DE1018468B - Transistorschaltung mit grosser konstanter Eingangsimpedanz - Google Patents

Description

Bei den üblichen Transistorschaltungen zur Leistungsverstärkung und Impedanzanpassung ändert sich die Eingangsimpedanz nichtlinear mit dem Eingangspotential. Die Impedanz ist definiert als die differentielle Änderung des Potentials, bezogen auf die Einheit 'der Stromänderung. Die Eingangsimpedanz kann sich mit dem Eingangspotential von negativen Werten zu positiven Werten über einen Zwischenbereich ändern, in dem sie unendlich ist. Dieser letztere Impedanzibereich ist se'hr nützlich bei Lei-.stungsverstärkern und Impedanz - Anpassungsstufen, da eine in diesem Bereich betriebene Schaltung eine konstante Belastung für die vorhergehende Stufe darstellt. Bei bestimmten Schaltungen wird jedoch, diese hohe Impedanz nur für einen sehr kleinen Eingangspotentialbereich erreicht, so 'daß sie nur für sehr kleine Signale benutzt werden können. Außerdem kann sich der Bereich der Eingangspotentiale, in dem diese hohe Impedanz erreicht wird, infolge der den gegenwärtigen Transistoren innewohnenden Instabilitäten verschieben. Durch eine solche Verschiebung kann die Transistorschaltung entweder als niedrige positive oder als niedrige negative veränderliche Belastungsimpedanz für die vorhergehende Stufe wirken, d. h. sie belastet entweder die vorhergehende Schaltung stark, oder sie neigt im Falle einer negativen Impedanz zum Schwingungseinsatz.

Man hat bereits vorgeschlagen, den durch eine unen'dliche Impedanz gekennzeichneten Eingangspotentialbereich dadurch zu erweitern, daß vor die Eingangsklemmen ein entsprechender Widerstand geschaltet wird. Dadurch wird die Gesamteingangsimpedanz gleich der Summe der Transistorimpedanz und der Widerstandsimpedaniz. Wird der Widerstand so gewählt, daß er den gegebenenfalls negativen Eingangswiderstand des Transistors ausgleicht, so wird in dem betreffenden Bereich die gesamte Eingangsimpedanz unendlich groß. Da jedoch die Impedanzänderung innerhalb des negativen Bereiches nicht konstant ist, ist es unmöglich, ihn mit einem linearen Widerstand über einen wesentlichen Bereich auszugleichen. Derartige Schaltungen sind deshalb bezüglich des Bereichs zulässiger Schwankungen der Eingangspotentiale begrenzt.

Gemäß der Erfindung wird nunmehr vorgeschlagen, den Transistor mit einer Belastungsimpedanz im Kollektorkreis zu versehen, die über einen gewissen Bereich der Eingangspotentiale einen konstanten Eingangsstrom und damit eine unendliche Eingangsimpedanz ergibt. Mit einem einfachen Belastungs- widerstand ist diese Wirkung zwar außerhalb des Sättigungsbereiches des Transistors zu erzeugen, nicht aber im Sättigungsbereich. Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht daher in einer zusammen-Transistorschaltung
mit großer konstanter Eingangsimpedanz

Anmelder:

IBM Deutschland

Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ), Böblinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Dezember 1953

Edward Louis Peterson jun., Ossining, N. Y. (V. St. A.)_r ist als Erfinder genannt worden

gesetzten Belastungsimpedanz für den Kollektorkreis, die unter anderem ein entsprechend vorgespanntes asymmetrisches Impedanzelement enthält. Eine solche zusammengesetzte Belastung kann so bemessen werden, daß sie einen wesentlich konstanten Eingangsstrom sowohl außerhalb als auch innerhalb des Sättigungsbereiches des Transistors ergibt. Damit wird eine verbesserte Transistorschaltung auch für große Eingangssignalamplituden erhalten.

