Sourceschaltung
Schaltung
Funktion
Spannungsverstärkung
Kleinsignalersatzschaltbild
Formelsammlung
Aufbau
Bei der Sourceschaltung bildet die Gate-Source-Spannung (UGS) das Eingangssignal und die Drain-Source-Spannung (UDS) das Ausgangssignal.
Fachlich ausgedrückt bedeutet dies, dass der Source-Anschluss als fester Punkt definiert ist. Gate und Drain ändern im Betrieb ihr Potential.
Am Drain 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 Sourceschaltung handelt es sich um eine MOSFET Grundschaltung.
Wird die Größe des Eingangssignals erhöht, öffnet der Transistor etwas mehr. Dies hat zur Folge, dass das Ausgangssignal kleiner wird.
Andersherum heißt dies dann, beim absenken des Eingangssignals, schließt der Transistor etwas. Hierdurch steigt die Ausgangsspannung an.
Wie stark sich der Ausgang bei einer Änderung des Eingangs ändert, hängt ab von dem sogenannten Verstärkungsfaktor. Hiermit wird sich später etwas genauer beschäftigt.
Erklärung
Die Sourceschaltung wird als Spannungsverstärker verwendet. Durch die Definition von Eingangs- und Ausgangsspannung stehen allerdings Eingang und Ausgang invertiert zueinander.
Kleine Eingangsspannung → Große Ausgangsspannung
Große Eingangsspannung → Kleine Ausgangsspannung
Ein wichtiges Element in der Verstärkung bildet der Lastwiderstand RL. Wird dieser sehr groß gewählt, ist auch die Verstärkung sehr groß (vergleiche ebenfalls untenstehende Formel).
Ist das Eingangssignal sehr,sehr klein, ist der Transistor nahezu geschlossen. Er wirkt wie ein sehr kleiner Widerstand. Die Schaltung sieht nun wie ein Spannungsteiler aus. Wenn der Lastwiderstand nun sehr groß ist, fällt nahezu die gesamte Betriebsspannung (hier 10V) am Lastwiderstand ab.
Eine kleine Eingangsspannung führt demnach zu einem riesigen Ausgangssignal.
Idealerweise ist der Lastwiderstand also unendlich groß. Dies bringt allerdings auch einige Nachteile mit sich. In Realität wird deshalb eine sogenannte Aktive Last verwendet.
⇨ Aktive Last
Einsatz / Aufgabe
Demnach wird die Sourceschaltung zur Spannungsverstärkung eingesetzt.
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 Sourceschaltung
Der Ausgangswiderstand der Sourceschaltung kann über die Kleinsignalanalyse bzw. über das Kleinsignal-Ersatzschaltbild ermittelt werden. Die Bedingung hierfür ist das die Eingangsspannung 0V beträgt. Hierdurch fällt die Stromquelle im ESB weg.
Der Ausgangswiderstand ergibt sich hiernach einfach durch die Parallelschaltung aus Lastwiderstand RL und dem RDS. Da rDS in der Regel viel größer ist als RL ist (durch die Parallelschaltung) rout ungefähr so groß wie rds.
Eingangswiderstand der Sourceschaltung
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 Sourceschaltung
Der Verstärkungsfaktor ergibt sich indem man Ausgangssignal durch Eingangssignal teilt. Betrachtet man das Kleinsignal-Ersatzschaltbild ist die Ausgangsspannung die Spannung welche an beiden Widerständen abfällt durch welche der Strom der Stromquelle fließt daher ergibt sich folgende Formel:
PMOS Sourceschaltung
Natürlich lässt sich die Sourceschaltung auch mit einem PMOS realisieren.
Hierbei sieht die entsprechende Schaltung wie unten gezeigt aus.
Sourceschaltung mit Source-Degeneration
Um den Ausgangswiderstand erheblich zu erhöhen. Wird eine sogenannte Sourceschaltung mit Source-Degeneration verwendet. Hierbei wird die Last an den Drain-Anschluss geschlossen.
Weitere Informationen dazu in entsprechendem Beitrag.
⇨ Sourceschaltung mit Source-Degeneration