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Sourcefolger / Drainschaltung
 
   
 
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Inhalt:
 Allgemeines
 Wirkungsweise (Grobübersicht)
 Dimensionierung eines Sourcefolgers (Drainschaltung)
 Sourcefolger / Drainschaltung mit p-Kanal-Feldeffekttransistore
 Schaltungsoptimierung
 Einsatz und Verwendung
 Weitere Themen:
 Sourceschaltung


Allgemeines

Der Sourcefolger (Drain-Schaltung) besitzt einen relativ niedrigen Ausgangswiderstand aber keine Spannungsverstärkung. Man verwendet ihn vorzugsweise als Impedanzwandler, wenn der hohe Ausgangswiderstand der  Source-Schaltung stört und man einen niedrigen Ausgangswiderstand in Feldeffekttechnologie realisieren möchte. Die Schaltung ist in Bild 1 schematisch anhand eines n-Kanal-Feldeffekttransistors dargestellt.

Sourcefolger
Bild 1: Schaltung eines Sourcefolgers

Diese Schaltung sieht ziemlich einfach aus. Trotzdem kann man die Werte der Widerstände und Kondensatoren nicht beliebig wählen, um eine funktionierende Schaltung zu erhalten. Nachfolgend können Sie erfahren, wie die Schaltung funktioniert. Danach wird die Dimensionierung der Schaltung erklärt - also salopp gesagt, wie man die Werte der Widerstände und Kondensatoren ermittelt.

Der Eingangswiderstand ist sehr hoch (bei entsprechender Dimansionierung von R1 und R2), der Ausgangswiderstand hingegen relativ niedrig. Er ist aber bei den üblichen Vorstufentransistoren bei weitem nicht so niedrig, daß man damit z.B. einen handelsüblichen Lautsprecher mit 4 oder 8 Ω Impedanz betreiben könnte. Verwendet wird der Sourcefolger beispielsweise als Ausgangsstufe für Vorverstärker aber auch als Treiberstufe in Endverstärkern mit Leistungstransistoren, die eine niederohmige Ansteuerung benötigen.


Wirkungsweise des Sourcefolgers (Drainschaltung)

Der Eingangskondensator C1 dient dazu, das Gate vom Eingangssignal gleichstrommäßig abzukoppeln. Kondensatoren lassen ja bekanntlich keinen Gleichstrom sondern nur Wechselstrom sprich in diesem Fall das Audiosignal passieren. Die Widerstände R1 und R2 sorgen dafür, daß der Gateanschluß bei fehlendem Eingangssignal auf einem definierten Wert, d.h. auf der Hälfte der Betriebsspannung liegt. Der Kollektor des Transistors ist im Gegensatz zur  Sourceschaltung nicht über einen Widerstand sondern direkt mit der Betriebsspannung verbunden. Der Strom fließt in den Transistor hinein und kommt an der Source wieder vollständig heraus. Nun fließt er über Widerstand R3 nach Masse und damit zurück zur Spannungsquelle.

