Wie allgemein bekannt, ist der FET (damit meine ich den JFET) ein spannungsgesteuerter Transistor,
wobei die am Gate angelegte Spannung (Vgs) den Drainstrom (Id) steuert.
Ganz wichtig ist hierbei, dass der Strom am grössten ist, wenn keine Spannung am Gate anliegt,
oder, anders ausgedrückt, wenn die Gatespannung null Volt beträgt (Gate nach Masse kurzgeschlossen).
Dieser maximale Strom wird mit IDSS bezeichnet (drain-source saturation current).
Mit dem Anliegen einer negativen Spannung (beim n-channel JFET) verengt sich der Kanal, durch
den der Strom fliesst, bis der Strom bei einer bestimmten Spannung nahezu versiegt: der Stromfluss
wird durch das entstandene elektrische Feld abgeschnürt. Diese Spannung wird mit VP (pinch-off
voltage) bezeichnet. Andere Namen existieren auch dafür: threshold voltage (VTO) und gate-source
cut-off voltage (VGS(off)).
In Datenblättern findet man meist die Bezeichnung Vgs(off), im SPICE JFET-model jedoch den
Bezeichner VTO!
Wenn wir auf dem Schaltplan einen Widerstand platzieren, so finden wir neben dem Symbol z.B. "R1" und "R".
Wenn wir bei diesem Widerstand anstelle von "R" keinen konkreten Wert wie z.B. 1k eingeben,
erhalten wir bei der Ausführung eine Fehlermeldung: Can't find definition of model "R".
LTspice gibt uns zwar die Möglichkeit, mit den Default-Modell weiterzumachen, aber nach "OK"
kommt die nächste Fehlermeldung: "missing value of resistor "R1".
Es gibt eben für den Widerstand mit Wert R kein SINNVOLLES Default-Modell (= Default-Wert)!
Anders beim JFET. Nach der Platzierung auf dem Schaltplan sehen wir beim JFET zwei Namen,
die dieses Bauteil kennzeichnen: J1 und NJF. "NJF" ist symbolisch der "WERT" (value) dieses Bauteils.
Bei Ausführung beklagt sich LTspice aber nicht, dass wir diesem Bauteil keinen Wert zugewiesen haben!
Warum? Weil es für JFETs eben ein Default-Modell gibt!
Die default Parameter-Werte des JFETs finden wir in der LTspice-Hilfe unter Circuit Elements / J. JFET.
Es gibt dort auch eine sehr knappe Erläuterung zu den Parametern, aber immerhin.
Die Parameter, die wir heute untersuchen wollen, betreffen die DC-Einstellung. Das sind die
Parameter VTO und BETA. VTO ist -2V, wir tragen das im Schaltplan bei .param Vp=... ein.
BETA beträgt 1e-4, = 0.1m, dazu ist jetzt sofort noch keine Aktion nötig.
Eine Gleichspannungsquelle Vg liefert uns die Gatespannung, eine weitere die Drainspannung.
Diese ist fest auf 10 Volt eingestellt, die Gatespannung wird per DC-Simulation gestep't.
Nach Ausführung plotten wir den Drainstrom Id(J1).
In der LOG-Datei ist ausserdem Idss berechnet, Idss=400uA. Für einen JFET mit einem VTO von -2V ist das recht wenig,
aber es gibt tatsächlich einen JFET mit diesen Werten, den LS832 von Linear Systems.
Mit Linksklick auf den Schriftzug Id(J1) im Plotfenster erscheint der Messcursor, platziert auf -1V Vgs, der zugehörige Drainstrom beträgt 100uA.
Die Beziehung des Drainstroms Id zur anliegenden Gate-Source-Spannung Vgs lässt sich in einer Formel ausdrücken:
ID = IDSS * (1 - VGS / VTO)^2 für VGS < VTO
Wir wollen schnell prüfen, ob das richtig ist anhand unserer Werte:
Vgs = -1V
Vto = -2V
Idss = 400uA
Vgs / Vto = -1 / -2 = 0.5
1-Vgs/Vto = 1 - 0.5 = 0.5
(0.5)^2 = 0.5 * 0.5 = 0.25
Idss * 0.25 = 400uA * 0.25 = 100uA
Das stimmt also! Wenn man die Formel nach IDSS auflöst und den Drainstrom bei einem Vgs kleiner als Vto misst,
kann man so auch den Sättigungsstrom IDSS berechnen.
