Active-mode Operation (JFET)

JFET's zijn, net als bipolaire transistors, in staat om stroom te "smooren" in een modus tussen cutoff en verzadiging, de actieve genoemd. modus. Laten we, om de werking van JFET beter te begrijpen, een SPICE-simulatie opzetten die lijkt op de simulatie die wordt gebruikt om de basisfunctie van de bipolaire transistor te onderzoeken:

Spice-simulatie van een JFET-operatie

jfet simulatie 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 

Merk op dat de transistor met het label “Q₁ ” in het schema wordt in de SPICE-netlijst weergegeven als j1 . Hoewel alle transistortypen gewoonlijk "Q" -apparaten worden genoemd in circuitschema's - net zoals weerstanden worden aangeduid met "R" -aanduidingen en condensatoren met "C" - moet SPICE worden verteld welk type transistor dit is door middel van een andere letteraanduiding:q voor bipolaire junctietransistoren, en j voor junction-veldeffecttransistoren.

Hier is het stuursignaal een constante spanning van 1 volt, toegepast met negatief naar de JFET-poort en positief naar de JFET-bron, om de PN-overgang om te keren. In de eerste BJT-simulatie van hoofdstuk 4 werd een constante stroombron van 20 µA gebruikt voor het stuursignaal, maar onthoud dat een JFET een spanningsgestuurde is apparaat, geen stroomgestuurd apparaat zoals de bipolaire junctietransistor.

Net als de BJT heeft de JFET de neiging om de gecontroleerde stroom op een vast niveau boven een bepaalde voedingsspanning te regelen, hoe hoog die spanning ook mag stijgen. Natuurlijk heeft deze stroomregeling in het echte leven grenzen - geen enkele transistor is bestand tegen oneindige spanning van een stroombron - en met voldoende afvoer-naar-bronspanning zal de transistor "uitvallen" en zal de afvoerstroom stijgen. Maar binnen normale bedrijfslimieten houdt de JFET de afvoerstroom op een constant niveau, onafhankelijk van de voedingsspanning. Om dit te verifiëren, voeren we nog een computersimulatie uit, deze keer over de voedingsspanning (V₁ ) helemaal tot 50 volt:

jfet simulatie 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 

En ja hoor, de afvoerstroom blijft stabiel op een waarde van 100 µA (1.000E-04 ampère), ongeacht hoe hoog de voedingsspanning is aangepast.

Omdat de ingangsspanning controle heeft over de vernauwing van het kanaal van de JFET, is het logisch dat het veranderen van deze spanning de enige actie is die het huidige regelpunt voor de JFET kan veranderen, net zoals het veranderen van de basisstroom op een BJT de enige actie is in staat om de collectorstroomregeling te wijzigen. Laten we de ingangsspanning verlagen van 1 volt naar 0,5 volt en kijken wat er gebeurt:

jfet simulatie 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 

Zoals verwacht is de afvoerstroom nu groter dan in de vorige simulatie. Met minder sperspanning die wordt aangelegd over de poort-bronovergang, is het uitputtingsgebied niet zo breed als voorheen, waardoor het kanaal voor ladingsdragers wordt "geopend" en het afvoerstroomcijfer wordt verhoogd.

Let echter op de werkelijke waarde van dit nieuwe stroomgetal:225 µA (2.250E-04 ampère). De laatste simulatie toonde een afvoerstroom van 100 µA, en dat was bij een gate-source spanning van 1 volt. Nu we de stuurspanning met een factor 2 hebben verlaagd (van 1 volt naar 0,5 volt), nam de afvoerstroom toe, maar niet met dezelfde verhouding van 2:1! Laten we onze gate-source-spanning nog een keer verlagen met nog een factor 2 (tot 0,25 volt) en kijken wat er gebeurt:

jfet simulatie 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 

Met de gate-source-spanning ingesteld op 0,25 volt, de helft van wat het voorheen was, is de afvoerstroom 306,3 A. Hoewel dit nog steeds een toename is ten opzichte van de 225 µA van de vorige simulatie, is het niet proportioneel aan de verandering van de stuurspanning.