Dadurch, daß Strom durch R3 fließt, fällt an ihm gemäß des ohmschen Gesetzes eine Spannung ab, die man nach der bekannten Formel U = R . I berechnen kann. Die Schaltung funktioniert genauso wie die eines mit einem Bipolartransistor aufgebauten  Emitterfolgers, nur daß die Gate-Sourcespannung immer negativ ist, während die Basis-Emitterspannung immer positiv ist. Im Ruhezustand liegt am Gate die halbe Betriebsspannung an. Es bildet sich dahingehend ein Gleichgewicht, daß der durch R3 fließende Sourcestrom einen Spannungsabfall zur Folge hat, der geringfügig größer ist als die Spannung am Gate. Die Differenz, also die effektive Gate-Source-Spannung ist geringfügig negativ und bewirkt, daß besagter Sourcestrom fließt. Nimmt nun z.B. aufgrund einer anliegenden Eingangsspannung die Spannung am Gate zu, steigt natürlich auch die Gate-Source-Spannung, was automatisch einen höheren Sourcestrom und damit einen höheren Spannungsabfall an R3 zur Folge hat. Nimmt umgekehrt die Gatespannung ab, sinkt dadurch auch die Gate-Source-Spannung, wodurch sofort der Sourcestrom sinkt, was einen geringeren Spannungsabfall an R3 zur Folge hat. Die Ausgangsspannung folgt somit mit einem kleinen positiven Spannungsversatz (die Spannung am Gate ist ja immer ein bißchen kleiner als am Source) der Eingangsspannung. Der Feldeffekttransistor ist, wie man im Fachjargon sagt, voll gegengekoppelt und stellt die Eingangsspannung mit relativ niedriger Ausgangsimpedanz und ordentlicher Linearität zur Verfügung. Die Schaltung besitzt damit keine Spannungsverstärkung sondern nur eine Stromverstärkung. Die Spannung am Gateanschluß darf zwischen 0 V und Betriebsspannung betragen.

Die Linearität der Schaltung ist dank der Gegenkopplung recht ordentlich, hat allerdings durch die FET-Technologie bedingte Grenzen, denn leider ist der Spannungsoffset zwischen Ein- und Ausgang nicht konstant: Bei voll durchgesteuertem FET (d.h. maximaler Ausgangsspannung infolge maximalen Stroms) ist die Differenz zwischen Gatespannung und Sourcespannung Null. Bei nahezu gesperrtem FET (d.h. sehr kleine Ausgangsspannung infolge sehr kleinen Stroms) ist die Gate-Source-Spannung negativ und beträgt je nach Typ bis zu einigen Volt. Den jeweiligen Wert kann man der Eingangskennlinie des Feldeffekttransistors entnehmen (siehe  Sourceschaltung). Insgesamt gesehen ergibt sich dadurch eine nicht korrigierbare Nichtlinearität, die umso größer ist, je größer der Betrag der Abschnürspannung des FETs im Verhältnis zur Betriebsspannung ist. Als Abschnürspannung bezeichnet man übrigens diejenige Gate-Source-Spannung, bei der der Drainstrom gerade Null wird (abgesehen von geringen aber unvermeidlichen Leckströmen). Sie ist bei üblichen FETs geringer als bei Röhren, weshalb sie sich linearer verhalten als diese. Moderne FETs besitzen sogar Abschnürspannungen von nur noch wenigen hundert Millivolt, was sich sehr günstig auf deren Linearität als Sourcefolger auswirkt.

In den meisten Fällen benutzt man einen Sourcefolger als Stromverstärker, um den Ausgangswiderstand einer Sourceschaltung herabzusetzen. In diesem Fall verbindet man das Gate des Sourcefolgers direkt (d.h. ohne R1/R2) mit dem Drain der vorausgehenden Verstärkerstufe. Die Vorspannung, die bei der eigenständigen Schaltung mit R1 und R2 künstlich erzeugt wird, ist bei ihr nämlich schon gleich vorhanden.


Dimensionierung eines Sourcefolgers (Drainschaltung)

Nun kommen wir zur Berechnung der wenigen Bauteile. Bei der eigenständigen Schaltung laut Bild 1 werden zuerst einmal die gleichgroßen Widerstände R1 und R2 festgelegt. Da FETs einen sehr hohen Eingangswiderstand besitzen, kann man diese Widerstände sehr hochohmig dimensionieren, um einen hohen Eingangswiderstand der Schaltung zu erreichen. Ein Wert von etlichen Megaohm ist dabei kein Problem. Der Widerstand R3 berechnet sich ganz einfach, indem man die Spannung im Arbeitspunkt (d.h. halbe Betriebsspannung) durch den gewünschten Strom im Arbeitspunkt dividiert. Hierbei muß man allerdings berücksichtigen, daß bei den üblichen Vorstufen-FETs der maximale Drainstrom Idss auf einige wenige mA begrenzt ist. Der Strom im Arbeitspunkt darf nur maximal die Hälfte davon betragen, ohne daß der mögliche Hub des Ausgangssignal reduziert wird.

