电路中的FET恒流源

FET 恒流源使用 JFET 和 MOSFET 来提供负载电流，尽管负载电阻或电源电压发生变化，但仍保持恒定。

FET 恒流源是一种有源电路，它使用场效应晶体管向电路提供恒定量的电流。恒定电流源和电流吸收器（与电流源相反）是一种使用单个 FET 和电阻器形成具有恒定电流值（例如 100 uA、1 mA 或 20 mA）的偏置电路或电压基准的简单方法.

恒流源通常用于电容器充电电路中以实现精确计时目的或用于可充电电池充电应用，以及用于以恒定亮度驱动 LED 串的线性 LED 电路。电阻电压基准也可以使用恒流源形成，因为如果您知道电阻的值并且流过它的电流是恒定且稳定的，那么您可以简单地使用欧姆定律来找到电压降。然而，创建准确可靠的恒流源的关键在于使用低跨导 FET 以及精密电阻值将电流转换为精确稳定的电压。

场效应晶体管通常用于创建电流源，其中结型 FET (JFET) 和金属氧化物半导体 MOSFET 已在低电流源应用中使用。在最简单的形式中，JFET 可用作压控电阻器，其中一个小栅极电压控制其通道的导通。我们在关于 JFET 的教程中看到，JFET 是耗尽型器件，而 N 沟道 JFET 是“常开”器件，直到栅源电压 (VGS) 变为负值足以将其“关闭”。P 沟道 JFET 也是一个常开耗尽器件，需要栅极电压变得足够正以将其“关闭”。

N 沟道 JFET 偏置

在其有源区使用时具有正常偏置的共源极配置 N 沟道 JFET 的标准排列和连接。这里，栅源电压 V GS等于栅极电源或输入电压 V G，它设置了栅极和源极之间的反向偏置，而 V DD提供了来自电源的漏极到源极电压和电流。排水到源头。进入 JFET 漏极端子的电流标记为 I D。

漏源电压 V DS是 JFET 的正向压降，是漏电流 I D的函数，用于不同的栅源值 V GS。当 V DS处于其最小值时，JFET 的导电沟道完全打开并且 I D处于其最大值，这称为漏源饱和电流 I D(sat)或简称 I DSS。当 V DS处于其最大值时，JFET 的导电沟道完全关闭（夹断），因此 I D随着漏源电压减小到零，V DS等于漏电源电压 V DD。栅极电压，VJFET的沟道停止导通的GS被称为栅极截止电压V GS(off)。

N 沟道 JFET 的这种共源极偏置布置决定了在没有任何输入信号时 JFET 的稳态操作，V IN因为 V GS和 I D是稳态量，即 JFET 的静止状态。

因此，对于共源极 JFET，栅极-源极电压 V GS控制有多少电流将流过漏极和源极之间的 JFET 导电沟道，从而使 JFET 成为电压控制器件，因为它的输入电压控制其沟道电流。因此，我们可以通过绘制任何给定 JFET 器件的 I D与 V GS的关系来开发一组输出特性曲线。

N沟道JFET输出特性

JFET 作为恒流源

然后我们可以看到 N 沟道 JFET 是一个常开器件，如果 V GS足够负，漏源导电沟道关闭（截止），漏电流减小到零。对于 N 沟道 JFET，漏极和源极之间导电沟道的关闭是由栅极周围的 p 型耗尽区加宽直到完全关闭沟道引起的。N 型耗尽区关闭了 P 沟道 JFET 的沟道。

因此，通过将栅源电压设置为某个预先确定的固定负值，我们可以使 JFET 分别以零安培和 I DSS之间的某个值通过其沟道传导电流。考虑下面的电路。

JFET 零电压偏置

我们看到，JFET 的输出特性曲线是 I D与 V GS的曲线，对于恒定的 V DS。但我们也注意到，JFET 的曲线不会随着 V DS的较大变化而发生很大变化，这个参数对于建立导电通道的固定工作点非常有用。

最简单的恒流源是将 JEFT 的栅极端子短接到其源极端子，JFET 的导电通道是开路的，因此流过它的电流将接近其最大 I DSS值，因为 JFET 工作在其饱和状态当前区域。然而，这种恒流配置的操作和性能相当差，因为 JFET 始终处于完全导通状态，而 I DSS电流值完全取决于器件类型。

例如，2N36xx 或 2N43xx N 沟道 JFET 系列只有几毫安 (mA)，而较大的 N 沟道 J2xx 或 PN4xxx 系列可能是几十毫安。另请注意，I DSS在与制造商在其数据表中引用的相同部件号的器件之间会有很大差异，即零栅极电压漏极电流 I DSS的最小值和最大值。

