Dies ist ein Artikel aus dem TELEFUNKEN-SPRECHER Heft 49/1969
.

Im Rahmen des Aufsatzes über den Tuner T250 hifi ist im Heft 47/1968 des TELEFUNKEN-Sprechers auf die Vorteile hingewiesen worden, die sich durch die Verwendung von Feldeffekttransistoren in HF-Eingangs- und Mischstufen ergeben.

Wo es auf hohe Kreuzmodulationsfestigkeit und die Verarbeitung von großen Signalen ankommt, ist der Feldeffekttransistor (FET) dem herkömmlichen Transistor aufgrund seiner quadratisch verlaufenden Kennlinie und seines großen Aussteuerungsbereiches überlegen. Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft des FET ist sein hoher Eingangswiderstand, der etwa dem der Röhre gleich ist und damit neue schaltungstechnische Perspektiven eröffnet.
.

Der FET gehört zur Klasse der Unipolar-Transistoren. Damit wird ausgedrückt, daß der Stromtransport im Halbleiter-Kristall nur durch eine Ladungsträgerart erfolgt, während bei herkömmlichen Transistoren, die zu den bipolaren Ausführungen gehören, zwei Ladungsträger beteiligt sind.
.

Wie schon erwähnt, sind es in erster Linie der hohe Eingangswiderstand und die günstigen Rauscheigenschaften, die den Einsatz des FET in NF-Vorstufen lohnend machen.

Um für NF-Anwendungen ein möglichst optimales Konzept zu erreichen, ist zu dem BF 245 (HF-Typ) eine weitere Ausführung hinzugekommen: der BC 264. Er weist im NF-Bereich eine besonders niedrige Rauschzahl ruf: sie beträgt etwa 1 dB bei einem Generatorwiderstand von 1 MOhm. Ehe wir hier auf Einzelheiten der Schaltungsauslegung eingehen, seien einige grundsätzliche Bemerkungen zum Rauschverhalten eines NF-Verstärkers vorangestellt.

Am Ausgang eines Verstärkers tritt außer der gewünschten Signalspannung eine unerwünschte Störspannung auf. Das Verhältnis dieser beiden Spannungen bezeichnet man als Spannungs-Störabstand. DIN 45 500 schreibt für Verstärker und Empfangsanlagen Mindest-Störabstandswerte vor, die für eine hohe Wiedergabequalität (HiFi) erreicht werden müssen.

Während die durch Brummanteile herrührende Störspannung mit Siebmitteln und Abschirmmaßnahmen auf einen gehörmäßig nicht wahrnehmbaren Wert heruntergesetzt werden kann, ist das Verstärkerrauschen eine physikalisch definierte Größe.

Die durch das Rauschen hervorgerufene Störspannung läßt sich deshalb nicht völlig beseitigen. Es ist Aufgabe des Schaltungsentwicklers, durch entsprechende Auslegung des Konzeptes und Wahl geeigneter Verstärkerelemente die Störspannung auf einen möglichst geringen Wert herunterzudrücken.

Die unvermeidbare Rauschspannung setzt der möglichen Gesamtverstärkung eine Grenze. Es hat also keinen Sinn, über ein solches Verstärkungsmaß hinauszugehen, bei dem die am Ausgang erscheinende Rauschspannung zu stark ansteigt.

Das hat zwei Ursachen: erstens empfindet das Ohr bei kleinen Lautstärken nicht alle Frequenzen des Hörbereiches gleich laut, und zweitens sind pro Oktave die Frequenzen im unteren Hörbereich leistungsmäßig weniger beteiligt als die im oberen Frequenzgebiet.
.

Ein Beispiel soll das verdeutlichen: Bei tiefen Frequenzen umfaßt eine Oktave von 30 bis 60 Hz einen Frequenzbereich von 30 Hz, während die Oktave von 3000 bis 6000 Hz ein Frequenzband von 3000 Hz füllt und somit das 1OO-fache zur Rauschleistung beiträgt. Setzt man einen idealen Verstärker voraus, der überhaupt keinen Beitrag zum Rauschen liefert, dann rührt die am Ausgang auftretende Rauschspannung allein von dem ohmschen Quellwiderstand her, mit dem der Verstärkereingang abgeschlossen ist (Bild 3).
.

