In unserem ersten neuen Selbstbauprojekt haben wir uns für ein Soundkarteninterface entschieden. Dieses dient der Verbindung zwischen Computer mit Soundkarte und dem Transceiver. Die Materialkosten lagen bei ca. 8 €, gebastelt wurde dafür an drei Nachmittagen. Insgesamt haben wir 13 solcher Interfaces gebaut, von denen die meisten bereits erfolgreich eingesetzt werden.

Das Interface ermöglicht, Töne von der Soundkarte über den Transceiver auszusenden, umgekehrt die empfangenen Signale mit der Soundkarte in den PC einzuspeisen und schliesslich die PTT des Transceivers über eine serielle Schnittstelle zu steuern und den TRX so auf Sendung zu schalten. Früher benötigte man für die Digitalen Betriebsarten ein meist sehr kostenintensives Zusatzgerät, den sogen Multimode Controller, heutzutage reicht für die meisten Digitalen Betriebsarten ein PC mit Soundkarte völlig aus.


Um den Nachbau zu ermöglichen, stellen wir den Schaltplan und die Gebrauchsanweisung zur Verfügung. Das Interface kann auf einer normale Streifenrasterplatine aufgebaut werden.

Autor: Erik Beckers, DL2KEB

Die Herausforderung (bzw. das Problem):

Bei der Durchführung meines Black Forest Bauprojektes kam ich an einen Punkt, dass trotz intensiver Bemühungen keine Verbesserungen des Empfängers mehr möglich war. Der Sender arbeitete ebenfalls nicht zufriedenstellend, d.h. er erreichte nicht die vom Entwickler angegebene Ausgangsleistung. Mein Funkfreund Nick, PA2NJC, gab mir den Tip, einmal die verwendeten Halbleiter, sprich Transistoren zu überprüfen. Bisher glaubte ich immer, ein bestimmter Transistortyp habe ganz bestimmte, in sehr engen Grenzen gesteckte Parameter, und man müsse immer beim Aufbau einer Schaltung genau den angegebenen Transistortypen verwenden. Doch das stimmt nicht, wie der entsprechende Versuch zeigt. Eine sehr gute Einführung in diese Thematik, die speziell auf JFets und MOSFets anwendbar ist, stellt das JFet Biasing Tutorial von Wes Hayward, W7ZOI [1] dar.

Die Verstärkung eines Fets wird durch die Steilheit (Yfs oder Gfs) angegeben. Diese ist ein Mass für die Änderung des Stromes, der zwischen Drain und Source fliesst, bezogen auf die Spannungsänderung am Gate. Je höher die Änderung des Stroms zwischen Drain und Source bei einer bestimmten Spannungsänderung am Gate ist, desto höher ist die Verstärkung des Transistors. Die in den Transistordatenblättern angegebenen Werte für die Steilheit beziehen sich auf eine Spannung zwischen Drain und Source von 0 Volt. Für die Messung dieses Wertes sind keine grossen Klimmzüge erforderlich. Es genügt, zwei bestimmte Werte zu messen und daraus die Steilheit zu berechnen. Die zu messenden Werte sind der Drainstrom Idss, der bei einem Kurzschluss des Gates mit der Source fliesst, und die Abschnürspannung (pinch-off voltage) Vp, d.h. die Gate-Spannung, bei der der Drainstrom fast Null ist. Diese beiden Werte setzt man in die folgende Formel ein und erhält die Steilheit:

Formel 1: Berechnung der Steilheit bei Vds=0 Volt.

Für den mathematisch Interessierten: Diese Formel entsteht, wenn man aus der Formel in Bild 1 aus W7ZOI JFet Biasing Tutorial [1] die erste Ableitung bildet. Das Ergebnis ist in Gleichung 1 ebenfalls in diesem Tutorial zu sehen. Anschliessend setzt man für Vgs=0 Volt ein, und erhält so die oben angegebene Formel. Für die ganz Harten sei das Buch Introduction to Radio Frequency Design von Wes Hayward [2] empfohlen. Dort wird die ganze Mathematik unter anderem zum Thema Transistormodell genauestens erläutert.