另一点需要注意的是，FET 基本上是一个压控电阻器，其导电通道具有与漏极和源极端子串联的电阻值。该通道电阻称为 R DS。正如我们所见，当 V GS = 0 时，最大漏源电流流动，因此 JFET 的沟道电阻 R DS必须处于最小值，这是正确的。

然而，沟道电阻并非完全为零，而是处于由 FET 的制造几何形状定义的某个低欧姆值，该值可高达 50 Ω。当 FET 导通时，该通道电阻通常称为 R DS(ON) ，并且在 V GS = 0时处于其最小电阻值。因此，高 R DS(ON)值会导致低 I DSS，反之亦然。

因此，当 V GS等于 0 V 时，可以将 JFET 偏置为在低于其饱和电流 I DSS的任何电流值下作为恒流源器件工作。当 V GS处于其 V GS(off)截止电压电平时，将为零当通道关闭时，漏极电流 ( ID = 0)。因此，只要 JFET 器件如图所示在其有源区域内工作，沟道漏极电流 I D就会一直流动。

JFET 传输曲线

请注意，对于 P 沟道 JFET，V GS(off)截止电压将为正电压，但其饱和电流 I DSS当 V GS等于 0 V 时与 N 沟道器件相同。另请注意，传输曲线是非线性的，因为当 V GS接近 0 V时，漏极电流通过开口沟道增加得更快。

JFET 负电压偏置

我们记得 JFET 是一种始终“开启”的耗尽型器件，因此 N 沟道 JFET 需要负栅极电压，P 沟道 JFET 需要正栅极电压才能将它们“关闭”。用正电压偏置 N 沟道 JFET，或用负电压偏置 P 沟道 JFET 将打开导电沟道，甚至进一步迫使沟道电流 I D超过 I DSS。

但是，如果我们使用 I D对 V GS的特性曲线，我们可以将 V GS设置为某个负电压电平——例如，–1 V、–2 V 或 –3 V——以创建一个固定的 JFET 恒流源我们要求的电流水平在零和 I DSS之间。但是对于具有改进调节的更精确的恒流源，最好将 JFET 偏置在其最大 I DSS值的 10% 到 50% 左右。这也有助于通过电阻通道降低 I 2 *R 功率损失，从而降低热效应。

所以我们可以看到，通过将 JFET 的栅极端子偏置为某个负电压值，或者为 P 沟道 JFET 提供正电压，我们可以建立其工作点，允许通道导通并通过某个值的漏极电流 I D . 对于不同的 V GS值，JFET 漏极电流 I D在数学上可以表示为：

JFET 漏极电流方程

FET恒流源示例1

J109 N 沟道开关 JFET 的制造商数据表显示，当 V GS = 0时，它的 I DSS为 40 mA ，最大 V GS(off)值为 –6.0 V。使用这些声明的值，计算 JFET 的漏极V GS = 0、V GS = –2 V 和 V GS = –5 V时的电流值。同时显示 J109 的传输特性曲线。

1）。当 V GS = 0 V

当 V GS = 0 V 时，导电通道打开并且最大漏极电流流动。

因此 I D = I DSS = 40 mA。

2）。当 V GS = –2 V

3）。当 V GS = –5 V

4）。J109 传递特性曲线

因此我们可以看到，随着栅极-源极电压，V GS接近栅极-源极截止电压，V GS(off)漏极电流，I D减小。在这个简单的例子中，我们计算了两个点的漏极电流，但是使用零和截止之间的 V GS的附加值进行计算可以得到更准确的曲线形状。

JFET 电流源

当 JFET 的栅源结反向偏置时，JFET 可以用作电压控制的恒流源，对于 N 沟道器件，我们需要 -V GS，对于 P 沟道器件，我们需要 +V GS . 这里的问题是 JFET 需要两个独立的电压源，一个用于 V DD，另一个用于 V GS。然而，如果我们在源极和地 (0 V) 之间放置一个电阻器，我们可以实现必要的 V GS自偏置安排，以便 JFET 仅使用 V DD电源电压作为恒流源运行。考虑下面的电路。

JFET 电流源

乍一看，您可能会认为这种配置与我们在JFET 教程中看到的 JFET 共漏极（源极跟随器）电路非常相似。然而，这次的不同之处在于，虽然 FET 的栅极端子仍直接接地 (V G = 0)，但由于源极电阻 R S两端的电压降，源极端子的电压电平高于零电压接地。因此，当通道电流流过外部源极电阻时，JFET 的栅源电压将小于（更负于）零（V GS < 0）。

外部源极电阻 R S提供反馈电压，用于自偏置 JFET 的栅极端子，即使漏源电压发生任何变化，也能保持通过沟道的漏极电流恒定。因此，我们需要的唯一电压源是电源电压 V DD以提供漏极电流和偏置。

