場效應管和恒流二極管組成恒流源電路


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。
五、避坑指南:從失敗案例中提煉的5條鐵律
“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。
“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)。
“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。
“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)。
“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”
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)。
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。
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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