主动模式操作 (JFET)

JFET 与双极晶体管一样，能够在截止和饱和之间的模式下“节流”电流，称为 有源 模式。为了更好地理解 JFET 操作，让我们设置一个类似于用于探索基本双极晶体管功能的 SPICE 仿真：

JFET 操作的 Spice 仿真

jfet 模拟 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 

请注意，原理图中标记为“Q1”的晶体管在 SPICE 网表中表示为 j1 .尽管在电路原理图中，所有晶体管类型通常都称为“Q”器件——就像电阻用“R”表示，电容器用“C”表示一样——需要通过以下方式告诉 SPICE 这是什么类型的晶体管不同的字母名称：q 对于双极结型晶体管，j 用于结型场效应晶体管。

此处，控制信号是 1 伏的稳定电压，负极施加到 JFET 栅极，正极施加到 JFET 源，以反向偏置 PN 结。在第 4 章的第一个 BJT 仿真中，使用 20 µA 的恒流源作为控制信号，但请记住，JFET 是电压控制的 器件，而不是像双极结型晶体管那样的电流控制器件。

与 BJT 一样，JFET 倾向于在高于某个电源电压的固定水平上调节受控电流，无论该电压可能攀升多高。当然，这种电流调节在现实生活中是有限制的——没有晶体管可以承受来自电源的无限电压——如果漏源电压足够大，晶体管会“击穿”，漏电流会激增。但在正常工作限制内，JFET 将漏极电流保持在稳定的水平，而不受电源电压的影响。为了验证这一点，我们将运行另一个计算机模拟，这次将电源电压 (V1) 一直扫到 50 伏：

jfet 模拟 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 

果然，无论电源电压调整多高，漏极电流都保持稳定在 100 µA（1.000E-04 安培）。

因为输入电压可以控制 JFET 通道的收缩，所以改变这个电压应该是唯一能够改变 JFET 电流调节点的动作，就像改变 BJT 上的基极电流是唯一的动作一样能够改变集电极电流调节。让我们将输入电压从 1 伏降低到 0.5 伏，看看会发生什么：

jfet 模拟 vin 0 1 dc 0.5 j1 2 1 0 mod1 电流表 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

正如预期的那样，现在的漏极电流比之前的模拟要大。由于栅极-源极结上施加的反向偏置电压较小，耗尽区不像以前那么宽，从而“打开”了电荷载流子的通道并增加了漏电流值。

但请注意，这个新电流数字的实际值：225 µA（2.250E-04 安培）。上次模拟显示漏极电流为 100 µA，栅极-源极电压为 1 伏。现在我们已经将控制电压降低了 2 倍（从 1 伏降低到 0.5 伏），漏极电流增加了，但不是同样的 2:1 比例！让我们再次将栅源电压降低 2 倍（降至 0.25 伏），看看会发生什么：

jfet 模拟 vin 0 1 dc 0.25 j1 2 1 0 mod1 电流表 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

将栅源电压设置为 0.25 伏，是之前的一半，漏电流为 306.3 µA。尽管这仍然比先前模拟的 225 µA 有所增加，但它不是成比例的 控制电压的变化。

为了更好地理解这里发生的事情，我们应该运行一种不同类型的模拟：保持电源电压恒定，而不是改变控制（电压）信号。当这种模拟在 BJT 上运行时，结果是一条直线图，显示了 BJT 的输入电流/输出电流关系是如何线性的。让我们看看 JFET 表现出什么样的关系：

jfet 模拟 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 

该仿真直接揭示了结型场效应晶体管的一个重要特性：栅极电压对漏极电流的控制效果是非线性的。请注意，随着栅源电压的增加，漏极电流不会线性下降。对于双极结型晶体管，集电极电流与基极电流成正比：输出信号与输入信号成正比。 JFET 并非如此！随着接近截止，控制信号（栅源电压）对漏电流的影响越来越小。在这个模拟中，大部分控制动作（漏电流的 75%——从 400 µA 到 100 µA）发生在第一伏的栅源电压（从 0 到 1 伏）内，而其余 25% 的漏电流电流降低需要另一个整伏特的输入信号。截止发生在 2 伏输入。

线性度对于晶体管来说通常很重要，因为它可以忠实地放大波形而不会使波形失真。如果晶体管的输入/输出放大是非线性的，则输入波形的形状会以某种方式损坏，从而导致输出信号中产生谐波。在晶体管电路中，线性度唯一不重要的时间是当它在截止和饱和（分别为关和开，就像开关一样）的极端限制下运行时。

JFET 的特性曲线

JFET 的特性曲线显示出与 BJT 相同的电流调节行为，并且在曲线之间不成比例的垂直间距中，栅源电压和漏电流之间的非线性很明显：

为了更好地理解 JFET 的电流调节行为，绘制一个由更简单、更常见的组件组成的模型可能会有所帮助，就像我们为 BJT 所做的那样：

对于 JFET，它是电压 在反向偏置的栅源二极管两端设置恒流二极管对的电流调节点。模型中包含一对相反的恒流二极管，以促进源极和漏极之间任一方向的电流，通道的单极性质使这种特性成为可能。由于没有供源漏电流通过的 PN 结，因此受控电流没有极性敏感性。因此，JFET 通常被称为双边 设备。

JFET 特性曲线与双极晶体管曲线的对比揭示了一个显着差异：与 BJT 特性曲线的相应部分相比，每条曲线的非水平区域的线性（直线）部分惊人地长：

在三极管区域中运行的 JFET 晶体管 从漏极到源极测量时，往往表现得非常像一个普通电阻器。像所有简单的电阻一样，它的电流/电压图是一条直线。因此，JFET 特性曲线的三极管区域（非水平）部分有时被称为欧姆区域 .在这种工作模式中，没有足够的漏源电压使漏电流达到调节点，漏电流与漏源电压成正比。在精心设计的电路中，可以利用这种现象。 JFET 在曲线的这个区域运行，就像一个电压控制的电阻 而不是电压控制的电流调节器 , 适合晶体管的型号不同：

此处和此处仅晶体管的变阻器（可变电阻器）模型是准确的。然而，必须记住，这种晶体管模型仅适用于其工作的一个狭窄范围：当它极度饱和时（在漏极和源极之间施加的电压远低于通过漏极实现完全调节电流所需的电压）。在这种模式下，漏极和源极之间的电阻大小（以欧姆为单位）由在栅极和源极之间施加的反向偏置电压的大小控制。栅源电压越小，电阻越小（图上的线越陡峭）。

因为 JFET 是电压 -受控电流调节器（至少当它们被允许在其有源状态下运行时），它们的固有放大系数不能像 BJT 那样表示为无单位比率。换句话说，JFET 没有 β 比率。这适用于所有压控有源器件，包括其他类型的场效应晶体管甚至电子管。然而，有一种控制（漏极）电流到控制（栅源）电压的表达式，它被称为跨导 .它的单位是西门子，与电导的单位相同（以前称为 mho ).

为什么选择这样的单位？因为该方程采用电流（输出信号）除以电压（输入信号）的一般形式。

跨导方程

不幸的是，任何 JFET 的跨导值都不是一个稳定的量：它会随着施加到晶体管的栅源控制电压的大小而显着变化。正如我们在 SPICE 模拟中看到的，漏极电流不会随着栅源电压的变化而成比例地变化。要计算任何给定栅源电压的漏电流，可以使用另一个公式。检查时它显然是非线性的（注意 2 的幂），反映了我们在模拟中已经经历过的非线性行为：

评论：

• 在有源模式下，JFET 根据施加在栅极和源极之间的反向偏置电压量调节漏极电流，就像 BJT 根据基极电流调节集电极电流一样。漏电流（输出）与栅源电压（输入）之间的数学比称为跨导 ，以西门子为单位。
• 栅源（控制）电压和漏（受控）电流之间的关系是非线性的：随着栅源电压降低，漏电流呈指数增加。也就是说，JFET 的跨导在其工作范围内不是恒定的。
• 在其三极管区域，JFET 调节漏源电阻 根据施加在栅极和源极之间的反向偏置电压的大小。换句话说，它们就像电压控制的电阻。

相关工作表：

• 结型场效应晶体管 (JFET) 工作表