Jeder Widerstand stellt einen kleinen Rauschgenerator dar, der seine Rauschenergie aus der Wärme der Umgebung bezieht und dessen Rauschspannung an seinen Anschlußdrähten gemessen werden kann, wenn man ein ausreichend empfindliches Meßinstrument dazu verwendet.

Die in der Widerstandsschicht durch die Wärme verursachte Elektronenbewegung äußert sich als elektromotorische Kraft. Steigt die Temperatur, dann sind auch die Bewegungen der Elektronen heftiger, und die Rauschspannung steigt an.

An der Rauschleistung sind alle Frequenzen in gleichem Maße beteiligt. Ein ohmscher Widerstand liefert daher ein "weißes Rauschen" mit einem in Bild 2 dargestellten Spektrum.

Als weitere Rauschquellen, die das Rauschen eines Verstärkers im wesentlichen mitbestimmen, sind die aktiven Bauelemente zu nennen. Bei Röhren als auch bei Transistoren ist der Stromfluß der Ladungsträger nicht regelmäßig. Dem Mittelwert des Stromes sind stets geringe unregelmäßige Stromschwankungen überlagert.

Das führt zu ähnlichen Rauscherscheinungen wie die durch freie Elektronen in Widerständen hervorgerufene Wärmebewegung. Der Charakter des mit Schroteffekt bezeichneten Rauschens von Transistoren und Röhren unterscheidet sich daher nicht von dem weißen Rauschen bei Widerständen. Die Rauschleistung verteilt sich auch hier gleichmäßig über die Frequenzskala, so daß für das Schrotrauschen die Darstellung in Bild 2 herangezogen werden kann.

Zu dem "Schrotrauschen" tritt insbesondere bei Transistoren ein mit "Funkelrauschen" bezeichneter Störanteil hinzu. Der Funkeleffekt ist durch spontane Widerstandsänderungen zu erklären und wird auf Schwankungen der Leitfähigkeit an der Oberfläche des Halbleitermaterials zurückgeführt.

Die Störimpulse erfolgen spontan und unregelmäßig. Im Gegensatz zum "weißen Rauschen" sind beim Funkelrauschen einzelne Frequenzen oder Frequenzbänder stark betont, die Rauschleistung je Hertz steigt nach tiefen Frequenzen hin stark an.

Intensität und Frequenzgebiet der Störimpulse beeinflussen somit mehr oder weniger stark den akustischen Störeindruck. Das Funkelrauschen wird um so stärker wahrgenommen, je weiter die Störanteile in das mittlere Frequenzgebiet des Hörbereiches hineinreichen.

In besonders krassen Fällen kann der durch das Funkelrauschen verursachte Störeindruck den vom weißen Rauschen herrührenden Anteil völlig überdecken und alleinbestimmend für die Störspannung am Ausgang des Verstärkers sein.
.

Diese Voraussetzungen stehen aber mitunter im Widerspruch zu anderen an die Verstärkerstufe zu stellenden Forderungen, so daß nicht selten Kompromißlösungen gesucht werden müssen. Verlangt das Verstärkerkonzept große Eingangswiderstände, um einen hoch-ohmigen Quellwiderstand - z. B. einen Kristalltonabnehmer - nicht zu belasten, so sind bei Verwendung von bipolaren Transistoren Schaltungsmaßnahmen erforderlich, die einen nicht unerheblichen Aufwand an Bauelementen benötigen.

Da eine beträchtliche Erhöhung des Eingangswiderstandes der Verstärkerstufe auf Kosten der Verstärkung geht, muß die Verstärkungseinbuße unter Umständen durch eine zusätzliche nachfolgende Verstärkerstufe ausgeglichen werden.

Der Gleichstrom-Arbeitswiderstand wird durch den 8,2 kOhm Widerstand gebildet, während der Widerstand von 1 kOhm an der Source-Elektrode zwei Aufgaben erfüllt: er erzeugt automatisch die Gate-Vorspannung, und er bewirkt außerdem eine stromproportionale Gegenkopplung, die den Klirrfaktor heruntersetzt und Exemplarstreuungen und deren Auswirkung auf den Drainstrom verringert.

Der Arbeitswiderstand am Gate sorgt schließlich dafür, daß die Vorspannung zwischen Gate und Source wirksam wird. Sein Widerstandswert ist mit 1 MOhm groß genug bemessen, um merkbare Belastungen auf hochohmige Quellen (Kristall-Tonabnehmer) auszuschließen.

