-
Mehrstufiger Transistorverstärker für Wechselströme mit Stabilisierung
der Transistorarbeitspunkte Wegen des geringeren Spannungsbedarfes und des Wegfalls
von. Heizspannungsquellen scheint von. vornherein der Ersatz von Hochvakuumröhren
durch Transistoren vor allem bei batteriebetriebenen Geräten besondere Vorteile
zu bieten. Die bisher zur Verfügung stehenden Transistoren weisen jedoch bereits
in der Herstellung erhebliche Streuungen. auf, die eine Reproduzierbarkeit der Dimensionierung
der Schaltelemente im Serienbau kaum möglich machen. Noch hinderlicher wirkt sich
jedoch die starke Temperaturabhängigkeit der Transistordaten auf einen, einwandfreien,
stabilen Betrieb aus, so daß bisher Transistoren trotz ihres obenerwähnten. Vorteils
erst in sehr geringem Umfang in tragbare Geräte, wie beispielsweise Schwerhörigengeräte,
Eingang gefunden haben.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Transistorverstärker zu
schaffen, der ohne wesentliche Erhöhung des Stromverbrauches und des Schaltungsaufwandes,
der besonders bei tragbaren Kleingeräten eine Rolle spielt, eine ausreichende Stabilität
aufweist.
-
Bei einem mehrstufigen. Transistorverstärker für Wechselströme mit
Stabilisierung der Transistorarbeitspunkte sind erfindungsgemäß die Kopplungsnetzwerke
zwischen den Verstärkerstufen gleichstromdurchlässig, und von der Ausgangsstufe
ist zu einer der vorhergehenden Stufen über einen. oder mehrere Widerstände eine
für Gleichstrom durchlässige, für Wechselstrom unwirksame Verbindung derart vorgesehen,
daß eine Gleichstromgegenkopplung zur Stabilisierung der Transistorarbeitspunkte
gegenüber Exemplarstreuungen und Temperaturschwankungen vorhanden ist.
-
Die erfindungsgemäße Gleichstromgegenkoppdung erfolgt bei einer geraden
Anzahl von Stufen durch eine Gleichstromverbindung, die entweder zwischen dem Emitter
der Ausgangsstufe und der Basis der Vorstufe oder zwischen dem Kollektor der Ausgangsstufe
und dem Emitter der Vorstufe vorhanden ist.
-
Bei einer ungeraden Anzahl von Verstärkerstufen besteht die Gleichstromverbindung
entweder zwischen den Emittern der Ausgangsstufe und der Vorstufe oder zwischen
dem Kollektor der Ausgangsstufe und der Basis der Vorstufe.
-
Die Ankopplung zweier aufeinande@rfolgender Transistoren erfolgt zweckmäßig
über einen Autotransformator, der zugleich eine Widerstandsanpassung bewirkt.
-
Die. erfindungsgemäße Art der Gegenkopplung hat den bemerkenswerten
Vorteil, daß dadurch die Verstärkung der Wechselspannung nicht beeinträchtigt wird.
Es kann jedoch, wie an Hand der Ausführungsbeispiele noch, erläutert werden wird,
auch eine zusätzliche Gegenkopplung für die zu verstärkenden Frequenzen vorgesehen
werden, um damit eine zusätzliche Stabilisierung der Verstärkung zu erreichen. In
diesem Falle wirkt sich natürlich die Gegenkopplung auf die Verstärkung aus. Die
Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen., die in den Fig. 1
bis 7. dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei werden zwar im allgemeinen Flächentransistoren
der Type p-n-p verwendet. Statt dessen können jedoch selbstverständlich auch Flächentransistoren
anderer Typenzusammenstellung oder Spitzentransistoren verwendet werden, ohne daß
das Wesen der Erfindung davon berührt wird.
-
In Fig. 1 ist ein zweistufiger Transistorverstärker dargestellt, bei
dem zwei Flächentransistoren der Type p-n-p verwendet werden. Der positive Pol der
Spannungsquelle 9 ist mit dem Leiter 10 verbunden, auf dessen Potential
die übrigen Potentiale zweckmäßigerweise bezogen werden. Der Emitter des ersten
Transistors wird durch den Spannungsteiler 11, 13 auf festem Potential gehalten.
