Nachdem ich vor kurzem hier die einfache Konstantstromquelle mit BJT vorgestellt habe, heute nun das Pendant mit JFET.
Der JFET liefert, Gate mit Source kurzgeschlossen, eine Konstantstromquelle mit einem Strom von IDSS.
Viel Regulation ausser Selektion bietet diese Form nicht, ich gehe daher nicht weiter darauf ein.
Anders die Variante, wo das Gate über einen Sourcewiderstand mit der Source verbunden ist.
Durch diesen Sourcewiderstand lässt sich der Strom in Grenzen einstellen.
[Hinweis: zum Vergrössern der Bilder auf das Bild klicken.]
Zur Beurteilung der Linearität bei Spannungsänderung machen wir wie schon beim BJT eine DC-Simulation
über einen Versorgungsspannungsbereich von 1V bis 15V. Um verschiedene Konstantstromkurven zu erhalten,
steppen wir den Sourcewiderstand von 300R bis 4k7 in 100-Ohm-Schritten.
Für die Anzeige wählen wir Rechtsklick /Add traces / I(V2). [DC-Plot]
Unterhalb der Pinch-off-Spannung des verwendeten JFETs ist die Kurve erwartungsgemäss stark gekrümmt (ohmsche Region),
oberhalb davon ergibt sich ein relativ linearer Verlauf. Je grösser der Sourcewiderstand, desto linearer ist der Verlauf.
Um diese Sache besser beurteilen zu können, wählen wir eine Kurve unter den vielen aus.
Für den von mir gewählten FET 2N3819 wäre die 0.8mA-Kurve als Beispiel geeignet.
[Mitunter ist es hilfreich, das Autoranging für Plots auszuschalten: Plotfenster aktivieren, dann im Menu-bar Plot Settings / Autoranging]
Wie findet man nun die 0.8mA-Kurve unter den vielen heraus?
Dazu haben wir der DC-Simulation einige Messanweissungen beigefügt,
so der Fliessstrom (Ik) bei Ub=6V sowie den Koeffizienten zur Beurteilung der Linearität (dI.pro.V_uA).
[Dieser sagt uns, um wie viel Mikroampere (uA) der Fliessstrom pro Volt steigt(positiver Koeffizient).]
Wir finden die Messwerte in der Log-Datei, öffnen sie mit CTRL-L und suchen in der Tabelle von Ik
den gewünschten Strom, wir werden bei step 25 fündig.
Für die Anzeige im Plotfenster Rechtsklick / View / Select steps und den ermittelten Step 25 selektieren.
Ein schöner, linearer Verlauf, nicht wahr?
Für eine Gesamtbeurteilung lassen wir uns die Messwerte als Kurve anzeigen:
Öffnen der Log-Datei (CTRL-L), Rechtsklick, Plot step'd .meas data.
Im sich öffnenden (leeren) Fenster Rechtsklick / Add traces / Ik.
Im linken Teil verläuft die Kurve sehr steil, schon eine geringe Widerstandsänderung bedingt eine grössere Stromänderung.
Im rechten Teil ist der Kurvenverlauf flacher, hier kann man also wesentlich feinfühliger den gewünschten Strom einstellen.
In diesem Bereich ist auch die Linearität beachtenswert.
Bei einem Strom von 4.1mA (step 1) haben wir einen Koeffizienten von 3.8uA/V, bei einem Strom von 1mA nur einen von 0.38uA/V,
das ist um einen Faktor 10 besser! (Tabelle dI.pro.V_uA in der Log-Datei)
Wie standhaft ist unsere FET-Konstantstromquelle denn nun bei Temperaturschwankungen?
Dazu kommentieren wir die DC-Simulation aus, schalten stattdessen die OP-Simulation ein und messen den Strom
über einen Temperaturbereich von 10° bis 40°. Für die Anzeige: Rechtsklick / Add traces / I(V2).
