Drainschaltung
Einleitung
Die Drainschaltung bildet eine MOSFET Grundschaltung. Die Schaltung arbeitet als Spannungsfolger und wird so eingesetzt als Spannungspuffer.
⇨ MOSFET einfach & verständlich erklärt
Grundschaltung
Stromstärke
Teilt sich auf
Spannung
Bleibt gleich
Widerstand
Aufbau
Bei der Drainschaltung bildet die Spannung von Gate nach GND das Eingangssignal und die Spannung über dem Lastwiderstand (URL) das Ausgangssignal.
Fachlich ausgedrückt bedeutet dies, dass der Drain-Anschluss als fester Punkt definiert ist. Gate und Source ändern im Betrieb ihr Potential.
Am Source befindet sich die Last welche hier nun als Ohm‘sche Last realisiert ist.
(In Realität wird hier oft eine sogenannte Aktive Last verwendet)
⇨ Aktive Last
Funktionsweise
Bei der Drainschaltung handelt es sich um eine MOSFET Grundschaltung.
Wird die Größe des Eingangssignals erhöht, öffnet der Transistor etwas mehr. Hierdurch fließt mehr Strom durch den MOSFET. Dies hat zur Folge, dass über dem Lastwiderstand mehr Spannung abfällt und so das Ausgangssignal größer wird.
Andersherum heißt dies dann, beim absenken des Eingangssignals, schließt der Transistor etwas. Hierdurch sinkt die Ausgangsspannung ab.
Die Besonderheit der Drainschaltung liegt darin das sie keine Verstärkung aufweist. Der Verstärkungsfaktor liegt bei 1. (Unten Herleitung über Formel)
Wird das Eingangssignal erhöht, öffnet sich der MOSFET etwas weiter. Hierdurch fließt mehr Strom durch diesen, wodurch die Ausgangsspannung (Spannung über dem Lastwiderstand) ansteigt. Das die Eingangsspannung nun aber konstant ist, hat dies allerdings zur Folge das die Gate-Source-Spannung absinkt. Somit regelt sich der MOSFET auf einen bestimmten Arbeitspunkt an. Er unterdrückt sozusagen die Verstärkung.
⇨ Stromgegenkopplung
So ergibt sich folgendes Kennlinie Uin zu Uout:
[Bild]
Erklärung
Die Drainschaltung wird als Spannungsfolger verwendet. Der Grund warum sich keine Spannungsverstärkung ergibt liegt darin das die Spannung über dem Lastwiderstand dieser entgegenwirkt.
Große Eingangsspannung → MOSFET öffnet → Große Ausgangsspannung → UGS sinkt → MOSFET schließt etwas
Kleine Eingangsspannung → MOSFET schließt → kleine Ausgangsspannung → UGS steigt → MOSFET öffnet etwas
Spannungspuffer
Die Drainschaltung wir auch als Spannungspuffer bezeichnet. Da der Ausgangswiderstand der Schaltung sehr niedrig ist (1/gm (siehe unten)) kann sie zum Treiben von niederohmigen Lasten verwendet werden.
Einsatz / Aufgabe
Demnach wird die Drainschaltung als Spannungsfolger eingesetzt. Verwendung findet sie als Pufferschaltung (siehe oben) oder als Pegelwandler (Levelshifter) hierbei wird UGS zu Uout gewandelt da Uout = Uin – UGS ist.
Kleinsignalersatzschaltbild
Das Kleinsignalersatzschaltbild dient zum einfacheren Verständnis und Berechnung der Schaltung.
Kurzer Überblick:
1. Ersetzen des MOSFET durch Kleinsignalersatzschaltbild
2. Konstantstromquellen = Leerlauf
3. Konstantspannungsquellen = Kurzschluss (Hierdurch wird die Betriebsspannung mit der Masse verbunden)
4. Evtl. Vereinfachungen
Zur genauen Herleitung, wie das Kleinsignalersatzschaltbild erzeugt wird, gibt es entsprechenden Beitrag:
⇨ Kleinsignalersatzschaltbild
Ausgangswiderstand der Drainschaltung
Der Ausgangswiderstand der Drainschaltung kann über die Kleinsignalanalyse bzw. über das Kleinsignal-Ersatzschaltbild ermittelt werden. Die Bedingung hierfür ist das die Eingangsspannung 0V beträgt.
Eingangswiderstand der Drainschaltung
Betrachtet man das Kleinsignal-Ersatzschaltbild ist schnell auch klar wie groß der Eingangswiderstand ist. Dieser wird an zwei offenen Klemmen gemessen, wodurch sich ein unendlich großer Widerstand ergibt.
Verstärkung der Drainschaltung
Der Verstärkungsfaktor ergibt sich indem man Ausgangssignal durch Eingangssignal teilt. (Wie bereits erklärt liegt dieser ungefähr bei 1). Da bei der Kleinsignalbetrachtung zur Ermittlung des Verstärkungsfaktors der Ausgangsstrom mit 0 angenommen wird, geht man wie folgt vor.
PMOS Drainschaltung
Natürlich lässt sich die Drainschaltung auch mit einem PMOS realisieren.
Hierbei sieht die entsprechende Schaltung wie unten gezeigt aus.
