NチャネルJFET電流源の出力電流と温度補償

■問題

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，J₁(2N4118)のNチャネルJFETを用いた電流源です．J₁のゲート・ソース電圧は，抵抗R₁の電圧降下により自己バイアスし，赤矢印で示した電流を調整できます．
　図2は，図1で使用している2N4118のV_GS-I_D特性を示しました．この場合，赤矢印で示した電流を100μAにするにはR₁の抵抗値を(a)～(d)のどれにすれば良いでしょうか.　なお，計算を簡単にするため，J₁の出力抵抗は無限大，V₂は0Vとします．

(a) 1.5kΩ，(b) 3.9kΩ，(c) 8.2kΩ，(d) 16kΩ

図1　NチャネルJFETを使った電流源の回路
J₁のソースからR₁を通りV₂へ電流が流れる．

図2　2N4118のV_GS-I_D特性（右上の回路で測定）
　縦軸がドレイン電流（I_D）で，横軸がゲート・ソース電圧(V_GS)．ゲート・ソース電圧が-0.2V，-0.4V，-0.6V，-0.8Vのときのドレイン電流（133μA，100μA，72μA，49μA）を表記している．
　2N4118の特性として，ゲートとソースを短絡（0V）したときの最大のドレイン電流が160μAで，0Aの場合[V_GS(OFF)]が-2Vとなる．

■ヒント

　今回は，NチャネルJFETを用いた電流源について解説します．NチャネルJFETの特徴は，ゲート・ソース電圧（V_GS）が0Vのとき，最大の電流となります．また，ゲート・ソース電圧を負にすることで，ドレイン電流が減るデプレッション型となります．図1のJ₁のゲート・ソース電圧は，ソースから流れ出る電流と抵抗R₁の電圧降下によって負帰還となり，適切にバイアスされます．これを自己バイアスと呼びます．ソース電流は，ドレイン電流と等しいことから図2を使って目的の電流値に必要な自己バイアス電圧を求め，ソース電流と抵抗R₁の電圧降下の関係より求めることができます.

　JFET（Junction Field Effect Transistor）とは接合型電界効果トランジスタのことです．JFETを使った電流源は，少ない素子数で回路を構成できます．また，JFETの特性を上手に使うと，温度の変化に対し感度が低い電流源回路となります．その他の使い方として，低ノイズ，高入力インピーダンスのアプリケーション，さらに，JFETの線形領域は電圧制御抵抗としても使えるため，AGCアンプの用途もあります.

■解答

(b) 3.9kΩ

　図3は，図2のV_GS-I_D特性に，ドレイン電流(I_D)が100μAとなる負荷線をひきました．負荷線との交点より，NチャネルJFETのゲート・ソース電圧(V_GS)が-0.4Vのとき，ドレイン電流(I_D)が100μAとなることが分かります．よって，図1の回路では，抵抗R₁とソース電流による電圧降下を0.4Vとすれば，ドレイン電流(I_D)が100μAとなります．以上より，式1を使って「R₁=4kΩ」と求まります．よって，(b)3.9kΩとなります.

図3　図2のV_GS-I_D特性へI_Dを100μAとなる負荷線を引いた

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

■解説

●NチャネルJFETの特性
　今回は，JFETの特性が鍵となります．そこで，まずNチャネルJFETについて解説します．図4は，図中左上の回路で測定した結果で，NチャネルJFETのV_GS-I_D特性とV_DS-I_D特性をプロットしています．JFETは，LTspiceのNチャネルJFETを選ぶと，デフォルトのデバイスは「NJF」です．

