Howto Praktische Auslegung einer Stromquelle mit JFET

[lerche59]

JFET Stromquelle: Herleitung und Vorselektion​

Für die Messung der Bandbreite von LC Schwingkreisen wollte ich mir einen HF-Tastkopf mit sehr kleiner Eingangskapazität bauen. Nach vielen Irrungen und Wirrungen bin ich schlussendlich bei einem Schaltungsvorschlag von Bob Pease gelandet, der tatsächlich meine Anforderungen erfüllt. Ich werde noch einen separaten Post dazu erstellen.
Dieser HF-Tastkopf verwendet einen JFET als Sourcefolger am Eingang. In der Source liegt auch noch gleich eine Stromquelle mit JFET, die den Arbeitspunkt festlegt.

Wer kennt Bob Pease? Bob war ein genialer Analog Entwickler bei National Semiconductors. Er wird auf Seite 3 der Artikelserie unten vorgestellt. Er hat Generationen von Ingenieuren mit seinen praktischen Ansätzen beeinflusst und ist auch heute noch eine Quelle für Know-How.

Bitte, Anmelden oder Registrieren to view codes content!

In dieser Artikelserie wird dieser HF Tastkopf auf Seite 12 des PDF vorgestellt. PDF ist auch im Anhang.



RudiS hat in mehreren, ausgezeichneten Artikeln das JFET Modell und die einzelnen Parameter detailliert vorgestellt. Danke RudiS!
Einfache JFET Konstantstromquelle
idss und vp extrahieren
vto und beta
lambda

Ich simulierte die Schaltung zuerst in LTspice und sie hatte hervorragende Werte bezüglich Frequenzgang und Eingangskapazität. Beim Nachbau der Schaltung merkte ich aber schnell, dass die Auslegung der Stromquelle mit Q2 stark von der Simulation abwich. Der Grund sind die starken Streuungen der JFET Parameter von realen JFET.
In der Schaltung ist ein Trimmer vorgesehen, um den Arbeitspunkt einzustellen. Das ist aber bei HF-Schaltungen nicht unbedingt erwünscht, da ein Trimmer doch recht gross ist.

Will man den Trimmer vermeiden, kann man den Transistor relativ einfach vorselektieren und den Source Widerstand berechnen.
Ich habe auf meiner Webseite im Blog JFET Stromquelle: Herleitung und Vorselektion das Verfahren genau beschrieben und auch gleich ein kleines Java Script eingefügt, mit dem man den Source Widerstand aufgrund der gemessenen Werte berechnen kann.

Ich werde hier zusammengefasst die Ergebnisse vorstellen und den praktischen Ansatz erklären.

Stromquelle mit einem N-Kanal JFET

1. Die Shockley-Gleichung​

[math][/math]Die Grundlage für die Berechnung einer Stromquelle mit einem JFET ist die Shockley-Gleichung für den Sättigungsbereich:
[math]I_D = I_{DSS} \cdot \left(1 - \frac{V_{GS}}{V_{GS(off)}}\right)^2[/math]Um den benötigten Source-Widerstand [imath]R_S[/imath] zu finden, stellen wir die Gleichung nach [imath] V_{GS} [/imath] um:
[math] V_{GS} = V_{GS(off)} \cdot \left(1 - \sqrt{\frac{I_D}{I_{DSS}}}\right) [/math]Der Widerstand berechnet sich dann aus dem Ohmschen Gesetz am Source-Pin:
[math]R_S = \frac{|V_{GS}|}{I_D}[/math]

2. Physikalische Herleitung​

RudiS hat die Grundlagen schon beschrieben. Hier aber noch ein etwas anderer Blickwinkel:
Die Shockley-Gleichung beschreibt den JFET im Sättigungsbereich. Die quadratische Charakteristik resultiert aus der Geometrie der Raumladungszone (RLZ):

• Steuerung: Eine negative Spannung [imath]V_{GS}[/imath] vergrößert die RLZ am Gate-Kanal-Übergang.
• Kanalquerschnitt: Die effektive Breite [imath]w[/imath] des leitenden Kanals nimmt ab. Da die Ausdehnung der RLZ proportional zur Wurzel der Spannung ist ([imath](x \propto \sqrt{V}[/imath]), ändert sich der Leitwert des Kanals.
• Integration: Betrachtet man den Ladungstransport über die gesamte Kanallänge [imath]L[/imath] und berücksichtigt, dass bei Erreichen von der Kanal "abgeschnürt" (Pinch-off) wird, ergibt sich durch Integration der Ladungsdichte die parabolische Form:

[math]I_D = I_{DSS} \cdot \left(1 - \frac{V_{GS}}{V_{GS(off)}}\right)^2[/math]

Kennlinie des LTspice Models J113 N-Kanal JFET

2. Parameter aus dem LTspice Modell​

Die Parameter des Models des J113 sind:

Bitte, Anmelden oder Registrieren to view codes content!