Diese Wirkung wird gemäß der Erfindung durch eine derartige Bemessung der Belastungsimpedanz erreicht, daß ein Teil der Belastungslinie, die in das Kollektorstrom/spannungs-Diagramm des Transistors gezeichnet ist, im wesentlichen mit einer Kurve zusammenfällt, die durch diejenigen Punkte des Diagramms gezogen ist, für die der Eingangsstrom konstant ist. Eine solche Kurve konstanten Eingangsstroms hat gewöhnlich die Form von zwei im wesentlichen linearen Teilen, die durch einen scharf gebogenen Teil miteinander verbunden sind. Die einem einfachen Belastungswiderstand mit Vorspannungsbatterie entsprechende Belastungslink fällt nur mit einem dieser linearen Teile zusammen. Eine wesent-

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liehe \'~erbesserung wird erreicht durch ein zusätzliches asymmetrisches Trnpedanzelement, z. B. eine Diode, in Reihe mit einer Batterie, die einen Stromzweig bildet, der parallel zu dem üblichen Belastungswiderstand und seiner Batterie liegt; das asymmetrische Impedanzelement soll nur bei niedrigen Kollektorpotentialen Strom führen. Durch entsprechende Bemessung der Impedanz des asymmetrisch leitenden Elements und des Potentials der ihr zugeordneten

Die Kurve 11 ist eine Linie konstanten Basisstroms, d. h., für jeden Punkt auf der Kurve 11 ist die algebraische Summe der entsprechenden Werte des Kollektorstroms und des Emitterstroms dieselbe. Man kann eine ganze Schar von Kurven konstanten Basis- bzw. Eingangsstroms zeichnen, und zwar je eine für jeden Wert des konstanten Stroms. Man sieht auch, daß die Kurve 11 zwei im wesentlichen gerade Teile umfaßt, die durch einen verhältnismäßig scharf

Batterie kann man erreichen, daß die Gesamt- io gebogenen Teil verbunden sind, die scharfe Biegung belastungslinie, die die - Summe der Widerstands- befindet sich am Rande des Sättigungsbereiches, belastungslinie und der Belastungslinie des asymme- Bei der Verwendung eines Transistors mit der in

trischen Elements darstellt, mit der Kurve konstanten Fig. 2 gezeigten Schar von Kennlinien in einer be-Eingangsstroms zusammenfällt. . stimmten Schaltung liegen die Orte aller möglichen

Eine Transistorschaltung mit einer solchen Be- 15 Arbeitsptmkte auf einer Linie, die als Belastungslastung hat, wenn die Impedanzen und Batterien ent- linie bezeichnet wird. Wenn die einzige Belastung ein

~ linearer Widerstand, z. B. der Widerstand 5 ist, so

verläuft die Belastungslinie gerade, und die Impedanz der Belastung bestimmt die Neigung der Geraden. Die

Eingangsimpedanz konstant und im wesentlichen un- 20 Lage der Geraden ist dadurch bestimmt, daß sie durch endlich bleibt. einen Punkt läuft, der einem Kollektorstrom Null und

einem Kollektorpotential gleich dem Potential der Batterie in dem Belastungsstromkreis entspricht.
Die Linie 12 in Fig. 2 stellt die Belastungslinie dar,

sprechend bemessen werden, einen großen Bereich hoher Eingangsimpedanz, d. h. einen großen Bereich von Eingangspotentialen, in dem die veränderliche

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich im einzelnen aus der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.

Fig. 1 stellt ein Schaltschema für eine Transistor- 25 die durch den Widerstand 5 und die Batterie 6 beschal tung nach der Erfindung dar; stimmt ist. Durch entsprechende Auswahl des Widerstandes 5 und des Potentials E_n der Batterie 6 kann

man erreichen, daß ein wesentlicher Teil der Be-

allein durch die Durchlaßimpedanz der Diode 7 und durch das Potential E_s der Batterie 8 bestimmt.

