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              關于“結型場效應管JFET”的那些事

              來源:bbs.hifidiy.net 發布者:hulx 版權:原創

              筆者在制作liushuliang介紹的4-FET前級的過程中,接觸到結型場管JFET做放大應用(以前用到過JFET,都是做壓控可變電阻)。一邊制作調試一邊找了幾本有關的書籍,看書學習了很久,有些體會跟DIYer分享!

              筆者在制作liushuliang介紹的4-FET前級(相關介紹:《bazys自薦2SK304四管前級制作難點淺析》)的過程中,接觸到結型場管JFET做放大應用(以前用到過JFET,都是做壓控可變電阻)。一邊制作調試一邊找了幾本有關的書籍,看書學習了很久,有些體會跟DIYer分享分享。

              說到相關書籍,個人認為講述最簡明易懂的要數清華大學華英成和童詩白教授的《模擬電子技術基礎》第四版教材,以下是本書中有關JFET原理的部分,只有5頁,有興趣可以啃一下:

              JFET原理介紹

              JFET原理介紹

              JFET原理介紹

              原理介紹

              JFET原理介紹

              有些難懂?不要緊一點點來。

              1、JFET是電壓控制電流器件。電壓是柵源電壓Vgs;電流是漏極電流Ids。這樣一個三端口元件,柵源極反偏,阻抗很高,基本不取電流,所以漏極電流Id和源級電流Is基本相等。

              這里對比一下普通雙極型三極管BJT,它是電流控制電流器件,基極電流Ib控制集電極電流Ic。

              2、看輸出特性曲線,那樣一簇線不容易理解,我們都是先單取一根來說再看全部。

              ①Vgs一定(負值,|Vgs|<|VP|),Vds從0開始正向加大,這時候漏極電流Id跟Vds成正比增大,體現了電阻的伏安特性。電阻值由Vgs決定,就是說JFET可以做電壓控制的可變電阻,這個工作區就叫“可變電阻區”。

              下面這個圖是2SK246規格書中里面的低壓特性,可以清楚看出可變電阻區的情況,它位于曲線最左邊,Id變化陡峭部分,電阻值=ΔUds/ΔId。

              2SK246低壓特性

              曲線上面粗略量一下,Ugs=0時,電阻1=0.6V/2mA=0.3k。Ugs=-0.2V時,電阻2=0.5V/1.4mA=0.375k。

              ②Vgs一定,Vds繼續增大到Vgs-Vp時,曲線變得平緩了,這時,Vds增大Id卻不再劇烈增大了,Id出現了飽和的現象。此時的Id由Vgs決定。

              ③Vgs不同的時候,Id出現飽和現象時的Vds是不同的,這些點連在一起就是預夾斷軌跡。Vds=Vgs-Vp作為JFET工作在可變電阻區或者恒流區的唯一判據,在輸出曲線上邊預夾斷軌跡左邊就是可變電阻區,右邊就是恒流區或者叫飽和區。(書不同,叫法可能不一樣)

              JFET用作放大器件使用時,是工作在恒流區的。

              3、轉移特性曲線和輸出曲線的關系

              轉移特性曲線和輸出曲線都是表征JFET工作特性的,有了輸出曲線就能得到轉移特性曲線。下面轉載維基百科上的一幅圖,表示了這種關系。

              轉移特性曲線、輸出特性曲線

              先看左圖,轉移特性曲線。藍色線代表的是飽和區,下邊紫色區域是可變電阻區(圖上寫的是線性區Linear region),橫軸Vgs上的Vp就是夾斷電壓,橫軸上紅色的是漏極電流為0,表示導電溝道夾斷漏極不再有電流了。Ids的最大點代表的是Vgs=0時的最大飽和漏極電流。

              右圖是輸出特性曲線。藍色區是飽和區,虛線左邊一點是可變電阻區(同上,寫的是Linear region)。虛線是預夾斷電壓軌跡,方程圖上有標記。下邊橫軸的紅線仍然是夾斷區。輸出曲線表示了Vgs對Id的控制作用,Vgs是負值,絕對值往下面依次加大,直至夾斷。

              4、低頻跨導gm

              大家都熟悉BJT的β,表示了一只三極管的電流放大系數,因為它是電流放大器件。如前所述這個概念用在JFET就不合適了,因此引入與此對應的參數——低頻跨導。它表示柵極電壓對漏極電流的控制作用,不嚴格來說就是gm=ΔId/ΔVgs,它跟β類似,決定了JFET放大電路的放大倍數。

