一文詳解場效應(yīng)管電流源

FET電流源是一種有源電路，它使用場效應(yīng)晶體管為電路提供恒定量的電流。但是，為什么還要恒定電流呢？恒流源和吸電流（吸電流與電流源相反）是一種非常簡單的方法，只需使用單個(gè)FET和電阻即可形成具有恒定電流值的偏置電路或基準(zhǔn)電壓源，例如100uA、1mA或20mA。

FET電流源是一種有源電路，它使用場效應(yīng)晶體管為電路提供恒定量的電流。但是，為什么還要恒定電流呢？恒流源和吸電流（吸電流與電流源相反）是一種非常簡單的方法，只需使用單個(gè)FET和電阻即可形成具有恒定電流值的偏置電路或基準(zhǔn)電壓源，例如100uA、1mA或20mA。
恒流源通常用于電容器充電電路，以實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)目的或可充電電池充電應(yīng)用，以及線性LED電路，用于以恒定亮度驅(qū)動LED串。
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，那么您可以簡單地使用歐姆定律來找到壓降。
然而，創(chuàng)建基于FET的準(zhǔn)確可靠的恒流源的關(guān)鍵取決于使用低跨導(dǎo)FET以及精密電阻值將電流轉(zhuǎn)換為精確穩(wěn)定的電壓。
場效應(yīng)晶體管通常用于創(chuàng)建電流源，結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和金屬氧化物半導(dǎo)體MOSFET已經(jīng)在低電流源應(yīng)用中使用。在最簡單的形式中，JFET可用作電壓控制電阻，其中小柵極電壓控制其通道的導(dǎo)通。
偏置結(jié)FET
我們在關(guān)于JFET的教程中看到，JFET是耗盡器件，而N溝道JFET是“正常導(dǎo)通”器件，直到柵源電壓（VGS）變?yōu)樨?fù)數(shù)以將其“關(guān)閉”。P溝道JFET也是“常導(dǎo)通”耗盡器件，需要柵極電壓變?yōu)樽銐蛘詫⑵洹瓣P(guān)閉”。
N溝道JFET偏置

該圖顯示了在其有源區(qū)域中使用時(shí)具有正常偏置的通用源配置N溝道JFET的標(biāo)準(zhǔn)排列和連接。這里的柵源電壓V一般事務(wù)人員等于柵極電源，或輸入電壓VG設(shè)置柵極和源極之間的反向偏置，而VDD提供從電源到漏極到源極的漏源電壓和電流。進(jìn)入JFET漏極端子的電流標(biāo)記為ID.
漏源電壓VDS是JFET的正向壓降，是漏極電流的函數(shù)，ID對于不同的門源V值一般事務(wù)人員。當(dāng)VDS處于最小值時(shí)，JFET的導(dǎo)電通道完全打開，并且ID處于其最大值，稱為漏源飽和電流ID（周六）或者只是我DSS.
當(dāng)VDS處于最大值時(shí)，JFET的導(dǎo)電通道完全閉合，（夾斷）所以我D隨漏源電壓V降至零DS等于漏極電源電壓VDD.柵極電壓，V一般事務(wù)人員JFET的溝道停止導(dǎo)通時(shí)稱為柵極截止電壓V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）。
N溝道JFET的這種公共源極偏置布置決定了JFET在沒有任何輸入信號V時(shí)的穩(wěn)態(tài)操作在作為V一般事務(wù)人員和我D是穩(wěn)態(tài)量，即JFET的靜止?fàn)顟B(tài)。
因此，對于共源JFET，柵源電壓V一般事務(wù)人員控制有多少電流流過漏極和拉極之間的JFET導(dǎo)電通道，使JFET成為電壓控制器件，因?yàn)槠漭斎腚妷嚎刂破渫ǖ离娏鳌Ｒ虼?，我們可以通過繪制I來開發(fā)一組輸出特性曲線D與V一般事務(wù)人員對于任何給定的JFET器件。
N溝道JFET輸出特性

