Messung der elektrischen Aktivität biologischer Zellen mit - FG ...

Messungen der lokalen extrazellulären Spannung mit Feld-Effekt-Transistoren 31
Arbeitspunkt der Transistoren
Spalt V J zwischen Zelle und Gatebereich des Transistors entsteht durch den Spannungsabfall
am Abdichtwiderstand (siehe Abb. 8: spezifischer Abdichtleitwert g J )
zwischen der Zellmbran und der Substratoberfläche. Die lokale extrazelluläre Spannung
bezieht sich somit auf das Badpotential (Masse-Potential) und überlagert sich
diesem Potential als Kleinsignalanteil. Der Drain-Anschluß wird durch einen Strom-
Spannungs-Umsetzer (Transimpedanzverstärker) auf dem virtuellen festen Potential
der Spannungsquelle U DG gehalten.
Bei diesem Aufbau ist das Bad (Elektrolyt), das dem Gate der Transistoren entspricht,
auf Masse-Potential gelegt. Diese ungewöhnliche Beschaltung ist notwendig,
da das Bad mit einem Elektrolyten-Zu- und -Abfluß verbunden ist, der nur auf
Masse-Potential liegen kann.
3.2.Arbeitspunkt der Transistoren
Großsignalbereich
Bei den Transistoren handelt es sich um p-Kanal-Transistoren, so daß sie zu leiten
beginnen, wenn der Source-Anschluß auf einem höheren Potential liegt als der
Gate- und Drain-Anschluß. Da das Gate (Bad) auf Masse-Potential liegt, muß an
dem Source-Anschluß gegenüber Masse eine positive Spannung angelegt werden.
Wird der Drain-Anschluß über den Operationsverstärker auch auf einem virtuellen
Masse-Potential gehalten ( UDG = 0 ), befindet sich der Transistor mit USG = USD im
Sättigungsbereich. Der Arbeitspunkt der Transistoren kann in den Triodenbereich
wandern, wenn auch der Drain-Anschluß auf ein positiveres Potential gegenüber
Masse angehoben wird.
Bei den durchgeführten Messungen wurde zur Vereinfachung ein Arbeitspunkt bei
USG = USD gewählt, da in diesem Fall der Drain-Anschluß auf virtuellem Masse-
Potential liegt und die Spannungsquelle wegfällt.
Der Arbeitspunkt des Transistors kann mit den Spannungsquellen U SG und U DG
eingestellt werden. Die Transistoren befinden sich im Sperrbereich für:
UGS > UTH mit UTH < 0 bzw. (49)
USG < UTH . (50)
Für den Triodenbereich gilt:
UGS < UTH und UDS > UGS – UTH bzw. (51)
USG > UTH und UDG > – UTH mit UDS = UDG – USG . (52)
Für den Sättigungsbereich gilt:
U DG
UGS < UTH und UDS < UGS – UTH bzw. (53)
USG > UTH und UDG <
– UTH . (54)
Für den Drain-Source-Strom I DS im Großsignalbereich gelten die bekannten
Zusammenhänge: