Transistorgrundschaltungen, Sourceschaltung: Aufbau und Funktionsweise der Source-Schaltung incl. Berechnungsbeispiel

Die Sourceschaltung ist die bei Feldeffekttransistoren (FET) wohl verbreiteste Grundschaltung. Hierbei wird das zu verstärkende Signal an das Gate angelegt, und das Ausgangssignal am Drain abgegriffen. Die Schaltung ist in Bild 1 anhand eines n-Kanal-Feldeffekttransistors schematisch dargestellt.

Bild 1: Source-Schaltung mit n-Kanal-FET

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 zuerst einmal erfahren, wie die Schaltung grob funktioniert. Danach folgt eine weitergehende Erklärung der Wirkungsweise anhand der Transistorkennlinien und zuletzt wird die Dimensionierung der Schaltung erklärt - also salopp gesagt, wie man die Werte der Widerstände und Kondensatoren ermittelt.

Die Sourceschaltung zeichnet sich durch einen sehr hohen Eingangswiderstand aus, der im wesentlichen nur von der Größe des Widerstands R1 gebildet wird. Der Ausgangswiderstand ist (dimensionierungsabhängig) mittel bis hoch, so daß der nachfolgende Schaltungsteil ebenfalls einigermaßen hochohmig ausgeführt werden muß. Ist ein niederohmiger Ausgang erforderlich, kann man dies iun gleicher Technologie durch eine nachfolgende

Drainschaltung, auch als Source-Folger bekannt, erreichen. Bessere Werte verspricht hier jedoch eine

Kollektorschaltung, den man im Jargon Emitter-Folger nennt.

Wirkungsweise (Grobübersicht)

Der Eingangskondensator C1 dient dazu, die Basis vom Eingangssignal gleichstrommäßig abzukoppeln. Kondensatoren lassen ja bekanntlich keinen Gleichstrom sondern nur Wechselstrom sprich in diesem Fall das Audiosignal passieren. Der Widerstand R1 sorgt dafür, daß das Gate bei fehlendem Eingangssignal auf einem definierten Wert sprich Masse liegt. Der Drain des FETs ist über den Widerstand R2 mit der Betriebsspannung verbunden. Der Strom fließt durch diesen Widerstand in den FET hinein und kommt am Source wieder vollständig heraus. Dieser Strom fließt über Widerstand R3 nach Masse und damit zurück zur Spannungsquelle.

Wenn man sich die in Bild 2 dargestellte Kennlinie anschaut, sieht man, daß eine im Vergleich zum Source negative Spannung mit einer bestimmten Höhe am Gate anliegen muß, damit ein Drain- bzw. Sourcestrom fließen kann.

Bild 2: Kennlinie eines n-Kanal-FETs

Im Gegensatz zur

Emitterschaltung darf die Gatespannung keine positiven Werte annehmen. Aber woher eine negative Spannung nehmen? Dies ist zum Glück ganz einfach, denn man braucht keine absolut gesehen negative Spannung, sondern man muß lediglich dafür sorgen, daß am Gateanschluß eine etwas kleinere Spannung anliegt als an der Source. Andersherum gesagt muß an der Source eine geringe positive Spannung anliegen, wenn das Gate mit Masse verbunden ist. Diese positive Spannung wird durch den Widerstand R3 hervorgerufen, da er ja vom Drain- bzw. Sourcestrom durchflossen wird.

Dieser Widerstand sorgt gleichzeitig für eine Arbeitspunktstabilisierung: Steigt aus irgendeinem Grund nämlich der Sourcestrom an, nimmt auch der Spannungsabfall an ihm zu. Dadurch nimmt die Gate-Source-Spannung negativere Werte an, wodurch der Sourcestrom reduziert wird. Diesen Effekt nennt man Gegenkopplung, weil das Ausgangssignal dank R3 gegen sich selbst arbeitet und sich dadurch selbst abschwächt. Dadurch wird die Arbeitspunkteinstellung stabilisiert, denn wenn der Sourcestrom z.B. wegen Temperatureffekten steigen will, vermindert die Gegenkopplung den Anstieg auf ein Minimum. Zusätzlich reduziert sie auch die Spannungsverstärkung der Schaltung. Auf der anderen Seite spielt der Verlauf der Kennlinie immer weniger eine Rolle, je stärker die Gegenkopplung ist. Im Fachjargon sagt man, daß die Gegenkopplung den Kennlinienverlauf glattbügelt. Der Grund liegt darin, daß bei konstanter Signalspannung am Eingang immer weniger Spannungshub für das Gate übrigbleibt.