Was passiert, wenn wir Vp in -1V ändern? -- Der Anfangspunkt der Kurve verschiebt sich, aber . . .
Idss ist nach wie vor 400uA! Weil das Default-Modell nach wie vor gilt, und dort ist VTO mit -2V deklariert.
Für Vp=-1V müssen wir ein Modell schaffen.
Das ist ganz einfach mit der .model-Anweisung (bitte in der Hilfe nachlesen unter Dot Commands!):
.model NJF1 NJF vto=-1V ; NJF1 nicht NJF!!
[NJF1: Name des Modells
NJF: Modelltyp=n-channel JFET]
(Das in eckige Klammern Gesetzte ist nur Erklärung und wird nicht eingegeben. Man hätte den Namen
auch bei NJF belassen können, das nennt man im Englischen parameter override. Aber so ist es für Anfänger
wahrscheinlich leichter zu verstehen.)
Bei 400u war VTO -2, bei 100u war VTO -1.
Was aber, wenn wir einen FET mit IDSS=200uA haben wollen? --- VTO muss zwischen -2 und -1 liegen, das ist schon mal klar.
Betrachten wir nur die Zahlen: Wurzel aus 4 (400u) ist 2, Wurzel aus 1 ist 1 (100u), für 200uA
nehmen wir analog die Wurzel aus 2 = 1.4142. Da wir nicht unendlich viele Nachkommastellen anführen wollen,
runden wir auf auf 1.4143.
Wir ändern dementsprechend die Deklaration:
.param Vp=-1.4143 ;Minuszeichen nicht vergessen!
.model NJF1 NJF vto=-1.4143
Nach der Ausführung der Plot:
IDSS liegt jetzt wie gewollt bei 200uA.
Für 600uA nehmen wir VTO=-sqrt(6) = -2.45, für 800uA -sqrt(8)=-2.8285.
Was tun, wenn wir kein so grosses VTO wünschen?
Und wenn wir nicht Mikroampere, sondern Milliampere haben wollen? Auf die vor genannte Art fortzufahren
wäre in der Tat zu umständlich.
Hier kommt der Parameter BETA ins Spiel. BETA wird allgemein als transconductance
parameter bezeichnet, ist quasi "Verstärkungsfaktor" mal salopp ausgedrückt, je grösser BETA,
desto höher der Drainstrom und damit die mögliche Verstärkung.
Im Default-Modell beträgt BETA 0.1m und ergibt x00 Mikroampere. Wollen wir statt 200uA 2mA,
so nehmen wir den zehnfachen Wert von BETA und ändern unser Modell, indem wir BETA=1m
hinzufügen:
.model NJF1 NJF vto=-1.4143 beta=1m
Somit zeigt unser Plot tatsächlich 2mA an.
Wollen wir nicht 2mA sondern 3mA, so machen wir BETA zu 1.5m. Brauchen wir 2.7mA,
so rechnen wir 2.7 / 2 * BETA@2mA = 1.35m. Grenzen setzen uns hier nur unsere eigenen Rechenkünste.
Und auch die Grossen kochen nur mit Wasser. Bei einem schon älteren FET-Opamp von BB
fand ich folgendes deklariert (neuere Modelle sind meist encryptet):
* Models
.MODEL JX NJF(BETA=.788E-3 VTO=-2 IS=5E-14)
.MODEL DX D(IS=1E-15)
.MODEL DY D(IS=1E-15 BV=50)
Das JFET-Modell in den Schaltplan kopieren, Vp auf -2V und im FET-Symbol NJF1 auf JX ändern,
anschliessend ausführen -- das überlasse ich dem geneigten Leser...
