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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik n-Channel MOSFET als Diode in Overdrive


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von Sascha J. (bastelliese)


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Hallo zusammen,

ich habe Fragen, die die Verwendung von n-Channel Mosfets (2N7000 oder 
BS170)als Clipping-Dioden in Gitarren-Pedalen betreffen. Natürlich habe 
ich bereits viele Artikel und Foren zu diesem Thema durchgelesen, aber 
letztendlich entstehen dadurch immer weitere Unklarheiten und das 
Verstehen bleibt aus.
Die Methode Mosfets als Clipping-Dioden zu verwenden scheint irgenwie 
der Heilige Gral der Pedalbuilder zu sein und dem entsprechend gibt es 
viele Mythen und Halbwahrheiten, aber keine wirklich nachvollziehbare 
Erklärung der Zusammenhänge. Ich bin mittlerweilse sogar fast soweit zu 
glauben, dass die verbreiteten Schaltungen gar nicht funktionieren 
dürften. Daher habe ich mir gedacht, ich frage mal besser bei echten, 
neutralen Elektronikern nach.

Jetzt also die Fragen:
Gehe ich recht in der Annahme, dass die in den Datenblättern der o.g. 
Mosfets eingezeichnete Diode zw. D und S (Kathode an Drain) die so 
genannte Inversdiode oder Body-Diode ist?
Wenn man Drain und Gate miteinander verbindet entsteht zw. D/G und S die 
besagte Diode (mit erhöhter Schwellspannung und Softknee beim Clipping). 
Wie ist diese gepolt, bzw. wo befinden sich Anode und Kathode? Und wie 
ist diese Diode mit der Body-Diode verschaltet? Das ist für mich der 
Knackpunkt und ich finde hierzu keine konkreten Informationen.

Danke schon mal
Sascha

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

https://de.wikipedia.org/wiki/MOSFET#Inversdiode

Das wird Alles wohl genau das Selbe bezeichnen.

MfG

von Stefan S. (chiefeinherjar)


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Wie, du hast nichts gefunden?!

Also wenn ich bei Google MOSFET und BODYDIODE eingebe, dann finde ich 
aber genau was du wissen willst - wie rum sie liegt und wieso weshalb 
warum.

Um die Frage zu beantworten, sie liegt für gewöhnlich in Sperrrichtung 
zum gewöhnlichen Betrieb. Das heißt bei NFETs mit Anode an Source und 
mit Kathode an Drain. Bei PFETs eben genau anders herum.

von Hp M. (nachtmix)


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Sascha J. schrieb:
> Ich bin mittlerweilse sogar fast soweit zu
> glauben, dass die verbreiteten Schaltungen gar nicht funktionieren
> dürften.

Welche wären das denn?

Ob und wie gut eine bestimmte Verzerrerschaltung funktioniert, hängt ja 
immer auch von der elektrischen Umgebung, also den Pegeln und 
Klangfiltern ab, und nicht zuletzt vom Geschmack des Betreibers.

: Bearbeitet durch User
von ArnoR (Gast)


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Sascha J. schrieb:
> Wenn man Drain und Gate miteinander verbindet entsteht zw. D/G und S die
> besagte Diode (mit erhöhter Schwellspannung und Softknee beim Clipping).

Ja.

> Wie ist diese gepolt, bzw. wo befinden sich Anode und Kathode?

Anode ist Drain/Gate.

> Und wie ist diese Diode mit der Body-Diode verschaltet?

Die liegen beide antiparallel zueinander. Also in der einen Richtung 
wirkt die Body-Diode, in der anderen die Gate/Drain-Source-Diode.

von Sascha J. (bastelliese)


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Patrick J. schrieb:
> Hi
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/MOSFET#Inversdiode
>
> Das wird Alles wohl genau das Selbe bezeichnen.
>
> MfG

Danke, dass habe ich mir schon gedacht, wollte es aber nochmal bestätigt 
haben.

von Sascha J. (bastelliese)


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Stefan S. schrieb:
> Wie, du hast nichts gefunden?!

Ich habe nicht behauptet, dass ich nichts gefunden habe. Und wie schon 
erwähnt habe ich auch jede Menge gelesen! Außerdem ist für mich 
hauptsächlich das Zusammenspiel von Body-Diode und Mosfet-Diode 
interessant. Leider gibt es hier jede Menge Aussagen, die mir zumindest 
teilweise einleuchten, aber die konkreten industriellen Schaltungen mehr 
oder weniger sinnlos erscheinen lassen.

von Sascha J. (bastelliese)


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Hp M. schrieb:
> Sascha J. schrieb:
>> Ich bin mittlerweilse sogar fast soweit zu
>> glauben, dass die verbreiteten Schaltungen gar nicht funktionieren
>> dürften.
>
> Welche wären das denn?
>
> Ob und wie gut eine bestimmte Verzerrerschaltung funktioniert, hängt ja
> immer auch von der elektrischen Umgebung, also den Pegeln und
> Klangfiltern ab, und nicht zuletzt vom Geschmack des Betreibers.

Ganz konkret geht es mir um den Joyo Ultimate Drive, und weil das ein 
China-Clone vom Fulltone OCD ist, natürlich auch um dieses Pedal. Es 
gibt auch verschieden Selbstbauprojekte und weitere Industriegeräte, die 
sehr ähnlich sind. Dass diese Schaltungen durchaus funktionieren, liegt 
auf der Hand, aber die Erklärungen dazu hinken irgendwie.
Ich wollte hier aber Nicht_Gitarren-Fuzzis nicht unbedingt mit solchen 
Details behelligen, kann aber auf Wunsch durchaus noch mehr ins Detail 
gehen.
Die Anmerkungen zu Pegeln, Filtern, Geschmack sind mir durchaus klar.

Ich melde mich wieder.

von Sascha J. (bastelliese)


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ArnoR schrieb:
> Sascha J. schrieb:
>> Wenn man Drain und Gate miteinander verbindet entsteht zw. D/G und S die
>> besagte Diode (mit erhöhter Schwellspannung und Softknee beim Clipping).
>
> Ja.
>
>> Wie ist diese gepolt, bzw. wo befinden sich Anode und Kathode?
>
> Anode ist Drain/Gate.
>
>> Und wie ist diese Diode mit der Body-Diode verschaltet?
>
> Die liegen beide antiparallel zueinander. Also in der einen Richtung
> wirkt die Body-Diode, in der anderen die Gate/Drain-Source-Diode.

Danke, genau das wollte ich wissen! Hab's mir zwar schon so 
zusammengereimt, aber nirgends in diesem Wortlaut gefunden. Wollte aber 
Gewissheit.
Ich erklär mein Problem noch genauer, sobald ich ein bisschen Zeit dafür 
habe.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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ArnoR schrieb:
> Sascha J. schrieb:
>> Wenn man Drain und Gate miteinander verbindet entsteht zw. D/G und S die
>> besagte Diode (mit erhöhter Schwellspannung und Softknee beim Clipping).
>
> Ja.

Nein.

Es ist sehr, sehr eigenwillig, einen MOSFET, dessen Gate und Drain 
verbunden sind, als "Diode" zu bezeichnen. Technisch ist das schlicht 
falsch. Und dem Verständnis der Schaltung hilft das auch nur sehr 
bedingt. Ich weiß, daß du es gut mit dem TE meinst, wenn du seine 
schrägen Ansichten verstehend interpretierst. Aber ich glaube, ihm 
wäre am Ende mehr geholfen, wenn man ihm die Verwendung korrekter 
Begriffe nahelegt. Wenn nötig, dann auch mit Gewalt.

: Bearbeitet durch User
von Sascha J. (bastelliese)


