电流镜型电流调节器

Depletion MOSFET

电流调节器（Current Regulator）一般采用电流镜（Current Mirror）等比例地“复制” IC中的基准电流I_REF，从而实现恒流输出，如 图1(a) 所示。由于需要IC来产生基准电流I_REF，并且IC本身又需要稳定的电源电压V_DD，其电路较为复杂，具有较高的系统成本。电流镜型电流调节器的输出电压范围V_OUT为:

0＜V_OUT ＜V_DD −V_DS           (1)

其中V_DS为输出级MOS 管漏极-源极之间的电压差。由于V_DD一般不高于18V，电流镜型电流调节器的输出电压范围较窄，大大限制了其应用。由此可见，电流镜型电流调节器具有如下优缺点：

(1) 电流精度高；

(2) 输出电压范围较窄；

(3) 电路结构复杂，成本较高。

图1. 电流调节器的实现

耗尽型MOS管电流调节器

Depletion MOSFET

采用耗尽型MOSFET，可以非常简便地实现电流调节器电路，如 图1(c) 所示。在饱和工作区，耗尽型MOS管的漏-源电流I_D为：

I_D=k(V_GS−V_GS(OFF) )²            (2)

其中k为跨导系数，为一常数。

栅-源零偏时（V_GS=0V）的漏-源饱和电流I_DSS为：

I_DSS=k(0−V_GS(OFF))²=kV_GS(OFF)²            (3)

在图1(c)的电流调节器电路中，

I_D=k(−I_D*R−V_GS(OFF))²=k(I_DR+V_GS(OFF))²           (4)

 由式（3）和（4）可以得出

I_D=I_DSS(1+I_D*R/V_GS(OFF) )²            (5)

由式（5）可以看出，I_D由饱和电流I_DSS、关断电压V_GS(OFF)和可调电阻R共同决定。对于某一给定型号的耗尽型MOS器件，饱和电流I_DSS和关断电压V_GS(OFF)均是确定的。以ARK（方舟微）的 DMZ6005E为例，其饱和电流I_DSS的最小值为20mA，V_GS(OFF)位于-3.3V ～ -1.5V之间，典型值为 -2.0V。因此，当选定耗尽型MOS管后，电流I_D由电阻R唯一确定。由式（5）可以得出:

R=(V_GS(OFF)/I_D)*((I_D/I_DSS)^0.5-1)           (6)

由于不可避免的工艺波动，器件参数I_DSS和V_GS(OFF)在批次到批次(Lot to Lot)之间存在一定的变化。因此，电路设计者需要根据式（6），以及I_DSS和V_GS(OFF)的取值范围，确定电阻R的可调范围。在电路配置完成后，通过微调电阻R的值，即可得到所期望的恒定电流。 

例如，要实现I_D=5mA，根据表1可以计算出R的取值范围。

R_min=(-1.5V/5mA)*((5mA/15mA)^0.5-1)=128Ω           (7)

R_max=(-3.3V/5mA)*((5mA/15mA)^0.5-1)=128Ω           (8)      

因此，选取500Ω的可调电阻可满足要求。

图2. 耗尽型MOS管电流调节器的输入输出特性

由图2可以看出，耗尽型MOS管电流调节器只要进入了饱和工作区，即可输出稳定的恒流。只要输入电压不超过MOS管的击穿电压BVDSX，该电路均能够正常地工作。由此可见，耗尽型MOS管电流调节器具有极宽的电压输入输出范围：

V_DS,min＜V_IN＜B_VDSX−V_DS,min≈600V             (9)

0＜V_OUT＜B_VDSX≈600V           (10) 

图3. 耗尽型电流调节器的瞬态响应

耗尽型MOS管电流调节器具有极好的瞬态特性。由于耗尽型MOS管的漏-源电容 C_DS较小 (～pF量级)，该电路具有极快的响应速度。MOS管栅-源之间跨接的电阻R起到了负反馈作用，有效地抑制了输入电压变化对输出电流的影响。假设 V_IN 突然增大导致 I_D 增大，则 V_GS=-I_D*R 将变得更负，产生负反馈，迫使I_D变小，最终I_D维持不变。如图3所示，输入电压VIN存在较大幅度的波动，但输出电流却能保持稳定的5mA输出。

综上所述，耗尽型MOS管电流调节器具有如下优缺点:

(1) 电流精度高；

(2) 输出电压范围极宽，拓展了其应用范围；

(3) 输入电压范围极宽，可以直接联接到整流后的市电；

(4) 不需要参考电流IREF，省去了IC，电路结构简单，系统成本低；

(5) 需要调节电阻R以得到所期望的恒定电流。

典型应用

图4. 利用耗尽型MOS管电流调节器驱动LED

采用ARK（方舟微）公司的耗尽型MOS管DMZ6005E，可以构建17mA的电流调节器，用于驱动串联式 LED电路，如图４所示。220V的市电通过桥堆整流和电容Ｃ滤波后，得到约200～300V的电压V_IN。V_IN具有较大的纹波，但这并不影响恒定的17mA电流输出，因为耗尽型MOS管电流调节器具有极好的瞬态响应特性。

此外，耗尽型MOS管电流调节器还可以广泛应用于电流基准、电压基准、偏置电路以及电流驱动电路。