Работа в активном режиме (JFET)

JFET, как и биполярные транзисторы, могут «дросселировать» ток в режиме между отсечкой и насыщением, который называется активным режим. Чтобы лучше понять работу JFET, давайте настроим SPICE-симуляцию, аналогичную той, которая использовалась для изучения основных функций биполярного транзистора:

Spice Моделирование работы JFET

 jfet Simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 2 0,05 .plot dc i (vammeter) .end 

Обратите внимание, что транзистор с надписью «Q ₁ ”На схеме представлен в списке соединений SPICE как j1 . Хотя все типы транзисторов обычно упоминаются в схемах как «Q» -устройства - точно так же, как резисторы обозначаются буквой «R», а конденсаторы - буквой «C», SPICE необходимо сообщить, какой это тип транзистора с помощью другое буквенное обозначение: q для транзисторов с биполярным переходом и j для переходных полевых транзисторов.

Здесь управляющий сигнал представляет собой постоянное напряжение в 1 вольт, приложенное с отрицательной полярностью к затвору полевого транзистора и положительным полюсом к истоку полевого транзистора для обратного смещения PN перехода. В первом моделировании BJT главы 4 для управляющего сигнала использовался источник постоянного тока 20 мкА, но помните, что JFET - это управляемый напряжением устройство, а не устройство с регулируемым током, такое как биполярный переходный транзистор.

Как и BJT, JFET имеет тенденцию регулировать контролируемый ток на фиксированном уровне выше определенного напряжения источника питания, независимо от того, насколько высоко это напряжение может подняться. Конечно, это регулирование тока имеет ограничения в реальной жизни - ни один транзистор не может выдерживать бесконечное напряжение от источника питания - и при достаточном напряжении сток-исток транзистор «сломается», и ток стока будет увеличиваться. Но в нормальных рабочих пределах JFET поддерживает постоянный ток стока независимо от напряжения источника питания. Чтобы проверить это, мы запустим еще одно компьютерное моделирование, на этот раз изменяя напряжение источника питания (V ₁ ) полностью до 50 вольт:

 jfet Simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .end 

Разумеется, ток стока остается стабильным на уровне 100 мкА (1.000E-04 ампер) независимо от того, насколько высоким будет установлено напряжение источника питания.

Поскольку входное напряжение контролирует сужение канала JFET, имеет смысл, что изменение этого напряжения должно быть единственным действием, способным изменить точку регулирования тока для JFET, точно так же, как изменение базового тока на BJT является единственным действием. возможность изменения регулирования тока коллектора. Давайте уменьшим входное напряжение с 1 до 0,5 вольт и посмотрим, что произойдет:

 jfet Simulation vin 0 1 dc 0.5 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .end 

Как и ожидалось, ток стока теперь больше, чем был в предыдущем моделировании. При меньшем напряжении обратного смещения, приложенном к переходу затвор-исток, обедненная область не такая широкая, как была раньше, таким образом «открывая» канал для носителей заряда и увеличивая ток стока.

Однако обратите внимание на фактическое значение этого нового значения тока:225 мкА (2,250E-04 ампер). Последнее моделирование показало ток стока 100 мкА, и это было при напряжении затвор-исток 1 вольт. Теперь, когда мы уменьшили управляющее напряжение в 2 раза (с 1 В до 0,5 В), ток стока увеличился, но не в той же пропорции 2:1! Давайте еще раз уменьшим напряжение затвор-исток еще в два раза (до 0,25 В) и посмотрим, что произойдет:

 jfet Simulation vin 0 1 dc 0,25 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .end 

При напряжении затвор-исток, установленном на 0,25 В, вдвое меньшем, чем было раньше, ток стока составляет 306,3 мкА. Хотя это все еще увеличение по сравнению с 225 мкА по сравнению с предыдущим моделированием, оно не пропорционально к изменению управляющего напряжения.

Чтобы лучше понять, что здесь происходит, мы должны запустить другой тип моделирования:тот, который поддерживает постоянным напряжение источника питания и вместо этого изменяет управляющий сигнал (напряжение). Когда такое моделирование выполнялось на BJT, результатом был прямолинейный график, показывающий, насколько линейна зависимость входного тока / выходного тока BJT. Давайте посмотрим, какие отношения демонстрирует JFET:

 jfet Simulation vin 0 1 dc j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc 25 .model mod1 njf .dc vin 0 2 0.1 .plot dc i (vammeter) .end 

Это моделирование непосредственно выявляет важную характеристику полевого транзистора с переходным эффектом:влияние напряжения затвора на ток стока является нелинейным. Обратите внимание на то, что ток стока не уменьшается линейно при увеличении напряжения затвор-исток. В случае биполярного переходного транзистора ток коллектора был прямо пропорционален базовому току:выходной сигнал был пропорционален входному сигналу. Но не так с JFET! Управляющий сигнал (напряжение затвор-исток) все меньше и меньше влияет на ток стока по мере приближения к отсечке. В этом моделировании большая часть управляющего воздействия (75 процентов уменьшения тока стока - с 400 мкА до 100 мкА) происходит в пределах первого вольта напряжения затвор-исток (от 0 до 1 вольт), в то время как оставшиеся 25 процентов стока Для уменьшения тока требуется еще один входной сигнал на целый вольт. Отсечка происходит при входном напряжении 2 В.