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Guten Morgen,

der Vollständigkeit halber, hier noch kurz eine Zusammenfassung meines 
ursprünglichen Problems und was ich rausgefunden habe.
Ich habe ein Joyo Ultimate Drive und habe dies auf Fulltone OCD 
Spezifikationen umgefrickelt.
Bei der Beschäftigung mit den Schaltplänen von UD und OCD und Beiträgen 
in verschiedenen Foren und Websites bin ich über diverse Behauptungen 
gestolpert und wollte dann genauer wissen, wie diese einzuordnen sind. 
Nur bin ich halt kein ausgebildeter Elektroniker und daher war das nicht 
ohne Umwege, zumal relativ viel Mist mit relativ viel Überzeugung 
behauptet wird.
Einer schrieb z.B., dass sein OCD erst richtig gut klingt, seit er einen 
der antiparallelen Mosfets rausgelötet hat. Ein anderer, dass man 
unbedingt die Germanium-Diode kurzschliessen müsse, die in Serie zu dem 
zweiten Mosfet liegt (ab OCD Version4). Einigkeit herrscht darüber, dass 
der OCD seinen besonderen Klang durch das Mosfet-Clipping habe.
Natürlich sind das erstmal Geschmacksfragen, aber dennoch...
Richtig spannend wurde es, als ich gelesen habe, dass die 
Germanium-Diode im UD seit 2010 grundsätzlich falsch herum eingebaut 
sei, weil der Aufdruck auf der Platine falsch sei. Da ich sogar zwei der 
besagten UDs habe, konnte ich das einfach überprüfen. Meine Erkenntnisse 
sind:
Die Schaltpläne von OCD V4 und UD sind insbesondere was die 
Mosfet-Clipping-Stufe angeht gleich. Die Abweichungen betreffen 
hauptsächlich die Poti-Werte und -Kennlinien. Tatsächlich ist die 
Germanium-Diode wie auf dem Print aufgedruckt eingebaut und das 
widerspricht tatsächlich dem Schaltplan. Ich habe also mit der Diode 
experimentiert und dabei festgestellt, dass es nahezu keinen Unterschied 
macht, ob man die Diode überbrückt, dreht, entfernt (nur noch ein Mosfet 
aktiv) oder eben so lässt wie sie war, zumindest in meinem Setup (Pedal 
mit mittlerem Drive und Level als Overdrive vor einem voll aufgerissenen 
Marshall JCM800 2210. Dabei viel mir aber auch auf, dass bei meinen UDs 
Source+Gate miteinander verbunden sind und nicht wie im UD- allen 
OCD-Schaltplänen angegeben Drain+Gate. Also wollte ich gebauer wissen, 
wie das zu verstehen ist und daher auch die Fragen nach Polarität und 
Verschaltung der Dioden.
Unterm Strich lässt sich sagen, dass der besonder Klang eher vom 
verwendeten OP-Amp TL082 und dessen Clipping-Eigenschaften als von der 
Clipping-Stufe abhängt und das es in dieser Schaltung mit zwei 
antiparallelen Mosfets egal ist ob S+G oder D+G miteinander verbunden 
sind, da in jedem Fall die Body-Dioden wirken. Entweder direkt, oder 
über Kreuz. Die Body-Diode des zweiten Mosfets ist gleich gepolt wie der 
als Diode geschaltete erste Mosfet und leitet wegen ihrer niedrigeren 
Schwellspannung immer vor dem Mosfet. Bei dem zweiten Mosfet und der 
ersten Body-Diode gilt entsprechend das Gleiche für die andere 
Halbwelle. Die Schaltung verhält sich also wie zwei antiparallele 
Silizium-Dioden plus Germanium-Diode um das Clipping unsymmetrisch zu 
machen.
Die eigentliche Frage ist also, warum machen die Hersteller und 
Pedalbauer so ein Tamtam um Mosfet-Clipping, wo es zwei einfache Dioden 
genauso tun würden, oder gibt es doch ein hidden secret?

Sascha

von Harald W. (wilhelms)


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Sascha J. schrieb:

> Die eigentliche Frage ist also, warum machen die Hersteller und
> Pedalbauer so ein Tamtam um Mosfet-Clipping, wo es zwei einfache Dioden
> genauso tun würden, oder gibt es doch ein hidden secret?

Probier doch einfach mal zwei Silizium-Standarddioden aus. Vermutlich
wirst du keinen Unterschied hören.

von Jens W. (jensw)


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Der Trick ist, dass die positive und die negative Halbwelle 
unterschiedlich behandelt werden.
Daher auch die Kombination aus Silizium- und Germaniumdiode.
Die haben unterschiedliche Flussspannungen und daher begrenzt die eine 
Diode eher als die andere.
Ein zweiter Faktor ist, dass der Kennlinienknick nicht so stark sein 
darf wie z.B. bei einer Z-Diode. Der Knick muss soft verlaufen, dann ist 
auch der Übergang zur Zerre soft (wie beim AC30 zum Beispiel).