Om een ​​beter begrip te krijgen van wat hier aan de hand is, moeten we een ander soort simulatie uitvoeren:een simulatie die de voedingsspanning constant houdt en in plaats daarvan het sturende (spannings)signaal varieert. Toen dit soort simulatie werd uitgevoerd op een BJT, was het resultaat een lineaire grafiek, die laat zien hoe de relatie tussen ingangsstroom en uitgangsstroom van een BJT lineair is. Laten we eens kijken wat voor soort relatie een JFET vertoont:

jfet simulatie 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 

Deze simulatie onthult direct een belangrijk kenmerk van de junctie-veldeffecttransistor:het regeleffect van poortspanning over afvoerstroom is niet-lineair. Merk op hoe de afvoerstroom niet lineair afneemt naarmate de poort-bronspanning toeneemt. Met de bipolaire junctietransistor was de collectorstroom recht evenredig met de basisstroom:het uitgangssignaal volgde proportioneel het ingangssignaal. Niet zo met de JFET! Het stuursignaal (poort-bronspanning) heeft steeds minder effect op de afvoerstroom naarmate deze de afsnijding nadert. In deze simulatie vindt het grootste deel van de regelactie (75 procent van de afvoerstroomafname - van 400 A tot 100 µA) plaats binnen de eerste volt poort-bronspanning (van 0 tot 1 volt), terwijl de resterende 25 procent van de afvoer stroomreductie kost nog een hele volt aan ingangssignaal. Uitschakeling vindt plaats bij een ingang van 2 volt.

Lineariteit is over het algemeen belangrijk voor een transistor omdat het een golfvorm getrouw kan versterken zonder deze te vervormen. Als een transistor niet-lineair is in zijn ingangs-/uitgangsversterking, zal de vorm van de ingangsgolfvorm op de een of andere manier beschadigd raken, wat leidt tot de productie van harmonischen in het uitgangssignaal. De enige keer dat lineariteit niet belangrijk is in een transistorcircuit, is wanneer het wordt gebruikt op de uiterste limieten van afsnijding en verzadiging (respectievelijk uit en aan, zoals een schakelaar).

JFET's karakteristieke curve

De karakteristieke curven van een JFET vertonen hetzelfde stroomregulerende gedrag als voor een BJT, en de niet-lineariteit tussen gate-to-source-spanning en drain-stroom is duidelijk in de onevenredige verticale afstanden tussen de curven:

Om het stroomregulerende gedrag van de JFET beter te begrijpen, kan het nuttig zijn om een ​​model te tekenen dat bestaat uit eenvoudigere, meer algemene componenten, net zoals we deden voor de BJT:

In het geval van de JFET is dit de spanning over de omgekeerd voorgespannen poort-brondiode die het stroomregelpunt voor het paar constante stroomdiodes instelt. Een paar tegenover elkaar liggende diodes met constante stroom is in het model opgenomen om de stroom in beide richtingen tussen source en drain te vergemakkelijken, een eigenschap die mogelijk wordt gemaakt door de unipolaire aard van het kanaal. Zonder PN-overgangen waar de bron-afvoerstroom doorheen moet, is er geen polariteitsgevoeligheid in de geregelde stroom. Om deze reden worden JFET's vaak bilateraal genoemd apparaten.