Wenn R1 und R2 festgelegt wurden, kann man den Wert von C1 bestimmen. Dieser bildet mit dem Eingangswiderstand der Schaltung (also in erster Näherung die Hälfte von R1 bzw. R2) einen Hochpaß. Dies bedeutet, daß Frequenzen unterhalb seiner Grenzfrequenz zunehmend abschwächt sprich leiser wiedergegeben werden. Für die Berechnung des Kondensators gilt bei vorgegebener Grenzfrequenz folgende generelle Formel:

Der Wert des Kondensators C2 hängt hingegen vom Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe oder des Belastungswiderstands ab. Die Berechnung erfolgt jedoch nach der gleichen Formel.

Beispiel: Bei einem Eingangswiderstand von 500 kΩ (d.h. R1 und R2 besitzen je einen Wert von 1 MΩ) und einer gewünschten Grenzfrequenz von 20 Hz ergibt sich ein Wert von 1,6.10-8 F sprich 16 nF. Der nächstgrößere, gut erhältliche Wert ist 18 nF. Wenn der gewünschte Wert mitten zwischen zwei Normwerten liegt, sollte man übrigens zum größeren Wert greifen, was eine etwas geringere Grenzfrequenz ergibt. Statt 18 nF könnten Sie auch den besser erhältlichen Wert 22 nF verwenden, denn der Wert von C1 ist ziemlich unkritisch. Großzügiges Aufrunden ist erlaubt. Im Beispiel würde sich die untere Grenzfrequenz bei 22 nF auf ca. 14 Hz verringern.


Sourcefolger / Drainschaltung mit p-Kanal-Feldeffekttransistor

Transistoren können im Gegensatz zu Röhren bekanntlich in komplementärer Technik hergestellt werden (siehe  Feldeffekttransistoren). Bei p-Kanal-Transistoren sind sämtliche Polaritäten gegenüber n-Kanal-Typen umgedreht. Ein Sourcefolger mit p-Kanal-Transistoren (siehe Bild 2) wird dementsprechend mit einer negativen Versorgungsspannung betrieben.

Sourceschaltung mit p-Kanal-Feldeffekttransistor
Bild 2: Sourcefolger mit p-Kanal-Feldeffekttransistor

Manchmal wird die Schaltung auch vertikal invertiert gezeichnet, d.h. Masse oben und die negative Betriebsspannung unten. Die Schaltung funktioniert abgesehen von den umgedrehten Polaritäten genauso wie mit einem n-Kanal-FET und wird auch genauso berechnet. Auf das Signal selbst hat es keinerlei Einfluß, ob ein n- oder p-Kanal-FET verwendet wird.


Schaltungsoptimierung

Stromquelle als Last

Die Linearität eines Sourcefolgers wird wie oben beschrieben dadurch beeinträchtigt, daß der Offset zwischen Ein- und Ausgangsspannung aussteuerungsabhängig ist. Die dadurch hervorgerufenen Verzerrungen kann man zwar dadurch verringern, daß man Typen mit möglichst geringer Abschnürspannung verwendet, aber sie sind auch dann noch nennenswert. Verbessern kann man die Linearität beträchtlich, wenn man den FET mit einem konstanten Drainstrom betreibt. In diesem Fall bleibt nämlich die Gate-Source-Spannung konstant und man erhält einen konstanten Offset zwischen Ein- und Ausgangsspannung. Man kann für die Stromquelle (physikalisch korrekt wäre der Ausdruck Stromsenke, aber in der Praxis hat sich der nicht ganz richtige Begriff Stromquelle etabliert) ebenfalls einen Feldeffekttransistor verwenden, was sich in einem einfachen Schaltungsdesign äußert, weil der Aufwand für eine FET-Stromquelle sehr gering ist. In n-Kanal-Technologie ergibt sich damit folgende Schaltung:

Sourceschaltung mit Stromquelle
Bild 3: Sourcefolger mit Stromquelle

Den eigentlichen Sourcefolger kennen Sie schon aus Bild 1. Im Drainpfad befindet sich nun nicht mehr ein ohmscher Widerstand sondern die aus dem Transistor T2 und dem Widerstand R3 gebildete Stromquelle (oder korrekt gesagt Stromsenke, aber lassen wir das...). Die Funktionsweise dieser Stromquelle ist sehr simpel: Am Widerstand R3 stellt sich aufgrund des durch ihn fließenden Stroms ein Spannungsabfall ein. Dieser Spannungsabfall ist identisch mit der Gate-Source-Spannung, wodurch ein Regelkreis gebildet wird. Um die Funktion zu verstehen, sei gedanklich und in Extremzeitlupe betrachtet, was im Einschaltmoment passiert: Erst einmal fließt kein Strom, sodaß der Spannungsabfall an R3 Null ist, d.h. Gate- und Sourceanschluß liegen auf Masse. Bei einer Gate-Source-Spannung von 0 V möchte der FET aber seinen Maximalstrom Idss fließen lassen. Deshalb steigt der Sourcestrom an. Dieser ruft aber sofort einen Spannungsabfall an R3 hervor, wodurch die Gate-Source-Spannung negativ wird. Aufgrund seiner Kennlinie möchte der FET nun einen kleineren Strom als Idss fließen lassen. Solange der fließende Sourcestrom aber noch kleiner als der Strom ist, der sich aufgrund der Kennlinie ergibt, steigt er trotzdem weiter an. In extrem kurzer Zeit wird so ein Gleichgewichtszustand erreicht, in dem der Spannungsabfall an R3 und damit die Gate-Source-Spannung exakt so groß ist, daß der FET genau den Strom fließen läßt, der diesen Spannungsabfall zur Folge hat - der stabile Endwert ist erreicht und wird in einem durch die Gegenkopplung gebildeten Regelkreis aufrecht erhalten.

Da der Gatestrom vernachlässigbar gering ist, ist der Drainstrom genauso groß wie der Sourcestrom und wird damit stabil auf einem bestimmten Wert gehalten, der über geeignete Wahl von R3 wählbar ist. Dies funktioniert natürlich nur, solange am Drainanschluß überhaupt genügend Strom hineinfließen kann, d.h. solange der Strom nicht extern künstlich begrenzt wird. Deshalb muß der maximal mögliche Drainstrom des Transistors T1 größer sein als der Strom der Stromquelle. Ansonsten würde schon T1 den Strom begrenzen, und die Schaltung würde nicht funktionieren.

Gegentaktschaltung

Der Nachteil des Sourcefolgers mit Widerstand wie auch mit Stromquelle als Last ist, daß deren Ausgangsimpedanz unsymmetrisch und zudem für bestimmte Anwendungen immer noch zu hoch ist. Nach Masse wird sie vom Drainwiderstand bestimmt, zur Betriebsspannung hin jedoch (variablen) Innenwiderstand des FETs. Für rein ohmsche Lasten spielt dies zwar keine Rolle, aber dies sieht anders aus, wenn der Ausgang mit Lasten beaufschlagt wird, die einen kapazitiven Anteil besitzen: Zusammen mit dem Ausgangswiderstand des Sourcefolgers bildet die Kapazität der Last einen RC-Tiefpaß. Die Zeitkonstante beim Laden des Kondensators, die maßgeblich durch den Innenwiderstand des FETs bestimmt wird, unterscheidet sich daher von der Zeitkonstante beim Entladen, die durch den Sourcewiderstand R3 bestimmt wird.

