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Verstärkeranordnung mit in Kaskade geschalteten Transistoren Es ist
bekannt, zur Stromverstärkung Verstärkungselemente, z. B. Elektronenröhren, zu benutzen.
Derartige Elemente sind aber spannungsgesteuerte Einrichtungen, so daß eine Stromverstärkung
nur mittelbar erfolgen kann, d. h., der zu verstärkende Strom muß erst mit Hilfe
eines Widerstandes R in eine diesem proportionale Spannung umgewandelt werden. Wenn
die verwendete Verstärkerröhre die Steilheit S besitzt, so folgt hieraus ein Stromverstärkungsfaktor
In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist solch eine bekannte Stromverstärkungsschaltung
mittels einer Röhre dargestellt, sie dient zur Erläuterung der oben angegebenen
Gleichung.
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Das Eingangsklemmenpaar der die Verstärkerröhre V verwendenden Stromverstärkungsanordnung
ist mit 10,11 und das Ausgangsklemmenpaar mit 12, 13 bezeichnet. 14 ist die sich
im Ausgangskreis befindende Strommeßeinrichtung, die von dem Anodenstrom I2 durchflossen
wird. Das Verhältnis des Ausgangsstromes I2 zum Eingangsstrom I1 bezeichnet bekanntlich
den Stromverstärkungsfaktor A. Die zur Gleichstromversorgung vorgesehenen Batterien
sind mit 15 und 16 bezeichnet. R ist der Widerstand, mit dessen Hilfe der Strom
in eine diesem proportionale Spannung umgewandelt wird.
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Da aber durch die Einfügung des Widerstandes R in dem Meßstromkreis
keine Beeinflussung des zu messenden Stromes auftreten darf, muß R klein gegenüber
alle übrigen, im Meßkreis auftretenden Widerstände sein. Es haftet dieser Anordnung
daher der Nachteil an, daß sich im allgemeinen damit nur sehr kleine Stromverstärkungen
erzielen lassen. Man erhält z. B. mit einer Röhrensteilheit von S = 10 mA/V und
einen Widerstand R = 1000 Q einen Stromverstärkungsfaktor A = 10.
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Für die gegebene Aufgabenstellung ist es daher notwendig, stromgesteuerte
Einrichtungen zu verwenden, wie sie beispielsweise Transistoren darstellen. Mit
Transistoren lassen sich in an sich bekannter Weise Stromverstärkungsfaktoren bis
100 erzielen. Spitzentransistoren ergeben dabei in Basisschaltung, d. h., wenn die
Basis als gemeinsame Elektrode für Ein- und Ausgang benutzt, am Emitter gesteuert
und am Kollektor der verstärkte Strom abgenommen wird, Stromverstärkungswerte bis
etwa 5, wobei der Eingangswiderstand, der also zwischen dem Emitter und der Basis
liegt, niedrig ist und in der Regel etwa einige 100 S2 beträgt. Hierbei hat man
gegenüber einer Röhrenschaltung offenbar noch keinen entscheidenden Vorteil erreicht.
Für Flächentransistoren ist die Stromverstärkung in Basisschaltung stets ein wenig
kleiner als 1, es tritt also keine Verstärkung, sondern eine geringe Schwächung
auf. Dagegen läßt sich bei Flächentransistoren in der Emitterschaltung, d. h. wenn
der Emitter als für Ein- und Ausgangskreis gemeinsame Elektrode benutzt, der Transistor
an der Basis gesteuert und am Kollektor der verstärkte Strom abgenommen wird, eine
bis zu hundertfache Stromverstärkung erzielen. Hierbei wird aber auch der Eingangswiderstand
hoch, so daß man bei dieser Schaltung keinen wesentlichen Vorteil gegenüber der
Röhrenschaltung besitzt.
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Die Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten
dadurch, daß zur Erzielung großen Stromverstärkungsfaktors bei relativ kleinem Eingangswiderstand
wenigstens zwei Transistoren unterschiedlicher Betriebsweise und abwechselnden Leitfähigkeitstyps
so zusammengeschaltet sind, daß der nachgeschaltete Transistor durch seine Rückwirkung
innerhalb des ersten Transistors den Eingangswiderstand des ersten Transistors auf
einen Wert herabsetzt, der klein im Verhältnis zum Innenwiderstand der Signalquelle
ist, und daß der nachgeschaltete Transistor mit einem von Null verschiedenen, gegenüber
seinem Innenwiderstand kleinen Widerstand abgeschlossen ist.