JFET作為恒流源
然后我們可以使用它，因?yàn)閚溝道JFET是一個(gè)正常開啟的設(shè)備，如果V一般事務(wù)人員足夠負(fù)，漏源導(dǎo)電通道閉合（截止），漏極電流降至零。對于n溝道JFET，漏極和源極之間導(dǎo)電溝道的閉合是由柵極周圍p型耗盡區(qū)域變寬引起的，直到其完全閉合溝道。N型耗盡區(qū)閉合p溝道JFET的通道。
因此，通過將柵源電壓設(shè)置為某個(gè)預(yù)定的固定負(fù)值，我們可以使JFET以零安培和I之間的特定值通過其通道傳導(dǎo)電流DSS分別使其成為理想的FET電流源?？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ID與V一般事務(wù)人員對于常數(shù)VDS.但我們也注意到，JFET的曲線不會隨著V的大幅變化而變化很大。DS，并且該參數(shù)在建立導(dǎo)電通道的固定工作點(diǎn)時(shí)非常有用。
最簡單的恒定FET電流源是JEFT的柵極端子短于其源極端子，如圖所示，JFET的導(dǎo)電通道是開放的，因此通過它的電流將接近其最大值IDSS由于JFET在其飽和電流區(qū)域工作。
然而，這種恒流配置的操作和性能相當(dāng)差，因?yàn)镴FET始終與IDSS當(dāng)前值完全取決于設(shè)備類型。
例如，2N36xx或2N43xxn溝道JFET系列只有幾毫安（mA），而較大的n溝道J1xx或PN4xxx系列可以是幾十毫安。另請注意，我DSS與制造商在其數(shù)據(jù)手冊上引用的相同部件號的器件之間會有很大差異，該零柵極電壓漏極電流的最小值和最大值，IDSS.
需要注意的另一點(diǎn)是，F(xiàn)ET基本上是一個(gè)壓控電阻，其導(dǎo)電通道具有與漏極和源極串聯(lián)的電阻值。該通道電阻稱為RDS.正如我們所看到的，當(dāng)V一般事務(wù)人員=0，最大漏源電流流動，因此JFET的溝道電阻，RDS必須處于最低限度，這是真的。
然而，溝道電阻并非完全為零，而是在FET的制造幾何形狀定義的某個(gè)低歐姆值下，可以高達(dá)50歐姆左右。當(dāng)FET導(dǎo)通時(shí)，該溝道電阻通常稱為RDS（ON）并且處于其最小電阻值，當(dāng)V一般事務(wù)人員=0。因此高RDS（ON）值導(dǎo)致低IDSS反之亦然。
因此，JFET可以偏置為在低于其飽和電流的任何電流值下作為FET電流源器件工作，IDSS當(dāng)V一般事務(wù)人員等于零伏。當(dāng)V一般事務(wù)人員處于其V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）截止電壓電平將有零漏極電流，（ID=0）因?yàn)橥ǖ狸P(guān)閉。因此通道漏電流，ID如圖所示，只要JFET器件在其有效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，就會始終流動。
JFET傳遞曲線

請注意，對于P溝道JFET，V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）截止電壓將為正電壓，但其飽和電流，IDSS當(dāng)V獲得一般事務(wù)人員等于零伏將與N溝道設(shè)備相同。另請注意，傳遞曲線是非線性的，因?yàn)槁O電流通過開路增加得更快，如V一般事務(wù)人員接近零伏。
JFET負(fù)電壓偏置

我們記得JFET是一種始終處于“導(dǎo)通”狀態(tài)的耗盡模式器件，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其“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)一步強(qiáng)制溝道電流，ID超越我DSS.
但是如果我們使用I的特征曲線D反對V一般事務(wù)人員，我們可以設(shè)置V一般事務(wù)人員到某個(gè)負(fù)電壓電平，比如-1V，-2V或-3V，也可以創(chuàng)建一個(gè)固定的JFET恒流源，我們需要在零和I之間達(dá)到任何電流水平DSS.
但對于更精確的恒流源并改進(jìn)了調(diào)節(jié)，最好將JFET偏置在其最大值I的10%至50%左右DSS價(jià)值。這也有助于我2*R功率通過阻性通道損耗，因此降低了加熱效應(yīng)。
因此，我們可以看到，通過偏置JFET的柵極端子，具有某個(gè)負(fù)電壓值，或者P溝道JFET的正電壓，我們可以建立其工作點(diǎn)，允許溝道導(dǎo)通并通過一定值的漏極電流，ID.對于不同的V值一般事務(wù)人員、JFET漏極電流ID可以用數(shù)學(xué)方式表示為：
JFET漏極電流公式

