Politechnika Świętokrzyska w Kielcach Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki
Laboratorium Podstaw Elektroniki
Temat: „Badanie tranzystorów polowych złączowych JFET“
Data zajęć: 5.12.2012r. Data oddania sprawozdania: 19.12.2012r.

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania i własności tranzystora polowego złączowego z kanałem typu n poprzez wyznaczenie jego charakterystyk statycznych i parametrów w układzie wspólnego źródła. Na podstawie wyników należy opracować wnioski na temat ćwiczenia.

1. Schemat pomiarowy:

Układ do pomiaru statycznych charakterystyk tranzystora polowego złączowego z kanałem typu n.

Parametry statyczne tranzystora polowego JFET

    Parametry statyczne:
        - prąd wyłączenia I_D(off),
        - rezystancja statyczna włączenia R_DS(on),
        - rezystancja wyłączenia RDS(off),
        - prądy upływu. 

    Parametry graniczne:
        - dopuszczalny prąd drenu I_Dmax, (od kilku do kilkudziesięciu miliamperów),
        - dopuszczalny prąd bramki I_Gmax,
        - dopuszczalne napięcie dren-źródło U_Dsmax, (od kilku do kilkudziesięciu woltów) lub bramka-źródło U_Gsmax,
        - dopuszczalne straty mocy, P_totmax » P_Dmax(od kilkudziesięciu do kilkuset miliwoltów)

1. Tabele pomiarowe:

Pomiary charakterystyk przejściowych I_D = f(U_GS)|U_DS = const tranzystora polowego złączowego BF 245

LP	UGS [V]	UDS2 = 2V	UDS4 = 4V
		ID [mA]	ID [mA]
1	0	5,74	7,60
2	-0,3	5,20	6,70
3	-0,56	4,84	6,07
4	-0,85	4,27	5,33
5	-1,14	3,82	4,92
6	-1,32	3,52	4,31
7	-1,52	3,21	3,80
8	-1,71	2,92	3,40
9	-1,9	2,62	3,00
10	-2,18	2,17	2,76
11	-2,38	1,88	2,13
12	-2,6	1,47	1,70
13	-2,94	1,07	1,16
14	-3,2	0.72	0,8
15	Up = 4,17	0	0

Pomiary charakterystyk wyjściowych I_D = f(U_DS)|U_GS = const tranzystora polowego złączowego BF 245

LP	UDS [V]	UGS1 = 0V	UGS2 = -1,5V	UGS3 = -3V
		ID [mA]	ID [mA]	ID [mA]
1	0	0	0	0
2	0,2	0,83	0,5	0,22
3	0,4	1,58	0,93	0,46
4	0,6	2,31	1,23	0,61
5	0,8	2,96	1,76	0,73
6	1	3,61	2,20	0,83
7	2,0	5,80	3,13	1,02
8	3,0	6,99	3,56	1,07
9	4,0	7,58	3,71	1,10
10	5,0	7,78	3,79	1,13
11	6,0	7,93	3,82	1,14
12	7,0	7,95	3,86	1,15
13	8,0	7,95	3,87	1,16
14	9,0	7,95	3,89	1,17
15	10,0	7,95	3,9	1,18

1. Obliczenia:

Obliczenia zostały wykonane dla pogrubionych wartości z tabeli pomiarowej

Konduktancja wzajemna (transkonduktancja) - U_DS=4[V]:

$$\mathbf{g}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{1}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}\mathbf{1}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{1}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}}}$$

$$g_{m} = \frac{|3,40mA - 4,31mA|}{| - 1,71V - \left( - 1,32V \right)|} = \frac{0,91mA}{0,39V} = 2,333m$$

Konduktancja wzajemna (transkonduktancja) - U_DS=2[V]:

$$\mathbf{g}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{1}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}\mathbf{1}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{D1}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}}}$$

$$g_{m} = \frac{|2,92mA - 3,52mA|}{| - 1,71V - \left( - 1,32V \right)|} = \frac{0,6mA}{0,39V} = 1,53m$$

Konduktancja drenu(kondunktancja wyjsciowa) – U_GS=0[V]:

$$\mathbf{g}_{\mathbf{d}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{3}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{3}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}}}$$

$$g_{d} = \frac{|6,99mA - 3,61mA|}{|3V - 1V|} = \frac{3,38mA}{2V} = 1,69mS$$

Konduktancja drenu(kondunktancja wyjsciowa) – U_GS=-1,5[V]:

$$\mathbf{g}_{\mathbf{d}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{3}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{3}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}}}$$

$$g_{d} = \frac{|3,56mA - 2,3mA|}{|3V - 1V|} = \frac{1,26mA}{2V} = 0,63mS$$

Konduktancja drenu(kondunktancja wyjsciowa) – U_GS=-3[V]:

$$\mathbf{g}_{\mathbf{d}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{3}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{DS4}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{3}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}}}$$

$$g_{d} = \frac{|1,07mA - 0,83mA|}{|3V - 1V|} = \frac{0,24mA}{2V} = 0,12mS$$

Rezystancja drenu(rezystancja wyjsciowa) – U_GS=0 [V]:

$$\mathbf{r}_{\mathbf{d}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{3}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{3}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}}}{\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}}$$

$$r_{d} = \frac{|3V - 1V|}{|6,99mA - 3,61mA|} = \frac{2V}{1,26mA} = \frac{2V}{0,00126A} = 1587,3\Omega$$

