低雜訊JFET: 簡論與綜觀

Preface

後2SK170(Toshiba, EOL)時代，人們急於尋找能代替K170的低雜訊低頻用JFET；經過社群討論與努力，挖掘出了BF862這只優秀的RF用JFET，最後更發現在Audio band跟低頻得到意外的卓越性能，且停產前價格低廉，是相當棒的選擇。目前BF862也已停產，Linear Sys則復刻出了LSK170用以代替2SK170。許多過去停產的JFET，也有例如InterFet、Linear Sys等公司製造出相等的替代品。
而到了2020年，已經是後BF862/2SK170時代了。優秀又便宜的離散晶體不敵市場大勢所趨，紛紛停產、縮少產量；這些種種訊息，都對DIYer是非常沉痛的打擊。優異的離散晶體只會越來越少，甚至可說越來越貴，高度晶片化的時代早已到來，有越來越多卓越性能的IC同時，也代表著離散電晶體市場越來越小。
對於DIYer，特別是2020年以後加入的DIYer，一邊享受高密度IC帶來之便利的同時，卻也不得不接受"傳統"電晶體市場出現的停產、萎縮甚而炒作以及假貨。

下文為討論儀器級量測及頂尖電晶體之概論與綜述。

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嚴格的說，BF862這種高頻管由於在低頻端有較高的1/f雜訊，並不是很適合基準愛好者製作JFET輸入的准DC電壓放大器。

JFET作為放大器的輸入級有普通三極管無法取代的低偏置電流和可忽略的電流雜訊的優點，好的JFET的電壓雜訊可以和最好的bipolar雙極型三極管媲美，可以作為萬金油，兼顧高、低源內阻器件測量，是目前商品電壓前置放大器的主流。以後有時間再發一些收集到的電壓放大器的電路。

      匯集了幾款目前還比較容易從可靠元器件銷售商買到的低雜訊JFET，資料的來源主要各個器件的說明書，針對和雜訊相關的參數進行了一些比較。下面的表格包含了Mouser上能買的的幾款小信號放大的JFET。

為什麼不從萬能的淘寶找? 不但價格便宜得多，而且能找到經典的2SK170,2SK146等。現實的問題是殘酷的，因為這些極低雜訊JFET最大的市場客群是音響發燒友以及更少的精密量測/基準製作者，所以可想而知，有多少能是真貨?

Mouser是美國的元器件經銷商，和Digikey，E絡盟、RS等，都是國際知名的大牌零件經銷商，撇除價格問題，原件的真實性是最可靠的。

不過由於JFET參數離散性大，同一JFET不同器件的雜訊可以相差很多，閱讀了一些廠商給的曲線和國外論壇發燒友實際測量的曲線，感覺比較的難度更大了，同一器件在不同的工作點的雜訊特性也可以相差很大。因此這張表格比較在不同的條件下的指標其實意義不大。

      不管怎麼說，結合這張表對如何挑選以及減低JFET的雜訊提出了一些建議。希望能對新手提供些參考，有錯誤和需要補充的還望指正。黑體的器件是已經停產的經典極低雜訊JFET，列入表格便於比較。

LinearSystem複製的日本JFET LSK170、LSK389、LSK489不知道經銷商，所以價格打了問號。日系廠商用NF表徵的，用經驗公式從跨導估算出雜訊作參考。

 

       對於DC到極低頻率段的測量，放大器的雜訊主要是1/f雜訊。雖然雙極型電晶體輸入的放大器可以得到很低的電壓雜訊和1/f轉角頻率，但由於輸入偏置電流大而且電流雜訊大，只對低阻待測器件效果好。

比如著名的極低雜訊OP LT1028，雖然在10Hz時電壓雜訊低至1nV/√Hz，但電流雜訊達到4.7pA/√Hz，所以對200Ohm左右的待測器件，電流雜訊乘源電阻就可以比擬電壓雜訊。對高阻器件其電流雜訊高的缺點很快就蓋過電壓雜訊低的優點了。

所以，幾乎所有的低雜訊運放的說明書都有一個章節特別強調該運放適應的源內阻範圍。對於源內阻高或未知的情況，最好的選擇是JFET輸入的放大器。

      場效應管是壓控器件，理論上輸入電流是0，通常電流雜訊是忽略不計的。因此，大多數電壓測量儀器都是採用JFET差分輸入的前級，可以適合從低阻到高阻的電壓測量。

雖然有些JFET的電壓雜訊可以媲美雙極Bipolar三極管，但場效應管的1/f雜訊一般都比較高，JFET管的截止頻率（2倍熱雜訊對應的頻率）一般在kHz，而MOSFET往往在MHz甚至更高。

