源飽和電流 I D(sat)或簡(jiǎn)稱 I DSS。當(dāng) V DS處于其最大值時(shí)，JFET 的導(dǎo)電溝道完全關(guān)閉（夾斷），因此 I D隨著漏源電壓減小到零，V DS等于漏電源電壓 V DD。柵極電壓，VJFET的溝道停止導(dǎo)通的GS被稱為柵極截止電壓V GS(off)。

N 溝道 JFET 的這種共源極偏置布置決定了在沒有任何輸入信號(hào)時(shí) JFET 的穩(wěn)態(tài)操作，V IN因?yàn)?V GS和 I D是穩(wěn)態(tài)量，即 JFET 的靜止?fàn)顟B(tài)。

因此，對(duì)于共源極 JFET，柵極-源極電壓 V GS控制有多少電流將流過漏極和源極之間的 JFET 導(dǎo)電溝道，從而使 JFET 成為電壓控制器件，因?yàn)樗妮斎腚妷嚎刂破錅系离娏?。因此，我們可以通過繪制任何給定 JFET 器件的 I D與 V GS的關(guān)系來開發(fā)一組輸出特性曲線。

N溝道JFET輸出特性

JFET 作為恒流源

然后我們可以看到 N 溝道 JFET 是一個(gè)常開器件，如果 V GS足夠負(fù)，漏源導(dǎo)電溝道關(guān)閉（截止），漏電流減小到零。對(duì)于 N 溝道 JFET，漏極和源極之間導(dǎo)電溝道的關(guān)閉是由柵極周圍的 p 型耗盡區(qū)加寬直到完全關(guān)閉溝道引起的。N 型耗盡區(qū)關(guān)閉了 P 溝道 JFET 的溝道。

因此，通過將柵源電壓設(shè)置為某個(gè)預(yù)先確定的固定負(fù)值，我們可以使 JFET 分別以零安培和 I DSS之間的某個(gè)值通過其溝道傳導(dǎo)電流?？紤]下面的電路。

JFET 零電壓偏置

我們看到，JFET 的輸出特性曲線是 I D與 V GS的曲線，對(duì)于恒定的 V DS。但我們也注意到，JFET 的曲線不會(huì)隨著 V DS的較大變化而發(fā)生很大變化，這個(gè)參數(shù)對(duì)于建立導(dǎo)電通道的固定工作點(diǎn)非常有用。

最簡(jiǎn)單的恒流源是將 JEFT 的柵極端子短接到其源極端子，JFET 的導(dǎo)電通道是開路的，因此流過它的電流將接近其最大 I DSS值，因?yàn)?JFET 工作在其飽和狀態(tài)當(dāng)前區(qū)域。然而，這種恒流配置的操作和性能相當(dāng)差，因?yàn)?JFET 始終處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，而 I DSS電流值完全取決于器件類型。

例如，2N36xx 或 2N43xx N 溝道 JFET 系列只有幾毫安 (mA)，而較大的 N 溝道 J2xx 或 PN4xxx 系列可能是幾十毫安。另請(qǐng)注意，I DSS在與制造商在其數(shù)據(jù)表中引用的相同部件號(hào)的器件之間會(huì)有很大差異，即零柵極電壓漏極電流 I DSS的最小值和最大值。

另一點(diǎn)需要注意的是，F(xiàn)ET 基本上是一個(gè)壓控電阻器，其導(dǎo)電通道具有與漏極和源極端子串聯(lián)的電阻值。該通道電阻稱為 R DS。正如我們所見，當(dāng) V GS = 0 時(shí)，最大漏源電流流動(dòng)，因此 JFET 的溝道電阻 R DS必須處于最小值，這是正確的。

然而，溝道電阻并非完全為零，而是處于由 FET 的制造幾何形狀定義的某個(gè)低歐姆值，該值可高達(dá) 50 Ω。當(dāng) FET 導(dǎo)通時(shí)，該通道電阻通常稱為 R DS(ON) ，并且在 V GS = 0時(shí)處于其最小電阻值。因此，高 R DS(ON)值會(huì)導(dǎo)致低 I DSS，反之亦然。

因此，當(dāng) V GS等于 0 V 時(shí)，可以將 JFET 偏置為在低于其飽和電流 I DSS的任何電流值下作為恒流源器件工作。當(dāng) V GS處于其 V GS(off)截止電壓電平時(shí)，將為零當(dāng)通道關(guān)閉時(shí)，漏極電流 ( ID = 0)。因此，只要 JFET 器件如圖所示在其有源區(qū)域內(nèi)工作，溝道漏極電流 I D就會(huì)一直流動(dòng)。

JFET 傳輸曲線

請(qǐng)注意，對(duì)于 P 溝道 JFET，V GS(off)截止電壓將為正電壓，但其飽和電流 I DSS當(dāng) V GS等于 0 V 時(shí)與 N 溝道器件相同。另請(qǐng)注意，傳輸曲線是非線性的，因?yàn)楫?dāng) V GS接近 0 V時(shí)，漏極電流通過開口溝道增加得更快。

