アクティブモード動作（JFET）

JFETは、バイポーラトランジスタと同様に、カットオフと飽和の間のモードでアクティブと呼ばれる電流を「スロットル」することができます。 モード。 JFETの動作をよりよく理解するために、基本的なバイポーラトランジスタ機能の調査に使用されるものと同様のSPICEシミュレーションを設定しましょう。

JFET動作のスパイスシミュレーション

 jfetシミュレーションvin0 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 

「Q ₁ 」というラベルの付いたトランジスタに注意してください。 回路図の」は、SPICEネットリストでは j1 として表されます。 。すべてのトランジスタタイプは、回路図では一般に「Q」デバイスと呼ばれますが、抵抗が「R」で示され、コンデンサが「C」で示されるように、SPICEは、これがどのタイプのトランジスタであるかを通知する必要があります。別の文字の指定： q バイポーラ接合トランジスタの場合、および j 接合電界効果トランジスタ用。

ここで、制御信号は1ボルトの定常電圧であり、JFETゲートに向かって負に、JFETソースに向かって正に印加され、PN接合を逆バイアスします。第4章の最初のBJTシミュレーションでは、制御信号に20 µAの定電流源が使用されましたが、JFETは電圧制御であることに注意してください。 デバイスであり、バイポーラ接合トランジスタのような電流制御デバイスではありません。

BJTと同様に、JFETは、特定の電源電圧がどれほど高くなっても、制御電流を特定の電源電圧を超える固定レベルで調整する傾向があります。もちろん、この電流レギュレーションには実際には限界があり、電源からの無限の電圧に耐えることができるトランジスタはありません。十分なドレイン-ソース間電圧があれば、トランジスタは「故障」し、ドレイン電流が急増します。しかし、通常の動作限界内では、JFETは電源電圧に関係なくドレイン電流を安定したレベルに保ちます。これを確認するために、別のコンピューターシミュレーションを実行します。今回は、電源電圧（V ₁ ）をスイープします。 ）50ボルトまで：

 jfetシミュレーションvin0 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 

案の定、電源電圧をいくら高く調整しても、ドレイン電流は100 µA（1.000E-04アンペア）の値で安定しています。

入力電圧はJFETのチャネルの狭窄を制御するため、BJTのベース電流を変更することが唯一のアクションであるのと同様に、この電圧を変更することがJFETの電流レギュレーションポイントを変更できる唯一のアクションである必要があることは理にかなっています。コレクタ電流レギュレーションを変更することができます。入力電圧を1ボルトから0.5ボルトに下げて、何が起こるか見てみましょう。

 jfetシミュレーションvin0 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 

予想通り、ドレイン電流は前のシミュレーションよりも大きくなっています。ゲート-ソース接合に印加される逆バイアス電圧が低いため、空乏領域は以前ほど広くないため、電荷キャリアのチャネルが「開かれ」、ドレイン電流の数値が増加します。

ただし、この新しい現在の数値の実際の値は225 µA（2.250E-04アンペア）であることに注意してください。最後のシミュレーションでは、100 µAのドレイン電流が示されました。これは、ゲート-ソース間電圧が1ボルトの場合です。制御電圧を2分の1に下げたので（1ボルトから0.5ボルトに）、ドレイン電流は増加しましたが、同じ2：1の比率ではありません！ゲート-ソース間電圧をもう一度2分の1（0.25ボルトまで）下げて、何が起こるか見てみましょう。

 jfetシミュレーションvin0 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 

ゲート-ソース間電圧を以前の半分の0.25ボルトに設定すると、ドレイン電流は306.3 µAになります。これは、以前のシミュレーションからの225 µAを超える増加ですが、比例ではありません。 制御電圧の変化に。

ここで何が起こっているのかをよりよく理解するには、別の種類のシミュレーションを実行する必要があります。電源電圧を一定に保ち、代わりに制御（電圧）信号を変化させるシミュレーションです。この種のシミュレーションをBJTで実行すると、結果は直線グラフになり、BJTの入力電流/出力電流の関係がどのように線形であるかを示しています。 JFETがどのような関係を示すか見てみましょう：

 jfetシミュレーションvin0 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 

このシミュレーションは、接合型電界効果トランジスタの重要な特性を直接明らかにします。ドレイン電流に対するゲート電圧の制御効果は非線形です。ゲート-ソース間電圧が増加しても、ドレイン電流が直線的に減少しないことに注意してください。バイポーラ接合トランジスタでは、コレクタ電流はベース電流に正比例していました。出力信号は入力信号に比例していました。 JFETではそうではありません！制御信号（ゲート-ソース間電圧）は、カットオフに近づくにつれて、ドレイン電流に対する影響がますます少なくなります。このシミュレーションでは、ほとんどの制御動作（ドレイン電流の75％が減少-400 µAから100 µA）は、ゲート-ソース間電圧の最初のボルト（0から1ボルト）内で発生し、残りの25％はドレイン電流の減少には、さらに1ボルト相当の入力信号が必要です。カットオフは2ボルトの入力で発生します。

