5.4: Operación en modo activo (JFET)

Los JFET, al igual que los transistores bipolares, son capaces de “estrangular” la corriente en un modo entre el corte y la saturación llamado modo activo. Para entender mejor el funcionamiento de JFET, vamos a configurar una simulación SPICE similar a la utilizada para explorar la función básica del transistor bipolar:

Tenga en cuenta que el transistor etiquetado “Q _1" en el esquema se representa en la lista de red SPICE como j1. Aunque todos los tipos de transistores se conocen comúnmente como dispositivos “Q” en los esquemas de circuito, así como a las resistencias se les hace referencia con designaciones “R”, y a los condensadores por “C”, se necesita decir a SPICE qué tipo de transistor es esto por medio de una designación de letra diferente: q para unión bipolar transistores, y j para transistores de efecto de campo de unión.

Aquí, la señal controladora es un voltaje constante de 1 voltio, aplicado con negativo hacia la puerta JFET y positivo hacia la fuente JFET, para polarizar hacia atrás la unión PN. En la primera simulación BJT del capítulo 4, se utilizó una fuente de corriente constante de 20 µA para la señal de control, pero recuerde que un JFET es un dispositivo controlado por voltaje, no un dispositivo controlado por corriente como el transistor de unión bipolar.

Al igual que el BJT, el JFET tiende a regular la corriente controlada a un nivel fijo por encima de cierto voltaje de fuente de alimentación, sin importar cuán alto pueda subir ese voltaje. Por supuesto, esta regulación de corriente tiene límites en la vida real, ningún transistor puede soportar voltaje infinito de una fuente de alimentación, y con suficiente voltaje de drenaje a fuente, el transistor se “descompondrá” y la corriente de drenaje aumentará. Pero dentro de los límites de funcionamiento normales, el JFET mantiene la corriente de drenaje en un nivel constante independiente del voltaje de la fuente de alimentación. Para verificar esto, ejecutaremos otra simulación por computadora, esta vez barriendo el voltaje de la fuente de alimentación (V ₁) hasta 50 voltios:

Efectivamente, la corriente de drenaje permanece estable a un valor de 100 µA (1.000E-04 amperios) sin importar cuán alto se ajuste el voltaje de la fuente de alimentación.

Debido a que el voltaje de entrada tiene control sobre la constricción del canal del JFET, tiene sentido que cambiar este voltaje sea la única acción capaz de alterar el punto de regulación de corriente para el JFET, al igual que cambiar la corriente base en un BJT es la única acción capaz de alterar el colector regulación vigente. Disminuyamos el voltaje de entrada de 1 voltio a 0.5 voltios y veamos qué sucede:

Como era de esperar, la corriente de drenaje es mayor ahora que en la simulación anterior. Con menos voltaje de polarización inversa impreso a través de la unión puerta-fuente, la región de agotamiento no es tan amplia como antes, “abriendo” el canal para los portadores de carga y aumentando la cifra de corriente de drenaje.

Tenga en cuenta, sin embargo, el valor real de esta nueva cifra de corriente: 225 µA (2.250E-04 amperios). La última simulación mostró una corriente de drenaje de 100 µA, y eso fue con un voltaje puerta-fuente de 1 voltio. Ahora que hemos reducido el voltaje de control en un factor de 2 (de 1 voltio a 0.5 voltios), la corriente de drenaje aumentó, ¡pero no en la misma proporción 2:1! Redujamos nuestra tensión puerta-fuente una vez más en otro factor de 2 (hasta 0.25 voltios) y veamos qué sucede:

Con el voltaje puerta-fuente establecido en 0.25 voltios, la mitad de lo que era antes, la corriente de drenaje es 306.3 µA. Aunque esto sigue siendo un aumento sobre los 225 µA de la simulación anterior, no es proporcional al cambio de la tensión de control.

Para obtener una mejor comprensión de lo que está pasando aquí, deberíamos ejecutar un tipo diferente de simulación: una que mantenga constante la tensión de la fuente de alimentación y en su lugar varíe la señal controladora (voltaje). Cuando este tipo de simulación se ejecutó en un BJT, el resultado fue un gráfico de línea recta, mostrando cómo la relación entre corriente de entrada y corriente de salida de un BJT es lineal. Veamos qué tipo de relación exhibe un JFET:

Esta simulación revela directamente una característica importante del transistor de efecto campo de unión: el efecto de control del voltaje de puerta sobre la corriente de drenaje es no lineal. Observe cómo la corriente de drenaje no disminuye linealmente a medida que aumenta el voltaje puerta-fuente. Con el transistor de unión bipolar, la corriente del colector fue directamente proporcional a la corriente base: la señal de salida siguió proporcionalmente a la señal de entrada. ¡No es así con el JFET! La señal de control (voltaje puerta-fuente) tiene cada vez menos efecto sobre la corriente de drenaje a medida que se acerca al corte. En esta simulación, la mayor parte de la acción de control (75 por ciento de la disminución de la corriente de drenaje, de 400 µA a 100 µA) tiene lugar dentro del primer voltaje de voltaje puerta-fuente (de 0 a 1 voltios), mientras que el 25 por ciento restante de la reducción de corriente de drenaje toma otro valor de voltaje completo de señal de entrada. El corte se produce a una entrada de 2 voltios.

