활성 모드 작업(JFET)

바이폴라 트랜지스터와 같은 JFET는 활성이라고 하는 차단과 포화 사이의 모드에서 전류를 "조절"할 수 있습니다. 방법. JFET 작동을 더 잘 이해하기 위해 기본 바이폴라 트랜지스터 기능을 탐색하는 데 사용되는 것과 유사한 SPICE 시뮬레이션을 설정해 보겠습니다.

JFET 작업의 스파이스 시뮬레이션

jfet 시뮬레이션 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 

"Q₁로 표시된 트랜지스터 회로도에서 "는 SPICE 넷리스트에서 j1으로 표시됩니다. . 저항이 "R"로, 커패시터가 "C"로 표시되는 것처럼 모든 트랜지스터 유형은 일반적으로 회로도에서 "Q" 장치로 표시되지만 다음을 통해 SPICE에 이것이 어떤 유형의 트랜지스터인지 알려야 합니다. 다른 문자 지정:q 바이폴라 접합 트랜지스터의 경우, j 접합 전계 효과 트랜지스터용.

여기에서 제어 신호는 PN 접합을 역 바이어스하기 위해 JFET 게이트에 음으로, JFET 소스에 양으로 적용되는 1볼트의 정상 전압입니다. 4장의 첫 번째 BJT 시뮬레이션에서 제어 신호에 20μA의 정전류 소스가 사용되었지만 JFET는 전압 제어 바이폴라 접합 트랜지스터와 같은 전류 제어 장치가 아닌 장치입니다.

BJT와 마찬가지로 JFET는 전압이 얼마나 높은지 상관없이 특정 전원 공급 장치 전압 이상의 고정된 수준에서 제어된 전류를 조절하는 경향이 있습니다. 물론 이 전류 조정은 실제 생활에서 한계가 있습니다. 어떤 트랜지스터도 전원의 무한한 전압을 견딜 수 없으며 충분한 드레인-소스 전압이 있으면 트랜지스터가 "파손"되고 드레인 전류가 급증합니다. 그러나 정상 작동 한계 내에서 JFET는 전원 공급 전압에 관계없이 드레인 전류를 일정한 수준으로 유지합니다. 이를 확인하기 위해 이번에는 전원 공급 장치 전압(V₁ ) 50볼트까지:

jfet 시뮬레이션 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 

물론 드레인 전류는 전원 공급 장치 전압을 얼마나 높게 조정하더라도 100µA(1.000E-04amps)의 값으로 일정하게 유지됩니다.

입력 전압이 JFET 채널의 수축을 제어하기 때문에 BJT의 기본 전류를 변경하는 것이 유일한 조치인 것처럼 이 전압을 변경하는 것이 JFET에 대한 전류 조절 지점을 변경할 수 있는 유일한 조치여야 합니다. 컬렉터 전류 조절을 변경할 수 있습니다. 입력 전압을 1볼트에서 0.5볼트로 낮추고 어떤 일이 일어나는지 살펴보겠습니다.

jfet 시뮬레이션 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 

예상대로 드레인 전류는 이전 시뮬레이션보다 더 큽니다. 게이트-소스 접합에 가해지는 역방향 바이어스 전압이 감소함에 따라 공핍 영역이 이전만큼 넓지 않으므로 전하 캐리어를 위한 채널이 "열리고" 드레인 전류 수치가 증가합니다.

그러나 이 새로운 전류 수치의 실제 값은 225µA(2.250E-04amps)입니다. 마지막 시뮬레이션은 100μA의 드레인 전류를 보여주었으며 이는 1볼트의 게이트-소스 전압이었습니다. 이제 제어 전압을 2배(1V에서 0.5V로) 줄였으므로 드레인 전류가 증가했지만 동일한 2:1 비율은 아닙니다! 게이트-소스 전압을 다시 2배(0.25볼트까지) 낮추고 어떤 일이 일어나는지 봅시다.

jfet 시뮬레이션 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 

게이트-소스 전압이 이전의 절반인 0.25V로 설정되면 드레인 전류는 306.3μA입니다. 이는 여전히 이전 시뮬레이션에서 225µA에 비해 증가한 수치이지만 비례적은 아닙니다. 제어 전압의 변화에.

