结型场效应管（Junction Field Effect Transistor, JFET）作为电压控制型器件，凭借其高输入阻抗和低噪声特性，在精密模拟前端领域占据不可替代的地位。

一、JFET核心结构与工作原理

1.1 结构特征

JFET是在一块N型或P型半导体两侧制造PN结形成的电压控制元件：

N沟道JFET：N型导电沟道两侧为P+型栅极区

P沟道JFET：P型导电沟道两侧为N+型栅极区（载流子为空穴）

三电极定义：

栅极(G)：对应BJT的基极，控制端

源极(S)：对应BJT的发射极，载流子源头

漏极(D)：对应BJT的集电极，载流子收集端

1.2 电压控制机制（核心原理）

栅源电压Vgs通过反向偏置耗尽层宽度控制导电沟道截面：

Vgs=0：沟道最宽，漏极电流最大（Idss）

Vgs负向增大：耗尽层扩展，沟道变窄，Id减小

Vgs=Vp（夹断电压）：沟道完全夹断，Id≈0

关键公式：漏极电流（饱和区）

I_d = I_dss × (1 - V_gs/V_p)²

其中：

Idss：饱和漏电流（Vgs=0时的最大电流）

Vp：夹断电压（负值，典型-2V至-10V）

二、偏置电路设计（三要素）

2.1 自偏压电路（简单可靠）

电路结构：

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Vdd → Rd → D         ↓         S → Rs → GND         ↑         G（直接接地）

工作原理：

源极电流Is流过Rs产生压降Vs = Is×Rs

栅极接地，故Vgs = Vg - Vs = 0 - Vs = -Is×Rs

自动建立负偏压，使工作点稳定在放大区

设计步骤：

选取工作点：典型Idq = 0.2×Idss ~ 0.5×Idss

计算Rs：Rs = |Vgsq| / Idq

确定Rd：Rd = (Vdd - Vdsq - Idq×Rs) / Idq

优点：结构简单，稳定性好缺点：仅适用于耗尽型（负栅压）JFET，Vgs调节范围受限

2.2 分压式偏置（灵活可调）

关键计算：

栅极电压Vg = Vdd × R2/(R1+R2)

源极电压Vs = Id×Rs

栅源电压Vgs = Vg - Vs（可正可负）

优势：适用于增强型/耗尽型JFET，工作点调节灵活工程实践：R1||R2并联值应<1MΩ，避免栅极漏电流影响偏置精度

2.3 恒流源偏置（高性能）

结构：使用双极型晶体管或恒流二极管为JFET提供固定漏极电流公式：Id = I_const（与Vgs无关）优势：交流增益最大化，温度稳定性极佳应用：精密仪器仪表、低噪声前置放大器

三、三种放大组态对比

组态电路特征电压增益输入阻抗输出阻抗典型应用共源(CS)源极接地，信号从栅入、漏出高 (-gm×Rd)极高 (>100MΩ)中 (Rd)通用放大、音频前置共漏(CD)漏极接Vdd，信号从栅入、源出≈1 (电压跟随)极高低 (1/gm)阻抗变换、缓冲器共栅(CG)栅极交流接地，信号从源入、漏出高 (gm×Rd)低 (~1/gm)中 (Rd)高频电路、电流放大

3.1 共源放大器（最常用）

交流小信号模型：

电压增益：Av = -gm × Rd| |RL （负号表示反相）

输入阻抗：Ri ≈ Rg （Rg为栅极偏置电阻，典型1MΩ）

输出阻抗：Ro ≈ Rd

跨导gm计算：

gm = (2 × I_dss / |V_p|) × (1 - V_gs/V_p)

或在工作点处：

gm = gm0 × √(Idq/Idss)

其中gm0 = -2×Idss/Vp为零偏跨导

设计实例： 已知2N5458参数：Idss=6mA，Vp=-4V，设计Av=10的放大器

取Idq=2mA → Vgsq = Vp×(1-√(Idq/Idss)) = -4×(1-√(2/6)) ≈ -1.4V

计算Rs：Rs = |Vgsq|/Idq = 1.4V/2mA = 700Ω → 取680Ω

计算gm：gm = (2×6m/4)×(1-(-1.4)/(-4)) = 0.95mS

确定Rd：Rd = |Av|/gm = 10/0.95m ≈ 10.5kΩ → 取10kΩ

3.2 源极跟随器（共漏）

特点：

电压增益≈0.9-0.98（略小于1）

输出阻抗低：Ro ≈ 1/gm （典型几十至几百Ω）

无电压放大但电流增益大：适用于驱动低阻负载

公式：

Av = gm×Rs / (1 + gm×Rs) Ro = Rs || (1/gm)

3.3 共栅放大器

优势：

输入输出同相

频率响应好：无米勒电容效应（Cgd直接接地）

输入阻抗低：适合电流信号输入

应用：RF射频放大器、光电探测器前端

四、关键设计参数与选型

4.1 核心参数表

参数符号典型值设计意义夹断电压Vp-2V ~ -10V决定偏置范围与线性区饱和漏电流Idss2-20mA最大工作电流能力跨导gm1-10mS直接影响电压增益输入电容Ciss5-20pF决定高频响应噪声系数NF<2dB (1kHz)低噪声设计核心指标

4.2 温度漂移特性

Idss温漂：+0.5%/℃（温度↑→Idss↑）

Vp温漂：+2mV/℃（温度↑→|Vp|↓）

gm温漂：约-0.2%/℃

补偿方案：采用Rs负反馈偏置，利用Rs的温度系数自动稳定工作点

五、与MOS管放大电路的对比

对比项JFET放大器MOS管放大器输入阻抗更高（反向偏置PN结，>100MΩ）高（绝缘栅，但存在氧化层漏电）噪声性能更优（1/f噪声低）较差（表面态噪声）栅极保护不易击穿（PN结构）易ESD击穿需保护电路工艺一致性较差（Vp离散性大）优秀（Vth匹配好）集成能力差（分立为主）强（CMOS工艺主流）成本高（低噪声型号）低（大规模量产）

微硕技术选型建议：

传感器前置放大：优先选JFET（如低噪声pH计、麦克风前置）

控制器功率级：必须用MOS管（开关损耗低、耐压高）

混合方案：JFET输入级 + MOS输出级 = 低噪声高摆幅运放

六、实用设计检查清单

✅ 偏置验证：用万用表测Vgsq，应在(Vp, 0)区间且留1V余量✅ 工作点：Idq ≈ 0.3×Idss，Vdsq ≈ Vdd/2（最佳线性区）✅ 耦合电容：输入输出电容Cc > 10/(2πf×Ri)（确保低频响应）✅ 稳定性：源极电阻Rs增加高频旁路电容Cs（100nF）提升稳定性✅ 布局：栅极走线尽可能短，远离功率地（防止噪声耦合）✅ 测试：用示波器观察漏极波形，不应出现削波或振荡

七、经典应用实例

7.1 低噪声光电探测器前置放大

电路：共源JFET + 低噪声运放二级放大器件：2SK170（噪声系数0.9dB）性能：输入噪声密度<1nV/√Hz，带宽10kHz-1MHz

7.2 高阻信号缓冲器

电路：源极跟随器（共漏）输入阻抗：100MΩ输出阻抗：50Ω应用：示波器探头前端、ADC输入隔离