淺談熱釋紅外線傳感器J-FET的選用

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

熱釋電紅外線傳感器是利用紅外線來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的一種傳感器。主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測(cè)元件。熱釋紅外傳感器是一種被動(dòng)式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標(biāo)和背景的溫差來探測(cè)目標(biāo)的。其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度和波長(zhǎng)無關(guān)，容易使用。

這種探測(cè)器，靈敏度高，探測(cè)面廣，是一種可靠性很強(qiáng)的探測(cè)器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵報(bào)警器，自動(dòng)開關(guān)、非接觸測(cè)溫、火焰報(bào)警器等，目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、180°等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。

熱釋電紅外線傳感器的每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)元件，并將兩個(gè)探測(cè)元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測(cè)元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測(cè)出10~20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。熱釋紅外線傳感器與菲涅爾透鏡是配套使用的，其中熱釋紅外線傳感器中的J-FET是重要的元件，我們必須了解它的特性。下面以熱釋紅外線傳感器熱釋紅外線傳感器中的應(yīng)用為例，對(duì)下面的J-FET選用加以分析。

熱釋紅外線傳感器產(chǎn)品已采用的J-FET有很多種，性能和參數(shù)有所差異，如何確定J-FET的適用性是熱釋紅外線傳感器廠商所關(guān)注的問題。我們知道，熱釋紅外線傳感器產(chǎn)品的熱釋紅外線接收片（以下稱源片）是基于在一定距離內(nèi)人體體溫可以輻射出來的紅外線，由于人體所處環(huán)境溫度的影響，接收到的紅外線能量非常微弱，以致到達(dá)下圖柵一地端的電勢(shì)變化極小。源片本身有很大的電阻（約l09Ω），用數(shù)字電壓表幾乎無法測(cè)到。采用下圖所示的源極跟隨器可以使對(duì)人體熱釋紅外線的接收系數(shù)大大提高，因?yàn)樵礃O跟隨器的輸入直流電阻高達(dá)1012Ω，可以幾乎無衰減地與源片并接。而且源極跟隨器的輸出電阻很低（直流情況下與Rs相同，交流情況下則為Rs與負(fù)載RL的并聯(lián)值）。低的輸出電阻十分有利于對(duì)源片產(chǎn)生的電勢(shì)變化進(jìn)行處理，例如放大、顯示或驅(qū)動(dòng)某些執(zhí)行器。

1．關(guān)于電壓放大增益

源極跟隨器具有很高的輸入、輸出電阻比，因此有較大的電流和功率增益，但電壓放大增益則恒小于1。在J-FET的輸入為反向偏置時(shí)，電壓放大增益一般在0.95左右。后級(jí)接駁放大器的源極跟隨器，電壓增益略小，問題不大。要獲取盡量接近于1的Av，可以提高gfs和工作點(diǎn)的gm。

工作點(diǎn)的gm是PIR產(chǎn)品需要關(guān)注的?？梢韵葴y(cè)定J-FET，并將Rs代入式(2)由于Rs是確定的，gfs選的越大則gm也越大，式(1)和式(2)是估算公式，實(shí)際情況下并不如此理想，這一點(diǎn)值得注意。在式(2)中，僅涉及J-FET的gfs，未與IDss相聯(lián)系。其實(shí)dfs與VP、VGS和IDSS相關(guān)的。對(duì)J-FET(Rs=0) 可以根據(jù)需要先確定gm和VGS，再按式(4)估算出gfs和VP，最后按式(3)得到IDSS。

2．VsQ與J-FET的關(guān)系

任何規(guī)格的J-FET總可以找到相同VsQ。當(dāng)VG=0時(shí)，按式（2）直接用數(shù)字電壓表即可測(cè)得對(duì)應(yīng)于Rs的VsQ。一般而言，J-FET的IDSS、gfs和VP都會(huì)影響到VsQ，而這些電參數(shù)適當(dāng)匹配則可以獲得相同so。VsQ相同的J-FET，并不一定gm也相同，即使Rs不變，VsQ相同的J-FET也并不一定都是適合既定應(yīng)用的。VsQ——|VP|是不可能的，除非柵極電位與|vp|之差大于零，即VGs為正極性。而通常的應(yīng)用中，VGS均是負(fù)極性的。VsQ的建立，與電源電壓VDD關(guān)系不大。雖然VDD=VDS+VSQ，但是當(dāng)VDS大于VDSat（即VGs=o對(duì)應(yīng)的漏源飽和電壓，其值等于|Vp|）時(shí)，ID對(duì)VDS的變化不敏感。

3．J-FET預(yù)選估算

如果是成熟的應(yīng)用VsQ和gm應(yīng)該已建立起確定的范圍，無論是替換還是設(shè)計(jì)改進(jìn)，該范圍是基本的依據(jù)。PIR產(chǎn)品的VsQ范圍和源片產(chǎn)生的電勢(shì)變化范圍都是確定的，PIR源片一般輸出呈正的電勢(shì)變化（也有輸出負(fù)電勢(shì)變化的情況）。當(dāng)VDS小于VDSat時(shí)，J-FET處于電阻區(qū)，而VDS大于VDSat時(shí)則處于飽和區(qū)。由于Vso必定小于|Vp|而ISQ必定小于IDSS，因此，PIR產(chǎn)品中的J-FET是工作在飽和區(qū)。其最大工作電流為IsP即|vp|/Rs。當(dāng)Rs確定，則IsP也是確定的。同一型號(hào)的J——FET，工作點(diǎn)(Vso，Iso)接近（JvpI，IsP）點(diǎn)，有比較大的g。，反之則明顯減小。例如，|vp|=0.7V時(shí)，IsP為14.8936mA，Vso為0.66V時(shí)，IsQ為14.0425μA，其△Is則為0.8511μA。而VGso（即Vc=0時(shí)）為-0.66V，則

可以得到IDS為4.3mA，按式(3)，gfs為12.3ms，按式(4)得gm=0.702ms。在|vp|和IsP相同的條件下，如果VSQ減小到0.6V，同樣運(yùn)算后得IDSS為0.6255mA，gfs為1.787ms，gm則為0.2546ms。兩者相差十分明顯。因此，同一型號(hào)的J-FET，在gm已能滿足PIR產(chǎn)品要求時(shí)，VsQ不要太大，或者在確定的VsQ時(shí)|vp|不要太大。不是同一型號(hào)的J-FET，gfs和IDSS大，有比較大的gm，反之則明顯減小。工作點(diǎn)(VsQ，IsQ)距（|vp|，IsP）點(diǎn)也可以稍遠(yuǎn)一些。gm并不是越大越好，如果后續(xù)級(jí)有放大器，gm滿足需求即可。gm大，相對(duì)漏電也大，導(dǎo)致信噪比減小和交流特性變差。

相關(guān)資料：

熱釋電紅外傳感器放大器

審核編輯黃昊宇