Een contrast van de karakteristieke curven van de JFET tegen de curven voor een bipolaire transistor onthult een opmerkelijk verschil:het lineaire (rechte) deel van het niet-horizontale gebied van elke curve is verrassend lang in vergelijking met de respectieve delen van de karakteristieke curven van een BJT:

Een JFET-transistor die werkt in het triodegebied heeft de neiging zich te gedragen als een gewone weerstand, gemeten van afvoer naar bron. Zoals alle eenvoudige weerstanden, is de stroom / spanningsgrafiek een rechte lijn. Om deze reden wordt het triode-gebied (niet-horizontale) gedeelte van de karakteristieke curve van een JFET soms het ohmse gebied genoemd. . In deze bedrijfsmodus waarbij er niet voldoende afvoer-naar-bronspanning is om de afvoerstroom naar het gereguleerde punt te brengen, is de afvoerstroom recht evenredig met de afvoer-naar-bronspanning. In een zorgvuldig ontworpen circuit kan dit fenomeen in het voordeel worden gebruikt. De JFET werkt in dit deel van de curve en werkt als een spanningsgestuurde weerstand in plaats van een spanningsgestuurde stroomregelaar , en het juiste model voor de transistor is anders:

Hier en hier alleen is het reostaatmodel (variabele weerstand) van een transistor nauwkeurig. Er moet echter aan worden herinnerd dat dit model van de transistor alleen geldt voor een smal bereik van zijn werking:wanneer het extreem verzadigd is (veel minder spanning tussen afvoer en bron dan nodig is om volledig gereguleerde stroom door de afvoer te krijgen ). De hoeveelheid weerstand (gemeten in ohm) tussen drain en source in deze modus wordt geregeld door hoeveel sperspanning wordt toegepast tussen gate en source. Hoe minder gate-to-source-spanning, hoe minder weerstand (steilere lijn op grafiek).

Omdat JFET's voltage zijn -gecontroleerde stroomregelaars (tenminste als ze in hun actieve toestand mogen werken), hun inherente versterkingsfactor kan niet worden uitgedrukt als een eenheidloze verhouding zoals bij BJT's. Met andere woorden, er is geen β-ratio voor een JFET. Dit geldt voor alle spanningsgestuurde actieve apparaten, inclusief andere typen veldeffecttransistoren en zelfs elektronenbuizen. Er is echter een uitdrukking van gecontroleerde (afvoer)stroom voor het regelen van (gate-source) spanning, en dit wordt transconductantie genoemd. . De eenheid is Siemens, dezelfde eenheid voor geleiding (voorheen bekend als de mho ).

Waarom deze keuze van eenheden? Omdat de vergelijking de algemene vorm aanneemt van stroom (uitgangssignaal) gedeeld door spanning (ingangssignaal).

Transconductantievergelijking

Helaas is de transconductantiewaarde voor elke JFET geen stabiele hoeveelheid:deze varieert aanzienlijk met de hoeveelheid gate-to-source stuurspanning die op de transistor wordt toegepast. Zoals we in de SPICE-simulaties zagen, verandert de afvoerstroom niet proportioneel met veranderingen in de poort-bronspanning. Om de afvoerstroom voor een gegeven poort-bronspanning te berekenen, is er een andere vergelijking die kan worden gebruikt. Het is duidelijk niet-lineair bij inspectie (let op de kracht van 2), en weerspiegelt het niet-lineaire gedrag dat we al in simulatie hebben ervaren:

BEOORDELING:

• In hun actieve modus regelen JFET's de afvoerstroom volgens de hoeveelheid sperspanning die wordt aangelegd tussen de poort en de bron, net zoals een BJT de collectorstroom regelt volgens de basisstroom. De wiskundige verhouding tussen afvoerstroom (uitgang) en poort-naar-bronspanning (ingang) wordt transconductantie genoemd. , en het wordt gemeten in eenheden van Siemens.
• De relatie tussen gate-source (stuur)spanning en drain (gecontroleerde) stroom is niet-lineair:naarmate de gate-source-spanning afneemt, neemt de drainstroom exponentieel toe. Dat wil zeggen, de transconductantie van een JFET is niet constant over zijn werkbereik.
• In hun triode-gebied reguleren JFET's de drain-to-source weerstand afhankelijk van de hoeveelheid sperspanning die wordt aangelegd tussen poort en bron. Met andere woorden, ze werken als spanningsgestuurde weerstanden.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Junction field-effect transistors (JFET) werkblad