Die Stromzweige, die den Widerstand 5 bzw. die die 35 Diode 7 enthalten, sind beide ständig zwischen den Kollektor 1 c und Erde geschaltet. Der Kollektorstrom für einen beliebigen Kollektorpotentialwert entspricht daher der Summe der Ströme durch die beiden Stromzweige. Durch entsprechende Auswahl der Impedan-

Fig. 2 zeigt die graphische Darstellung einer Schar von Kollektorstrom/potential - Kennlinien für die

Schaltung nach Fig. 1; lastungslinie 12 mit einem der im wesentlichen

Fig. 3 zeigt die graphische Darstellung einer Ein- 30 linearen Teile der Kurve 11 zusammenfällt. Die Linie

gangskennlinie der Schaltung nach Fig. 1; 13 in Fig. 2 ist eine ähnliche Belastungslinie. Sie ist

Fig. 4 ist ein Schaltschema einer abgewandelten Form der Schaltung nach der Erfindung;

Fig. 5 zeigt die graphische Darstellung einer Schar von Kollektorstrom/potential - Kennlinien für Schaltung nach Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen Transistor 1 mit der Basiselektrode 1 b, der Kollektorelektrode 1 c und der Emitterelektrode 1 e. Die Emitterelektrode 1 e ist über einen

Widerstand 2 geerdet. Die Eingangsklemmen 3 und 4 \a zen des Widerstandes 5 und der Diode 7 im Verhältnis

sind an die Basis Xb bzw. an Erde angeschlossen. zu den Spannungen der beiden Batterien kann jedoch

Zwischen der Kollektorelektrode 1 c und Erde liegen die Schaltung so bemessen werden, daß im Bereich

zwei zueinander parallele Stromzweige. Einer dieser höherer Kollektorpotentialwerte das Potential über die

Zweige enthält den Belastungswiderstand 5 und eine Diode 7 in umgekehrter Richtung abfällt, so daß dann

damit in Reihe liegende Batterie 6. Der andere Zweig 45 der Stromfluß durch die Diode 7 vernachlässigt wer-

besteht aus einer asymmetrisch leitenden Impedanz 7 den kann.

und einer damit in Reihe liegenden Batterie 8. Die Um diesen Betriebszustand zu erreichen, müssen

Ausgangsklemmen 9 und 10 sind an die Kollektor- folgende Bedingungen erfüllt sein: Die Batterie 6

elektrode 1 c bzw. an Erde angeschlossen. muß eine höhere Klemmenspannung haben als die

Die Batterie 8 hat eine kleinere Klemmenspannung 5° Batterie 8; die Impedanz des Widerstandes 5 muß so

als die Batterie 6. Der ,Widerstand 5 ist so gewählt, groß sein, daß sein Potentialabfall kleiner ist als die

daß der über ihn entstehende Spannungsäbfall im Differenz zwischen den beiden Batteriespannungen,

leitenden Zustand des Transistors größer ist als die wenn das Kollektorpotential hoch ist, und größer als

Differenz zwischen den Potentialen der Batterien 6 die Differenz zwischen den beiden Batteriespannun-

und 8. Wenn die asymmetrische Impedanz (Diode) 7 55 gen, wenn das Kollektorpotential niedrig ist; die

gemäß der Zeichnung gepolt ist, verläuft der Dioden- Durchlaßimpedanz der Diode 7 muß beträchtlich

strom bei diesem Zustand des Transistors in Durch- niedriger sein als die Impedanz des Widerstandes 5,

laßrichtung der Diode. Im gesperrten Zustand des und ihre Sperrimpedanz muß beträchtlich höher sein.

Transistors ist der Spannungsabfall über den Wider- Sind diese Bedingungen erfüllt, dann ist bei hohem

stand 5 kleiner als die Differenz zwischen den Poten- 6° Kollektorpotential dieses negativer als das der nega-

tialen der Batterien 6 und 8. Die Potentialdifferenz tiven Klemme der Batterie 8. Daher ist das Potential

über der Diode7 hat jetzt entgegengesetzte Polarität, so über der Diode 7 umgekehrt gepolt, so daß ihr Strom-

daß der Strom über die Diode 7 in Sperrichtung verläuft. fluß vernachlässigt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Schar von Kollektorstrom/poten- Bei der Abnahme des Kollektorpotentials wird ein tial-Kennlinien für den Transistor 1. Jede Kennlinie 65 Stromwert erreicht, bei dem der Potentialabfall über in Fig. 2 entspricht einem bestimmten Emitterstrom- den Widerstand 5 gerade gleich der Spannungsdiffewert. Die Parameterwerte sind an der Kennlinien- renz der beiden Batterien 6 und 8 ist. Das Kollektorschar eingetragen. Dieser Kennlinienschar ist eine potential gegen Erde ist dann gleich der Spannung Kurve 11 überlagert, die durch eine Reihe kleiner der Batterie 8. In diesem Falle liegt über der Diode 7 Kreise dargestellt ist. - 70 kein Potential, und es fließt 'kein Strom über die

Diode. Wenn das Kollektorpotential noch weiter sinkt, kehrt das Potential über der Diode seine Polarität um. Die Diode ist jetzt in Durchlaßrichtung gepolt. Infolge ihrer niedrigeren Impedanz fließen dann Teilströme des Kollektors durch die Diode 7 anstatt durch den Widerstand 5.

