Понимание активного режима JFET: от SPICE-моделирования к транскондуктансу

Транзисторы с p-n переходом управления полем (JFET) ведут себя так же, как биполярные транзисторы (BJT), в том смысле, что они могут работать в активном режиме — между запиранием и насыщением — где они регулируют ток. Для иллюстрации этого поведения мы запустим SPICE-моделирование, зеркалящее то, что использовалось для изучения базовой работы BJT.

SPICE-моделирование 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

На схеме транзистор, обозначенный «Q1», в SPICE-нетлисте записан как j1. Хотя схемотехнические диаграммы обычно используют букву «Q» для обозначения любого транзистора, SPICE требует специфический префикс для идентификации типа прибора: q для BJT и j для JFET.

Управляющий сигнал — постоянный 1-В источник, приложенный с отрицательным выводом к затвору и положительным к источнику, тем самым обратно-смещая затвор-источный PN-переход. В отличие от BJT, который управляется током, JFET управляется напряжением, поэтому 1 В затвор-источного напряжения устанавливает стоковый ток.

Как и BJT, JFET удерживает стоковый ток близко к фиксированному значению при увеличении напряжения питания — до точки пробоя. Для подтверждения мы варьируем напряжение питания от 0 до 50 В, удерживая затворное напряжение постоянным.

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

Стоковый ток остается стабильным на уровне 100 мкА на всем диапазоне напряжения питания, демонстрируя способность JFET регулировать ток в широком напряженном диапазоне.

Поскольку затворное напряжение управляет зажимом канала, его регулировка — единственный способ сдвинуть уровень регулируемого тока — точно так же, как изменение базового тока смещает коллекторный ток в BJT. Снижение затворного напряжения до 0,5 В увеличивает стоковый ток до 225 мкА.

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

Дальнейшее снижение затворного напряжения до 0,25 В поднимает стоковый ток до 306,3 мкА, но связь явно нелинейна: уменьшение затворного напряжения вдвое не удваивает стоковый ток.

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

Для более наглядного представления нелинейности мы фиксируем напряжение питания и варьируем затворное напряжение от 0 до 2 В.

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

График показывает, что большая часть снижения стокового тока (≈ 75 %) происходит в пределах первого 1 В затворного напряжения; оставшиеся 25 % требуют дополнительного полного вольта. Запирание наступает при 2 В.

Характеристические кривые JFET

Характеристические кривые иллюстрируют то же токорегулирующее поведение, что и у BJT, но интервал между кривыми раскрывает нелинейность JFET.

Полезная мысленная модель заменяет JFET парой диодов постоянного тока, чей опорный ток задается обратным затвор-источным напряжением. Поскольку канал униполярный, прибор двунаправленный — ток может течь в любом направлении между источником и стоком.

Когда мы сравниваем кривые JFET с кривыми BJT, линейные (не-горизонтальные) участки кривых JFET заметно длиннее.

В триодной области JFET ведет себя как обычный резистор; его стоково-источный ток прямо пропорционален стоково-источному напряжению. Это омическое поведение можно использовать в схемах, требующих напряжение-управляемого сопротивления.

Здесь реостатная модель применяется только в узком напряженном диапазоне, где прибор глубоко насыщен. Сопротивление задается затвор-источным напряжением: меньшее обратное смещение дает меньшее сопротивление (круче наклон).

Поскольку JFET — напряжение-управляемые токовые стабилизаторы в активной области, у них нет единого коэффициента усиления по току, как у BJT. Вместо этого их производительность количественно определяется транскондуктансом (g_m), измеряемом в Сименсах, который представляет отношение изменения стокового тока к изменению затвор-источного напряжения.

Транскондуктанса не постоянна; она варьируется с затворным напряжением, как иллюстрирует квадратичное уравнение:

Следовательно, зависимость стокового тока от затворного напряжения по своей природе нелинейна, как показано SPICE-моделированием.

Обзор

• В активном режиме JFET регулирует стоковый ток через обратное затвор-источное напряжение, аналогично управлению базовым током BJT.
• Зависимость стокового тока от затворного напряжения нелинейна; транскондуктанса меняется по рабочему диапазону.
• В триодной области JFET действует как напряжение-управляемый резистор, с сопротивлением, заданным затвор-источным смещением.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по транзисторам с p-n переходом управления полем (JFET)