而且場效應管參數離散性大，同一批次的晶體配對也需要仔細篩選，更要命的是，JFET場效應管的黃金時代是30年前日本類比音響的輝煌時代，隨著磁帶磁頭放大、電唱機唱頭放大這些需要極低雜訊放大的民用場合退出歷史舞臺，哪些曾經低價的低雜訊JFET基本上都停產多年了，Linear System和InterFET還在生產極低雜訊JFET而且複刻了一些日本經典JFET，價格卻ㄌㄧ價格卻令人卻步，比如近70USD的IF3602，很難想像這樣的器件價格能賣到技術含量高數個量級的Intel CPU之價格。

在淘寶上的日本經典低雜訊JFET假貨氾濫，所以建議從正規管道。如國際電子元件零售商如貿澤mouser.cn，得捷digikey.cn還有易絡盟cn.elements14.cn都有少量的JFET銷售，得捷和易絡盟的JFET選擇較少，只有貿澤還銷售InterFET的一些極低雜訊的JFET及其孿生對管，如IF3602（~370元），IF3601（~147元），IF9030（~128元），IFN146(2SK146 ~130元)，IFN147(2SK147 ~59元)；其餘如東芝、三洋、Vishay(Siliconix)這些傳統的JFET廠商現在要麼停產，要麼被收購。

所以如果發現了CP高的JFET，最好囤一些，以後肯定會越來越少，而且只會越來越貴。

其實，哪些低雜訊前放廠商也是如此，前端使用的JFET一般都是很早的庫存，比如2SK170，2SK146，NPD5564等，現在維修起來也比較麻煩。

      另一個頭疼的問題是如何評估一個JFET的雜訊水準。美系廠商喜歡用電壓雜訊譜密度來標示JFET雜訊，然而JFET的雜訊譜是頻率的函數，一個頻率點的雜訊譜密度（一般是1KHz）完全無法反映極低頻的1/f雜訊。

製造商如InterFET，產品參數是簡單一頁，從來沒有任何特性曲線。而日系廠商最喜歡用雜訊係數NF(Noise Figure)以表JFET雜訊。
通常對一定源內阻（一般是1K歐）如果NF到達1就在名稱上稱為低雜訊JFET。

我們知道NF與源內阻相關，反映地是JFET電晶體和源內阻整體系統中，JFET電晶體添加的雜訊量。所以對於高的源內阻，由於熱雜訊高，JFET自身的雜訊在總雜訊中所占的比例低，NF就低。所以單談論NF高低其實沒有意義。而且，JFET電晶體雜訊JFET的雜訊水準與其工作條件密切相關，而日系廠商的NF曲線並沒有工作在雜訊最佳狀態，甚至從NF曲線上讀出的值也與標稱的值不一致（往往低很多）。

所以可以認為，日系廠商的資料比較保守，當然從好的方面說，大廠如東芝、安森美（Sanyo, Motorola）、NXP（飛利浦）的管子都很便宜，可能可找出和經典極低雜訊管子媲美的JFET。

 

下面這些參數都可能影響JFET的雜訊水準：

1）最重要的是跨導gm，或標為正向跨導gfs，|Yfs|，反映了JFET的放大能力，和三極管的β類似，是柵極電壓變化引起的源漏極電流的變化，單位一般用毫西門子(歐姆的倒數)。

跨導取倒數是一個以kOhm為單位的等效電阻，這個等效電阻乘以2/3的經驗係數反映了JFET的熱雜訊。

比如，IF3602的跨導是750 mS，等效於1/0.75*(2/3)=0.9歐姆的熱雜訊，在0.2nV/√Hz以下，當然實際值稍高，典型值在0.3nV/√Hz；對正常些的JFET，如2SK170，LSK389，跨導在20mS左右，等效熱電阻在1/0.02*(2/3)=33歐姆，為0.73 nV/√Hz，和標稱的典型值0.95 nV/√Hz差別不大。

當然，這種用跨導估算等效熱電阻雜訊的方式沒有考慮到極低頻的1/f雜訊，而且與廠商的工藝有關。一般而言，東芝、三洋、飛利浦這些大廠的製程水準應該都不錯，因此若是這些製造商，即Toshiba、ON、NXP，所產的小訊號JFET跨導比較大（>15mS），雜訊應該都還不錯。

 

（2）然而，跨導不是恒定的，與JFET的偏置電流也可折合成偏置電壓有關。

具體公式不寫了，總的說，偏置電流越大，跨導越高，雜訊越低。

而同一款JFET，由於參數離散性大，跨導值甚至可以相差幾倍，這樣雜訊值也會有很大的差異。所以簡單的說，同一型號JFET儘量選取飽和電流大的。

比如，東芝的2SK2145按照Idss飽和電流分類成Y（1.2-3mA）、GR（2.6-6.5mA）和BL（6.0-14mA）。
BL系列的管子雜訊會好些；如果手工挑選，飽和電流大，閾值電壓低的雜訊也較低；而且工作點選取較高的源漏極電壓把JFET偏置到較高電流也有助於降低電壓雜訊。