La linealidad es generalmente importante para un transistor porque le permite amplificar fielmente una forma de onda sin distorsionarla. Si un transistor es no lineal en su amplificación de entrada/salida, la forma de la forma de onda de entrada se corromperá de alguna manera, conduciendo a la producción de armónicos en la señal de salida. La única linealidad de tiempo no es importante en un circuito de transistores es cuando se opera en los límites extremos de corte y saturación (apagado y encendido, respectivamente, como un interruptor).

Las curvas características de un JFET muestran el mismo comportamiento de regulación de corriente que para un BJT, y la no linealidad entre el voltaje de puerta a fuente y la corriente de drenaje es evidente en las separaciones verticales desproporcionadas entre las curvas:

Para comprender mejor el comportamiento regulador actual del JFET, podría ser útil dibujar un modelo compuesto por componentes más simples y comunes, tal como hicimos para el BJT:

En el caso del JFET, es el voltaje a través del diodo puerta-fuente polarizado inverso el que establece el punto de regulación de corriente para el par de diodos de corriente constante. Un par de diodos opuestos de corriente constante se incluyen en el modelo para facilitar la corriente en cualquier dirección entre la fuente y el drenaje, un rasgo que es posible por la naturaleza unipolar del canal. Sin uniones PN para que la corriente fuente-drenaje atraviese, no hay sensibilidad de polaridad en la corriente controlada. Por esta razón, los JFET a menudo se denominan dispositivos bilaterales.

Un contraste de las curvas características del JFET con las curvas para un transistor bipolar revela una diferencia notable: la porción lineal (recta) del área no horizontal de cada curva es sorprendentemente larga en comparación con las porciones respectivas de las curvas características de una BJT:

Un transistor JFET operado en la región del triodo tiende a actuar muy como una resistencia simple medida desde el drenaje hasta la fuente. Como todas las resistencias simples, su gráfico de corriente/voltaje es una línea recta. Por esta razón, la porción de región triodo (no horizontal) de una curva característica de JFET a veces se denomina región óhmica. En este modo de operación donde no hay suficiente voltaje de drenaje a fuente para llevar la corriente de drenaje hasta el punto regulado, la corriente de drenaje es directamente proporcional a la tensión de drenaje a fuente. En un circuito cuidadosamente diseñado, este fenómeno puede aprovecharse con ventaja. Operado en esta región de la curva, el JFET actúa como una resistencia controlada por voltaje en lugar de un regulador de corriente controlado por voltaje, y el modelo apropiado para el transistor es diferente:

Aquí y aquí solo el modelo de reóstato (resistencia variable) de un transistor es preciso. Debe recordarse, sin embargo, que este modelo del transistor se mantiene cierto solo para un rango estrecho de su funcionamiento: cuando está extremadamente saturado (mucho menos voltaje aplicado entre el drenaje y la fuente de lo que se necesita para lograr una corriente regulada completa a través del drenaje). La cantidad de resistencia (medida en ohmios) entre el drenaje y la fuente en este modo se controla por la cantidad de voltaje de polarización inversa que se aplica entre la puerta y la fuente. Cuanto menor sea el voltaje de puerta a fuente, menor será la resistencia (línea más pronunciada en el gráfico).

Debido a que los JFET son reguladores de corriente controlados por voltaje (al menos cuando se les permite operar en su activo), su factor de amplificación inherente no se puede expresar como una relación sin unidades como con los BJT. En otras palabras, no hay relación β para un JFET. Esto es cierto para todos los dispositivos activos controlados por voltaje, incluidos otros tipos de transistores de efecto de campo e incluso tubos de electrones. Sin embargo, existe una expresión de corriente controlada (drenaje) a voltaje de control (puerta-fuente), y se llama transconductancia. Su unidad es Siemens, la misma unidad para conductancia (anteriormente conocida como el mho).

¿Por qué esta elección de unidades? Porque la ecuación toma la forma general de corriente (señal de salida) dividida por voltaje (señal de entrada).

Desafortunadamente, el valor de transconductancia para cualquier JFET no es una cantidad estable: varía significativamente con la cantidad de voltaje de control puerta a fuente aplicado al transistor. Como vimos en las simulaciones SPICE, la corriente de drenaje no cambia proporcionalmente con los cambios en el voltaje puerta-fuente. Para calcular la corriente de drenaje para cualquier voltaje de puerta-fuente dado, hay otra ecuación que se puede usar. Obviamente es no lineal en la inspección (tenga en cuenta la potencia de 2), reflejando el comportamiento no lineal que ya hemos experimentado en la simulación:

Revisar

• En sus modos activos, los JFET regulan la corriente de drenaje de acuerdo con la cantidad de voltaje de polarización inversa aplicada entre la puerta y la fuente, al igual que un BJT regula la corriente del colector de acuerdo con la corriente base. La relación matemática entre la corriente de drenaje (salida) y el voltaje puerta-fuente (entrada) se llama transconductancia, y se mide en unidades de Siemens.
• La relación entre el voltaje puerta-fuente (control) y la corriente de drenaje (controlada) no es lineal: a medida que disminuye el voltaje puerta-fuente, la corriente de drenaje aumenta exponencialmente. Es decir, la transconductancia de un JFET no es constante en su rango de operación.
• En su región triodo, los JFET regulan la resistencia drenaje-fuente de acuerdo con la cantidad de voltaje de polarización inversa aplicado entre la puerta y la fuente. En otras palabras, actúan como resistencias controladas por voltaje.