arbeite gerade das Kapitel 3 (FET-Verstärker) von "The Art of Electronics" (3. Auflage) durch. In Abbildung 3.29 auf Seite 149 werden dazu verschiedene JFET-Common-Source-Verstärker vorgestellt und deren Spannungverstärkung Gv mit angegeben.
Um die angebene Spannungsverstärkung mal zu überprüfen, habe ich Schaltung A (Seite 149) simuliert, und anstelle des BF862 den J310 (kommt laut google Ki den BF862 sehr nahe/BF862 konnte ich nicht einbinden) verwendet und für den Vorwiderstand vom Gate zur Masse 1MOhm gewählt (Siehe JFET-Common-Source-Verstärker.asc). Laut Buch sollte die Verstärkung G=-gm*Rd betragen. Bei einem Widerstand von 300 Ohm und gm von ca. 10mS (Anwort laut google KI) komme ich auf G=-3. Anzeigt wird in der Simulation hingegen einen Ausgangspannung von Ua=1.46V, was einer Verstärkung von 1,46 entspricht. Was mache ich verkehrt?
Wie wird in der Praxis in dem Fall vorgegangen, um eine Schaltung mit einer bestimmten Verstärkung, beispielsweise eine N-JFET, zu entwerfen...wird dazu auch auf relevante Formeln zurückgegriffen (Herleitung muss man ja nicht nachvollziehen)?
Vielen Dank euch :)!
anstelle des BF862 den J310 (kommt laut google Ki den BF862 sehr
nahe/BF862 konnte ich nicht einbinden) verwendet ...
Um Himmels Willen, der J310 passt garantiert nicht: BF862: Idss = 10...25 mA
J310: Idss = 24...60 mA
Der Kanal im J310 bleibt fast vollständig leitend, der J310 bräuchte eine negative Gate-Source-Spannung.
Laut eigener NI liegt bei Hardware-Schaltungen die Google KI zu fast 100 % falsch.
(Achtung: Die Forensoftware zeigt "*" und "+" am Zeilenanfang als Aufzählungszeichen"•" an.)
Wie wird in der Praxis in dem Fall vorgegangen, um eine Schaltung mit
einer bestimmten Verstärkung, beispielsweise eine N-JFET, zu
entwerfen...
Das "Zauberwort" heißt "Gegenkopplung", hier mindestens mit einem Source-Widerstand, wie Wastl (hartundweichware) oben gezeigt hat.
Gegenkopplung verringert die Verstärkung, man braucht dadurch mehr Verstärkerstufen.
Und zuletzt macht man bei Audio- und ähnlichen Schaltungen eine Gegenkopplung als Widerstands-Spannungsteiler vom Ausgang zum Eingang. Damit soll die Gesamtverstärkung fast nur noch von diesem (linearen) Spannungsteiler abhängen.
Für alle, die das Buch nicht vorliegen haben: Es geht um diese Schaltung:
(Quelle: Paul Horowitz and Winfield Hill: "The Art of Electronics", Third Edition, Figure 3.29.A)
Laut Buch sollte die Verstärkung G=-gm*Rd betragen. Bei einem Widerstand
von 300 Ohm und gm von ca. 10mS (Anwort laut google KI) komme ich auf
G=-3. Anzeigt wird in der Simulation hingegen einen Ausgangspannung von
Ua=1.46V, was einer Verstärkung von 1,46 entspricht. Was mache ich
verkehrt?
Da ein J310 kein direkter Ersatz für einen BF862 ist, muss zuerst der Arbeitspunkt des J310 eingestellt werden. Um die gewünschte Steilheit von 10mS zu erreichen, ist ein Sourcewiderstand von 180...220 Ohm notwendig, welcher zusätzlich mit einem Kondensator (für AF z.B. 100uF) überbrückt werden muss. Der Drainstrom sollte dann bei etwa 8...10mA liegen. Mit einem 300 Ohm Drainwiderstand stellt sich nun sowohl ein günstiger Gleichspannungswert am Drainanschluß als auch eine Wechselspannungsverstärkung von -3 ein.
