Шпаргалка по использованию JFET’ов

25 апреля 2022

Полевые транзисторы делятся на полевые МОП-транзисторы (MOSFET) и полевые транзисторы с управляющим PN-переходом (JFET). Первые нам хорошо знакомы. Смотри шпаргалку по MOSFET’ам и примеры их использования далее по ссылкам. А вот JFET мы до сих пор не применяли. Давайте же это исправим.

Как и МОП-транзисторы, JFET имеют три терминала — затвор (gate), исток (source) и сток (drain), а также управляются напряжением на затворе. JFET являются depletion mode транзисторами. Бывают N-канальными и P-канальными, но последние вам почти наверняка не встретятся. Напомню, что MOSFET’ы в большинстве случаев являются enhancement mode и в равной степени встречаются как N-канальные, так и P-канальные.

Устройство JFET наглядно проиллюстрировано в книге «Learning the Art of Electronics» за авторством Thomas Hayes:

Как работаеют JFET

Ток между стоком и истоком (Id) является функцией от напряжения между затвором и истоком (Vgs). Когда это напряжение равно нулю, транзистор открыт и пропускает через себя максимально возможный ток Idss. Напряжение может быть чуть больше нуля, но не более 0.6 В. По мере уменьшения напряжения ток уменьшается, и становится равным нулю при достижении напряжения отсечки Vp (pinch-off voltage). Vp также обозначается как Vgs(off). Примите во внимание, что на картинке показан идеальный график. В реальности он сильно зависит от конкретного экземпляра транзистора, температуры, и прочих факторов.

В целом, все очень похоже на то, как работают МОП-транзисторы. Пусть вас не пугает отрицательное управляющее напряжение. Оно лишь означает, что на истоке транзистора нужно обеспечить большее напряжение, чем на затворе. Приведенный график при этом как бы сдвигается вправо. Важное отличие JFET от MOSFET заключается в отсутствии паразитного диода между истоком и стоком. То есть, это практически идеальный резистор управляемый напряжением.

JFET имеют много практических применений. Чаще всего они используются в составе интегральных схем, например, операционных усилителей с полевым входом, таких, как TL081/TL082. Радиолюбители делают на JFET генераторы и усилители. Генераторы на JFET склонны обладать большей температурной стабильностью, а усилители — меньшим коэффициентом шума, чем аналогичные схемы на биполярных транзисторах. Еще при помощи JFET можно сделать смеситель, АРУ, коммутировать ВЧ и НЧ сигналы. Конкретные схемы в большом количестве приводятся в книге «Experimental Methods in RF Design».

Из неприятностей, связанных с JFET, хочется отметить большую стоимость по сравнению с биполярными транзисторами, а также склонность конкретных компонентов исчезать. Так, в EMRFD практически во всех схемах используется транзистор J310. Сегодня он все еще доступен, но только как компонент для поверхностного монтажа MMBFJ310. Другие примеры некогда популярных, а ныне исчезнувших JFET — 2N3819 и MPF102. Существующие схемы приходится адаптировать под доступные компоненты.

В качестве близкого аналога J310 в моем регионе на момент написания статьи был доступен транзистор J111. J310 имеет Idss от 24 до 60 мА. Для J111 заявлен Idss не менее 20 мА. Vgs(off) составляет -2..-6.5 В для J310 против -3..-10 В для транзистора J111.

Чтобы окончательно убедиться, что J111 может быть использован в качестве замены J310, было решено опробовать его в схеме LC-генератора:

Схема LC-генератора на основе JFET

Схема адаптирована из EMRFD, Fig. 4.14, но аналогичные схемы встречались мне и в других источниках. Для начала было решено смоделировать ее в LTspice. Модель можно скачать здесь.

JFET в LTspice почему-то называется «nfj». Генератор не стартует, если только явно не добавить немного шума в модель источника питания. Для этого нужно воспользоваться компонентом под названием Arbitrary behavioral voltage source. Его можно найти под именем «bv».

По работе схемы все должно быть более-менее понятно. R2 обеспечивает положительное напряжение на истоке, L1 блокирует путь ВЧ сигналу в землю. C2-C3 обеспечивают обратную связь и фазовый сдвиг. L2 и С4 являются основными резонирующими элементами. D1 заботится о том, чтобы напряжение на затворе не превысило 0.6 В. С генератора небольшая часть сигнала идет через C5 на буфер.

Схема прекрасно работает не только в модели, но и на практике. Она выдает сигнал с частотой около 4.9 МГц и уровнем 5.6 dBm. Следует отметить, что сигнал богат гармониками. Ему не помешает ФНЧ. Схеме можно найти много применений. Если заменить C4 на КПЕ или варикапы, получаем ГПД. Также при помощи варикапов схему можно превратить в частотный модулятор.

А используете ли вы JFET в своих проектах? Если да, то в каких схемах, и какие именно транзисторы?

Метки: .