Der Drainstrom fließt durch den Widerstand R2 und ruft an ihm einen Spannungsabfall hervor. Bei einem positiven Eingangssignal erhöht sich der Drain- bzw. Sourcestrom, wodurch sich auch der Spannungsabfall am Widerstand R2 erhöht, so daß bei konstanter Betriebsspannung die Ausgangsspannung sinkt. Denn die Betriebsspannung teilt sich auf in den Spannungsabfall an R2 und die Ausgangsspannung. Sinkt das Eingangssignal, sinkt auch der Drainstrom und damit der Spannungsabfall an R2, so daß die Ausgangsspannung steigt. Die Sourceschaltung verstärkt also nicht nur das Eingangssignal sondern invertiert es zusätzlich, d.h. dreht die Phase um konstant 180°, wie man im Fachjargon sagt. Man nennt solche Verstärkerstufen deshalb invertierende Verstärker. Klanglich hat die Signalinvertierung übrigens keinerlei Auswirkungen. Die Höhe der Spannungsverstärkung hängt von den Transistordaten und vor allem von der Dimensionierung ab. Der Ausgangskondensator C2 sorgt als letztes Bauelement dafür, daß am Ausgang keine unerwünschten Gleichspannungsanteile auftreten sondern ein Audiosignal, dessen Spannung symmetrisch um den Nullpunkt schwankt.

Bei älteren Feldeffekttransistoren ist die sogenannte Steilheit recht gering und damit auch die erzielbare maximale Verstärkung. Der Widerstand R2 sorgt darüberhinaus für eine Gegenkopplung, die die Verstärkung noch weiter reduziert. Wenn man nicht mehrere Verstärkerstufen hintereinanderschalten will, um die gewünschte Verstärkung zu erzielen, kann man die Gegenkopplung wie bei Röhren üblich für Audiofrequenzen unwirksam machen, indem man einen Kondensator zu R3 parallelschaltet.

Detaillierte Wirkungsweise

Für die nachfolgende detaillierte Betrachtung wollen wir davon ausgehen, daß der Aussteuerbereich maximal sein soll. Die Ausgangsspannung soll also so groß wie möglich werden können, ohne allzu sehr zu verzerren. Es sei allerdings angemerkt, daß man hiervon bei der Verstärkung kleiner Eingangssignale oft abweicht. Denn wenn man ein Mikrofonsignal mit z.B. 10 mV um den Faktor 50 verstärkt, kommen am Ausgang nur 500 mV heraus. Ein maximaler Ausgangsspannungshub, der bei Transistorschaltungen nahezu so groß wie die Versorgungsspannung sein kann, wird in diesem Fall überhaupt nicht benötigt.

Die Kennlinie, wie sie in der obigen Grobbetrachtung zur Erläuterung der grundsätzlichen Gegebenheiten herangezogen wurde, hat einen großen Nachteil: Sie gilt nur bei einer konstanten Drain-Source-Spannung. Bei einem Verstärker ist sie aber gerade nicht konstant, weshalb man das Ausgangskennfeld berücksichtigen muß, das der Transistorhersteller üblicherweise im zugehörigen Datenblatt angibt (siehe Bild 3). Dieses sieht für Unbedarfte ziemlich wüst und unübersichtlich aus, ist es aber eigentlich nicht, wenn man weiß, was man daraus ablesen kann.

