Πόλωση του JFET

Αυτοπόλωση

Ένας τρόπος πόλωσης του JFET είναι με την αυτοπόλωση. Η μέθοδος βασίζεται στην πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση της πηγής για τη δημιουργία της απαιτούμενης ανάστροφης τάσης μεταξύ πύλης - πηγής όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

 

Επειδή η πύλη είναι ανάστροφα πολωμένη, το ρεύμα που διέρχεται από την R_G είναι αμελητέο. Επομένως η τάση της πύλης είναι μηδέν. Από το σχήμα προκύπτει ότι:

V_GS + V_S = 0  ή  V_GS + I_DR_S = 0 ή V_GS = -I_DR_S

Έτσι όταν τείνει να αυξηθεί το ρεύμα του απαγωγού με την αύξηση της θερμοκρασίας ή με την αντικατάσταση του JFET, αυξάνει η πτώση τάση στην αντίσταση της πηγής, με επακόλουθο την αύξηση της ανάστροφης τάσης V_GS πύλης - πηγής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση του ρεύματος απαγωγού I_D. Όταν τείνει να μειωθεί το ρεύμα του απαγωγού, μειώνεται η πτώση τάσης στην αντίσταση της πηγής, με επακόλουθο την μείωση της ανάστροφης τάσης V_GS πύλης - πηγής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος απαγωγού Ι_D.

Η γραφική παράσταση της εξίσωσης V_GS = -I_DR_S είναι ευθεία στο διάγραμμα διαγωγιμότητας V_GS - I_D που διέρχεται από την αρχή των αξόνων. Το σημείο τομής της ευθείας αυτής με τη χαρακτηριστική διαγωγιμότητας (είναι η γραφική παράσταση του ρεύματος απαγωγού I_D με την τάση πύλης -πηγής V_GS ), μας δίνει το σημείο λειτουργίας Q, το οποίο έχει συντεταγμένες V_GSQ και Ι_DQ. Αυτές ικανοποιούν τη σχέση V_GSQ= -I_DQR_S  ή  R_S= -V_GSQ/I_DQ από όπου μπορούμε να υπολογίσουμε την αντίσταση πόλωσης της πηγής.

Για να εκλέξουμε την κατάλληλη τιμή της αντίστασης πηγής R_S του JFET, χαράζουμε την κατάλληλη ευθεία V_GS=-I_DR_D στο διάγραμμα, ώστε να μην έχει μεγάλη αλλά ούτε μικρή κλίση, και από της συντεταγμένες του σημείου τομής της με την χαρακτηριστική διαγωγιμότητας, βρίσκουμε την αντίσταση της πηγής όπως υποδείξαμε προηγουμένως.

Αν η χαρακτηριστηκή διαγωγιμότητας δεν δίνεται στα φυλλάδια των κατασκευαστών, αλλά γνωρίζουμε την τάση αποκοπής πύλης - πηγής V_GS(off) και το ρεύμα απαγωγού βραχυκυκλωμένης πύλης I_DSS, η αντίσταση της πηγής υπολογίζεται από τη σχέση:

R_S = -V_GS(off) / I_DSS

Πόλωση με διαιρέτη τάσης

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένας άλλος τρόπος πόλωσης του JFET με διαιρέτη τάσης. Η λογική της πόλωσης είναι ανάλογη με αυτήν της πόλωσης με διαιρέτη τάσης που χρησιμοποιείται στα διπολικά τρανζίστορ.

 

Η τάση που εφαρμόζεται στην πύλη είναι: V_G=V_DDR₂ / (R₁+R₂)

Η τάση V_S στα άκρα της αντίστασης της πηγής R_S είναι V_S = V_G - V_GS , επομένως το ρεύμα απαγωγού θα είναι ίσο με I_D = (V_G - V_GS) / R_S

Αν η V_G είναι πολύ μεγαλύτερη από την V_GS το ρεύμα απαγωγού θα είναι περίπου σταθερό για κάθε JFET. Όμως η V_GS μπορεί να διαφέρει αρκετά Volt από το ένα JFET στο άλλο, με αποτέλεσμα για τις τάσεις τροφοδοσίας που χρησιμοποιούνται, η εξουδετέρωση της επίδρασης της V_GS δεν είναι πλήρης. Έτσι για το λόγο αυτό η πόλωση με διαιρέτη τάσης είναι λιγότερο αποτελεσματική στα JFET από ότι στα διπολικά τρανζίστορ.

