【电子理论】场效应管（FET）电流源：公式详解

场效应晶体管 (FET) 电流源是一种特殊的有源电路，它使用场效应晶体管为电路提供稳定恒定的电流。我们这样做是因为有时我们希望电流保持不变，保持恒定。

• 制作电压参考
  我们也可以使用恒流源来制作电阻电压基准。因为我们已经知道电阻值，并且如果流过该电阻的电流始终恒定，那么我们就可以很容易地应用欧姆定律来计算该电阻上的电压降。
• 准确性的要点
  因此，在构建恒流源时，我们必须注意两点。首先，我们必须使用低跨导场效应晶体管(FET)。这些是适合这项工作的专用场效应晶体管(FET)。其次，我们必须选择精密电阻，以便将电流转换为非常精确且稳定的电压。
• 使用JFET和MOSFET
  场效应晶体管（FET）广泛用于制作电流源。在需要低电流的情况下，我们可以使用结型场效应晶体管（JFET）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
• 基本JFET作为受控电阻
  简单来说，我们可以将JFET用作压控电阻。这意味着在其栅极上施加一个微小的电压就可以控制漏极和源极通道之间的电流大小。因此，通过调节这个微小的栅极电压，我们就能有效地控制电流。正因如此，JFET是制作可靠恒流源的理想选择。
• 调整结型场效应晶体管偏置
• 现在我们来谈谈偏置。在上次关于结型场效应晶体管（JFET）的讨论中，我们看到了许多特性。我们发现它是耗尽型器件。例如，N沟道JFET被称为常导通器件。这意味着它保持导通状态并传递电流，直到我们施加负VGS使其关断。
  同样，我们也看到P沟道JFET也是耗尽型器件，并且也是常通的。但在这里，如果我们想让它关断，就必须施加很强的正栅极电压。

1. 栅极-源极电压
   现在理解栅极-源极电压VGS其实并无特殊之处，它仅仅是栅极VG处的输入电压，从而在栅极与源极之间形成反向偏置。因此这个VGS决定了沟道如何被偏置。
2. 漏极-源极电流
   同时我们还有VDS电压和电流，它们都来自电源VDD。该电流从漏极流向源极。我们将此漏极电流标记为ID，因其流经漏极端子。
3. 电压与电流关系
   此时可将VDS视为该JFET的正向压降。该压降由不同栅极电压VGS下流过的ID电流大小决定。
4. 最大漏极电流
   当VDS极低时，JFET沟道几乎完全导通，即栅极允许完全导通。此时ID达到最大值，该最大漏极电流称为ID(sat)，常简称为IDSS。
5. 截止状态
   当VDS达到最大值时，JFET沟道完全关闭，此状态称为截止。截止状态下ID趋近于零，此时VDS将等于VDD。栅极截止电压VGS(off)即为沟道停止导通并完全关闭的特定电压值。
6. 共源极偏置
   当我们为N沟道JFET配置这种共源极偏置时，它基本决定了在无输入信号VIN的稳态条件下JFET的行为模式。此时VGS与ID均保持恒定值，这种固定稳态称为静态工作状态。
7. 电压控制特性
   关键点在于：在共源极JFET中，栅源电压VGS实际控制着通过沟道从漏极流向源极的电流大小。因此该JFET表现为电压控制器件——输入电压VGS直接决定输出电流ID。
8. 输出特性曲线
   基于此特性，我们能够绘制多种输出特性曲线。具体方法是针对特定JFET绘制ID与VGS的关系曲线。这些曲线有助于我们深入研究JFET的工作原理。

