Aktiv-Modus-Betrieb (JFET)

JFETs sind wie Bipolartransistoren in der Lage, den Strom in einem Modus zwischen Cutoff und Sättigung zu „drosseln“, der als aktiv bezeichnet wird Modus. Um den JFET-Betrieb besser zu verstehen, richten wir eine SPICE-Simulation ähnlich der ein, die verwendet wird, um die grundlegende Funktion von Bipolartransistoren zu untersuchen:

Gewürzsimulation einer JFET-Operation

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 

Beachten Sie, dass der Transistor mit der Aufschrift "Q₁ ” im Schaltplan wird in der SPICE-Netzliste als j1 . dargestellt . Obwohl alle Transistortypen in Schaltplänen allgemein als „Q“-Bauelemente bezeichnet werden – genau wie Widerstände mit „R“-Bezeichnungen und Kondensatoren mit „C“ bezeichnet werden, muss SPICE mitgeteilt werden, um welchen Transistortyp es sich handelt eine andere Buchstabenbezeichnung:q für Bipolartransistoren und j für Sperrschicht-Feldeffekttransistoren.

Hier ist das Steuersignal eine konstante Spannung von 1 Volt, die negativ an das JFET-Gate und positiv an die JFET-Source angelegt wird, um den PN-Übergang in Sperrrichtung vorzuspannen. In der ersten BJT-Simulation von Kapitel 4 wurde eine Konstantstromquelle von 20 µA für das Steuersignal verwendet, aber denken Sie daran, dass ein JFET ein spannungsgesteuerter ist Gerät, kein stromgesteuertes Gerät wie der Bipolartransistor.

Wie der BJT neigt der JFET dazu, den geregelten Strom oberhalb einer bestimmten Versorgungsspannung auf einen festen Wert zu regeln, egal wie hoch diese Spannung auch sein mag. Natürlich hat diese Stromregelung im wirklichen Leben Grenzen – kein Transistor kann einer unendlichen Spannung von einer Stromquelle standhalten – und bei ausreichender Drain-Source-Spannung wird der Transistor „durchschlagen“ und der Drain-Strom wird ansteigen. Innerhalb der normalen Betriebsgrenzen hält der JFET jedoch den Drainstrom unabhängig von der Versorgungsspannung auf einem konstanten Niveau. Um dies zu überprüfen, führen wir eine weitere Computersimulation durch, die diesmal die Stromversorgungsspannung (V₁ ) bis 50 Volt:

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 

Tatsächlich bleibt der Drainstrom konstant bei einem Wert von 100 µA (1.000E-04 Ampere), egal wie hoch die Versorgungsspannung eingestellt wird.

Da die Eingangsspannung die Einschnürung des JFET-Kanals steuert, ist es sinnvoll, dass die Änderung dieser Spannung die einzige Maßnahme sein sollte, die den Stromregelpunkt für den JFET ändern kann, genau wie die Änderung des Basisstroms bei einem BJT die einzige Maßnahme ist in der Lage, die Kollektorstromregelung zu ändern. Lassen Sie uns die Eingangsspannung von 1 Volt auf 0,5 Volt senken und sehen, was passiert:

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 

Erwartungsgemäß ist der Drainstrom jetzt größer als in der vorherigen Simulation. Mit einer geringeren Sperrspannung, die über den Gate-Source-Übergang angelegt wird, ist der Verarmungsbereich nicht mehr so ​​breit wie zuvor, wodurch der Kanal für Ladungsträger „öffnet“ und der Drain-Stromwert erhöht wird.

Beachten Sie jedoch den tatsächlichen Wert dieser neuen Stromzahl:225 µA (2.250E-04 Ampere). Die letzte Simulation zeigte einen Drainstrom von 100 µA, und das bei einer Gate-Source-Spannung von 1 Volt. Nachdem wir nun die Steuerspannung um den Faktor 2 reduziert haben (von 1 Volt auf 0,5 Volt), stieg der Drainstrom an, aber nicht im gleichen Verhältnis von 2:1! Lassen Sie uns unsere Gate-Source-Spannung noch einmal um den Faktor 2 reduzieren (bis auf 0,25 Volt) und sehen, was passiert:

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 

Bei einer Gate-Source-Spannung von 0,25 Volt, der Hälfte der vorherigen, beträgt der Drainstrom 306,3 µA. Obwohl dies immer noch eine Steigerung gegenüber den 225 µA aus der vorherigen Simulation ist, ist sie nicht proportional zur Änderung der Steuerspannung.