여기서 무슨 일이 일어나고 있는지 더 잘 이해하려면 전원 공급 장치 전압을 일정하게 유지하고 대신 제어(전압) 신호를 변경하는 다른 종류의 시뮬레이션을 실행해야 합니다. 이러한 종류의 시뮬레이션을 BJT에서 실행했을 때 결과는 BJT의 입력 전류/출력 전류 관계가 선형임을 보여주는 직선 그래프였습니다. JFET가 어떤 종류의 관계를 나타내는지 봅시다:

jfet 시뮬레이션 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 

이 시뮬레이션은 접합 전계 효과 트랜지스터의 중요한 특성을 직접적으로 보여줍니다. 드레인 전류에 대한 게이트 전압의 제어 효과는 비선형입니다. 게이트-소스 전압이 증가함에 따라 드레인 전류가 어떻게 선형적으로 감소하지 않는지 주목하십시오. 바이폴라 접합 트랜지스터에서 컬렉터 전류는 베이스 전류에 정비례했습니다. 출력 신호는 비례적으로 입력 신호를 따랐습니다. JFET에서는 그렇지 않습니다! 제어 신호(게이트-소스 전압)는 차단에 가까워짐에 따라 드레인 전류에 미치는 영향이 점점 줄어듭니다. 이 시뮬레이션에서 대부분의 제어 동작(드레인 전류 감소의 75% - 400μA에서 100μA)은 게이트-소스 전압의 첫 번째 볼트(0에서 1V로) 내에서 발생하고 나머지 25%는 드레인 전류 감소는 입력 신호의 또 다른 전체 볼트 값을 취합니다. 차단은 2볼트 입력에서 발생합니다.

선형성은 일반적으로 트랜지스터에서 파형을 왜곡하지 않고 충실하게 증폭할 수 있기 때문에 중요합니다. 트랜지스터가 입력/출력 증폭에서 비선형이면 입력 파형의 모양이 어떤 식으로든 손상되어 출력 신호에 고조파가 생성됩니다. 트랜지스터 회로에서 선형성이 중요하지 않은 유일한 시간은 차단 및 포화의 극한 한계에서 작동할 때입니다(각각 스위치와 같이 꺼짐 및 켜짐).

JFET의 특성 곡선

JFET의 특성 곡선은 BJT와 동일한 전류 조정 동작을 나타내며 게이트-소스 전압과 드레인 전류 사이의 비선형성은 곡선 사이의 불균형한 수직 간격에서 분명합니다.

JFET의 전류 조절 동작을 더 잘 이해하려면 BJT에서와 같이 더 간단하고 일반적인 구성 요소로 구성된 모델을 그리는 것이 도움이 될 수 있습니다.

JFET의 경우 전압 한 쌍의 정전류 다이오드에 대한 전류 레귤레이션 포인트를 설정하는 역 바이어스 게이트 소스 다이오드에 걸쳐 있습니다. 한 쌍의 반대 정전류 다이오드가 모델에 포함되어 소스와 드레인 사이의 어느 방향으로도 전류가 흐르도록 하며, 이는 채널의 단극 특성으로 인해 가능해진 특성입니다. 소스-드레인 전류가 통과하는 PN 접합이 없으면 제어된 전류에 극성 감도가 없습니다. 이러한 이유로 JFET는 종종 양방향이라고 합니다. 장치.

바이폴라 트랜지스터의 곡선에 대한 JFET의 특성 곡선의 대조는 현저한 차이를 보여줍니다. 각 곡선의 비수평 영역의 선형(직선) 부분은 BJT의 특성 곡선의 각 부분에 비해 놀라울 정도로 깁니다.

