Operação em modo ativo (JFET)

JFETs, como transistores bipolares, são capazes de “estrangular” a corrente em um modo entre o corte e a saturação chamado ativo modo. Para entender melhor a operação JFET, vamos configurar uma simulação SPICE semelhante à usada para explorar a função básica do transistor bipolar:

Simulação Spice de uma operação JFET

 simulação de 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 

Observe que o transistor identificado como “Q ₁ ”No esquema é representado na netlist SPICE como j1 . Embora todos os tipos de transistor sejam comumente referidos como dispositivos "Q" nos esquemas do circuito - assim como os resistores são referidos por designações "R" e os capacitores por "C" - SPICE precisa ser informado de que tipo de transistor é este por meio de uma designação de letra diferente: q para transistores de junção bipolar e j para transistores de efeito de campo de junção.



Aqui, o sinal de controle é uma tensão constante de 1 volt, aplicada com negativo em direção à porta JFET e positivo em direção à fonte JFET, para polarizar reversamente a junção PN. Na primeira simulação BJT do capítulo 4, uma fonte de corrente constante de 20 µA foi usada para o sinal de controle, mas lembre-se de que um JFET é um controlado por tensão dispositivo, não um dispositivo controlado por corrente como o transistor de junção bipolar.

Como o BJT, o JFET tende a regular a corrente controlada em um nível fixo acima de uma certa tensão de alimentação, não importa o quão alto essa tensão possa subir. Obviamente, este regulamento atual tem limites na vida real - nenhum transistor pode suportar uma tensão infinita de uma fonte de alimentação - e com tensão dreno-a-fonte suficiente, o transistor irá “quebrar” e a corrente de drenagem irá aumentar. Mas, dentro dos limites normais de operação, o JFET mantém a corrente de drenagem em um nível constante, independente da tensão da fonte de alimentação. Para verificar isso, vamos executar outra simulação de computador, desta vez varrendo a tensão da fonte de alimentação (V ₁ ) até 50 volts:

 simulação de 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 

Com certeza, a corrente de drenagem permanece estável em um valor de 100 µA (1.000E-04 amperes), não importa quão alta seja a tensão da fonte de alimentação ajustada.

Como a tensão de entrada tem controle sobre a constrição do canal do JFET, faz sentido que alterar essa tensão seja a única ação capaz de alterar o ponto de regulação da corrente para o JFET, assim como alterar a corrente de base em um BJT é a única ação capaz de alterar a regulação da corrente do coletor. Vamos diminuir a tensão de entrada de 1 volt para 0,5 volts e ver o que acontece:

 simulação de 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 esperado, a corrente de drenagem é maior agora do que era na simulação anterior. Com menos tensão de polarização reversa impressa na junção porta-fonte, a região de depleção não é tão ampla quanto antes, “abrindo” o canal para portadores de carga e aumentando o número de corrente de drenagem.

Observe, entretanto, o valor real deste novo valor de corrente:225 µA (2,250E-04 amperes). A última simulação mostrou uma corrente de dreno de 100 µA, e isso com uma tensão porta-fonte de 1 volt. Agora que reduzimos a tensão de controle por um fator de 2 (de 1 volt para 0,5 volts), a corrente de drenagem aumentou, mas não na mesma proporção de 2:1! Vamos reduzir nossa tensão de fonte de porta mais uma vez por outro fator de 2 (para 0,25 volts) e ver o que acontece:

 simulação 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 

Com a tensão da fonte do gate configurada para 0,25 volts, metade do que era antes, a corrente de drenagem é 306,3 µA. Embora isso ainda seja um aumento em relação aos 225 µA da simulação anterior, não é proporcional à mudança da tensão de controle.

Para obter uma melhor compreensão do que está acontecendo aqui, devemos executar um tipo diferente de simulação:uma que mantenha a tensão da fonte de alimentação constante e, em vez disso, varie o sinal de controle (tensão). Quando esse tipo de simulação foi executado em um BJT, o resultado foi um gráfico em linha reta, mostrando como a relação corrente de entrada / saída de um BJT é linear. Vamos ver que tipo de relacionamento um JFET exibe:

 simulação 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 simulação revela diretamente uma característica importante do transistor de efeito de campo de junção:o efeito de controle da tensão da porta sobre a corrente de drenagem não é linear. Observe como a corrente de drenagem não diminui linearmente à medida que a tensão da porta-fonte aumenta. Com o transistor de junção bipolar, a corrente do coletor era diretamente proporcional à corrente de base:o sinal de saída seguia proporcionalmente o sinal de entrada. Não é assim com o JFET! O sinal de controle (tensão porta-fonte) tem cada vez menos efeito sobre a corrente de drenagem à medida que se aproxima do corte. Nesta simulação, a maior parte da ação de controle (75 por cento da diminuição da corrente de dreno - de 400 µA para 100 µA) ocorre dentro do primeiro volt da tensão da fonte de porta (de 0 a 1 volt), enquanto os 25 por cento restantes do dreno a redução de corrente leva outro volt no valor de sinal de entrada. O corte ocorre na entrada de 2 volts.

A linearidade é geralmente importante para um transistor porque permite amplificar fielmente uma forma de onda sem distorcê-la. Se um transistor não for linear em sua amplificação de entrada / saída, o formato da onda de entrada será corrompido de alguma forma, levando à produção de harmônicos no sinal de saída. A única linearidade de tempo que não é importante em um circuito de transistor é quando ele está sendo operado nos limites extremos de corte e saturação (desligado e ligado, respectivamente, como uma chave).

Curva característica de JFET

As curvas características de um JFET exibem o mesmo comportamento de regulação de corrente de um BJT, e a não linearidade entre a tensão porta-a-fonte e a corrente de drenagem é evidente nos espaçamentos verticais desproporcionais entre as curvas:



Para compreender melhor o comportamento de regulação da corrente do JFET, pode ser útil desenhar um modelo feito de componentes mais simples e comuns, assim como fizemos para o BJT:



No caso do JFET, é a tensão através do diodo porta-fonte com polarização reversa que define o ponto de regulação de corrente para o par de diodos de corrente constante. Um par de diodos opostos de corrente constante é incluído no modelo para facilitar a corrente em qualquer direção entre a fonte e o dreno, uma característica possibilitada pela natureza unipolar do canal. Sem junções PN para a passagem da corrente fonte-dreno, não há sensibilidade de polaridade na corrente controlada. Por este motivo, os JFETs são frequentemente referidos como bilaterais dispositivos.

Um contraste das curvas características do JFET contra as curvas de um transistor bipolar revela uma diferença notável:a porção linear (reta) da área não horizontal de cada curva é surpreendentemente longa em comparação com as respectivas porções das curvas características de um BJT:





Um transistor JFET operado na região triodo tende a agir de forma muito semelhante a um resistor simples, medido do dreno à fonte. Como todas as resistências simples, seu gráfico de corrente / tensão é uma linha reta. Por esta razão, a porção da região triodo (não horizontal) da curva característica de um JFET é algumas vezes referida como a região ôhmica . Neste modo de operação, onde não há tensão dreno-fonte suficiente para trazer corrente de dreno até o ponto regulado, a corrente dreno é diretamente proporcional à tensão dreno-fonte. Em um circuito cuidadosamente projetado, esse fenômeno pode ser usado com vantagem. Operado nesta região da curva, o JFET atua como uma resistência controlada por tensão em vez de um regulador de corrente controlado por tensão , e o modelo apropriado para o transistor é diferente:



Aqui e apenas aqui, o modelo reostato (resistor variável) de um transistor é preciso. Deve ser lembrado, no entanto, que este modelo do transistor é válido apenas para uma faixa estreita de sua operação:quando está extremamente saturado (muito menos tensão aplicada entre o dreno e a fonte do que o necessário para atingir a corrente regulada plena através do dreno ) A quantidade de resistência (medida em ohms) entre o dreno e a fonte neste modo é controlada por quanta tensão de polarização reversa é aplicada entre a porta e a fonte. Quanto menos tensão porta-fonte, menos resistência (linha mais íngreme no gráfico).

Porque JFETs são voltagem - reguladores de corrente controlados (pelo menos quando eles têm permissão para operar em seu ativo), seu fator de amplificação inerente não pode ser expresso como uma razão sem unidade como com BJTs. Em outras palavras, não há razão β para um JFET. Isso é verdadeiro para todos os dispositivos ativos controlados por voltagem, incluindo outros tipos de transistores de efeito de campo e até tubos de elétrons. Há, no entanto, uma expressão de corrente controlada (dreno) para controlar a tensão (porta-fonte), e é chamada de transcondutância . Sua unidade é a Siemens, a mesma unidade de condutância (anteriormente conhecida como mho )

Por que essa escolha de unidades? Porque a equação assume a forma geral de corrente (sinal de saída) dividida pela tensão (sinal de entrada).

Equação de Transcondutância

Infelizmente, o valor de transcondutância para qualquer JFET não é uma quantidade estável:ele varia significativamente com a quantidade de tensão de controle porta-fonte aplicada ao transistor. Como vimos nas simulações do SPICE, a corrente de dreno não muda proporcionalmente com as mudanças na tensão da porta-fonte. Para calcular a corrente de drenagem para qualquer tensão porta-fonte dada, existe outra equação que pode ser usada. É obviamente não linear após a inspeção (observe o poder de 2), refletindo o comportamento não linear que já experimentamos na simulação:

REVER:

• Em seus modos ativos, os JFETs regulam a corrente de drenagem de acordo com a quantidade de tensão de polarização reversa aplicada entre a porta e a fonte, da mesma forma que um BJT regula a corrente do coletor de acordo com a corrente de base. A razão matemática entre a corrente de drenagem (saída) e a tensão porta-fonte (entrada) é chamada de transcondutância , e é medido em unidades da Siemens.
• A relação entre a tensão porta-fonte (controle) e a corrente de dreno (controlada) é não linear:conforme a tensão porta-fonte diminui, a corrente de dreno aumenta exponencialmente. Ou seja, a transcondutância de um JFET não é constante ao longo de sua faixa de operação.
• Em sua região triodo, os JFETs regulam a resistência dreno para a fonte de acordo com a quantidade de tensão de polarização reversa aplicada entre a porta e a fonte. Em outras palavras, eles agem como resistências controladas por voltagem.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de transistores de efeito de campo de junção (JFET)