Transcript Chapter 13

Chapter 13. JFETS
2015-04-13
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 13-1. Basic Ideas
 Bipolar Transistor : Tr
Unipolar Transistor : FET
 FET
- JFET (Junction Gate Field Effect Transistor)
: 제어 단자인 gate를 pn 접합에 의해 형성한
접합 게이트 전계효과 트랜지스터
- MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
: Gate를 반도체 산화물에 의해 절연시켜, 그 위에 금속에
전압을 인가하여 전류를 제어하는 MOS 구조의 FET
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i  ID
 P형의 gate를 source에 대하여 역bias
 고입력 저항
 전압이득은 Bipolar Tr 보다 매우 적다
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 13-2. Drain Curves
active region
(current source region)
breakdown
region
IDSS
saturation
VGS(off) = -4
ohmic region
cut-off region
 Cut-off Voltage : pinchoff voltage
VGS(off) → 드레인 전류차단 (  0 )
 IDSS : VGS = 0 (Gate source 를 단락 의미) 일때의
drain과 source 사이에 흐르는 최대 드레인 전류
 VGS(off) = 포화 영역에서의 최대 VDS : VGS(off) = -VP
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 13-3. The Transconductance Curve
( 상호 컨덕턴스 곡선 )
I D  I DSS
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VGS 2
 (1 
)
VGS ( off )
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 13-4. Biasing in the ohmic region
① Current - source model
VGS
+
RGS
KIDS
VDS
S
+
-
VDS  VP I D( sat )  I DSS
VP  I DSS  RDS
② ohmic model
VGS
+
RGS
RDS
+
VP  VGS (off )

V P  RDS  I D
(VGS  0)
(VGS  0)
VDS
-
VDS  VP I D( sat )  I DSS
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 Gate Bias
- Suitable for the ohmic region biasing
- but not suitable for active region biasing
VD  VDD  I D  RD
I D ( sat ) 
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VDD
RD
VGS  0
I D( sat )  I DSS
RDS
VP

I DSS
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 Ex 13-5 )
I D ( sat )
I D ( sat )
V
 DD
RD
10V

 1mA
10 k
I D( sat )  I DSS
VGS  0
RDS 
ohmic region
(hard saturation)
VP
4V

 400
I DSS 10m A
400 
VD  VDD  (
)  0.385V
10 k  400 
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 13-5. Biasing in the Active Region
 VDB
VG 
VDD
 R2
R1  R2
VG  VGS  VS
VD
VS  VG  VGS
VG
VGS
+
VS
-
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ID 
VG  VGS VG

RS
RS
(VG  VGS )
VD  VDD  I D  RD
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IDSS
IDSS
→ drain current는 거의 일정
* DC Load Line
VDD  VDS
ID 
R D  RS
* Q점의 VDS 는 ohmic region (
)
보다 크고, VDD (cut-off) 보다 작아야
Active region (current region)
I D에서
 RDS
동작한다
* RDS
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VP
VP

or
I DSS
ID
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 Two-Supply Source Bias
• VGS  VG  VS
• VS  VG  VGS
 0  VGS
• ID 
VG
+ V
GS
+
-
VS  (VSS ) VSS  VS VSS  VGS


RS
RS
RS
VS
 VSS
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VSS  VGS VSS

RS
RS
 1 ~ 5V
• ID 
• VGS
• drain current is almost constant
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 Current-source bias
(Drain 공급 전압이 크지 않을 때 사용)
IC 
VEE  VBE
RE
VG
IC = ID
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 Self-bias
• ID (大) → ID·RS (大) → VRS 증대
따라서 gate-source 간의 역전압이
증가하여 channel 축이 좁아져, 그 결과
→ ID (小) 감소
VG
+
* 역도 성립
+
VGS -
+
VG  VRS
• gate와 source 사이의 역전압을 만들기
위한 source 저항 : RS 양단의 전압강하
-
-
VGS  VS  0
VS  VGS
VS  I D  RS
VGS  VG  VS  0  I D  RS  I D  RS
 0  VS
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I D  I DSS  (1 
I DSS
ID 
slop  
1
RS
ID 
1
 I DSS
4
VGS
VGS ( 0 ff )
)2
 VGS
RS
기울기 : 
1
이 부하선
RS
self-bias line
이때의 RS  RDS → 이와 같은 Selecting RS
* RS 
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 VGS (off )
I DSS
or
VP
I DSS
(이때 I D 
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1
 I DSS )
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 13-6. Transconductance
id
I D
gm 

v gs VGS
( mho, Siemens )
: transconductance curve의 기울기 (slope)
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I D  I DSS  [1 
gm 
VGS 2
]
VGS (off )
V
 2  I DSS
V
dID
1
 2  I DSS  [1  GS ]  [
]
 [1  GS ]
dVGS
VGS (off )
VGS (off )
VGS (off )
VGS (off )
(VGS  0  g mo )
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g mo
 2  I DSS