3극관 영역에서 작동하는 JFET 트랜지스터 드레인에서 소스까지 측정할 때 일반 저항과 매우 유사하게 작동하는 경향이 있습니다. 모든 단순 저항과 마찬가지로 전류/전압 그래프는 직선입니다. 이러한 이유로 JFET 특성 곡선의 3극관 영역(비수평) 부분을 때때로 옴 영역이라고 합니다. . 드레인 전류를 조절된 지점까지 끌어올릴 만큼 드레인-소스 전압이 충분하지 않은 이 작동 모드에서 드레인 전류는 드레인-소스 전압에 정비례합니다. 신중하게 설계된 회로에서 이 현상을 유리하게 사용할 수 있습니다. 곡선의 이 영역에서 작동하는 JFET는 전압 제어 저항처럼 작동합니다. 전압 제어 전류 조정기보다는 , 트랜지스터에 적합한 모델이 다릅니다.

여기 그리고 여기에서만 트랜지스터의 가변 저항(가변 저항) 모델이 정확합니다. 그러나 이 트랜지스터 모델은 작동의 좁은 범위에만 적용된다는 점을 기억해야 합니다. 즉, 극도로 포화된 경우(드레인을 통해 완전히 조정된 전류를 달성하는 데 필요한 것보다 훨씬 적은 전압이 드레인과 소스 사이에 인가될 때) ). 이 모드에서 드레인과 소스 사이의 저항(옴 단위로 측정)의 양은 게이트와 소스 사이에 인가되는 역 바이어스 전압의 양에 의해 제어됩니다. 게이트-소스 전압이 낮을수록 저항이 줄어듭니다(그래프의 가파름).

JFET는 전압이기 때문에 -제어 전류 레귤레이터(적어도 활성 상태에서 작동하도록 허용된 경우), 고유 증폭 계수는 BJT와 같이 단위가 없는 비율로 표현할 수 없습니다. 즉, JFET에 대한 β 비율은 없습니다. 이것은 다른 유형의 전계 효과 트랜지스터와 전자관을 포함한 모든 전압 제어 능동 장치에 해당됩니다. 그러나 제어(게이트-소스) 전압에 대한 제어(드레인) 전류의 표현이 있으며 이를 트랜스컨덕턴스라고 합니다. . 그 단위는 전도도의 동일한 단위인 Siemens입니다(이전에는 mho ).

왜 이 단위를 선택합니까? 방정식은 전류(출력 신호)를 전압(입력 신호)으로 나눈 일반적인 형태를 취하기 때문입니다.

트랜스컨덕턴스 방정식

불행히도 모든 JFET의 트랜스컨덕턴스 값은 안정적인 양이 아닙니다. 트랜지스터에 적용된 게이트-소스 제어 전압의 양에 따라 크게 달라집니다. SPICE 시뮬레이션에서 보았듯이 드레인 전류는 게이트-소스 전압의 변화에 ​​비례하여 변하지 않습니다. 주어진 게이트-소스 전압에 대한 드레인 전류를 계산하기 위해 사용할 수 있는 또 다른 방정식이 있습니다. 우리가 시뮬레이션에서 이미 경험한 비선형 동작을 반영하는 검사 시 분명히 비선형입니다(2의 거듭제곱에 유의).

검토:

<울>

활성 모드에서 JFET는 BJT가 베이스 전류에 따라 컬렉터 전류를 조절하는 것처럼 게이트와 소스 사이에 인가된 역 바이어스 전압의 양에 따라 드레인 전류를 조절합니다. 드레인 전류(출력)와 게이트-소스 전압(입력) 간의 수학적 비율을 트랜스컨덕턴스라고 합니다. , 지멘스 단위로 측정됩니다.

게이트-소스(제어) 전압과 드레인(제어) 전류 사이의 관계는 비선형입니다. 게이트-소스 전압이 감소함에 따라 드레인 전류는 기하급수적으로 증가합니다. 즉, JFET의 트랜스컨덕턴스는 작동 범위에서 일정하지 않습니다.

3극관 영역에서 JFET는 드레인-소스 저항을 조절합니다. 게이트와 소스 사이에 인가되는 역 바이어스 전압의 양에 따라. 즉, 전압 제어 저항처럼 작동합니다.

관련 워크시트:

<울>

접합 전계 효과 트랜지스터(JFET) 워크시트