Διαγωγιμότητα

Κάθε JFET έχει μια ac παράμετρο που ονομάζεται διαγωγιμότητα και συμβολίζεται με g_m . Μαθηματικά ορίζεται ως:   g_m = ΔI_D / ΔV_GS        όπου  ΔΙ_D = μεταβολή στο ρεύμα απαγωγού και ΔV_GS = μεταβολή στην τάση πύλης - πηγής.

Η παραπάνω σχέση μας λέει ότι η διαγωγιμότητα ισούται με τη μεταβολή του ρεύματος απαγωγού δια την αντίστοιχη μεταβολή της τάσης πύλης πηγής, όταν η τάση απαγωγού - πηγής είναι σταθερή.

Για παράδειγμα, αν μια μεταβολή στην τάση της πύλης κατά 0,2V προκαλεί μια μεταβολή στο ρεύμα απαγωγού κατά 0,4mA, τότε g_m = 0,4mA / 0,2V = 2mS

Συνήθως τα φυλλάδια κατασκευαστών των JFET περιλαμβάνουν μια γραφική παράσταση που δείχνει τη μεταβολή του g_m με το ρεύμα απαγωγού. Αν δεν δίνεται από τον κατασκευαστή, η γραφική παράσταση του g_m ως προς το I_D, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η παρακάτω σχέση:

g_m = -2(1 - V_GS/V_GS(off))I_DSS/V_GS(off)

Ac μοντέλο του JFET

Στο σχήμα δίδεται ένα απλό ac ισοδύναμο του JFET. Ανάμεσα στην πύλη και την πηγή υπάρχει η πολύ μεγάλη αντίσταση R_GS. Αυτή κυμαίνεται ανάμεσα σε δεκάδες και εκατοντάδες megohm. Ο απαγωγός συμπεριφέρεται σαν πηγή ρεύματος με τιμή g_mv_gs , όπου v_gs είναι η ac τάση ανάμεσα στην πύλη και την πηγή.

 

Αυτό το μοντέλο είναι μια ιδανική προσέγγιση επειδή δεν περιλαμβάνει την αντίσταση της πηγής ρεύματος, τις εσωτερικές χωρητικότητες, κ.λ.π. και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ικανοποιητικά αποτελέσματα στα κυκλώματα χαμηλών συχνοτήτων.

Ενισχυτές με JFET

Οι ενισχυτές με JFET έχουν το πλεονέκτημα της υψηλής αντίστασης εισόδου και το μειονέκτημα το χαμηλό κέρδος τάσης. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένας ενισχυτής κοινής πηγής με πόλωση με διαιρέτη τάσης.

 

Ένα μικρό ac σήμα εφαρμόζεται στην πύλη, προκαλώντας διακυμάνσεις στην τάση πύλης - πηγής. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την διακύμανση του ρεύματος απαγωγού. Έτσι η αντίσταση απαγωγού διαρρέεται από μεταβαλλόμενο ρεύμα, δίδοντας μια ενισχυμένη ac τάση στην έξοδο και μάλιστα με διαφορά φάσης 180⁰.

Στο σχήμα, επίσης φαίνεται το ac ισοδύναμο του ενισχυτή κοινής πηγής. Στην είσοδο έχουμε τον παράλληλο συνδυασμό των R₁ και R₂, ενώ η εσωτερική αντίσταση R_GS είναι πολύ μεγάλη και μπορεί να αγνοηθεί, οπότε η σύνθετη αντίσταση εισόδου στις χαμηλές συχνότητες είναι περίπου ίση με:

z_in = R₁ || R₂

Στην έξοδο, η ac αντίσταση φορτίου στον απαγωγό είναι:  r_D = R_D || R_L

Αφού το ρεύμα που διαρρέει την r_D είναι g_mv_gs το πλάτος της ac τάσης εξόδου είναι:

v_out = g_mv_gsr_D = g_mv_inr_D  ή  

Α= v_out / v_in = g_mr_D

Η ανάλυση για την περίπτωση κυκλώματος JFET με αυτοπόλωση είναι παρόμοια. Στο κύκλωμα JFET με αυτοπόλωση βρίσκουμε το ιδιο κέρδος τάσης ίσο με g_mr_D ενώ η αντίσταση εισόδου είναι ίση με την αντίσταση πύλης R_G.