 

（3）1/f雜訊的經驗公式不同，所以一般需要具體測量衰減到熱雜訊的轉角頻率。

檢查了一些JFET廠商的NF-f曲線（如安森美的2SK3557），有些測量曲線可能有問題。

如果測量JFET雜訊的放大器雜訊不夠低，會抬高熱雜訊的本底，從而造成1/f雜訊很快衰減到熱雜訊的假像，從而測出很低的轉角頻率。

而對於極低雜訊的JFET，測量相當於幾個歐姆電阻的熱雜訊其實是很難的，需要用器件自身構建放大電路，而且需要仔細考察放大電路各個器件（特別是電阻）、電源對雜訊的累加。

國外論壇上有人抱怨IF3602達不到額定指標，但有不少大神對測量方式提出了懷疑。

總的說，雜訊低的JFET如果不是BF862那樣的RF晶體，1/f雜訊在1KHz左右也基本比較低了，減低熱雜訊的同時1/f雜訊也會下降，即使沒有衰減到最低，如果低到一定程度對極低頻率測量也未嘗不可。

 

（4）通過並聯JFET降低雜訊是有效的方式，對應N個JFET並聯，其跨導提高了N倍（等效熱電阻降低了N倍），相應的雜訊功率降低了N倍，我們關心的雜訊電壓降低了√N倍。

不過，雜訊電流提高了√N倍。此外，輸入電容提高了N倍。由於跨導和輸入電容都和JFET的導電通道寬頻成正比，所以可以用跨導和輸入電容比值來考察JFET，一般認為，這個值越高對雜訊和速度兼顧的越好。

比如IF3602的比值為750/300，2SK146為40/75，2SK170為22/30，BF862為45/10。

所以17個BF862並聯雜訊水準比IF3602還好，速度也更快些。

雖然IF3601/3602 JFET是個怪物，而其它的低雜訊JFET通過並聯也無法達到其水準。

高輸入電容與高輸運電阻形成的低通濾波很不利於高頻應用，一般通過共源極放大與共基極放大上下串聯的方法Cascode電路消除Miller效應，這也是目前商品電壓放大器使用的辦法。

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JFET選擇之經驗總論:

1）選用知名半導體廠商如東芝、安森美、NXP的小信號JFET，跨導比較大的，雜訊都比較低。2）同一型號JFET管，一定挑選飽和電流Idss大的，對應跨導會較大，雜訊則會較低。

3）設置工作點是儘量取源漏極偏置電流Ids較大者。

4）並聯可以有效降低雜訊，當然前提是參數差別不大，否則一個老鼠屎壞了一鍋粥；並聯也會引起電流雜訊增大和輸入電容增大，不利於高速放大，因此並聯與否與多寡是一種折衷。

5）當然資金雄厚的，可以購買InterFET的IF3601/3602, IF9030，這是目前雜訊最低的幾個JFET，有不少發表的文獻用這幾種晶體達到很好的結果。

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事情是這樣的：測量的器件很小，它們的尺度決定了它們的電阻低不了，你可以想像一根金屬絲細到納米尺度它的電阻能有多大，更何況我們的器件一般是半導體的。

大致上，待測的物件阻值一般在kOhm到MOhm之間，而且一般隨著柵極電壓變化，是一個高阻器件。而且，由於器件的尺度，測量使用的電流也不可能太大，基本在納安量級，所以那些偏置電流高的極低雜訊雙極型輸入放大器統統不能用了。

更要命的是，我們的器件安裝在溫度很低的環境。低到什麼程度，熱雜訊終於可以降低10倍以上了。

然而不幸地是，在這個溫度，那些使用半導體pn結的器件，比如JFET和雙極型三極管，載流子都凍結了。實驗證明能使用的是部分MOSFET器件，砷化鎵HEMT和近幾年發展起來的鍺矽SiGe電晶體。

在我們這個行當使用的一個技巧是在從室溫到低溫的測量引線上串聯一級一級的濾波，以降低從室溫到低溫的黑體輻射，這樣帶來的一個不利因素是測量引線的電容很大。簡單地說，我們是通過寄生電容很高、熱電勢不低的電纜測量高阻器件，懂行的人都明白，速度快不了。

在工作中，整天打交道的是Keithley的2600系列SMU（給電壓測電流或是給電流測電壓）和鎖相放大器。鎖相用的更多，一方面，鎖相的交流測量可以平均掉熱電勢的影響；另一方面，不提原理，鎖相放大器可看成交流電壓/電流錶並且有一個頻寬極窄的待測頻率的帶通濾波器，這種通過保留信號而降低雜訊頻寬的方式可以有效提高信噪比，在雜訊的海洋中提取比雜訊更低的信號。然而，鎖相放大器也有低雜訊FET輸入前端，而且等效輸入雜訊並不算太好，（NF5640 4.5nV/√Hz, SR830 5nV/√Hz）這導致一些更微弱信號測不到。

