Referat Grundschaltungen des JFETs - Groß- und Kleinsignalbetrieb

Grundschaltungen des JFETs

In Analogie zum bipolaren Transistor unterscheidet man auch beim JFET zwischen 3 Grundschaltungen, je nachdem welche Elektrode auf konstantem Potential liegt :

Sourceschaltung = Emitterschaltung

Drainschaltung   = Kollektorschaltung

Gateschaltung     = Basisschaltung

Der größte Vorteil des FETs gegenüber dem Bipolartransistor liegt bei seinem hohen Einganswiderstand. Es liegt daher eine reine Spannungsteuerung vor.

Die Spannungsverstärkung liegt beim n-Kanal FET bei etwa 100 bis 300. Bei p-Kanal FETs ist sie nur halb so groß. Die Maximalverstärkung von Fets beträgt also nur ungefähr ein Zehntel der Maximalverstärkung von  Bipolartransistoren.

Beim linearen Verstärker hat der Feldeffekttransistor die Aufgabe, eine kleine Spannungsänderung am Eingang mit Hilfe der Speisespannung in eine große Stromänderung umzuwandeln. Die Eingangs- und Ausgangsgrößen sollen hierbei in einem möglichst linearen Zusammenhang stehen. Wird eine verstärkte Ausgangsspannung verlangt, so formt ein Widerstand die Stromänderung in eine Spannungsänderung um.

Groß- und Kleinsignalbetrieb:

In der Grundschaltung (Sourceschaltung) nach Bild 1 läßt sich der Strom I_D und damit auch die dem Lastwiderstand R_D zugeführte Leistung über die Gate-Source-Spannung U_GS nahezu leistungslos steuern. Der Großsignalbetrieb mit einer großen Spannungsänderung U_GS läßt sich durch die Ersatzschaltung nach Bild 1b beschreiben. Der Gate-Kanal-Übergang wird hier durch zwei diskrete Dioden und einen nichtlinearen Widerstand R_DS dargestellt. Eine weitere Möglichkeit das Gleichstromverhalten zu untersuchen, ist die graphische Auswertung im Ausgangskennlinienfeld (Bild 2).

Wie im Ausgangskennlinienfeld ersichtlich ist, sind zwei Widerstandsgeraden für R_D=500W und R_D=1kW eingetragen. Bei einer kontinuierlichen Veränderung der Spannung U_GS bewegt sich der Arbeitspunkt entlang der jeweiligen Widerstandsgeraden und hat für den Fall R_D=500W und U_GS=-3V die eingetragene Lage. Für U_GS=0V ergeben sich die Punkte A_EIN . Bei sprunghafter Anderung der Spannung U_GS zwischen 0V und einem genügend negativen Wert springt auch der Arbeitspunkt zwischen den Grenzlagen A_EIN und A_AUS , sodaß ein Schalterbetrieb vorliegt. Sofern der Arbeitspunkt A_EIN im "ohmschen" Teil der I_D-U_DS-Kennlinien liegt, kann man dem FET einen bestimmten Widerstand R_{DS EIN} zuordnen, sodaß der Strom I_{DS EIN} streng proportional der treibenden Spannung U_B ist. Diese Tatsache wird bei der Anwendung als "Analogschalter" genutzt. Wie die Fortsetzung der Kennlinien im dritten Quadranten zeigt, ist sogar ein Betrieb mit negativer Spannung U_B möglich. Dazu muß aber gesagt werden, daß die Gate-Drain-Diode nicht leitend werden darf, das heißt Drain muß positiver sein als Gate.

Für den Kleinsignalbetrieb mit relativ zum Ruhestrom nur kleinen Stromänderungen DI_D werden die Eigenschaften des FETs beschrieben durch die Steilheit s und den Ausgangswiderstand r_DS .

                         

Die Steilheit ist maßgebend dafür, welche Stromänderung sich aufgrund einer Spannungsänderung DU_GS ergibt. Die Steuergleichung in Bild 2 beschreibt die Wirkung gleichzeitig auftretender Spannungsänderungen DU_GS und DU_DS auf den Drainstrom.

Innerhalb des gestrichelten Bereiches stellen die Kennlinien nach Bild 2 näherungsweise Geraden durch den Koordinatenursprung dar, deren Steigung über die Spannung U_GS kontinuierlich einstellbar ist. Der FET eignet sich in diesem Bereich besonders als VCR ( Voltage Controlled Resistor), also als Spannungsgesteuerter Widerstand. Die Linearisierungsschaltung wird in Bild 3 gezeigt.

U_GD liegt in diesem Fall auch an R1 an, da der Eingang hochohmig ist, und daher fast kein Strom (vernachlässigbar klein)  in den FET fließt.

Man gibt die Spannung U_GS' vor, und läßt über den Spannungsteiler R1, R2 die Spannung U_GS von U_DS nachziehen (wird U_DS klein, verringert sich auch U_GD ).