Ich habe übrigens vor einigen Jahren ebenfalls mal mit LTSpice zu tun
gehabt und einen Transistor in einer Simulation verwendet.
Oh, tauschen wir Erfahrungberichte aus?
Ich habe vor Jahren als Student im Rahmen eines Praktikums mit PSpice (dem Original von Orcad) zu tun gehabt und fand es grauslich und vor allem wenig hilfreich [1]. Da war auch ein (in Zahlen: 1) Transistor in der Simulation.
[1] man konnte die Schaltung etweder einmal simulieren oder dreimal aufbauen und ausmessen. Hat gleich lang gedauert. Ja, ok - ein 386er war damals High-End.
Laut Buch sollte die Verstärkung G=-gm*Rd betragen. Bei einem Widerstand
von 300 Ohm und gm von ca. 10mS (Anwort laut google KI) komme ich auf
G=-3. Anzeigt wird in der Simulation hingegen einen Ausgangspannung von
Ua=1.46V, was einer Verstärkung von 1,46 entspricht. Was mache ich
verkehrt?
Da ein J310 kein direkter Ersatz für einen BF862 ist, muss zuerst der
Arbeitspunkt des J310 eingestellt werden. Um die gewünschte Steilheit
von 10mS zu erreichen, ist ein Sourcewiderstand von 180...220 Ohm
notwendig, welcher zusätzlich mit einem Kondensator (für AF z.B. 100uF)
überbrückt werden muss. Der Drainstrom sollte dann bei etwa 8...10mA
liegen. Mit einem 300 Ohm Drainwiderstand stellt sich nun sowohl ein
günstiger Gleichspannungswert am Drainanschluß als auch eine
Wechselspannungsverstärkung von -3 ein.
Habe diese Schaltung aufgebaut und bin auf eine Wechselspannungsverstärkung von in etwa -3 gekommen. Bei der Berechnung von der Steilheit/Transkonduktanz gm habe ich auf die Formeln gm0=2Idss/(Betrag von Vgsoff) und gm=gm0 (Wurzel aus Id/Idss) zurückgegriffen und die Maximal- und Minimalwerte aus dem Datenblatt des J310 berücksichtigt. Ist das so richtig/wird das so in der Praxis gemacht? Mit welcher Formel berechnet man die Wechselspannungsverstärkung für diese Schaltung?
Mit welcher Formel berechnet man die Wechselspannungsverstärkung für
diese Schaltung?
Seit langem mit LTspice.
Ich habe seit dem Studim auch den Tietze/Schenk und habe auch im Vorstadium eines Projektes überschlägige Berechnungen durchgeführt. Aber wesentlich genauer wurde es dann in einem Versuchsaufbau mit hilfe des Oszillographen. Ach ja, dann hatte ich auch einmal mit Hilfe des Tietze/Schenk den Frequenzgang auf Millimeterpapier gezeichnet. Das dauerte so zwei Tage.
Also alles Schnee von gestern. Heute ist man mit Simulationen wesentlich produktiver. Aber die Grundlagen sollte man so wie früher zunächst erst einmal lernen.
"Mit welcher Formel berechnet man die Wechselspannungsverstärkung für diese Schaltung?"
(Mit LTSpice kann man keine Formel berechnen).
Vielleicht ist es ja auch ganz hilfreich, eine Formel nicht nur zu kennen, sondern diese auch in ihrer Aussage zu verstehen und nachempfinden zu können. Das ist bei der Formel für die Verstärkung eines einstufigen Transistorverstärkers nun ganz einfach und logisch:
Der Transistor (bipolar und unipolar/FET) wirkt und arbeitet als Spannungs-Strom-Wandler.
Deshalb wird die Übertragungs-Eigenschaft des Transistors durch die sog. Steilheit g=(delta_I/delta_U) gekennzeichnet. Spannungsänderungen am Eingang werden in entsprechende Stromänderungen am Ausgang umgesetzt, welche durch einen Lastwiderstand im Ausgangskreis (Rc bzw. Rd) wieder in Spannungsschwankungen umgewandelt werden.
Voraussetzung: Vorherige Festlegung eines geeigneten DC-Arbeitspunktes im quasi-linearen Teil der Übertragungskennlinie Iaus=f(Uin).
Damit ist die FET-Spannungsverstärkung propoertional zur Steilheit: V=-g*Rd.
Wegen extrem großer Toleranzen beim Transistor ist es sinnvoll, bei vorgegebener Verstärkung, diese durch Gegenkopplung zu stabilisieren (wird praktisch immer gemacht).
Dadurch wird der Verstärkungswert zwar reduziert, wird aber zunehmend unabhängiger von den Transistor-Toleranzen. (Extrem-Beispiel: Beim OPV wird die resultierende Verstärkung praktisch NUR von der Gegenkopplungs-Beschaltung bestimmt).
Beim einfachen FET-Verstärker (mit Gegenkopplung durch einen Widerstand Rs im Source-Zweig) ist dann die Verstärkung V=-gRd/(1+gRs).
Dabei ist das Produkt g*Rs die sog. Schleifenverstärkung, wobei dieser Begriff aus der Regelungstechnik stammt, welche praktisch ausschließlich vom Gegenkopplungs-Prinzip Gebrauch macht.
Ergänzung: Anders als beim BJT, ist es beim FET oft sinnvoll/notwendig, den eigenen dynamischen Ausgangswiderstand r,aus=1/y22 als Parallel-Widerstand zum Ohm-Widerstand Rd zu berücksichtigen.
Bei der Berechnung von der Steilheit/Transkonduktanz gm habe ich auf die
Formeln gm0=2Idss/(Betrag von Vgsoff) und gm=gm0 (Wurzel aus Id/Idss)
zurückgegriffen und die Maximal- und Minimalwerte aus dem Datenblatt des
J310 berücksichtigt. Ist das so richtig/wird das so in der Praxis
gemacht? Mit welcher Formel berechnet man die
Wechselspannungsverstärkung für diese Schaltung?
Ja, die Formeln sind OK. Abschnürspannung (Pinch-Off) Up und Idss müssen vorab gemessen werden. Im angehängten Bsp. habe ich einen Sourcewiderstand von 220 Ohm gewählt. Die Wechselspannungsverstärkung liegt laut Simulation bei Vu = -3,08.
Die Drain-Source Spannung Uds beträgt rund 5 V. Bei dieser Spannung und dem hier verwendeten Modell ist Idss = 45 mA. Die Pinch-Off Spannung des JFET wurde vorab ermittelt, diese liegt bei Up ~ -3,8 V. Der Drainstrom beträgt Id = 9,51 mA. Die Vorwärtssteilheit des JFET für diesen Id berechnet sich zu gm = 2 x SQR (Id x Idss) / |Up| = 10,9 mS.
Laut DB liegt der Ausgangswiderstand rd des JFET bei min. 4 kOhm. Ich habe das genauer bestimmt und komme auf runde 5,6 kOhm. Zusammen mit dem verwendeten Drainwiderstand von 300 Ohm stellt sich daher ein Gesamtlastwiderstand RL von etwa 285 Ohm ein. Die Spannungsverstärkung berechnet sich dann zu Vu = - gm x RL = -3,1.
Der BF862 benötigt keinen Sourcewiderstand und lässt sich mit Id = Idss betreiben. Dessen Steilheit fällt, trotz des recht moderaten Drainstroms, höher aus als beim J310. Die Wechselspannungsverstärkung (Vu = -10,8) pendelt sich jedoch unterhalb des Wertes, der in der Horowitz/Hill Elektronik-Bibel genannt wird, ein.
