恒定与精准：通过JFET共源共栅技术提升电流源性能

许多过程控制传感器，例如热敏电阻和应变计电桥，都需要的偏置电流。通过添加单个电流设置电阻器 R 1，您可以配置电压参考电路 IC 1 以产生恒定且的电流源（图 1 ）。然而，信号源的误差取决于 R 1 和 IC 1的精度 ，并影响测量精度和分辨率。尽管您可以指定精度超过常用电压基准 IC 精度的高精度电阻，但基准电压源的误差决定了该电流源的精度。尽管制造商限度地降低了电压基准的温度敏感性和输出电压误差，但对电源变化的敏感性可能会影响其精度，特别是在必须在较宽电源电压范围内运行的过程控制应用中。

图 1 一对共源共栅连接的 JFET 可降低电源电压波动对电流源精度的影响。

一对共源共栅连接的 JFET Q 1 和 Q 2形成恒流源，限度地降低参考电路对电源电压波动的敏感度，并将 IC 1的工作电压扩展至超过其 5.5V 额定值。此外，Q 1 和Q 2 有效地将电流源的等效电阻从几兆欧增加到几乎千兆欧范围。在电路的诺顿模型中，等效电阻代表理想电流源上的并联电阻。

当栅源偏置电压为 0V 时，N 沟道 JFET 在饱和漏极电流下作为耗尽型器件运行。与需要栅极偏置电压才能导通的耗尽型 MOSFET 不同，JFET 在默认导通状态下工作，需要栅极偏置电压来切断导通。当其栅源电压相对于源极变得更负时，JFET 的漏极电流在夹断电压处变为零。 JFET 的漏极电流大致随其栅极偏压变化： I D ≈I DSS ×(1+V GS /V P ) 2，其中 I D 为漏极电流，I DSS 为饱和漏极电流，V GS 为栅极至栅极电压。 -源电压，V P 是夹断电压。

假设IC 1的输出电压V REF保持恒定在1.8V。由于输出电压驱动Q 2的栅极，因此IC 1的输入电压V IN等于V REF –V GS(Q2)，即1.8V–(–1.2V)=3V。因此，Q 2的栅源电压保持在其1.2V的标称夹断电压，并且随着电流源的微小变化而同步变化。当电源电压从 3V 变化到 30V 以上时，输入电压几乎保持恒定，正如您所期望的，因为 V REF 也保持恒定。共源共栅 FET 配置使电流源的诺顿等效电阻超过了电压基准和单独的 R 1 的电阻 。您可以使用单个 JFET，但堆叠两个 JFET 可以进一步增强电路的有效阻抗。请注意，IC 1 不会降低精度，因为 JFET 使 IC 1的输入电压几乎保持恒定，并且 IC 1 有效地消除了初始栅源电压变化以及 Q 1 和 Q 2 引入的温度影响。

由V IN、V REF和V GS(Q2)组成的基尔霍夫电压环路中的负反馈允许漏极电流达到满足Q 2传输方程的 平衡偏置点。 Q 2的漏极电流由 (V REF /R 1 ) 加上 IC 1的内部“内务”电流 I GND之和组成，保持恒定。添加 Q 1可以将 Q 2输出阻抗 的影响降低到微不足道的程度。调整 R 1的值 可在 200 ?A 至 5 mA 的有用范围内改变电路的输出电流，其中 Q 2的饱和漏极电流规格规定了上限。如果您选择具有较高饱和漏极电流的 JFET，请确保不超过 Q 1的功耗。

请注意，电路的电源电压下限必须超过电路的顺从电压 3V 加上传感器引入的压降：I SOURCE ×R 2。电路的电源电压上限不得超过I SOURCE ×R 2 +30V。例如，向 1kΩ 压力传感器桥 R 2提供 2.5mA 的电流，将电源电压范围限制为 5.5 至 32.5V。该电路的输出电流在很宽的电源电压范围内变化小于 1 A（图 2 ）。

图 2 将 R 1设置 为 1 kΩ、750Ω 和 510Ω 的值可提供大约 1.8、2.5 和 3.6 mA 的输出电流，这些电流对宽范围的电源电压不敏感。