Opération en mode actif (JFET)

Les JFET, comme les transistors bipolaires, sont capables de « réguler » le courant dans un mode entre la coupure et la saturation appelé actif mode. Pour mieux comprendre le fonctionnement du JFET, mettons en place une simulation SPICE similaire à celle utilisée pour explorer la fonction de base du transistor bipolaire :

Simulation d'épices d'une opération JFET

jfet simulation 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 

Notez que le transistor étiqueté « Q₁ ” dans le schéma est représenté dans la netlist SPICE par j1 . Bien que tous les types de transistors soient communément appelés dispositifs « Q » dans les schémas de circuit, tout comme les résistances sont désignées par les désignations « R » et les condensateurs par « C », SPICE doit être informé de quel type de transistor il s'agit au moyen de une désignation de lettre différente :q pour les transistors à jonction bipolaire, et j pour transistors à effet de champ à jonction.

Ici, le signal de contrôle est une tension constante de 1 volt, appliquée négativement vers la porte JFET et positive vers la source JFET, pour polariser en inverse la jonction PN. Dans la première simulation BJT du chapitre 4, une source de courant constant de 20 µA a été utilisée pour le signal de contrôle, mais rappelez-vous qu'un JFET est un contrôlé en tension appareil, pas un appareil à courant contrôlé comme le transistor à jonction bipolaire.

Comme le BJT, le JFET a tendance à réguler le courant contrôlé à un niveau fixe au-dessus d'une certaine tension d'alimentation, quelle que soit la hauteur de cette tension. Bien sûr, cette régulation de courant a des limites dans la vie réelle - aucun transistor ne peut supporter une tension infinie d'une source d'alimentation - et avec une tension drain-source suffisante, le transistor "cassera" et le courant de drain augmentera. Mais dans les limites de fonctionnement normales, le JFET maintient le courant de drain à un niveau stable indépendamment de la tension d'alimentation. Pour le vérifier, nous allons exécuter une autre simulation informatique, cette fois en balayant la tension d'alimentation (V₁ ) jusqu'à 50 volts :

jfet simulation 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 

Effectivement, le courant de drain reste stable à une valeur de 100 µA (1.000E-04 ampères) quelle que soit la valeur de la tension d'alimentation.

Étant donné que la tension d'entrée contrôle la constriction du canal du JFET, il est logique que la modification de cette tension soit la seule action capable de modifier le point de régulation du courant pour le JFET, tout comme la modification du courant de base sur un BJT est la seule action capable de modifier la régulation du courant du collecteur. Diminuons la tension d'entrée de 1 volt à 0,5 volt et voyons ce qui se passe :

jfet simulation 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 

Comme prévu, le courant de drain est maintenant supérieur à ce qu'il était dans la simulation précédente. Avec moins de tension de polarisation inverse imprimée à travers la jonction grille-source, la région d'épuisement n'est pas aussi large qu'elle l'était auparavant, "ouvrant" ainsi le canal pour les porteurs de charge et augmentant le courant de drain.

Veuillez cependant noter la valeur réelle de ce nouveau courant :225 µA (2.250E-04 amps). La dernière simulation a montré un courant de drain de 100 µA, et c'était avec une tension grille-source de 1 volt. Maintenant que nous avons réduit la tension de contrôle d'un facteur 2 (de 1 volt à 0,5 volt), le courant de drain a augmenté, mais pas dans la même proportion de 2:1 ! Réduisons à nouveau notre tension grille-source d'un autre facteur 2 (jusqu'à 0,25 volt) et voyons ce qui se passe :

jfet simulation 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 

Avec la tension grille-source réglée à 0,25 volts, la moitié de ce qu'elle était auparavant, le courant de drain est de 306,3 µA. Bien qu'il s'agisse toujours d'une augmentation par rapport aux 225 µA de la simulation précédente, ce n'est pas proportionnel au changement de la tension de commande.

Pour mieux comprendre ce qui se passe ici, nous devons exécuter un autre type de simulation :une simulation qui maintient la tension d'alimentation constante et fait varier à la place le signal de commande (tension). Lorsque ce type de simulation a été exécuté sur un BJT, le résultat était un graphique linéaire, montrant comment la relation courant d'entrée / courant de sortie d'un BJT est linéaire. Voyons quel type de relation un JFET présente :

jfet simulation 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 

Cette simulation révèle directement une caractéristique importante du transistor à effet de champ à jonction :l'effet de commande de la tension de grille sur le courant de drain est non linéaire. Remarquez comment le courant de drain ne diminue pas linéairement lorsque la tension grille-source augmente. Avec le transistor à jonction bipolaire, le courant de collecteur était directement proportionnel au courant de base :le signal de sortie suivait proportionnellement le signal d'entrée. Ce n'est pas le cas avec le JFET ! Le signal de commande (tension grille-source) a de moins en moins d'effet sur le courant de drain à mesure qu'il approche de la coupure. Dans cette simulation, la majeure partie de l'action de contrôle (75 % de la diminution du courant de drain—de 400 µA à 100 µA) a lieu dans le premier volt de la tension grille-source (de 0 à 1 volt), tandis que les 25 % restants du drain la réduction de courant prend un autre volt entier de signal d'entrée. La coupure se produit à l'entrée 2 volts.

La linéarité est généralement importante pour un transistor car elle lui permet d'amplifier fidèlement une forme d'onde sans la déformer. Si un transistor est non linéaire dans son amplification d'entrée/sortie, la forme de la forme d'onde d'entrée sera altérée d'une manière ou d'une autre, entraînant la production d'harmoniques dans le signal de sortie. Le seul moment où la linéarité n'est pas importante dans un circuit à transistors, c'est lorsqu'il fonctionne aux limites extrêmes de coupure et de saturation (éteint et allumé, respectivement, comme un interrupteur).

Courbe caractéristique de JFET

Les courbes caractéristiques d'un JFET affichent le même comportement de régulation de courant que pour un BJT, et la non-linéarité entre la tension grille-source et le courant de drain est évidente dans les espacements verticaux disproportionnés entre les courbes :

Pour mieux comprendre le comportement de régulation du courant du JFET, il pourrait être utile de dessiner un modèle composé de composants plus simples et plus courants, comme nous l'avons fait pour le BJT :

Dans le cas du JFET, il s'agit de la tension à travers la diode grille-source polarisée en inverse qui définit le point de régulation de courant pour la paire de diodes à courant constant. Une paire de diodes opposées à courant constant est incluse dans le modèle pour faciliter le courant dans les deux sens entre la source et le drain, une caractéristique rendue possible par la nature unipolaire du canal. En l'absence de jonctions PN pour le courant source-drain à traverser, il n'y a pas de sensibilité à la polarité dans le courant contrôlé. Pour cette raison, les JFET sont souvent appelés bilatéraux appareils.

Un contraste des courbes caractéristiques du JFET par rapport aux courbes d'un transistor bipolaire révèle une différence notable :la partie linéaire (droite) de la zone non horizontale de chaque courbe est étonnamment longue par rapport aux parties respectives des courbes caractéristiques d'un BJT :

Un transistor JFET fonctionnant dans la région triode a tendance à agir beaucoup comme une résistance simple telle que mesurée du drain à la source. Comme toutes les résistances simples, son graphique courant/tension est une ligne droite. Pour cette raison, la partie de la région triode (non horizontale) de la courbe caractéristique d'un JFET est parfois appelée région ohmique . Dans ce mode de fonctionnement où il n'y a pas assez de tension drain-source pour amener le courant de drain jusqu'au point régulé, le courant de drain est directement proportionnel à la tension drain-source. Dans un circuit soigneusement conçu, ce phénomène peut être utilisé à son avantage. Opéré dans cette région de la courbe, le JFET agit comme une résistance commandée en tension plutôt qu'un régulateur de courant à tension contrôlée , et le modèle approprié pour le transistor est différent :

Ici et ici seulement, le modèle de rhéostat (résistance variable) d'un transistor est précis. Il faut cependant se rappeler que ce modèle de transistor n'est valable que pour une plage étroite de son fonctionnement :lorsqu'il est extrêmement saturé (beaucoup moins de tension appliquée entre le drain et la source que ce qui est nécessaire pour obtenir un courant régulé complet à travers le drain ). La quantité de résistance (mesurée en ohms) entre le drain et la source dans ce mode est contrôlée par la quantité de tension de polarisation inverse appliquée entre la grille et la source. Moins de tension grille-source, moins de résistance (ligne plus raide sur le graphique).

Parce que les JFET sont tension -régulateurs de courant contrôlés (au moins lorsqu'ils sont autorisés à fonctionner dans leur actif), leur facteur d'amplification inhérent ne peut pas être exprimé sous la forme d'un rapport sans unité comme avec les BJT. En d'autres termes, il n'y a pas de rapport pour un JFET. Cela est vrai pour tous les dispositifs actifs commandés en tension, y compris les autres types de transistors à effet de champ et même les tubes électroniques. Il existe cependant une expression de courant contrôlé (drain) pour contrôler la tension (grille-source), et elle est appelée transconductance . Son unité est Siemens, la même unité de conductance (anciennement connue sous le nom de mho ).

Pourquoi ce choix d'unités ? Parce que l'équation prend la forme générale du courant (signal de sortie) divisé par la tension (signal d'entrée).

Équation de transconductance

Malheureusement, la valeur de transconductance pour n'importe quel JFET n'est pas une quantité stable :elle varie considérablement avec la quantité de tension de commande grille-source appliquée au transistor. Comme nous l'avons vu dans les simulations SPICE, le courant de drain ne change pas proportionnellement aux changements de tension grille-source. Pour calculer le courant de drain pour une tension grille-source donnée, une autre équation peut être utilisée. Il est évidemment non linéaire à l'inspection (notez la puissance de 2), reflétant le comportement non linéaire que nous avons déjà connu en simulation :

AVIS :

• Dans leurs modes actifs, les JFET régulent le courant de drain en fonction de la quantité de tension de polarisation inverse appliquée entre la grille et la source, un peu comme un BJT régule le courant de collecteur en fonction du courant de base. Le rapport mathématique entre le courant de drain (sortie) et la tension grille-source (entrée) est appelé transconductance , et il est mesuré en unités de Siemens.
• La relation entre la tension grille-source (de commande) et le courant de drain (contrôlé) est non linéaire :à mesure que la tension grille-source diminue, le courant de drain augmente de façon exponentielle. C'est-à-dire que la transconductance d'un JFET n'est pas constante sur sa plage de fonctionnement.
• Dans leur région triode, les JFET régulent la résistance drain-source selon la quantité de tension de polarisation inverse appliquée entre la grille et la source. En d'autres termes, ils agissent comme des résistances commandées en tension.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les transistors à effet de champ à jonction (JFET)