VGS ( off )
 g m  g mo  [1 
VGS
]
VGS (off )
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 13-7. JFET Amplifiers
 CS Amp.
+
VGS
-
Vgs  Vin
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rd  RD llRL
A
Vout g m Vin  rd

 g m  rd
Vin
Vin
(Vin  Vgs )
위상 반전
( g m  rd )
( CE
rc
)

re
1
 gm

re
rc  rd
g m  rd
* No distortion : small signal
1
(보통 Q점의 drain 전류의
에
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해당하는 입력신호가 적당)
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 Source follower
Vout
Vin
 RGS 
g m  Vgs
 Vgs 
Vout
R1llR2
RS llRL
Vin  Vgs  g m  Vgs  rs  (1  g m  rs )  Vgs
Vout  g m  Vgs  rs
A
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Vout
g m  rs

1
Vin 1  g m  rs
re  rs
re

re
re
g r
(CC 

 ( m s ))

1  g m  rs
re  re 1  re

re
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 13-8. JFET Analog switch
 Switch
• Shunt type
RDS  RD
① FET → off :
② FET → on :
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Vout  Vin
Vout 
RDS 
Vp
I Dss
RDS  Vin
 0( RD  RDS )
RD  RDS
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• Series type
RDS  RD
① FET → off :
Vout  0
② FET → on :
Vout 
* on, off ratio =
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RD
Vin  Vin
RD  RDS
Vout (max)
Vout (min)
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 Chopper
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 13-9. Other JFET Applications
 MUX (multiplexing)
 Chopper Amp. (page 448
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Fig. 13-28)
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 Buffer Amp.
 LNA (Low-Noise-Amplifier)
JFET → Low noise device
→ VHF / VHF amp., mixer, oscillators
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 Voltage-Controlled Resistance
rds 
VDS
ID
Vp  VDS
rds  RDS 
(小)
VDS
I DSS
(for VGS = 0)
rds  125 (小)
rds  250 (中)
rds  1k(大)
1
rds
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rds (大)
rds (中)
rds (小)
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 Automatic Gain Control (AGC)
* Vout (大) → -Vgs (大) → rds (大) → 출력 (小)
(more negative)
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 Other AGC EX
g m  g mo  (1 
VGS
)
VGS (off )
① 출력 Vout → 大 → VGS 가 more negative → gm (小)
Vout  g m  rd
② 출력 Vout → 小 → VGS 가 less negative → gm (大)
Vout  g m  rd
③ A  g m  rd
gm
* 출력 (大) → VAGC (大)
출력
Amp
→ 출력 (小)
(more negative)
* 출력 (小) → VAGC (小)
negative feedback
detection
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→ 출력 (大)
(less negative)
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 Cacode Amp.
• CS Amp 가 CG Amp 구동
CG Amp
CS Amp 의 Gain A1
RD
A1   g m  rd
rd
CS Amp
···①
CG Amp 의 input impedance
1

Z in 
( re ) · · · ②
gm
• CS Amp 의 drain 저항은 ( Z in 
CG Amp 의 input Imp.
1
 rd )
gm
와 같다고 볼 수 있으므로
①, ② 에서 A1   g m 
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1
 1
gm
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• CG Amp 의 전압이득 A2 는
전체 전압이득
A2  g m  RD 이므로
AT  A1  A2   g m  RD
 Current Sourcing
( 일정한 전류 Constant current 가 요구되는 load 가 있다면)
①
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②
VGS 변화를 시킴
(즉 Load에 일정하게 흐르는 전류 크기를 조절 할 수 있음)
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 Current limiting
or
I DSS  10mA
RDS  200
VDS  I DS  RDS  1mA 200  0.2V
( I DS  1mA)
* 부하 shorted → JFET 의 IDSS 만큼 10mA 로 제한
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* ohmic region 에서 동작토록 설계
부하가 short 되더라도
IDSS 이상의 전류가 못흐른다
( 전류제한 )
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