Vermeiden oder zumindest stark reduzieren kann man diese Unsymmetrie, wenn man einen Sourcefolger mit n-Kanal-FET mit einem Sourcefolger mit p-Kanal-FET kombiniert, wodurch sich sowohl zu Masse als auch zur Betriebsspannung hin nahezu gleiche Ausgangsimpedanzen ergeben. Hierbei ersetzt man ganz einfach den Sourcewiderstand durch die jeweils komplementäre Schaltung und verbindet beide Gate-Anschlüsse. Es ergibt sich die in Bild 4 dargestellte Gegentaktschaltung. Die Spannungsversorgung wurde hier symmetrisch gewählt, wodurch Ein- und Ausgangskondensatoren wie auch Widerstände zur Vorspannungserzeugung entfallen können. Falls erforderlich, kann man diese Schaltung selbstverständlich aber auch unsymmetrisch versorgen.

Gegentakt-Sourceschaltung
Bild 4: Gegentakt-Sourcefolger

Die Gatespannung ist hierbei bei beiden FETs Null, wodurch jeweils der Maximalstrom Idss fließt. Leichte Unterschiede in den Kennlinien der beiden FETs wirken sich dahingehend aus, daß ein kleiner Offset zwischen Ein- und Ausgangsspannung entsteht; bei guter Paarung ist er annähernd Null. Dieser Offset ist identisch mit der Gate-Source-Spannung der beiden Transistoren. Während der n-Kanal-FET bei einer geringfügig positiven Gate-Soure-Spannung den Drainstrom erhöht, vermindert der p-Kanal-FET seinen Drainstrom. Beide Transistoren treffen sich also genau in der Mitte, so daß sich ein gemeinsamer Drain- bzw. Sourcestrom ergibt, der absolut identisch ist. Der Offset gleicht also automatisch Bauteilunterschiede aus. Wenn man beide Transistoren auf nahezu identischen Maximalstrom Idss hin selektiert, kann man einen Offset von nur wenigen mV erreichen.

Entnimmt man der Schaltung Strom durch Anschluß einer Last, verschiebt sich der Offset und damit die gemeinsame Gate-Source-Spannung geringfügig. Dadurch liefert einer der Transistoren mehr Strom, während der Strom durch den anderen gleichzeitig reduziert wird, weil sich seine Gate-Source-Spannung in Absteuerrichtung verändert. Möglicherweise sind Sie jetzt ziemlich erstaunt, daß ausgehend von 0 V Gate-Source-Spannung ein Transistor noch weiter aufgesteuert werden kann. Dies würde ja bedeuten, daß einerseits der Drainstrom größer als der spezifizierte Idss und andererseits die Gate-Source-Spannung größer als 0 V (n-Kanal-Typ) bzw. kleiner als 0 V (p-Kanal-Typ) wird. Dies ist in der Tat so, auch wenn oft zu lesen ist, daß man die 0-V-Schwelle nicht überschreiten (bei p-Kanal-Typ unterschreiten) darf, weil sonst die Gate-Source-Diode leitend wird und der FET zerstört wird. Wie immer liegt der Teufel (oder hier eher der rettende Engel) jedoch im Detail: Besagte Diode wird wie jede andere Halbleiterdiode keineswegs schlagartig ab 0 V leitend. Vielmehr folgt der Gatestrom einer exponentiellen Kennlinie. Dementsprechend darf man bei einem n-Kanal-Typ durchaus eine kleine positive Spannung als Gate-Sourcespannung anlegen, ohne daß der Gatestrom beängstigende Werte annimmt. In diesem Bereich steigt auch der Drainstrom weiter an, sodaß man tatsächlich Werte erreicht, die größer als Idss sind. Beim p-Kanal-Typ sind die Spannungen und Ströme natürlich invertiert.

