Comprendiendo la Operación en Modo Activo del JFET: De Simulaciones SPICE a Transconductancia

Los transistores de efecto campo de unión (JFETs) se comportan mucho como los transistores de unión bipolar (BJTs) en que pueden operar en un régimen activo —entre corte y saturación— donde regulan corriente. Para ilustrar este comportamiento, ejecutaremos una simulación SPICE que refleja la usada para estudiar la operación básica de BJT.

Simulación SPICE de un 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

En el esquema, el transistor etiquetado "Q1" se escribe como j1 en la netlist SPICE. Mientras los diagramas de circuito rutinariamente usan la letra "Q" para denotar cualquier transistor, SPICE requiere un prefijo específico para identificar el tipo de dispositivo: q para BJTs y j para JFETs.

La señal de control es una fuente DC de 1 V aplicada con el terminal negativo a la compuerta y el positivo a la fuente, polarizando inversamente la unión PN compuerta-fuente. A diferencia de un BJT, que es controlado por corriente, un JFET es controlado por voltaje, así que un voltaje compuerta-fuente de 1 V establece la corriente de drenaje.

Como un BJT, un JFET mantiene la corriente de drenaje cerca de un valor fijo a medida que el voltaje de alimentación aumenta —hasta el punto donde ocurre ruptura. Para confirmar esto, barrimos el voltaje de alimentación de 0 a 50 V manteniendo constante el voltaje de compuerta.

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

La corriente de drenaje permanece estable en 100 µA independientemente del voltaje de alimentación, demostrando la capacidad del JFET para regular corriente sobre un amplio rango de voltaje.

Dado que el voltaje de compuerta controla la constricción del canal, ajustarlo es la única forma de cambiar el nivel de corriente regulado —igual que variar la corriente de base cambia la corriente de colector en un BJT. Reducir el voltaje de compuerta a 0,5 V aumenta la corriente de drenaje a 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

Reducir aún más el voltaje de compuerta a 0,25 V eleva la corriente de drenaje a 306,3 µA, pero la relación es claramente no lineal: reducir a la mitad el voltaje de compuerta no reduce a la mitad la corriente de drenaje.

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

Para visualizar la no linealidad más claramente, fijamos el voltaje de alimentación y variamos el voltaje de compuerta de 0 a 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

El gráfico muestra que la mayor parte de la reducción de corriente de drenaje (≈ 75 %) ocurre dentro del primer 1 V de voltaje de compuerta; el 25 % restante requiere un voltio adicional. El corte ocurre a 2 V.

Curvas Características del JFET

Las curvas características ilustran el mismo comportamiento de regulación de corriente visto en BJTs, pero el espaciado entre curvas revela la no linealidad del JFET.

Un modelo mental útil reemplaza el JFET con un par de diodos de corriente constante cuya corriente de referencia es establecida por el voltaje de compuerta-fuente polarizado inversamente. Como el canal es unipolar, el dispositivo es bilateral —la corriente puede fluir en cualquier dirección entre fuente y drenaje.

Cuando comparamos las curvas del JFET con las de un BJT, las porciones lineales (no horizontales) de las curvas del JFET son notablemente más largas.

En la región triodo, un JFET se comporta como una resistencia simple; su corriente drenaje-fuente es directamente proporcional al voltaje drenaje-fuente. Este comportamiento óhmico puede explotarse en circuitos que requieren una resistencia controlada por voltaje.

Aquí el modelo de reostato se aplica solo sobre un rango estrecho de voltaje donde el dispositivo está profundamente saturado. La resistencia se establece por el voltaje compuerta-fuente: un sesgo inverso menor produce una resistencia menor (pendiente más pronunciada).

Porque los JFETs son reguladores de corriente controlados por voltaje en la región activa, no poseen un único factor de ganancia de corriente como los BJTs. En su lugar, su rendimiento se cuantifica por transconductancia (gm), medida en Siemens, que representa la relación entre cambio de corriente de drenaje y cambio de voltaje compuerta-fuente.

La transconductancia no es constante; varía con el voltaje de compuerta, como ilustra la ecuación cuadrática:

Consecuentemente, la relación corriente de drenaje versus voltaje de compuerta es inherentemente no lineal, como muestra la simulación SPICE.

Repaso

• En modo activo, un JFET regula la corriente de drenaje a través del voltaje compuerta-fuente polarizado inversamente, análogo al control de corriente de base de un BJT.
• La relación corriente de drenaje versus voltaje de compuerta es no lineal; la transconductancia cambia a lo largo del rango de operación.
• En la región triodo, un JFET actúa como una resistencia controlada por voltaje, con resistencia establecida por el sesgo compuerta-fuente.

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