Der Drainstrom des FET zeigt in Abhängigkeit von der Gate-Vorspannung das gleiche typische Verhalten wie der Anodenstrom als Funktion der Gittervorspannung bei Röhren. Die Feldeffekttransistoren weisen aber den Nachteil auf, daß der Drainstrom sehr starken Exemplarstreuungen unterworfen ist.
.

Der Hersteller unterteilt daher die gesamte Streubreite des Drainstromes in einzelne Gruppen. Für den Typ BC 264 sind vier Gruppen vorgesehen, die mit den Buchstaben A bis D gekennzeichnet sind. Der FET im Vorverstärker des Concertino gehört zur Drainstrom-Gruppe D. Beim Austausch von Transistoren ist darauf zu achten, daß nur Feldeffekttransistoren dieser Gruppe eingesetzt werden.

Die Streuungen des bei Gatespannung Null gemessenen Drainstromes der Gruppe D liegen zwischen 7 und 12 mA. Das scheinen zunächst - verglichen mit bipolaren Transistoren - sehr hohe Werte zu sein. Auch die Streubreite des Stromes ist trotz der Gruppensortierung noch ungewöhnlich groß.

In der praktisch ausgeführten Schaltung werden jedoch der Absolutwert als auch die Streuungen des Drainstromes durch den Source-Widerstand sehr stark herabgesetzt. Die Darstellung in Bild 7 soll das veranschaulichen. Dort sind die Kennlinien des Drainstromes Ids in Abhängigkeit von der Gatespannung Ugs für zwei Grenz-Transistoren eingezeichnet. Die eine Kennlinie weist bei Ugs = O einen Drainstrom Ios von 7 mA, die andere von 12 mA auf. Im Kennlinienfeld ist außerdem die Widerstandsgerade des Source-Widerstandes Rs angegeben. Die Schnittpunkte der Widerstandsgeraden mit den beiden Kennlinien geben nun die Grenzwerte der tatsächlichen, in der Schaltung fließenden Ströme an, die zwischen 1,5 mA und 2,4 mA liegen.

Der Arbeitspunkt des FET in der Schaltung nach Bild 6 läßt sich sehr einfach kontrollieren. Dazu braucht lediglich der Spannungsabfall am Source-Widerstand gemessen zu werden. Der gemessene Wert ist die wirksame Gate-Vorspannung. Der Drainstrom errechnet sich aus dem Spannungswert und dem Source-Widerstand.

Das bedeutet, daß der Feldeffekttransistor eine auf den Eingang der Verstärkerstufe bezogene Rauschspannung von

Feldeffekttransistoren sind insofern interessante Bauelemente, als sie einige vorteilhafte Eigenschaften von Röhren und bipolarer Transistoren in sich vereinigen. Geringes Rauschen, insbesondere im Funkelgebiet sind wesentliche Merkmale, die den FET gegenüber herkömmlichen Transistoren kennzeichnen und daher gute Rauscheigenschaften von NF-Eingangsstufen mit hohem Eingangswiderstand ermöglichen. Der Arbeitspunkt läßt sich wie bei Röhren nach dem Prinzip der »automatischen Gittervorspannung« einstellen. Dadurch ergeben sich einfachere Schaltungen als bei bipolaren Transistoren.

Der BC264 und der in HF-Stufen verwendete BF245 gehören vom Aufbau her in die Gruppe der Sperrschicht-Feldeffekttransistoren. Sie sind nicht zu verwechseln mit dem MOS-Feldeffekttransistor, bei dem die Gate-Elektrode durch eine dünne Oxydschicht vom Halbleiterkristall isoliert ist.

Dieser Aufbau verleiht dem MOS-FET Eigenschaften, die für Schaltungen in der kommerziellen Technik von Nutzen sind, jedoch beim Umgang mit den Transistoren zu besonderen Vorsichtsmaßnahmen zwingen, um eventuelle Durchschläge durch statische Aufladungen der Gate-Elektrode zu vermeiden.

Beim Arbeiten mit Sperrschicht- Feldeffekttransistoren sind dagegen Durchschläge nicht zu befürchten. Diese Transistoren sind für den Service problemlos.

F. Franke - aus TELEFUNKEN-SPRECHER Heft 49/1969
.