JFET-Aktivmodus-Betrieb verstehen: Von SPICE-Simulationen zur Transkonduktanz

Junction-Field-Effect-Transistoren (JFETs) verhalten sich in Bezug auf den aktiven Betriebsbereich – zwischen Cutoff und Sättigung – ähnlich wie Bipolartransistoren (BJTs), wo sie Strom regeln. Um dieses Verhalten zu veranschaulichen, führen wir eine SPICE-Simulation durch, die derjenigen für grundlegende BJT-Operationen entspricht.

SPICE-Simulation eines 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

Im Schaltbild ist der mit „Q1“ gekennzeichnete Transistor im SPICE-Netlist als j1 notiert. Während Schaltpläne routinemäßig den Buchstaben „Q“ für jeden Transistor verwenden, verlangt SPICE ein spezifisches Präfix zur Identifikation des Bauelementtyps: q für BJTs und j für JFETs.

Das Steuersignal ist eine konstante 1-V-Quelle, die mit dem negativen Pol an Gate und dem positiven Pol an Source angelegt wird, wodurch die Gate-Source-PN-Strecke sperrgepolart wird. Im Gegensatz zum BJT, der stromgesteuert ist, ist ein JFET spannungsgesteuert, sodass eine 1-V-Gate-Source-Spannung den Drainstrom festlegt.

Wie ein BJT hält ein JFET den Drainstrom nahe einem festen Wert, während die Versorgungsspannung steigt – bis zum Durchbruch. Um dies zu bestätigen, sweepen wir die Versorgungsspannung von 0 auf 50 V bei konstanter Gate-Spannung.

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

Der Drainstrom bleibt konstant bei 100 µA über den gesamten Versorgungsbereich, was die Fähigkeit des JFET demonstriert, Strom über einen weiten Spannungsbereich zu regeln.

Da die Gate-Spannung die Kanalverengung steuert, ist ihre Anpassung der einzige Weg, den geregelten Strompegel zu verschieben – genau wie die Variation des Basisstroms den Kollektorstrom in einem BJT verschiebt. Die Reduzierung der Gate-Spannung auf 0,5 V erhöht den Drainstrom auf 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

Eine weitere Reduzierung der Gate-Spannung auf 0,25 V hebt den Drainstrom auf 306,3 µA an, aber die Beziehung ist eindeutig nichtlinear: Halbieren der Gate-Spannung halbiert nicht den Drainstrom.

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

Um die Nichtlinearität deutlicher zu visualisieren, halten wir die Versorgungsspannung fest und variieren die Gate-Spannung von 0 bis 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

Das Diagramm zeigt, dass der Großteil der Drainstromreduktion (≈ 75 %) innerhalb der ersten 1 V Gate-Spannung stattfindet; die verbleibenden 25 % erfordern ein weiteres volles Volt. Cutoff tritt bei 2 V ein.

JFET-Kennlinien

Die Kennlinien veranschaulichen das gleiche stromregelnde Verhalten wie bei BJTs, aber der Abstand zwischen den Kurven offenbart die Nichtlinearität des JFET.

Ein nützliches mentales Modell ersetzt den JFET durch ein Paar Konstantstromdioden, deren Referenzstrom durch die sperrgepolte Gate-Source-Spannung festgelegt wird. Da der Kanal unipolar ist, ist das Bauelement bilateral – Strom kann in beide Richtungen zwischen Source und Drain fließen.

Vergleicht man die JFET-Kurven mit denen eines BJT, sind die linearen (nicht-horizontalen) Bereiche der JFET-Kurven deutlich länger.

Im Triodenbereich verhält sich ein JFET wie ein einfacher Widerstand; sein Drain-Source-Strom ist proportional zur Drain-Source-Spannung. Dieses ohmsche Verhalten kann in Schaltungen ausgenutzt werden, die einen spannungsgesteuerten Widerstand benötigen.

Hier gilt das Rheostat-Modell nur über einen engen Spannungsbereich, in dem das Bauelement tief in Sättigung ist. Der Widerstand wird durch die Gate-Source-Vorspannung festgelegt: Eine geringere Sperrvorspannung ergibt einen niedrigeren Widerstand (steilere Steigung).

Da JFETs im aktiven Bereich spannungsgesteuerte Stromregler sind, besitzen sie keinen einzelnen Stromverstärkungsfaktor wie BJTs. Stattdessen wird ihre Leistung durch Transkonduktanz (g_m) quantifiziert, gemessen in Siemens, die das Verhältnis der Drainstromänderung zur Gate-Source-Spannungsänderung darstellt.

Transkonduktanz ist nicht konstant; sie variiert mit der Gate-Spannung, wie die quadratische Gleichung illustriert:

Folglich ist die Drainstrom-gegen-Gate-Spannung-Beziehung inhärent nichtlinear, wie die SPICE-Simulation zeigt.

Wiederholung

• Im aktiven Modus regelt ein JFET den Drainstrom durch die sperrgepolte Gate-Source-Spannung, analog zur Basisstromsteuerung eines BJT.
• Die Drainstrom-gegen-Gate-Spannung-Beziehung ist nichtlinear; Transkonduktanz ändert sich über den Betriebsbereich.
• Im Triodenbereich wirkt ein JFET als spannungsgesteuerter Widerstand, dessen Widerstand durch die Gate-Source-Vorspannung eingestellt wird.

Verwandte Arbeitsblätter

• Junction field-effect transistors (JFET) Worksheet