Bild 3: Ausgangskennlinien eines Feldeffekttransistors

Was man sieht, ist die Abhängigkeit des Drainstroms (identisch mit dem Sourcestrom) von der Drain-Source-Spannung bei verschiedenen Gate-Source-Spannungen. Eine einzelne Kennlinie ist also immer nur für eine bestimmten Gate-Source-Spannung gültig, deren Wert man an der jeweiligen Kennlinie vermerkt (hier jeweils rechts über jeweiligen Kennlinie). Weil die Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung wichtig ist, werden die Kennlinien für einige exemplarisch ausgesuchte Gate-Source-Spannungen in das gleiche Diagramm eingetragen, so daß sich eine Kennlinienschar ergibt. Selbstverständlich gibt es nicht nur Kennlinien, die den festen Spannungen im Diagramm entsprechen sondern unendlich viele dazwischen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in Diagrammen der Datenblätter aber nur einige wenige eingezeichnet.

Den FET kann man sich ganz grob als Widerstand vorstellen, dessen Wert über die Gate-Source-Spannung einstellbar ist. Zusammen mit dem Drainwiderstand R2 ergibt sich daher ein Spannungsteiler, an dessen Eingang die Versorgungsspannung angeschlossen ist. Am Beispiel dreier Betriebsfälle ist dies in Bild 4 schematisch dargestellt.

Bild 4: Extreme Betriebswerte und Arbeitspunkt

Anmerkung: Genaugenommen verhält sich ein FET nur im Anlaufbereich, der für Verstärker keine Rolle spielt, wie ein Widerstand (d.h. mit steigender Spannung steigt der Strom linear an), oberhalb einer bestimmten Mindestspannung aber wie eine Stromsenke (d.h. der Drain-/Sourcestrom bleibt unabhängig von der Gate-Source-Spannung konstant). Für das grundlegende Verständnis des hier besprochenen Sachverhalts spielt dies jedoch keine Rolle, so daß man ganz grob betrachtet den FET als veränderlichen Widerstand betrachten darf.

Wenn wie links in Bild 4 der Transistor vollständig sperrt, ist der Drainstrom Null, und die Ausgangsspannung ist ohne äußere Belastung identisch mit der Betriebsspannung, weil bei fehlendem Strom kein Spannungsabfall am Drainwiderstand R2 entsteht. Dieser Betriebspunkt ist als P1 in das in Bild 5 erneut dargestellte Ausgangskennfeld eingezeichnet.

In Bild 4 ist rechts ein weiterer extremer Betriebspunkt dargestellt: Wenn der FET bei voller Aussteuerung einen satten Kurzschluß mit 0 Ω bildet (in der Praxis besitzt er allerdings einen bestimmten Restwiderstand), begrenzt der Drainwiderstand den Drainstrom auf einen bestimmten Maximalwert, der sich mit dem ohmschen Gesetz leicht berechnen läßt, wenn man der Einfachheit halber annimmt, daß R3 nicht vorhanden ist: I_D = U_B/R₂

In diesem Fall beträgt die Drainspannung 0 V(theoretisch - mehr dazu weiter unten). Es ergibt sich mit diesen beiden Werten für Drainstrom und -spannung der Betriebspunkt P2, der in dem in Bild 5 erneut dargestellten Ausgangskennlinienfeld eingezeichnet ist.

Zuletzt seien als dritter Punkt die Verhältnisse im Arbeitspunkt (d.h. ohne Eingangssignal, also sozusagen die Ruhestellung) dargestellt. Wenn eine maximale Aussteuerbarkeit das Ziel ist, wird man ihn so wählen, daß man die Drainspannung sowohl nach oben als auch nach unten hin gleichweit ändern kann, ohne daß starke Verzerrungen entstehen. Dies ist in erster Näherung dann der Fall, wenn der Arbeitspunkt bei halber Betriebsspannung liegt. Dies trifft gemäß Spannungsteilerregel dann zu, wenn der Widerstand des FETs in diesem Betriebspunkt genauso groß ist wie der Drainwiderstand (Bild 4 Mitte). Der Drainstrom ist dann genau halb so groß wie im Betriebspunkt P2, weil der Widerstand zwischen Betriebsspannung und Masse genau doppelt so hoch ist (Drainwiderstand plus gleich großer Transistorwiderstand). Mit diesen Werten ergibt sich der Betriebspunkt A, den man als Arbeitspunkt bezeichnet.

