[经验心得] 有关“结型场效应管JFET”的那些事

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发表于 2015-5-16 10:53 | 显示全部楼层
在制作liushuliang前辈介绍的4-FET前级过程中,接触到结型场管JFET做放大应用(以前用到过JFET,都是做压控可变电阻)。一边制作调试一边找了几本有关的书籍,看书学习了很久,有些体会,想跟DIYer交流、分享。
说到相关书籍,个人认为讲述最简明易懂的要数清华大学华英成童诗白教授的《模拟电子技术基础》第四版教材,以下是本书中有关JFET原理的部分,只有5页,有兴趣可以啃一下。



02.png

03.png

04.png

05.png

可能有些难懂,不要紧一点点来。
1、JFET是电压控制电流器件。电压是:栅源电压Vgs;电流是:漏极电流Ids。这样一个三端口元件,栅源极反偏,阻抗很高,基本不取电流,所以漏极电流Id和源级电流Is基本相等。
这里对比一下普通双极型三极管BJT,它是电流控制电流器件,基极电流Ib控制集电极电流Ic。

2、看输出特性曲线,那样一簇线不容易理解,我们都是先单取一根来说,在看全部。
①Vgs一定(负值,|Vgs|<|VP|),Vds从0开始正向加大,这时候漏极电流Id跟Vds成正比增大,体现了电阻的伏安特性。电阻值由Vgs决定,就是说JFET可以做电压控制的可变电阻,这个工作区就叫“可变电阻区”。下面这个图是2SK246规格书中里面的低压特性,可以清楚看出可变电阻区的情况,它位于曲线最左边,Id变化陡峭部分,电阻值=ΔUds/ΔId。
可变电阻区.png
曲线上面粗略量一下,Ugs=0时,电阻1=0.6V/2mA=0.3k。Ugs=-0.2V时,电阻2=0.5V/1.4mA=0.375k。
②Vgs一定,Vds继续增大到Vgs-Vp时,曲线变得平缓了,这时,Vds增大Id却不再剧烈增大了,Id出现了饱和的现象。此时的Id由Vgs决定。
③Vgs不同的时候,Id出现饱和现象时的Vds是不同的,这些点连在一起就是预夹断轨迹。Vds=Vgs-Vp作为JFET工作在可变电阻区或者恒流区的唯一判据,在输出曲线上边预夹断轨迹左边就是可变电阻区,右边就是恒流区或者叫饱和区。书不同,叫法可能不一样。

JFET用作放大器件使用时,是工作在恒流区的。




补充内容 (2015-5-16 19:17):
第一张图漏掉了,在8楼。

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发表于 2015-5-16 12:04 来自手机端 | 显示全部楼层
就是说工作在可变电阻区是不对的,为什么有些人言之凿凿呢

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 楼主| 发表于 2015-5-16 12:35 | 显示全部楼层
本帖最后由 hulx 于 2015-5-16 12:38 编辑

继续哈!
3、转移特性曲线和输出曲线的关系
转移特性曲线和输出曲线都是表征JFET工作特性的,有了输出曲线就能得到转移特性曲线。下面转载维基百科上的一幅图,表示了这种关系。

inp_out.jpg
I–V characteristics and output plot of an n-channel JFET

先看左面的图,转移特性曲线。蓝色线代表的是饱和区,下边紫色区域是可变电阻区(图上写的是线性区——Linear region),横轴Vgs上的Vp就是夹断电压,横轴上红色的是漏极电流为0,表示导电沟道夹断漏极不再有电流了。Ids的最大点代表的是Vgs=0时的最大饱和漏极电流
右边图,是输出特性曲线。蓝色区是饱和区,虚线左边一点是可变电阻区(同上,写的是Linear region)。虚线是预夹断电压轨迹,方程图上有标记。下边横轴的红线仍然是夹断区。输出曲线表示了Vgs对Id的控制作用,Vgs是负值,绝对值往下面依次加大,直至夹断。




补充内容 (2015-5-16 13:55):
6L可以补充到这里。

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发表于 2015-5-16 12:37 来自手机端 | 显示全部楼层
工作在恒流区

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 楼主| 发表于 2015-5-16 12:59 | 显示全部楼层
4、低频跨导gm

大家都熟悉BJT的β,表示了一只三极管的电流放大系数,因为它是电流放大器件。如前所述这个概念用在JFET就不合适了,因此引入与此对应的参数:低频跨导。它表示栅极电压对漏极电流的控制作用,不严格来说就是gm=ΔId/ΔVgs,它跟β类似,决定了JFET放大电路的放大倍数。

