Entendendo Operação em Modo Ativo do JFET: De Simulações SPICE à Transcondutância

Transistores de efeito de campo de junção (JFETs) comportam-se muito como transistores bipolares de junção (BJTs) no sentido de que podem operar em regime ativo — entre corte e saturação — onde regulam corrente. Para ilustrar este comportamento, executaremos uma simulação SPICE que espelha a usada para estudar operação básica de BJT.

Simulação SPICE de um 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

No esquema, o transistor rotulado "Q1" é escrito como j1 no netlist SPICE. Enquanto diagramas de circuito rotineiramente usam a letra "Q" para denotar qualquer transistor, SPICE requer prefixo específico para identificar tipo de dispositivo: q para BJTs e j para JFETs.

O sinal de controle é uma fonte DC estável de 1 V aplicada com terminal negativo no gate e positivo na fonte, polarizando reversamente a junção PN gate-fonte. Diferente de BJT, que é controlado por corrente, JFET é controlado por tensão, então tensão gate-fonte de 1 V define a corrente de dreno.

Como BJT, um JFET mantém a corrente de dreno próxima a valor fixo conforme tensão de alimentação aumenta — até ponto onde ocorre breakdown. Para confirmar, varremos tensão de alimentação de 0 a 50 V mantendo tensão de gate constante.

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

A corrente de dreno permanece estável em 100 µA independentemente da tensão de alimentação, demonstrando a capacidade do JFET de regular corrente sobre ampla faixa de tensão.

Como a tensão de gate controla a constrição do canal, ajustá-la é a única forma de deslocar o nível de corrente regulado — assim como variar corrente de base desloca corrente de coletor em BJT. Reduzindo tensão de gate para 0,5 V aumenta corrente de dreno para 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

Reduzindo tensão de gate para 0,25 V eleva corrente de dreno para 306,3 µA, mas a relação é claramente não-linear: reduzir tensão de gate à metade não reduz corrente de dreno à metade.

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 a não-linearidade mais claramente, fixamos tensão de alimentação e variamos tensão de gate 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

O gráfico mostra que a maior parte da redução de corrente de dreno (≈ 75%) ocorre no primeiro 1 V de tensão de gate; os 25% restantes requerem volt adicional. Corte ocorre a 2 V.

Curvas Características do JFET

As curvas características ilustram o mesmo comportamento de regulação de corrente visto em BJTs, mas o espaçamento entre curvas revela a não-linearidade do JFET.

Um modelo mental útil substitui o JFET por um par de diodos de corrente constante cuja corrente de referência é definida pela tensão gate-fonte polarizada reversamente. Como o canal é unipolar, o dispositivo é bilateral — corrente pode fluir em qualquer direção entre fonte e dreno.

Quando comparamos as curvas do JFET às de um BJT, as porções lineares (não horizontais) das curvas do JFET são notavelmente mais longas.

Na região tríodo, um JFET comporta-se como resistor simples; sua corrente dreno-fonte é diretamente proporcional à tensão dreno-fonte. Este comportamento ôhmico pode ser explorado em circuitos que requerem resistência controlada por tensão.

Aqui o modelo reostato aplica-se apenas sobre faixa estreita de tensão onde dispositivo está profundamente saturado. A resistência é definida pela tensão gate-fonte: bias reverso menor resulta em resistência menor (inclinação mais íngreme).

Como JFETs são reguladores de corrente controlados por tensão na região ativa, não possuem único fator de ganho de corrente como BJTs. Em vez disso, seu desempenho é quantificado por transcondutância (gm), medida em Siemens, que representa a razão entre variação de corrente de dreno e variação de tensão gate-fonte.

Transcondutância não é constante; varia com tensão de gate, como ilustrado pela equação quadrática:

Consequentemente, a relação corrente de dreno versus tensão de gate é inerentemente não-linear, como mostrado pela simulação SPICE.

Revisão

• Em modo ativo, JFET regula corrente de dreno através de tensão gate-fonte reversamente polarizada, análogo ao controle de corrente de base de BJT.
• Relação corrente de dreno vs tensão de gate é não-linear; transcondutância muda através da faixa operacional.
• Na região tríodo, JFET atua como resistor controlado por tensão, com resistência definida pelo bias gate-fonte.

Planilhas Relacionadas

• Planilha de Transistores de Efeito de Campo de Junção (JFET)