Daraus findet man die Werte:

• [imath]V_{GS(off)} = Vto = -1,382 \, \text{V}[/imath]
• [imath]I_{DSS} = \text{Beta} \cdot Vto^2 = 9,109\text{m} \cdot (-1,382)^2 \approx 17,4 \, \text{mA}[/imath]

In einem LTspice-Modell für einen JFET (NJF) werden die Parameter der klassischen Shockley-Gleichung hauptsächlich durch Beta und Vto bestimmt.
Vto (Threshold Voltage): Entspricht direkt der Abschnürspannung [imath](V_{GS(off)} )[/imath]
Die Erklärung dazu findet sich im Post von RudiS vto und beta.

Der Zusammenhang zur Shockley-Gleichung:
LTspice verwendet intern eine leicht andere Form der Gleichung, die sich aber direkt in die Shockley-Form überführen lässt:
[math]I_D = \text{Beta} \cdot (V_{GS} - \text{Vto})^2[/math]Vergleicht man dies mit der klassischen Form [imath] I_D = I_{DSS} \cdot (1 - \frac{V_{GS}}{V_{GS(off)}})^2 [/imath], ergibt sich für den Kurzschlussstrom [imath] I_{DSS} [/imath] (bei [imath]V_{GS} = 0 [/imath] )
[math]I_{DSS} = \text{Beta} \cdot \text{Vto}^2[/math]Für den J113 bedeutet dies:

• [imath]\text{Beta} = 9,109\text{ mA/V}^2 (9.109m[/imath])
• [imath]\text{Vto} = -1,382\text{ V}[/imath]
• [imath]I_{DSS} = 0,009109 \cdot (-1,382)^2 \approx \mathbf{17,4\text{ mA}}[/imath]

In meinem Blogpost gehe ich noch etwas genauer auf die restlichen bestimmenden Parameter ein.

2. Vorselektion (Testaufbau)​

Da der J113 extreme Streuwerte besitzt ([imath]I_{DSS}[/imath] von 2mA bis 20mA+), müssen Transistoren für eine 8mA Quelle vorselektiert werden:
Messung von [imath]I_{DSS}[/imath]:

1. Drain an +15V DC anschließen.
2. Gate und Source direkt an Masse legen.
3. Strom [imath]I_{D}[/imath] messen: Dies ist dein individuelles [imath]I_{DSS}[/imath] .
4. Kriterium: Nur Transistoren mit [imath]I_{DSS} > 8\text{ mA}[/imath] verwenden!

Messung von [imath]V_{GS(off)}[/imath]:

1. Drain an +15V, Gate an Masse.
2. Source über ein Voltmeter (hochohmig, 10MΩ) gegen Masse messen.
3. Die angezeigte Spannung entspricht nahezu [imath]|V_{GS(off)}|[/imath].

3. [imath]R_S[/imath] berechnen​

Entweder mit meinem Java-Script hier: Blogpost
oder gemäss der Formel im Abschnitt 1.

4. Simulieren​

Im Anhang noch meine Simulations-Testschaltung "JFET_Test_model. Die Kennlinie erhält man mit ctrl L und dann rechtsclick auf das Log und dann "Plot .step'ed .meas data"

5. Weitere Gedanken​

Wie schon RudiS erwähnt hat, ist diese Stromquelle recht Temperatursensitiv.

 

[RudiS]

Ein interessanter Beitrag, Lerche59!

Ja, über Bob Pease habe ich hier auch schon verschiedentlich geschrieben.
Und es tut gut zu hören, dass der JFET noch nicht ganz vergessen ist, obwohl der Trend unaufhörlich in Richtung Mosfet weist . . .

Mit den JFET-Formeln ist das so eine Sache. Die oben vorgestellte stimmt auch nicht zu 100%, leider!
Wie man aus dem nachfolgenden Plot ersieht, kommt LTspice intern zu einem anderen Ergebnis:



18.95mA gegenüber den oben berechneten 17.4mA ist schon ein Unterschied.

Vor Jahren hatte jemand bei diyaudo einen JFET Modellgenerator erstellt, das hatte ich seinerzeit mit grossem Interesse verfolgt.
Weil es jedoch Unstimmigkeiten bei der Berechnung gab in Bezug auf Rd und Rs, hat er den Modellgenerator wieder vom Netz genommen,
zu meinem grossen Bedauern.

Jedenfalls bin ich bei meinen eigenen Berechnungen, die LAMBDA und VDS einbezogen,
ausgehend von dem mit LTspice gemessenen IDSS und dem im Modell angegebenen VTO nie zu einem BETA gelangt,
das mit dem im Modell angegebenen BETA übereinstimmte. Auch die PSpice Referenz war da letztendlich keine Hilfe.
Wenn man ein Modell zu verschiedenen IDSS-Werten zu einem JFET erstellen will, genügt es nicht, VTO allein anzupassen,
sondern man muss BETA und LAMBDA einbeziehen und möglicherweise noch andere Faktoren wie eben die FET-internen Widerstände Rd und Rs.
Genaue Formeln dafür sind mir nicht bekannt, wenn jemand mehr dazu weiss, ich bin daran interessiert.