JFET 負(fù)電壓偏置

我們記得 JFET 是一種始終“開啟”的耗盡型器件，因此 N 溝道 JFET 需要負(fù)柵極電壓，P 溝道 JFET 需要正柵極電壓才能將它們“關(guān)閉”。用正電壓偏置 N 溝道 JFET，或用負(fù)電壓偏置 P 溝道 JFET 將打開導(dǎo)電溝道，甚至進(jìn)一步迫使溝道電流 I D超過 I DSS。

但是，如果我們使用 I D對(duì) V GS的特性曲線，我們可以將 V GS設(shè)置為某個(gè)負(fù)電壓電平——例如，–1 V、–2 V 或 –3 V——以創(chuàng)建一個(gè)固定的 JFET 恒流源我們要求的電流水平在零和 I DSS之間。但是對(duì)于具有改進(jìn)調(diào)節(jié)的更精確的恒流源，最好將 JFET 偏置在其最大 I DSS值的 10% 到 50% 左右。這也有助于通過電阻通道降低 I 2 *R 功率損失，從而降低熱效應(yīng)。

所以我們可以看到，通過將 JFET 的柵極端子偏置為某個(gè)負(fù)電壓值，或者為 P 溝道 JFET 提供正電壓，我們可以建立其工作點(diǎn)，允許通道導(dǎo)通并通過某個(gè)值的漏極電流 I D . 對(duì)于不同的 V GS值，JFET 漏極電流 I D在數(shù)學(xué)上可以表示為：

JFET 漏極電流方程

FET恒流源示例1

J109 N 溝道開關(guān) JFET 的制造商數(shù)據(jù)表顯示，當(dāng) V GS = 0時(shí)，它的 I DSS為 40 mA ，最大 V GS(off)值為 –6.0 V。使用這些聲明的值，計(jì)算 JFET 的漏極V GS = 0、V GS = –2 V 和 V GS = –5 V時(shí)的電流值。同時(shí)顯示 J109 的傳輸特性曲線。

1）。當(dāng) V GS = 0 V

當(dāng) V GS = 0 V 時(shí)，導(dǎo)電通道打開并且最大漏極電流流動(dòng)。

因此 I D = I DSS = 40 mA。

2）。當(dāng) V GS = –2 V

3）。當(dāng) V GS = –5 V

4）。J109 傳遞特性曲線

因此我們可以看到，隨著柵極-源極電壓，V GS接近柵極-源極截止電壓，V GS(off)漏極電流，I D減小。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，我們計(jì)算了兩個(gè)點(diǎn)的漏極電流，但是使用零和截止之間的 V GS的附加值進(jìn)行計(jì)算可以得到更準(zhǔn)確的曲線形狀。

JFET 電流源

當(dāng) JFET 的柵源結(jié)反向偏置時(shí)，JFET 可以用作電壓控制的恒流源，對(duì)于 N 溝道器件，我們需要 -V GS，對(duì)于 P 溝道器件，我們需要 +V GS . 這里的問題是 JFET 需要兩個(gè)獨(dú)立的電壓源，一個(gè)用于 V DD，另一個(gè)用于 V GS。然而，如果我們?cè)谠礃O和地 (0 V) 之間放置一個(gè)電阻器，我們可以實(shí)現(xiàn)必要的 V GS自偏置安排，以便 JFET 僅使用 V DD電源電壓作為恒流源運(yùn)行?？紤]下面的電路。

JFET 電流源

乍一看，您可能會(huì)認(rèn)為這種配置與我們?cè)?/span>JFET 教程中看到的 JFET 共漏極（源極跟隨器）電路非常相似。然而，這次的不同之處在于，雖然 FET 的柵極端子仍直接接地 (V G = 0)，但由于源極電阻 R S兩端的電壓降，源極端子的電壓電平高于零電壓接地。因此，當(dāng)通道電流流過外部源極電阻時(shí)，JFET 的柵源電壓將小于（更負(fù)于）零（V GS < 0）。

外部源極電阻 R S提供反饋電壓，用于自偏置 JFET 的柵極端子，即使漏源電壓發(fā)生任何變化，也能保持通過溝道的漏極電流恒定。因此，我們需要的唯一電壓源是電源電壓 V DD以提供漏極電流和偏置。

因此，JFET 使用源電阻器 (V RS ) 上的電壓降來設(shè)置柵極偏置電壓 V GS，從而設(shè)置我們上面看到的溝道電流。因此，增加 R S的電阻值將減少通道漏極電流 I D，反之亦然。但是，如果我們想構(gòu)建一個(gè) JFET 恒流源電路，那么這個(gè)外部源電阻 R S的合適值是多少。

特定 N 溝道 JFET 的制造商數(shù)據(jù)表將為我們提供 V GS(off)和 I DSS的值。知道這兩個(gè)參數(shù)的值后，我們可以將上述 JFET 方程轉(zhuǎn)置為漏極電流 I D以找到 V GS的值對(duì)于任何給定的漏極電流 I D值在零和 I DSS之間，如圖所示。

