Common-Source-JFET-Verstärker

JFET-Verstärker der Common Source-Serie verwenden als aktive aktive Bauelemente Junction-Feldeffekttransistoren mit hohen Eingangsimpedanzeigenschaften

Transistor-Verstärkerschaltungen wie der Common Emitterverstärker werden mit Bipolartransistoren hergestellt, aber auch kleine Signalverstärker können mit Feldeffekttransistoren hergestellt werden. Diese Bauelemente haben gegenüber bipolaren Transistoren den Vorteil, dass sie eine extrem hohe Eingangsimpedanz und einen rauscharmen Ausgang haben, was sie ideal für den Einsatz in Verstärkerschaltungen mit sehr kleinen Eingangssignalen macht.

Der Aufbau einer Verstärkerschaltung, die auf einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor oder „JFET“ (N-Kanal-FET für dieses Tutorial) oder sogar einem Metalloxid-Silizium-FET oder „MOSFET“ basiert, ist genau das gleiche Prinzip wie bei der bipolaren Transistorschaltung, die für eine Verstärkerschaltung der Klasse A verwendet wird, die wir im vorherigen Tutorial betrachtet haben.

Zunächst muss ein geeigneter Arbeitspunkt oder „Q-Punkt“ für die korrekte Vorspannung der JFET-Verstärkerschaltung mit Einzelverstärker-Konfigurationen von Common-Source (CS), Common-Drain (CD) oder Source-Follower (SF) und Common-Gate (CG) gefunden werden, die für die meisten FET-Geräte verfügbar sind.

Diese drei JFET-Verstärker-Konfigurationen entsprechen den Common-Emitter-, Emitter- Follower und Basis-Konfigurationen mit bipolaren Transistoren. In diesem Tutorial über FET-Verstärker werden wir uns den beliebten Common Source JFET-Verstärker ansehen, da dieser das am weitesten verbreitete JFET-Verstärkerdesign ist.

Beachten Sie die untenstehende Konfiguration der Common Source JFET-Verstärkerschaltung.
JFET-Verstärker in Sourceschaltung

JFET-Verstärker in Sourceschaltung

Die Verstärkerschaltung besteht aus einem N-Kanal-JFET, aber das Gerät könnte auch ein äquivalenter N-Kanal-Verarmungsmodus-MOSFET sein, da der Schaltplan derselbe wäre, nur eine Änderung des FETs, verbunden in einer gemeinsamen Quellenkonfiguration. Die JFET-Gatespannung Vg wird durch das durch die Widerstände R1 und R2 aufgebaute Potentialteiler-Netzwerk vorgespannt und arbeitet innerhalb seines Sättigungsbereichs, der dem aktiven Bereich des Bipolar-Junction-Transistors entspricht.

Im Gegensatz zu einer bipolaren Transistorschaltung nimmt der Sperrschicht-FET praktisch keinen Eingangs-Gate-Strom auf, so dass das Gate als offener Schaltkreis behandelt werden kann. Daher sind keine Eingangskennlinien erforderlich.

Vergleich von JFET und BJT

Da der N-Kanal JFET ein Verarmungs-Bauelement und normalerweise „ON“ ist, ist eine negative Gatespannung in Bezug auf die Quelle erforderlich, um den Drainstrom zu modulieren oder zu steuern. Diese negative Spannung kann durch Vorspannung aus einer separaten Versorgungsspannung oder durch eine Selbstvorspannung erzeugt werden, solange ein konstanter Strom durch den JFET fließt, auch wenn kein Eingangssignal vorhanden ist und Vg eine umgekehrte Vorspannung des pn-Übergangs der Gatequelle beibehält.

In unserem einfachen Beispiel wird die Vorspannung aus einem Potentialverteilernetz bereitgestellt, so dass das Eingangssignal sowohl einen Spannungsabfall am Gate als auch einen Spannungsanstieg am Gate mit einem sinusförmigen Signal erzeugt. Jedes geeignete Paar von Widerstandswerten in den richtigen Proportionen würde die richtige Vorspannung erzeugen, so dass die DC-Gate-Vorspannung Vg gegeben ist als:

Beachten Sie, dass diese Gleichung nur das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 bestimmt, aber um die sehr hohe Eingangsimpedanz des JFET zu nutzen und die Verlustleistung innerhalb der Schaltung zu reduzieren, müssen wir diese Widerstandswerte so hoch wie möglich halten, wobei Werte in der Größenordnung von 1MΩ bis 10MΩ üblich sind.

Das Eingangssignal (Vin) des Common Source JFET-Verstärkers wird zwischen dem Gate-Anschluss und der Null-Volt-Schiene (0V) angelegt. Mit einem konstanten Wert der angelegten Gatespannung Vg arbeitet der JFET in seinem „ohmschen Bereich“ wie ein linearer Widerstand. Der Drain-Kreis enthält den Lastwiderstand Rd. Die Ausgangsspannung Vout wird über diesem Lastwiderstand entwickelt.

Der Wirkungsgrad des JFET-Verstärkers in Sourceschaltung kann durch den Zusatz eines Widerstandes verbessert werden, der mit dem gleichen Drainstrom, der durch diesen Widerstand fließt, in der Zuleitung der Quelle enthalten ist. Widerstand, Rs wird auch zur Einstellung der JFET-Verstärker „Q-Punkts“ verwendet.
Wenn der JFET vollständig „ON“ geschaltet ist, wird ein Spannungsabfall gleich Rs*Id über diesem Widerstand erzeugt, der das Potential der Source-Klemme über 0V oder Masse erhöht. Dieser Spannungsabfall über Rs aufgrund des Drainstroms sorgt für die notwendige Rückwärtsvorspannung über den Gate-Widerstand, wobei R2 effektiv eine negative Rückkopplung erzeugt.

Um also die Gate-Source-Junction in Sperrrichtung zu halten, muss die Source-Spannung Vs höher sein als die Gate-Spannung Vg. Diese Quellspannung wird daher:

Dann ist der Drain-Strom, Id auch gleich dem Source-Strom, Is da „kein Strom“ in die Gate-Klemme eintritt:

Diese Potentialteiler-Vorspannungsschaltung verbessert die Stabilität der gemeinsamen JFET-Verstärkerschaltung, wenn sie von einer einzigen Gleichstromversorgung gespeist wird, im Vergleich zu einer Vorspannungsschaltung mit fester Spannung. Beide Widerstände, Rs und der Source-Bypass-Kondensator, Cs haben im Wesentlichen die gleiche Funktion wie der Emitterwiderstand und der Kondensator in der gemeinsamen Emitter-Bipolartransistor-Verstärkerschaltung, nämlich eine gute Stabilität zu gewährleisten und eine Verringerung des Verlustes der Spannungsverstärkung zu verhindern. Der Preis für eine stabilisierte Arbeitspannung ist jedoch, dass mehr von der Versorgungsspannung über Rs fällt.

Der Wert in Farad des Source-Bypass-Kondensators ist in der Regel weit über 100uF und polarisiert. Dadurch erhält der Kondensator einen viel kleineren Impedanzwert, weniger als 10% der Transkonduktanz, gm (der Übertragungskoeffizient entspricht der Verstärkung) des Gerätes. Bei hohen Frequenzen wirkt der Bypass-Kondensator im Wesentlichen als Kurzschluss und die Quelle wird direkt mit der Erde verbunden.

Die Grundschaltung und die Eigenschaften eines Common Source JFET Verstärkers sind denen des Common Emitter Verstärkers sehr ähnlich. Eine DC-Lastlinie wird gebildet, indem die beiden Punkte, die sich auf den Drainstrom, Id und die Versorgungsspannung, Vdd verbunden werden, in dem Wissen, dass wenn Id = 0: ( Vdd = Vds ) und wenn Vds = 0: ( Id = Vdd/RL ). Die Belastungslinie ist somit der Schnittpunkt der Kurven am Q-Punkt wie folgt.

Common Source JFET Verstärkerkennlinien

Wie bei der gemeinsamen Emitter-Bipolarschaltung erzeugt die DC-Lastleitung für den gemeinsamen JFET-Verstärker eine Geradengleichung, deren Gradient: -1/(Rd + Rs) ist und sie kreuzt die vertikale Id-Achse am Punkt A gleich Vdd/(Rd + Rs). Das andere Ende der Lastleitung kreuzt die horizontale Achse am Punkt B, der gleich der Versorgungsspannung Vdd ist.

Die Position des Q-Punktes auf der DC-Lastleitung liegt in der Regel in der Mitte (bei Class-A-Betrieb) und wird durch den Mittelwert von Vg bestimmt, der negativ beeinflusst wird, da der JFET ein Verarmungs-Bauelement ist. Wie der bipolare Common Emitterverstärker ist der Ausgang des Common Source JFET-Verstärkers 180o phasenverschoben zum Eingangssignal.

Einer der Hauptnachteile der Verwendung von Verarmungs- JFETs ist, dass sie negativ vorgespannt werden müssen. Sollte diese Vorspannung aus irgendeinem Grund ausfallen, kann die Gate-Source-Spannung ansteigen und positiv werden, was zu einem Anstieg des Drainstroms und damit zu einem Ausfall der Drain-Spannung, Vd führt.

Auch der hohe Kanalwiderstand, Rds(on) des Junction FET, gepaart mit einem hohen Ruhestrom, lässt diese Geräte heiß laufen, so dass ein zusätzlicher Kühlkörper erforderlich ist. Die meisten Probleme, die mit der Verwendung von JFET’s verbunden sind, können jedoch durch den Einsatz von Enhancement-Mode MOSFET-Bausteinen erheblich reduziert werden.

MOSFET’s oder Metalloxid-Halbleiter-FET’s haben viel höhere Eingangsimpedanzen und niedrige Kanalwiderstände im Vergleich zum äquivalenten JFET. Auch die Vorspannungsanordnungen für MOSFETs sind unterschiedlich und wenn wir sie nicht positiv für N-Kanal-Bausteine und negativ für P-Kanal-Bausteine vorspannen, fließt kein Drainstrom, dann haben wir in Wirklichkeit einen fehlersicheren Transistor.
JFET-Verstärker Strom- und Leistungsverstärkung

Wir haben bereits gesagt, dass der Eingangsstrom, Ig eines Common Source JFET-Verstärkers wegen der extrem hohen Gate-Impedanz, Rg, sehr klein ist. Ein Common Source JFET-Verstärker mit hat daher ein sehr gutes Verhältnis zwischen seinen Eingangs- und Ausgangsimpedanzen und für jeden Ausgangsstrom hat der JFET-Verstärker eine sehr hohe Stromverstärkung Ai.

Deswegen sind Common Source JFET-Verstärker als Impedanzanpassungsschaltungen oder als Spannungsverstärker sehr wertvoll. Ebenso, weil Leistung = Spannung x Strom, (P = V*I) die Ausgangsspannungen sind in der Regel mehrere Millivolt oder sogar Volt, die Verstärkungsleistung, Ap ist auch sehr hoch.

Im nächsten Tutorial untersuchen wir, wie die falsche Vorspannung des Transistorverstärkers zu Verzerrungen des Ausgangssignals in Form von Amplitudenverzerrungen durch Clipping sowie den Effekt von Phasen- und Frequenzverzerrungen.