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場效應管和恒流二極管組成恒流源電路

來源:
2025-05-07
類別:基礎知識
eye 10
文章創建人 拍明芯城

一、核心功能分工與底層邏輯

1. CRD的角色:恒流基準+抗擾基石

  • 恒流基準
    CRD通過雪崩擊穿或隧道效應提供絕對穩定的電流(如600μA),其動態阻抗(15~30Ω)天然抑制電源電壓波動對電流的影響。

  • 抗擾能力
    CRD的電流穩定性優于分立元件(如BJT+電阻組合),溫漂可控(±0.3%~±0.5%/℃),適合作為高精度恒流源的“壓艙石”。

2. FET的角色:電流微調+動態補償

  • 電流微調
    FET通過柵極電壓調節漏極電流,補償CRD的初始離散性(±5%~±10%),使輸出電流精度逼近CRD標稱值。

  • 動態補償
    FET的高跨導(g_m>100mS)可快速響應負載變化,避免CRD動態響應不足導致的電流波動(如大動態音頻場景)。


二、參數匹配的“黃金三角”法則

1. 電流一致性:CRD與FET的“接力賽”

  • CRD選型
    選擇電流標稱值略高于目標輸出的CRD(如需1mA輸出,選1.05mA標稱CRD),預留FET調節余量。

  • FET選型
    確保FET的飽和區電流調節范圍覆蓋CRD離散性(如CRD±10%,則FET需支持±20%電流調節能力)。

2. 溫度互補性:CRD與FET的“冰火對沖”

  • 溫漂抵消
    CRD電流隨溫度升高(正溫漂),而JFET電流隨溫度降低(負溫漂),兩者組合可實現總溫漂<±0.1%/℃。

  • 器件配對
    優先選擇溫漂系數互補的器件(如CRD+0.4%/℃ + JFET-0.3%/℃),避免正向疊加。

3. 動態阻抗協同:CRD與FET的“阻抗接力”

  • CRD動態阻抗
    15~30Ω的阻抗可抑制電源電壓波動,但對負載變化敏感(如負載電阻翻倍,電流波動約5%)。

  • FET輸出阻抗
    JFET的輸出阻抗>1MΩ,MOSFET>10kΩ,可隔離負載變化對CRD的影響,確保電流穩定。


三、工程化設計的關鍵經驗法則

1. 啟動穩定性:避免“死區”與“過沖”

  • 柵極偏置

    • JFET:柵極電壓需略低于夾斷電壓(如2N5457的V_P=-1.5V,則柵極電壓設為-0.8V)。

    • MOSFET:柵極電壓需高于閾值電壓(如IRF540N的V_GS(th)=4V,則柵極電壓設為5V)。

  • 啟動保護
    增加柵極下拉電阻(100kΩ~1MΩ),防止浮空導致FET誤導通或截止。

2. 噪聲抑制:CRD與FET的“靜音組合”

  • CRD噪聲
    優先選擇低噪聲CRD(如散粒噪聲<10pA/√Hz),避免高頻噪聲通過FET放大。

  • FET噪聲
    JFET的1/f噪聲遠低于MOSFET,適合低頻場景(如音頻偏置);MOSFET的閃爍噪聲可忽略,適合高頻場景(如射頻)。

3. 保護機制:防浪涌與防擊穿

  • 浪涌抑制
    在CRD與FET間串聯限流電阻(10~100Ω),抑制啟動時的電流沖擊。

  • 電壓鉗位
    在FET柵極并聯齊納二極管(如5.1V),防止柵極過壓擊穿。


四、典型應用場景的選型優先級

1. 精密儀表:電流精度為王

  • 核心需求
    電流精度<±1%,溫漂<±50ppm/℃,長期穩定性>10年。

  • 器件推薦

    • CRD:HCR-100(100μA,±0.5%精度,±0.3%/℃溫漂)。

    • FET:2N5485(JFET,0.5~2mA電流范圍,-0.3%/℃溫漂)。

  • 經驗總結
    需激光分選CRD電流值,并通過老化測試剔除早期失效器件。

2. LED驅動:大電流與效率的平衡

  • 核心需求
    輸出電流1A,電壓范圍10~30V,效率>90%。

  • 器件推薦

    • CRD:LM334Z(可調CRD,外接電阻設置1.05A)。

    • FET:IRF540N(MOSFET,0.044Ω導通電阻,雪崩能量100mJ)。

  • 經驗總結
    需優化PCB布局(如CRD與FET靠近放置),減少走線電感導致的振蕩。

3. 電池均衡:多路一致性與安全性

  • 核心需求
    均衡電流10mA,反向擊穿電壓>25V,多路并聯一致性>95%。

  • 器件推薦

    • CRD:2DH6(600μA,需并聯17只實現10mA)。

    • FET:BSS138(MOSFET,用于電流分配控制)。

  • 經驗總結
    需通過分選CRD電流值(±3%以內),并增加熔斷器防止單路失效擴散。

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五、避坑指南:從失敗案例中提煉的5條鐵律

  1. “溫漂不匹配,精度全白費”

    • 某HIFI設備因CRD(+0.5%/℃)與MOSFET(+0.2%/℃)同向溫漂,導致夏季電流超標20%。

    • 對策:始終選擇溫漂方向相反的器件組合。

  2. “柵極偏置錯,啟動就翻車”

    • 某工業儀表因未加柵極下拉電阻,導致批量生產中10%產品啟動失敗。

    • 對策:柵極偏置電路必須包含下拉電阻(100kΩ~1MΩ)。

  3. “動態阻抗低,負載一變就跪”

    • 某激光驅動電路因CRD動態阻抗僅10Ω,負載電阻從10Ω突變至100Ω時電流波動達15%。

    • 對策:CRD動態阻抗需≥負載電阻變化的1/3。

  4. “噪聲不控制,底噪毀所有”

    • 某音頻前級因CRD噪聲未濾波,導致本底噪聲從-90dBu升至-80dBu。

    • 對策:CRD后必須接LC濾波器(L=10μH,C=100μF)。

  5. “保護不到位,浪涌秒報廢”

    • 某LED驅動板因未加限流電阻,導致上電瞬間CRD燒毀率30%。

    • 對策:CRD與FET間必須串聯限流電阻(10~100Ω)。


六、終極結論:選型與設計的“三板斧”

  1. 第一板斧:精準定位需求

    • 精度優先?選CRD+JFET(如儀表偏置)。

    • 大電流優先?選CRD+MOSFET(如LED驅動)。

    • 成本優先?選分立CRD+通用FET(如電池均衡)。

  2. 第二板斧:死磕參數匹配

    • 電流一致性:CRD標稱值>目標值5%~10%。

    • 溫漂互補性:CRD正溫漂+FET負溫漂。

    • 動態阻抗:CRD阻抗≥負載變化的1/3。

  3. 第三板斧:驗證閉環設計

    • 啟動測試:確保柵極電壓在-10V~+20V范圍內可正常啟動。

    • 溫漂測試:高溫(+70℃)與低溫(-40℃)下電流變化<±0.1%。

    • 負載調整率測試:負載電阻變化10倍時電流波動<±1%。

核心原則“以應用場景倒推器件選型,以極限測試驗證設計魯棒性”,避免因參數模糊或測試缺失導致批量失效。


責任編輯:Pan

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標簽: 場效應管

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