Активный режим работы полевого транзистора (JFET)[1]
JFET, как и биполярные транзисторы, могут «дросселировать» (т.е. удерживать в определённых пределах) ток в режиме между отсечкой и насыщением (также называемом активным режимом). Чтобы лучше понять работу JFET, давайте настроим симуляцию SPICE, аналогичную той, которая использовалась для изучения основной функции биполярного транзистора:
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
Обратите внимание, что транзистор, обозначенный на схеме «Q1», представлен в списке соединений SPICE как «j1». Хотя все типы транзисторов обычно обозначаются на схемах как «Q»-устройства (точно так же, как резисторы схемно обозначаются буквой «R», а конденсаторы - буквой «C»), для SPICE необходимо обозначить, какой именно это тип транзистора с помощью другого буквенного обозначения: поскольку «q» зарезервировано для биполярных переходных транзисторов, то для переходных полевых транзисторов используется «j» в качестве первой буквы идентификатора.
Рис. 2. Зависимость выходного тока от напряжения питания.
Здесь видим, что управляющий сигнал – это постоянное напряжение в 1 вольт, приложенное с отрицательной полярностью к затвору полевого транзистора и положительной полярностью к истоку полевого транзистора для обратного смещения P-N-перехода. В первом моделировании BJT в главе 4 для управляющего сигнала использовался источник постоянного тока 20 мкА, но помните, что JFET – это устройство, управляемое напряжением, а не током, как биполярный переходной транзистор.
Как и BJT, JFET склонен регулировать контролируемый ток на фиксированном уровне выше определённого напряжения источника питания, независимо от того, насколько высоко это напряжение может подняться. Конечно, подобное регулирование тока имеет ограничения в реальной жизни – ни один транзистор не может выдерживать бесконечное напряжение от источника питания – и при определённом напряжении сток/исток транзистор «поломается», и ток стока будет увеличиваться. Но в стандартных рабочих пределах JFET поддерживает постоянный ток стока независимо от напряжения источника питания. Чтобы проверить это, запустим ещё одно компьютерное моделирование, на этот раз доведя напряжение источника питания (V1) до 50 вольт:
Рис. 3. Зависимость выходного тока от напряжения питания при входном напряжении 1 вольт.
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
Разумеется, ток стока остается стабильным на уровне 100 мкА (1.000E-04 ампер, если записать в формате с плавающей запятой) независимо от того, насколько высоким было отрегулировано напряжение источника питания.
Поскольку входное напряжение контролирует сужение канала JFET, резонно предположить, что изменение этого напряжения должно быть единственным действием, способным изменить точку регулирования тока для JFET, точно так же, как изменение базового тока на BJT является единственно возможным действием для регулирования тока коллектора. Давайте уменьшим входное напряжение с 1 до 0,5 вольт и посмотрим, что произойдет:
Рис. 4. Зависимость выходного тока от напряжения питания при входном напряжении 0,5 вольта.
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
Как и следовало ожидать, ток стока теперь больше, чем был в предыдущем моделировании. При меньшем напряжении обратного смещения, приложенном к переходу затвор/исток, область обеднения не такая широкая, как была раньше, таким образом «распахнув» канал для носителей заряда и увеличив ток стока.
Однако обратите внимание на фактическое значение этого нового значения тока: 225 мкА (2,250E-04 ампер). Последнее моделирование показало ток стока 100 мкА, и это было при напряжении затвор/исток 1 вольт. Теперь, когда мы уменьшили управляющее напряжение в 2 раза (с 1 В до 0,5 В), ток стока увеличился, но не в той же пропорции 2:1! Давайте ещё разок уменьшим напряжение затвор/исток ещё в два раза (до 0,25 В) и посмотрим, что произойдет:
Рис. 5. Зависимость выходного тока от напряжения питания при входном напряжении 0,25 вольт.
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
При напряжении затвор/исток, установленном на 0,25 В, что вдвое меньше, чем было раньше, ток стока составляет 306,3 мкА. Хотя это всё ещё увеличение по сравнению с 225 мкА по сравнению с предыдущим моделированием, оно не пропорционально изменению управляющего напряжения.
Чтобы лучше понять, что здесь происходит, мы должны запустить другой тип моделирования: тот, который поддерживает постоянное напряжение источника питания и вместо этого изменяет управляющий сигнал (напряжение). Когда такое моделирование выполнялось на BJT, результатом был прямолинейный график, показывающий, насколько линейна зависимость входного и выходного тока BJT. Давайте посмотрим, какие пропорции продемонстрирует JFET на этот раз:
Рис. 6. Зависимость выходного тока от напряжения питания.
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
Это моделирование непосредственно выявляет важную характеристику переходного полевого транзистора: влияние напряжения затвора на ток стока является нелинейным. Обратите внимание на то, что ток стока не уменьшается линейно при увеличении напряжения затвор/исток. В случае биполярного переходного транзистора ток коллектора был прямо пропорционален базовому току: выходной сигнал был пропорционален входному сигналу. Но с JFET всё иначе! Управляющий сигнал (напряжение затвор/исток) всё меньше и меньше влияет на ток стока по мере приближения к отсечке. В этом моделировании бо́льшая часть управляющего воздействия (75 процентов уменьшения тока стока - с 400 мкА до 100 мкА) происходит в пределах первого вольта напряжения затвор/исток (от 0 до 1 вольт), в то время как оставшиеся 25 процентов стока для уменьшения тока требуется ещё один входной сигнал на целый вольт. Отсечка происходит при входном напряжении 2 В.
Линейность обычно важна для транзистора, потому что она позволяет ему точно усиливать форму волны, не искажая её. Если транзистор имеет нелинейное усиление на входе/выходе, форма входного сигнала каким-либо образом будет искажена, что приведёт к возникновению гармоник в выходном сигнале. В единственном случае, когда временна́я линейность не важна в транзисторной схеме – это если она работает в крайних пределах отсечки и насыщения (выключено и включено, соответственно, как переключатель).
Характеристическая кривая JFET
Характеристические кривые JFET демонстрируют то же поведение регулирования тока, что и BJT, а нелинейность между напряжением затвор/исток и током стока очевидна в непропорциональных вертикальных расстояниях между кривыми:
Чтобы лучше понять регулирующее ток поведение JFET, может быть полезно нарисовать модель, состоящую из более простых и распространенных компонентов, как мы это сделали для BJT:
В случае JFET именно напряжение на диодезатвор/исток с обратным смещением задаёт точку регулирования тока для пары диодов постоянного тока. В модель включена пара противоположных диодов постоянного тока для обеспечения протекания тока в любом направлении между истоком и стоком, что стало возможным благодаря униполярной природе канала. При отсутствии P-N-переходов для прохождения тока исток/сток отсутствует чувствительность к полярности в регулируемом токе. По этой причине JFET часто называют двусторонними устройствами.
Сравнение характеристических кривых JFET и кривых для биполярного транзистора показывает заметную разницу: линейная (прямая) часть негоризонтальной области каждой кривой заметно более длинная, чем соответствующие участки характеристических кривых BJT:
Рис. 9. Омические области на графиках выходных характеристик полевого транзистора.
Рис. 10. Для сравнения графики выходных характеристик биполярного транзистора.
JFET-транзистор, выполняющий функции, которые когда-то возлагались на триоды, по своему действию очень похож на простой резистор, измеряемый между стоком и истоком. Как и у всех простых сопротивлений, его график тока/напряжения представляет собой прямую линию. По этой причине участок триодной (негоризонтальный) характеристической кривой полевого транзистора иногда называют омической областью. В этом режиме работы, когда напряжения сток/исток недостаточно для доведения тока стока до регулируемой точки, ток стока прямо пропорционален напряжению сток/исток. В тщательно спроектированной схеме это явление можно использовать с пользой. Управляемый в этой области кривой JFET действует как сопротивление, управляемое напряжением, а не как стабилизатор тока, управляемый напряжением. Соответствующая модель транзистора будет иная:
Рис. 11. Диодно-реостатная модель полевого транзистора с каналом N-типа.
Здесь и только здесь модель транзистора с реостатом (переменным резистором) является точной. Однако следует помнить, что такая модель транзистора действительна только для работы в узком диапазоне условий: когда он чрезвычайно насыщен (гораздо меньшее напряжение приложено между стоком и истоком, чем то, что необходимо для достижения полной регулировки тока через сток). Величина сопротивления (измеряемая в омах) между стоком и истоком в этом режиме контролируется тем, сколько напряжения обратного смещения приложено между затвором и истоком. Чем меньше напряжение затвор/исток, тем меньше сопротивление (будет более крутая линия на графике).
Поскольку полевые транзисторы являются регуляторами тока с регулируемым напряжением (по крайней мере, когда им разрешено работать в активном состоянии), их собственный коэффициент усиления не может быть выражен в виде безразмерного отношения, как у BJT. Другими словами, для JFET нет коэффициента β. Это верно для всех активных устройств, управляемых напряжением, включая другие типы полевых транзисторов и даже электронные лампы. Однако можно выразить через контролируемый ток (стока) и управляющее напряжение (затвор-/исток), и эта величина известна как крутизна. Её единица измерения - Сименс, это та же единица измерения, что используется для проводимости (ранее известная как «мо», т.е. «ом» наоборот).
Почему выбрана именно эта единица измерения? Да потому, что уравнение принимает вид, где общая форма тока (выходной сигнал) делится на напряжение (входной сигнал).
Уравнение крутизны
Рис. 12. Уравнения крутизны.
К сожалению, значение крутизны для любого JFET-транзистора не является стабильной величиной: оно значительно зависит от величины управляющего напряжения затвор/исток, приложенного к транзистору. Как мы видели в моделировании SPICE, ток стока не изменяется пропорционально изменениям напряжения затвор/исток. Чтобы рассчитать ток стока для любого заданного напряжения затвор/исток, можно использовать другое уравнение. При беглом взгляде очевидно, что он нелинейный (обратите внимание на степень двойки), что отражает нелинейное поведение, которое мы уже наблюдали при моделировании:
Рис. 13. Формула для расчёта тока стока.
Итог
В своих активных режимах полевые транзисторы регулируют ток стока в соответствии с величиной напряжения обратного смещения, приложенного между затвором и истоком, подобно тому, как BJT регулирует ток коллектора в соответствии с током базы. Математическое соотношение между током стока (выход) и напряжением затвор-исток (вход) называется крутизной и измеряется в единицах Сименс.
Взаимосвязь между (управляющим) напряжением затвор/исток и (управляемым) током стока является нелинейной: при уменьшении напряжения затвор/исток ток стока увеличивается экспоненциально. Другими словами, крутизна JFET не является постоянной во всем рабочем диапазоне.
В триодной области регионе полевых транзисторов происходит регулировка сопротивления сток/исток, которое зависит от величины обратного смещения напряжения, приложенного между затвором и истоком. Иначе говоря, они действуют как резисторы, управляемые напряжением.