図4　NチャネルJFETのV_GS-I_D特性とV_DS-I_D特性

　NチャネルJFETは，図4右のV_DS-I_D特性のように，ゲート・ソース電圧を短絡した状態（V_GS=0V）でドレイン電流が最大となり，このときの電流をI_DSSと呼びます．I_DSSの下付き文字(DSS)は接続の状態を表しており，その並びには決まりがあります．左(D)と中央(S)は2つの端子「ドレイン」と「ソース」を表します．右(S)は，左(D)と中央(S)以外の残りの端子であるゲートが短絡（ショート）という意味で，短絡先は3文字の中央(S)という決まりです．したがって，I_DSSは「ゲートとソースを短絡したとき，ドレイン・ソースに流れる電流」となります．JFETにはI_GSSと呼ばれるゲート・ソースの逆方向漏れ電流もあり，これは先ほどの決まりより「ドレインとソースを短絡したとき，ゲート・ソースに流れる電流」となります.
　NチャネルJFETはゲート・ソース電圧を負にすることでドレイン電流が減ります．図4左のV_GS-I_D特性より，ドレイン電流（I_D）がゼロになる電圧をV_GS(OFF)で表します．ゲート・ソース電圧のわずかな変化に対するドレイン電流の変化（dI_D/dV_GS）は，コモンソースにおけるフォワード・トランスコンダクタンスであり，g_fsの記号で表します.

　図5は図1で使用したNチャネルJFETの2N4118を使用し，V_GSが0VのV_DS-I_D特性を0～50Vのドレイン・ソース電圧でプロットしました.

図5　2N4118のV_DS-I_D特性（V_GS=0V）をプロットしたもの

　図5のNチャネルJFETの飽和領域において，ドレイン・ソース電圧の変化に対するドレイン電流の変化（dI_D/dV_DS）は，コモンソースにおける出力コンダクタンスと呼ばれ，g_osで表します．g_osの逆数は出力抵抗ですので，g_osの値が小さいほど，出力抵抗が大きい電流源となります．電流源として使用できるドレイン・ソース電圧の目安は，ピンチオフ電圧（V_P）の2倍からブレークダウンする手前までです．ブレークダウン電圧はV(BR)GSSで表し，「ドレインとソースを短絡したときの，ゲート・ソースのブレークダウン電圧」としてデータシートに記載されています．

　JFETにはドレイン・ソース電圧（V_DS）で分類すると，大きく分けて3つの動作領域があり，1つ目は図4に示す線形領域，2つ目は飽和領域，3つ目は図5のブレークダウン領域です．図4の線形領域と飽和領域の境目をピンチオフ電圧（V_P）と呼びます．線形領域は電圧制御抵抗として使われる領域で，AGCアンプのゲイン調整などに使われます．ピンチオフ電圧（V_P）より右側の飽和領域は，増幅や電流源などに使われます．
　また，図5のPN接合の耐圧以上となるブレークダウン領域は，デバイスが正常に動かない領域であり使用できません．LTspice（他のSPICEも同じ）は，PN接合の耐圧に関するパラメータが無いので，シミュレーション上にブレークダウン領域がありません．しかし，実際は図5のドレイン・ソース電圧が40V以上で示した破線のように，ドレイン電流が急激に増加する領域となります．

●NチャネルJFET電流源をLTspiceで確かめる
　図6は，図1をシミュレーションする回路です．電流源の出力電流はV₂に流れる電流で測定します.R₁の抵抗値は「.stepコマンド」で1.5kΩ，3.9kΩ，8.2kΩ，16kΩと変化させました．このR₁の4つの抵抗値は，図2で示した電圧と電流から求めた抵抗値（入手しやすい抵抗値）となっています．具体的な計算は「0.2V/133μA=1.5kΩ」，「0.4V/100μA=4kΩ」，「0.6V/72μA=8.3kΩ」，「0.8V/49μA=16.3kΩ」となります．

図6　図1をシミュレーションする回路
出力電流はV₂に流れる電流で測定．また，R₁の抵抗値を 1.5kΩ，3.9kΩ，8.2kΩ，16kΩと変化させている．

　図7は，図6のシミュレーション結果です．電流源の出力電流が100μAに近いのは，R₁が3.9kΩであることが分かります．またV₂が変化しても100μAの出力電流は大きく変化せず，電圧の変化に対し電流の変化が少ない電流源になっているのが分かります.
　また，他の抵抗値（1.5kΩ，8.2kΩ，16kΩ）も，図2の電流値（133μA，72μA，49μA）に近い値なので，R₁を可変抵抗にすれば，電流値の調整ができるということが分かりました．このようにNチャネルJFETと抵抗のわずか2素子で電流源回路が構成できます.