Bild 5: Feldeffekttransistorkennlinien mit Arbeitsgerade

Verbindet man die Punkte P1 und P2 durch eine Gerade miteinander, erhält man die sogenannte Arbeitsgerade. Sie zeigt, welche Strom-/Spannungskombinationen bei dem vorgegebenen Drainwiderstand und der vorgegebenen Versorgungsspannung möglich sind. Erwartungsgemäß liegt auch der Arbeitspunkt A genau auf dieser Geraden. Im Arbeitspunkt befindet sich der FET, wenn keine Eingangsspannung anliegt; es ist also die "Ruhestellung". Um ihn zu erreichen, muß man eine Gate-Drainspannung einstellen, die ein klein wenig höher als -0,5 V liegt (die Kennlinie für -0,5 V verläuft knapp unterhalb). Dies erreicht man durch entsprechende Dimensionierung des Widerstands R3: Einerseits liegt am Gateanschluß dank R1 Massepegel an, andererseits fällt an R3 durch den Sourcestrom eine Spannung ab. Die Gate-Source-Spannung ist die Differenz beider Werte und daher negativ.

Legt man nun eine Eingangsspannung an, so ändert sich die Gatespannung entsprechend. Bei positiver Eingangsspannung steigt die Gatespannung und sinkt bei negativer Eingangsspannung. Der Arbeitspunkt wird daher zum aktuellen Betriebspunkt hin verlassen. Aufgrund des Sourcewiderstands R3, an dem durch den zunehmenden Sourcestrom eine höhere Spannung abfällt, wird allerdings nicht der volle Betrag der Eingangsspannung als Gate-Source-Spannung wirksam.

Nehmen wir einmal an, die Gate-Source-Spannung erhöht sich von -0,5 V auf -0,25 V bzw. sinkt auf -1,0 V ab. Den jeweiligen Betriebspunkt findet man auf der Arbeitsgeraden, wenn man den Punkt sucht, an dem die Kennlinie für den Gatespannung -0,25 V bzw. -1,0 V die Arbeitsgerade schneidet. Im jeweiligen Betriebspunkt kann man den Drainstrom bestimmen, indem man ihn an der linken Skala abliest. Dieser Strom fließt natürlich nicht nur durch den FET sondern auch durch den Drainwiderstand R3 und ruft an ihm einen Spannungsabfall gemäß dem ohmschen Gesetz hervor. Die Drainspannung U_D und damit die Ausgangsspannung läßt sich berechnen, indem man von der Versorgungsspannung den Spannungsabfall am Drainwiderstand abzieht. Man erhält folgende Formel:
U_D = U_B - R₂^. I_D

Wenn Sie sich die Diagramme genau angeschaut haben, wird Ihnen wahrscheinlich nicht entgangen sein, daß auch bei einer Gate-Source-Spannung von 0 V die Drainspannung keineswegs wie oben grob angenommen 0 V erreicht, sondern noch eine kleine "Restspannung" vorhanden ist. Man erreicht daher den Betriebspunkt P2 in der Praxis überhaupt nicht, sondern wird durch die Transistorkennlinien auf P2' begrenzt. Bei älteren FETs ist diese "Restspannung" im Gegensatz zu Sperrschichttransistoren durchaus nennenswert und beträgt bei Vorstufentransistoren einige hundert Millivolt bis eine Volt. Für einen maximalen Ausgangsspannungshub müßte man diese Spannung theoretisch berücksichtigen, aber in der Praxis spielt sie nur dann eine Rolle, wenn man die Schaltung für extrem niedrige Betriebsspannungen auslegt. Zusätzlich bilden die Widerstände R2 und R3 einen Spannungsteiler, der bewirkt, daß selbst dann, wenn der FET einen Kurzschluß darstellen würde, die Ausgangsspannung keinen Massepegel annehmen kann sondern noch einige Volt anstehen. Für einen maximalen Ausgangsspannungshub legt man daher den Arbeitspunkt in die Mitte zwischen dieser minimalen Ausgangsspannung und der Betriebsspannung.

