Ideen zu einem Treblebooster für Humbucker – Anhang D

D MOSFET als Treblebooster – Mess­schaltungen zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• D.1 – 6-fach N-Kanal-MOSFET CD4049UBE
  
• D.2 – 6-fach P-Kanal-MOSFET CD4049UBE
  
• D.3 – N-Kanal-MOSFET 2N7000 mit Source­diode
  
• D.4 – P-Kanal-MOSFET BS250
  
• Auswertung
  

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 U_SS die Source und alle Inverterausgänge zusammen mit dem U_DD-Anschluss das Drain.

Eingangs­kreis – u_eing. vs. u_G

Tabelle D1.1: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.1

	ueing. [mV]		uB [mV]		ri [kΩ]
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	70	24	57,7	19,8	≈ 37
2	140	49	114	40	≈ 35
3	278	98	230	81	≈ 38
4	698	246	603	214	≈ 53 (zerrt)
5	1 380	488	1 250	443	(zerrt)
6	4 430	1 560	3 960	1 440	(zerrt)

Bilder­tabelle D1.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D1: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.1: 
u_eing. und u_G

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.1: 
u_G vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_G (rot): 10 mV / Div 

u_eing. (hor.): 10 mV / Div,
u_G (vert.): 5 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 49 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_G (rot): 20 mV / Div 

u_eing. (hor.): 10 mV / Div,
u_G (vert.): 10 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 98 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_G (rot): 50 mV / Div 

u_eing. (hor.): 25 mV / Div,
u_G (vert.): 25 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 246 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_G (rot): 100 mV / Div 

u_eing. (hor.): 100 mV / Div,
u_G (vert.): 50 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 488 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_G (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.): 200 mV / Div,
u_G (vert.): 100 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 1,56 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_G (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_G (vert.): 200 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – u_eing. vs. u_G

Tabelle D1.3: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.1

	ueing. [mV]		uC [V]		vU
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	70	24	1,02	0,34	≈ 14
2	140	49	1,98	0,7	≈ 14
3	278	98	3,67	1,3	(zerrt)
4	699	246	6,73	2,4	(zerrt)
5	1 380	488	8,38	3,3	(zerrt)
6	4 430	1 560	7,85	3,8	(zerrt)

Bilder­tabelle D1.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D1: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.1: 
u_eing. und u_C

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.1: 
u_C vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_C (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.):  10 mV / Div,
u_C (vert.): 100 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 49 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_C (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.):  20 mV / Div,
u_C (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 98 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_C (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.):  50 mV / Div,
u_C (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 246 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_C (rot): 1 V  / Div 

u_eing. (hor.):  100 mV / Div,
u_C (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 477 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_C (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  200 mV / Div,
u_C (vert.): 1 V / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 1,53 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_C (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  500 mV / Div,
u_C (vert.): 1 V / Div 

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

Eingangs­kreis – u_eing. vs. u_G

Tabelle D2.1: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.2

	ueing. [mV]		uB [mV]		ri [kΩ]
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	70,5	24,5	59,6	20,4	≈ 39
2	140	49	120	41	≈ 41
3	279	98	236	82	≈ 41 (zerrt  leicht)
4	699	246	615	216	(zerrt)
5	1 380	486	1 240	441	(zerrt)
6	4 420	1 560	3 850	1 440	(zerrt)

Bilder­tabelle D2.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D2: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.2: 
u_eing. und u_G

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.2: 
u_G vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24,5 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_G (rot): 10 mV / Div 

u_eing. (hor.): 10 mV / Div,
u_G (vert.): 5 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 49 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_G (rot): 20 mV / Div 

u_eing. (hor.): 20 mV / Div,
u_G (vert.): 10 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 98 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_G (rot): 50 mV / Div 

u_eing. (hor.): 50 mV / Div,
u_G (vert.): 20 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 246 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_G (rot): 100 mV / Div 

u_eing. (hor.): 100 mV / Div,
u_G (vert.): 50 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 486 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_G (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.): 100 mV / Div,
u_G (vert.): 100 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 1,56 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_G (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_G (vert.): 500 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – u_eing. vs. u_G

Tabelle D2.3: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.2

	ueing. [mV]		uC [V]		vU
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	70	24	0,90	0,31	≈ 13
2	139	49	1,77	0,62	≈ 13
3	278	98	3,7	1,2	≈ 12 (zerrt  leicht)
4	699	246	6,1	2,3	(zerrt)
5	1 380	487	7,1	2,9	(zerrt)
6	4 410	1 560	7,3	3	(zerrt)

Bilder­tabelle D2.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D2: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.2: 
u_eing. und u_D

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.2: 
u_D vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_D (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.):  10 mV / Div,
u_D (vert.): 50 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 49 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_D (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.):  20 mV / Div,
u_D (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 98 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_D (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.):  50 mV / Div,
u_D (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 246 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_D (rot): 1 V  / Div 

u_eing. (hor.):  100 mV / Div,
u_D (vert.): 500 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 486 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  200 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 1,56 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  500 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

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

Eingangs­kreis – u_eing. vs. u_G

Tabelle D3.1: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.3

	ueing. [mV]		uB [mV]		ri [kΩ]
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	70	24	57,2	19,9	≈ 39
2	139	49	114	40	≈ 36
3	278	98	230	81	≈ 38 (zerrt  leicht)
4	697	246	600	213	(zerrt)
5	1 380	488	1 250	441	(zerrt)
6	4 430	1 560	4 250	1 500	(zerrt)

Bilder­tabelle D3.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D3: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.3: 
u_eing. und u_G

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.3: 
u_G vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_G (rot): 10 mV / Div 

u_eing. (hor.): 10 mV / Div,
u_G (vert.): 5 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 49 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_G (rot): 20 mV / Div 

u_eing. (hor.): 20 mV / Div,
u_G (vert.): 10 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 98 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_G (rot): 50 mV / Div 

u_eing. (hor.): 50 mV / Div,
u_G (vert.): 20 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 246 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_G (rot): 100 mV / Div 

u_eing. (hor.): 100 mV / Div,
u_G (vert.): 50 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 488 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_G (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.): 200 mV / Div,
u_G (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 1,56 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_G (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_G (vert.): 200 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – u_eing. vs. u_G

Tabelle D3.3: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.3

	ueing. [mV]		uC [V]		vU
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	70	24	1,01	0,35	≈ 15
2	139	49	1,97	0,69	≈ 14
3	278	98	3,7	1,3	(zerrt)
4	698	246	7,0	2,5	(zerrt)
5	1 390	490	8,2	3,3	(zerrt)
6	4 450	1 560	7,9	3,7	(zerrt)

Bilder­tabelle D3.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D3: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.3: 
u_eing. und u_D

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.3: 
u_D vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_D (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.):  10 mV / Div,
u_D (vert.): 100 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 49 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_D (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.):  20 mV / Div,
u_D (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 98 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_D (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.):  50 mV / Div,
u_D (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 246 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_D (rot): 1 V  / Div 

u_eing. (hor.):  100 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 490 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  200 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 1,56 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  500 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

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Mess­schaltung D.4 – P-Kanal-MOSFET BS250

Eingangs­kreis – u_eing. vs. u_G

Tabelle D4.1: Signal­spannungen, gemessen am Ausgang von Mess­schaltung D.4

	ueing. [mV]		uB [mV]		ri [kΩ]
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	69	24	47	16	≈ 16
2	137	48	94	32	≈ 16
3	274	96	191	67	≈ 18 (zerrt  leicht)
4	689	243	521	186	(zerrt)
5	1 370	484	1 290	405	(zerrt)
6	4 440	1 560	4 110	1 430	(zerrt)

Bilder­tabelle D4.2: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangs­kreis von Mess­schaltung D4: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.4: 
u_eing. und u_G

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.4: 
u_G vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_G (rot): 10 mV / Div 

u_eing. (hor.):  10 mV / Div,
u_G (vert.): 5 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 48 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_G (rot): 20 mV / Div 

u_eing. (hor.):  20 mV / Div,
u_G (vert.): 10 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 96 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_G (rot): 50 mV / Div 

u_eing. (hor.):  50 mV / Div,
u_G (vert.): 20 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 243 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_G (rot): 100 mV / Div 

u_eing. (hor.):  100 mV / Div,
u_G (vert.): 50 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 483 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_G (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.):  200 mV / Div,
u_G (vert.): 100 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung: 1,56 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_G (rot): 200 mV / Div 

u_eing. (hor.):  500 mV / Div,
u_G (vert.): 200 mV / Div 

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Verstärkung und Verzerrung – u_eing. vs. u_G

Tabelle D4.3: Signal­spannungen, gemessen am Eingang von Mess­schaltung D.4

	ueing. [mV]		uC [V]		vU
	pp	eff.	pp	eff.	clean
1	69	24	0,88	0,31	≈ 13
2	137	48	1,7	0,61	≈ 13
3	274	96	3,3	1,16	≈ 12 (zerrt  leicht)
4	689	243	6,3	2,3	(zerrt)
5	1 370	483	8,4	3,2	(zerrt)
6	4 430	1 560	8,2	3,8	(zerrt)

Bilder­tabelle D4.4: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D4: 

Oszillogramme
Mess­schaltung D.4: 
u_eing. und u_D

X-Y-Graphen
Mess­schaltung D.4: 
u_D vs. u_eing.

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 24 mV

u_eing. (grün): 10 mV / Div,
u_D (rot): 10 mV / Div 

u_eing. (hor.): 10 mV / Div,
u_D (vert.): 100 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 48 mV

u_eing. (grün): 20 mV / Div,
u_D (rot): 20 mV / Div 

u_eing. (hor.): 20 mV / Div,
u_D (vert.): 200 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 96 mV

u_eing. (grün): 50 mV / Div,
u_D (rot): 50 mV / Div 

u_eing. (hor.): 50 mV / Div,
u_D (vert.): 500 mV / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 243 mV

u_eing. (grün): 100 mV / Div,
u_D (rot): 100 mV / Div 

u_eing. (hor.): 100 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 484 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_D (rot): 2 V / Div 

u_eing. (hor.): 200 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Eingangs­signal­spannung:  u_eing.,eff = 1,56 V

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_D (rot): 2 V / Div 

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_D (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, R_Gmasse zu vergrößern, als R_DG zu verkleinern. 

Tabelle D5: Eingangs­widerstand und Verstärkung der verschiedenen Mess­schaltungen

Test	MOSFET	RGD [kΩ]	vU	reing. [kΩ]
D.1	CD4049UBE N-Kanal	680	14	37
D.2	CD4049UBE P-Kanal	680	13	39
D.3	2N7000 m.1N5817 (Source­diode)	680	15	39
D.4	BS250	330	13	16

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). 

Bilder­tabelle D6: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren der Test­schaltungen bei einer Aussteuerung, infolge derer der Arbeitspunkt an den Beginn des Cut Offs gewandert ist. 

Oszillogramme
u_eing. und u_D

X-Y-Graphen
u_D vs. u_eing.

Mess­schaltung D.1
6-fach N-Kanal-MOSFET CD4049UBE
Eingangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 477 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  200 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Mess­schaltung D.2
6-fach P-Kanal-MOSFET CD4049UBE
Eingangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 486 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  200 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Mess­schaltung D.3
N-Kanal-MOSFET 2N7000 mit Source­diode
Eingangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 490 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  200 mV / Div,
u_D (vert.): 1 V / Div 

Mess­schaltung D.4
P-Kanal-MOSFET BS250
Eingangs­signal­spannung: u_eing.,eff = 484 mV

u_eing. (grün): 200 mV / Div,
u_D (rot): 2 V / Div 

u_eing. (hor.): 200 mV / Div,
u_D (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: 

Bilder­tabelle D7: Signal­verläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet in Ein- und Ausgangs­kreis von Mess­schaltung D1 bei einer Eingangs­signal­spannung von 1,56 V (Effektivwert)

Mess­schaltung D.1
u_eing. = 1,56 V

Oszillogramme
u_eing. und u_G

X-Y-Graphen
u_G vs. u_eing.

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_G (rot): 500 mV / Div 

u_eing. (hor.): 500 mV / Div,
u_G (vert.): 200 mV / Div 

u_eing. (grün): 500 mV / Div,
u_D (rot): 2 V  / Div 

u_eing. (hor.):  500 mV / Div,
u_D (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 V_SS (V_SS ist die Invertermasse). 

In der Anwendung hier liegt aber – im Unterschied zu Darstellung im Datenblatt – V_SS nicht auf Massepotential; V_SS ist die hier Source des „Gesamt-MOSFET und zwischen V_SS und Masse liegt noch R_S.  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.