Die Ableitung des Messtroms [ d(I(V2)) von Hand eingeben bei 'Add traces'] gibt uns den Temperaturkoeffizienten,
er ist positiv (Strom nimmt mit steigender Temperatur zu) und beträgt gemittelt ca. 130nA pro Grad Celsius (25° C).
Gar nicht mal so schlecht. Allerdings war die BJT-CCS mit 66nA pro Grad Celsius noch einen Ticken besser,
dafür bei der Linearität der Spannung mit ca. 210uA/V nicht ganz so gut wie der FET (worst case hier 4uA/V).
＿＿ ＿＿ ＿＿
Um die FET-Konstantstromquelle (FET: 2N3819) etwas bequemer für Tests und Experimente handhaben zu können,
habe ich sie in einen Subcircuit verpackt und ein Symbol dafür entworfen.
Der Strom ist zwischen 1mA und 4.1mA frei wählbar, um den Strom zu ändern gibt es zwei Möglichkeiten:
- Rechtsklick auf den Schriftzug "If=..." und da den gewünschten Strom eintragen [aber aufpassen, dass man den Text 'If=" nicht versehentlich löscht!]
- Rechtsklick auf das Symbol und im "Component Attribute Editor" in der Zeile "Value2" den Betrag ändern.
Im nachfolgenden Plot kann man die angezeigten Ströme mit den Vorgaben im Schaltplan vergleichen.
Wenn man mehr als 4mA benötigt, muss man eben 2 (oder auch mehr) CCS parallel schalten.
Dabei sollte man für gute Linearität den geringst möglichen Wert wählen.
Beispiel für 5mA:
4mA + 1mA * (gut)
3mA + 2mA ** (besser)
2.5mA + 2.5mA *** (am besten)
Dieses Zusammenspiel demonstrieren in der Beispielschaltung U4 (2.1mA) und U5 (1.8mA).
Beide zusammen ergeben 3.9mA, dieser Gesamtstrom wird im Plot durch den Strom von V2 [I(V2)] angezeigt.
Alle für die Simulation notwendigen Dateien sowie die Screenshots befinden sich im angefügten Archiv.
RudiS
Der JFET liefert, Gate mit Source kurzgeschlossen, eine Konstantstromquelle mit einem Strom von IDSS.
Viel Regulation ausser Selektion bietet diese Form nicht, ich gehe daher nicht weiter darauf ein.
Anders die Variante, wo das Gate über einen Sourcewiderstand mit der Source verbunden ist.
Durch diesen Sourcewiderstand lässt sich der Strom in Grenzen einstellen.
[Hinweis: zum Vergrössern der Bilder auf das Bild klicken.]
Zur Beurteilung der Linearität bei Spannungsänderung machen wir wie schon beim BJT eine DC-Simulation
über einen Versorgungsspannungsbereich von 1V bis 15V. Um verschiedene Konstantstromkurven zu erhalten,
steppen wir den Sourcewiderstand von 300R bis 4k7 in 100-Ohm-Schritten.
Für die Anzeige wählen wir Rechtsklick /Add traces / I(V2). [DC-Plot]
Unterhalb der Pinch-off-Spannung des verwendeten JFETs ist die Kurve erwartungsgemäss stark gekrümmt (ohmsche Region),
oberhalb davon ergibt sich ein relativ linearer Verlauf. Je grösser der Sourcewiderstand, desto linearer ist der Verlauf.
Um diese Sache besser beurteilen zu können, wählen wir eine Kurve unter den vielen aus.
Für den von mir gewählten FET 2N3819 wäre die 0.8mA-Kurve als Beispiel geeignet.
[Mitunter ist es hilfreich, das Autoranging für Plots auszuschalten: Plotfenster aktivieren, dann im Menu-bar Plot Settings / Autoranging]
Wie findet man nun die 0.8mA-Kurve unter den vielen heraus?
Dazu haben wir der DC-Simulation einige Messanweissungen beigefügt,
so der Fliessstrom (Ik) bei Ub=6V sowie den Koeffizienten zur Beurteilung der Linearität (dI.pro.V_uA).