Alles zusammen spielt darauf hin, dass die Kennlinie einer Röhre kopiert 
werden soll.
Das Clipping Verhalten muss langsam gehen. Das sieht man auch, wenn man 
sich das Signal am Oszi anschaut. Da darf kein Knick oder Kante im 
Signal sein. Also einfach mal den Sinus einspeißen und schauen.
Unstetigkeitsstallen in der Kurvenform produzieren dir sehr hohe 
Oberwellen. Und die sind es die für das Kratzen und Kreischen von 
schlechten Verzerrern verantwortlich sind.
Ziel ist es (durch die unterschiedliche Bewertung von positiver und 
negativer Halbwelle) nur gerade Oberwellen zu erzeugen. Dann bekommst du 
den warmen, dennoch kraftvollen Zerrsound hin.

Gruß, Jens

von Sascha J. (bastelliese)


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Harald W. schrieb:
> Probier doch einfach mal zwei Silizium-Standarddioden aus. Vermutlich
> wirst du keinen Unterschied hören.

Das schätze ich auch. Trotzdem werd' ich's mal probieren genauso wie das 
magisch-mystische Mosfet-Clipping mit Drain+Gate verbunden. Entweder 
jeweils eine Diode in Reihe mit den Mosfets, die die Body-Dioden 
blocken, oder halt nur einen Mosfet, der dann zusammen mit seiner 
Body-Diode für asymmetrisches Clipping beider Halbwellen sorgt. 
Scheinbar gibt es auch eine dritte Variante bei der die Mosfets 
gegensinnig in Reihe gechaltet sind und sich die Body-Dioden gegenseitig 
blocken, oder so ähnlich.

Aber die ursprüngliche Frage, warum die Pedalbauer mit Mosfets 
rumfummeln, wo es doch einfache Dioden genauso tun würden, bleibt 
bestehen. Oder gibt es doch einen Unterschied zwischen Body-Diode und 
Silizium-Diode, der diesen Mehraufwand rechtfertigt?

Gruß
Sascha

von Mark S. (voltwide)


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Sascha J. schrieb:
Oder gibt es doch einen Unterschied zwischen Body-Diode und
> Silizium-Diode, der diesen Mehraufwand rechtfertigt?
>
> Gruß
> Sascha
Nein, die Body-Diode ist nichts anderes als eine schnöde Si-Diode- sie 
leitet ab etwa 0,8V.
In der Gegenrichtung aber leitet die drain-source-Strecke erst, wenn die 
notwendige gate-source-Spannung aufgebaut ist - und das passiert erst 
zwischen 2 und 4V, je nach Typ. Dadurch ergibt sich eine "unsymmetrische 
Anti-Paralleldiode", und daraus entstehend geradzahlige Oberwellen.
Und damit hat man mal wieder ein mystifizierbares Produkt, über das man 
den angehenden Gitarrenfuzzies das lockere Geld aus der Tasche ziehen 
kann.

von Sascha J. (bastelliese)


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Mark S. schrieb:
> Nein, die Body-Diode ist nichts anderes als eine schnöde Si-Diode

Ich hab's ja befürchtet, aber dennoch will mir dieser offensichtliche 
Etikettenschwindel nicht runter. das ist ja wie wenn du einen Trekker 
kaufst und der stehen bleibt, sobald du 'nen Hänger dranhängst. Man 
könnte dann wenigstens eine der oben bereits erwähnten Schaltungen 
benutzen, wo tatsächlich der magical-mystical-super-duper-soft-knee-hohe 
Schwellspannung-soft clipping Mosfet-Clipper zum Einsatz kommt, mal ganz 
unabhängig davon wie es dann klingt.

