Ideen zu einem Treblebooster für Humbucker – Anhang D

MOSFET als Treblebooster – Mess­schaltungen zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

In diesen Messreihen sollte untersucht werden, inwieweit sich MOSFET als (weniger rauschender und temperaturstabiler) Ersatz für den Germanium­transistor in einem Treblebooster eignen. 

Mess­schaltung D.1 – 6-fach N-Kanal-MOSFET CD4049UBE

Dieser und der nachfolgenden Mess­schaltung liegt die Idee zugrunde, dass man einen MOSFET mit passender Steilheit dadurch bekommen kann, dass man jeweils die sechs p-Kanal-MOSFET bzw. die sechs n-Kanal-MOSFETs eines Sechsfach-CMOS-Inverters CD4049 zusammenfasst.  Praktisch bedeutet das, dass alle Inverterein- und ausgänge jeweils miteinander verbunden und dann die nicht benötigten Hälften der CMOS-Inverter kurzgeschlossen werden. 

Für die folgende in Abbildung D.1 dargestellte Schaltung würden die miteinander verbundenen Invertereingänge des CD4049 das Gate des Gesamt-MOSFET bilden, der Anschluss USS die Source und alle Inverterausgänge zusammen mit dem UDD-Anschluss das Drain.

Schaltskizze

Abb. D.1: Mess­schaltung eines Boosters mit dem n-Kanal-Gesamt-MOSFET6/6 CD4049“.  Dafür müssen am Schaltkreis die Pins 3, 5, 7, 9, 11 und 14 (Inverter­eingänge) zum Gesamt-Gate sowie die Pins 2, 4, 6, 10, 12, 15 (Inverter­ausgänge) und Pin 1 (VDD) zum Gesamt-Drain verbunden werden.  Pin 8 (VSS) bildet die Gesamt-Source

Eingangs­kreis – ueing. vs. uG

Tab. D1.1: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.1
Eingangsspannung
ueing.
Gatespannung
uB
Eingangswiderstand
ri
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 1 70 mV 24 mV57,7 mV19,8 mV ≈ 37 kΩ
Messung 2140 mV 49 mV 114 mV 40 mV ≈ 35 kΩ
Messung 3278 mV 98 mV 230 mV 81 mV ≈ 38 kΩ
Messung 4698 mV246 mV 603 mV 214 mV ≈ 53 kΩ, Schaltung  zerrt
Messung 51,38 V488 mV 1,25 V 443 mVSchaltung  zerrt 
Messung 64,43 V1,56 V 3,96 V 1,44 VSchaltung  zerrt 
Tab. D1.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D1
Oszillogramme
Mess­schaltung D.1 –
ueing. und uG
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.1 –
uG vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uG (rot): 10 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 10 mV / Div,
uG (vert.): 5 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 49 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uG (rot): 20 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 10 mV / Div,
uG (vert.): 10 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 98 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uG (rot): 50 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 25 mV / Div,
uG (vert.): 25 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 246 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uG (rot): 100 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 100 mV / Div,
uG (vert.): 50 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 488 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uG (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uG (vert.): 100 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 1,56 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uG (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uG (vert.): 200 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uG

Tab. D1.3: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.1
Eingangsspannung
ueing.
Drainspannung
uC
Verstärkung
vu
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 1 70 mV 24 mV1,02 V0,34 V ≈ 14
Messung 2140 mV 49 mV1,98 V 0,7 V ≈ 14
Messung 3278 mV 98 mV3,67 V 1,3 VSchaltung  zerrt
Messung 4699 mV246 mV6,73 V 2,4 VSchaltung  zerrt
Messung 51,38 V488 mV8,38 V 3,3 VSchaltung  zerrt
Messung 64,43 V1,56 V7,85 V 3,8 VSchaltung  zerrt
Tab. D1.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D1
Oszillogramme
Mess­schaltung D.1 –
ueing. und uC
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.1 –
uC vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uC (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graph ueing. (hor.):  10 mV / Div,
uC (vert.): 100 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 49 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uC (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graph ueing. (hor.):  20 mV / Div,
uC (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 98 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uC (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graph ueing. (hor.):  50 mV / Div,
uC (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 246 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uC (rot): 1 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  100 mV / Div,
uC (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 477 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uC (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graph ueing. (hor.):  200 mV / Div,
uC (vert.): 1 V / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 1,53 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uC (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  500 mV / Div,
uC (vert.): 1 V / Div 

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Mess­schaltung D.2 – 6-fach P-Kanal-MOSFET CD4049UBE