Die Messung

Mit dieser kleinen Schaltung lassen sich die beiden Werte Idss und Vp recht schnell messen. R3 kann bei Messungen an JFet entfallen, dieses Poti dient zur Vorspannungserzeugung des zweiten Gates bei einem Dual Gate Mosfet. Der zu testende Transistor wird noch nicht eingesetzt, zuerst schliesst man die Betriebsspannung an und stellt am Anschluss von Gate 2 eine Spannung von 4-5 Volt ein. Falls man das Datenblatt zur Hand hat, kann man den Wert einstellen, den der Hersteller des Transistors für die Messung der Steilheit verwendet. Diese Spannung sollte während der Vergleichsmessungen nicht mehr verändert werden, weil sich bei unterschiedlichen Spannungen an Gate 2 die für uns wichtigen Parameter verändern und so eine Vergleichsmessung unmöglich machen. Die Messgeräte sollten für eine Spannungsmessung natürlich möglichst hochohmig und für die Strommessung niederohmig sein, da sonst wiederum falsch gemessen wird. Natürlich reicht für eine Vergleichsmessung auch ein erschwingliches Messgerät einfacherer Bauart aus.
Anschliessend setzt man den Transistor in die Schaltung ein und regelt Poti R2 so lange, bis das Amperemeter nur noch einen sehr kleinen Strom anzeigt. Der Strom wird in einer Grössenordnung von vielleicht 20 bis 100 Microampere liegen, der genaue Wert ist nicht so wichtig, viel wichtiger ist, die mit dem Voltmeter gemessene Spannung zu beobachten. Sie wird sich in einem bestimmten Bereich, der mit dem Poti R2 geregelt wird, so gut wie gar nicht mehr verändern. Sobald der Strom sehr klein wird, zeigt das Voltmeter schon einen sehr genauen Wert für Vp an. Die Hersteller der Halbleiter geben daher nie die Abschnürspannung bei einem Drainstrom von 0 Volt an, sondern immer bei einem etwas höheren Wert von z.B. 20 Microampere. Die Spannung an R2 entspricht nun der Abschnürspannung, da die Spannung am Gate durch den Spannungsabfall an R2 gegenüber der Spannung an der Source so niedrig ist, dass der Fet fast sperrt. Wir können also nun die Abschnürspannung Vp am Voltmeter ablesen und notieren.

Der zweite Schritt, die Messung des Kurzschlusstromes Idss, erfordert nur noch einen Tastendruck: Durch S1 wird Gate 1 mit der Source verbunden, durch diesen Kurzschluss sinkt die Spannung zwischen Gate 1 und Source auf 0 Volt. Der Strom, der nun durch das Amperemeter fliesst, ist der Kurzschlussstrom Idss, der ebenfalls notiert wird. Wer über einen Computer mit einer Tabellenkalkulation verfügt, kann die Messwerte auch gleich in eine Tabelle eintragen und das Ergebnis berechnen lassen. Setzt man die Spannung Vp in V und den Strom Idss in mA ein, so ist das Ergebnis in der Einheit mS. In amerikanischen Datenblättern erscheint häufig die Einheit µmhos. Diese lässt sich recht einfach in mS umrechnen: 1000 µmhos sind 1 mS. Somit kann man überprüfen, ob die gemessenen Transistoren innerhalb der Spezifikationen des Herstellers liegen oder nicht.

Schaltungsaufbau

Der Aufbau der Schaltung gestaltet sich recht einfach. Für die Messung an einem normalen JFet reicht eine rasch zusammengelötete Schaltung mit einem Transistorsockel aus.

Bild 1: TO-50 Gehäuse

Wegen der besonderen Bauart moderner Dual Gate Mosfets im TO-50 Gehäuse, bei denen die Anschlüsse sternförmig in vier Richtungen abstehen, wurde für diese Bauform ein anders Konzept gewählt, siehe Bild 2: Aus einer kupferbeschichteten Platine wurden die benötigten Anschlüsse freigefrässt. Die schwarzen Flächen sind die Beschichtung, entlang der weissen Linien wurde die Beschichtung mit einer Trennscheibe für Modellbauer (Dremel) entfernt. Anschliessend wird mit einem Durchgangsprüfer oder Widerstandsmessgerät überprüft, ob die Leitungen sauber getrennt wurden. Die freigefrässten Anschlüsse dürfen keine Verbindung untereinander haben. Die Anschlussbezeichnungen wurden mit einem Edding aufgemahlt, G1 und G2 stehen für Gate 1 und 2, S steht für Source und D für Drain.

Die Anordnung der Anschlüsse war bei allen vom Autor verwendeten BF9xx-Typen identisch, im Einzelfall sollte man jedoch vor der Messung überprüfen, ob das Anschlussschema des Transistors zur Schaltung passt. Ein BF981 würde mit dem langen Anschluss (Drain) nach rechts in die Schaltung eingesetzt werden. Auf eine genaue Bemassung wurde verzichtet, wichtig ist nur, dass die Anschlüsse des Transistors vollständig auf den Flächen für G2, S und D aufliegen können, ohne einen Kurzschluss zu verursachen.

Das Loch in der Mitte wurde so gross gewählt, das der Transistor mit seinem Gehäuse so weit in die Platinen eintauchen kann, dass die Anschlüsse auf der Platine aufliegen. Zwischen den Anschlüssen "+" und "D" ist noch ein Widerstand von 100 Ohm einzulöten, die Anschlüsse "S" und "R2-a" sind mit einer Drahtbrücke zu verbinden. Die beiden verwendeten Potis und ein Taster können direkt auf die Platine aufgelötet werden, somit ergibt sich eine Einheit, an welche nur noch die beiden Messgeräte und die Spannungsversorgung angeschlossen werden müssen.

Um zu vermeiden, dass beim Einsetzen des Transistors in die Schaltung ein Kurzschluss entsteht, kann man die Flächen + und die Massefläche zwischen D und S mit etwas Isolierband abdecken. Die Schaltung sollte nur von erfahrenen Bastlern oder unter Anleitung eines solchen aufgebaut werden, für Schäden, die durch die Verwendung dieser einfach aufgebauten Schaltung entstehen, übernimmt der Autor keine Verantwortung.

Original (Link): JFET BIASING TUTORIAL BY W7ZOI

Diese Anleitung ist copyright © 2000-2001 von Wes Hayward, W7ZOI
Mit freundlicher Genehmigung des Autors aus dem Englischen übersetzt von Erik Beckers, DL2KEB

Vorspannung bei JFets und Verstärkerdesign W7ZOI, 30 Dez. 2000

Die Arbeitspunkteinstellung ist bei JFet-Transistoren im allgemeinen nicht aufwendiger als bei bipolaren Transistoren. In vielerlei Hinsicht verhalten sie sich grundsätzlich wie Röhren. Der Strom, der zwischen Drain und Source des FETs fliesst, wird von der Spannung zwischen Gate und Source, Vgs, kontrolliert. (Das ist die Spannung, die man mit einem Voltmeter messen würde, welches zwischen Gate und Source angeschlossen ist).

Die Schaltung in Bild 1 definiert die Parameter, die man zur Beschreibung des Gleichspannungsverhaltens eines FETs verwendet. Der 100 Ohm Widerstand wird eingefügt, um UHF-Schwingungen während der Messung zu unterdrücken. Es wird die Gatespannung V verändert und dabei der Drainstrom gemessen. Das Ergebnis wird anschliessend wie in Bild 1 dargestellt aufgezeichnet. Das Verhalten des FET wird durch die einfache quadratische Gleichung in Bild 1 beschrieben, sie enthält die zwei für den FET geltenden Parameter IDSS und VP. IDSS ist der Drainstrom, der bei einem Kurzschluss des Gates mit der Source fliesst. Die sogenannte Abschnürspannung (pinch-off voltage), VP, ist VGS bei einem Drainstrom von nahezu null. Source- und Gatestrom eines FETs sind identisch.

Grundsätzliches Verhalten eine N-Kanal JFet, Verarmungstyp
Die Nummern dienen zur Veranschaulichung der Grundidee.

Der Experimentierende, der einen JFet in einer Schaltung einsetzen möchte, wird am häufigsten die Methode einsetzen, die man automatische Vorspannungserzeugung (self biasing) nennt. Hierbei wird ein Widerstand in die Source-Leitung geschaltet. Das Gate wird mit Masse verbunden. Der Strom, der durch den FET fliesst, fliesst auch durch den Widerstand. Dieser Strom verursacht einen Spannungsabfall, der die Sourcespannung über die des Gates anhebt, dies entspricht einer negativen Vorspannung des Gates gegenüber der Source. Dadurch wird ein Drainstrom eingestellt, der kleiner als IDSS ist.

Die Drainspannung ist nicht weiter kritisch, weil sie ein paar Volt grösser als die Spannung an der Source ist.

Die Grösse des Widerstandes wird für einen bestimmten Arbeitspunkt nach Gleichung 1 berechnet, wenn IDSS und VP bekannt sind. Jedoch sind diese Parameter selten genau genug angegeben. Bei dem bekannten Transistor J310 zum Beispiel werden nur Bereiche angegeben: IDSS liegt zwischen 24 und 60 mA und VP liegt zwischen -2 und -6,5 Volt.

Mit der Schaltung aus Bild 2 können IDSS und VP bei einem bestimmten FET leicht gemessen werden. Die Schaltung wird mit verschiedenen Werten für den Source-Widerstand aufgebaut und die Sourcespannung wird mit einem hochohmigen Voltmeter gemessen. Die Abschnürspannung nimmt bei einem hohen Widerstandswert RS von ca. 100 Kiloohm den negative Wert der Sourcespannung an. (Gemeint ist hier wohl nicht der negative, sondern der kleinste Wert der Sourcespannung, diese entspricht Vp, Anmerkung des Übersetzers). Schliesst man die Source mit einem Amperemeter gegen Masse kurz, so kann man IDSS direkt ablesen. Durch diese einfache Messung stehen uns genug Daten zur Verfügung, um den Arbeitspunkt des FETs einzustellen.

Das Experiment wurde mit einem 2N54545 aus der Grabbelkiste durchgeführt, es ergaben sich die Parameter IDSS=11mA und VP=-2,8V. Mit diesen Parametern wurde die Spannungsgleichung nach Bild 1 gezeichnet, zu sehen in Bild 3. Zusätzliche Punkte wurden nachgemessen, es ergaben sich Punkte, die nahe an der berechneten Kurve lagen.

Daten und geglätteter Kurvenverlauf des gemessenen 2N5454.
Dieser FET hat eine Abschnürspannung von 2,8V und einen IDSS von 11 mA

Dieser Aufwand sollte praktisch bei jedem FET betrieben werden, den der Experimentator einsetzen möchte. Es reicht nicht aus, die Daten für einen bestimmten FET-Typ nachzuschlagen, obgleich man einigermassen übereinstimmende Werte erwarten kann, wenn es sich um Bauteile aus der selben Charge des Herstellers handelt.

Weiter oben wurde bereits der J310 mit seinem IDSS-Bereich von 24 bis 60 mA erwähnt. Mit einem Streubereich von 2,5:1 ist dieser noch einer der besseren unter den allgemein erhältlichen Bauteilen. Dagegen streut der früher sehr bekannte MPF-102 bezüglich IDSS im Verhältnis 10:1 (2 bis 20 mA), und VP liegt zwischen -0,5 und -7,5 Volt! Diese Bauteile sollten ganz klar mit äusserster Vorsicht eingesetzt werden. Es sind gute Bauteile für den Hochfrequenzbetrieb , aber zwei MPF-102 werden einander wohl kaum gleichen.

