Operación en modo activo (JFET)

Los JFET, como los transistores bipolares, pueden "estrangular" la corriente en un modo entre el corte y la saturación llamado activo modo. Para comprender mejor el funcionamiento de JFET, configuremos una simulación SPICE similar a la utilizada para explorar la función básica del transistor bipolar:

Simulación de especias de una operación JFET

 simulación jfet 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 

Tenga en cuenta que el transistor con la etiqueta "Q ₁ ”En el esquema se representa en la lista de redes SPICE como j1 . Aunque todos los tipos de transistores se conocen comúnmente como dispositivos "Q" en los esquemas de circuitos, al igual que los resistores se denominan con designaciones "R" y los condensadores con "C", es necesario decirle a SPICE qué tipo de transistor es. una designación de letra diferente: q para transistores de unión bipolar y j para transistores de efecto de campo de unión.

Aquí, la señal de control es un voltaje constante de 1 voltio, aplicado con negativo hacia la puerta JFET y positivo hacia la fuente JFET, para invertir la polarización de la unión PN. En la primera simulación BJT del capítulo 4, se usó una fuente de corriente constante de 20 µA para la señal de control, pero recuerde que un JFET es un controlado por voltaje dispositivo, no un dispositivo controlado por corriente como el transistor de unión bipolar.

Al igual que el BJT, el JFET tiende a regular la corriente controlada a un nivel fijo por encima de un cierto voltaje de la fuente de alimentación, sin importar qué tan alto pueda subir ese voltaje. Por supuesto, esta regulación de corriente tiene límites en la vida real — ningún transistor puede soportar voltaje infinito de una fuente de energía — y con suficiente voltaje de drenaje a fuente, el transistor se “descompondrá” y la corriente de drenaje aumentará. Pero dentro de los límites de funcionamiento normales, el JFET mantiene la corriente de drenaje a un nivel estable independiente del voltaje de la fuente de alimentación. Para verificar esto, ejecutaremos otra simulación por computadora, esta vez barriendo el voltaje de la fuente de alimentación (V ₁ ) hasta 50 voltios:

 simulación jfet 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 

Efectivamente, la corriente de drenaje permanece estable a un valor de 100 µA (1.000E-04 amperios) sin importar qué tan alto se ajuste el voltaje de la fuente de alimentación.

Debido a que el voltaje de entrada tiene control sobre la constricción del canal del JFET, tiene sentido que cambiar este voltaje debería ser la única acción capaz de alterar el punto de regulación de corriente para el JFET, al igual que cambiar la corriente base en un BJT es la única acción capaz de alterar la regulación de corriente del colector. Reduzcamos el voltaje de entrada de 1 voltio a 0,5 voltios y veamos qué sucede:

 simulación jfet 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 

Como era de esperar, la corriente de drenaje es mayor ahora que en la simulación anterior. Con menos voltaje de polarización inversa impresa a través de la unión puerta-fuente, la región de agotamiento no es tan amplia como antes, por lo que "abre" el canal para los portadores de carga y aumenta la cifra de corriente de drenaje.

Sin embargo, tenga en cuenta el valor real de esta nueva cifra de corriente:225 µA (2.250E-04 amperios). La última simulación mostró una corriente de drenaje de 100 µA, y eso fue con un voltaje de puerta-fuente de 1 voltio. Ahora que hemos reducido el voltaje de control en un factor de 2 (de 1 voltio a 0,5 voltios), la corriente de drenaje aumentó, ¡pero no en la misma proporción 2:1! Reduzcamos el voltaje de la fuente de la puerta una vez más en otro factor de 2 (hasta 0,25 voltios) y veamos qué sucede:

 simulación jfet 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 

Con el voltaje de la fuente de puerta en 0.25 voltios, la mitad de lo que era antes, la corriente de drenaje es 306.3 µA. Aunque esto sigue siendo un aumento sobre los 225 µA de la simulación anterior, no es proporcional al cambio de la tensión de control.

Para obtener una mejor comprensión de lo que está sucediendo aquí, deberíamos ejecutar un tipo diferente de simulación:una que mantenga constante el voltaje de la fuente de alimentación y, en cambio, varíe la señal de control (voltaje). Cuando se ejecutó este tipo de simulación en un BJT, el resultado fue un gráfico de línea recta, que muestra cómo la relación corriente de entrada / corriente de salida de un BJT es lineal. Veamos qué tipo de relación exhibe un JFET:

 simulación jfet 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 

Esta simulación revela directamente una característica importante del transistor de efecto de campo de unión:el efecto de control del voltaje de la puerta sobre la corriente de drenaje no es lineal. Observe cómo la corriente de drenaje no disminuye linealmente a medida que aumenta el voltaje de la fuente de la puerta. Con el transistor de unión bipolar, la corriente del colector era directamente proporcional a la corriente base:la señal de salida seguía proporcionalmente a la señal de entrada. ¡No es así con el JFET! La señal de control (voltaje puerta-fuente) tiene cada vez menos efecto sobre la corriente de drenaje a medida que se acerca al corte. En esta simulación, la mayor parte de la acción de control (75 por ciento de la disminución de la corriente de drenaje, de 400 µA a 100 µA) tiene lugar dentro del primer voltio de voltaje de puerta-fuente (de 0 a 1 voltio), mientras que el 25 por ciento restante de drenaje la reducción de corriente requiere otro voltio completo de señal de entrada. El corte ocurre en la entrada de 2 voltios.