Dimensionierung der Sourceschaltung

Nun kommen wir zur Berechnung der wenigen Bauteile. Am einfachsten zu dimensionieren ist der Widerstand R1, der den Eingangswiderstand der Schaltung bestimmt. Seinen Wert kann man je nach Erfordernis in einem extrem weiten Bereich bis hin zu etlichen MΩ dimensionieren. Nun kommt R3 an die Reihe, den man so dimensionieren muß, daß sich der gewünschte Drain- bzw. Sourcestrom im Arbeitspunkt einstellt. Hierzu ermittelt man anhand der I_D-U_GS-Kennlinie (siehe Bild 2), welche Gate-Source-Spannung dazu erforderlich ist. Die Berechnung ist dann sehr einfach:

Das Problem ist nur, daß die Exemplarstreuung bei Feldeffekttransistoren ziemlich stark ist. Als Ausweg bleibt, entweder die FETs auszumessen oder aber den Widerstand R3 einstellbar zu machen, also den Widerstand noch um ein Trimmpotentiometer zu ergänzen.

Den Sourcewiderstand R2 wählt man nun so, daß der Spannungsabfall im Arbeitspunkt ungefähr die Hälfte der Betriebsspannung (oder ein bißchen weniger) beträgt. Die Berechnung ist also sehr einfach:

Für den Widerstand R3 ergibt sich mit den obigen Daten (-0,5 V und 5 mA) ein Wert von 100 Ω. Bei einer Betriebsspanung von 20 V erhält man für R2 einen Wert von 2 kΩ. Ein Wert von 1 MΩ für den Widerstand R1 dürfte für die meisten Anwendungen ausreichend groß sein.

Vielleicht haben Sie bemerkt, daß noch keine Rede von der Verstärkung war. Dies hat einen einfachen Grund: Man kann sie nicht so leicht einstellen wie beispielsweise bei der

Emitterschaltung. Die Formel für die näherungsweise Berechnung der Verstärkung lautet:

(in der Schaltung oben ist R_D = R2 und R_S = R3)

Da R2 und R3 bereits festgelegt sind, und die Steilheit S durch den verwendeten FET vorgegeben ist, könnte man meinen, die Verstärkung sei naturgegeben und nicht beeinflußbar. Die Einflußmöglichkeiten sind zwar stark eingeschränkt, aber man kann die Wechselspannungsverstärkung trotzdem erhöhen: Man braucht dazu lediglich den Drainwiderstand ganz oder teilweise durch einen ausreichend großen Kondensator zu überbrücken, wodurch die Gegenkopplung für Audiofrequenzen ganz oder teilweise außer Gefecht gesetzt wird. Eine andere Möglichkeit ist, eine höhere Betriebsspannung zu verwenden, denn dann muß man einen größeren Wert für R2 verwenden, damit der Arbeitspunkt weiterhin bei der Hälfte der Betriebsspannung liegt. Da der Wert von R2 in die Berechnung der Verstärkung eingeht, steigt dadurch die Verstärkung.

Bei älteren FETs ist das Ziel zwar oft, die Verstärkung zu erhöhen, aber bei modernen FETs mit hoher Steilheit kann man durchaus auch vor dem Problem stehen, daß die Verstärkung zu hoch ist. Man kann zwar die Versorgungsspannung vermindern, aber dies geht zu Lasten der Aussteuerungsfähigkeit. Die Methode der Wahl ist daher, in diesem Fall den Widerstand R3 so zu dimensionieren, wie es zum Erreichen der gewünschten Verstärkung notwendig ist. Der Spannungsabfall an R3 ist dann zwar zu hoch und damit die Gate-Source-Spanung deutlich zu negativ und damit der Ruhestrom viel zu klein, aber dies kann man durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gate korrigieren (siehe Bild 1 in

Meßwerte Sourceschaltung).