使用NF公司為鎖相配套的NF-LI75A放大器（2sk146輸入）可以進一步提高鎖相測量的靈敏度到2nV/√Hz。此外，由於前面提到的高阻值和高輸入電容的限制，鎖相的頻率往往取得很低，個別很高阻器件的測量頻率<1Hz，一個數據點的採集要花相當長時間，很痛苦。提高測量靈敏度（等同於降低前放雜訊）和提高測量速度是這次調研的主要目的。

由於對鎖相比較熟悉，對雜訊功率譜更敏感些，發現Lymex文章中提到的納伏表大多沒有提測量頻寬，這到不是Lymex的疏忽，各個廠商也沒有刻意標明雜訊頻寬，直流測量領域這不是一個很關鍵的指標，主要和測量速度有關。

不過大多數廠商標明了等效的熱電阻，還是提供了比較方便的比較依據。比較的結果是這些納伏表指標確實還不錯，不過也不是最初想像的那麼神奇。而且通過查找電路圖，極低雜訊FET輸入的放大器結構也就那幾個形式，想像如果自己製作鎖相放大器的前級，可能在特別關注的雜訊指標上會更好些。

不過室溫下的前置放大器還不能解決一個問題，那就是測量速度問題。以微弱電流測量的電流前放transimpedance amplifier為例，我們使用的50Ohm同軸電纜按照100pF每米估算，兩米測量電纜的200pF輸入電容可以把1M倍的4GHz GBW的電流前放速度從8MHz降低到1MHz，更不用提我們的電纜實際寄生電容大得多。

很多年前，有一個極端的解決方式，用一個電感和高阻器件及其寄生電容形成一個RLC諧振電路，用高阻器件的阻值調製震盪幅度（像電臺），後續再解調制（像收音機）還原電阻值。

這樣解決了速度問題，也沒有低頻1/f的困擾，就是太麻煩了，測量的線性和精度無從談起。不過對很多物理應用，只需要看到有沒有信號，並不關心信號的形狀。

比如最近很熱門的引力波測量，這是一個典型的極低水準信號測量應用，只要放大器雜訊足夠低，看到了信號，管他信號什麼形狀，誰知道引力波是什麼波形。

加州理工、麻省理工幾大校的LIGO鐳射引力波干涉專案使用的放大器（IF3602+LT1128）在電子工程師眼裡簡單得不值一提。更不用提那些利用非線性量子現象構建的放大器，本身就為了靈敏度而犧牲了包括精度和線性的其它性質，這是由測量的性質決定的。

接著是調適線路，如果不想用那種很麻煩的RLC振盪電路做阻抗匹配，另一種解決方案就是在離樣品很近的位置安裝低溫前置放大器了，既能提高信噪比又能降低電容提高速度。

前面已經提過，在這麼低溫度能工作的半導體器件不多，而且需要特別考慮功耗問題，一點加熱功率會把系統溫度提高很多。

無論商品的Avago(原來的安捷倫元器件部)的砷化鎵HEMT，還是更新的NXP(飛利浦)SiGe電晶體都是為高頻GHz放大服務的，通過對JFET放大器架構學習我們試著做了最簡單的共源極放大，功耗問題還好解決，在極低溫高頻端也可以和優秀的JFET放大器相比，不過這些管子低頻端的1/f雜訊太高了，這個問題可不好解決！

並聯HEMT方式帶來的功耗加倍對極低溫應用是不能接受的。

這只能通過尋找合適電晶體解決了。

隔行如隔山，有的時候我們在做的計畫，從一個電子工程師的眼裡可能非常簡單；但電子工程師們也往往不知道我們的具體需求。

極低雜訊前置放大器是類比電子一個很重要的領域，幾乎所有領域都能得益于雜訊水準的改善。JFET放大器更主要的用途不是作為一個單獨產品，而是一個測量系統的重要模組。

直流或低頻領域的應用主要在生物醫學和感測器領域；發燒友們為了降低音響系統的底噪，提高信噪比不遺餘力；日本早先針對極低雜訊JFET放大器實施禁運，就是擔心被用於軍事領域。

比如說潛艇聲呐，更低的雜訊意味著你可以更遠發現敵人，某種場合可能就是致命的。

離散JFET晶體近些年在消費級應用越來越少，也因此各大廠商都不重視，大零售商如Mouser的存貨也寥寥幾種且價格高昂。

所幸JFET輸入的OP這些年改進不少，比如TI的OPA140、斬波型的OPA188，雖然還達不到離散放大器的水準，但透過大量並聯其實已能達到相近性能了。