場效應(yīng)管恒流源示例No1
J107N溝道開關(guān)JFET的制造商數(shù)據(jù)表顯示，它具有IDSS當(dāng)V時(shí)為40mA一般事務(wù)人員=0，最大V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）值為-6.0伏。使用這些聲明值，計(jì)算JFET的漏極電流值，當(dāng)V一般事務(wù)人員=0，V一般事務(wù)人員=-2伏，當(dāng)V一般事務(wù)人員=-5伏。還顯示了J107的傳遞特性曲線。
1）當(dāng)V一般事務(wù)人員=0V
當(dāng)V一般事務(wù)人員=0V導(dǎo)電通道開路，最大漏極電流流過。
因此我D=IDSS=40毫安。
2）當(dāng)V一般事務(wù)人員=-2V

3）當(dāng)V一般事務(wù)人員=-5V

4）J107傳遞特性曲線

因此，我們可以看到，作為柵源電壓，V一般事務(wù)人員接近柵極-源極截止電壓，V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）漏極電流，ID減少。在這個(gè)簡單的例子中，我們計(jì)算了兩點(diǎn)的漏極電流，但使用額外的V值進(jìn)行計(jì)算一般事務(wù)人員在零點(diǎn)和截止點(diǎn)之間將為我們提供更準(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可以作為電壓控制的恒流源工作，對于N溝道器件，我們需要一個(gè)-V一般事務(wù)人員對于P溝道設(shè)備，我們需要+V一般事務(wù)人員。這里的問題是JFET需要兩個(gè)獨(dú)立的電壓電源，一個(gè)用于VDD另一個(gè)用于V一般事務(wù)人員。
但是，如果我們在源極和地之間放置一個(gè)電阻（0伏），我們可以達(dá)到必要的V一般事務(wù)人員JFET的自偏置布置，僅使用V作為恒流源工作DD電源電壓。考慮下面的電路。
JFET電流源

乍一看，您可能會認(rèn)為這種配置看起來非常類似于我們在場效應(yīng)管教程。
然而，這次的不同之處在于，雖然FET的柵極端子仍然直接接地（VG=0），由于源極電阻兩端的壓降，源端處于高于零電壓地的某個(gè)電壓電平，RS.
因此，當(dāng)溝道電流流過外部源電阻時(shí)，JFET的柵源電壓將小于（大于負(fù)大于）零（V一般事務(wù)人員《0）。
外部源電阻，RS提供反饋電壓，用于自偏置JFET的柵極端子，無論漏源電壓發(fā)生任何變化，也能保持漏極電流通過通道的恒定。因此，我們唯一需要的電壓源是電源電壓VDD以提供漏極電流和偏置。
因此，JFET使用源極電阻兩端的壓降（VRS）設(shè)置柵極偏置電壓V一般事務(wù)人員因此，正如我們上面看到的通道電流。因此，增加R的電阻值S將降低通道漏極電流ID，反之亦然。但是，如果我們想構(gòu)建一個(gè)JFET恒流源電路，那么對于這個(gè)外部源電阻器來說，什么是合適的值，RS.
特定N溝道JFET的制造商數(shù)據(jù)表將為我們提供V的值一般事務(wù)人員（關(guān)閉）和我DSS.知道這些值為兩個(gè)參數(shù)，我們可以將上述JFET方程轉(zhuǎn)置為漏極電流，ID查找V的值一般事務(wù)人員對于任何給定的漏極電流值，ID介于零和I之間DSS如圖所示。
JFET柵極至源極電壓公式

在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源電阻公式

場效應(yīng)管恒流源示例No2
從上方使用J107N溝道JFET器件，該器件具有IDSS當(dāng)V時(shí)為40mA一般事務(wù)人員=0，最大V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）值為-6.0伏。計(jì)算產(chǎn)生20mA恒定通道電流所需的外部源電阻值，并再次計(jì)算產(chǎn)生5mA恒定電流所需的外部源電阻值。
1）V一般事務(wù)人員對于我D=20mA
2）V一般事務(wù)人員對于我D=5mA

因此當(dāng)V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）和我DSS兩者都是已知的，我們可以使用上述公式來找到偏置特定漏極電流的柵極電壓所需的源電阻，在我們的簡單示例中，87mA時(shí)為5.20Ω，776mA時(shí)為5Ω。因此，增加一個(gè)外部源電阻可以調(diào)整電流源輸出。
如果我們用電位計(jì)代替固定值電阻，我們可以使JFET恒流源完全可調(diào)。例如，我們可以用一個(gè)1kΩ電位計(jì)或微調(diào)器代替上面示例中的兩個(gè)源極電阻。此外，除了完全可調(diào)外，該JFET恒流源電路的漏電流即使V發(fā)生變化也將保持恒定DS.
場效應(yīng)管恒流源示例No3
需要一個(gè)N溝道JFET來改變5mm圓形紅色LED負(fù)載的亮度，介于8mA和15mA之間。如果JFET恒流源電路由15V直流電源供電，則計(jì)算當(dāng)開關(guān)JFET具有最大V時(shí)，在最小亮度和最大亮度之間照亮LED所需的JFET源電阻一般事務(wù)人員（關(guān)閉）值為-4.0伏和IDSS當(dāng)V時(shí)為20mA一般事務(wù)人員=0。繪制電路圖。
1）V一般事務(wù)人員對于我D=8mA

2）V一般事務(wù)人員對于我D=15mA

然后，我們需要一個(gè)能夠在36Ω和184Ω之間改變其電阻的外部電位計(jì)。最接近的首選電位器值為200Ω。
可調(diào)JFET恒流源

使用電位計(jì)或微調(diào)器代替固定值源電阻，RS將允許我們改變或微調(diào)流過JFET導(dǎo)電通道的電流。
但是，為了確保通過FET器件的良好電流調(diào)節(jié)，從而獲得更穩(wěn)定的電流，最好將流過LED的最大通道電流（本例中為15mA）限制在JFET的10%至50%之間。DSS價(jià)值。
使用MOSFET創(chuàng)建恒定電流源可實(shí)現(xiàn)更大的通道電流和更好的電流調(diào)節(jié)，并且與僅作為常導(dǎo)斷模式器件提供的JFET不同，MOSFET在耗盡模式（常通）和增強(qiáng)模式（常關(guān)）器件中均可用，作為P溝道或N溝道類型，允許更大范圍的電流源選擇。
場效應(yīng)管恒流源摘要
我們在本教程中已經(jīng)看到有關(guān)FET恒流源的信息，由于其通道電阻特性，場效應(yīng)晶體管可用于向負(fù)載提供恒定電流，并在需要向連接的負(fù)載提供固定電流的電子電路中找到了許多應(yīng)用。
恒流電路可以使用耗盡模式FET構(gòu)建，也可以使用BJT（雙極結(jié)型晶體管）或這兩種器件的組合。請記住，JFET是電壓控制器件，而不是像雙極結(jié)型晶體管那樣的電流控制器件。
結(jié)場效應(yīng)晶體管（JFET）的主要特征之一是，由于它是一種驅(qū)蟲器件，其導(dǎo)電通道始終是開放的，因此需要柵源電壓V一般事務(wù)人員以將其“關(guān)閉”。
五世一般事務(wù)人員（關(guān)閉）N溝道JFET所需的電壓范圍從0伏（用于通道完全導(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)閉通道。因此，通過將JFET的柵極端子偏置在零和V之間的某個(gè)固定值一般事務(wù)人員（關(guān)閉），我們可以控制通道耗盡層的寬度，從而控制其電阻值，通過固定和恒定的電流量。對于P溝道JFET，其V一般事務(wù)人員（關(guān)閉）值范圍從全通道傳導(dǎo)的0伏到特定V的幾伏的正值DS價(jià)值。
給定JFET器件的恒定電流調(diào)節(jié)和容差與漏極電流量ID通過通道。通過特定設(shè)備的漏極電流越低，調(diào)節(jié)效果越好。JFET偏置在其最大值I的10%至50%之間DSS價(jià)值將改善設(shè)備的調(diào)節(jié)和性能。這是通過在源端子和柵極端子之間連接外部電阻來實(shí)現(xiàn)的。
如上所示，柵極-源極反饋電阻為JFET提供必要的自偏置，使其能夠在遠(yuǎn)低于其飽和電流I的任何電流水平下作為恒定電流源工作。DSS.此外部源電阻，RS可以使用電位計(jì)的固定電阻值或變量。