第4节 主动模式操作 (JFET) (修订中)
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JFET 与双极晶体管一样，能够在截止和饱和之间的模式下“节流”电流，称为_主动_模式。为了更好地理解 JFET 操作，让我们建立一个类似于用于探索基本双极晶体管功能的SPICE 仿真： (opens new window)
# 1. JFET 操作的 Spice 仿真
jfet 模拟 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
请注意，示意图中标记为“Q 1 ”的晶体管在 SPICE 网表中表示为j1。尽管在电路原理图中，所有晶体管类型通常都称为“Q”器件——就像电阻 (opens new window)器用“R”表示，电容器用“C”表示一样——SPICE 需要通过以下方式知道这是什么类型的晶体管不同的字母名称：q表示双极结型晶体管，j表示结型场效应晶体管。
这里，控制信号是 1 伏的稳定电压，负向施加到 JFET 栅极，正向施加到 JFET 源极，以反向偏置PN 结 (opens new window)。在第 4 章的第一个 BJT 仿真中，控制信号使用了 20 µA 的恒流源，但请记住，JFET 是_电压控制_器件，而不是像双极结型晶体管那样的电流控制器件。
与 BJT 一样，JFET 倾向于将受控电流调节到高于某个电源电压 (opens new window)的固定水平，无论该电压可能攀升多高。当然，这种电流调节在现实生活中是有限制的——没有晶体管可以承受来自电源的无限电压——并且在足够的漏源电压下，晶体管会“击穿”并且漏极电流会激增。但在正常工作范围内，JFET 将漏极电流保持在与电源电压无关的稳定水平。为了验证这一点，我们将运行另一个计算机模拟，这次将电源电压 (V 1 ) 一直扫描到 50 伏：
jfet 模拟 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
果然，无论电源电压调到多高，漏极电流都保持稳定在 100 µA (1.000E-04 安培)。
因为输入电压可以控制 JFET 通道的收缩，所以改变这个电压应该是能够改变 JFET 电流调节点的唯一动作是有意义的，就像改变BJT (opens new window)上的基极电流是唯一的动作一样能够改变集电极电流调节。让我们将输入电压从 1 伏降低到 0.5 伏，看看会发生什么：
jfet 模拟 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
正如预期的那样，现在的漏极电流比之前的模拟要大。由于在栅源结上施加的反向偏置电压较小，耗尽区没有以前那么宽，因此“打开”了电荷载流子的通道并增加了漏极电流值。
但是，请注意这个新电流值的实际值：225 µA（2.250E-04 安培）。上一次仿真显示漏极电流为 100 µA，栅源电压为 1 伏。现在我们已经将控制电压降低了 2 倍（从 1 伏降低到 0.5 伏），漏极电流增加了，但不是相同的 2:1 比例！让我们再次将栅源电压降低 2 倍（降至 0.25 伏），看看会发生什么：
jfet 模拟 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
栅极-源极电压设置为 0.25 伏，是之前的二分之一，漏极电流为 306.3 µA。虽然这仍然比之前模拟的 225 µA 有所增加，但它与控制电压的变化_不成比例。_
为了更好地理解这里发生了什么，我们应该运行一种不同的模拟：一种保持电源电压恒定而改变控制（电压）信号的模拟。当在 BJT 上运行这种模拟时，结果是一个直线图，显示了 BJT 的输入电流/输出电流关系如何是线性的。让我们看看 JFET 表现出什么样的关系：
jfet 模拟 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
