JFET Actieve-Modus Operatie Begrijpen: Van SPICE Simulaties naar Transconductantie

Junction-field-effect transistoren (JFETs) gedragen zich veel als bipolaire transistors (BJTs) in het sens dat ze in een actief regime kunnen opereren – tussen afknipping en verzadiging – waar ze stroom regelen. Om dit gedrag te illustreren, zullen we een SPICE-simulatie uitvoeren die de Spiegelbeeld is van de bestudeerde basale BJT-operatie.

SPICE Simulatie van een 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

In het schema is de transistor gelabeld 'Q1' geschreven als j1 in de SPICE netlist. Hoewel schakelingdiagramen routinematig de letter 'Q' gebruiken om elke transistor aan te duiden, vereist SPICE een specifiek voorvoegsel om het toesteltype te identificeren: q voor BJTs en j voor JFETs.

Het controlerende signaal is een constante 1-V bron toegepast met de negatieve terminal aan de gate en de positieve terminal aan de source, waardoor de gate-source PN-overgang omgekeerd gebiaseerd wordt. In tegenstelling tot een BJT, die stroom-gecontroleerd is, is een JFET spanning-gecontroleerd, dus een 1-V gate-source spanning stelt de drainstroom in.

Net als een BJT, houdt een JFET de drainstroom bij een vaste waarde naarmate de voedingsspanning toeneemt – tot het punt dat breakdown optreedt. Om dit te bevestigen, sweepten we de voedingsspanning van 0 tot 50 V terwijl we de gate-spanning constant hielden.

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

De drainstroom blijft constant op 100 µA ongeacht de voedingsspanning, wat de capaciteit van de JFET aantoont om stroom te regelen over een wijd spanningsbereik.

Omdat de gate-spanning de kanaalvernauwing controleert, is het aanpassen ervan de enige manier om het gereguleerde stroomniveau te verschuiven – net als het varieren van de basisstroom de collectorstroom in een BJT verschuift. Het verlagen van de gate-spanning naar 0,5 V verhoogt de drainstroom tot 225 µA.

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

Het verder verlagen van de gate-spanning naar 0,25 V verhoogt de drainstroom tot 306,3 µA, maar de relatie is duidelijk non-lineair: het halveren van de gate-spanning halveert niet de drainstroom.

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

Om de non-lineariteit duidelijker te visualiseren, houden we de voedingsspanning vast en variëren de gate-spanning van 0 tot 2 V.

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

De grafiek toont dat de meeste van de drainstroomreductie (≈ 75%) plaatsvindt binnen de eerste 1 V van gate-spanning; de resterende 25% vereist een extra volle volt. Afknipping treedt op bij 2 V.

JFET Kenmerkcurves

De kenmerkcurves illustreren hetzelfde stroom-regulerende gedrag gezien in BJTs, maar de ruimte tussen de curves onthult de non-lineariteit van de JFET.

Een nuttig mentaal model vervangt de JFET door een paar constante-stroom dioden wiens referentiestroom ingesteld wordt door de omgekeerde-gebiaseerde gate-source spanning. Omdat het kanaal unipolair is, is het toestel bilateraal – stroom kan in beide richtingen vloeien tussen source en drain.

Wanneer we de JFET-curves vergelijken met die van een BJT, zijn de lineaire (niet-horizontale) delen van de JFET-curves merkbaar langer.

In de triode-regio gedraagt een JFET zich als een gewone weerstand; de drain-naar-source stroom is direct evenredig met de drain-naar-source spanning. Dit ohmse gedrag kan benut worden in schakelingen die een spanning-gecontroleerde weerstand vereisen.

Hier geldt het rheostaatmodel slechts over een smal spanningsbereik waar het toestel diep verzadigd is. De weerstand wordt ingesteld door de gate-source spanning: een kleinere omgekeerde bias levert een lagere weerstand (stekelere helling).

Omdat JFETs spanning-gecontroleerde stroomregelaars zijn in de actieve regio, bezitten ze geen enkele stroomversterkingsfactor zoals BJTs. In plaats daarvan wordt hun prestatie gekwantificeerd door transconductantie (gm), gemeten in Siemens, wat de verhouding vertegenwoordigt van drainstroomverandering tot gate-source spanningverandering.

Transconductantie is niet constant; het varieert met gate-spanning, geïllustreerd door de kwadratische vergelijking:

Daarom is de drainstroom versus gate-spanning relatie inherent non-lineair, zoals getoond door de SPICE-simulatie.

Overzicht

• In actieve modus regelt een JFET drainstroom door de omgekeerde-gebiaseerde gate-source spanning, analoog aan de basistroomcontrole van een BJT.
• De drainstroom versus gate-spanning relatie is non-lineair; transconductantie verandert over het werkbereik.
• In de triode-regio fungeert een JFET als een spanning-gecontroleerde weerstand, met weerstand ingesteld door de gate-source bias.

Gerelateerde Werkbladen

• Junction field-effect transistors (JFET) Werkblad