1. 构建简易恒流源
   接下来探讨如何构建最基础的场效应管恒流源。具体方法是将JFET的栅极与源极短接，如图所示。
   在此状态下，JFET的导电通道将保持导通，使流经电流接近其最大IDSS值。这是因为我们使JFET始终工作在其饱和电流区域。
   但需注意：尽管这种恒流配置结构简单，整体性能却并不理想。JFET被迫保持全导通状态，且IDSS电流值完全取决于电路中使用的具体JFET器件类型。
2. 器件系列示例
   例如当我们查看2N36xx或2N43xx型n沟道JFET系列时，会发现它们仅能处理几毫安的电流。
   但当我们查看更大的n沟道J1xx或PN4xxx系列时，则会发现它们能够处理数十毫安的电流。因此关键在于理解：即使是相同型号的器件，其IDSS值（即零栅极电压下的漏极电流）仍可能存在显著波动。
   制造商通常会在数据手册中标注这些波动范围。在数据手册中，您会清晰看到IDSS值的最小值与最大值均有明确标注。
3. 场效应管作为电压控电阻
   我们必须牢记的另一重要点是：场效应管本质上像一个由电压控制的电阻器工作。
   场效应管内部的导电通道具有自身的电阻值。该电阻路径串联于漏极与源极之间，通道电阻即称为RDS。
   当栅极-源极电压VGS为零时，漏极至源极可流过最大电流。这意味着通道电阻RDS处于最低值状态，此结论完全正确。
   但你可能会认为该电阻会趋近于零，实际情况并非如此简单。实际上该电阻处于特定低欧姆量级，具体数值取决于结型场效应管的制造工艺，有时甚至可高达近50欧姆。
   在阐述场效应管导通特性时，我们将该电阻称为导通态通道电阻RDS(ON)。当栅源电压VGS设为零时，RDS(ON)达到最低值。
   这同时意味着：若漏源直流电流IDSS较低，则RDS(ON)值较高；反之，当IDSS较高时，RDS(ON)值则相应降低。
4. 为电流源偏置JFET
   现在我们来探讨如何偏置JFET使其作为场效应管电流源工作。我们可在任何低于饱和电流值的电流水平进行调节。饱和电流IDSS发生在栅极电压VGS等于零伏时。
   当栅极电压达到截止值VGS(off)时，漏极电流ID将降至零。这是因为导电通道完全关闭所致。
   因此我们必须牢记：只要JFET器件处于活性区工作，电流将持续流经其导电通道。这正是特性曲线图中所呈现的现象。
5. 了解JFET的传输曲线
   
   对于P沟道JFET，与N沟道JFET相比，VGS(off )阈值电压将为正值，且VGS为零伏时的饱和电流IDSS将保持不变。
   此外，我们必须注意，由于当VGS接近零伏时漏极电流上升得更快，因此传输曲线是非线性的。

1. N沟道与P沟道栅极电压要求
   现在可以看出，对于N沟道JFET，若要使其关断则需施加负栅极电压；而P沟道JFET则需施加正栅极电压才能实现相同关断功能。因此两种器件在栅极电压极性方面表现相反。
2. 错误偏置的影响
   若误将正电压施加于N沟道JFET，或将负电压施加于P沟道JFET，则非关闭器件，反而会增强其导电通道。这意味着通道电流ID将增大，可能超过其安全最大值IDSS。
3. 特性曲线分析
   鉴于此情况存在危险性，必须仔细观察ID与VGS的特性曲线。我们发现施加-1V、-2V或-3V等负VGS电压时，器件可进入恒定电流源模式——即JFET自身将导通固定电流。
4. 电流控制可能性
   因此，我们能够在零至IDSS之间的任意位置选择所需电流值。这种设计赋予了极佳的灵活性，使我们能够根据具体需求设计电路并设定电流参数。
5. 更精确的恒流源
   若需实现更精准的恒流源且具备更优调节性能，建议将JFET偏置在IDSS全值的10%至50%区间。该区域具有最高稳定性。
6. 此方法的优势
   这种偏置方式不仅提升精度，还能降低沟道电阻中的I²R损耗。损耗减少自然降低器件发热，从而同时实现高精度与低功耗。
7. 工作点设定
   综上可知，通过在N沟道JFET栅极施加负电压，或在P沟道JFET栅极施加正电压，即可精确设定器件的工作点。
8. 漏极电流特性
   该工作点使沟道能够导通特定的漏极电流ID。针对不同的VGS值，我们可以推导出ID的数学表达式，该公式有助于理解JFET在实际电路中不同偏置条件下的工作特性。