Schaltskizze

Abb. D.2: Mess­schaltung eines Boosters mit dem p-Kanal-Gesamt-MOSFET6/6 CD4049“.  Dafür müssen am Schaltkreis die Pins 3, 5, 7, 9, 11 und 14 (Inverter­eingänge) zum Gesamt-Gate sowie die Pins 2, 4, 6, 10, 12, 15 (Inverter­ausgänge) und Pin 8 (VSS) zum Gesamt-Drain verbunden werden.  Pin 1 (VDD) bildet die Gesamt-Source

Eingangs­kreis – ueing. vs. uG

Tab. D2.1: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.2
Eingangsspannung
ueing.
Gatespannung
uB
Eingangswiderstand
ri
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 170,5 mV24,5 mV59,6 mV20,4 mV ≈ 39 kΩ
Messung 2 140 mV 49 mV 120 mV41  mV ≈ 41 kΩ
Messung 3 279 mV 98 mV 236 mV82  mV ≈ 41 kΩ, Schaltung  zerrt leicht
Messung 4 699 mV 246 mV 615 mV216  mVSchaltung  zerrt 
Messung 5 1,38 V 486 mV 1,24 V441  mVSchaltung  zerrt 
Messung 6 4,42 V 1,56 V 3,85 V 1,44 VSchaltung  zerrt 
Tab. D2.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D2
Oszillogramme
Mess­schaltung D.2 –
ueing. und uG
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.2 –
uG vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24,5 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uG (rot): 10 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 10 mV / Div,
uG (vert.): 5 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 49 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uG (rot): 20 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 20 mV / Div,
uG (vert.): 10 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 98 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uG (rot): 50 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 50 mV / Div,
uG (vert.): 20 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 246 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uG (rot): 100 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 100 mV / Div,
uG (vert.): 50 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 486 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uG (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 100 mV / Div,
uG (vert.): 100 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 1,56 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uG (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uG (vert.): 500 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uG

Tab. D2.3: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.2
Eingangsspannung
ueing.
Drainspannung
uC
Verstärkung
vu
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 1 70 mV 24 mV0,90 V0,31 V ≈ 13
Messung 2139 mV 49 mV1,77 V0,62 V ≈ 13
Messung 3278 mV 98 mV 3,7 V 1,2 V ≈ 12, Schaltung  zerrt leicht
Messung 4699 mV246 mV 6,1 V 2,3 VSchaltung  zerrt
Messung 51,38 V487 mV 7,1 V 2,9 VSchaltung  zerrt
Messung 64,41 V1,56 V 7,3 V 3 VSchaltung  zerrt
Tab. D2.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D2
Oszillogramme
Mess­schaltung D.2 –
ueing. und uD
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.2 –
uD vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uD (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  10 mV / Div,
uD (vert.): 50 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 49 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uD (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  20 mV / Div,
uD (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 98 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uD (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  50 mV / Div,
uD (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 246 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uD (rot): 1 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  100 mV / Div,
uD (vert.): 500 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 486 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  200 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 1,56 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  500 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 

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Mess­schaltung D.3 – N-Kanal-MOSFET 2N7000 mit Source­diode 1N5817

Schaltskizze

Abb. D.3:

Eingangs­kreis – ueing. vs. uG

Tab. D3.1: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.3
Eingangsspannung
ueing.
Gatespannung
uB
Eingangswiderstand
ri
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 1 70 mV 24 mV57,2 mV19,9 mV ≈ 39 kΩ
Messung 2139 mV 49 mV 114 mV 40 mV ≈ 36 kΩ
Messung 3278 mV 98 mV 230 mV 81 mV ≈ 38 kΩ, Schaltung  zerrt leicht
Messung 4697 mV246 mV 600 mV 213 mVSchaltung  zerrt 
Messung 51,38 V488 mV 1,25 V 441 mVSchaltung  zerrt 
Messung 64,43 V1,56 V 4,25 V 1,5 VSchaltung  zerrt 
Tab. D3.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D3
Oszillogramme
Mess­schaltung D.3 –
ueing. und uG
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.3 –
uG vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uG (rot): 10 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 10 mV / Div,
uG (vert.): 5 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 49 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uG (rot): 20 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 20 mV / Div,
uG (vert.): 10 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 98 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uG (rot): 50 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 50 mV / Div,
uG (vert.): 20 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 246 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uG (rot): 100 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 100 mV / Div,
uG (vert.): 50 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 488 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uG (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uG (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 1,56 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uG (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uG (vert.): 200 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uG

