原创 源极跟随器

原文带图示

PIR热释红外线传感器中的J-FET<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

祁龙华   （Tel-021-64859219）

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图1为源极跟随器最简单的形式。由于元器件少，难能企望有相当好的特性。尽管如此，在一般要求的场合，仍然被大量采用。

本文以热释红外线传感器PIR中的应用为例，对图1的J-FET选用作出分析。

PIR产品已采用的J-FET有很多种，性能和参数有所差异，如何确定J-FET的适用性是PIR厂商所关注的问题。

我们知道，PIR产品的热释红外线接收片（以下称源片）是基于在一定距离内人体体温可以辐射出来的红外线，由于人体所处环境温度的影响，接收到的红外线能量非常微弱，以至到达图1 栅地端的电势变化极小。  源片本身有很大的电阻（约1E9），用数字电压表几乎无法测到。采用图1 所示的源极跟随器可以使对人体热释红外线的接收系数大大提高，因为源极跟随器的输入直流电阻高达1E12，可以几乎无衰减地与源片并接。而且源极跟随器的输出电阻很低（直流情况下与RS相同，交流情况下则为RS与负载RL的并联值）。低的输出电阻十分有利于对源片产生的电势变化进行处理，例如放大、显示或驱动某些执行器。

一．关于电压放大增益

源极跟随器具有很高的输入输出电阻比，因此有较大的电流和功率增益，但电压放大增益则恒小于1。在J-FET的输入为反向偏置时，电压放大增益AV=ΔVS/ΔVi≤1 ，一般0.95

左右。后级接驳放大器的源极跟随器，电压增益略小问题不大。

要获取尽量接近于1的AV，可以提高gfs和工作点的gm 。从下式可以了解这一点：

 AV=      (1)

   工作点的gm 是PIR产品需要关注的。可以先测定J-FET的gfs，并将RS代人：

gm=     (2)

   由于RS 是确定的，gfs选的越大则gm也越大，公式(1) 和公式(2)是估算公式，实际情况下并不如此理想，这一点值得注意。

在公式(2)中，仅涉及到J-FET的gfs ，未与IDSS相联系。其实gfs与VP、VGS和IDSS相关的。对J-FET（RS=0）：

gfs=         （3）

gm= gfs（1－）    (4)

可以根据需要先确定gm和 VGS ，再按公式(4)估算出gfs和VP，最后按公式（3）得到IDSS。

二．VSQ与J-FET的关系

任何规格的J-FET总可以找到相同VSQ 。当VG=0V时，按图一直接用数字电压表即可测得对应于RS的VSQ。一般而言，J-FET的IDSS、gfs和VP都会影响到VSQ，而这些电参数适当匹配则可以获得相同VSQ。

VSQ相同的J-FET，并不一定gm也相同，即使RS不变，VSQ相同的J-FET也并不一定都是适合既定应用的。

VSQ=|VP|是不可能的，除非栅极电位与|Vp|之差大于零，即VGS为正极性。而通常的应用中，VGS均是负极性的。

VSQ的建立，与电源电压VDD关系不大。虽然VDD=VDS+VSQ, 但是当VDS大于VDSat (即VGS=0V对应的漏源饱和电压，其值等于|Vp| ) 时，ID对VDS的变化不敏感。

三．J-FET预选估算

如果是成熟的应用VSQ和gm应该已建立起确定的范围，无论是替换还是设计改进，该范围是基本的依据。PIR产品的VSQ范围和源片产生的电势变化范围都是确定的，PIR源片一般输出呈正的电势变化（也有输出负电势变化的情况）。

J-FET的输出特性如图2所示。当VDS小于VDSat时，J-FET处于电阻区，而VDS大于

同一型号的J-FET，工作点（VSQ，ISQ）接近（|VP|，ISP）点，有比较大的gm，反之则明显减小。例如，|VP|=0.7V时，ISP为14.8936mA ，VSQ为0.66V时ISQ为14.0425μA  ，其ΔI S 则为0.8511μA 。而VGSQ（即VG=0时）为-0.66V，按下式：

IDSS=ISQ / (1－)   (5)

                                  可以得到IDSS为4.3mA，按式(3)，gfs 为          图二   J-FET 的输出特性曲线       12.3ms, 按式(4) 得 gm =0.702ms。在|VP|和        

ISP相同的条件下，如果VSQ 减小到0.6V，同样

运算后得IDSS为0.6255mA, gfs为1.787ms，gm则为0.2546 ms。两者相差十分明显。

因此，同一型号的J-FET，在gm已能满足PIR产品要求时，VSQ不要太大，或者在确定的VSQ时|VP|不要太大。

不同一型号的J-FET，gfs和IDSS大，有比较大的gm，反之则明显减小。工作点（VSQ，ISQ）距（|VP|，ISP）点也可以稍远一些。

gm并不是越大越好，如果后续级有放大器，gm 满足需求即可。gm大，相对漏电也大，导致信噪比减小和交流特性变差。