在V_GS = -2V的条件下，则：I_D ≅ I_DSS [1 -(V_GS/V_GS(off))]²

=40[1 - (-2/-6)]²

=0.04(1 - 0.333)²

=0.04(0.444)

I_D=17.8mA

当V_GS = -5V时，则：I_D ≅ I_DSS [1 -(V_GS/V_GS(off))]²

=40[1 - (-5/-6)]²

=0.04(1 - 0.833)²

=0.04(0.0278)

I_D=1.1mA

1. 主要区别
   但由于我们密切观察，便发现了主要区别。此时尽管场效应管的栅极仍直接接地（意味着栅极电压为零），源极却并非处于零伏状态，而是实际高于零伏。这种异常现象源于外部源电阻（我们称之为RS）两端产生的电压降。
2. 为何漏源电压变负由此可知：当沟道电流开始流经外部源电阻时，会自动形成使结型场效应管漏源电压低于零伏的条件。换言之，漏源电压VGS呈现负值状态。
3. 源极电阻RS的作用
   现在让我们详细探讨外部源极电阻RS的实际作用。该电阻实质上提供了反馈电压，这种反馈机制通过自我偏置JFET栅极终端来发挥作用。
   这种巧妙的电路设计确保即使漏源电压试图变化，流经沟道的漏极电流仍能保持稳定流动。因此，要使整个电路正常工作，我们实际上只需要电源电压VDD，因为同一个VDD既提供了所需的漏极电流，又提供了必要的偏置电压。
4. 偏置原理解析
   当我们试图理解JFET的工作原理时，会发现源极电阻两端的电压降（即VRS）决定了栅极偏置电压VGS。而VGS正是控制沟道电流的关键因素，这与我们先前阐述的原理完全一致。
5. 改变RS值的影响
   基本规律是：当增加RS电阻值时，沟道中的漏极电流ID会减小；反之，当降低RS电阻值时，ID电流则会增大。
   因此在设计JFET恒流源电路时，我们自然需要思考：究竟采用何种RS值才能获得最理想的电流输出？
6. 从数据表中确定RS值
   为解决此问题，可查阅该特定N沟道JFET的制造商数据表。其中包含VGS(off)和IDSS等关键固定参数。
   掌握这两个参数后，即可运用JFET漏极电流ID的计算公式进行变形推导，从而确定任意选定漏极电流ID（介于零与IDSS之间）对应的VGS值。
   这意味着，仅需借助数据手册的辅助并进行简单计算，我们就能确定电阻RS的值，进而设计出能如恒流源般工作的JFET电路，这正如我们想要的那样。

首先，让我们计算ID=20mA时电压源电流（V_GS）

因此，当我们同时知道V_GS(off)和I_DSS时，实际上可以运用之前讨论的方程来计算所需的源极电阻值——该电阻值决定了为获得特定漏极电流所需施加的栅极偏置电压。