Viel Spass mit der Parameterologie wünscht
RudiS
P.S.: Alle notwendigen Dateien befinden sich wie immer im Archiv.
wobei die am Gate angelegte Spannung (Vgs) den Drainstrom (Id) steuert.
Ganz wichtig ist hierbei, dass der Strom am grössten ist, wenn keine Spannung am Gate anliegt,
oder, anders ausgedrückt, wenn die Gatespannung null Volt beträgt (Gate nach Masse kurzgeschlossen).
Dieser maximale Strom wird mit IDSS bezeichnet (drain-source saturation current).
Mit dem Anliegen einer negativen Spannung (beim n-channel JFET) verengt sich der Kanal, durch
den der Strom fliesst, bis der Strom bei einer bestimmten Spannung nahezu versiegt: der Stromfluss
wird durch das entstandene elektrische Feld abgeschnürt. Diese Spannung wird mit VP (pinch-off
voltage) bezeichnet. Andere Namen existieren auch dafür: threshold voltage (VTO) und gate-source
cut-off voltage (VGS(off)).
In Datenblättern findet man meist die Bezeichnung Vgs(off), im SPICE JFET-model jedoch den
Bezeichner VTO!
Wenn wir auf dem Schaltplan einen Widerstand platzieren, so finden wir neben dem Symbol z.B. "R1" und "R".
Wenn wir bei diesem Widerstand anstelle von "R" keinen konkreten Wert wie z.B. 1k eingeben,
erhalten wir bei der Ausführung eine Fehlermeldung: Can't find definition of model "R".
LTspice gibt uns zwar die Möglichkeit, mit den Default-Modell weiterzumachen, aber nach "OK"
kommt die nächste Fehlermeldung: "missing value of resistor "R1".
Es gibt eben für den Widerstand mit Wert R kein SINNVOLLES Default-Modell (= Default-Wert)!
Anders beim JFET. Nach der Platzierung auf dem Schaltplan sehen wir beim JFET zwei Namen,
die dieses Bauteil kennzeichnen: J1 und NJF. "NJF" ist symbolisch der "WERT" (value) dieses Bauteils.
Bei Ausführung beklagt sich LTspice aber nicht, dass wir diesem Bauteil keinen Wert zugewiesen haben!
Warum? Weil es für JFETs eben ein Default-Modell gibt!
Die default Parameter-Werte des JFETs finden wir in der LTspice-Hilfe unter Circuit Elements / J. JFET.
Es gibt dort auch eine sehr knappe Erläuterung zu den Parametern, aber immerhin.
Die Parameter, die wir heute untersuchen wollen, betreffen die DC-Einstellung. Das sind die
Parameter VTO und BETA. VTO ist -2V, wir tragen das im Schaltplan bei .param Vp=... ein.
BETA beträgt 1e-4, = 0.1m, dazu ist jetzt sofort noch keine Aktion nötig.
Eine Gleichspannungsquelle Vg liefert uns die Gatespannung, eine weitere die Drainspannung.
Diese ist fest auf 10 Volt eingestellt, die Gatespannung wird per DC-Simulation gestep't.
Nach Ausführung plotten wir den Drainstrom Id(J1).
In der LOG-Datei ist ausserdem Idss berechnet, Idss=400uA. Für einen JFET mit einem VTO von -2V ist das recht wenig,
aber es gibt tatsächlich einen JFET mit diesen Werten, den LS832 von Linear Systems.
Mit Linksklick auf den Schriftzug Id(J1) im Plotfenster erscheint der Messcursor, platziert auf -1V Vgs, der zugehörige Drainstrom beträgt 100uA.
Die Beziehung des Drainstroms Id zur anliegenden Gate-Source-Spannung Vgs lässt sich in einer Formel ausdrücken:
ID = IDSS * (1 - VGS / VTO)^2 für VGS < VTO
Wir wollen schnell prüfen, ob das richtig ist anhand unserer Werte:
Vgs = -1V
Vto = -2V
Idss = 400uA
Vgs / Vto = -1 / -2 = 0.5
1-Vgs/Vto = 1 - 0.5 = 0.5
(0.5)^2 = 0.5 * 0.5 = 0.25
Idss * 0.25 = 400uA * 0.25 = 100uA
Das stimmt also! Wenn man die Formel nach IDSS auflöst und den Drainstrom bei einem Vgs kleiner als Vto misst,
kann man so auch den Sättigungsstrom IDSS berechnen.
