Operasi Mode Aktif (JFET)

JFET, seperti transistor bipolar, mampu "memperlambat" arus dalam mode antara cutoff dan saturasi yang disebut aktif mode. Untuk lebih memahami operasi JFET, mari siapkan simulasi SPICE yang serupa dengan yang digunakan untuk mengeksplorasi fungsi dasar transistor bipolar:

Simulasi Rempah-rempah dari Operasi JFET

simulasi 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 

Perhatikan bahwa transistor berlabel “Q₁ ” dalam skema direpresentasikan dalam netlist SPICE sebagai j1 . Meskipun semua jenis transistor biasanya disebut sebagai perangkat "Q" dalam skema rangkaian—seperti resistor yang disebut dengan sebutan "R", dan kapasitor dengan "C"—SPICE perlu diberi tahu jenis transistor apa ini melalui penunjukan huruf yang berbeda:q untuk transistor sambungan bipolar, dan j untuk transistor efek medan sambungan.

Di sini, sinyal pengontrol adalah tegangan stabil 1 volt, diterapkan dengan negatif menuju gerbang JFET dan positif menuju sumber JFET, untuk membias balik sambungan PN. Dalam simulasi BJT pertama bab 4, sumber arus konstan 20 A digunakan untuk sinyal pengontrol, tetapi ingat bahwa JFET adalah dikontrol tegangan perangkat, bukan perangkat yang dikendalikan arus seperti transistor sambungan bipolar.

Seperti BJT, JFET cenderung mengatur arus terkontrol pada tingkat yang tetap di atas tegangan catu daya tertentu, tidak peduli seberapa tinggi tegangan tersebut dapat naik. Tentu saja, regulasi arus ini memiliki batasan dalam kehidupan nyata—tidak ada transistor yang dapat menahan tegangan tak terbatas dari sumber daya—dan dengan tegangan drain-to-source yang cukup, transistor akan “rusak” dan arus drain akan melonjak. Tetapi dalam batas operasi normal, JFET menjaga arus pembuangan pada tingkat yang stabil terlepas dari tegangan catu daya. Untuk memverifikasi ini, kami akan menjalankan simulasi komputer lain, kali ini menyapu tegangan catu daya (V₁ ) hingga 50 volt:

simulasi 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 

Benar saja, arus pembuangan tetap stabil pada nilai 100 A (1.000E-04 amp) tidak peduli seberapa tinggi tegangan catu daya yang disetel.

Karena tegangan input memiliki kontrol atas penyempitan saluran JFET, masuk akal bahwa mengubah tegangan ini harus menjadi satu-satunya tindakan yang mampu mengubah titik pengaturan arus untuk JFET, sama seperti mengubah arus basis pada BJT adalah satu-satunya tindakan mampu mengubah regulasi arus kolektor. Mari kita turunkan tegangan input dari 1 volt menjadi 0,5 volt dan lihat apa yang terjadi:

simulasi 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 

Seperti yang diharapkan, arus drain sekarang lebih besar daripada simulasi sebelumnya. Dengan tegangan bias balik yang lebih kecil di persimpangan gerbang-sumber, wilayah penipisan tidak seluas sebelumnya, sehingga "membuka" saluran untuk pembawa muatan dan meningkatkan angka arus pembuangan.

Harap dicatat, bagaimanapun, nilai sebenarnya dari angka arus baru ini:225 A (2.250E-04 amp). Simulasi terakhir menunjukkan arus drain sebesar 100 A, yaitu dengan tegangan gate-source sebesar 1 volt. Sekarang kita telah mengurangi tegangan pengontrol dengan faktor 2 (dari 1 volt menjadi 0,5 volt), arus pembuangan meningkat, tetapi tidak dengan proporsi 2:1 yang sama! Mari kita kurangi tegangan sumber gerbang kita sekali lagi dengan faktor 2 lainnya (turun menjadi 0,25 volt) dan lihat apa yang terjadi:

simulasi 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 

Dengan tegangan sumber gerbang diatur ke 0,25 volt, setengah dari sebelumnya, arus pembuangan adalah 306,3 A. Meskipun ini masih merupakan peningkatan dari 225 A dari simulasi sebelumnya, itu tidak proporsional terhadap perubahan tegangan pengontrol.

Untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang apa yang terjadi di sini, kita harus menjalankan jenis simulasi yang berbeda:simulasi yang menjaga tegangan catu daya konstan dan sebagai gantinya mengubah sinyal pengontrol (tegangan). Ketika simulasi semacam ini dijalankan pada BJT, hasilnya adalah grafik garis lurus, yang menunjukkan bagaimana hubungan arus input / output BJT adalah linier. Mari kita lihat hubungan seperti apa yang ditunjukkan JFET:

simulasi 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 

Simulasi ini secara langsung mengungkapkan karakteristik penting dari transistor efek medan junction:efek kontrol tegangan gerbang terhadap arus drain adalah nonlinier. Perhatikan bagaimana arus pembuangan tidak berkurang secara linier ketika tegangan sumber gerbang meningkat. Dengan transistor sambungan bipolar, arus kolektor berbanding lurus dengan arus basis:sinyal keluaran mengikuti sinyal masukan secara proporsional. Tidak demikian dengan JFET! Sinyal pengontrol (tegangan sumber gerbang) memiliki efek yang semakin kecil terhadap arus drain saat mendekati cutoff. Dalam simulasi ini, sebagian besar tindakan pengontrolan (75 persen penurunan arus drain—dari 400 A ke 100 A) terjadi dalam volt pertama tegangan sumber gerbang (dari 0 hingga 1 volt), sedangkan 25 persen sisanya pengurangan arus membutuhkan sinyal input senilai volt lainnya. Pemutusan terjadi pada input 2 volt.

Linearitas umumnya penting untuk transistor karena memungkinkan untuk setia memperkuat bentuk gelombang tanpa mendistorsi itu. Jika transistor nonlinier dalam penguatan input/outputnya, bentuk gelombang input akan menjadi rusak dalam beberapa cara, yang mengarah ke produksi harmonik dalam sinyal output. Satu-satunya linieritas waktu yang tidak penting dalam rangkaian transistor adalah ketika transistor dioperasikan pada batas ekstrim cutoff dan saturasi (mati dan hidup, masing-masing, seperti sakelar).

Kurva Karakteristik JFET

Kurva karakteristik JFET menampilkan perilaku pengaturan arus yang sama seperti pada BJT, dan ketidaklinieran antara tegangan gerbang-ke-sumber dan arus drain terlihat dalam jarak vertikal yang tidak proporsional antara kurva:

Untuk lebih memahami perilaku JFET yang mengatur saat ini, mungkin berguna untuk menggambar model yang terdiri dari komponen yang lebih sederhana dan lebih umum, seperti yang kami lakukan untuk BJT:

Dalam kasus JFET, ini adalah tegangan melintasi dioda gerbang-sumber bias-balik yang menetapkan titik pengaturan arus untuk pasangan dioda arus-konstan. Sepasang dioda arus konstan yang berlawanan disertakan dalam model untuk memfasilitasi arus di kedua arah antara sumber dan saluran, suatu sifat yang dimungkinkan oleh sifat saluran yang unipolar. Tanpa sambungan PN untuk dilalui arus sumber-drain, tidak ada sensitivitas polaritas dalam arus yang dikendalikan. Untuk alasan ini, JFET sering disebut sebagai bilateral perangkat.

Kontras kurva karakteristik JFET terhadap kurva untuk transistor bipolar menunjukkan perbedaan yang mencolok:bagian linier (lurus) dari setiap area non-horizontal kurva secara mengejutkan panjang dibandingkan dengan bagian masing-masing dari kurva karakteristik BJT:

Transistor JFET dioperasikan di wilayah triode cenderung bertindak sangat mirip resistor biasa yang diukur dari saluran ke sumber. Seperti semua resistansi sederhana, grafik arus/tegangannya adalah garis lurus. Untuk alasan ini, bagian triode region (non-horizontal) dari kurva karakteristik JFET kadang-kadang disebut sebagai wilayah ohmik . Dalam mode operasi ini di mana tidak ada cukup tegangan drain-to-source untuk membawa arus drain ke titik yang diatur, arus drain berbanding lurus dengan tegangan drain-to-source. Dalam sirkuit yang dirancang dengan hati-hati, fenomena ini dapat digunakan untuk keuntungan. Dioperasikan di wilayah kurva ini, JFET bertindak seperti resistensi yang dikontrol tegangan daripada pengatur arus yang dikontrol tegangan , dan model transistor yang sesuai berbeda:

Di sini dan di sini saja model rheostat (resistor variabel) dari transistor akurat. Harus diingat, bagaimanapun, bahwa model transistor ini berlaku hanya untuk rentang operasi yang sempit:ketika sangat jenuh (tegangan yang diterapkan antara saluran dan sumber jauh lebih sedikit daripada yang diperlukan untuk mencapai arus yang diatur penuh melalui saluran. ). Jumlah resistansi (diukur dalam ohm) antara saluran dan sumber dalam mode ini dikendalikan oleh berapa banyak tegangan bias balik diterapkan antara gerbang dan sumber. Semakin sedikit tegangan gerbang-ke-sumber, semakin kecil resistansi (garis curam pada grafik).

Karena JFET adalah tegangan -regulator arus yang dikendalikan (setidaknya ketika mereka diizinkan untuk beroperasi dalam keadaan aktif), faktor amplifikasi bawaannya tidak dapat dinyatakan sebagai rasio tanpa unit seperti pada BJT. Dengan kata lain, tidak ada rasio untuk JFET. Ini berlaku untuk semua perangkat aktif yang dikontrol tegangan, termasuk jenis transistor efek medan lainnya dan bahkan tabung elektron. Namun demikian, ada ekspresi arus terkontrol (pengurasan) ke tegangan pengontrol (sumber gerbang), dan ini disebut transkonduktansi . Satuannya adalah Siemens, satuan yang sama untuk konduktansi (sebelumnya dikenal sebagai mho ).

Mengapa pilihan unit ini? Karena persamaan mengambil bentuk umum arus (sinyal keluaran) dibagi dengan tegangan (sinyal masukan).

Persamaan Transkonduktansi

Sayangnya, nilai transkonduktansi untuk setiap JFET bukanlah kuantitas yang stabil:nilainya bervariasi secara signifikan dengan jumlah tegangan kontrol gerbang-ke-sumber yang diterapkan ke transistor. Seperti yang kita lihat dalam simulasi SPICE, arus pembuangan tidak berubah secara proporsional dengan perubahan tegangan sumber gerbang. Untuk menghitung arus drain untuk setiap tegangan sumber gerbang yang diberikan, ada persamaan lain yang dapat digunakan. Ini jelas nonlinier saat diperiksa (perhatikan kekuatan 2), yang mencerminkan perilaku nonlinier yang telah kita alami dalam simulasi:

TINJAUAN:

• Dalam mode aktifnya, JFET mengatur arus pembuangan menurut jumlah tegangan bias balik yang diterapkan antara gerbang dan sumber, seperti halnya BJT mengatur arus kolektor menurut arus basis. Rasio matematis antara arus drain (output) dan tegangan gerbang-ke-sumber (input) disebut transkonduktansi , dan diukur dalam satuan Siemens.
• Hubungan antara tegangan gate-source (kontrol) dan arus drain (terkontrol) adalah nonlinier:saat tegangan gate-source diturunkan, arus drain meningkat secara eksponensial. Artinya, transkonduktansi JFET tidak konstan selama rentang operasinya.
• Di wilayah triodenya, JFET mengatur resistensi drain-to-source sesuai dengan jumlah tegangan bias balik yang diterapkan antara gerbang dan sumber. Dengan kata lain, mereka bertindak seperti resistansi yang dikontrol tegangan.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja transistor efek medan sambungan (JFET)