JFET级联实现恒定精确电流源的方法

JFET级联实现恒定精确电流源的方法,第1张

  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。

JFET级联实现恒定精确电流源的方法,第2张

  级联的JFET可降低电源电压波动对电流源精度的影响

  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: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是关断电压。

  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VREF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VIN、VREF和VGS(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 (VREF/R1)与IC1内部“家务管理”电流IGND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: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)。

  JFET级联实现恒定精确电流源的方法,在电源电压很宽范围内,第3张

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