浅谈热释红外线传感器J-FET的选用

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描述

来源：罗姆半导体社区

热释电红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器。主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。热释红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标和背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度和波长无关，容易使用。

这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有PCB控制电路的传感器。

热释电红外线传感器的每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。热释红外线传感器与菲涅尔透镜是配套使用的，其中热释红外线传感器中的J-FET是重要的元件，我们必须了解它的特性。下面以热释红外线传感器热释红外线传感器中的应用为例，对下面的J-FET选用加以分析。

热释红外线传感器产品已采用的J-FET有很多种，性能和参数有所差异，如何确定J-FET的适用性是热释红外线传感器厂商所关注的问题。我们知道，热释红外线传感器产品的热释红外线接收片（以下称源片）是基于在一定距离内人体体温可以辐射出来的红外线，由于人体所处环境温度的影响，接收到的红外线能量非常微弱，以致到达下图栅一地端的电势变化极小。源片本身有很大的电阻（约l09Ω），用数字电压表几乎无法测到。采用下图所示的源极跟随器可以使对人体热释红外线的接收系数大大提高，因为源极跟随器的输入直流电阻高达1012Ω，可以几乎无衰减地与源片并接。而且源极跟随器的输出电阻很低（直流情况下与Rs相同，交流情况下则为Rs与负载RL的并联值）。低的输出电阻十分有利于对源片产生的电势变化进行处理，例如放大、显示或驱动某些执行器。

1．关于电压放大增益

源极跟随器具有很高的输入、输出电阻比，因此有较大的电流和功率增益，但电压放大增益则恒小于1。在J-FET的输入为反向偏置时，电压放大增益一般在0.95左右。后级接驳放大器的源极跟随器，电压增益略小，问题不大。要获取尽量接近于1的Av，可以提高gfs和工作点的gm。

工作点的gm是PIR产品需要关注的。可以先测定J-FET，并将Rs代入式(2)由于Rs是确定的，gfs选的越大则gm也越大，式(1)和式(2)是估算公式，实际情况下并不如此理想，这一点值得注意。在式(2)中，仅涉及J-FET的gfs，未与IDss相联系。其实dfs与VP、VGS和IDSS相关的。对J-FET(Rs=0) 可以根据需要先确定gm和VGS，再按式(4)估算出gfs和VP，最后按式(3)得到IDSS。

2．VsQ与J-FET的关系

任何规格的J-FET总可以找到相同VsQ。当VG=0时，按式（2）直接用数字电压表即可测得对应于Rs的VsQ。一般而言，J-FET的IDSS、gfs和VP都会影响到VsQ，而这些电参数适当匹配则可以获得相同so。VsQ相同的J-FET，并不一定gm也相同，即使Rs不变，VsQ相同的J-FET也并不一定都是适合既定应用的。VsQ——|VP|是不可能的，除非栅极电位与|vp|之差大于零，即VGs为正极性。而通常的应用中，VGS均是负极性的。VsQ的建立，与电源电压VDD关系不大。虽然VDD=VDS+VSQ，但是当VDS大于VDSat（即VGs=o对应的漏源饱和电压，其值等于|Vp|）时，ID对VDS的变化不敏感。

3．J-FET预选估算

如果是成熟的应用VsQ和gm应该已建立起确定的范围，无论是替换还是设计改进，该范围是基本的依据。PIR产品的VsQ范围和源片产生的电势变化范围都是确定的，PIR源片一般输出呈正的电势变化（也有输出负电势变化的情况）。当VDS小于VDSat时，J-FET处于电阻区，而VDS大于VDSat时则处于饱和区。由于Vso必定小于|Vp|而ISQ必定小于IDSS，因此，PIR产品中的J-FET是工作在饱和区。其最大工作电流为IsP即|vp|/Rs。当Rs确定，则IsP也是确定的。同一型号的J——FET，工作点(Vso，Iso)接近（JvpI，IsP）点，有比较大的g。，反之则明显减小。例如，|vp|=0.7V时，IsP为14.8936mA，Vso为0.66V时，IsQ为14.0425μA，其△Is则为0.8511μA。而VGso（即Vc=0时）为-0.66V，则

可以得到IDS为4.3mA，按式(3)，gfs为12.3ms，按式(4)得gm=0.702ms。在|vp|和IsP相同的条件下，如果VSQ减小到0.6V，同样运算后得IDSS为0.6255mA，gfs为1.787ms，gm则为0.2546ms。两者相差十分明显。因此，同一型号的J-FET，在gm已能满足PIR产品要求时，VsQ不要太大，或者在确定的VsQ时|vp|不要太大。不是同一型号的J-FET，gfs和IDSS大，有比较大的gm，反之则明显减小。工作点(VsQ，IsQ)距（|vp|，IsP）点也可以稍远一些。gm并不是越大越好，如果后续级有放大器，gm满足需求即可。gm大，相对漏电也大，导致信噪比减小和交流特性变差。