Der nach Bild 3 ausgemessene FET soll in einem Verstärker verwendet werden, und man möchte den Arbeitspunkt auf 5 mA einstellen. Der Punkt bei 5 mA wird aus der Grafik übernommen, und entspricht einer Spannung VGS von circa 0,9 Volt. Aus 0,9 Volt Spannungsabfall bei 5 mA ergibt sich ein Widerstand von 180 Ohm. Verwendet man die Gleichung 1, so ergibt sich ein Widerstand von 182 Ohm. Der Arbeitspunkt bei 5 mA ist in Bild 3 gestrichelt dargestellt.

Hat man den Arbeitspunkt eines FETs eingestellt, so kann er in einem Kleinsignalverstärker verwendet werden. Der wichtigste Parameter, der die Verstärkung des Transistors angibt, ist die Steilheit (engl. transconductance), die sich nach Gleichung 2 berechnen lässt. Die Steilheit ergibt sich aus dem Strom eines Signals im Drain, der sich mit der am Gate angelegten Spannung ändert. (die Steilheit hat die Einheit A/V, also Strom pro Änderung der Spannung, in Datenblättern wird diese in mS bzw µmhos angegeben, 1000 µmhos entspricht 1 mS, Anm.d.Ü.) Beachte, dass die Steilheit gM vom Strom des Arbeitspunktes abhängig ist. Die in den Datenblättern angegebene Steilheit gM entspricht dem Wert bei Betrieb des Transistors bei Idss.

Diese Daten wurden in unserer Beispiel-Verstärkerschaltung verwendet, um die Steilheit zu ermitteln.

Setzt man die ermittelten Daten für den 5 mA Arbeitspunkt in Gleichung 2 ein, so ergeben sich die Daten in Bild 4.

Ein Verstärker entsprechend Bild 5 wird als Puffer für eine Oszillatorschaltung verwendet. Dabei wird angenommen, der Ausgang des Oszillators liefere eine Spannung von 1 Volt Spitze-Spitze. Diese Spannungsänderung am Gate des FET führt dazu, dass ein Strom von 5,33 mA Spitze-Spitze fliesst. Der Übertrager besteht aus 15 Windungen primär in der Drainleitung und 3 Windungen sekundär auf einem Amidon FT37-43 Ringkern. Dieses Verhältnis der Windungszahlen transformiert die an der Sekundärwindung angelegten Last von 50 Ohm zu einer 1250 Ohm Last in der Drainleitung. Ein Strom von 5,3 mA Spitze-Spitze erzeugt eine Spannung von 6,25 Volt Spitze-Spitze. Liegt kein Einganggssignal an, so liegt die Drainspannung bei 11 Volt, positive und negative Auslenkung der Spannung um 3 Volt führen also nicht zu einer Spannungsbegrenzung. Der Strom schwankt um den 5 mA Arbeitspunkt, nach unten bis ungefähr 3 mA (immer noch grösser als null) und nach oben bis ungefähr 8 mA, also immer noch kleiner als Idss. Das Signal an der 50 Ohm Last wird durch den Übertrager auf 1.33 Volt Spitze-Spitze transformiert. Das sind ungefähr +6 dBm, genug Leistung, um einen Dioden-Ringmischer zu betreiben. Diese einfache Schaltung stellt einen sehr nützlichen Verstärker mit niedrigem Rauschen und hoher Effizienz dar.

Verstärker in Sourceschaltung, Arbeitspunkt 5 mA Drainstrom

Bild 6 zeigt einen FET Verstärker, bei dem eine aufwendigere Arbeitspunkteinstellung verwendet wird. Hier wird nun eine negative Spannungsversorgung verwendet, und der Widerstand, über den der Arbeitspunkt eingestellt wird, muss sich hier wie eine Konstantstromquelle verhalten. Mit dieser Methode können verschiedene FETs mit unterschiedlichen Parametern verwendet werden, wenn der Arbeitspunkt für Id<Idss-min eingestellt wurde. (Mit Idss-min ist wohl der kleinste auftretende Wert für Idss gemeint, Anmerkung des Übersetzers)