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。

01

耗尽型MOSFET与JEFT的比较

耗尽型MOSFET与耗尽型JFET器件具备相同的Normally-On特性，是其可以在变送器的AD421供电与保护中替代JFET的基础。同时将2种器件工作中的电性特性比较，MOSFET的优势在于：

首先，Si基JFET器件耐压一般在10V~50V，更高耐压的JFET器件只能用SiC基实现（目前不普及），限制了绝大多数JFET的应用，而Si基耗尽型MOSFET的耐压参数可以做到从10V~1700V 任意值。对于常用的220V市电和380V工业用电，在Normally On应用中，耐压为600V和1000V的这2个系列产品需求广泛，JFET器件无法满足，耗尽型MOSFET是唯一的选择。一般浪涌或瞬态干扰达到100V，此时JFET已被击穿，无法达到保护功能。

其次，由于JFET允许栅极泄漏电流为比MOSFET的栅极泄漏电流高出3个数量级，MOSFET极低的漏电流，大大降低了静态功耗，也就极大地降低整机功耗。同时，MOSFET极低的漏电流，反应速度更快，对浪涌或瞬态干扰的保护更灵敏有效。

再次，JFET的输入阻抗远低于MOSFET输入阻抗，因为MOSFET金属氧化物绝缘体，使得其在栅极端的电阻更高。对于电压驱动的FET器件，输入阻抗越大，对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响，MOSFET比JFET更具备易于驱动、对栅极影响极小的优势。

MOSFET的缺点在于：由于其本身的输入阻抗高，对ESD静电极敏感，而栅-源极间电容又很小，所以极易受外界电磁场或静电的感应而带电，又因在静电较强的场合难于泄放电荷，容易引起静电击穿。所以，克服耗尽型MOSFET缺点，带防静电的ESD保护功能在耗尽型MOSFET的设计和生产中尤为重要，是器件能否正常使用的关键指标。

耗尽型MOSFET具备与JFET相同的电性特点，但各方面性能更优，是未来电路升级换代的理想器件。

02

带ESD静电保护功能的耗尽型MOSFET与普通耗尽型MOSFET保护功能的比较

智能变送器作为传感器系统中的重要组成部分，在恶劣环境中，除了一般浪涌或瞬态干扰外，静电干扰也是不容忽视的造成系统损坏的因素。

由于MOSFET属于静电放电敏感度低的元器件，较易被静电击穿而损坏，在操作时稍有不当，该MOSFET就会由于静电损坏而失效，直接影响稳定供电。在AD421的使用中，ADI公司特别提出DN25N使用中极易失效，需谨慎操作，做好严格静电防护，所以自身带静电保护功能的耗尽型 MOSFET 在电路中特别重要。

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