这个gm可以在转移特性曲线上面测量出来,由于转移特性不是一条直线(可以用二次或更高次方程来拟合,后面会说到),因此这个跨导就不是一个常量。看着就是上面部分比较挺拔(跨导大),下面比较平缓(跨导小)。换言之,Id小放大倍数小,Id大放大倍数大。

那么一个设计合理的JFET放大器,为得到比较大的放大倍数,就应该设置合理的直流工作点,使之工作在转移特性上比较挺拔的部分。

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 楼主| 发表于 2015-5-16 13:54 | 显示全部楼层
same jfet.png

同一只JFET在各种Vds时的转移特性。当漏极电压远大于夹断电压Vp时,各条曲线差别很小,因此只做一条就可以了。

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发表于 2015-5-16 18:59 | 显示全部楼层
zfl1211 发表于 2015-5-16 12:04
就是说工作在可变电阻区是不对的,为什么有些人言之凿凿呢

FET应该可以工作在可变电阻区,这时候的曲线是非饱和特性的,是个挺有意思的事情。

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 楼主| 发表于 2015-5-16 19:16 | 显示全部楼层
01.png

不好意思,说好的5张图,漏掉了第一张,现补在这里。


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 楼主| 发表于 2015-5-16 19:18 | 显示全部楼层
牛哥 发表于 2015-5-16 18:59
FET应该可以工作在可变电阻区,这时候的曲线是非饱和特性的,是个挺有意思的事情。

有时候确实需要这个。

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 楼主| 发表于 2015-5-16 19:20 | 显示全部楼层
zfl1211 发表于 2015-5-16 12:04
就是说工作在可变电阻区是不对的,为什么有些人言之凿凿呢

恒流区才是正常的放大区。

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发表于 2015-5-16 19:32 来自手机端 | 显示全部楼层
老实说,这玩意的偏置真不太懂得调~
网上找了很多资料,说得都差不多,廖廖数句带过,不太明白“所以然”

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发表于 2015-5-16 19:34 来自手机端 | 显示全部楼层
刘老说它工作于预夹断区的

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发表于 2015-5-16 19:45 | 显示全部楼层
hulx 发表于 2015-5-16 19:18
有时候确实需要这个。

这个不饱和的工作状态,您做过liushuliang老先生的4管前级,实际测量一下管子的工作点,应该能得到证明。
实际上,不仅仅是J-FET可以工作在可变电阻区,普通的MOS管,我也曾用于U-DS大约等于0.6V的场合,试验过一个功放电路,工作正常,但是输出范围比较窄,调试起来比较麻烦,输出效率也较低。

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 楼主| 发表于 2015-5-16 19:48 | 显示全部楼层
5、一个重要公式:
JFET工作于饱和区时,其转移特性曲线可以用如下的二次式来拟合,说到拟合就不是绝对的,指数可能在2上下变化一点。这个公式在设计一个放大电路时候,计算直流偏置点会用到它。
Idss公式.png

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 楼主| 发表于 2015-5-16 19:54 | 显示全部楼层
牛哥 发表于 2015-5-16 19:45
这个不饱和的工作状态,您做过liushuliang老先生的4管前级,实际测量一下管子的工作点,应该能得到证明。 ...

我惊呆了!明眼人一看就懂我要说的是什么。这个是必须要说的,不急,我们慢慢来好吗?

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发表于 2015-5-16 19:56 | 显示全部楼层
hulx 发表于 2015-5-16 19:54
我惊呆了!明眼人一看就懂我要说的是什么。这个是必须要说的,不急,我们慢慢来好吗?

您继续~~~

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 楼主| 发表于 2015-5-16 19:57 | 显示全部楼层
想学维修 发表于 2015-5-16 19:34
刘老说它工作于预夹断区的

感谢大老远跑来回帖,受累了!

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发表于 2015-5-16 20:03 | 显示全部楼层
还有一类具有非饱和输出特性的垂直沟道场效应晶体管(简称SIT或者VFET)也是属于JFET的.

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 楼主| 发表于 2015-5-16 20:06 | 显示全部楼层
天马飞云 发表于 2015-5-16 20:03
还有一类具有非饱和输出特性的垂直沟道场效应晶体管(简称SIT或者VFET)也是属于JFET的.

感谢版主前来捧场!您说的两种等找时间再研究。

点评

不是二种类型管子,VFET和SIT是同一类型管子,称呼不同而已。  发表于 2015-5-16 20:16

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hulx 发表于 2015-5-16 19:57
感谢大老远跑来回帖,受累了!

兄弟这话让我摸不着头脑……
大概你是说水区过来很远吧~
你继续,我看着…
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