J-fet. Kompendium om J-FET

Transkript

1 J-fet 27/8-215 Kompendium om J-FET FET transistorer Generelt Fet-transistorer er opbygget helt anderledes end bipolar transistorerne. Her er det ikke en basisstrøm, der styrer ledeevnen gennem transistoren, men et elektrisk felt. Dvs. der blot skal en spænding på indgangen, der her kaldes Gate. Heraf navnet, Field Effect Transistorer. Familietræet for alle transistorer kan tegnes som denne skitse: Bipolar FET Almindelige Bipolare transistorer NPN og PNP J-FET ( P & N-kanal ) Depletion, elvledende ( P & N-kanal ) Mosfetter Enhangement, elvspærende ( P & N-kanal ) Eller som her, gaflet fra nettet: Kilde: Af: Valle Thorø ide 1 af 11

2 J-fet 27/8-215 om der ses, findes der flere typer FET er. Fælles for de forskellige FET-typer er: tyres af spændingen på gaten. G Har stor indganmodstand i på gaten. Fx 1 12 Ohm statisk. Dynamisk vil kapaciteter på chippen spille ind!! og kræve en strøm i gaten, stigende ved højere frekvenser! Der er stor parameterspredning Transistorerne findes både som P & N-kanal Nogle forhold er ringere, nogle er bedre end Bipolar transistorer. FET-er har en lav forstærkning. J-FET JFET står for Junction FET. Der er forbindelse fra Gaten ind til og ource via en diode i spærreretningen. Gate G Nkanal D ource Pkanal Pkanal Dioden peger for en Nkanal indad. Dvs. at gatespændingen skal være negativ. JFET s har ikke problemer med de,7 Volt, som ved bipolare transistorer, men G der styrer transistoren skal være negativ!! Og det giver problemer. MOFET s er mere Logiske e senere. J-FET s har stor indganmodstand, i, - og oå stor udganmodstand, o, og bruges derfor kun til småsignalforstærkning. Opbygning af en Jfet: N N Gate Gate er P-doteret Gate Gate er P-doteret N N ource ource Af: Valle Thorø ide 2 af 11

3 J-fet 27/8-215 Gaten er P-doteret, og selve silicium-stangen er N-doteret. Dvs, der set fra gaten er en PNovergang ind til og ource. Hvis gaten bliver negativ, dvs. overskud af huller, vil området omkring gaten drænes for frie ladninbærere. Altså vil modstanden fra til source blive større. Og ved en større negativ spænding, vil transistoren spærre helt. Her et andet billede af opbygningen: Man kan sammenligne gaten med en ringmuskel, der klemmer mere, jo mere negativ gatespændingen er. Jo mere negativ gate, G, jo mindre bliver strømmen D. Dvs, der må være en negativ spænding, der helt lukker D. e animation på Det kan udnyttes i fx en strømgenerator! VCC Konstantstrømsgenerator!! Belastning = Konstant Q2 1 1k Jo større strømmen gennem belastningen bliver, fx gennem en lysdiode, jo større bliver delta 1 og jo mere negativ bliver Gate i forhold til ource. Og jo mere negativ gate i forhold til ource, jo mindre strøm kan der løbe fra til ource. Der vil indstille sig en ligevægt!! hvor strømmen er konstant uanset den påtrykte spænding cc. Nul Af: Valle Thorø ide 3 af 11

4 J-fet 27/8-215 Men der er oå en modstand i transistorens ourcesilicium-materiale, og det giver oå et spændinfald. Dvs. gatespændingen i realiteten vil være negativ i forhold til ource. Oå selvom gaten forbindes direkte til ource, altså G =. Dvs. selv ved Gaten kortsluttet til ource, vil der indstille sig en konstant strøm!! Denne strøm kaldes transistorens D. VCC Belastning = Konstant Q2 Nul Altså: D G D OCAD: Opbyg dette kredsløb, og test det. 1 5 Forklar! J2 VPWL til 15 V V1 J2N4393 En FET-transistors D kan findes i databladet. Her et par eksempler. Transistor D ma BC 264A 2-4,5 BC 264B 3,5 6,5 BC 264C 5-8 BF 245A 2 6,5 BF 245B 6 15 BF 256B 6 13 BF 256C Af: Valle Thorø ide 4 af 11

5 J-fet 27/8-215 Det ses, at der er stor spredning. Denne strømgenerator-funktion kan købes færdig. Der findes en serie JFET - transisorer, med kun to ben ført ud. Tjek databladet for J5 serien, fx J59. De kaldes Current egulator Diodes. Nu undersøges en JFET for forskellige negative spændinger på Gaten. Følgende kredsløb bruges: 15 Vdc V2 1 1k Gatespændingen varieres, samtidig med, at -strømmen iagttages. drain D G BF244A Variabel V1 Vdc Jo mere negativ Gate-spændingen er, jo mindre er strømmen gennem transistoren, fra til ource. D D ammenhængen mellem G og D er desværre ikke lineær! Derfor bør kun små signaler forstærkes med JFET.!! Ellers giver det forvrængning. G Off VP = Pinch Off G Gss Off er den negative spænding på gaten, der lukker kanalen helt. Den kaldes oå for VP eller VPinch off. Animation kan ses på: Formelen for D-grafen er: D D 1 G G off 2 Af: Valle Thorø ide 5 af 11

