바이폴라 트랜지스터와 마찬가지로 JFET는 차단 모드와 포화 모드 사이의 활성 모드에서 전류를 "조절"할 수 있습니다 . JFET 동작을 더 잘 이해하기 위해 기본 바이폴라 트랜지스터 기능을 탐구하는 데 사용된 것과 유사한 SPICE 시뮬레이션을 설정해 보겠습니다 .
JFET 동작의 Spice 시뮬레이션
jfet 시뮬레이션 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) .end회로도에서 "Q 1 " 로 표시된 트랜지스터는 SPICE 넷리스트에서 j1 로 표시됩니다 . 모든 트랜지스터 유형은 회로도에서 일반적으로 "Q" 소자로 지칭됩니다. 저항을 "R"로, 커패시터를 "C"로 지칭하는 것과 마찬가지입니다. 하지만 SPICE는 다른 문자로 이 트랜지스터의 유형을 지정해야 합니다. 바이폴라 접합 트랜지스터는 q , 접합 전계 효과 트랜지스터는 j입니다 .
여기서 제어 신호는 1V의 일정 전압이며, JFET 게이트에는 음극, JFET 소스에는 양극을 인가하여 PN 접합을 역방향 바이어스합니다 . 4장의 첫 번째 BJT 시뮬레이션에서는 제어 신호로 20µA의 정전류 소스를 사용했지만, JFET는 바이폴라 접합 트랜지스터처럼 전류 제어 소자가 아니라 전압 제어 소자라는 점을 기억해야 합니다.
BJT와 마찬가지로 JFET는 전원 전압이 아무리 높아져도 특정 전원 전압 이상에서 제어되는 전류를 고정된 수준으로 조절하는 경향이 있습니다. 물론 이러한 전류 조절에는 현실적으로 한계가 있습니다. 어떤 트랜지스터도 전원에서 무한한 전압을 견딜 수 없기 때문입니다. 드레인-소스 전압이 충분하면 트랜지스터가 "파괴"되고 드레인 전류가 급증합니다. 하지만 정상 작동 한계 내에서 JFET는 전원 전압과 관계없이 드레인 전류를 일정한 수준으로 유지합니다. 이를 확인하기 위해 전원 전압(V 1 )을 50V까지 스와핑하는 또 다른 컴퓨터 시뮬레이션을 실행해 보겠습니다.
jfet 시뮬레이션 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
실제로 전원 공급 전압을 아무리 높게 조정하더라도 드레인 전류는 100µA(1.000E-04 암페어) 값으로 일정하게 유지됩니다.
입력 전압이 JFET 채널의 협착을 제어하기 때문에, BJT의 베이스 전류를 변경하는 것만이 컬렉터 전류 조절을 변경할 수 있는 유일한 방법인 것처럼, 이 전압을 변경하는 것만이 JFET의 전류 조절점을 변경할 수 있는 유일한 방법이어야 한다는 것은 당연합니다. 입력 전압을 1V에서 0.5V로 낮추고 어떤 일이 일어나는지 살펴보겠습니다.
jfet 시뮬레이션 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
예상대로 드레인 전류는 이전 시뮬레이션보다 더 큽니다. 게이트-소스 접합에 인가되는 역방향 바이어스 전압이 낮아짐에 따라 공핍 영역이 이전보다 넓어지지 않아 전하 캐리어를 위한 채널이 "열리고" 드레인 전류가 증가합니다.
하지만 이 새로운 전류 값의 실제 값은 225µA(2.250E-04A)입니다. 마지막 시뮬레이션에서는 드레인 전류가 100µA였고, 이는 게이트-소스 전압이 1V일 때의 값이었습니다. 이제 제어 전압을 2배(1V에서 0.5V로) 낮추었으므로 드레인 전류가 증가했지만, 이전과 같은 2:1 비율은 아니었습니다! 게이트-소스 전압을 다시 2배(0.25V로) 낮추고 어떤 일이 일어나는지 확인해 보겠습니다.
jfet 시뮬레이션 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
게이트-소스 전압을 이전 값의 절반인 0.25V로 설정했을 때 드레인 전류는 306.3µA입니다. 이는 이전 시뮬레이션의 225µA보다 증가한 수치이지만, 제어 전압의 변화에 비례 하지는 않습니다.
여기서 무슨 일이 일어나고 있는지 더 잘 이해하려면 다른 종류의 시뮬레이션을 실행해야 합니다. 전원 공급 장치 전압을 일정하게 유지하고 제어(전압) 신호를 변화시키는 시뮬레이션입니다. 이러한 시뮬레이션을 BJT에 실행했을 때, 결과는 직선 그래프로 나타났는데, 이는 BJT의 입력 전류/출력 전류 관계가 어떻게 선형적인지를 보여줍니다. JFET가 어떤 관계를 보이는지 살펴보겠습니다.
jfet 시뮬레이션 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
이 시뮬레이션은 접합 전계 효과 트랜지스터의 중요한 특성, 즉 게이트 전압이 드레인 전류에 미치는 제어 효과가 비선형적이라는 점을 직접적으로 보여줍니다. 게이트-소스 전압이 증가함에 따라 드레인 전류가 선형적으로 감소하지 않는다는 점에 유의하십시오. 바이폴라 접합 트랜지스터의 경우, 컬렉터 전류는 베이스 전류에 정비례했습니다. 즉, 출력 신호는 입력 신호를 따라 비례적으로 이동했습니다. JFET는 그렇지 않습니다! 제어 신호(게이트-소스 전압)는 드레인 전류가 차단(cutoff)에 가까워질수록 드레인 전류에 미치는 영향이 점점 줄어듭니다. 이 시뮬레이션에서 대부분의 제어 동작(드레인 전류의 75% 감소 - 400µA에서 100µA로)은 게이트-소스 전압의 첫 번째 전압(0에서 1V로) 내에서 발생하는 반면, 드레인 전류 감소의 나머지 25%는 입력 신호의 전체 전압에 해당하는 전압을 차지합니다. 차단은 2V 입력에서 발생합니다.
선형성은 트랜지스터에 일반적으로 중요한데, 파형을 왜곡 없이 충실하게 증폭할 수 있기 때문입니다. 트랜지스터의 입출력 증폭이 비선형적이면 입력 파형의 형태가 어떤 식으로든 변형되어 출력 신호에 고조파가 발생합니다. 트랜지스터 회로에서 선형성이 중요하지 않은 유일한 경우는 차단 및 포화의 극한(스위치처럼 각각 꺼짐 및 켜짐)에서 작동할 때입니다.
JFET의 특성 곡선
JFET의 특성 곡선은 BJT와 동일한 전류 조절 동작을 나타내며, 게이트-소스 전압과 드레인 전류 간의 비선형성은 곡선 간의 불균형한 수직 간격에서 분명하게 드러납니다.
JFET의 전류 조절 동작을 더 잘 이해하려면 BJT에서 한 것처럼 더 간단하고 일반적인 구성 요소로 구성된 모델을 그리는 것이 도움이 될 수 있습니다.
JFET의 경우, 역방향 바이어스된 게이트-소스 다이오드 양단의 전압 이 정전류 다이오드 쌍의 전류 조절점을 설정합니다 . 소스와 드레인 사이의 양방향 전류 흐름을 원활하게 하기 위해 한 쌍의 정전류 다이오드가 모델에 포함되어 있으며, 이는 채널의 단극성 특성으로 인해 가능합니다. 소스-드레인 전류가 이동할 PN 접합이 없기 때문에 제어되는 전류에 극성 감도가 없습니다. 이러한 이유로 JFET는 종종 양방향 소자라고 합니다.
JFET의 특성 곡선을 바이폴라 트랜지스터의 곡선과 대조하면 눈에 띄는 차이점이 드러납니다. 각 곡선의 수평이 아닌 영역의 선형(직선) 부분이 BJT의 특성 곡선의 해당 부분에 비해 놀라울 정도로 깁니다.
트라이오드 영역 에서 동작하는 JFET 트랜지스터는 드레인에서 소스까지 측정했을 때 일반 저항과 매우 유사하게 동작하는 경향이 있습니다. 모든 단순 저항과 마찬가지로 전류/전압 그래프는 직선입니다. 이러한 이유로 JFET 특성 곡선에서 트라이오드 영역(수평이 아닌) 부분을 옴 영역 이라고 부르기도 합니다 . 드레인-소스 간 전압이 충분하지 않아 드레인 전류를 조절 지점까지 끌어올릴 수 없는 이 동작 모드에서는 드레인 전류가 드레인-소스 간 전압에 정비례합니다. 신중하게 설계된 회로에서는 이러한 현상을 유리하게 활용할 수 있습니다. 곡선의 이 영역에서 동작하는 JFET는 전압 제어 전류 레귤레이터 가 아닌 전압 제어 저항 처럼 동작하며 , 트랜지스터에 적합한 모델도 다릅니다.
트랜지스터의 가변저항(가변 저항) 모델은 바로 이 부분에서만 정확합니다. 그러나 이 트랜지스터 모델은 극히 좁은 동작 범위, 즉 극도로 포화된 상태(드레인과 소스 사이에 인가되는 전압이 드레인을 통해 완전히 조절된 전류를 얻는 데 필요한 전압보다 훨씬 낮을 때)에서만 유효하다는 점을 기억해야 합니다. 이 모드에서 드레인과 소스 사이의 저항(옴으로 측정)은 게이트와 소스 사이에 인가되는 역방향 바이어스 전압의 양에 따라 제어됩니다. 게이트-소스 전압이 낮을수록 저항은 낮아집니다(그래프에서 선이 가파른 경우).
JFET는 전압 제어 전류 레귤레이터 이기 때문에 (적어도 액티브 상태에서 동작할 수 있을 때는), 고유 증폭률을 BJT처럼 단위 없는 비율로 표현할 수 없습니다. 즉, JFET에는 β 비율이 없습니다. 이는 다른 유형의 전계 효과 트랜지스터와 전자관을 포함한 모든 전압 제어 액티브 소자에 해당합니다. 그러나 제어되는(드레인) 전류와 제어되는(게이트-소스) 전압을 나타내는 표현이 있는데, 이를 트랜스컨덕턴스(transconductance) 라고 합니다 . 단위는 지멘스(Siemens)로, 컨덕턴스(이전에는 mho 로 알려짐 )와 동일한 단위입니다.
왜 이런 단위를 선택했을까요? 방정식이 전류(출력 신호)를 전압(입력 신호)으로 나누는 일반적인 형태를 띠기 때문입니다.
트랜스컨덕턴스 방정식
안타깝게도 모든 JFET의 트랜스컨덕턴스 값은 안정적인 값이 아닙니다. 트랜지스터에 인가되는 게이트-소스 제어 전압의 양에 따라 크게 달라집니다. SPICE 시뮬레이션에서 보았듯이, 드레인 전류는 게이트-소스 전압의 변화에 비례하여 변하지 않습니다. 주어진 게이트-소스 전압에 대한 드레인 전류를 계산하기 위해 사용할 수 있는 또 다른 방정식이 있습니다. 이 방정식은 분명히 비선형적입니다(2의 거듭제곱에 주목하세요). 이는 시뮬레이션에서 이미 경험했던 비선형적 거동을 반영합니다.
검토:
- 능동 모드에서 JFET는 게이트와 소스 사이에 인가되는 역방향 바이어스 전압의 크기에 따라 드레인 전류를 조절합니다. 이는 BJT가 베이스 전류에 따라 컬렉터 전류를 조절하는 것과 유사합니다. 드레인 전류(출력)와 게이트-소스 전압(입력) 간의 수학적 비율을 트랜스컨덕턴스 라고 하며 , 지멘스 단위로 측정합니다.
- 게이트-소스(제어) 전압과 드레인(제어) 전류 사이의 관계는 비선형적입니다. 게이트-소스 전압이 감소하면 드레인 전류는 기하급수적으로 증가합니다. 즉, JFET의 트랜스컨덕턴스는 동작 범위 전체에서 일정하지 않습니다.
- JFET는 트라이오드 영역에서 게이트와 소스 사이에 인가되는 역방향 바이어스 전압의 크기에 따라 드레인-소스 저항을 조절합니다 . 즉, 전압 제어 저항처럼 동작합니다.