关于“结型场效应管JFET”的那些事

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笔者在制作liushuliang介绍的4-FET前级的过程中,接触到结型场管JFET做放大应用(以前用到过JFET,都是做压控可变电阻)。一边制作调试一边找了几本有关的书籍,看书学习了很久,有些体会跟DIYer分享!

笔者在制作liushuliang介绍的4-FET前级(相关介绍:《bazys自荐2SK304四管前级制作难点浅析》)的过程中,接触到结型场管JFET做放大应用(以前用到过JFET,都是做压控可变电阻)。一边制作调试一边找了几本有关的书籍,看书学习了很久,有些体会跟DIYer分享分享。

说到相关书籍,个人认为讲述最简明易懂的要数清华大学华英成和童诗白教授的《模拟电子技术基础》第四版教材,以下是本书中有关JFET原理的部分,只有5页,有兴趣可以啃一下:

JFET原理介绍

JFET原理介绍

JFET原理介绍

原理介绍

JFET原理介绍

有些难懂?不要紧一点点来。

1、JFET是电压控制电流器件。电压是栅源电压Vgs;电流是漏极电流Ids。这样一个三端口元件,栅源极反偏,阻抗很高,基本不取电流,所以漏极电流Id和源级电流Is基本相等。

这里对比一下普通双极型三极管BJT,它是电流控制电流器件,基极电流Ib控制集电极电流Ic。

2、看输出特性曲线,那样一簇线不容易理解,我们都是先单取一根来说再看全部。

①Vgs一定(负值,|Vgs|<|VP|),Vds从0开始正向加大,这时候漏极电流Id跟Vds成正比增大,体现了电阻的伏安特性。电阻值由Vgs决定,就是说JFET可以做电压控制的可变电阻,这个工作区就叫“可变电阻区”。

下面这个图是2SK246规格书中里面的低压特性,可以清楚看出可变电阻区的情况,它位于曲线最左边,Id变化陡峭部分,电阻值=ΔUds/ΔId。

2SK246低压特性

曲线上面粗略量一下,Ugs=0时,电阻1=0.6V/2mA=0.3k。Ugs=-0.2V时,电阻2=0.5V/1.4mA=0.375k。

②Vgs一定,Vds继续增大到Vgs-Vp时,曲线变得平缓了,这时,Vds增大Id却不再剧烈增大了,Id出现了饱和的现象。此时的Id由Vgs决定。

③Vgs不同的时候,Id出现饱和现象时的Vds是不同的,这些点连在一起就是预夹断轨迹。Vds=Vgs-Vp作为JFET工作在可变电阻区或者恒流区的唯一判据,在输出曲线上边预夹断轨迹左边就是可变电阻区,右边就是恒流区或者叫饱和区。(书不同,叫法可能不一样)

JFET用作放大器件使用时,是工作在恒流区的。

3、转移特性曲线和输出曲线的关系

转移特性曲线和输出曲线都是表征JFET工作特性的,有了输出曲线就能得到转移特性曲线。下面转载维基百科上的一幅图,表示了这种关系。

转移特性曲线、输出特性曲线

先看左图,转移特性曲线。蓝色线代表的是饱和区,下边紫色区域是可变电阻区(图上写的是线性区Linear region),横轴Vgs上的Vp就是夹断电压,横轴上红色的是漏极电流为0,表示导电沟道夹断漏极不再有电流了。Ids的最大点代表的是Vgs=0时的最大饱和漏极电流。

右图是输出特性曲线。蓝色区是饱和区,虚线左边一点是可变电阻区(同上,写的是Linear region)。虚线是预夹断电压轨迹,方程图上有标记。下边横轴的红线仍然是夹断区。输出曲线表示了Vgs对Id的控制作用,Vgs是负值,绝对值往下面依次加大,直至夹断。

4、低频跨导gm

大家都熟悉BJT的β,表示了一只三极管的电流放大系数,因为它是电流放大器件。如前所述这个概念用在JFET就不合适了,因此引入与此对应的参数——低频跨导。它表示栅极电压对漏极电流的控制作用,不严格来说就是gm=ΔId/ΔVgs,它跟β类似,决定了JFET放大电路的放大倍数。

这个gm可以在转移特性曲线上面测量出来,由于转移特性不是一条直线(可以用二次或更高次方程来拟合,后面会说到),因此这个跨导就不是一个常量。看着就是上面部分比较挺拔(跨导大),下面比较平缓(跨导小)。换言之,Id小放大倍数小,Id大放大倍数大。

