JFET可变电阻的分析及应用范爱平山东大学自动化系(济南250061)【摘要】用PSpice软件对结型场效应管工作在可变电阻区的等效电阻Rds进行了测量与分析，并给出了可变电阻Rds的两个应用实例关键词：结型场效应管可变电阻PSpice软件1引言场效应管(FET)是单极性器件，与双极性晶体管(BJT)相比较，它具有输入阻 抗高、功耗低、漏极电流呈负温度系数、跨导在较高的漏极电流下基本为常数、 优异的开关稳定性等优点，因此在大规模集成电路、功率器件、低噪声音频放大、 高输入阻抗电路等领域都得到了广泛的应用与BJT相比较，FET还有一个突出 的特点，就是它具有可变电阻区，当工作在这个区时，FET为一个受控的可变电 阻笔者以N沟道JFET为例，采用OrCAD/ PSpice 9仿真软件对FET的可变电 阻进行了定量的测试、分析及应用实验田1 JFET的寻效电珞A 2 JFCT JFET的等效电路如图1所示，输出特性曲线如图2所示根据外加电压的不 同，JFET的工作区分为线性区、饱和区和截止区漏极电流Id的表达式如下：%〔2%一 Up)— 卩小 1 +%)线性区0 V % V % — 卩P(1)= {0(卩 GS — Up)(l + 入卩05)饱和区0 V怙一 Vp V仏(2)0截止区卩GS — Up V 0(3)式中，B为跨导参数，W是夹断电压，X是沟道长度调制系数。
性区，即Vds较小时,也即预夹断前，曲线基本上为过原点的直线，这时场效应管D、S之间等效一电阻:而且Rds的值随着栅源电压％的改变而改变，因此这个区又称可变电阻区2 JFET可变电阻的测试测试电路如图3所示图中的场效应管选用OrCAD/ PSpice 9中的库元件，型号为J2N3819,管子的模型参数如下：NJF(Beta = 1. 304m.Betatce = —. 5・Rd = 1 ,Rs = 1,Lambda = 2. 25m.Vto= — 3,Vtotc= — 2. 5m,Is = 33. 57f ,Isr = 322. 4f N = 1 ,Nr = 2Xti = 3,ALpha=311. 7u, Vk=243. 6, Cgd=l. 6p,M=. 3622, pb=l, Fc = . 5, Cgs = 2. 414p,Kf=9. 882E-18, Af=l)其中.Beta (即B)为跨导参数，Vto为夹断电压VP考虑到管子必须工作在可 变电阻区即预夹断前，所以加在漏源间的正弦电压源仏幅度不能太大，选VfIV(f=lkHz) o Vs为直流电压源183 刑* JFET W丈电M曲电*测试步骤如下：(1) 将栅源电压Vcs设置为全局变量{%},同时选择瞬态分析和参数扫描分析 (Parametric Sweep)。
Vgs变化范围：0〜~2. 5V,步长：-0. 5V2) 运行 Pspiceo(3) 进行电路性能分析：为了看到电阻Rds与％的关系曲线，在分析结束后， 将出现的多批运行结果全部选中，执行Trace/Performance Analysis (电路性 能分析)命令，屏上出现电路性能分析窗口，该窗口与Probe窗口类似，只是X轴变量变为％ 了4) 在电路性能分析窗口中执行Trace/Add Trace命令，选中特征函数Max (), 再选输出变量v(d)/ld (JI),则屏上出现场效应管可变电阻Rds与％的关系曲线如图4所示从图中可以看出，在此测试条件下Rds约为130 Q〜832 03电阻Rds与B、Vp及温度T的关系由⑴式可见,Id除了与Vds有关以外，还是B、Vp的函数，而B、Vp又都与工 作温度T有关，因此JFET的可变电阻也会随着这几个量的变化而变化3. 1 Rds与跨导参数B的关系让栅源电压VGS=-1V保持不变，将JFET的参数Beta (即B )设置为变量，变化范围：0.2m〜5m,步长：0.2m同吋选择瞬态分析、参数扫描分析和电路性 能分析，得到可变电阻Rds与Beta的关系曲线如图5所示。
从图中可以看出，跟随Beta的增高而减小，在此测试条件下Rds约为1. 288k Q〜52 Qn $ t n < Be< A A • a3.2 Rds与夹断电压Vp的关系让栅源电压VGS=-1V保持不变，将JFET的参数Vp设置为变量，变化范围:-5V〜 -2V,步长：-0. 5Vo得到可变电阻际与％的关系曲线如图6所示从图中可以 看tH, I VP |越大，Rds越小在此测试条件下Ros约为97. 97 Q〜392. 8 Q用6电徂RJQgJMVTO):■与的* ■•筑3.3 Rds与温度T的关系让栅源电压VGS=-1V保持不变，对电路进行温度分析，将温度T设置为-50C、-25C, 0C、25C、50C、75C、100C得到可变电阻Rds与温度T的关系曲线如图7所示可见RDS具有正温度系数□ Ma(v(dynxJiTemperatureffl 7电URg与温废7的杲系曲线4可变电阻的应用利用FET的可变电阻特性可使放大器的增益自动调整，振荡器自动稳幅，音 响电路的音量自动调节，可实现v/f变换等下面举两个实例4.1在RC振荡器中自动稳幅 RC桥式振荡器的基本电路如图8所示，经OrCAD/ PSpice 9运行后，输出波形如图9所示，由于电路中缺少稳幅措施，电路靠运放工作到非线性区来稳幅,所以波形在顶部和底部出现了削波现象即非线性失真。
田8 RC林XJfLJSJS的基本电踣图9 RC桥武振荡器的输出波形为了改善波形，在电路的负反馈回路中引入一个以JFET为核心的稳幅环节如图10所示稳幅原理如下田10 JFET作他U环节ERCMLSJM由图可知，运放组成的负反馈放大器的电压放大倍数为：电路刚上电时，JFET的VGS=0, Rds较小，Aw较大，为增幅振荡，便于电路起振之后，随着输出电压V幅度增大，V经二极管D整流和R八G滤波后，通过Re、心为JFET栅极提供控制电压幅度增大，％变负，Rds增大，负反馈加强,Aw减小反之亦然，起到稳幅作用图11所示为图10电路的输出波形，可见输出波形有了明显的改善ME圏I】＜| A JFEI够帕亦的檢出浪彩r.TMMBMOLZ*4. 2与555定时器组成压控振荡器如图12所示，电路以555定时器和JFET为核心组成压控振荡器当输入端加控制电压Vk时，则JFET的漏源等效电阻皿发生变化，因此电路的振荡频率也随之变化f _ 1.447 - g +图13（a）、（b）、（c）所示是当柿分别为-2V、- 1.5V、TV时的输出波形可测得振荡周期分别为148 u s、107 Li s和98 11 s。
该电路可用于V/F变换及音调识别等通过以上的仿真测试及分析可以看出，JFET的可变电阻Rds—般在几十Q〜 几kQ之间变化，与Beta成反比，与丨V/成反比，具有正温度系数合理地 选择JFET的参数及调整栅源电压％,可有效地控制电阻Rds的数值，这一特性 可在许多电路设计特别是电路指标的自动稳定设计中得到广泛的应用。