在简单示例中，我们发现当目标漏极电流为20mA时，该电阻值为87.5Ω；而当目标电流降至5mA时，电阻值则为780Ω。

这意味着通过添加外部源电阻，我们能轻松调节恒流源的输出，精确控制流过电流的大小。

若想进一步优化，可将固定值电阻替换为电位器。这样就能使JFET恒流源实现全范围可调，这将极具实用价值！

例如，与先前使用两个固定源电阻的方案相比，我们只需采用一个1kΩ电位器或微调电阻即可实现相同功能。

这种设计不仅赋予了电流调节的灵活性，更关键的是：即使改变V_DS值，JFET恒流源电路中的漏极电流仍能保持恒定。

解决FET恒流源问题 #3

本例中，我们计划使用N沟道JFET控制5mm红光LED负载的亮度，并实现8mA至15mA的亮度调节范围。

为此，我们将搭建由15伏直流电源供电的JFET恒流源电路。

当前任务是计算JFET的源极电阻值，该值需确保LED在8mA最小亮度与16mA最大亮度下均能正常发光。

该JFET还具备关键参数：关断状态下最大栅源电压V_GS(off)为-4.0伏，当V_GS值为零时其漏源导通电流(I_DSS)为20毫安。

计算出所需源电阻后，我们将绘制电路图以展示各元件的连接关系。

可调JFET恒流源电路图

1. JFET和BJT的比较
   我们应该记住，虽然JFET的工作原理类似于电压控制器件，但BJT的工作原理却类似于电流控制器件。
   JFET的一个主要特点是，由于它是一种耗尽型器件，其导电沟道默认保持开放状态。这意味着要将其关断，我们需要施加一个特定的栅源电压，我们称之为V_GS(off)。
   对于N沟道JFET，所需的V_GS(off)值可能变化很大。它从0伏开始，此时沟道完全导通；然后可以变为某个负值，通常是几伏，该负值会使JFET完全关断，即沟道闭合。
   现在，当我们将栅极偏置电压设定在0到V_GS(off)之间的值时，就可以控制沟道内耗尽层的宽度。通过这种调整，我们可以设置沟道电阻，从而实现恒定的电流。
   对于P沟道JFET，其行为略有不同。在这种情况下，V_GS(off)在完全导通时也为0伏，但当我们施加一定的V_DS值时，它会变为几伏的正值。
2. 调节因子
   分析JFET的恒流调节和容差工作原理时，我们发现它与流经沟道的漏极电流I_D密切相关。有趣的是，漏极电流越低，电流调节性能越好。
   因此，为了改善JFET的调节和性能，我们应该将其偏置在其最大I_DSS的10%到50%左右。
3. 利用电阻器实现自偏置
   我们可以通过在源极和栅极之间连接一个外部电阻来实现这一点。现在，如果我们像图中那样添加一个栅源反馈电阻，那么这个电阻就会使JFET实现自偏置。
   这种自偏置确保JFET可以在远低于其饱和电流I_DSS的任何电流水平下像恒流源一样工作。外部电阻RS可以是一个简单的固定电阻，或者如果我们想要更好的控制，那么我们可以使用电位器使其可变。

_{文章来源：}

※免责声明：本站部分文章系根据素材来源官方媒体/网络新闻整理制作，仅限于个人学习和爱好目的分享资源，不构成任何商业投资建议。文中所引用信息均来自市场和网络公开资料，并不代表赞同其观点和对其真实性负责，对所引信息的准确性和完整性不作任何保证。如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的，请联系我们删除。

---

   ▶ 关于我们

深圳市锦雅电子数码科技有限公司简称“SJT锦雅电子”，锦雅是一站式方案解决商、专业的元器件代理商。专注于芯片销售的代理商，为客户提供芯片销售、产品方案设计、一站式的高质量产品。打造全新的方案解决、元器件供应链的模式，致力于做国内元器件半导体行业用户、工程师交流的最佳交流平台。公司力求以技术创新，不断加大研发投入，以领先的技术及卓越的产品开发能力，依靠持续的科技创新，不断深入的结构调整，积极主动地对外合作，携手共进，合作共赢，成为国内领先、国际竞争力的公司。

上下滑动查看

锦雅拥有专业的团队，始终奉行“诚信为本，顾客至上”的经营理念，为客户提供完美的研发、方案设计和周到的售后服务。拥有合作多年生产类工厂，能为用户提供从研发、生产到售后的一线式的高质量产品。我们期待与越来越多的厂商建立全面的合作关系，共创辉煌。

THE END

扫码关注我们

获取精彩内容

点分享

点收藏

点点赞

点在看