Die maximal zulässige Spannung, bei der der FET noch nicht beschädigt wird, liegt als grober-Daumen-Wert bei ca. 0,6 V. Genaugesagt ist er in Datenblättern über den maximal zulässigen Gatestrom definiert, wobei die sich dabei einstellende Gate-Source-Spannung typ- und temperaturabhängig ist. Diesen Bereich kann man aber keineswegs voll ausnutzen, da in diesem Betriebspunkt der Eingangswiderstand der Schaltung schon extrem stark vermindert ist. Der Gatestrom steigt von 0 V an exponentiell an, sodaß es eine Frage des notwendigen Eingangswiderstands ist, wie weit man gehen kann. Ohnehin möchte man in aller Regel den Offset möglichst gering halten, weshalb man üblicherweise sogenannte komplementäre Transistortypen mit übereinstimmenden Daten auswählt (das sind Transistoren, deren Kennlinien bis auf die Polarität nahezu identisch sind) und diese betragsmäßig auf gleichen Idss hin selektiert, damit die Offsetspannung ohne Stromentnahme am Ausgang möglichst Null wird. Bei geschickter Bauteilewahl, guter Paarung und zudem guter thermischer Kopplung zwischen den beiden Transistoren erhält man so einen Spannungsfolger mit bemerkenswert guten Eigenschaften und sehr geringem Offset zwischen Ein- und Ausgang.

Für den eher seltenen Fall, daß man den Ruhestrom der Schaltung vermindern möchte, kann man bei beiden Transistoren zwischen Source und Ausgang je einen Widerstand einfügen, der jeweils für einen Spannungsabfall und damit an beiden Gates für eine Vorspannung in Absteuerrichtung sorgt. Hierbei ist zu beachten, daß die Toleranz der Widerstände starken Einfluß auf den Offset zwischen Ein- und Ausgang haben, weil sie für die Vorspannung verantwortlich sind. Man kann jedoch auch den Stier bei den Hörnern packen und z.B. einen der Widerstände einstellbar machen (Reihenschaltung aus Festwiderstand und Potentiometer). Dann kann man die Offsetspannung nämlich auf Null abgleichen und damit sogar Transistortoleranzen ausbügeln. Man darf allerdings nicht erwarten, daß dieser Abgleich 100% temperaturstabil ist, weil die beiden Transistoren in leicht anderen Betriebspunkten betrieben werden.


Einsatz und Verwendung

Der einfache Sourcefolger (Bild 1) wird selten als eigenständige Schaltung verwendet, da er keine Spanungsverstärkung besitzt. Die Sourceschaltung hat nämlich im Vergleich dazu einen ähnlich hohen Eingangswiderstand, bietet aber zusätzlich eine Spannungsverstärkung, weshalb man ihr meistens den Vorzug gibt. Der Sourcefolger wird vorzugsweise als Impedanzwandler eingesetzt, um beispielsweise den relativ hohen Ausgangswiderstand einer Sourceschaltung zu erniedrigen (daher auch der Name). Etwas bessere technische Werte in Form noch geringerer Signalverzerrungen, eines noch geringeren Ausgangswiderstands und höherer möglicher Ströme verspricht ein mit einem Bipolartransistor ausgestatteter  Emitterfolger. Allerdings ist dessen Eingangswiderstand ein gutes Stück geringer. Ganz nebenbei kostet ein Vorstufen-Bipolartransistor üblicherweise nur einen Bruchteil eines Vorstufen-FETs. Sourcefolger verwendet man daher vorzugsweise dann, wenn ein sehr hoher Eingangswiderstand aber keine Spannungsverstärkung benötigt wird oder der Impedanzwandler unbedingt in Feldeffekttechnologie ausgeführt werden soll.

Der komplementäre Sourcefolger ist hingegen bzgl. seines geringen Bauteileaufwands unübertroffen. Zusätzlich glänzt er durch einen geringen Ausgangswiderstand, geringe Verzerrungen und einen bei guter Bauteilepaarung sehr geringen Offset. Allerdings sind insbesondere hochwertige p-Kanal-FETs relativ teuer, weshalb dem Einsatz des komplementären Sourcefolgers Grenzen gesetzt sind. In hochwertigen Verstärkern verwendet man ihn hingegen sehr gerne.
  

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