Aber da fällt mir noch was ein.
Ich habe bei DIYstompboxes.com einen Thread
OCD - 3 different revisions with 3 different Mosfet Clipping Setups
gelesen, wo es angeblich eine Clipping-Variante gibt, bei der bei einem 
der beiden antiparallelen Mosfets Source und Gate nicht miteinander 
verbunden sind, sondern Source über eine Diode mit Gate und Vcc 
verbunden ist.
Wie wirkt sich das aus?
Am einfachsten findet man den Thread wenn man bei der Google-Bildersuche
OCD - 3 different revisions with 3 different Mosfet Clipping Setups
eingibt. Der oberste Treffer zeigt die dazugehörige Zeichnung. Meines 
Erachtens ist die Zuordnung der OCD Versionen zu den Clipping-Stufen 
fragwürdig. Ich denke, dass das rechte Bild den Versionen 1-3 
entspricht, das mittlere ab Version 4 gilt und das linke Bild so nicht 
vorkommt.
Trotzdem interessiert mich wie sich diese Diode auswirkt, oder ob es 
sich nur um ein Hirngespinnst handelt.

Sascha

von Carl D. (jcw2)


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Wenn man die unter "Joyo Ultimate Drive" zu findende Schaltungen 
anschaut, dann findet eine Eingangsstufe mit TL08x, gespeist mit +-4,5V, 
Verstärkung von 10..500fach.
Der Opamp kann mit der Versorgung +-3,5V am Ausgang bringen, er geht 
also bei "clean" bei 350mVp in die Begrenzung, bei "max Zerr" braucht er 
dazu gerade mal 7mV. Das bekommt man allein mit den Fingern auf dem 
Griffbrett mehrfach hin.
Wo entsteht nun die Verzerrung? In der magischen MOSFET-Diode? Oder 
vielleicht doch im Opamp?

von Sascha J. (bastelliese)


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Carl D. schrieb:
> Wo entsteht nun die Verzerrung? In der magischen MOSFET-Diode? Oder
> vielleicht doch im Opamp?

Genau das habe ich oben ja schon vermutet!
Es handelt sich eher um theoretische Betrachtungen, schließlich klingt 
das Teil ja, zumindest für meinen Geschmack, sehr gut und hat sogesehen 
kein Gebastel nötig. Aber man weiß ja nie was einem noch so über den Weg 
läuft, und da ist es immer ganz hilfreich ein bisschen Bescheid zu 
wissen.

von Axel R. (Gast)


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müssen wir jetzt die Schaltung selber suchen, aha...

von Mark S. (voltwide)


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Wenn Du wirklich mal Hintergrundwissen zu Gitarrenverstärkertechnik 
erlangen willst, ist folgendes frei verfügbares Buch eine Quelle des 
Wissens: http://www.jeanpierrepoulin.com/PDF/transistor.pdf

Teemuk weiß was er schreibt, im Gegensatz zu all diesem Bullshit, der da 
sonst so im Inet rumvagabundiert.

von hlm (Gast)


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Sascha J. schrieb:
> ich habe Fragen, die die Verwendung von n-Channel Mosfets (2N7000 oder
> BS170)als Clipping-Dioden in Gitarren-Pedalen betreffen.

Hast du mal einen Beispielschaltplan wie das in der Praxis aussieht?

von Sascha J. (bastelliese)


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Ja, prinzipiell schon. Kann ich einfach Links hier rein schreiben? Oder 
soll ich Grafiken einfügen, die müsste ich aber auch erst downloaden. Am 
einfachsten wäre es m.E., wenn ich einfach den genauen 
Google-Suchbegriff hier reinschreibe, aber das ist ja nicht so recht auf 
Gegenliebe gestoßen.

Aber an mir soll's nicht scheitern!

von Sven D. (sven_la)


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Poste Links oder papp einen runtergeladenen Schaltplan als Bild an 
Deinen Post.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Sascha J. schrieb:
> Kann ich einfach Links hier rein schreiben?

Ob du kannst, weiß ich nicht. Verbieten wird es dir keiner.

> Oder soll ich Grafiken einfügen

Das wäre im Zweifelsfall am besten. Vor allem, falls der Krempel hinter 
einer Paywall oder einem Javascript-Verhau stecken sollte. Oder wenn es 
erst eine längliche Beschreibung bräuchte, welchen Schaltplan du denn 
meinst. Noch ein Vorteil wenn du den Schaltplan selber hochlädst: du 
kannst vorher mit einem Zeichenprogramm die Bauteile markieren, um die 
es dir in der Schaltung geht.

> Am einfachsten wäre es m.E., wenn ich einfach den genauen
> Google-Suchbegriff hier reinschreibe, aber das ist ja nicht so recht auf
> Gegenliebe gestoßen.