Die Gesamtbelastungslinie für die Schaltung nach Fig. 1 bei Kollektorpotentialwerten unter dem Span-nungswert von E₈ würde durch eine Linie dargestellt sein, die durch die Summen der entsprechenden Ordinaten der Linien 12 und 13 darstellenden Ordinatenpunikte gezogen wird. Wenn die Diode 7 und das Potential der Batterie 8 entsprechend bemessen, sind, erreicht man, daß die Gesamtbelastungslinie im wesentlichen mit dem rechten linearen Teil der Kurve 11 zusammenfällt. Falls also der Widerstand 5, die Diode 7 sowie die Batterien 6 und 8 dementsprechend sind, hat die Eingangskennlinie dieser Schaltung die durch die Kurve 14 in Fig. 3 gezeigte Form, die einen beträchtlichen Bereich 14 a umfaßt, in dem der Eingangs- oder Basisstrom J & über einen großen Bereich von Basispotentialwerten Vb konstant und die Eingangsimpedanz somit im wesentlichen unendlich ist. Die gestrichelte Linie 15 in Fig. 3 zeigt zu Vergleichszwecken das Aussehen der entsprechenden Eingangs- kennlinie bei den bisher bekannten Transistorschaltungen.

Die Erfindung ist an Hand einer Transistorschaltung mit Basiseingang 'beschrieben worden. Sie eignet sich aber auch für Transistorschältungen mit Emittereingängen. Eine solche Ausführungsform zeigt die Fig. 4. In der Fig. 5 sind die Kollektorstrom/potential-Kennlinien der Schaltung nach Fig. 4 mit überlagerter Belastungslinie graphisch dargestellt.

Fig. 4 zeigt einen Transistor 16 mit der Emitterelektrode 16 e, der Kollektorelektrode 16 c und der Basiselektrode 16 b. Der Emitter ist an die geerdete Basis über einen Widerstand 17 und eine Vorspannungsbatterie 18 angeschlossen. Die zwei Eingangsklemmen 19 und 20 sind über einen Kondensator 21 mit der Emitterelektrode 16 g bzw. direkt mit der geerdeten Basis 16 b verbunden.

Jede Kollektorstrom/potential-Kennlinie in Fig. 5 entspricht einem konstanten Emitterstromwert / e. In der Schaltung nach Fig. 4 ist der Emitterstrom gleich dem Eingangsstrom. Wenn nun die Belastungsimpedanz so gewählt werden soll, daß der Emitterstrom über einen großen Bereich von Eingangssignalpotentialen konstant ist, muß ihre Belastungslinie einer der Kurven konstanten Emitterstroms folgen. Da die Neigung der Kurven konstanten Emitterstroms negativ ist, muß die an den Kollektor anzuschließende Belastung eine negative Impedanz mindestens über einen beträchtlichen Bereich von Kollektorpotentialen haben.

Die Schaltung nach Fig. 4 ist daher mit einer negativen Impedanzbelastung versehen, die aus einem Transistor 22 besteht. Der Transistor 22 hat die Emitterelektrode 22 er, die Kollektorelektrode 22 c und die Basiselektrode 22 b. Der Belastungsstromkreis für den Transistor 16 verläuft vom Kollektor 16 c über den Widerstand 23, die Basiselektrode 22 b, die Kollektorelektrode 22 c und über die Batterie 24 zur geerdeten Basis 16 b. Der Emitter 22 e ist über einen Widerstand 25 mit dem Kollektor 16 c verbunden. Die Ausgangsklemmen 26 und 27 sind an den Kollektor 16c bzw. an die geerdete Basis 16& angeschlossen.