              這個gm可以在轉移特性曲線上面測量出來,由于轉移特性不是一條直線(可以用二次或更高次方程來擬合,后面會說到),因此這個跨導就不是一個常量??粗褪巧厦娌糠直容^挺拔(跨導大),下面比較平緩(跨導?。?。換言之,Id小放大倍數小,Id大放大倍數大。

              那么一個設計合理的JFET放大器,為得到比較大的放大倍數,就應該設置合理的直流工作點,使之工作在轉移特性上比較挺拔的部分。

              場效應管轉移特性曲線

              同一只JFET在各種Vds時的轉移特性。當漏極電壓遠大于夾斷電壓Vp時,各條曲線差別很小,因此只做一條就可以了。

              5、一個重要公式

              JFET工作于飽和區時,其轉移特性曲線可以用如下的二次式來擬合,說到擬合就不是絕對的,指數可能在2上下變化一點。這個公式在設計一個放大電路時候,計算直流偏置點會用到它:

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

              下面我們一起來DIY一個自己的JFET,怎么樣,是否有興趣?

              書上講JFET原理,一般離不開半導體結構圖,就像前面教材截圖1.4.1或者更直接一點的圖1.4.2。

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              如果想深入了解JFET的原理,真得看這個。有人曾用自來水龍頭來比喻JFET,雖然很形象,但是這只能是入門級別的。如果想登堂入室,這樣遠遠不夠,因為水龍頭遠不能表達JFET的全部性能。退一步講,水龍頭也可以拿來理解雙極型三極管(BJT),并沒有任何不妥,那又何以區分JFET和BJT !如果非要想靠比喻來說明JFET,我倒是更愿意用壓控可變電阻和壓控恒流源的結合體,這樣我們才能離實際的JFET更近一些。

              按照這個思路,我們就用可變電阻和恒流源,Step by Step,親手“制造”一只JFET,是的,你沒看錯,Do it by yourself!

              Step 1

              電阻——最常用的無源線性元件,初中物理講到的歐姆定律實際上就是講電阻在電路中的特性,電阻的伏安特性很好地描述了歐姆定律。

              如下圖就是100,200,500歐姆電阻的伏安特性。

              細心的你會發現,曲線并沒有無限延伸,因為我們是為了一個既定的目標,到了后面就會明白。你可以認為那只100歐姆電阻只能通過10mA電流,或者那個200歐電阻流過4.5mA以上電流就會因為過熱燒毀,就算缺陷放這里吧。

              電阻伏安特性

              我們常用的電位器就是可變電阻,只是改變阻值需要用手來旋轉手柄或者使用改錐旋轉調節裝置。既然如此,我們認為它們都是手控的可變電阻。在可變電阻的任何位置上的電阻值都會對應出一條伏安特性曲線。

              Step 2

              恒流源——恒流源是輸出電流保持恒定的電流源,而理想的恒流源應該具有以下特點:

              a)不因負載(輸出電壓)變化而改變;

              b)不因環境溫度變化而改變;

              c)內阻為無限大(以使其電流可以全部流出到外面)。

              恒流源伏安特性

              以上斜線部分內容摘自百度百科,就當我是偷懶吧。下圖,是1.2mA,4.5mA和10mA恒流源的伏安特性。曲線起點處不完全,理由同上。

              Step 3

              上面兩張圖合起來,怎么樣?知道前面的缺陷是咋回事了吧!

              恒流源

              這是什么?一個可變電阻和一只輸出電流可變的恒流源。咦?跟JFET的輸出特性曲線有些相像?

              Step 4

              只是轉折太生硬了!但這就是我們合成的一只JFET,它的性能可能比實際的任何一只JFET都好。這樣說是因為:轉折清晰,電阻的線性完美,恒流源的特性更接近理想的恒流源,因此用來說明原理更容易理解。

              只要制造工藝允許,我們也一定可以真的制造出這樣一只JFET。

              JFET

              那么如何調整這個可變電阻和恒流源的輸出電流呢,前面講過JFET是電壓控制元件(和BJT是電流控制元件有著本質區別的地方),那就用電壓來控制這一切。什么電壓這么厲害?就是柵源電壓VGS。

              對于N溝道耗盡型JFET來說,這個電壓是負值,這才有了高輸入阻抗的特性,才有了對漏極電流的控制。就像前面說的,這個JFET就是一個壓控可變電阻和壓控恒流源的結合體。

              如何完成可變電阻和恒流源的轉換?在VGS為一定的前提下,它發生在VDS電壓和特定JFET的夾斷電壓VP滿足一定關系的點上,預夾斷點恰恰就滿足這樣的關系。

              上圖就是它的輸出特性曲線??v軸是漏極電流ID(mA),橫軸是漏源電壓VDS(V),那三根線就是VGS不同時的伏安特性,但是不止這三根,中間還有很多條。

              看圖來找一下我們親手DIY的這只JFET的參數:

              夾斷電壓:VP=-1V;

              飽和漏極電流:IDSS=10mA;

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

              怎么來的?留給大家思考。

              用這只JFET來溫習一遍JFET的原理:

              JFET原理

              在22L里的Q&A之6里面說明了如何從輸出特性曲線得到輸入轉移特性曲線,前面我們DIY的那支JFET也不例外。于是,得到下面的轉移特性曲線:

              輸入轉移特性曲線

              首先,看最上面的“一”根,說是一根,其實這里遠不止這一根,是很多根曲線重合在一起的。

              這說明一個事情,就是VDS>-VP時,轉移特性曲線相同。和輸出特性曲線對應,這一根曲線代表了恒流區的全部特性。

              必須說明的是,因為我們DIY的這個JFET太理想了,跟實際的JFET是有差別的。實際情況是,VDS>-VP時,轉移特性曲線并未重合而是離的很近。

              接下來,在飽和區下面有很多根曲線,換言之,在飽和區那根曲線下面的區域的無數根曲線簇,它們就代表了可變電阻區的特性。

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              上面這些知識搞懂,需要點時間去理解。本來沒必要說下面的了,就當是題外話吧,Q&A。

              Q1:JFET工作區有幾個?

              A1:1、擊穿區:器件物理損壞了,這發生在Vds超過器件極限參數,不在正常工作區內。

              2、夾斷區:|Vgs|>|Vp| 時,管子徹底夾斷,Id=0,除非你為了特殊設計,一般不會讓它工作在這里。

              3、恒流區:此區內,Id僅由Vgs控制,跟Vgs無關。應用場合:放大器、恒流源。

              4、可變電阻區:此區內,Id跟Vds成正比,完全表現出電阻的伏安特性,Vds/Id就是電阻值Rds,決定電阻值的是Vgs,所以是電壓控制的電阻。應用場合:壓控增益放大器,自動增益控制電路等。

              Q2:工作區有預夾斷區嗎?

              A2:0hmmmmm,這個好像真沒有,正常的工作區只有可變電阻區和恒流區,非此即彼。如果把耗盡層完全夾斷之前的微小電流區域叫成這個,那是望文生義的想象,這個跟預夾斷根本沒有關系。

              Q3:預夾斷究竟是咋回事?

              A3:預夾斷發生在漏極一側的耗盡層剛好碰上,就是1L圖1.4.4 b的情形,繼續增大Vds,進入恒流區,耗盡層閉合的長度增加,直至完全夾斷。Vgs不同,預夾斷位置不同。圖1.4.5 輸出特性上面的虛線清楚地表示了預夾斷軌跡。

              Q4:那預夾斷有什么用呢?

              A4:預夾斷點就是可變電阻區和恒流區的分界線,可以準確判斷電路中JFET的工作區。

              預夾斷時:   Vds=Vgs-Vp,

              在恒流區:   Vds>Vgs-Vp,

              可變電阻區:Vds<Vgs-Vp,

              Q5:到底哪里是夾斷電壓,100uA、50uA、20uA還是10uA,說法很亂,我都不知道信誰了。

              A5:根據夾斷電壓的定義,是Vds一定時,漏極電流Id=0時的柵源電壓Vgs。至于100uA、50uA、20uA還是10uA,都是規定一個電流很小的條件??崔D移特性,橫軸夾斷電壓Vp左側,Id一直都等于0,對應的那么多Vgs值就沒有意義了,規定了一個足夠小的電流,就有了標準。要是你有足夠小量程的電流表,完全可以在更小的電流下比如nA級甚至pA級測試,但是意義不大。

              Q6:輸出曲線和輸入曲線是各說各話的嗎?

              A6:你的問題讓我很吃驚!轉移特性和輸出特性曲線都是表述一只JFET特性的,側重點不同。

              轉移特性曲線上面能讀出的參數:飽和漏極電流Idss,跨導Gm,夾斷電壓Vp。

              輸出特性曲線上面能讀出的參數:恒流區漏源電阻Rds,可變電阻區各種Vgs下的Rds。

              前面講過,轉移特性曲線完全可以由輸出特性得到。方法是:

              1、輸出特性曲線左邊畫轉移特性坐標,Vgs做橫軸,Id同樣做縱軸;

              2、轉移特性曲線Vds處畫垂線,和曲線各Vgs有很多交點,交點畫水平線作為轉移特性的Id軸坐標,對應的Vgs就是水平坐標畫點。連接Vgs不同的各點,就得到一根轉移特性曲線。

              3、如果你愿意,改變Vds,重復2,可以得到很多根轉移特性曲線。

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