结型场效应管是一种小众的电路元件，近年来生产规模持续缩小，连专业人士都容易将其当做MOS场效应管。但在特定的小众应用领域，JFET管具有不可替代的优势，比如我关注的低噪声、低失调放大电路。这是因为，分立JFET管可以设计更大的硅片面积，并配置更高的工作电流，不受封装方案的影响。另一方面，如果整个电路都使用JFET管等分立元件，则电路会过于复杂难以设计和调整，所以会用操作简单的运放来代替这部分电路。综合这两点考虑，JFET管+运放会采用下面的电路。

      上图中，左图是BJT管+运放组成的放大电路，右图才是JFET管+运放组成的电路。从应用上看，BJT管往往有更低的噪声和失调电压，但输入电阻往往远小于JFET管，对准确测量电压的要求往往不太能满足。作为结果，JFET管成为万用表的主要选型方案，下面列举一些我收集的典型万用表选型方案：

电路方案与测试结果

      我在另一篇文章里写过JFET管+运放组成放大电路的方案与指标：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/89239。但是这次实验的指标不太理想，主要有下面几个问题：

1. 电流源模块里，BJT管上的分压过高（约为8.5V-2.5V=6V），导致引入额外噪声。将该电压配置在3.5V以下就比较合适，几乎不引入额外噪声。

2. 数据处理的FFT算法有问题，似乎是没有加窗函数、导致低频噪声的旁瓣过渡扩展，表现为低频噪声延伸到1kHz以上。另外，高频噪声也被扩大了2倍，但原因还不清楚。目前调用了Python的scipy的.signal.welch方法，使用最小4阶Blackman-Harries窗函数处理数据，明显改善了频谱测量结果。

3. 调整失调电压的源极电阻RS中采用了可调电阻，但电阻每次调整后都需要1min以上的稳定时间，在此期间失调电压会持续变化，导致调压不准确。这次改用开关电阻阵列+可调电阻的方案来处理电压失调，几乎消除了可调电阻稳定过程对测量的影响。

此外，我还采用了这些电路设计方案，但似乎没有改善灵敏度指标。这里将这些方案列举出来，以供大家分析。

1. 在漏极电阻RD上加电流镜电路，迫使两只JFET管上流过相同的电流。从结果上看，这类似于增加RD电阻的阻值，进一步抑制后端运放对噪声的影响。这个功能在我这里似乎没发挥作用，可能是因为我用的OP07CP运放仅有10nV/Sqrt(Hz)的电压噪声密度，而阻值RD普遍选得较大，因此运放噪声不占主要因素。

2. 在漏极电阻部分加上Cascode电路，配合参考电压源，使得JFET管的VDS电压始终维持不变。这似乎能增加放大电路的工作带宽，但我并不关心带宽，所以并未专门测试。

一些方案已被证明无效，具体内容如下：

1. 电流镜和Cascode单路包含三极管元件，增强这些三极管的对称性、或降低这些三极管的噪声是无效的。我用THAT340三极管阵列代替了9014、9015等普通三极管，但噪声并无显著变化。

2. 空间电磁辐射似乎具有电流源的性质，在高阻抗元件上的干扰电压会更大，而这恰好是JFET管的特征。我在输入端并联1只10MΩ电阻到GND，已经极大降低输入阻抗，但似乎没啥影响。

按照上述方案，我做了一些电路板进行测试。下图是一只使用2SK170V的放大电路，设计在6mA的IDS下工作，使用了电流镜和Cascode电路，改用BJT管搭建电流源，但继续用可调电阻在RS上调整失调电压。该电路的实物和测试结果如下图所示，可见电压发生指数漂移，噪声水平约为5nV/Sqrt(Hz)。

然而，如果继续使用可调电阻，则输出电压是不可能稳定下来的。下图就是一个典型案例，输入电压在4s的时间尺度上变化了3uV，且看起来像随机波动，而这只可能来源于可调电阻。

      值得一提的是，该电路是是在没有屏蔽盒的条件下测的噪声数据，因此出现了一大堆空间电磁噪声在特定频率上产生的噪声尖峰。之前的电路板则是在金属盒内做的测试（但没有用内层金属壳+电压源做成主动屏蔽），这些噪声明显小了许多。

      将可调电阻方案换成开关电阻阵列+可调电阻方案，结果如下图所示。可以看出，电压的长期波动几乎消失，说明这一步改对了，可调电阻确实是输出电压异常波动的源头或关键节点。

      但是失调电压变化的问题并未根绝。具体来说，当我把电路从桌子上装进金属盒时，输出电压就会急剧改变，产生大约400uV的电压变化，我不知道这是热电势、JFET管温漂还是PCB应力变化导致的，但这肯定不是电子学应当解决的问题，我只能建议避免在测试中移动电路板。我抓拍了一段电压变化的数据，这个电压变化似乎也有指数变化的特征。

      我在一块电路板中，将IDS从6mA改成了10mA，使得输出电压从4nV/Sqrt(Hz)降低到3nV/Sqrt(Hz)，下图是这次测试的测试结果。

      我还尝试了2SK129。LSK389C这两种型号的JFET管，其中LSK389C的结果如下图所示，噪声水平也在3nV/Sqrt(Hz)左右，跟2SK170差不多。

      2SK129的测试结果就不太行。该电路的输出电压噪声约为9nV/Sqrt(Hz)，而且低频噪声明显延伸到1kHz以上，如下图所示，估计该型号的JFET管性能非常一般。

      目前来看，JFET管+运放混合电路的失调电压问题已经基本解决，下一步应当优化噪声密度（特指频率较高位置的噪声密度，如1kHz）和低频噪声转折频率，目前考虑的方案有这些：

1. 我一直用加法器方案来细调失调电压，因此输入端总是串联1只10Ω左右的金属膜电阻，该电阻可能是噪声的主要来源。目前来看，电阻开关阵列+可调电阻的方案有很高的调控精度，不需要继续使用加法器，可以去掉这部分电路。

2. 我一直没考虑环境噪声的影响，如果环境中存在低频电磁噪声，就能解释噪声密度偏高的问题。之后我会尝试去噪声较低的环境进行测试（比如隔壁的公园之类），看看指标是否发生改变。