Nachdem alle Widerstände festgelegt sind, kann man die Kapazität des Eingangskondensators C1 berechnen. Sein Wert hängt von der gewünschten unteren Grenzfrequenz an. Denn C1 bildet mit dem Eingangswiderstand der Schaltung einen Hochpaß, dessen Grenzfrequenz sich nach folgender Formel berechnet:

Bei einem Eingangswiderstand von 1 MΩ und einer gewünschten unteren Grenzfrequenz von 20 Hz erhält man als Ergebnis 8 ^. 10^-9 F sprich 8 nF. Der nächstgrößere Wert aus der Normenreihe ist 8,2 nF. Viel besser erhältlich ist aber der Wert 10 nF, wodurch sich eine untere Grenzfrequenz von ca. 15,9 Hz ergibt.

Den Ausgangskondensator C2 kann man nur berechnen, wenn man den Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe kennt. Die Berechnungsformel ist die gleiche wie für C1, wobei man als Widerstandswert den Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe einsetzen muß.

Der Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe spielt nicht nur bei der Berechnung von C2 eine Rolle, sondern er bildet zusätzlich mit dem Ausgangswiderstand der gerade betrachteten Stufe (dieser ist in guter Näherung identisch mit R2) einen Spannungsteiler. Da die effektive Verstärkung durch diesen Spannungsteiler reduziert wird, ist man bestrebt, die Schaltungen so zu dimensionieren, daß der Eingangswiderstand viel höher ist als den Ausgangswiderstand, so daß sich eine möglichst geringe Abschwächung ergibt. Ist der Ausgangswiderstand genauso groß wie der Eingangswiderstand, reduziert sich die effektive Verstärkung auf die Hälfte. Dies muß man beim Entwurf berücksichtigen, indem man die Verstärkung der Stufe so hoch wählt, daß sich trotz dieses Spannungsteilers die gewünschte Verstärkung ergibt.

Obwohl man die Schaltung leicht berechnen kann, wird sich in der Praxis selten genau der gewünschte Arbeitspunkt einstellen. Schuld daran ist nicht, daß die Berechnung durch die Näherungsformeln zu ungenau erfolgte. Die Abweichungen sind vielmehr durch Bauteiletoleranzen bedingt. Insbesondere die Eingangskennlinie unterliegt starken exemplarabhängigen Toleranzen. Es ist daher sinnvoll, R3 durch die Reihenschaltung eines Widerstands und eines Trimmpotentiometers zu ersetzen, wenn der Arbeitspunkt relativ genau eingehalten werden muß. Wenn aber z.B. bei 20 V Versorgungsspannung der Ausgangsspannungshub nur 500 mV beträgt, ist es egal, ob der Arbeitspunkt bei 5 V oder 15 V statt der gewünschten 10 V liegt, weshalb man bei Eingangsstufen, bei denen nur kleine Spannungen auftreten, auf die Einstellbarkeit verzichten kann.

Sourceschaltung mit p-Kanal-FET

Transistoren können im Gegensatz zu Röhren bekanntlich in komplementärer Technik hergestellt werden (siehe

p-Kanal-Feldeffekttransistoren). Bei p-Kanal-Transistoren sind sämtliche Polaritäten gegenüber n-Kanal-Transistoren umgedreht. Eine Sourceschaltung mit einem p-Kanal-FET (siehe Bild 6) wird dementsprechend mit einer negativen Versorgungsspannung betrieben.

Bild 6: Source-Schaltung mit p-Kanel-FET

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 es mit einem n- oder p-Kanal-FET verstärkt wird.

Einsatz und Verwendung

Die Sourceschaltung ist eine sehr simple Schaltung mit etlichen Nachteilen. Der Eingangswiderstand kann zwar je nach Dimensionierung sehr hoch sein, aber andererseits ist auch der Ausgangswiderstand ziemlich hoch. Weiterhin läßt die erzielbare Verstärkung zu wünschen übrig, wenn man mit einer starken Gegenkopplung arbeitet, um die Signalverzerrungen gering zu halten. Diese Nachteile kann man mit

Operationsverstärkern vermeiden, die auch in FET-Technologie erhältlich sind. Sourceschaltungen als eigenständige Verstärker werden im Audiobereich allerdings immer noch gern eingesetzt, wenn es um die Verstärkung sehr geringer Signalspannungen geht. Denn moderne FETs sind ein gutes Stück rauschärmer als OpAmps, und bei niedrigen Ausgangsspannungen bleiben auch die Verzerrungen gering.

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