Der Feldeffekttransistor

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1 Gruppe: 2/19 Versuch: 1 Fachhochschule Deggendorf Fachbereich Elektrotechnik PRAKTIKUM BAUELEMENTE Der Feldeffekttransistor VERSUCH 1 Versuchsdatum: Teilnehmer: Abgabedatum: Blattzahl (inklusive Deckblatt):

2 Übersicht 1. Allgemeines 2. Versuchsdurchführung 2.1 Statische Aufnahme der Übertragungskennlinien mit R S = 1kΩ Messschaltung Ermittlung der Kennlinie mit geschlossenem Schalter S Messtabelle Kennlinie Ermittlung der Kennlinie mit geöffnetem Schalter S Messtabelle Kennlinie Fazit 2.2 Darstellung der Übertragungskennlinien am Oszilloskop Messschaltung Kennlinien 2.3 Fazit der Übertragungskennlinien 2.4 Ausgangskennlinien mit I D = f (U DS ) Statische Ermittlung der Ausgangskennlinie Messschaltung Messtabelle Kennlinie Ermittlung der Ausgangskennlinien mit dem Oszilloskop Messschaltung Oszillogramm für U GS = + 0,3 V Oszillogramm für U GS = - 1 V Oszillogramm für U GS = - 2,0 V = U P Ermittlung der Ausgangskennlinien mit dem Oszilloskop im Triodenbereich Messschaltung Oszillogramm für U GS = 0 V Oszillogramm für U GS = - 1 V Oszillogramm für U GS = - 2 V 2.5. Fazit zu den Ausgangskennlinien 2.6 Der Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand Messschaltung

3 2.6.2 Oszillogramm für U GS = 0 V YT-Darstellung XY-Darstellung Oszillogramm für U GS = - 1 V YT-Darstellung XY-Darstellung Oszillogramm für U GS = - 2 V YT-Darstellung XY-Darstellung Oszillogramm für U GS = - 3 V YT-Darstellung XY-Darstellung Oszillogramm für U GS = - 4 V YT-Darstellung XY-Darstellung Fazit Messschaltung für die Abschwächerschaltung Oszillogramm der Abschwächerschaltung Fazit

4 1. Allgemeines Ziel des Versuchs ist es, durch Messungen und Kennlinendarstellungen die Kenntnisse über die Eigenschaften von Feldeffekttransistoren praktisch zu untermauern und vertiefen. Als Versuchsobjekt dient ein FET BF245A in einem eigens dafür vorgesehen Versuchsaufbau, der je nach Messung angepasst werden kann. Eine Besonderheit ist der Strom-Spannungswandler, der als Operationsverstärker vom Typ TL082 ausgeführt ist und der eine stromproportionale Spannung liefert, so dass die Strommessungen komplett durch äquivalente Spannungsmessungen ersetzt werden können. Anmerkung am Rande: Im Rahmen der durchgeführten Messungen wurden uns vom Nachbarteam die Oszilloskop-Ausdrucke zur Verfügung gestellt, da deren Oszilloskop an einen Drucker angeschlossen war, unseres nicht. Wo es der Autor für notwendig und sinnvoll hielt, wurden diese Ausdrucke durch vor Ort gemachte Screenshots der selbst gemessen Kennlinien und Oszilloskopdarstellungen ersetzt. Dies kann im Einzelfall kleine quantitative Unterschiede nach sich ziehen. 2. Versuchsdurchführung 2.1 Statische Aufnahme der Übertragungskennlinien mit R S = 1kΩ Messschaltung Durch Messung der Gatespannung U GS an b und der Ausgangsspannung des I/U- Wandlers an e, der den Drainstrom I D über die Berechnung des Widerstands an S5 liefert, wird die Ausgangskennlinie ermittelt. Als Messgeräte dienen dabei Standard- Multimeter.

5 Über die Potentiometer für die Grob- und die Feineinstellung wird die Gatespannung von 0 abwärts bis etwa -2 V eingestellt und daraus die Kennlinie erstellt. Es werden zwei Messreihen durchgeführt, einmal mit geöffnetem Schalter S3, einmal mit geschlossenem. Für beide Messreihen gelten ferner folgende Schalterstellungen: S1 = 1 S2 = 1 S4 wird nicht betätigt (dies gilt für alle darauffolgenden Messreihen) S5 = 3 (diese Einstellung gilt ebenfalls für alle darauffolgenden Messreihen) Ermittlung der Kennlinie mit geschlossenem Schalter S Messtabelle Kennlinie Gatespannung Drainstrom in V in ma 0 7,7-0,05 7,45-0,1 7,25-0,15 7-0,2 6,87-0,25 6,68-0,3 6,53-0,35 6,37-0,4 6,18-0,45 6,01-0,5 5,84-0,6 5,57-0,7 5,25-0,8 4,96-0,9 4,65-1 4,33-1, ,85-3,9 0

6 U p Die halbe Pinch-off-Spannung kann mit Hilfe der Kennlinie als Schnittpunkt 2 der x-achse (Drainstrom I D =0mA) grafisch bei etwa -1,9 V ermittelt werden Ermittlung der Kennlinie mit geöffnetem Schalter S Messtabelle Kennlinie Gatespannung Drainstrom in V in ma 0 1,97-0,05 1,93-0,1 1,9-0,15 1,87-0,2 1,83-0,25 1,8-0,3 1,77-0,35 1,73-0,4 1,7-0,45 1,66-0,5 1,63-0,6 1,56-0,7 1,5-0,8 1,43-0,9 1,36-1 1,3-1,5 0,96-2 0,65-3,8 0

7 2.1.4 Fazit Bei einer Gatespannung von 0 V ist ein ein maximaler Stromfluss messbar, weswegen in dessen Umgebung auch die meisten Messungen durchgeführt werden. Dieser Effekt ist im Aufbau des FETs begründet: Die Leitfähigkeit des Drain-Source- Kanals kann über die Gatespannung geregelt werden. Beim Erreichen der so genannten Pinch-off-Spannung ist der D-S-Kanal abgeschnürt, so dass der Stromfluss unterbunden ist. Da der Transistor in Sperrrichtung betrieben wird, ist diese Spannung negativ. Ein Betrieb in Flussrichtung ist theoretisch möglich, macht allerdings den Vorteil der leistungslosen Ansteuerung zunichte. Durch das Dazuschalten des 1kΩ-Widerstandes über S3 wird das Source-Potential angehoben und der Gesamtwiderstand des Stromkreises erhöht, so dass konsequenterweise der Drainstrom kleiner wird. 2.2 Darstellung der Übertragungskennlinien am Oszilloskop Messschaltung: Der Messaufbau bleibt weitgehend gleich, aber im Gegensatz zur statischen Ermittlung der Kennlinie wird nun ein Wechselspannungssignal mit einer Amplitude von 1,3 V S und einer Frequenz von 100 Hz über einen Funktionsgenerator als Gatespannung auf a eingespeist. Über die Anschlussbuchse b wird mit dem ersten Kanal des Oszilloskops (X) die Gatespannung U GS gemessen. Mit dem zweiten Kanal (Y) wird das Ausgangssignal

8 des Operationsverstärkers, das bei e anliegt, ermittelt. Hier kommt es wieder durch den OP und den Widerstand an R5 zu einer proportionalen I/U-Umwandlung, so dass direkt der Drainstrom I D angegeben werden kann. Durch Umschalten vom Y-T auf den X-Y-Betrieb am Oszilloskop kann die Kennlinie grafisch am Oszilloskop-Bildschirm angezeigt werden. Bei dieser Messreihe gilt folgende Schalterstellung zu beachten: S1 = 4 S2 = 1 S3 wird wieder wechselweise geöffnet bzw. geschlossen. Der unbelastete Funktionsgenerator liefert bei der Einstellung von U = 1,3V S und f = 100 Hz laut Oszilloskop eine Spitze-Spitze-Spannung von 2,7V SS Kennlinien Über die Nachleuchten-Funktion des Oszilloskops können beide Kennlinien auf einmal dargestellt werden. Diese ergeben sich wie folgt: 2.3 Fazit der Übertragungskennlinie Der Verlauf ist weitestgehend identisch mit dem aus der statischen Messung. Abweichungen der angezeigten Werte ergeben sich durch die Ungenauigkeit beim Einzeichnen der Tangente im Vorversuch sowie in der jetzigen Ablesegenauigkeit des Oszilloskops.

9 2.4 Ausgangskennlinien mit I D = f (U DS ) Statische Ermittlung der Ausgangskennlinie Messschaltung Für diesen Versuch gilt, dass die Gatespannung U GS = 0 V ist. Ein externes Netzteil wird an d angeschlossen und damit eine Drainspannung von U DS = V eingestellt. Diese wird über c mit einem Multimeter überprüft und entsprechend variiert. Auf e wird über den bekannten I/U-Wandler der Drainstrom I S mit einem weiteren Multimeter ermittelt. Für die Schalterstellung gilt hier: S1 = 4 S2 = 3 S3 = geschlossen

10 Messtabelle: Drainspannung Drainstrom in V in ma 0,06 0,29 0,25 1,09 0,5 2,01 0,75 2,83 1 3,72 1,25 4,2 1,5 4,84 1,75 5,19 2 5,66 2,5 6,15 3 6,52 3,5 6,74 4 6,94 4,5 7,05 5 7,15 5,5 7,21 6 7,27 6,5 7,32 7 7,37 7,5 7,39 8 7,42 8,5 7,44 9 7,46 9,5 7, , ,5 12 7, , , , Kennlinie:

11 2.4.2 Ermittlung der Ausgangskennlinie mit dem Oszilloskop Messschaltung Hier gilt ein ähnlicher Schaltungsaufbau wie in der vorherigen Messung, jedoch wird hier die externe Spannungsquelle durch den schon bekannten Funktionsgenerator ersetzt; dieser wird auf d angeschlossen und auf die maximale Ausgangsamplitude eingestellt, also 10V S. Gemessen wird die Drainspannung U DS über Anschluss c auf Kanal 1 (X) des Oszilloskops. Ferner wird der Drainstrom I D wieder über den Operationsverstärker auf Kanal 2 (Y) ermittelt. Die Gatespannung U GS, die auf b angeschlossen ist, wird dieses Mal auf + 0,3 V - 1 V - 2 V... U P eingestellt. Über die XY-Funktion werden die hierzu gehörigen Ausgangskennlinien angezeigt.

12 Oszillogramm für U GS = + 0,3 V AUSDRUCK Oszillogramm für U GS = - 1 V AUSDRUCK Oszillogramm für U GS = - 2 V = U P AUSDRUCK

13 2.4.3 Ermittlung der Ausgangskennlinien mit dem Oszilloskop im Triodenbereich Messschaltung Der Schaltungsaufbau ist mit dem aus identisch. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass die externe Spannung, die durch den Funktionsgenerator eingespeist wird, auf eine Amplitude von 250 mv eingestellt wird. Somit wird auch die Schalterstellung 1:1 übernommen.

14 Oszillogramm für U GS = 0 V AUSDRUCK Oszillogramm für U GS = - 1 V AUSDRUCK Oszillogramm für U GS = -2 V AUSDRUCK

15 2.5 Fazit zu den Ausgangskennlinien Die dynamisch ermittelten Ausgangskennlinien mit dem Oszilloskop zeigen qualitativ die gleichen Werte wie die der statisch ermittelten Kennlinie. Markanteste Eigenschaft der Ausgangskennlinie ist der Übergang in den Abschnürbereich bei etwa 7 8 Volt Drainspannung. Bei der statischen Ermittlung ist die Gatespannung U GS = 0 V und sorgt somit für den maximalen Drainstrom I D. Die Einflüsse der Gatespannung werden hier erst beim zweiten Messdurchgang mit den Oszilloskop deutlich: durch die nun anliegende Gatespannung wird der Drain-Source-Kanal verengt und der Drainstrom I D sinkt merklich. Für den Triodenbereich der Schaltung gilt zu sagen, dass hier der Drainstrom I D proportional zur angelegten Drainspannung U DS ist. Dies zeigt sich deutlich an den Kennlinien, die mit dem Oszilloskop ermittelt werden konnten (siehe ). Erst bei höheren Aussteuerungen kommt es zu einer teilweise signifikanten Nichtlinearität, wie die Kennlinien im vorhergehenden Versuch zeigen ( ) 2.6 Der Feldeffekttransistor als steuerbarer ohmscher Widerstand Messschaltung Die vorher festgestellte Nichtlinearität soll nun durch eine Gegenkoplung verringert werden. Hierbei wird das Ausgangssignal gegenphasig zurückgegkoppelt. Dies geschieht hier durch die R-C-Kombination. Zum Schaltungsaufbau ist zu sagen, dass hier eine Drainspannung U DS mit einer Amplitude von 250 mv S und einer Frequenz von 100 Hz über den Funktionsgenerator auf d eingespeist wird. Die Gatespannung bei b wird dabei auf verschiedene Werte zwischen 0 V und der Pinch-off-Spannung eingestellt.

16 Diese verschiedenen Spannungszustände werden mit dem Oszilloskop festgehalten. Für die Schalterstellungen gilt: S1 = 1 S2 = 4 S3 ist nicht betätigt Oszillogramm für U GS = 0 V YT-Darstellung XY-Darstellung

17 2.6.3 Oszillogramm für U GS = - 1 V YT-Darstellung XY-Darstellung

21 2.6.7 Fazit Die Oszillogramme zeigen neben der zu erwartenden Linearität, dass das Ausgangsignal auf Kanal 2, also der Drainstrom I D mit zunehmend geringer werdenden (betragsmäßig größer) Gatespannung U GS schwächer wird, ehe er bei einer Gatespannung von U GS = - 3 V bzw. U GS = - 4 V kaum noch messbar und stark verzerrt ist Messschaltung für die Abschwächerschaltung Nun wird eine spannungsgesteuerte Abwschwächerschaltung realisiert; dazu wird der Funktionsgenerator auf eine Eingangsspannung von U e = 100mV eff bei einer Frequenz von 1 khz eingestellt und auf Buchse d eingespeist. Der Spannungseingang als auch der Ausgang auf Buchse c wird mit dem Oszilloskop auf den beiden Kanälen dargestellt. Die Gatespannung U GS soll in 0,5 V - Schritten von 0 V abwärts eingestellt werden. Für die Schalterstellung gilt: S1 = 1 S2 = 5 S3 ist geschlossen

22 2.6.8 Oszillogramm der Abschwächerschaltung Hier bietet sich wieder die Nachleuchten-Darstellung an, die bereits in der ersten Messreihe benutzt wurde, um alle Messergebnisse auf einmal im Oszillogramm darzustellen. AUSDRUCK

23 2.6.9 Fazit Bei der Abschwächerschaltung zeigt sich eine kontinuierliche und merkliche Änderung des Ausgangssignals, wenn mit dem Potentiometer die Gatespannung der Pinch-off-Spannung genähert wird. Dieses Phänomen ist ebenfalls auf das Zuschnüren des Drain-Source-Kanals zurückzuführen. Dabei erhält man während der ganzen Messung ein lineares Ausgangssignal, was auf die niedrige Drainspannung und die Gegenkopplung zurückzuführen ist. Der Einsatz von gleichspannungsabtrennenden Koppelkondensatoren am Eingang bzw. Ausgang ist ohne weitere Bedenken möglich, da hier nur Wechselspannugen und -ströme ohne Offset-Anteile im Spiel sind.