La linealidad es generalmente importante para un transistor porque le permite amplificar fielmente una forma de onda sin distorsionarla. Si un transistor no es lineal en su amplificación de entrada / salida, la forma de la forma de onda de entrada se corromperá de alguna manera, lo que conducirá a la producción de armónicos en la señal de salida. El único momento en que la linealidad no es importante en un circuito de transistor es cuando se opera en los límites extremos de corte y saturación (apagado y encendido, respectivamente, como un interruptor).

Curva característica de JFET

Las curvas características de un JFET muestran el mismo comportamiento de regulación de corriente que un BJT, y la no linealidad entre el voltaje de puerta a fuente y la corriente de drenaje es evidente en los espaciamientos verticales desproporcionados entre las curvas:

Para comprender mejor el comportamiento regulador de corriente del JFET, podría ser útil dibujar un modelo compuesto por componentes más simples y comunes, tal como hicimos para el BJT:

En el caso del JFET, es el voltaje a través del diodo de fuente de puerta con polarización inversa que establece el punto de regulación de corriente para el par de diodos de corriente constante. Se incluye un par de diodos de corriente constante opuestos en el modelo para facilitar la corriente en cualquier dirección entre la fuente y el drenaje, una característica que es posible gracias a la naturaleza unipolar del canal. Sin uniones PN para que atraviese la corriente fuente-drenaje, no hay sensibilidad de polaridad en la corriente controlada. Por esta razón, los JFET a menudo se denominan bilaterales dispositivos.

Un contraste de las curvas características del JFET con las curvas de un transistor bipolar revela una diferencia notable:la porción lineal (recta) del área no horizontal de cada curva es sorprendentemente larga en comparación con las porciones respectivas de las curvas características de un BJT:

Un transistor JFET operado en la región del triodo tiende a actuar como una simple resistencia medida desde el drenaje hasta la fuente. Como todas las resistencias simples, su gráfico de corriente / voltaje es una línea recta. Por esta razón, la parte de la región de triodo (no horizontal) de la curva característica de un JFET a veces se denomina región óhmica . En este modo de operación donde no hay suficiente voltaje de drenaje a fuente para llevar la corriente de drenaje hasta el punto regulado, la corriente de drenaje es directamente proporcional al voltaje de drenaje a fuente. En un circuito cuidadosamente diseñado, este fenómeno puede aprovecharse. Operado en esta región de la curva, el JFET actúa como una resistencia controlada por voltaje en lugar de un regulador de corriente controlado por voltaje , y el modelo apropiado para el transistor es diferente:

Aquí y solo aquí el modelo de reóstato (resistencia variable) de un transistor es exacto. Debe recordarse, sin embargo, que este modelo del transistor es válido solo para un rango estrecho de su operación:cuando está extremadamente saturado (se aplica mucho menos voltaje entre el drenaje y la fuente de lo que se necesita para lograr una corriente regulada completa a través del drenaje ). La cantidad de resistencia (medida en ohmios) entre el drenaje y la fuente en este modo está controlada por la cantidad de voltaje de polarización inversa que se aplica entre la puerta y la fuente. Cuanto menor sea el voltaje de puerta a fuente, menor será la resistencia (línea más pronunciada en el gráfico).

Porque los JFET son voltaje -reguladores de corriente controlados (al menos cuando se les permite operar en su activo), su factor de amplificación inherente no puede expresarse como una relación sin unidades como con los BJT. En otras palabras, no existe una relación β para un JFET. Esto es cierto para todos los dispositivos activos controlados por voltaje, incluidos otros tipos de transistores de efecto de campo e incluso tubos de electrones. Sin embargo, existe una expresión de corriente controlada (drenaje) para controlar el voltaje (puerta-fuente), y se llama transconductancia . Su unidad es Siemens, la misma unidad de conductancia (antes conocida como mho ).

¿Por qué esta elección de unidades? Porque la ecuación toma la forma general de corriente (señal de salida) dividida por voltaje (señal de entrada).

Ecuación de transconductancia

Desafortunadamente, el valor de transconductancia para cualquier JFET no es una cantidad estable:varía significativamente con la cantidad de voltaje de control de puerta a fuente aplicada al transistor. Como vimos en las simulaciones de SPICE, la corriente de drenaje no cambia proporcionalmente con los cambios en el voltaje de la puerta-fuente. Para calcular la corriente de drenaje para cualquier voltaje de fuente de puerta dado, hay otra ecuación que puede usarse. Obviamente, es no lineal después de la inspección (tenga en cuenta el poder de 2), lo que refleja el comportamiento no lineal que ya hemos experimentado en la simulación:

REVISAR:

• En sus modos activos, los JFET regulan la corriente de drenaje de acuerdo con la cantidad de voltaje de polarización inversa aplicada entre la puerta y la fuente, al igual que un BJT regula la corriente del colector de acuerdo con la corriente base. La relación matemática entre la corriente de drenaje (salida) y el voltaje de puerta a fuente (entrada) se llama transconductancia y se mide en unidades de Siemens.
• La relación entre el voltaje de la puerta-fuente (control) y la corriente de drenaje (controlada) no es lineal:a medida que disminuye el voltaje de la puerta-fuente, la corriente de drenaje aumenta exponencialmente. Es decir, la transconductancia de un JFET no es constante en su rango de operación.
• En su región de triodo, los JFET regulan la resistencia del drenaje a la fuente según la cantidad de voltaje de polarización inversa aplicada entre la puerta y la fuente. En otras palabras, actúan como resistencias controladas por voltaje.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de transistores de efecto de campo de unión (JFET)