Die Belastungs.linie 28 ist der Kennlinienschar in Fig. 5 überlagert. Der Schnittpunkt der Belastungslinie 28 mit der Linie für den Kollektorstrom Null ist durch die Spannung der Batterie 24 bestimmt. Die Form der Belastungslinie 28 ist durch die Kennlinien des Transistors 22 bestimmt. Man sieht, daß die Belastungslinie 28 mit der Kurve konstanten Emitterstroms von Je = 0,5 in einem beträchtlichen Bereich 29 zusammenfällt. Die Bestitnmungsgrößen der Schaltung von Fig. 4 sind ziemlich kritisch, und beide Transistoren müssen für eine zufriedenstellende Arbeitsweise sehr stabil sein.

Die beschriebenen Schaltungen können unter zwei verschiedenen Arbeitsbedingungen verwendet werden. Die eine ist die bei kleinen Signalen, bei der sich das Ausgangssignal linear mit dem Eingangssignal verändern soll. In diesem Falle wird in der Schaltung nach Fig. 1 der Kollektorbelastungswiderstand 5 und die Vorspannungsbatterie 6 so bemessen, daß ihre Belastungslinie einer Kurve konstanten Basisstroms entspricht. Der parallele Stromzweig gemäß Fig. 1, der aus der Diode 7 und der Batterie 8 besteht, wird für diesen Fall nicht benötigt und kann weggelassen werden. Die andere Arbeitsbedingung ist die mit großen Signalen, bei der der Transistor im Sättigungsbereich betrieben wird. Der aus der Diode 7 und der Batterie 8 bestehende parallele Stromzweig wird dann benutzt, um eine übermäßige Belastung des an den Eingang angeschlossenen Signalgenerators zu verhindern.

Es kann jede beliebige Eingangsfrequenz innerhalb der durch die Hochfrequenzeigenschaften des verwendeten Transistors bestimmten Grenzen benutzt werden.

Die beschriebenen Schaltungen eignen sich insbesondere zur Leistungsverstärkung und zur Impedanzanpassung. In beiden Verwendungsarten kann man viele verschiedene Eingangspotentiale anlegen, ohne daß die Belastung der vorhergehenden Stufe verändert wird. Die Ausgangsimpedanz der Schaltung ist ziemlich niedrig, so daß die Schaltung sich sehr gut zur Verbindung eines hohen Impedanzausganges mit einem niedrigen Impedanzeingang eignet.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Transistorstufe in Emitterschaltung zur Leistungsverstärkung und/oder Impedanzanpassung mit innerhalb eines weiten Signalspannungsbereiches großer konstanter Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz, dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektorkreis parallel zur Reihenschaltung aus Belastungsimpedanz (5) und Speisespannungsquelle (6) die Reihenschaltung eines unsymmetrisch leitenden Elements, (7) und einer Vorspannungsquelle (8) liegt, die derart bemessen sind, daß die Klemmenspannung der Speisespannungsquelle (6) höher als die der Vorspannungsquelle (8) ist, daß der Potentialabfall über der Belastungsimpedanz (5) kleiner ist als die Differenz zwischen den Spannungen der beiden Spannungsquellen, wenn das Kollektorpotential hoch, und größer als diese Spannungsdifferenz, wenn das Kollektorpotential niedrig ist, und daß der Flußwiderstand des unsymmetrischen Elements (7) beträchtlich niedriger und sein Sperrwiderstand beträchtlich höher als der Widerstand der Belastungsimpedanz (5) ist (Fig. 1).

2. Transistorstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unsymmetrisch leitende Impedanzelement (7) eine Diode ist.

3. Transistorstufe in Basisschaltung mit den weiteren Gattungsmerkmalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-

belastung durch eine negative Impedanz gebildet ist, die aus einem zweiten Transistor (22) besteht, dessen Basis-Kollektor-Strecke über einen Widerstand (23) und die Speisespannungsquelle (24) im Kollektorkreis des ersten Transistors (16) liegt, wahrend sein Emitter über einen weiteren Wider-

stand (25) mit dem Kollektor 'des ersten Transistors verbunden ist (Fig. 4).

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 579 336; »Electrical Engineering«, 1953/Novemberheft, 963.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen