Kleinsignalverhalten von Feldeffekttransistoren 1 Theoretische Grundlagen

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1 Dr.-Ing. G. Strassacker STRASSACKER lautsprechershop.de Kleinsignalverhalten von Feldeffekttransistoren 1 Theoretische Grundlagen 1.1 Übersicht Fets sind Halbleiter, die nicht wie bipolare Transistoren durch einen (Basis-) Steuerstrom, sondern durch Verändern eines elektrischen Feldes von der Gate -Source - Spannung leistungslos gesteuert werden. Man unterscheidet sechs verschiedene Typen: G = Gate ˆ= Basis S = Source ˆ= Emitter D = Drain ˆ= Kollektor bipolarer Transistoren Bild 1: Typen, Schaltsymbole, Kennlinien u. Anwendungen von Fets (der Depletion p Kanal Mosfet wird aus technologischen Gründen nicht hergestellt) Der Übersichtlichkeit halber wird in dieser Anleitung nur mit selbstleitenden Sperrschicht - n - Kanal Fets (linke Spalte von Abbildung 1 gearbeitet. Die Steuerspannung ist U GS, sie muß im Arbeitspunkt für Kleinsignalsteuerung kleiner null sein: U p U GS 0 V. Selbstleitend bedeutet, daß der größte Drainstrom bei U GS = 0 V fließt. Depletion - Mosfets zeigen dasselbe Verhalten, während Enhancement - Mosfets bei U GS = 0 V sperren. Man nennt sie daher selbstsperrend. Zwischen bipolaren Transistoren und Fets gelten folgende Korrespondenzen: I C I D S S I E I S S r S r 0 I B I G 0 r BE r GS U CE U DS r CE r DS U BE U GS β Sr GS 1

2 Da der Steuerstrom I G praktisch null ist, lauten die Grundgleichungen des Fet, wobei die Änderungen I und U auch als Amplituden kleiner Wechselspannungen zu verstehen sind: I G 0 I D S U GS + 1 r DS U DS Die angegebenen Änderungen I = î und U = û sind nicht konstant, sondern abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt im Kennlinienfeld. Man erhält aus diesen Grundgleichungen die Steilheit S und den Wechselstromwiderstand r DS zu: S = I D U GS UDS =const und r DS = U DS I D UGS =const 1.2 Einstellung des Arbeitspunktes Bild 2: Polarität der Hilfsspannungen an einem n-kanal Sperrschichtfet Diese Grundschaltung reicht für den praktischen Betrieb nicht aus. Es fehlen mindestens noch ein Widerstand und die Gleichspannungsgegenkopplung zur Stabilisierung gegen Temperatureinflüsse. Zur Temperaturstabilisierung kann bei den Fets - wie bei bipolaren Transistoren - eine Gleichstromgegenkopplung angewandt werden. Bei den selbstleitenden Fets kann R S sowohl die zu dem Ausgangsstrom I D proportionale Gegenspannung I S R S, als auch die Vorspannung für das Gate erzeugen. Dieses liegt über den stromlosen Widerstand R G an Nullpotential. Bild 3: Arbeitspunkteinstellung bei einer Source - Stufe mit Stromgegenkopplung für Gleichstromgrößen 2

3 Wegen I G = 0 ist I S R S + U GS = 0, also U GS = I S R S. Diese Vorspannung wirkt bei den langsamen Temperaturänderungen und dadurch bedingten Änderungen von I D = I S für die den Arbeitspunkt bestimmenden Gleichgrößen gegensteuernd. Andererseits gibt es bei dieser Schaltung keine Gegenkopplung für Wechselgrößen, solange C S für i S (t) den Widerstand R S kurzschließt: u SO (t) = 0V. U k : Knick- oder Schwellenspannung U DS > U k : Arbeitsbereich U GS 2, 5 V : Sperrbereich Bild 4: Links Übertragungs-, rechts Ausgangskennlinien eines n - Kanal - Sperrschichtfets Man wird den Arbeitspunkt durch Widerstandsgerade (hier R D = 1kΩ) und U GS (hier -1,0V) so festlegen, daß man mit positiven und negativen Gate - Source - Spannungen in der Umgebung von A aussteuern kann. Exakt betrachtet, ergibt sich die Steilheit der Widerstandsgeraden durch tan α ˆ=1/(R D + R S ). Da aber meist R S R D ist, genügt oft die Näherung : tan α ˆ=1/R D. Ist dagegen R S gegen R D nicht vernachlässigbar, und ist, wie in Abbildung 3, R S kapazitiv kurzgeschlossen, dann gilt zwar für Wechselgrößen im Arbeitspunkt A eine Widerstandsgerade mit der Steigung tan α ˆ= 1/R D : î D R D + û DS = 0 daher ist î D = 1/R D û DS dagegen ist die Steigung der Widerstandsgeraden für Gleichstrom gegeben durch 1/(R D +R S ): I D R D + U DS + I S R S = U 0 also für die Gleichrößen: I D = 1 R D +R S U DS + U 0 R D +R S 1. Wid. Gerade für Gleichgrößen 2. Wid. Gerade für Wechselstrom, falls R D = R S = 1, 0 kω U 0 = 10V und C S R S Bild 5: Widerstandsgeraden für Gleich- u. Wechselstrom zur Schaltung nach Abb.3 3

4 Man erkennt: Der Wechselspannungshub (= die mögliche Maximalamplitude) U DS = û DSmax ist durch die jetzt größere Steigung der Wechselstromwiderstandsgeraden kleiner geworden (hier nur noch etwa 2,5 V). Bei der Schaltungsdimensionierung ist darauf zu achten! Eine noch größere Steigung der Widerstandsgeraden für Wechselgrößen tritt dann ein, wenn der nachfolgende Lastwiderstand R L nicht wesentlich größer als R D ist (Parallelschaltung: R L R D ). (Prinzipiell der gleiche Sachverhalt gilt auch für die Dimensionierung bipolarer Transistorschaltungen, wenn einerseits R E in die Größenordnung von R C kommt und wenn andererseits R L nicht wesentlich größer ist als R C ). Mit der Festlegung des Arbeitspunktes A nach Abbildung 4 oder 5, hat man sich auch für einen Drain - Gleich - oder Ruhestrom entschieden (hier etwa 5 ma), so daß in unserem Beispiel mit I S = I D : R S = U GS /I D = 1V/5 ma = 200 Ω wird. U 0 war als Fußpunkt der für Gleichgrößen gültigen Widerstandsgeraden zu 10V gewählt worden. 1.3 Eigenschaften der Grundschaltungen bei Kleinsignalverstärkung Fet als gesteuerter Widerstand Ein Fet kann (ebenso wie ein bipolarer Transistor) als gesteuerter Widerstand aufgefaßt werden. Daß demnach der Widerstand R DS gesteuert werden kann, wird deutlich durch den Quotienten U DS /I D beim Verschieben des Arbeitspunktes längs der Widerstandsgeraden (siehe z.b. Abbildung 4). Hier ein gesteuerter Transistor in Sourceschaltung als gesteuerter Spannungsteiler: Bild 6: Fet als gesteuerter Widerstand Die Sourceschaltung als Spannungsverstärker Ihr Eingangswiderstand ist R in = r GS Ω, der Ausgangswiderstand (ausgangsseitige Innenwiderstand) ist, da die Gleichstromquelle mit 4

5 U 0 definitionsgemäß den Innenwiderstand null Ohm hat: R ex = R D r DS, die Spannungsverstärkung ist v u = U ex = I DR D mit U in = U GS = I D U in U in S wird v u = I DR D I D S = R D S Bild 7: Hier die Source - Grundschaltung (ohne Gegenkopplung und ohne Gatevorspannung). Sie entspricht der Emitterschaltung bipolarer Transistoren. Bild 8: Sourceschaltung mit nichtüberbrücktem R S als Wechselspannungsverstärker Es interessiert in Abbildung 8 insbesondere die Spannungsverstärkung v u, zunächst für sekundären Leerlauf: v u = ûex û in = î D R D û in ; mit û in = û GS + î S R S und û GS = îd S sowie î S = î D wird v u = î D R D î D /S + î D R S = R D 1/S + R S = S R D 1 + S R S 5

6 Wird jedoch ein sekundärer Lastwiderstand R L angeschlossen, dann gilt wegen R L parallel R D : v u = S (R D R L ) 1 + S R S Die gleichen Werte von v u, R in und R ex gelten auch für die Sourceschaltung mit Gleichstromgegenkopplung, sofern der Gegenkopplungswiderstand R S für Wechselgrößen nicht kapazitiv überbrückt und somit kurzgeschlossen ist. Siehe Abbildung Die Drainschaltung (=Sourcefolger) Bild 9: Drainschaltung, sie entspricht der Kollektorschaltung bipolarer Transistoren Da der Innenwiderstand der Quelle (mit U 0 ) idealisiert stets zu null Ohm angenommen wird, liegt die Drain - Elektrode wechselspannungsmäßig an Nullpotential. Drain ist daher dem steuernden Eingangskreis und dem gesteuerten Ausgangkreis gemeinsam. Daher spricht man hier von der Drainschaltung. Sie hat eine Spannungsverstärkung kleiner eins (Herleitung ganz entsprechend der vorausgehenden Sourceschaltung): v u S R S 1 + S R S < 1, der Eingangswiderstand ist R in Ω, der Ausgangswiderstand ist R ex = R S 1/S. Man erkennt die Eignung als Impedanzkonverter : R in /R ex 1. Literaturhinweis: Auszug aus dem Elektrotechnischen Grundlagen-Praktikum der Universität Karlsruhe, Institut für Theoretische Elektrotechnik und Messtechnik, Verfasser: Dr.-Ing. Gottlieb Strassacker 6