Autor: Erik Beckers, DL2KEB

Die Herausforderung (bzw. das Problem):
Bei der Durchführung meines Black Forest Bauprojektes kam ich an einen Punkt, dass trotz intensiver Bemühungen keine Verbesserungen des Empfängers mehr möglich war. Der Sender arbeitete ebenfalls nicht zufriedenstellend, d.h. er erreichte nicht die vom Entwickler angegebene Ausgangsleistung. Mein Funkfreund Nick, PA2NJC, gab mir den Tip, einmal die verwendeten Halbleiter, sprich Transistoren zu überprüfen. Bisher glaubte ich immer, ein bestimmter Transistortyp habe ganz bestimmte, in sehr engen Grenzen gesteckte Parameter, und man müsse immer beim Aufbau einer Schaltung genau den angegebenen Transistortypen verwenden. Doch das stimmt nicht, wie der entsprechende Versuch zeigt.

 Eine sehr gute Einführung in diese Thematik, die speziell auf JFets und MOSFets anwendbar ist, stellt das JFet Biasing Tutorial von Wes Hayward, W7ZOI [1] dar. 

Die Verstärkung eines Fets wird durch die Steilheit (Y_fs oder G_fs) angegeben. Diese ist ein Mass für die Änderung des Stromes, der zwischen Drain und Source fliesst, bezogen auf die Spannungsänderung am Gate. Je höher die Änderung des Stroms zwischen Drain und Source bei einer bestimmten Spannungsänderung am Gate ist, desto höher ist die Verstärkung des Transistors. Die in den Transistordatenblättern angegebenen Werte für die Steilheit beziehen sich auf eine Spannung zwischen Drain und Source von 0 Volt. Für die Messung dieses Wertes sind keine grossen Klimmzüge erforderlich. Es genügt, zwei bestimmte Werte zu messen und daraus die Steilheit zu berechnen. Die zu messenden Werte sind der Drainstrom Idss, der bei einem Kurzschluss des Gates mit der Source fliesst, und die Abschnürspannung (pinch-off voltage) V_p, d.h. die Gate-Spannung, bei der der Drainstrom fast Null ist. Diese beiden Werte setzt man in die folgende Formel ein und erhält die Steilheit:

Formel 1: Berechnung der Steilheit bei Vds=0 Volt.

Für den mathematisch Interessierten: Diese Formel entsteht, wenn man aus der Formel in Bild 1 aus W7ZOI JFet Biasing Tutorial [1] die erste Ableitung bildet. Das Ergebnis ist in Gleichung 1 ebenfalls in diesem Tutorial zu sehen. Anschliessend setzt man für V_gs=0 Volt ein, und erhält so die oben angegebene Formel. Für die ganz Harten sei das Buch Introduction to Radio Frequency Design von Wes Hayward [2] empfohlen. Dort wird die ganze Mathematik unter anderem zum Thema Transistormodell genauestens erläutert.

Die Messung:
Mit dieser kleinen Schaltung lassen sich die beiden Werte I_dss und V_p recht schnell messen. R3 kann bei Messungen an JFet entfallen, dieses Poti dient zur Vorspannungserzeugung des zweiten Gates bei einem Dual Gate Mosfet. Der zu testende Transistor wird noch nicht eingesetzt, zuerst schliesst man die Betriebsspannung an und stellt am Anschluss von Gate 2 eine Spannung von 4-5 Volt ein. Falls man das Datenblatt zur Hand hat, kann man den Wert einstellen, den der Hersteller des Transistors für die Messung der Steilheit verwendet. Diese Spannung sollte während der Vergleichsmessungen nicht mehr verändert werden, weil sich bei unterschiedlichen Spannungen an Gate 2 die für uns wichtigen Parameter verändern und so eine Vergleichsmessung unmöglich machen. Die Messgeräte sollten für eine Spannungsmessung natürlich möglichst hochohmig und für die Strommessung niederohmig sein, da sonst wiederum falsch gemessen wird. Natürlich reicht für eine Vergleichsmessung auch ein erschwingliches Messgerät einfacherer Bauart aus. Anschliessend setzt man den Transistor in die Schaltung ein und regelt Poti R2 so lange, bis das Amperemeter nur noch einen sehr kleinen Strom anzeigt. Der Strom wird in einer Grössenordnung von vielleicht 20 bis 100 Microampere liegen, der genaue Wert ist nicht so wichtig, viel wichtiger ist, die mit dem Voltmeter gemessene Spannung zu beobachten. Sie wird sich in einem bestimmten Bereich, der mit dem Poti R2 geregelt wird, so gut wie gar nicht mehr verändern. Sobald der Strom sehr klein wird, zeigt das Voltmeter schon einen sehr genauen Wert für V_p an. Die Hersteller der Halbleiter geben daher nie die Abschnürspannung bei einem Drainstrom von 0 Volt an, sondern immer bei einem etwas höheren Wert von z.B. 20 Microampere. Die Spannung an R2 entspricht nun der Abschnürspannung, da die Spannung am Gate durch den Spannungsabfall an R2 gegenüber der Spannung an der Source so niedrig ist, dass der Fet fast sperrt. Wir können also nun die Abschnürspannung V_p am Voltmeter ablesen und notieren.

Der zweite Schritt, die Messung des Kurzschlusstromes I_dss, erfordert nur noch einen Tastendruck: Durch S1 wird Gate 1 mit der Source verbunden, durch diesen Kurzschluss sinkt die Spannung zwischen Gate 1 und Source auf 0 Volt. Der Strom, der nun durch das Amperemeter fliesst, ist der Kurzschlussstrom I_dss, der ebenfalls notiert wird. Wer über einen Computer mit einer Tabellenkalkulation verfügt, kann die Messwerte auch gleich in eine Tabelle eintragen und das Ergebnis berechnen lassen. Setzt man die Spannung V_p in V und den Strom I_dss in mA ein, so ist das Ergebnis in der Einheit mS. In amerikanischen Datenblättern erscheint häufig die Einheit µmhos. Diese lässt sich recht einfach in mS umrechnen: 1000 µmhos sind 1 mS. Somit kann man überprüfen, ob die gemessenen Transistoren innerhalb der Spezifikationen des Herstellers liegen oder nicht.

Schaltung 1

Schaltungsaufbau:
Der Aufbau der Schaltung gestaltet sich recht einfach. Für die Messung an einem normalen JFet reicht eine rasch zusammengelötete Schaltung mit einem Transistorsockel aus.