Was passiert, wenn wir Vp in -1V ändern? -- Der Anfangspunkt der Kurve verschiebt sich, aber . . .
Idss ist nach wie vor 400uA! Weil das Default-Modell nach wie vor gilt, und dort ist VTO mit -2V deklariert.
Für Vp=-1V müssen wir ein Modell schaffen.
Das ist ganz einfach mit der .model-Anweisung (bitte in der Hilfe nachlesen unter Dot Commands!):
.model NJF1 NJF vto=-1V ; NJF1 nicht NJF!!
[NJF1: Name des Modells
NJF: Modelltyp=n-channel JFET]
(Das in eckige Klammern Gesetzte ist nur Erklärung und wird nicht eingegeben. Man hätte den Namen
auch bei NJF belassen können, das nennt man im Englischen parameter override. Aber so ist es für Anfänger
wahrscheinlich leichter zu verstehen.)
Bei 400u war VTO -2, bei 100u war VTO -1.
Was aber, wenn wir einen FET mit IDSS=200uA haben wollen? --- VTO muss zwischen -2 und -1 liegen, das ist schon mal klar.
Betrachten wir nur die Zahlen: Wurzel aus 4 (400u) ist 2, Wurzel aus 1 ist 1 (100u), für 200uA
nehmen wir analog die Wurzel aus 2 = 1.4142. Da wir nicht unendlich viele Nachkommastellen anführen wollen,
runden wir auf auf 1.4143.
Wir ändern dementsprechend die Deklaration:
.param Vp=-1.4143 ;Minuszeichen nicht vergessen!
.model NJF1 NJF vto=-1.4143
Nach der Ausführung der Plot:
IDSS liegt jetzt wie gewollt bei 200uA.
Für 600uA nehmen wir VTO=-sqrt(6) = -2.45, für 800uA -sqrt(8)=-2.8285.
Was tun, wenn wir kein so grosses VTO wünschen?
Und wenn wir nicht Mikroampere, sondern Milliampere haben wollen? Auf die vor genannte Art fortzufahren
wäre in der Tat zu umständlich.
Hier kommt der Parameter BETA ins Spiel. BETA wird allgemein als transconductance
parameter bezeichnet, ist quasi "Verstärkungsfaktor" mal salopp ausgedrückt, je grösser BETA,
desto höher der Drainstrom und damit die mögliche Verstärkung.
Im Default-Modell beträgt BETA 0.1m und ergibt x00 Mikroampere. Wollen wir statt 200uA 2mA,
so nehmen wir den zehnfachen Wert von BETA und ändern unser Modell, indem wir BETA=1m
hinzufügen:
.model NJF1 NJF vto=-1.4143 beta=1m
Somit zeigt unser Plot tatsächlich 2mA an.
Wollen wir nicht 2mA sondern 3mA, so machen wir BETA zu 1.5m. Brauchen wir 2.7mA,
so rechnen wir 2.7 / 2 * BETA@2mA = 1.35m. Grenzen setzen uns hier nur unsere eigenen Rechenkünste.
Und auch die Grossen kochen nur mit Wasser. Bei einem schon älteren FET-Opamp von BB
fand ich folgendes deklariert (neuere Modelle sind meist encryptet):
* Models
.MODEL JX NJF(BETA=.788E-3 VTO=-2 IS=5E-14)
.MODEL DX D(IS=1E-15)
.MODEL DY D(IS=1E-15 BV=50)
Das JFET-Modell in den Schaltplan kopieren, Vp auf -2V und im FET-Symbol NJF1 auf JX ändern,
anschliessend ausführen -- das überlasse ich dem geneigten Leser...
Viel Spass mit der Parameterologie wünscht
RudiS
P.S.: Alle notwendigen Dateien befinden sich wie immer im Archiv.
Anhänge
Zuletzt bearbeitet:
