12.19 : Transistoren

Der MOSFET fungiert, wenn er in seinem aktiven Bereich betrieben wird, als spannungsgesteuerte Stromquelle. In diesem Bereich steuert die Gate-Source-Spannung den Drain-Strom. Dieses Prinzip liegt dem Betrieb des Transkonduktanz-MOSFET-Verstärkers zugrunde. Der Ausgangsstrom wird durch einen Lastwiderstand geleitet, um diesen Verstärker in einen Spannungsverstärker umzuwandeln. Die Ausgangsspannung wird dann erhalten, indem der Spannungsabfall über dem Lastwiderstand von der Versorgungsspannung abgezogen wird. Dieser Prozess führt zu einer invertierten Ausgangsspannung, die um die Versorgungsspannung verschoben ist.

Das Diagramm der Spannungsübertragungskennlinie des Verstärkers veranschaulicht die Beziehung zwischen der Ausgangs-Drain-Spannung und der Eingangs-Gate-Spannung. Dieses Diagramm ist entscheidend für das Verständnis des Verhaltens des Verstärkers. Es hebt den aktiven Bereich des Verstärkers hervor, in dem die Steigung der Kurve steil ist, was auf maximale Verstärkung hinweist. Dieser Bereich ist jedoch auch in Bezug auf die Drain-Spannung nicht linear.

Eine Gleichspannungsvorspannung wird an die Gate-Source-Verbindung angelegt, um eine nahezu lineare Verstärkung zu erreichen, wodurch der MOSFET an einem Ruhepunkt (Q-Punkt) innerhalb des aktiven Bereichs positioniert wird. Diese Vorspannung stellt sicher, dass der MOSFET in einem Bereich arbeitet, in dem sein Verhalten annähernd linear ist. Wenn dieser Gleichstromvorspannung ein kleines, zeitlich variierendes Signal überlagert wird, bewirkt dies, dass der MOSFET um den Q-Punkt herum arbeitet. Der MOSFET arbeitet daher innerhalb eines kurzen, nahezu linearen Abschnitts seiner Kennlinie, was zu einer verstärkten Ausgangsdrainspannung führt.

In praktischen Anwendungen ermöglicht dieser Aufbau dem MOSFET-Verstärker, kleine Wechselstromsignale effektiv zu verstärken. Die Verstärkung tritt auf, weil das kleine Eingangssignal die Gate-Spannung um den Q-Punkt herum moduliert, was proportionale Variationen im Drain-Strom verursacht. Diese Variationen werden in eine größere Ausgangsspannung über dem Lastwiderstand umgesetzt, wodurch eine Verstärkung erreicht wird.