直線性は、波形を歪ませることなく忠実に増幅できるため、トランジスタにとって一般的に重要です。トランジスタの入出力増幅が非線形の場合、入力波形の形状が何らかの形で破損し、出力信号に高調波が発生します。トランジスタ回路で線形性が重要でないのは、カットオフと飽和の極限（スイッチのようにそれぞれオフとオン）で動作しているときだけです。

JFETの特性曲線

JFETの特性曲線は、BJTの場合と同じ電流調整動作を示し、ゲートからソースへの電圧とドレイン電流の間の非線形性は、曲線間の不均衡な垂直方向の間隔で明らかです。

JFETの電流調整動作をよりよく理解するには、BJTの場合と同様に、より単純でより一般的なコンポーネントで構成されるモデルを作成すると役立つ場合があります。

JFETの場合、それは電圧です。 定電流ダイオードのペアの電流レギュレーションポイントを設定する逆バイアスゲート-ソースダイオードの両端。対向する定電流ダイオードのペアがモデルに含まれており、ソースとドレインの間のいずれかの方向の電流を促進します。これは、チャネルの単極性によって可能になる特性です。ソース-ドレイン電流が通過するPN接合がないため、制御電流に極性感度はありません。このため、JFETはバイラテラルと呼ばれることがよくあります。 デバイス。

バイポーラトランジスタの曲線に対するJFETの特性曲線の対比は、顕著な違いを示しています。各曲線の非水平領域の線形（直線）部分は、BJTの特性曲線のそれぞれの部分と比較して驚くほど長いです：

三極真空管領域で動作するJFETトランジスタ ドレインからソースまで測定すると、単純な抵抗のように機能する傾向があります。すべての単純な抵抗と同様に、その電流/電圧グラフは直線です。このため、JFETの特性曲線の三極真空管領域（非水平）部分は、オーミック領域と呼ばれることもあります。 。ドレイン電流を安定化ポイントまで上げるのに十分なドレイン-ソース間電圧がないこの動作モードでは、ドレイン電流はドレイン-ソース間電圧に正比例します。注意深く設計された回路では、この現象を有利に使用できます。曲線のこの領域で動作するJFETは、電圧制御された抵抗のように機能します。 電圧制御の電流レギュレータではなく 、およびトランジスタの適切なモデルが異なります：

こことここだけで、トランジスタのレオスタット（可変抵抗器）モデルは正確です。ただし、トランジスタのこのモデルは、その動作の狭い範囲にのみ当てはまることに注意する必要があります。つまり、トランジスタが極端に飽和している場合（ドレインとソースの間に印加される電圧が、ドレインを介して完全に安定化された電流を達成するために必要な電圧よりはるかに少ない場合）です。 ）。このモードでのドレインとソース間の抵抗量（オームで測定）は、ゲートとソースの間に印加される逆バイアス電圧の量によって制御されます。ゲートからソースへの電圧が低いほど、抵抗は少なくなります（グラフのより急な線）。

JFETは電圧であるため 制御された電流レギュレータ（少なくともアクティブで動作することが許可されている場合）では、BJTの場合のように、固有の増幅率を単位のない比率として表すことはできません。言い換えれば、JFETにはβ比はありません。これは、他のタイプの電界効果トランジスタや電子管を含む、すべての電圧制御アクティブデバイスに当てはまります。ただし、制御（ゲート-ソース）電圧に対する制御（ドレイン）電流の表現があり、相互コンダクタンスと呼ばれます。 。その単位は、コンダクタンスの同じ単位であるジーメンス（以前はモーとして知られていました）です。 。

なぜこのユニットの選択？方程式は、電流（出力信号）を電圧（入力信号）で割ったものの一般的な形式をとるためです。

相互コンダクタンス方程式

残念ながら、JFETの相互コンダクタンス値は安定した量ではありません。トランジスタに印加されるゲートからソースへの制御電圧の量によって大幅に変化します。 SPICEシミュレーションで見たように、ドレイン電流はゲート-ソース間電圧の変化に比例して変化しません。任意のゲート-ソース間電圧のドレイン電流を計算するために、使用できる別の式があります。検査時に明らかに非線形であり（2の累乗に注意）、シミュレーションですでに経験した非線形の動作を反映しています。

レビュー：

• アクティブモードでは、BJTがベース電流に従ってコレクタ電流を調整するのと同様に、JFETはゲートとソースの間に印加される逆バイアス電圧の量に従ってドレイン電流を調整します。ドレイン電流（出力）とゲート-ソース間電圧（入力）の数学的比率は、相互コンダクタンスと呼ばれます。 、およびジーメンスの単位で測定されます。
• ゲート-ソース（制御）電圧とドレイン（制御）電流の関係は非線形です。ゲート-ソース電圧が減少すると、ドレイン電流は指数関数的に増加します。つまり、JFETの相互コンダクタンスは、その動作範囲全体で一定ではありません。
• 三極真空管領域では、JFETはドレインからソースへの抵抗を調整します ゲートとソースの間に印加される逆バイアス電圧の量に応じて。言い換えれば、それらは電圧制御抵抗のように機能します。

関連するワークシート：

• 接合型電界効果トランジスタ（JFET）ワークシート