図7　図6のシミュレーション結果
R₁が3.9kΩの場合，出力電流が100μAに近いことが分かる．

●NチャネルJFET電流源の温度補償
　NチャネルJFETのV_GS-I_D特性の温度を調べると，ドレイン電流が，温度変化に影響を受けない値（温度係数ゼロ）があります．これを調べる回路が図8です．今回は広い範囲で測定するために，-40℃，+27℃，+120℃の温度で，V_GS-I_D特性をシミュレーションします.

図8　NチャネルJFETのV_GS-I_D特性の温度を調べる回路
-40℃，+27℃，+120℃の3つの温度で調べる．

　図9は，図8のシミュレーション結果です．シミュレーション結果で，3つの温度のV_GS-I_D特性がほぼ交差するところが温度係数ゼロとなります．温度係数ゼロのゲート・ソース電圧(V_GS)が0.747V，ドレイン電流(I_D)が52μAとなるので，この場合の負荷線は14.4kΩ（0.747V/52μA）となります．したがって，図1のNチャネルJFETを用いた電流源回路のR₁を14.4kΩに近い値にすれば，温度補償が可能です.

図9　図8のシミュレーション結果
負荷線が14.4kΩで3つの曲線が近くなり，温度係数がゼロとなる．

　図10は，R₁を図9で求めた負荷線の14.4kΩより，入手しやすい14.3kΩとして，NチャネルJFETを用いた電流源回路です．R₁の温度係数は+100ppm/℃としました．出力電流の温度特性を調べるため，-40℃～120℃間を1℃ステップでシミュレーションします.

図10　R₁を14.3kΩとしたJFET電流源の温度特性を調べる回路
出力電流はV₂に流れる電流を測定．

　図11は，図10のシミュレーション結果です．27℃付近で出力電流の温度特性がピークになり，52μA～53μAの間で温度補償されているのが分かります．

図11　図10のシミュレーション結果
27℃付近で温度特性がピークになり,温度補償されているのが分かる．

●NチャネルJFET電流源の出力電流の変化を抑える
　図12は，V₂の電圧変化に対し出力電流の変化を抑えるため，図10の回路に，もう1つNチャネルJFET[J₂(2N4119)]をカスコード接続で追加しました．図10の回路に，NチャネルJFETを追加することで，電流源の出力抵抗が上がり，V₂の電圧変化に対し出力電流の変化を抑えます．
　カスコード接続するJ₂は，J₁より大きなV_GS(OFF)が必要で，また，I_DSSも大きい必要があります．そこで，V_GS(OFF)が-4V，I_DSSが400μAの2N4119を使いました．C₁は安定動作させるためのコンデンサです．
　シミュレーションは，V₁を36Vとし，V₂が0Vから35Vの間で変化したときの電流源の出力電流変化を調べます．また，「.dcコマンド」を「.dc TEMP -40 120 1」と変更し，V₁が36V，V₂が0Vのとき-40℃～120℃間の出力電流温度特性をシミュレーションします．図12には温度解析の「.dcコマンド」をコメントで入れましたので，変更するときの参考にしてください.

図12　図10へNチャネルJFET（2N4119）をカスコード接続した電流源回路
出力抵抗を大きくし，V₂の電圧変化に対し出力電流の変化を抑えるのが狙い

　図13は，V₂が0V～35V変化したときの出力電流変化です．このときの出力電流はV₂が0V～32Vの変化に対し0.054μAしか変化しません．

図13　図12のシミュレーション結果
出力抵抗が大きくなり，出力電流は0V～32V間で0.054μAしか変化しない．

　また，図14は温度特性で図11の結果と同じように，27℃付近を中心に温度補償ができています．このように4素子で電源電圧変動や温度変化に対し出力電流の変化が少ない，高耐圧の電流源を作ることができます．NチャネルJFETを用いた電流源はデバイスの特性が鍵ですので，シミュレーションだけでなく，実際の回路で検証することを忘れないでください.

図14　図12を-40℃～120℃で温度特性をシミュレーションした結果
27℃付近をピークに温度補償されている．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice3_013.zip

●データ・ファイル内容
JFET_Current_Source.asc：図6の回路
Transfer_Characteristics_ZeroTC.asc：図8の回路
JFET_Current_Source_Temp_Compensation.asc：図10の回路
JFET_Current_Source_Cascode.asc：図12の回路