Der Emitter des zweiten Transistors ist über den Widerstand 12 mit dem Bezugspotential
verbunden. Das Eingangssignal wird der Basis des ersten Transistors über den. Transformator
14 zugeführt, dessen Sekundärwicklung über einen großen Kondensator 15, der für
die zu übertragenden Frequenzen praktisch einen Kurzschluß bildet, mit der Leitung
10 verbunden ist.
-
Die verstärkte Signalspannung wird von d;em Kollektor 7 abgenommen
und der Basis 4 des nächsten
Transistors zugeführt. Da die Ausgangsimpedanz
im allgemeinen wesentlich größer ist als die Eingangsimpedanz, werden die beiden
Stufen über einen Transformator miteinander verbunden, der eine Widerstandsanpassung
bewirkt. Damit die Elektroden 7 und 4 im Sinne der Erfindung auch. gleichstrommäßig
miteinander verbunden sind, wird der Transformator als Autotransformator ausgeführt.
Die eine Wicklung des Autotransformators 16 ist über den Widerstand 17 mit dem negativen
Pol der Spannungsquelle, die zweite Wicklung über den Widerstand 18 mit der Basis
des zweiten Transistors verbunden. Der gemeinsame Punkt der beiden Wicklungen ist
an den Kollektor des ersten Transistors angeschlossen. Die Belastung des Ausgangstransistors
2 wird durch die Anordnung 19 gebildet, die beispielsweise ein Telefonhörer sein
kann.
-
Die Widerstände 11, 12, 17 und, 18 sind in üblicher Weise durch Siebkondensatoren
20, 21, 22 und 23 überbrückt. Die Widerstände sind zweckmäßigerweise so zu wählen,
daß das Potential der Basis 3 bzw. 4 nur geringfügig unter dem Potential des Emitters
5 bzw. 6 liegt, während das Potential des Kollektors wesentlich unter dem der Basis
liegen soll. Dadurch wird der Basisstrom klein im Vergleich zum Emitter-und Kollektorstrom,
so daß diese Ströme praktisch gleich werden.
-
Durch den. Widerstand 24 wird erfindungsgemäß eine Verbindung von
dem Emitter des zweiten Transistors über die Sekundärwicklung des Transformators
14 nach der Basis des ersten Transistors hergestellt, die im Zusammenhang mit der
gleichstromdurchlässigen Kopplung jeweils aufeinanderfolgender Stufen eine Gleichstromgegenkopplung
bewirkt. Diese Gegenkopplung wirkt sich nun: so aus, daß eine Erhöhung des Kollektorstromes
des zweiten Transistors, z. B. infolge Temperaturänderung, die auch eine Erhöhung
des Emitterstromes zur Folge hätte, wegen des Spannungsabfalles an dem Widerstand
12 über _ den Gegenkopplungswiderstand 24 das Potential der Basis 3 des ersten Transistors
absinken läßt. Dadurch wird die Potentialdifferenz zwischen Emitter 5 und Basis
3 und demzufolge auch der Kollektorstrom des ersten; Transistors größer. Der erhöhte
Spannungsabfall an dem Kollektorwiderstand 17 erhöht nun das Basispotential des
zweiten Transistors und verringert damit die Potentialdifferenz zwischen Emitter
6 und Basis 4. Dadurch wird wiederum die angenommene Erhöhung des Kollektorstromes
ausgeglichen, so daß der Kollektorstrom praktisch stabil bleibt.
-
In prinzipiell ähnlicher Weise wird auch, eine Verringerung des Kollektorstromes
ausgeglichen. Aus dieser Wirkungsweise: der erfindungsgemäßen Gleichstromgegenkopplung
geht hervor, daß es genügt, den Kollektorstrom der Ausgangsstufe, der für den Pegel
der abgegebenen Wechselspannung maßgebend ist, zu stabilisieren, um einen konstanten
Ausgangspegel trotz schwankender Transistoreigenschaften zu erhalten. Dabei wird
gleichzeitig auch derKollektorstrom des anderen gegengekoppelten Transistors stabilisiert.
-
Bei der dargestellten Schaltungsweise des Autotransformators müssen
die beiden Wicklungen, deren Windungszahl dem gewünschten Übersetzungsverhältnis
der angeschlossenen Transistorimpedanzen entsprechend gewählt ist, in umgekehrtem
Wicklungssinn gewickelt sein. Die Anordnung kann jedoch auch anders gewählt werden.
Zum Beispiel kann eine einzige Wicklung mit einer geeigneten Anzapfung vorgesehen
sein. In diesem Falle liegt die gesamte Wicklung zwischen dem Widerstand 17 und
dem Kollektor 7, während der Widerstand 18 an der Anzapfung des Transformators angeschlossen
ist.
-
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 läßt sich in manchen Fällen vereinfachen.
Beispielsweise kann die erforderliche Gleichspannungsgegenkopplung oft durch eine
geeignete Bemessung des Emitterwiderstandes 12 erhalten werden, wobei der Widerstand
24 zu Null, werden kann. Dann entfällt natürlich auch der Sieb, kondensator 21.
Der Widerstand 12 wird dabei gelegentlich so klein, daß wegen des geringen Potentials
der Basis 3 der Emitter 5 direkt mit der Leitung 10 verbunden werden kann. Dann
entfällt auch der zweite Spannungstellerwiderstand 13. Da auch der Widerstand 17
im allgemeinen nicht sehr groß wird, genügt oft der Widerstand der entsprechenden
Transformatorwicklung als Kollektorwiderstand für den ersten Transistor. Die vereinfachte
Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. De Vereinfachung kann noch einen, Schritt weitergehen,
wenn, keine Anpassungsübertragung erforderlich ist. In diesem Falle kann selbstverständlich
der Übertrager 16 wegfallen. Der Widerstand 18 wird dann direkt mit dem Kollektor?
und dem Widerstand 17 verbunden.
-
Die Gleichstromgegenkopplung wird in der gleichen Weise ausgeführt,
wenn der Verstärker eine größere gradzahlige Stufenzahl hat. Als Beispiel dafür
ist in Fig. 3 ein vierstufiger Verstärker dargestellt, bei detn zwischen den Transistoren
1 und 2 der Fig. 1 zwei weitere Transistoren 1 A und 1 B geschaltet sind, die in
der im Zusammenhang mit Fig. 2 dargestellten und beschriebenen Weise untereinander
und mit dem benachbarten Anfangs- und Endstufen verbunden sind. Die entsprechenden
Schaltelemente sind durch Hinzufügen der Buchstaben A und B zu den
Kennziffern der Fig. 1 bzw. 2 bezeichnet.
-
Bei einer ungeraden Stufenzahl muß wegen der anderen Stromrichtung
die Rückkopplungsleitung anstatt mit der Basis mit dem Emitter des Transistors 1
verbunden werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem Falle muß die Vorspannung
für die Basis 3 des Transistors 1, die bisher aus dem Spannungsabfall am Widerstand
12 über den Widerstand 24 - in Fig. 4 als Null angenommen - entnommen wurde, auf
eine andere Weise gewonnen werden, beispielsweise mit Hilfe des Spannungsteilers
25-26. Der Widerstand 26 wird dabei in üblicher Weise durch den Siebkondensator
27 überbrückt. Die übrige Schaltung entspricht, wie ein Vergleich ergibt, der nach
Fig. 2 oder 3.
-
Es ist im übrigen nicht erforderlich., die Gegenkopplungsspannung
immer dem Emitterkreis der Ausgangsstufe zu entnehmen. Man kann die Gegenkopplung
ebensogut auch von dem Kollektor des Transistors aus vornehmen, muß jedoch dann
wiederum wegen der unterschiedlichen Stromrichtungen in den verschiedenenElektroden
derVorstwfen auf den richtigen Ansch@luß der Gegenkopplungsleitung achten. In Fig.
5, die im übrigen der Fig. 4 entspricht, erfolgt die Gleichstromgegenkopplung vom
Kollektor des Transistors 2 nach der Basis des ersten Transistors über einen Widerstand
28. Der Emitter des Transistors 1 erhält seine Vorspannung dann durch den Spannungsteiler
25, 26, 27, der so zu bemessen ist, daß der Emitter 5 geringfügig positiver ist
als die Basis 3.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in Fig.6 dargestellt ist, zeigt
die notwendigen Änderungen für den Fall, daß in einem zweistufigen Verstärker ein
Transistor der Type n:-p-n mit einem der Type p-n-p zusammen verwendet wird. Die
Anschlüsse des ersten
Transistors 29 werden dabei umgepolt, so daß
der Emitter 31 über den Widerstand 33 mit dem negativen Pol der Batterie 9 und der
Kollektor 32 über den Transformator 16 mit dem positiven Pol verbunden ist. Die
Basis 30, die gegen den Emitter leicht positiv und gegen den Kollektor negativ sein
soll, erhält ihre Vorspannung durch die Spannungsteilerwiderstände 25 und 26 und
ist im übrigen in gleicher Weise angeschlossen wie in den bisher besprochenen Figuren.
Auch die Ankopplung der im erstem, Transistor verstärkten Spannung an die folgende
Stufe erfolgt wie bei den beschriebenen Anordnungen vom Kollektor aus über den Spartransformator
16 und den Widerstand 18 nach der Basis 4 des Transistors 2. Die Gleichstromgegenkopplung
wird, unter Berücksichtigung der Stromrichtungen vom Kollektor 8 des Transistors
2 über den Widerstand 28 nach dem Emitter 31 des ersten Transistors vorgenommen.
Sie; würde sich auch nicht ändern, wenn eine andere gerade Stufenzahl oder in der
ersten Stufe ein p-n-p-Transistor verwendet würde.
-
In ähnlicher Weise wie in Fig. 6 würden auch die Anordnungen nach
den Fig. 3 bis 5 und. die noch zu beschreibende Fig. 7 verändert werden, wenn an
Stelle eines p-n-p-Transistors in einer oder mehreren Stufen eine n-p-n-Type eingesetzt
würden. Falls gleichzeitig alle Transistoren einer durch eine andere Type ersetzt
werden, braucht man selbstverständlich nur die Spannungsduelle 9 umzupolen.
-
Eine vollständige Verstärkeranordn.ung für Sprechströme, wie sie beispielsweise
bei Schwerhörigengeräten Verwendung findet, ist in Fig. 7 dargestellt. Die Anordnung
umfaßt einen zweistufigen Verstärker mit den Transistoren 1 und 2 in einer Schaltung
entsprechend Fig. 2. Die Gleichstromgegenkopplung zur Stabilisierung des Kollektorstromes
der Ausgangsstufe wird entsprechend Fig. 1 bzw. 2 vorgenommen.
-
Vor dieser Anordnung ist eine Mikrophonverstärkerstufe angeordnet,
in der die von dem Mikrofon. 35 gelieferten Ströme durch den in üblicher Weise vorgespannten
Transistor 36 verstärkt werden,, bevor sie über den Eingangsübertrager 14 dem Transistor
1 zugeführt werden. Zur Lautstärkerregelung ist ein Spannungsteiler 39 parallel
zum Mikrophon geschaltet, wobei gegebenenfalls ein Kondensator in Reihe mit dem
Mikrophon liegen kann.
-
Die in Fig.7 dargestellte Verstärkeranordnung enthält außer der Gleichstromgegenkopplung,
die der Stabilisierung des Kollelctorstromes dient, noch einen Gegenkopplungszweig
für die Sprechströme, der von dem Kollektor 8 des Ausgangstransistors über den Widerstand
41 nach dem Emitter 37 der Vorverstärkerstufe führt. Durch diese Gegenkopplung wird
selbstverständlich, im Gegensatz zu der vorher beschriebenen Gleichstromgegenkopplung,
die Verstärkung der Wechselströme in entsprechendem Maße verringert.
-
In ähnlicher Weise, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, kann natürlich auch
den Schaltungen nach den. Fig. 1 bis 6 ein Mikrophon hinzugefügt werden, gegebenenfalls
über einen Vorverstärker, der dann zweckmäßigerweise in die zusätzliche Gegenkopplung
für die Wechselspannung, die auch bei diesen Anordnungen vorgesehen werden kann,
einbezogen wird.