那么一个设计合理的JFET放大器,为得到比较大的放大倍数,就应该设置合理的直流工作点,使之工作在转移特性上比较挺拔的部分。

场效应管转移特性曲线

同一只JFET在各种Vds时的转移特性。当漏极电压远大于夹断电压Vp时,各条曲线差别很小,因此只做一条就可以了。

5、一个重要公式

JFET工作于饱和区时,其转移特性曲线可以用如下的二次式来拟合,说到拟合就不是绝对的,指数可能在2上下变化一点。这个公式在设计一个放大电路时候,计算直流偏置点会用到它:

http://bbs.hifidiy.net/data/attachment/forum/201505/16/194808hrfsw9f3wvhghvhb.png

下面我们一起来DIY一个自己的JFET,怎么样,是否有兴趣?

书上讲JFET原理,一般离不开半导体结构图,就像前面教材截图1.4.1或者更直接一点的图1.4.2。

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如果想深入了解JFET的原理,真得看这个。有人曾用自来水龙头来比喻JFET,虽然很形象,但是这只能是入门级别的。如果想登堂入室,这样远远不够,因为水龙头远不能表达JFET的全部性能。退一步讲,水龙头也可以拿来理解双极型三极管(BJT),并没有任何不妥,那又何以区分JFET和BJT !如果非要想靠比喻来说明JFET,我倒是更愿意用压控可变电阻和压控恒流源的结合体,这样我们才能离实际的JFET更近一些。

按照这个思路,我们就用可变电阻和恒流源,Step by Step,亲手“制造”一只JFET,是的,你没看错,Do it by yourself!

Step 1

电阻——最常用的无源线性元件,初中物理讲到的欧姆定律实际上就是讲电阻在电路中的特性,电阻的伏安特性很好地描述了欧姆定律。

如下图就是100,200,500欧姆电阻的伏安特性。

细心的你会发现,曲线并没有无限延伸,因为我们是为了一个既定的目标,到了后面就会明白。你可以认为那只100欧姆电阻只能通过10mA电流,或者那个200欧电阻流过4.5mA以上电流就会因为过热烧毁,就算缺陷放这里吧。

电阻伏安特性

我们常用的电位器就是可变电阻,只是改变阻值需要用手来旋转手柄或者使用改锥旋转调节装置。既然如此,我们认为它们都是手控的可变电阻。在可变电阻的任何位置上的电阻值都会对应出一条伏安特性曲线。

Step 2

恒流源——恒流源是输出电流保持恒定的电流源,而理想的恒流源应该具有以下特点:

a)不因负载(输出电压)变化而改变;

b)不因环境温度变化而改变;

c)内阻为无限大(以使其电流可以全部流出到外面)。

恒流源伏安特性

以上斜线部分内容摘自百度百科,就当我是偷懒吧。下图,是1.2mA,4.5mA和10mA恒流源的伏安特性。曲线起点处不完全,理由同上。

Step 3

上面两张图合起来,怎么样?知道前面的缺陷是咋回事了吧!

恒流源

这是什么?一个可变电阻和一只输出电流可变的恒流源。咦?跟JFET的输出特性曲线有些相像?

Step 4

只是转折太生硬了!但这就是我们合成的一只JFET,它的性能可能比实际的任何一只JFET都好。这样说是因为:转折清晰,电阻的线性完美,恒流源的特性更接近理想的恒流源,因此用来说明原理更容易理解。

只要制造工艺允许,我们也一定可以真的制造出这样一只JFET。

JFET

那么如何调整这个可变电阻和恒流源的输出电流呢,前面讲过JFET是电压控制元件(和BJT是电流控制元件有着本质区别的地方),那就用电压来控制这一切。什么电压这么厉害?就是栅源电压VGS。

对于N沟道耗尽型JFET来说,这个电压是负值,这才有了高输入阻抗的特性,才有了对漏极电流的控制。就像前面说的,这个JFET就是一个压控可变电阻和压控恒流源的结合体。

如何完成可变电阻和恒流源的转换?在VGS为一定的前提下,它发生在VDS电压和特定JFET的夹断电压VP满足一定关系的点上,预夹断点恰恰就满足这样的关系。

上图就是它的输出特性曲线。纵轴是漏极电流ID(mA),横轴是漏源电压VDS(V),那三根线就是VGS不同时的伏安特性,但是不止这三根,中间还有很多条。

看图来找一下我们亲手DIY的这只JFET的参数:

夹断电压:VP=-1V;

饱和漏极电流:IDSS=10mA;

跨导:Gm=27.5mS @ID=4.5-10mA; Gm= 16.5mS@ID=1.2-4.5mA。

怎么来的?留给大家思考。

用这只JFET来温习一遍JFET的原理:

JFET原理

在22L里的Q&A之6里面说明了如何从输出特性曲线得到输入转移特性曲线,前面我们DIY的那支JFET也不例外。于是,得到下面的转移特性曲线:

输入转移特性曲线

首先,看最上面的“一”根,说是一根,其实这里远不止这一根,是很多根曲线重合在一起的。

这说明一个事情,就是VDS>-VP时,转移特性曲线相同。和输出特性曲线对应,这一根曲线代表了恒流区的全部特性。

必须说明的是,因为我们DIY的这个JFET太理想了,跟实际的JFET是有差别的。实际情况是,VDS>-VP时,转移特性曲线并未重合而是离的很近。

接下来,在饱和区下面有很多根曲线,换言之,在饱和区那根曲线下面的区域的无数根曲线簇,它们就代表了可变电阻区的特性。

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上面这些知识搞懂,需要点时间去理解。本来没必要说下面的了,就当是题外话吧,Q&A。

Q1:JFET工作区有几个?

A1:1、击穿区:器件物理损坏了,这发生在Vds超过器件极限参数,不在正常工作区内。

2、夹断区:|Vgs|>|Vp| 时,管子彻底夹断,Id=0,除非你为了特殊设计,一般不会让它工作在这里。

3、恒流区:此区内,Id仅由Vgs控制,跟Vgs无关。应用场合:放大器、恒流源。

4、可变电阻区:此区内,Id跟Vds成正比,完全表现出电阻的伏安特性,Vds/Id就是电阻值Rds,决定电阻值的是Vgs,所以是电压控制的电阻。应用场合:压控增益放大器,自动增益控制电路等。

Q2:工作区有预夹断区吗?

A2:0hmmmmm,这个好像真没有,正常的工作区只有可变电阻区和恒流区,非此即彼。如果把耗尽层完全夹断之前的微小电流区域叫成这个,那是望文生义的想象,这个跟预夹断根本没有关系。

Q3:预夹断究竟是咋回事?

A3:预夹断发生在漏极一侧的耗尽层刚好碰上,就是1L图1.4.4 b的情形,继续增大Vds,进入恒流区,耗尽层闭合的长度增加,直至完全夹断。Vgs不同,预夹断位置不同。图1.4.5 输出特性上面的虚线清楚地表示了预夹断轨迹。

Q4:那预夹断有什么用呢?

A4:预夹断点就是可变电阻区和恒流区的分界线,可以准确判断电路中JFET的工作区。

预夹断时:   Vds=Vgs-Vp,

在恒流区:   Vds>Vgs-Vp,

可变电阻区:Vds<Vgs-Vp,

Q5:到底哪里是夹断电压,100uA、50uA、20uA还是10uA,说法很乱,我都不知道信谁了。

A5:根据夹断电压的定义,是Vds一定时,漏极电流Id=0时的栅源电压Vgs。至于100uA、50uA、20uA还是10uA,都是规定一个电流很小的条件。看转移特性,横轴夹断电压Vp左侧,Id一直都等于0,对应的那么多Vgs值就没有意义了,规定了一个足够小的电流,就有了标准。要是你有足够小量程的电流表,完全可以在更小的电流下比如nA级甚至pA级测试,但是意义不大。

Q6:输出曲线和输入曲线是各说各话的吗?

A6:你的问题让我很吃惊!转移特性和输出特性曲线都是表述一只JFET特性的,侧重点不同。

转移特性曲线上面能读出的参数:饱和漏极电流Idss,跨导Gm,夹断电压Vp。

输出特性曲线上面能读出的参数:恒流区漏源电阻Rds,可变电阻区各种Vgs下的Rds。

前面讲过,转移特性曲线完全可以由输出特性得到。方法是:

1、输出特性曲线左边画转移特性坐标,Vgs做横轴,Id同样做纵轴;

2、转移特性曲线Vds处画垂线,和曲线各Vgs有很多交点,交点画水平线作为转移特性的Id轴坐标,对应的Vgs就是水平坐标画点。连接Vgs不同的各点,就得到一根转移特性曲线。

3、如果你愿意,改变Vds,重复2,可以得到很多根转移特性曲线。

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