摘要

具有ESD保护功能的耗尽型MOSFET代替JFET器件和普通耗尽型MOSFET，能有效抑制各种干扰，极大提高整个系统的稳定性和安全性。由于智能变送器在工业控制、物联网、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用，特别是近年自动驾驶汽车、医疗仪器和能源环境控制系统应用的日益普及，系统智能化、集成化、小型化的发展趋势对智能变送器的性能、品质要求不断提高，关键模块DAC在恶劣环境下有效的抗干扰能力是整个变送器工作稳定、系统安全的重要保障。

传统的JFET器件能实现稳定供电，但不能起到有效的抗干扰作用。普通耗尽型MOSFET器件替代传统的JFET器件，能稳定供电，并能有效抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰，但没有静电防护功能。为更有效解决系统电路保护的问题，通过对器件本身结构进行研究，开发自带ESD保护功能的耗尽型MOSFET。在实际测试和使用中有效验证了该器件对DAC模块的供电，不仅能稳定供电，抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰，而且能有效消除静电对器件的损坏可能性。该器件的应用大大提高了智能变送器的稳定性，对自动驾驶汽车和医疗仪器的安全性有重要作用。

前言

随着智能变送器在工业控制、物联网、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用，特别是近年自动驾驶汽车、医疗仪器和能源环境控制系统应用的日益普及，市场增量的急剧增长，未来其趋势必然是向具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能的智能化、测量和控制系统一体的集成化、特殊环境应用的小型化、设计与生产标准化以及应用广泛化等方向发展，同时对智能变送器的性能、品质要求不断提高。

传统变送器仅提供标准的模拟4mA~20mA二线制信号传送，随着微电子技术发展，HART协议下出现功能更强大的智能变送器，其特点是用微处理芯片完成信号的探测、变换、逻辑判断、计算，实现自检、自校正、自补偿、自诊断，直接与计算机进行数字通信，低功耗电路中采用信道复用技术，在传输数字信号的同时，保留4mA~20mA电流环信号，数模兼容，共用一条总线进行双向通信。智能变送器具有抗干扰能力强、传输距离远、高精度、多功能的特点，是传感器领域的一次技术飞跃，正逐步替代传统变送器。因此，组成智能变送器硬件系统的低功耗、高精度元器件的选用是研制高性能智能变送器安全稳定工作的关键。其中，DAC模块采用智能元件单点和多点的校准、零点补偿以及时漂在线修正等手段，大大提高了智能变送器的精度，DAC模块自身在恶劣环境下的供电及对浪涌、瞬态干扰的抑制是整个传感器系统安全、工作稳定的关键保障。

本文以行业中普遍使用的DAC模块AD421为例，分析耗尽型MOSFET对DAC的供电与保护的原理及优劣势，给出了实际应用需要注意的问题及解决方案。

耗尽型MOSFET对DAC的供电与保护功能

耗尽型MOSFET工作原理

Depletion-Mode MOSFET

近年来， 耗尽型MOSFET（Depletion-Mode MOSFET）日益受到重视，广泛应用于固态继电器（NC继电器）、“常闭”开关、恒流源、恒压源和开关电源等设备中，用户涵盖了家用电器、消费电子、工业控制、汽车电子、物联网、电信设施和航空航天等领域。

耗尽型MOSFET分为2种类型：N沟道耗尽型MOSFET，即导电沟道为N型，参与导电的是电子；P沟道耗尽型MOSFET，即导电沟道为P型，参与导电的是空穴。由于电子的迁移率远高于空穴，N沟道耗尽型MOSFET具有更强的电流处理能力，得到了更广泛地运用。

近年，随着第三代半导体的发展，开始出现少数1300V以上耐压的SiC基的耗尽型MOSFET，但成熟的产品还是Si基耗尽型MOSFET。以下就N沟道Si基耗尽型MOSFET为例，简要说明其原理和应用。

当栅极-源极电压V_GS=0V时，其导电沟道即已存在，器件处于开通状态，因此耗尽型器件又称为“常开”（Normally-on）器件。

当栅极-源极电压｜V_GS｜<｜V_GS(OFF)｜时（N沟道）或｜V_GS｜>｜V_GS(OFF)｜（P 沟道），其导电沟道因沟道中的载流子耗尽而消失，器件处于关断状态。在V_GS接近V_GS(OFF)时，沟道部分开启，工作在亚阈值状态，利用这一特性，我们可以很方便地建立一个简单的电压调节器，具有高电压调节范围和稳定的电压输出，耗尽型MOSFET组成的高电压调节器如图1所示。也可以组成一个稳定的恒流源。同时，这种电压源或电流源具有极佳的抗干扰能力，能有效地抑制瞬态电压或浪涌电流。

图1 N沟道耗尽型MOSFET符号及在高电压调节器中的作用

如图1所示，当V_DD增加时，流过电路的电流I_DS增加，导致耗尽型MOSFET源极电位V_S升高，即V_GS绝对值增加，并引起器件导电沟道变窄，电流增加减缓。在此过程中负载R_L两端的电压V_S无限接近器件的关断电压｜V_GS(OFF)｜，V_S≈｜V_GS(OFF)｜，即V_S钳位在｜V_GS(OFF)｜处，不再随输入电压V_DD的增加而变化。负载RL流过的电流I_L（I_L=V_S /R_L）也不随输入电压V_DD的增加而变化。

V_DD,MAX=BV_DSX +｜V_GS(OFF)｜

其中，BV_DSX——耗尽型MOSFET漏源极之间的击穿电压；V_GS(OFF)——耗尽型MOSFET的关断电压；V_DD——漏极电压。

由此看出，利用耗尽型MOSFET可以组成一个简单稳定的高电压输入的电压调节器或电流源，同时具有极佳的瞬态抑制能力。

进一步利用运算放大器或电压基准源，易实现指定的输出电压。运算放大器使用示意图如图2所示。

图2 耗尽型MOSFET与运算放大器配合使用示意图

V_o与 V_i具有如下关系：V_o=V_i×(1+R₂/R₁)

其中，V_i——运算放大器输入电压；V_o——运算放大器输出电压。

因此，通过配置R₂和R₁的组合，在负载电流较小时，可确定负载的工作电压V_s 大约为：V_s=V_o+｜V_GS(OFF)｜。

在零栅偏即V_GS=0V时，器件处于导通状态，当栅极-源极电压｜V_GS｜<｜V_GS(OFF)｜时，器件处于关断状态。