在许多过程控制传感器中，例如热敏电阻和应变计电桥，通常需要稳定的偏置电流。为了实现这一目标，可以通过添加一个电流设置电阻器 R1 来配置电压参考电路 IC1，使其能够生成恒定的电流源。然而，这种信号源的误差通常取决于电阻 R1 和 IC1 的精度，进而影响到测量的精度和分辨率。尽管可以选择高精度的电阻以超过电压基准 IC 的常规精度，但基准电压源的误差最终决定了电流源的精度。虽然许多制造商已经尽力减小电压基准的温度敏感性和输出电压误差，但电源电压波动的敏感性仍然可能影响其精度，尤其是在需要在较宽电源电压范围内运行的过程控制应用中。

解决方案：共源共栅 JFET 配置

为了解决电源电压波动对电流源精度的影响，可以使用一对共源共栅连接的结型场效应管（JFET），例如 Q1 和 Q2，如图所示。这个配置将极大地降低电压参考电路对电源电压波动的敏感性，同时将 IC1 的工作电压扩展至超过其 5.5V 的额定值。此外，Q1 和 Q2 通过其特有的工作特性，有效地将电流源的等效电阻从几个兆欧姆提高到了接近千兆欧姆的范围。

在电路的诺顿模型中，等效电阻代表了理想电流源上的并联电阻。共源共栅的 FET 配置使得电流源的等效电阻大大增加，进而提高了电流源对电源电压变化的抗干扰能力。

JFET 的工作原理

当栅源偏置电压为 0V 时，N沟道 JFET 在饱和漏极电流下作为耗尽型器件工作。与需要栅极偏置电压才能导通的耗尽型 MOSFET 不同，JFET 在默认情况下是导通的，只有通过施加适当的栅极偏置电压才能切断其导通状态。随着栅源电压变得更加负时，JFET 的漏极电流会在夹断电压下趋近于零。JFET 的漏极电流随着其栅源电压的变化而变化，可以用以下公式近似：

$I_D \approx I_{DSS} \times \left(1 + \frac{V_{GS}}{V_P}\right)^2$ID≈IDSS×(1+VPVGS)2

其中，$I_D$ID 是漏极电流，$I_{DSS}$IDSS 是饱和漏极电流，$V_{GS}$VGS 是栅源电压，$V_P$VP 是夹断电压。

电路分析

假设 IC1 的输出电压$V_{REF}$VREF 始终保持恒定（例如 1.8V）。该电压驱动 Q2 的栅极，因此，IC1 的输入电压$V_{IN}$VIN 等于$V_{REF} - V_{GS(Q2)}$VREF−VGS(Q2)，即：

$$V_{IN} = 1.8V - (-1.2V) = 3V$$VIN=1.8V−(−1.2V)=3V

此时，Q2 的栅源电压保持在其标称的夹断电压（-1.2V）附近。随着电流源的微小变化，Q2 的栅源电压和电流源电流保持同步变化。当电源电压从 3V 增加到 30V 以上时，输入电压几乎保持不变，因为$V_{REF}$VREF 也保持恒定。这个共源共栅 FET 配置有效地减少了电源电压波动对电流源的影响，且能保持电流源的稳定性。

系统优化与电流调节

在这个电路中，基尔霍夫电压定律中的负反馈使得漏极电流能够达到平衡的偏置点，满足 Q2 的传输方程。Q2 的漏极电流由$V_{REF} / R1$VREF/R1 和 IC1 内部的基准电流$I_{GND}$IGND 共同决定，并保持恒定。添加 Q1 可以进一步降低 Q2 输出阻抗的影响，使电流源更加稳定。

通过调整 R1 的值，可以在 200 μA 至 5 mA 的范围内调整输出电流，其中 Q2 的饱和漏极电流规格规定了上限。在选择 JFET 时，必须确保其饱和漏极电流不会超过 Q1 的功耗限制。

电源电压范围

需要注意的是，电路的电源电压下限必须高于电路的顺从电压 3V 加上传感器引入的压降$I_{SOURCE} \times R2$ISOURCE×R2。电路的电源电压上限则不得超过$I_{SOURCE} \times R2 + 30V$ISOURCE×R2+30V。例如，假设向一个 1 kΩ 的压力传感器桥提供 2.5mA 电流，则电源电压的范围应限制在 5.5V 至 32.5V 之间。

在这个范围内，电路的输出电流几乎不受电源电压变化的影响，变化小于 1 μA（见图2）。通过选择不同值的 R1（例如 1 kΩ、750Ω 和 510Ω），可以提供不同的输出电流（分别为大约 1.8mA、2.5mA 和 3.6mA），且这些电流对宽范围电源电压变化不敏感。

总结

通过使用共源共栅连接的 JFET 配置，可以大大提升电流源对电源电压变化的鲁棒性。这种电路不仅提高了电流源的精度，还使其能够在较宽的电源电压范围内稳定工作，满足高精度过程控制应用的需求。