耗尽型JFET在模拟设计中的应用分析

目前市场上有6种不同类型的场效应管（FET），在两类主要的FET中，增强型FET比耗尽型FET的应用要广泛得多。但耗尽型FET尤其是JFET在模拟设计中仍占一席之地。

图1：增强型N沟道MOSFET。

如图1所示，增强型MOSFET用作“常闭”压控电子阀门。在没有栅极偏置电压时，没有电流流动。当有电压施加于MOSFET的栅极时，在P基板中形成诱发的沟道，电流开始流动，如图1的特征曲线所示。

图2：耗尽型N沟道JFET。

图1所示的增强型MOSFET和图2所示的耗尽型JFET之间的主要区别是，增强型MOSFET需要能量才能提供电源，而耗尽型器件要求用能量去“停止”供电。由于JFET具有“自我实现”（self-actualization）的特性，对于电路初始启动期间能量不足的应用，JFET特别适合。在这些应用中，由于输入电压过小，因而无法提供足够的偏置电压使增强型器件工作。

这种器件的一个例子是工作于极低电压轨的电源电路，比如采用单节电池供电的电路。很多情况下，电源需要从极低的电压轨产生较高的电压，但不必提供很大的电流。这类电源可以用来产生“唤醒”电压轨，以便在启动时唤醒其它电路；当电路需要更高的电压而电压轨不能满足、而且只需低到中等电流时，可以使用这类电源给电路供电。

如图3所示，这样的电源有两个主要元素：一个是从很低电压轨苏醒过来的方法，但不能激活大多数增强型（常闭）器件，一个是能够产生高于输入电压的电压。

图3：JFET低输入电压反激电源。

第一个条件可以通过使用JFET来满足。如前所述，当没有施加控制电压时，JFET将导通，允许电流在初始低电压状态下流动。在时间t=0时，电流开始在成对的JFET Q7和Q8之间流动，进而在反激变压器T1的次级绕组中感应到电压。当在T1次级的反相端产生足够的负电压并达到Q7和Q8 JFET的“关断”电压时，这两个JFET将关断。这将导致初级电流缓慢地停止流动，次级电压逐渐下降到JFET Q7和Q8的栅极电压开始再次接近0V的点。在这个点它们将再次导通，整个振荡过程得以继续。这个过程如图4和图5所示。

U2会不断监视电压的上升。U2是一个比较器，用于监视输出电压，驱动Q9导通来关闭振荡，并将电压拉到由LTC1440比较器芯片的内部基准电压设定的规定参考值。参见图4和图5，它们来自实际的JFET评估板。图4显示的是次级线圈反相侧的振荡和控制信号，图5显示的是初级线圈的同相侧。在开关周期的启动过程中，输出电压不断爬升，而在开关周期的关闭过程中，振荡停止，电压下降。

图4：输出电压测试点TP9。

图5：输出电压测试点12。

控制方法

D7通过一对低前向压降的肖特基二极管对振荡器输出进行整流，C6和/或C5为输出提供保持电容。值得注意的是Q6的功能。MOSFET提供输出上升期间与负载的隔离。只有当振荡达到足够的且可持续的输出时，才允许电流流向负载。

这种控制方法是一种简单的“继电器式”控制方法。振荡不断增加，直到输出分压器上的电压达到LTC1440比较器的内部电压基准。当达到或超过阈值时，振荡被关闭，直到输出电压降低到控制基准以下。开-关振荡周期取决于输入供电电压值（可能低于1V）和输出负载。为了演示，将一个50kΩ的电位器串联一个3kΩ的电阻用作测试负载。所有示波器图形都是在负载为3kΩ、输入供电电压为1V时捕获的；然而经过验证，在轻负载时，电路将在不到0.5V和供电电压轨处工作。

虽然前面所述的简单JFET电源具有在极低输入源条件下工作的优势，但它却存在静态电流消耗相对较高的问题。在（这种电路特别有用的）电池供电应用中，这不是一个好的特性。在次级线圈低侧增加一个额外的FET开关（该开关由控制比较器驱动的高阻抗触发器触发），可以消除在电源周期关闭阶段的低阻抗路径，极大地减小供电电路的静态电流。这样就能取得更高的效率，代价只是稍微增加了复杂性。

图6：低静态电流JFET升压转换器。

图7：位于测试点TP7的Vout脉冲控制信号。

在性能方面，除静态电流消耗外，这个低静态电流转换器类似于更简单的转换器。如图7所示，当JFET振荡器运行时，输出电压上升，直到比较器控制电路关闭振荡器，同时电压也一直下降到下个周期，就像前面介绍的简单转换器一样。

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