Viel Erfolg bei weiteren Arbeiten mit JFETs!

RudiS

 

[lerche59]

Hallo RudiS
Vielen Dank für deine zusätzlichen Überlegungen. Die Shockley Gleichung, so wie ich sie verstanden habe, ist eine Annäherung an den tatsächlichen physikalischen Vorgang beim Abschnüren des Kanals. Ich vermute, dass die Wirklichkeit komplexer ist als nur eine quadratische Gleichung. Nur schon die Dotierungen werden kaum wirklich homogen sein. Aber vielleicht wüsste da ein IC- Designer besser Bescheid.
Auch was LTspice genau für eine Gleichung hinterlegt hat für das NJF Modell wäre interessant. Mir ist der Unterschied von den gerechneten 17.4mA zu den simulierten 18.95mA auch aufgefallen.

Mir ging es bei meinen Überlegungen aber eher um die praktische Seite der Auslegung einer JFET Stromquelle. Und da ist das Problem eben die grosse Streuung der Werte.
Ich hab nun mal 5 Stück des J113 aus der letzten Mouser Lieferung ausgemessen.

Hier sind die Ergebnisse:

Nr.	IDSS gemessen [mA]	VGS(off) gemessen [V]	RS gerechnet [Ohm]	VGS gerechnet für 8mA [V]	RS eingesetzt [Ohm]	VGS gemessen [V]	ID gemessen [mA]
1	21.8	2.344	115.51	0.924	110	0.924	7.55
2	31.5	2.955	183.23	1.466	180	1.482	8.29
3	22.9	2.431	124.27	0.944	122	0.968	7.97
4	32.2	2.960	185.58	1.485	180	1.491	8.35
5	33.7	3.067	196.58	1.573	200	1.611	8.06

Die Toleranzen sind sehr gross. Die Messung von IDSS muss sehr schnell erfolgen, da sich der Wert sofort durch die Eigenerwärmung ändert. Im Datenblatt steht, dass die Messung mit einem Puls erfolgt: pulse width <300us , duty cycle ≤ 2%.

Die Tabelle zeigt aber auch, dass die Methode mit Vorselektion und Berechnung gut funktioniert. Für praktische Schaltungen sind die 7.55mA bis 8.35mA wahrscheinlich meistens genügend genau. Ich nehme an, dass wegen dieser Toleranzen und wegen der Temperaturabhängigkeit JFET nicht mehr so beliebt sind. Einen Riesenvorteil aber haben sie gegenüber allen anderen Transistoren. Die Kapazitäten sind sehr klein. Deshalb eignen sie sich auch gut für HF Schaltungen.
Leider sind die altbekannten Typen wie der BF245 usw. obsolet oder werden von den grossen Distributoren nicht vertrieben. Bei Mouser sind nur noch wenige Typen erhältlich. Deshalb muss man meistens die alten Schaltungsvorschläge abändern, wie in meinem Fall. (Wo ich die Widerstände gegenüber dem Vorschlag von Bob Pease vergrössern musste). Und da hilft LTspice sehr viel. Man kann die Schaltungen dann wirklich vergleichen. Ich werde das im nächsten Artikel, den ich noch am schreiben bin, anhand des HF-Tastkopfs von Bob Pease zeigen.

Gruss Lerche59

 

[Bernhard W]

... Für praktische Schaltungen sind die 7.55mA bis 8.35mA wahrscheinlich meistens genügend genau. Ich nehme an, dass wegen dieser Toleranzen und wegen der Temperaturabhängigkeit JFET nicht mehr so beliebt sind.

Es gibt einen Strom, bei dem die thermische Abhängigkeit des Stroms relativ gering wird. Beim J113 ist das bei ID ≈ 4 mA.

Für eine 8-mA-Stromquelle mit geringer thermischer Drift kann man zwei J113 mit je einem Source-Widerstand parallel schalten.

Für HF-Schaltungen ist das parallel Schalten aber weniger geeignet, weil dann auch die Kapazitäten doppelt so groß werden.
Dann eher einen anderen FET verwenden.

Bernhard

 

[Bernhard W]

Noch was zur Auswahl des FETs:
Die Reihe J1nn ist für Schalteranwendungen vorgesehen.
Deshalb wird bei denen Rds on max spezifiziert. Idss ist nur vage bekannt, die Steilheit (im stetigen Betrieb) wird üblicherweise gar nicht angegeben.

Die Reihen J2nn und J3nn sind für stetigen Betrieb ("analog") vorgesehen. Dort wird Idss mit Grenzwerten und zumindest die minimale Steilheit spezifiziert, dafür Rds on nicht oder nur typisch.
Die Reihe J3nn ist dabei besonders für HF-Anwendungen vorgesehen, deshalb werden dort mehr Kapazitäten bzw. deren Grenzwerte angegeben.

Der Buchstabe "J" bedeutet das Gehäuse TO-92. Die Dies gibt es auch in anderen Gehäusen mit anderen Präfixes.

Bernhard