因此，JFET 使用源电阻器 (V RS ) 上的电压降来设置栅极偏置电压 V GS，从而设置我们上面看到的沟道电流。因此，增加 R S的电阻值将减少通道漏极电流 I D，反之亦然。但是，如果我们想构建一个 JFET 恒流源电路，那么这个外部源电阻 R S的合适值是多少。

特定 N 沟道 JFET 的制造商数据表将为我们提供 V GS(off)和 I DSS的值。知道这两个参数的值后，我们可以将上述 JFET 方程转置为漏极电流 I D以找到 V GS的值对于任何给定的漏极电流 I D值在零和 I DSS之间，如图所示。

JFET 栅源电压方程

找到给定漏极电流所需的栅源电压后，只需使用欧姆定律即可找到所需的源极偏置电阻值，即 R = V/I。因此：

JFET源极电阻方程

FET恒流源示例2

使用上面的 J109 N 沟道 JFET 器件，当 V GS = 0 时，I DSS为 40 mA ，最大 V GS(off)值为 –6.0 V。计算产生20 mA 的恒定通道电流和 5 mA 的恒定电流。

1）。V GS for I D = 20 mA

2）。V GS for I D = 5 mA

因此，当 V GS(off)和 I DSS都已知时，我们可以使用上述等式找到为特定漏极电流偏置栅极电压所需的源极电阻，在我们的简单示例中，在 20 mA 时为 87.5 Ω，在 5 mA 时为 776 Ω。因此，添加一个外部源电阻器可以调整电流源输出。

如果我们用电位器代替定值电阻，我们可以使 JFET 恒流源完全可调。例如，我们可以用一个 1-kΩ 电位器或微调器代替上例中的两个源电阻。该 JFET 恒流源电路除了完全可调之外，即使 V DS发生变化，漏极电流也将保持恒定。

FET恒流源示例3

N 沟道 JFET 需要在 8 mA 和 15 mA 之间改变 5 毫米圆形红色 LED 负载的亮度。如果 JFET 恒流源电路由 12V 直流电源供电，则当开关 JFET 的最大 V GS(off)值为 –4.0 V 时，计算在最小和最大亮度之间点亮 LED 所需的 JFET 源电阻和当 V GS = 0 时，I DSS为 20 mA 。画出电路图。

1）。I D = 8 mA时的V GS

2）。V GS for I D = 15 mA

然后我们需要一个能够在 67 Ω 和 184 Ω 之间改变其电阻的外部电位器。最接近的首选电位器值为 200 Ω。

可调JFET恒流源

用于源电阻的电位器或微调器 R S允许我们改变或微调流过 JFET 导电通道的电流。然而，为了确保通过 FET 器件的良好电流调节并因此获得稳定的电流，最好将流过 LED 的最大通道电流（本例中为 15 mA）限制在 JFET I DSS值的 10% 到 50% 之间.

使用 MOSFET 创建恒流源可以实现更大的通道电流和更好的电流调节，并且与仅在耗尽模式器件上正常使用的 JFET 不同，MOSFET 在耗尽模式（通常开启）和增强模式下都可用（通常关闭）器件作为 P 通道或 N 通道类型，允许更大范围的电流源选项。

场效应管恒流源总结

我们在本教程中看到有关 FET 恒流源的信息，由于其沟道电阻特性，场效应晶体管可用于为负载提供恒定电流，并在需要提供固定电流的电子电路中找到许多应用连接到负载。恒流电路可以使用耗尽型 FET 构建，也可以使用双极结型晶体管 (BJT) 或这两种器件的组合。请记住，JFET 是一种电压控制器件，而不是像双极结型晶体管那样的电流控制器件。

结型场效应晶体管 (JFET) 的主要特性之一是，由于它是耗尽型器件，其导电通道始终处于打开状态，因此需要一个栅源电压 V GS才能将其“关闭”。N 沟道 JFET 所需的 V GS(off)电压范围从 0 V（用于沟道完全导通）到某个负值（通常为几伏）以完全关闭 JFET，从而关闭沟道。因此，将栅极端子偏置在零和 V GS(off)之间的某个固定值，我们可以控制通道耗尽层的宽度，从而控制其电阻值，通过固定和恒定量的电流。对于 P 沟道 JFET，其 V GS(off)值范围从 0 V 全通道导通到特定 V DS值的几伏正值。

给定 JFET 器件的恒定电流的调节和容差与通过沟道的漏极电流 I D的量有关。通过特定器件的漏极电流越低，调节越好。将 JFET 偏置在其最大 I DSS值的大约 10% 到 50% 之间，将改善器件的调节和性能。这是通过在源极和栅极端子之间连接一个外部电阻来实现的。

如上所示的栅源反馈电阻为 JFET 提供必要的自偏置，使其能够在远低于其饱和电流 I DSS的任何电流水平下作为恒流源运行。这个外部源电阻 R S可以是固定电阻值或使用电位计可变。

审核编辑：汤梓红