Tab. D3.3: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.3
Eingangsspannung
ueing.
Drainspannung
uC
Verstärkung
vu
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 1 70 mV 24 mV1,01 V0,35 V ≈ 15
Messung 2 139 mV 49 mV1,97 V0,69 V ≈ 14
Messung 3 278 mV 98 mV 3,7 V 1,3 VSchaltung  zerrt
Messung 4 698 mV246 mV 7,0 V 2,5 VSchaltung  zerrt
Messung 5 1,39 V490 mV 8,2 V 3,3 VSchaltung  zerrt
Messung 6 4,45 V1,56 V 7,9 V 3,7 VSchaltung  zerrt
Tab. D3.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D3
Oszillogramme
Mess­schaltung D.3 –
ueing. und uD
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.3 –
uD vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uD (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  10 mV / Div,
uD (vert.): 100 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 49 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uD (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  20 mV / Div,
uD (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 98 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uD (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  50 mV / Div,
uD (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 246 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uD (rot): 1 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  100 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 490 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  200 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 1,56 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  500 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 

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Mess­schaltung D.4 – P-Kanal-MOSFET BS250

Schaltskizze

Abb. D.4:

Eingangs­kreis – ueing. vs. uG

Tab. D4.1: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.4
Eingangsspannung
ueing.
Gatespannung
uB
Eingangswiderstand
ri
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 1 69 mV 24 mV 47 mV 16 mV  ≈ 16 kΩ
Messung 2137 mV 48 mV 94 mV 32 mV  ≈ 16 kΩ
Messung 3274 mV 96 mV191 mV 67 mV  ≈ 18 kΩ, Schaltung  zerrt leicht
Messung 4689 mV243 mV521 mV186 mV Schaltung  zerrt 
Messung 51,37 V484 mV1,29 V405 mV Schaltung  zerrt 
Messung 64,44 V1,56 V4,11 V1,43 V Schaltung  zerrt 
Tab. D4.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D4
Oszillogramme
Mess­schaltung D.4 –
ueing. und uG
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.4 –
uG vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uG (rot): 10 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  10 mV / Div,
uG (vert.): 5 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 48 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uG (rot): 20 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  20 mV / Div,
uG (vert.): 10 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 96 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uG (rot): 50 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  50 mV / Div,
uG (vert.): 20 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 243 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uG (rot): 100 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  100 mV / Div,
uG (vert.): 50 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 483 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uG (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  200 mV / Div,
uG (vert.): 100 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
1,56 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uG (rot): 200 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  500 mV / Div,
uG (vert.): 200 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – ueing. vs. uG

Tab. D4.3: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.4
Eingangsspannung
ueing.
Drainspannung
uC
Verstärkung
vu
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
Spitze-Spitze
[ Vpp ]
Effektivwert
[ Veff ]
[ clean ]
Messung 1 69 mV 24 mV0,88 V0,31 V  ≈ 13
Messung 2137 mV 48 mV 1,7 V0,61 V  ≈ 13
Messung 3274 mV 96 mV 3,3 V1,16 V  ≈ 12, Schaltung  zerrt leicht
Messung 4689 mV243 mV 6,3 V 2,3 V Schaltung  zerrt
Messung 51,37 V483 mV 8,4 V 3,2 V Schaltung  zerrt
Messung 64,43 V1,56 V 8,2 V 3,8 V Schaltung  zerrt
Tab. D4.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D4
Oszillogramme
Mess­schaltung D.4 –
ueing. und uD
X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.4 –
uD vs. ueing.
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 24 mV
Oszillogrammueing. (grün): 10 mV / Div,
uD (rot): 10 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 10 mV / Div,
uD (vert.): 100 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 48 mV
Oszillogrammueing. (grün): 20 mV / Div,
uD (rot): 20 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 20 mV / Div,
uD (vert.): 200 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 96 mV
Oszillogrammueing. (grün): 50 mV / Div,
uD (rot): 50 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 50 mV / Div,
uD (vert.): 500 mV / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 243 mV
Oszillogrammueing. (grün): 100 mV / Div,
uD (rot): 100 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 100 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 484 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uD (rot): 2 V / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
 ueing. = 1,56 V
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uD (rot): 2 V / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 

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Auswertung

Zunächst die gute Nachricht; bezüglich Eingangs­widerstand und Verstärkung verhalten sich die vier untersuchten Testschaltungen im wesentlichen wie erwartet (siehe die folgende Tabelle D5).  Der deutlich niedrigere Eingangs­widerstand der Schaltung mit dem p-Kanal-MOSFET BS250 erklärt sich aus dem kleineren Widerstand zwischen Gate und Drain.  Dieser kleinere Gate-Drain-Widerstand war notwendig, da der BS250 im Arbeitspunkt eine wesentlich größere Gate-Source-Spannung hat.  In diesem Fall wäre es sicher sinnvoller gewesen, RGmasse zu vergrößern, als RDG zu verkleinern. 

Tabelle D5: Eingangs­widerstand und Verstärkung der verschiedenen Mess­schaltungen
MOSFET Gate-Drain-Widerstand
RDG
Verstärkung
vU
Eingangswiderstand
reing.
Messschaltung D.1mit MOSFET CD4049UBE N-Kanal 680 kΩ1437 kΩ
Messschaltung D.2mit MOSFET CD4049UBE P-Kanal 680 kΩ1339 kΩ
Messschaltung D.3mit MOSFET 2N7000 mit Source­diode 1N5817680 kΩ1539 kΩ
Messschaltung D.4mit MOSFET BS250 330 kΩ1316 kΩ

Nach dem groben Überblick über die erreichten Eingangs­widerstände und Verstärkungen wieder ein Blick auf Oszillogramme und Lissajous-Figuren bei einer Aussteuerung, die den Arbeitspunkt in den Cut Off des MOSFET zieht (siehe die folgende Tabelle D6): 

Im Vergleich zu den Messungen und Bildern vorheriger Untersuchungen der Treblebooster-Schaltungen mit einem Germanium­transistors fallen zwei Unterschiede auf: 

Die Eingangs­signal­pegel, mit dem sich der Arbeitspunkt in den Cut Off verschiebt, sind bei den MOSFET-Trebleboosters wesentlich höher als bei den bisher getesteten Trebleboostern mit Germanium­transistoren und Emitterdioden. 

Weiterhin ist vom Graphen der Lissajous-Figur umschlossende Fläche wesentlich kleiner ( oder – um es anhand des Oszillogrammes zu beschreiben – das Oszillogramm des Ausgangs­signal des übersteuerten MOSFET-Trebleboosters ist weitgehend zeitsymmetrisch). 

Tabelle D6: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren der Test­schaltungen bei einer Aussteuerung, infolge derer der Arbeitspunkt an den Beginn des Cut Offs gewandert ist. 
Oszillogramme
ueing. und uD
X-Y-Graphen
uD vs. ueing.
Mess­schaltung D.1
6-fach N-Kanal-MOSFET CD4049UBE
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
ueing. = 477 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graph ueing. (hor.):  200 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Mess­schaltung D.2
6-fach P-Kanal-MOSFET CD4049UBE
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
ueing. = 486 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  200 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Mess­schaltung D.3
N-Kanal-MOSFET 2N7000 mit Source­diode
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
ueing. = 490 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  200 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Mess­schaltung D.4
P-Kanal-MOSFET BS250
Eingangs­signal­spannung:
Effektivwert:
ueing. = 484 mV
Oszillogrammueing. (grün): 200 mV / Div,
uD (rot): 2 V / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 200 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 

Weitere zwei mögliche Probleme sind bei der genaueren Betrachtung der Oszillogramme bzw. deren screenshots aufgefallen – in Mess­schaltung D.1 (Schaltung mit den sechs n-Kanal-MOSFET Arrays CD4049UBE) zeigen sich bei großer Aussteuerung im Wesentlichen zwei Merkwürdigkeiten; die Abbildungen in folgender Tabelle D.7 deuten es an: 

Tab. D7: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Ein- und Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D1 bei einer Eingangs­signal­spannung von 1,56 V (Effektivwert)
Mess­schaltung D.1
ueing. = 1,56 V
Oszillogramme
ueing. und uG
X-Y-Graphen
uG vs. ueing.
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uG (rot): 500 mV / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.): 500 mV / Div,
uG (vert.): 200 mV / Div 
Oszillogrammueing. (grün): 500 mV / Div,
uD (rot): 2 V  / Div 
X-Y-Graphueing. (hor.):  500 mV / Div,
uD (vert.): 1 V / Div 
Eingangs­widerstand:

Ein grundlegender Irrtum und ein mögliches Problem wird schnell deutlich – in den Vorüberlegungen war ja geplant worden, dass der Eingangs­widerstand durch eine Art Miller-Widerstand, bzw. durch den Quotienten von Gate-Drain-Widerstand und (negativer) Verstärkung bestimmt wird.  Das setzt natürlich voraus, dass der MOSFET das Signal überhaupt verstärkt. 

Das tut der MOSFET aber umso weniger, je stärker er übersteuert ist – bei großer Übersteuerung ist die Drainspannung konstant (der MOSFET ist entweder voll durchgesteuert oder sperrt) und „zieht“ lediglich bei einem Sprung /  Zustandswechsel von einem Zustand in den anderen „jede Menge Signal­strom“. 

