用场效应晶体管提高电流源性能

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200 μA 至 5 mA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）。