Weil es nicht funktioniert. Die Google-Suche liefern nicht jedem die 
gleichen Treffer in der gleichen Reihenfolge.

von Axel R. (Gast)


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von Sascha J. (bastelliese)


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Ergänzend zu den bereits verlinkten Ultimate Drive Schaltplänen, noch 
ein OCD Schalplan mit ein paar Anmerkungen. Dann habe ich noch ein Bild 
mit verschiedenen OCD Clipping-Stufen angehängt, hier interessiert mich 
die Wirkung der Diode zwischen Source/Vcc und Gate im linken Beispiel.
Und dann noch ein Beispiel mit echtem Mosfet-Clipping, den Shaka Braddah 
3.

von Axel R. (Gast)


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Nun sind der 2N7000 und der J201 aber auch zwei völlig andere Paar 
Schuhe, das nur nebenbei...

von hlm (Gast)


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Blöde Frage, aber wäre es nicht besser, die MOSFETs in den 
Rückkopplungszweig  des OPs zu packen?

https://www.mikrocontroller.net/attachment/332426/ocd_schem.gif

von Mark S. (voltwide)


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hlm schrieb:
> Blöde Frage, aber wäre es nicht besser, die MOSFETs in den
> Rückkopplungszweig  des OPs zu packen?
>
> https://www.mikrocontroller.net/attachment/332426/ocd_schem.gif

Ja, das wäre besser. Es ist ziemlich sinnfrei den ersten OP-Amp zu 
übersteuern und dahinter dann eine Verzerrerstufe zu setzen in dem 
Glauben, man erzeuge auf diese Weise den Röhrensound.
Da aber der Glaube bekanntlich Berge versetzen kann, ist dies kein 
wirkliches Problem.

von Sascha J. (bastelliese)


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Was wäre denn nun, wenn man das Gate gar nicht anschließt und offen 
lässt?
Rein hypothetisch.

von hlm (Gast)


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Sascha J. schrieb:
> Was wäre denn nun, wenn man das Gate gar nicht anschließt und offen
> lässt?
> Rein hypothetisch.

Wenn das Gate offenbleibt, ist der zustand möglicherweise undefiniert. 
Man könnte aber das Gatemit ca. 10k auf Source schalten, dann liegt das 
Gate sicher auf Source-Potential.
In dem Fall wird wahrscheinlich die Bodydiode das einzige sein, was 
leitet.

Du kannst übrigens ganz leicht von Hand die I-U-Kennlinien von Dioden 
aufnehmen. Dann kannst du das Übersteuerungsverhalten quasi schon aus 
dem selbst-gewonnenen Diagramm ablesen.

von Sascha J. (bastelliese)


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hlm schrieb:
> Du kannst übrigens ganz leicht von Hand die I-U-Kennlinien von Dioden
> aufnehmen. Dann kannst du das Übersteuerungsverhalten quasi schon aus
> dem selbst-gewonnenen Diagramm ablesen.

Ja, wie das?

Und wo wir schon mal dabei sind, was macht den nun die Diode im linken 
Abschnitt (V3) im angehängten Bild?

von hlm (Gast)


Angehängte Dateien:

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Schau mal hier, so eine Kennlinie willst du im Prinzip erstellen:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/Dioden-Kennlinie_1N4001.svg

https://de.wikipedia.org/wiki/Diode#Statisches_Verhalten



Im Anhang ein kleines Schaltbild, wie ich es machen würde.

U ist eine einstellbare Spannungsquelle (ca. 0 bis 5V)

Der R (10k) simuliert deinen Vorwiderstand.

Zw. MP1 und MP2 und zw. MP3 und MP4 misst du mit deinem Multimeter die 
Spannungen.

Möglicherweise ist es in deinem Fall besser, direkt die eingestellte 
Eingangsspannung (U) gegen die Ausgangsspannung (Diode MP3/MP4) zu 
messen.

Dann messen:

Ausgangsspannung gegen Eingangsspannung

x1                        0,0V
x2                        0,1V
x3                        0,2V
x4                        0,3V
             usw.

Am Anfang ist die Spannung über der Diode proportional zur 
Eingangsspannung U. Irgendwann schlägt dann die diode zu (bei Si ab ca. 
0.6V) und die Kurve verbiegt sich.

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