Memahami Operasi Mode Aktif JFET: Dari Simulasi SPICE hingga Transkonduktansi

Transistor sambungan bidang (JFET) berperilaku mirip dengan transistor sambungan bipolar (BJT) dalam hal dapat beroperasi dalam regime aktif—antara cut-off dan saturasi—di mana mereka mengatur arus. Untuk mengilustrasikan perilaku ini, kami akan menjalankan simulasi SPICE yang mencerminkan yang digunakan untuk mempelajari operasi BJT dasar.

Simulasi SPICE dari 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

Dalam skematika, transistor yang ditandai “Q1” ditulis sebagai j1 dalam netlist SPICE. Sementara diagram sirkuit rutin menggunakan huruf “Q” untuk menunjukkan transistor apa pun, SPICE memerlukan awalan spesifik untuk mengidentifikasi jenis perangkat: q untuk BJT dan j untuk JFET.

Sinyal kontrol adalah sumber 1-V stabil yang diterapkan dengan terminal negatif ke gate dan terminal positif ke sumber, sehingga bias balik simpang gate-sumber PN. Berbeda dengan BJT, yang dikontrol arus, JFET dikontrol tegangan, jadi tegangan gate-sumber 1-V menetapkan arus drain.

Seperti BJT, JFET mempertahankan arus drain pada nilai tetap saat tegangan suplai meningkat—hingga titik breakdown terjadi. Untuk mengonfirmasi ini, kami menyweep tegangan suplai dari 0 hingga 50 V sambil mempertahankan tegangan gate konstan.

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

Arus drain tetap stabil pada 100 µA terlepas dari tegangan suplai, menunjukkan kemampuan JFET untuk mengatur arus dalam rentang tegangan yang luas.

Karena tegangan gate mengontrol penyempitan saluran, menyesuaikannya adalah satu-satunya cara untuk mengubah tingkat arus yang diatur—sama seperti mengubah arus basis mengubah arus kolektor dalam BJT. Menurunkan tegangan gate ke 0,5 V meningkatkan arus drain menjadi 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

Mengurangi tegangan gate lebih lanjut ke 0,25 V meningkatkan arus drain menjadi 306,3 µA, tetapi hubungan tersebut jelas non-linear: mengurangi tegangan gate setengah tidak mengurangi arus drain setengah.

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

Untuk memvisualisasikan non-linearitas dengan lebih jelas, kami mempertahankan tegangan suplai tetap dan mengubah tegangan gate dari 0 hingga 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

Grafik menunjukkan bahwa sebagian besar pengurangan arus drain (≈ 75 %) terjadi dalam 1 V pertama tegangan gate; 25 % sisa membutuhkan volt tambahan penuh. Cut-off terjadi pada 2 V.

Kurva Karakteristik JFET

Kurva karakteristik mengilustrasikan perilaku pengaturan arus yang sama yang terlihat dalam BJT, tetapi jarak di antara kurva mengungkapkan non-linearitas JFET.

Model mental yang berguna mengganti JFET dengan pasangan dioda arus konstan yang arus referensinya ditetapkan oleh tegangan gate-sumber bias balik. Karena saluran unipolar, perangkat bersifat bilateral—arus dapat mengalir ke arah mana pun antara sumber dan drain.

Ketika kita membandingkan kurva JFET dengan yang dari BJT, bagian linier (tidak horizontal) dari kurva JFET secara mencolok lebih panjang.

Dalam wilayah triode, JFET berperilaku seperti resistor biasa; arus drain-ke-sumber secara langsung sebanding dengan tegangan drain-ke-sumber. Perilaku ohmik ini dapat dieksploitasi dalam sirkuit yang memerlukan resistansi yang dikontrol tegangan.

Di sini model reostat hanya berlaku dalam rentang tegangan sempit di mana perangkat dalam saturasi dalam. Resistansi ditetapkan oleh tegangan gate-sumber: bias balik yang lebih kecil menghasilkan resistansi yang lebih rendah (lereng yang lebih curam).

Karena JFET adalah pengatur arus yang dikontrol tegangan dalam wilayah aktif, mereka tidak memiliki faktor gain arus tunggal seperti BJT. Sebaliknya, performa mereka diukur oleh transkonduktansi (gm), yang diukur dalam Siemens, yang mewakili rasio perubahan arus drain terhadap perubahan tegangan gate-sumber.

Transkonduktansi tidak konstan; ia bervariasi dengan tegangan gate, seperti yang diilustrasikan oleh persamaan kuadrat:

Akibatnya, hubungan arus drain versus tegangan gate secara inheren non-linear, seperti yang ditunjukkan oleh simulasi SPICE.

Ulasan

• Dalam mode aktif, JFET mengatur arus drain melalui tegangan gate-sumber bias balik, analog dengan kontrol arus basis BJT.
• Hubungan arus drain versus tegangan gate non-linear; transkonduktansi berubah di seluruh rentang operasi.
• Dalam wilayah triode, JFET bertindak sebagai resistor yang dikontrol tegangan, dengan resistansi ditetapkan oleh bias gate-sumber.

Lembar Kerja Terkait

• Lembar Kerja Transistor Sambungan Bidang (JFET)