Линейность обычно важна для транзистора, потому что она позволяет ему точно усиливать форму волны, не искажая ее. Если транзистор имеет нелинейное усиление на входе / выходе, форма входного сигнала каким-либо образом будет искажена, что приведет к возникновению гармоник в выходном сигнале. Единственная временная линейность не важна в транзисторной схеме - это когда она работает в крайних пределах отсечки и насыщения (выключено и включено, соответственно, как переключатель).

Характеристическая кривая JFET

Характеристические кривые JFET демонстрируют то же поведение регулирования тока, что и BJT, а нелинейность между напряжением затвор-исток и током стока очевидна в непропорциональных вертикальных расстояниях между кривыми:

Чтобы лучше понять регулирующее ток поведение JFET, может быть полезно нарисовать модель, состоящую из более простых и распространенных компонентов, как мы это сделали для BJT:

В случае JFET это напряжение через диод затвор-исток с обратным смещением, который устанавливает точку регулирования тока для пары диодов постоянного тока. В модель включена пара противоположных диодов постоянного тока для обеспечения протекания тока в любом направлении между истоком и стоком, что стало возможным благодаря униполярной природе канала. При отсутствии PN-переходов для прохождения тока исток-сток отсутствует чувствительность к полярности в регулируемом токе. По этой причине JFET часто называют двусторонними . устройств.

Сравнение характеристических кривых полевого транзистора с кривыми для биполярного транзистора показывает заметную разницу:линейный (прямой) участок негоризонтальной области каждой кривой на удивление длинный по сравнению с соответствующими частями характеристических кривых биполярного транзистора:

JFET-транзистор, работающий в триодной области имеет тенденцию действовать очень похоже на простой резистор при измерении от стока до истока. Как и у всех простых сопротивлений, его график тока / напряжения представляет собой прямую линию. По этой причине участок триода (негоризонтальный) характеристической кривой полевого транзистора иногда называют омической областью . . В этом режиме работы, когда напряжение сток-исток недостаточно для доведения тока стока до регулируемой точки, ток стока прямо пропорционален напряжению сток-исток. В тщательно спроектированной схеме это явление можно использовать с пользой. Управляемый в этой области кривой JFET действует как управляемый напряжением сопротивление . а не регулятор тока , управляемый напряжением , а подходящая модель для транзистора другая:

Здесь и только здесь модель транзистора с реостатом (переменным резистором) является точной. Однако следует помнить, что эта модель транзистора верна только для узкого диапазона его работы:когда он чрезвычайно насыщен (гораздо меньшее напряжение, приложенное между стоком и истоком, чем то, что необходимо для достижения полного регулируемого тока через сток. ). Величина сопротивления (измеряется в омах) между стоком и истоком в этом режиме контролируется тем, сколько напряжения обратного смещения приложено между затвором и истоком. Чем меньше напряжение затвор-исток, тем меньше сопротивление (более крутая линия на графике).

Поскольку полевые транзисторы JFET имеют напряжение -управляемые регуляторы тока (по крайней мере, когда им разрешено работать в активном состоянии), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен в виде безразмерного коэффициента, как у BJT. Другими словами, для JFET нет коэффициента β. Это верно для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако существует выражение от контролируемого тока (стока) до управляющего напряжения (затвор-исток), которое называется крутизной . . Его единица измерения - Сименс, такая же единица измерения проводимости (ранее известная как mho ).

Почему такой выбор единиц? Поскольку уравнение принимает общую форму тока (выходной сигнал), деленного на напряжение (входной сигнал).

Уравнение крутизны

К сожалению, значение крутизны для любого полевого транзистора JFET не является стабильной величиной:оно значительно зависит от величины управляющего напряжения затвор-исток, приложенного к транзистору. Как мы видели в моделировании SPICE, ток стока не изменяется пропорционально изменениям напряжения затвор-исток. Чтобы рассчитать ток стока для любого заданного напряжения затвор-исток, можно использовать другое уравнение. При осмотре очевидно, что он нелинейный (обратите внимание на степень двойки), что отражает нелинейное поведение, которое мы уже испытали при моделировании:

ОБЗОР:

• В своих активных режимах полевые транзисторы регулируют ток стока в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком, подобно тому, как BJT регулирует ток коллектора в соответствии с током базы. Математическое соотношение между током стока (выход) и напряжением затвор-исток (вход) называется крутизной . и измеряется в единицах Сименс.
• Взаимосвязь между напряжением затвор-исток (управление) и током стока (управляемым) является нелинейным:по мере уменьшения напряжения затвор-исток ток стока увеличивается экспоненциально. Другими словами, крутизна JFET не является постоянной во всем рабочем диапазоне.
• В своей области триода JFET регулируют сопротивление сток-исток. в зависимости от величины напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком. Другими словами, они действуют как резисторы, регулируемые напряжением.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист соединительных полевых транзисторов (JFET)