[Dieser sagt uns, um wie viel Mikroampere (uA) der Fliessstrom pro Volt steigt(positiver Koeffizient).]
Wir finden die Messwerte in der Log-Datei, öffnen sie mit CTRL-L und suchen in der Tabelle von Ik
den gewünschten Strom, wir werden bei step 25 fündig.
Für die Anzeige im Plotfenster Rechtsklick / View / Select steps und den ermittelten Step 25 selektieren.
Ein schöner, linearer Verlauf, nicht wahr?
Für eine Gesamtbeurteilung lassen wir uns die Messwerte als Kurve anzeigen:
Öffnen der Log-Datei (CTRL-L), Rechtsklick, Plot step'd .meas data.
Im sich öffnenden (leeren) Fenster Rechtsklick / Add traces / Ik.
Im linken Teil verläuft die Kurve sehr steil, schon eine geringe Widerstandsänderung bedingt eine grössere Stromänderung.
Im rechten Teil ist der Kurvenverlauf flacher, hier kann man also wesentlich feinfühliger den gewünschten Strom einstellen.
In diesem Bereich ist auch die Linearität beachtenswert.
Bei einem Strom von 4.1mA (step 1) haben wir einen Koeffizienten von 3.8uA/V, bei einem Strom von 1mA nur einen von 0.38uA/V,
das ist um einen Faktor 10 besser! (Tabelle dI.pro.V_uA in der Log-Datei)
Wie standhaft ist unsere FET-Konstantstromquelle denn nun bei Temperaturschwankungen?
Dazu kommentieren wir die DC-Simulation aus, schalten stattdessen die OP-Simulation ein und messen den Strom
über einen Temperaturbereich von 10° bis 40°. Für die Anzeige: Rechtsklick / Add traces / I(V2).
Die Ableitung des Messtroms [ d(I(V2)) von Hand eingeben bei 'Add traces'] gibt uns den Temperaturkoeffizienten,
er ist positiv (Strom nimmt mit steigender Temperatur zu) und beträgt gemittelt ca. 130nA pro Grad Celsius (25° C).
Gar nicht mal so schlecht. Allerdings war die BJT-CCS mit 66nA pro Grad Celsius noch einen Ticken besser,
dafür bei der Linearität der Spannung mit ca. 210uA/V nicht ganz so gut wie der FET (worst case hier 4uA/V).
＿＿ ＿＿ ＿＿
Um die FET-Konstantstromquelle (FET: 2N3819) etwas bequemer für Tests und Experimente handhaben zu können,
habe ich sie in einen Subcircuit verpackt und ein Symbol dafür entworfen.
Der Strom ist zwischen 1mA und 4.1mA frei wählbar, um den Strom zu ändern gibt es zwei Möglichkeiten:
- Rechtsklick auf den Schriftzug "If=..." und da den gewünschten Strom eintragen [aber aufpassen, dass man den Text 'If=" nicht versehentlich löscht!]
- Rechtsklick auf das Symbol und im "Component Attribute Editor" in der Zeile "Value2" den Betrag ändern.
Im nachfolgenden Plot kann man die angezeigten Ströme mit den Vorgaben im Schaltplan vergleichen.
Wenn man mehr als 4mA benötigt, muss man eben 2 (oder auch mehr) CCS parallel schalten.
Dabei sollte man für gute Linearität den geringst möglichen Wert wählen.
Beispiel für 5mA:
4mA + 1mA * (gut)
3mA + 2mA ** (besser)
2.5mA + 2.5mA *** (am besten)
Dieses Zusammenspiel demonstrieren in der Beispielschaltung U4 (2.1mA) und U5 (1.8mA).
Beide zusammen ergeben 3.9mA, dieser Gesamtstrom wird im Plot durch den Strom von V2 [I(V2)] angezeigt.
Alle für die Simulation notwendigen Dateien sowie die Screenshots befinden sich im angefügten Archiv.
RudiS
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