Deutlich ist das in der Lissajous-Figur des Eingangs­signal­s zu erkennen, das Signal „macht einen Sprung“ bei einem Eingangs­spannungs­wert von etwa 500 mV; im Oszillogramm des Eingangs­signal­s ist ebenfalls ein Sprung zu erkennen. 

Schaut man parallel dazu auf das Oszillogramm des Ausgangs­signal­s, so sieht man, dass sich dieser Sprung während der ansteigenden oder abfallenden Flanke des Ausgangs­signal­s ereignet. 

Inwieweit dieses Phänomen klangliche Auswirkungen hat (zumal es im Ausgangs­signal nicht zu sehen ist) kann man schwer abschätzen– auch beim „echten“ Treblebooster kommen stoßartige Eingangs­ströme vor, nämlich dann, wenn die Basis-Emitter-Diode des Germanium­transistors leitend wird. 

Die Arbeits­punkt­ver­schiebungen, die bei Übersteuerung auftreten, scheinen zumindest vergleichbar mit denen zu sein, die bei der Untersuchung verschiedener Schaltungen mit Germanium­transistoren beobachtet wurden. 

Spannungs­einbruch am Ausgang:

Das zweite Problem zeigt sich am deutlichsten im Oszillogramm des Ausgangs­signal­s – in der oberen Kante des Ausgangs­signal­s bricht die Spannung ein.  Ein vergleichbarer Einbruch zeigt sich auch im Eingangs­signal.  Was passiert da?

Zur Erklärung sei auf die Innenschaltung eines Inverters des CD4049 in Abbildung D.5 verwiesen – hier gibt es mehrere parasitäre Dioden zwischen Gate und VSS (VSS ist die Invertermasse). 

Faksimile

Abb. D.5: Innen­schaltung eines MOSFET-Inverters CD4049, in diesem Fall von Texas Instruments – das Prinzipschaltbild wurde dem Datenblatt des Herstellers entnommen. 

In der Anwendung hier liegt aber – im Unterschied zu Darstellung im Datenblatt – VSS nicht auf Massepotential; VSS ist die hier Source des „Gesamt-MOSFET und zwischen VSS und Masse liegt noch RS.  Insofern ist natürlich folgende Szenario möglich:

Wenn die parasitäre Diode bei großen negativen Spannungs­spitzen am Gate leitend wird, fließt dieser Strom nicht nur zwischen Eingang und Masse, sondern auch durch Drain-Source-strecke des MOSFET und dessen Drainwiderstand, und verursacht so einen Spannungs­abfall am Drainwiderstand, d. h. einen Spannungs­einbruch (eine „Delle“) im Ausgangs­signal. 

Ob das ein klangliches Problem ist, ist nicht ganz klar – solche „Dellen“ im begrenzten Signal gelten in vergleichbaren Anwendungen (Gitterströme in der Kathodynschaltung) als klanglich unvorteilhaft.  Abgesehen davon soll hier noch angemerkt werden, dass beispielsweise in der Eingangs­stufe von Box of Rock eine Diode in vergleichbarer Art und Weise zwischen Gate Source ZVEX als Schutzdiode verwendet wird. 

Abhilfe schaffen könnte hier eine Schutzdiode vor dem Eingangs­kreisk­ondensator des Trebleboosters mit einer Durchbruchsspannung von mindestens 1,5 V – die Ruhespannung am Gate beträgt, bei einer Drainspannung von 7 V, etwa 2,3 V und die Sourcespannung etwa 1 V, so dass die parasitäre Diode zwischen Gate und Source auch erst bei negativer Signal­spitzen ≥ 1,5 V leitend wird. 

Zwei antiparallele rote LEDs vor dem Eingang (um Umladungen der Koppel­kondensatoren, bedingt zu durch asymmetrische Ableit­ströme durch die LEDs vermeiden) sollten hier genügen. Das in der folgenden Abbildung 6 enthaltene Kennliniendiagramm zweier roter LED 3 mm zeigt, die Dioden bei Diodenspannungen 1,5 V einen differentiellen Widerstand in Größenordnung eines passiven Tonabnehmer (einige Kiloohm) erreichen, das heißt, dass bei diesen Spannungen mit einer beginnenden Signalbegrenzung gerechnet werden kann. 

EXCEL-Diagramm

Abb. D.6: Dioden­strom und differentieller Widerstand von zwei roten LED in Abhängigkeit von der Dioden­spannung