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Einstellung des Arbeitspunktes bei JFet-Transistoren, Anleitung von W7ZOI

Original (Link): JFET BIASING TUTORIAL BY W7ZOI


Diese Anleitung ist copyright © 2000-2001 von Wes Hayward, W7ZOI
Mit freundlicher Genehmigung des Autors aus dem Englischen übersetzt von Erik Beckers, DL2KEB

Vorspannung bei JFets und Verstärkerdesign W7ZOI, 30 Dez. 2000


Die Arbeitspunkteinstellung ist bei JFet-Transistoren im allgemeinen nicht aufwendiger als bei bipolaren Transistoren. In vielerlei Hinsicht verhalten sie sich grundsätzlich wie Röhren. Der Strom, der zwischen Drain und Source des FETs fliesst, wird von der Spannung zwischen Gate und Source, Vgs, kontrolliert. (Das ist die Spannung, die man mit einem Voltmeter messen würde, welches zwischen Gate und Source angeschlossen ist).

Die Schaltung in Bild 1 definiert die Parameter, die man zur Beschreibung des Gleichspannungsverhaltens eines FETs verwendet. Der 100 Ohm Widerstand wird eingefügt, um UHF-Schwingungen während der Messung zu unterdrücken. Es wird die Gatespannung V verändert und dabei der Drainstrom gemessen. Das Ergebnis wird anschliessend wie in Bild 1 dargestellt aufgezeichnet. Das Verhalten des FET wird durch die einfache quadratische Gleichung in Bild 1 beschrieben, sie enthält die zwei für den FET geltenden Parameter IDSS und VP. IDSS ist der Drainstrom, der bei einem Kurzschluss des Gates mit der Source fliesst. Die sogenannte Abschnürspannung (pinch-off voltage), VP, ist VGS bei einem Drainstrom von nahezu null. Source- und Gatestrom eines FETs sind identisch.

Grundsätzliches Verhalten eine N-Kanal JFet, Verarmungstyp
Die Nummern dienen zur Veranschaulichung der Grundidee.

Der Experimentierende, der einen JFet in einer Schaltung einsetzen möchte, wird am häufigsten die Methode einsetzen, die man automatische Vorspannungserzeugung (self biasing) nennt. Hierbei wird ein Widerstand in die Source-Leitung geschaltet. Das Gate wird mit Masse verbunden. Der Strom, der durch den FET fliesst, fliesst auch durch den Widerstand. Dieser Strom verursacht einen Spannungsabfall, der die Sourcespannung über die des Gates anhebt, dies entspricht einer negativen Vorspannung des Gates gegenüber der Source. Dadurch wird ein Drainstrom eingestellt, der kleiner als IDSS ist.

Die Drainspannung ist nicht weiter kritisch, weil sie ein paar Volt grösser als die Spannung an der Source ist.

Die Grösse des Widerstandes wird für einen bestimmten Arbeitspunkt nach Gleichung 1 berechnet, wenn IDSS und VP bekannt sind. Jedoch sind diese Parameter selten genau genug angegeben. Bei dem bekannten Transistor J310 zum Beispiel werden nur Bereiche angegeben: IDSS liegt zwischen 24 und 60 mA und VP liegt zwischen -2 und -6,5 Volt.

Mit der Schaltung aus Bild 2 können IDSS und VP bei einem bestimmten FET leicht gemessen werden. Die Schaltung wird mit verschiedenen Werten für den Source-Widerstand aufgebaut und die Sourcespannung wird mit einem hochohmigen Voltmeter gemessen. Die Abschnürspannung nimmt bei einem hohen Widerstandswert RS von ca. 100 Kiloohm den negative Wert der Sourcespannung an. (Gemeint ist hier wohl nicht der negative, sondern der kleinste Wert der Sourcespannung, diese entspricht Vp, Anmerkung des Übersetzers). Schliesst man die Source mit einem Amperemeter gegen Masse kurz, so kann man IDSS direkt ablesen. Durch diese einfache Messung stehen uns genug Daten zur Verfügung, um den Arbeitspunkt des FETs einzustellen.


Das Experiment wurde mit einem 2N54545 aus der Grabbelkiste durchgeführt, es ergaben sich die Parameter IDSS=11mA und VP=-2,8V. Mit diesen Parametern wurde die Spannungsgleichung nach Bild 1 gezeichnet, zu sehen in Bild 3. Zusätzliche Punkte wurden nachgemessen, es ergaben sich Punkte, die nahe an der berechneten Kurve lagen.

Daten und geglätteter Kurvenverlauf des gemessenen 2N5454.
Dieser FET hat eine Abschnürspannung von 2,8V und einen IDSS von 11 mA

Dieser Aufwand sollte praktisch bei jedem FET betrieben werden, den der Experimentator einsetzen möchte. Es reicht nicht aus, die Daten für einen bestimmten FET-Typ nachzuschlagen, obgleich man einigermassen übereinstimmende Werte erwarten kann, wenn es sich um Bauteile aus der selben Charge des Herstellers handelt.

Weiter oben wurde bereits der J310 mit seinem IDSS-Bereich von 24 bis 60 mA erwähnt. Mit einem Streubereich von 2,5:1 ist dieser noch einer der besseren unter den allgemein erhältlichen Bauteilen. Dagegen streut der früher sehr bekannte MPF-102 bezüglich IDSS im Verhältnis 10:1 (2 bis 20 mA), und VP liegt zwischen -0,5 und -7,5 Volt! Diese Bauteile sollten ganz klar mit äusserster Vorsicht eingesetzt werden. Es sind gute Bauteile für den Hochfrequenzbetrieb , aber zwei MPF-102 werden einander wohl kaum gleichen.

Der nach Bild 3 ausgemessene FET soll in einem Verstärker verwendet werden, und man möchte den Arbeitspunkt auf 5 mA einstellen. Der Punkt bei 5 mA wird aus der Grafik übernommen, und entspricht einer Spannung VGS von circa 0,9 Volt. Aus 0,9 Volt Spannungsabfall bei 5 mA ergibt sich ein Widerstand von 180 Ohm. Verwendet man die Gleichung 1, so ergibt sich ein Widerstand von 182 Ohm. Der Arbeitspunkt bei 5 mA ist in Bild 3 gestrichelt dargestellt.

Hat man den Arbeitspunkt eines FETs eingestellt, so kann er in einem Kleinsignalverstärker verwendet werden. Der wichtigste Parameter, der die Verstärkung des Transistors angibt, ist die Steilheit (engl. transconductance), die sich nach Gleichung 2 berechnen lässt. Die Steilheit ergibt sich aus dem Strom eines Signals im Drain, der sich mit der am Gate angelegten Spannung ändert. (die Steilheit hat die Einheit A/V, also Strom pro Änderung der Spannung, in Datenblättern wird diese in mS bzw µmhos angegeben, 1000 µmhos entspricht 1 mS, Anm.d.Ü.) Beachte, dass die Steilheit gM vom Strom des Arbeitspunktes abhängig ist. Die in den Datenblättern angegebene Steilheit gM entspricht dem Wert bei Betrieb des Transistors bei Idss.

Diese Daten wurden in unserer Beispiel-Verstärkerschaltung verwendet, um die Steilheit zu ermitteln.

Setzt man die ermittelten Daten für den 5 mA Arbeitspunkt in Gleichung 2 ein, so ergeben sich die Daten in Bild 4.

Ein Verstärker entsprechend Bild 5 wird als Puffer für eine Oszillatorschaltung verwendet. Dabei wird angenommen, der Ausgang des Oszillators liefere eine Spannung von 1 Volt Spitze-Spitze. Diese Spannungsänderung am Gate des FET führt dazu, dass ein Strom von 5,33 mA Spitze-Spitze fliesst. Der Übertrager besteht aus 15 Windungen primär in der Drainleitung und 3 Windungen sekundär auf einem Amidon FT37-43 Ringkern. Dieses Verhältnis der Windungszahlen transformiert die an der Sekundärwindung angelegten Last von 50 Ohm zu einer 1250 Ohm Last in der Drainleitung. Ein Strom von 5,3 mA Spitze-Spitze erzeugt eine Spannung von 6,25 Volt Spitze-Spitze. Liegt kein Einganggssignal an, so liegt die Drainspannung bei 11 Volt, positive und negative Auslenkung der Spannung um 3 Volt führen also nicht zu einer Spannungsbegrenzung. Der Strom schwankt um den 5 mA Arbeitspunkt, nach unten bis ungefähr 3 mA (immer noch grösser als null) und nach oben bis ungefähr 8 mA, also immer noch kleiner als Idss. Das Signal an der 50 Ohm Last wird durch den Übertrager auf 1.33 Volt Spitze-Spitze transformiert. Das sind ungefähr +6 dBm, genug Leistung, um einen Dioden-Ringmischer zu betreiben. Diese einfache Schaltung stellt einen sehr nützlichen Verstärker mit niedrigem Rauschen und hoher Effizienz dar.

Verstärker in Sourceschaltung, Arbeitspunkt 5 mA Drainstrom

Bild 6 zeigt einen FET Verstärker, bei dem eine aufwendigere Arbeitspunkteinstellung verwendet wird. Hier wird nun eine negative Spannungsversorgung verwendet, und der Widerstand, über den der Arbeitspunkt eingestellt wird, muss sich hier wie eine Konstantstromquelle verhalten. Mit dieser Methode können verschiedene FETs mit unterschiedlichen Parametern verwendet werden, wenn der Arbeitspunkt für Id<Idss-min eingestellt wurde. (Mit Idss-min ist wohl der kleinste auftretende Wert für Idss gemeint, Anmerkung des Übersetzers)

Verstärker mit aufwendigerer Arbeitspunkteinstellung. Der Arbeitspunkt dieses Verstärkers liegt bei 5 mA, und die Leistungsfähigkeit entspricht der des Verstärkers aus Bild 5, aber hierbei ist eine Selektierung der Bauteile nicht unbedingt notwendig.