JFET 柵源電壓方程

找到給定漏極電流所需的柵源電壓后，只需使用歐姆定律即可找到所需的源極偏置電阻值，即 R = V/I。因此：

JFET源極電阻方程

FET恒流源示例2

使用上面的 J109 N 溝道 JFET 器件，當(dāng) V GS = 0 時(shí)，I DSS為 40 mA ，最大 V GS(off)值為 –6.0 V。計(jì)算產(chǎn)生20 mA 的恒定通道電流和 5 mA 的恒定電流。

1）。V GS for I D = 20 mA

2）。V GS for I D = 5 mA

因此，當(dāng) V GS(off)和 I DSS都已知時(shí)，我們可以使用上述等式找到為特定漏極電流偏置柵極電壓所需的源極電阻，在我們的簡(jiǎn)單示例中，在 20 mA 時(shí)為 87.5 Ω，在 5 mA 時(shí)為 776 Ω。因此，添加一個(gè)外部源電阻器可以調(diào)整電流源輸出。

如果我們用電位器代替定值電阻，我們可以使 JFET 恒流源完全可調(diào)。例如，我們可以用一個(gè) 1-kΩ 電位器或微調(diào)器代替上例中的兩個(gè)源電阻。該 JFET 恒流源電路除了完全可調(diào)之外，即使 V DS發(fā)生變化，漏極電流也將保持恒定。

FET恒流源示例3

N 溝道 JFET 需要在 8 mA 和 15 mA 之間改變 5 毫米圓形紅色 LED 負(fù)載的亮度。如果 JFET 恒流源電路由 12V 直流電源供電，則當(dāng)開關(guān) JFET 的最大 V GS(off)值為 –4.0 V 時(shí)，計(jì)算在最小和最大亮度之間點(diǎn)亮 LED 所需的 JFET 源電阻和當(dāng) V GS = 0 時(shí)，I DSS為 20 mA 。畫出電路圖。

1）。I D = 8 mA時(shí)的V GS

2）。V GS for I D = 15 mA

然后我們需要一個(gè)能夠在 67 Ω 和 184 Ω 之間改變其電阻的外部電位器。最接近的首選電位器值為 200 Ω。

可調(diào)JFET恒流源

用于源電阻的電位器或微調(diào)器 R S允許我們改變或微調(diào)流過 JFET 導(dǎo)電通道的電流。然而，為了確保通過 FET 器件的良好電流調(diào)節(jié)并因此獲得穩(wěn)定的電流，最好將流過 LED 的最大通道電流（本例中為 15 mA）限制在 JFET I DSS值的 10% 到 50% 之間.

使用 MOSFET 創(chuàng)建恒流源可以實(shí)現(xiàn)更大的通道電流和更好的電流調(diào)節(jié)，并且與僅在耗盡模式器件上正常使用的 JFET 不同，MOSFET 在耗盡模式（通常開啟）和增強(qiáng)模式下都可用（通常關(guān)閉）器件作為 P 通道或 N 通道類型，允許更大范圍的電流源選項(xiàng)。

場(chǎng)效應(yīng)管恒流源總結(jié)

我們?cè)诒窘坛讨锌吹接嘘P(guān) FET 恒流源的信息，由于其溝道電阻特性，場(chǎng)效應(yīng)晶體管可用于為負(fù)載提供恒定電流，并在需要提供固定電流的電子電路中找到許多應(yīng)用連接到負(fù)載。恒流電路可以使用耗盡型 FET 構(gòu)建，也可以使用雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 或這兩種器件的組合。請(qǐng)記住，JFET 是一種電壓控制器件，而不是像雙極結(jié)型晶體管那樣的電流控制器件。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (JFET) 的主要特性之一是，由于它是耗盡型器件，其導(dǎo)電通道始終處于打開狀態(tài)，因此需要一個(gè)柵源電壓 V GS才能將其“關(guān)閉”。N 溝道 JFET 所需的 V GS(off)電壓范圍從 0 V（用于溝道完全導(dǎo)通）到某個(gè)負(fù)值（通常為幾伏）以完全關(guān)閉 JFET，從而關(guān)閉溝道。因此，將柵極端子偏置在零和 V GS(off)之間的某個(gè)固定值，我們可以控制通道耗盡層的寬度，從而控制其電阻值，通過固定和恒定量的電流。對(duì)于 P 溝道 JFET，其 V GS(off)值范圍從 0 V 全通道導(dǎo)通到特定 V DS值的幾伏正值。

給定 JFET 器件的恒定電流的調(diào)節(jié)和容差與通過溝道的漏極電流 I D的量有關(guān)。通過特定器件的漏極電流越低，調(diào)節(jié)越好。將 JFET 偏置在其最大 I DSS值的大約 10% 到 50% 之間，將改善器件的調(diào)節(jié)和性能。這是通過在源極和柵極端子之間連接一個(gè)外部電阻來實(shí)現(xiàn)的。

如上所示的柵源反饋電阻為 JFET 提供必要的自偏置，使其能夠在遠(yuǎn)低于其飽和電流 I DSS的任何電流水平下作為恒流源運(yùn)行。這個(gè)外部源電阻 R S可以是固定電阻值或使用電位計(jì)可變。

審核編輯：湯梓紅