6 J-fet 27/8-215 G og G Off er negative. soleres G i ligningen fås ligningen: G G Off 1 D D For forskellige typer JFET-transistorer kan D findes fra 2 til 25 ma. Og G Off fra 2 til 8 Volt. Der er altså stor parameter-spredning. Ved hjælp af viste skitse, kan sammenhængen mellem gatespændingen og drainstrømmen ses. Hældningen for G. = stejlheden = gm siger noget om, hvor stor ændring i D man får for en ændring i G. Gm kan fx være 2 ma/volt. Følgende udtryk må gælde for gm: D gm G For gm findes værdier fra 1 til 5 ma/v Hældning = tejlhed = gm G Off VP = Pinch Off D D G D Arbejdslinie D Opbyg følgende OCAD simulation Vdc V2 V1 J4 J2N3819 VPWL til minus 5 V Af: Valle Thorø ide 6 af 11

7 J-fet 27/8-215 V -2.5V EL>> -5.V 2mA VG(J2) 1mA A s.1s.2s.3s.4s.5s.6s.7s.8s.9s 1.s -(1) Time Ps. Ændre X-aksen til at være Vgate.! Et praktisk kredsløb: CC Her er vist et praktisk forstærkerkredsløb med en JFET transistor. in C1 3 1 C2 out trømmen ned gennem 1, gennem transistoren og gennem 2 skaber et spændinfald over 2. Herved er transistorens ource hævet over nul. Og gatespændingen er nul, dvs. negativ i forhold til ourcespændingen. 2 C3 Der vil ved rigtig valg af modstande indstille sig en ligevægt, således at drain er ca halv forsyninspænding, som giver størst mulig signalsving for out. Formlen for forstærkningen er: Forstærkning Out n gm Last gm Last Er der ingen belastninmodstand, falder L bort. C3 afkobler 2 AC-mæssigt, men 2 skaber negativ gate-spænding i forhold til ource. Er der ingen afkobling af ource fås følgende formel for forstærkningen: Forstærkning Out n gm gm Last s gm 1 gm s Last Af: Valle Thorø ide 7 af 11

8 J-fet 27/8-215 Afkobles, er eller ource =!!. Hvorved bliver de to formler ens!! Dimensionering: Ved dimensionering gælder det om at finde modstandene drain og source, der bevirker, at kredsløbet arbejder tilfredsstillende. Bliver source for stor, bliver tværstrømmen for lille, fordi så skal der mindre strøm i source til for at lukke gaten. Men tværstrømmen skal jo ikke lukkes helt. d fra følgende formler findes en G således at tværstrømmen D = D/2. G G Off 1 D D G G Off 1,5 D D En tommelfingerregel siger, at G 1 GOff G og G Off er negative. 3,414 Altså har vi: G Off Når G bliver arbejdspunktet 3,414 Eks.: D D 2 Er D = 1 ma for valgte valgte transistor, ønskes altså en hvile-tværstrøm på 5 ma. Gss Off er 8 V. bliver: G G Off 3, ,414 G 2, 34 V G 2,34 D 469,5 D in C1 1Meg gate CC D 1k C2 source out 47 Ohm amlet fås: G Off 2 3,414 D OCAD imulering: Af: Valle Thorø ide 8 af 11

9 J-fet 27/8-215 imuler dette kredsløb: 1 2k 15Vdc V2 VOFF = VAMPL =.1 FEQ = 1 V3 C1 1n V 4 1meg J4 J2N V 47 V ourcefollower: En ource-follower har stor i, og lav o. i svarer til gate. Et signal på gate findes oå på ource!! Derfor må forstærkningen være ca. 1 gange. in C1 1Meg gate CC C2 source out A' Out gen Out Out gm A' 1 gm gm gm L L L L 1k Eks.: gm = 2mA/V : A =,95!! Af: Valle Thorø ide 9 af 11

10 J-fet 27/8-215 OCAD imulering: Opbyg viste kredsløb, og test det. drain 15Vdc V2 VOFF = VAMPL =.1 FEQ = 1 V3 C1 1n V gate 4 1meg J4 J2N3819 source V 3 1K nogle typer operationsforstærkere, fx TL 81, er der benyttet det bedste fra de to transistortyper!! Denne type kaldes for BiFet, som kommer af Bipolar og Fet. Eksempler på brug af JFET Følgende kredsløb angiver, om telefonen er i brug et sted i huset. D6 in A D2 D3 1Meg 2 D LED V1 3-9 Vdc Telefon-tik D1 D4 1k C5 1 G D5 BF256B in B 1 V 1 W 1uF 63 V pændingen mellem lederne på en telefonlinie ved ON-HOOK, altså når røret er lagt på, er ca. 5 til 6 V DC. Det betyder, at ledningen for neden er positiv. pændingen er begrænset af zenerdioden til max 1 Volt. Dvs. gaten på FET en er minus 1 Volt i forhold til dens sourcespænding. Transistoren spærrer. Løftes telefonrøret, falder spændingen til 1-2 Volt DC. Vha spændindelingen mellem 1 og 2 vil gaten nu ikke få en mindre negativ spænding, og transistoren leder. Lysdioden lyser altså, når røret er løftet, og er optaget. Af: Valle Thorø ide 1 af 11

11 J-fet 27/8-215 Eksempel på JFET brugt som strømgenerator: trømgeneratoren er her brugt fordi der ønskes en konstant spænding i punkt B. Hvis der i stedet for T1 blev brugt en modstand, ville strømmen gennem D11 være afhængig af batterispændingen. Af: Valle Thorø ide 11 af 11