Um besser zu verstehen, was hier vor sich geht, sollten wir eine andere Art von Simulation durchführen:Eine, die die Versorgungsspannung konstant hält und stattdessen das steuernde (Spannungs-)Signal variiert. Wenn diese Art von Simulation auf einem BJT durchgeführt wurde, war das Ergebnis ein geradliniges Diagramm, das zeigt, wie die Beziehung zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstrom eines BJT linear ist. Sehen wir uns an, welche Art von Beziehung ein JFET aufweist:

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 

Diese Simulation zeigt direkt eine wichtige Eigenschaft des Sperrschicht-Feldeffekttransistors:Der Steuereffekt der Gatespannung über den Drainstrom ist nichtlinear. Beachten Sie, dass der Drainstrom nicht linear abnimmt, wenn die Gate-Source-Spannung erhöht wird. Beim Bipolartransistor war der Kollektorstrom direkt proportional zum Basisstrom:das Ausgangssignal folgte dem Eingangssignal proportional. Nicht so beim JFET! Das Steuersignal (Gate-Source-Spannung) hat immer weniger Einfluss auf den Drain-Strom, wenn er sich dem Abschalten nähert. In dieser Simulation findet der größte Teil der steuernden Aktion (75 Prozent der Drain-Stromabnahme – von 400 µA auf 100 µA) innerhalb des ersten Volts der Gate-Source-Spannung (von 0 auf 1 Volt) statt, während die restlichen 25 Prozent der Drain Die Stromreduzierung benötigt ein weiteres volles Volt des Eingangssignals. Die Abschaltung erfolgt bei 2 Volt Eingang.

Linearität ist im Allgemeinen für einen Transistor wichtig, da sie ihm ermöglicht, eine Wellenform getreu zu verstärken, ohne sie zu verzerren. Wenn ein Transistor in seiner Eingangs-/Ausgangsverstärkung nichtlinear ist, wird die Form der Eingangswellenform in irgendeiner Weise verfälscht, was zur Erzeugung von Oberwellen im Ausgangssignal führt. Die einzige Zeit, in der Linearität in einer Transistorschaltung nicht wichtig ist, ist, wenn sie an den extremen Grenzen von Cutoff und Sättigung betrieben wird (aus- bzw. eingeschaltet wie ein Schalter).

Kennlinie von JFET

Die Kennlinien eines JFET zeigen das gleiche stromregulierende Verhalten wie bei einem BJT, und die Nichtlinearität zwischen Gate-Source-Spannung und Drain-Strom zeigt sich in den unverhältnismäßigen vertikalen Abständen zwischen den Kurven:

Um das stromregulierende Verhalten des JFET besser zu verstehen, könnte es hilfreich sein, ein Modell mit einfacheren, gebräuchlicheren Komponenten zu zeichnen, wie wir es für den BJT getan haben:

Beim JFET ist es die Spannung über die in Sperrrichtung vorgespannte Gate-Source-Diode, die den Stromregelpunkt für das Paar von Konstantstromdioden festlegt. Ein Paar gegenüberliegender Konstantstromdioden ist im Modell enthalten, um den Strom in beide Richtungen zwischen Source und Drain zu ermöglichen, eine Eigenschaft, die durch die unipolare Natur des Kanals ermöglicht wird. Ohne PN-Übergänge für den Source-Drain-Strom gibt es keine Polaritätsempfindlichkeit im gesteuerten Strom. Aus diesem Grund werden JFETs oft als bilateral bezeichnet Geräte.