该仿真直接揭示了结型场效应晶体管的一个重要特性：栅极电压对漏极电流的控制效应是非线性的。请注意，随着栅源电压的增加，漏极电流不会线性下降。对于双极结型晶体管，集电极电流与基极电流成正比：输出信号与输入信号成比例。JFET 并非如此！控制信号（栅极-源极电压）在接近截止时对漏极电流的影响越来越小。在这个模拟中，大部分控制动作（75% 的漏极电流减少——从 400 µA 到 100 µA）发生在栅源电压的第一伏（从 0 到 1 伏）内，而其余 25% 的漏极电流降低需要另一整伏的输入信号。
线性对于晶体管通常很重要，因为它允许它忠实地放大波形而不会使其失真。如果晶体管的输入/输出放大是非线性的，则输入波形的形状将以某种方式被破坏，从而导致在输出信号中产生谐波。在晶体管电路中，唯一不重要的线性度是当它在截止和饱和的极限下工作时（分别像开关一样关闭和打开）。
# 2. JFET的特性曲线
JFET 的特性曲线显示出与 BJT 相同的电流调节行为，并且栅极到源极电压和漏极电流之间的非线性在曲线之间不成比例的垂直间距中很明显：
为了更好地理解 JFET 的电流调节行为，绘制一个由更简单、更常见的组件组成的模型可能会有所帮助，就像我们为 BJT 所做的那样：
在 JFET 的情况下，反向偏置栅源二极管两端的_电压为_恒流二极管 (opens new window)对设定电流调节点。模型中包含一对相对的恒流二极管，以促进源极和漏极之间任一方向的电流，通道的单极特性使这一特性成为可能。由于源漏电流没有 PN 结通过，因此受控电流没有极性敏感性。因此，JFET 通常被称为_双边_器件。
JFET 特性曲线与双极晶体管曲线的对比揭示了一个显著差异：与 BJT 特性曲线的相应部分相比，每条曲线的非水平区域的线性（直线）部分长得惊人：
从漏极到源极测量，工作在_三极管区域_的 JFET 晶体管的行为与普通电阻器非常相似。像所有简单的电阻一样，它的电流/电压图是一条直线。出于这个原因，JFET 特性曲线的三极管区域（非水平）部分有时被称为_欧姆区域_。在这种工作模式下，没有足够的漏源电压来使漏电流达到调节点，漏电流与漏源电压成正比。在精心设计的电路中，可以充分利用这种现象。在曲线的这个区域运行时，JFET 的作用类似于压控_电阻_，而不是压控电阻_电流调节器_，和晶体管的合适型号不同：
仅在此处和此处，晶体管的变阻器（可变电阻器）模型是准确的。然而，必须记住，这种晶体管模型仅适用于其狭窄的工作范围：当它极度饱和时（在漏极和源极之间施加的电压远低于实现通过漏极的完全稳定电流所需的电压） ）。在此模式下，漏极和源极之间的电阻量（以欧姆为单位）由栅极和源极之间施加的反向偏置电压的多少来控制。栅源电压越小，电阻越小（图上的线越陡）。
因为 JFET 是_电压_控制的电流调节器（至少当它们被允许在有源状态下工作时），它们的固有放大系数不能像 BJT 那样用无单位比率表示。换句话说，JFET 没有 β 比率。这适用于所有电压控制的有源器件，包括其他类型的场效应晶体管甚至电子管。然而，有一种受控（漏极）电流对控制（栅极-源极）电压的表达，称为_跨导_。它的单位是西门子，与电导相同的单位（以前称为_mho_）。
为什么选择这样的单位？因为该方程采用电流（输出信号）除以电压（输入信号）的一般形式。
# 3. 跨导方程
不幸的是，任何 JFET 的跨导值都不是一个稳定的量：它随施加到晶体管的栅源控制电压的量而显著变化。正如我们在 SPICE 仿真中看到的，漏极电流不随栅源电压的变化成比例变化。要计算任何给定栅源电压的漏极电流，可以使用另一个方程。检查时它显然是非线性的（注意 2 的幂），反映了我们在模拟中已经经历的非线性行为： 
# 4. 总结
- 在其有源模式下，JFET 根据施加在栅极和源极之间的反向偏置电压量来调节漏极电流，就像 BJT 根据基极电流调节集电极电流一样。漏极电流（输出）和栅源电压（输入）之间的数学比率称为_跨导_，以西门子为单位测量。
- 栅源（控制）电压和漏（控制）电流之间的关系是非线性的：随着栅源电压降低，漏电流呈指数增长。也就是说，JFET 的跨导在其工作范围内不是恒定的。
- 在其三极管区域中，JFET根据施加在栅极和源极之间的反向偏置电压量来调节漏极到源极的_电阻。_换句话说，它们就像压控电阻一样。
相关练习：
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