Rezystancja drenu(rezystancja wyjsciowa) – U_GS=-1,5[V]:

$$\mathbf{r}_{\mathbf{d}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{3}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{3}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}}}{\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}}$$

$$r_{d} = \frac{|3V - 1V|}{|3,56mA - 2,3mA|} = \frac{2V}{3,38mA} = \frac{2V}{0,00338A} = 591,7\Omega$$

Rezystancja drenu(rezystancja wyjsciowa) – U_GS=-3[V]:

$$\mathbf{r}_{\mathbf{d}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{|}\mathbf{U}_{\mathbf{D}\mathbf{S4}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{3}}\mathbf{|}}{\mathbf{|}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{4}}\mathbf{-}\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{3}}\mathbf{|}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}}}{\mathbf{I}_{\mathbf{D}\mathbf{2}}}$$

$$r_{d} = \frac{|3V - 1V|}{|1,07mA - 0,83mA|} = \frac{2V}{0,24mA} = \frac{2V}{0,0024A} = 833,3\Omega$$

Charakterystyka przejściowa (współczynnika wzmocnienia napięciowego)

U_DS1= 2[V] U_DS2= 4[V] I_D=3,21[mA] U_GS1=-1,32[V} U_GS2=-1,71[V]

$$\mathbf{k}_{\mathbf{u}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}\mathbf{1}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}}} = \frac{|4V - 2V|}{| - 1,71V - ( - 1,32V)} = \frac{2V}{0,39V} = 5,12\frac{V}{V}$$

Charakterystyka wyjściowa (współczynnika wzmocnienia napięciowego)

U_GS1= -1,5[V] U_GS2= -3[V] I_D=2,30[mA] U_DS1=1,0[V] U_DS2=3,0[V]

$$\mathbf{k}_{\mathbf{u}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{DS}}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{U}_{\mathbf{\text{GS}}\mathbf{1}}} = \frac{|3V - 1V|}{| - 3 - \left( - 1,5V \right)|} = \frac{2V}{1,5V} = 1,33\frac{V}{V}$$

1. Wnioski:

Na podstawie wykonanych pomiarów dla tranzystora polowego złączowego z kanałem typu n pracującego w układzie wspólnego źródła sporządzono wykresy i obliczenia parametrów, które bardzo dobrze obrazują jego właściwości i zasadę działania oraz są zgodne z opisami zawartymi w literaturze.

Napięcie U_DS, przy którym tranzystor przechodzi w stan nasycenia, oznacza się U_DSSAT (ang. saturation - nasycenie). Zależy ono od napięcia na bramce - U_GS. Dla U_GS = 0 V napięcie saturacji jest równe napięciu odcięcia.

U_p = 4,17

Charakterystyka wyjściowa tranzystora przedstawia graficznie zależność prądu drenu I_D od napięcia dren-źródło U_DS, przy stałym napięciu bramka-źródło U_GS. Napięcie U_GS = 0 odpowiada zwarciu bramki ze źródłem. Prąd drenu, który płynie przy bramce zwartej ze źródłem oznacza się symbolem I_DSS. 

Dla danego tranzystora wartości I_DSS i U_P są stałe, więc prąd drenu zależy tylko od napięcia U_GS. Ze wzoru wynika, że dla U_GS równego napięciu odcięcia prąd drenu nie płynie, czyli I_D = 0.

Charakterystyka przejściowa tranzystora JFET wyraża zależność prądu drenu I_D od napięcia bramka-źródło U_GS. Nachylenie stycznej do charakterystyki przejściowej stanowi wartość konduktancji przejściowej w danym punkcie.

Największa wartość nachylenia stycznej wystąpi dla U_GS = 0. Wówczas

Ze wzrostem napięcia U_GS wartość konduktancji przejściowej maleje.

Przy małych wartościach napięcia dren-źródło tranzystor może pełnić rolę rezystora o rezystancji zmienianej za pomocą napięcia U_GS. W stanie odcięcia tranzystora, przy zamkniętym kanale, płynie prąd upływu I_D(OFF) rzędu nanoamperów. Ten sam rząd wielkości ma prąd bramki płynący przy zaporowej polaryzacji złącza bramka-kanał. Prąd ten, oznaczany I_GSS, zależy wykładniczo od temperatury. Jego wzrost powoduje zmniejszanie się rezystancji wejściowej tranzystora pod wpływem temperatury.

Aby wyznaczyć charakterystykę wyjściową, należy ustalić napięcie U_GS. Zwiększając napięcie U_DS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu I_D. Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie U_GS. Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia źródło-dren tworzą charakterystykę wyjściową.

Aby wyznaczyć charakterystykę przejściową, należy ustalić napięcie U_DS. Zwiększając napięcie U_GS należy odczytywać wskazania miliamperomierza mierzącego prąd drenu I_D. Należy wykonać kilka serii takich pomiarów zmieniając w każdej serii napięcie U_DS. Otrzymane wyniki pomiarów prądu drenu przedstawione w funkcji napięcia bramka-źródło tworzą charakterystykę przejściową.