Ein Vergleich der charakteristischen Kurven des JFET mit den Kurven für einen Bipolartransistor zeigt einen bemerkenswerten Unterschied:Der lineare (gerade) Teil des nicht-horizontalen Bereichs jeder Kurve ist überraschend lang im Vergleich zu den jeweiligen Teilen der charakteristischen Kurven eines BJT:

Ein JFET-Transistor, der in der Triodenregion betrieben wird neigt dazu, sich wie ein einfacher Widerstand zu verhalten, gemessen von Drain zu Source. Wie bei allen einfachen Widerständen ist sein Strom- / Spannungsdiagramm eine gerade Linie. Aus diesem Grund wird der (nicht horizontale) Triodenbereich der charakteristischen Kurve eines JFET manchmal als ohmscher Bereich bezeichnet . In diesem Betriebsmodus, bei dem nicht genügend Drain-Source-Spannung vorhanden ist, um den Drain-Strom auf den geregelten Punkt zu bringen, ist der Drain-Strom direkt proportional zur Drain-Source-Spannung. In einer sorgfältig entworfenen Schaltung kann dieses Phänomen vorteilhaft genutzt werden. In diesem Bereich der Kurve betrieben, verhält sich der JFET wie ein spannungsgesteuerter Widerstand anstelle eines spannungsgesteuerten Stromreglers , und das geeignete Modell für den Transistor ist anders:

Hier und hier allein ist das Rheostat-Modell (variabler Widerstand) eines Transistors genau. Es muss jedoch daran erinnert werden, dass dieses Transistormodell nur für einen engen Betriebsbereich gilt:wenn er extrem gesättigt ist (viel weniger Spannung wird zwischen Drain und Source angelegt, als erforderlich ist, um einen vollständig geregelten Strom durch den Drain zu erreichen ). Der Widerstand (gemessen in Ohm) zwischen Drain und Source in diesem Modus wird dadurch gesteuert, wie viel Sperrspannung zwischen Gate und Source angelegt wird. Je geringer die Gate-Source-Spannung, desto geringer der Widerstand (steilere Linie im Diagramm).

Weil JFETs Spannung sind -gesteuerten Stromreglern (zumindest wenn sie in ihrer aktiven Funktion betrieben werden dürfen), kann ihr inhärenter Verstärkungsfaktor nicht wie bei BJTs als einheitenloses Verhältnis ausgedrückt werden. Mit anderen Worten, es gibt kein β-Verhältnis für einen JFET. Dies gilt für alle spannungsgesteuerten aktiven Bauelemente, einschließlich anderer Arten von Feldeffekttransistoren und sogar Elektronenröhren. Es gibt jedoch einen Ausdruck des gesteuerten (Drain-)Stroms zur Steuerung der (Gate-Source-)Spannung und wird als Transkonduktanz bezeichnet . Seine Einheit ist Siemens, die gleiche Einheit für den Leitwert (früher bekannt als mho ).

Warum diese Geräteauswahl? Weil die Gleichung die allgemeine Form von Strom (Ausgangssignal) dividiert durch Spannung (Eingangssignal) annimmt.

Transkonduktanzgleichung

Leider ist der Transkonduktanzwert für jeden JFET keine stabile Größe:Er variiert erheblich mit der Höhe der Gate-Source-Steuerspannung, die an den Transistor angelegt wird. Wie wir in den SPICE-Simulationen gesehen haben, ändert sich der Drainstrom nicht proportional zu Änderungen der Gate-Source-Spannung. Um den Drainstrom für jede gegebene Gate-Source-Spannung zu berechnen, gibt es eine andere Gleichung, die verwendet werden kann. Es ist bei der Inspektion offensichtlich nichtlinear (beachten Sie die Potenz von 2), was das nichtlineare Verhalten widerspiegelt, das wir bereits in der Simulation erlebt haben:

RÜCKBLICK:

• In ihren aktiven Modi regulieren JFETs den Drainstrom entsprechend der zwischen Gate und Source angelegten Sperrspannung, ähnlich wie ein BJT den Kollektorstrom entsprechend dem Basisstrom regelt. Das mathematische Verhältnis zwischen Drainstrom (Ausgang) und Gate-Source-Spannung (Eingang) wird als Transkonduktanz bezeichnet , und wird in Einheiten von Siemens gemessen.
• Die Beziehung zwischen Gate-Source-(Steuer)-Spannung und Drain-(gesteuertem) Strom ist nichtlinear:Wenn die Gate-Source-Spannung sinkt, steigt der Drain-Strom exponentiell an. Das heißt, die Transkonduktanz eines JFET ist über seinen Betriebsbereich nicht konstant.
• In ihrer Triodenregion regulieren JFETs den Drain-Source-Widerstand entsprechend dem Betrag der zwischen Gate und Source angelegten Sperrspannung. Mit anderen Worten, sie wirken wie spannungsgesteuerte Widerstände.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Junction-Feldeffekttransistoren (JFET)