Mosfet Sourcefolger als Buffer gibt negative Spannung

[Georg S. (georgschmied)]

Hi,

ich möchte eine Bufferschaltung realisieren für Eingangsspannungen 
zwischen 0 bis 5 Volt, wobei im Extremfall auch Spannungen von -7 bis 12 
Volt anliegen können. Der Ausgangsbereich soll aber jedenfalls nur 
zwischen 0 bis 5 Volt liegen, alles darunter oder drüber wird bei 0 bzw. 
5 Volt quasi abgeschnitten. Versorgungsspannung ist 5 V.

Ich habe hierfür einen Sourcefolger realisiert (siehe Bild) und in 
LTSpice simuliert. Mein Problem ist, dass nach Eingangspulsen > 5 Volt 
oder bei negativen Eingangsspannungen der Ausgang negativ wird (im Bild 
zu sehen z.b. -1.1 V). Warum ist dies so? Für bessere 
Schaltungsvorschläge wäre ich sehr dankbar!

LG Georg

[H. H. (hhinz)]

Da hast du wohl bei der Erstellung des Symbols gemurkst.

[Georg S. (georgschmied)]

Ja :-) aber das beeinflusst nicht das Verhalten des Mosfets..

[H. H. (hhinz)]

Georg S. schrieb:
> Ja :-) aber das beeinflusst nicht das Verhalten des Mosfets..

Ach so, du bist der große Experte.

Dann viel Glück noch.

[Florian L. (muut)]

Nimm doch mal einen vergleichbaren FET aus der Bibliothek.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Georg S. schrieb:
> Der Ausgangsbereich soll aber jedenfalls nur zwischen 0 bis 5 Volt
> liegen, alles darunter oder drüber wird bei 0 bzw. 5 Volt quasi
> abgeschnitten.
Warum machst du das nicht mit einer Diodenklemmschaltung wie es der Rest 
der Welt macht?

            5V
             |
             -
             ^
             |
In ----Rv----o----- 0..5V
             |
             -
             ^
             |
            GND

Georg S. schrieb:
> Für bessere Schaltungsvorschläge wäre ich sehr dankbar!
Wenn schon ein Mosfet, dann sicher nicht in Drainschaltung (= 
Sourcefolger). Denn deine "high"-Ausgangsspanung wird hier immer um 
mindestens Vgsth niedriger sein als die Eingangsspannung.

[Georg S. (georgschmied)]

@Florian:
Da beobachte ich dasselbe Verhalten.

@Lothar:
Auch da gehts ins Negative in der Simulation. Meine Schaltung habe ich 
am Ausgang zusätzlich auch mit Schottky-Dioden so besichert. Aber auch 
dann geht es bis -400mV runter. Das mit dem Abzug von Vth am Ausgang ist 
nicht so problematisch in meinem Fall.


Danke für eure Beiträge.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Georg S. schrieb:
> Aber auch dann geht es bis -400mV runter.
Ja, wo ist das Problem?

Aber wenn diese paar mV ein Problem sind, dann mach dahinter doch 
einfach einen 5V-CMOS-Schmitttrigger.

> nicht so problematisch in meinem Fall.
Was ist denn überhaupt "dein Fall"? Welche Aufgabe willst du mit dieser 
Schaltung lösen?

[Georg S. (georgschmied)]

@Lothar:
Im Anschluss ist keine digitale Schaltung, sondern ein Komparator, der 
die Eingangsspannungen mehrerer Kanäle auf einen Schwellwert hin 
vergleicht. Den Vth-Abzug kann ich dann durch eine passende 
Schwellwertsetzung kompensieren. Wichtig ist nur, dass die 
Ausgangsspannung im Bereich zwischen 0 bis 5V liegt, Toleranz hierfür 
sind maximal +/- 100mV, der Komparator IC hat sein abs. max. bei maximal 
+/- 300mV.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Georg S. schrieb im Beitrag #786553

> Im Anschluss ist keine digitale Schaltung, sondern ein Komparator

Welcher?

> Den Vth-Abzug kann ich dann durch eine passende
> Schwellwertsetzung kompensieren.

Sicher? Wie kompensierst du die Exemplarstreuung? Wie die 
Temperaturdrift?

> Wichtig ist nur, dass die
> Ausgangsspannung im Bereich zwischen 0 bis 5V liegt, Toleranz hierfür
> sind maximal +/- 100mV, der Komparator IC hat sein abs. max. bei maximal
> +/- 300mV.

Also Bullshit. Ein simpler Vorwiderstand täte den Job, denn die 
Schutzdioden hat der Komparator ja offensichtlich schon integriert. Die 
Eingangsspannung ist nur deswegen limitiert, damit man die Schutzdioden 
nicht überlastet. Dazu braucht es aber nicht nur Spannung, sondern auch 
Strom.

Die Schutzdioden sind sicher Si-PN-Übergänge (Schottky hätte viel zuviel 
Leckstrom). ½-mal darfst du raten, wieviel Strom bei 300mV durch die 
Schutzdiode fließen kann. Und ob die davon kaputt gehen wird.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Georg S. schrieb:
> der Komparator IC hat sein abs. max. bei maximal +/- 300mV.
... weil dann die internen Schutzdioden zu leiten beginnen.

Georg S. schrieb:
> Den Vth-Abzug kann ich dann durch eine passende Schwellwertsetzung
> kompensieren.
Für ein einzelnes Exemplar kann man das so hintrimmen. Allerdings sollte 
man dann abschätzen, ob die Temperaturabhängigkeit (und Serienstreuung) 
der Ugsth auch tatsächlich irrelevant ist.

[Jens G. (jensig)]

Georg S. schrieb:
> Ich habe hierfür einen Sourcefolger realisiert (siehe Bild) und in
> LTSpice simuliert. Mein Problem ist, dass nach Eingangspulsen > 5 Volt
> oder bei negativen Eingangsspannungen der Ausgang negativ wird (im Bild
> zu sehen z.b. -1.1 V). Warum ist dies so?

Weil die Cgs und der R2 einen Hochpass bilden, der dann relevant wird, 
wenn Ugs_thres (etwa) unterschritten wird. In dem Zeitbereich, denn du 
da darstellst, folgt S mehr oder weniger dem G. Aber nicht, weil das ein 
Spannungsfolger ist, sondern eben wegen dem Hochpass.
Im ms-Bereich sollte sich die Spannung wieder "normalisieren".

Aber das Wörtchen "Spannungsfolger" ist eher nur theoretischer Natur, 
denn bei realen Transistoren folgt S dem G (bzw. E dem B) eh' nur in 
einem reichlichen Abstand von Ugs_thres (wieder nur etwa) bzw. Ube. Mit 
einem Komparator nach solch einem "Spannungsfolger" was sinnvolles 
machen zu wollen, ist sowieso aussichtslos, da Du Ugs_thres rausrechnen 
müsstest ...

[H. H. (hhinz)]

Jens G. schrieb:
> Cgs

Bei einem BSS138 nur wenige 10pF.

[Jens G. (jensig)]

H. H. schrieb:
> Jens G. schrieb:
>> Cgs
>
> Bei einem BSS138 nur wenige 10pF.

Was aber weiterhin "riesige" Zeitkonstanten gegenüber seinen Zeiträumen 
darstellt.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Warum eigentlich MOSFet? Immerhin hat ein BJT NPN Transistor wenigstens 
konstante Ube von etwa 0,6-0,7V auch zwischen verschiedenen Exemplaren. 
Und ein Emitterfolger belastet die Quelle auch nur wenig.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Matthias S. schrieb:
> Warum eigentlich MOSFet?

Mit einer gegengekoppelten P-Mosfetstufe bekommt man die 
impedanzgewandelte stufenlose Ausgangsspannung von 0 bis 5V relativ 
genau hin.

Die beiden Klemmdioden sind nur dazu da, falls die Eingangsspannung mal, 
so wie beim TE, überschritten wird oder in den negativen Bereich geht.

[Georg S. (georgschmied)]

@Enrico E: Danke, das ist mit Abstand der beste Vorschlag, ich habe es 
ähnlich umgesetzt