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Gemäß der Erfindung werden also durch geeignete Zusammenschaltung
zweier oder mehrerer Transistoren die beiden Forderungen nach kleinem Eingangswiderstand
und hohem Stromverstärkungsfaktor auf zwei oder mehrere Transistoren verteilt; sie
können somit leichter erfüllt werden.
Es ist an sich bekannt, Transistoren
unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps zusammenzuschalten. Fernerhin ist es bekannt,
Transistoren in Kaskade zu schalten, wobei gleichzeitig der Eingangswiderstand der
Kaskadenstufe vergrößert wird. Solche Schaltungen werden aber nur unter dem Gesichtspunkt
der Leistungsverstärkung betrachtet, wobei die Anpassung der in Kaskade geschalteten
Transistoren in den Vordergrund gestellt ist. Berechnungen der Spannungs- und Stromverstärkung
werden daher nur für diesen Fall durchgeführt. So werden beispielsweise bei der
Zusammenschaltung von in Basis-und Emitterschaltung betriebenen Transistoren im
allgemeinen Stromverstärkungsfaktoren von nur etwa 6 bis 7 gefunden, während bei
der Anordnung gemäß der Erfindung, bei der im Gegensatz zu allen bekannten Schaltungsanordnungen
bewußt von der Anpassung abgewichen wird, Gesamtstromverstärkungsfaktoren, wie weiter
unten gezeigt werden wird, von etwa 50 erhalten werden. Entsprechendes gilt auch
bei der Zusammenschaltung von in Basis- und Kollektorschaltung betriebenen Transistoren.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, entweder einem
Transistor in Basisschaltung einen Transistor in Emitter- oder Kollektorschaltung
oder einem Transistor in Basisschaltung einen solchen in Kollektorschaltung folgen
zu lassen, wobei die Anordnung mit solch einem Abschlußwiderstand abgeschlossen
ist, daß der Eingangswiderstand der Anordnung klein bleibt, die Anordnung aber infolge
ihres hohen Innenwiderstandes einen eingeprägten Strom zu liefern vermag.
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Durch die Maßnahme, Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps
und unterschiedlicher Schaltung zusammenzuschalten, kann eine sehr einfache und
an Schaltmitteln sparsame Gesamtanordnung aufgebaut werden, deren Eingangswiderstand
besonders kleine Werte bei großer Stromverstärkung annehmen kann. Besonders vorteilhaft
ist eine Zusammenschaltung, bei der einem Transistor in Basisschaltung eine Hintereinanderschaltung
zweier Transistoren in Emitter- und Kollektorschaltung folgt und die Transistoren
abwechselnden Leitfähigkeitstyp aufweisen.
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An Hand der Fig. 1 und 8 wird dies näher erläutert. Es zeigt Fig.
1 die bereits beschriebene Einrichtung zur Stromverstärkung mittels einer Röhre,
Fig.2 einen Transistor in Basisschaltung, Fig. 3 einen Transistor in Emitterschaltung.
Fig. 4 einen Transistor in Kollektorschaltung, Fig.5 eine Verbindung zweier Transistoren
unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps in Basis- und Emitterschaltung, Fig.6 eine
Verbindung zweier Transistoren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps in Basis- und
Kollektorschaltung, Fig. 7 eine Verbindung dreier Transistoren von abwechselndem
Leitfähigkeitstyp in Basis-, Emitter- und Kollektorschaltung, Fig. 8 das Ersatzschaltbild
des Transistors.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig.2 besitzt einen Transistor vom Typ
PNP in Basisschaltung. Er besitzt die Emitterelektrode 1, die Basiselektrode 2 und
die Kollektorelektrode 3. Mit 10 und 11 sind wiederum die Eingangs-,
mit 12 und 13 die Ausgangsklemmen bezeichnet, an die die Strommeßeinrichtung 14
und die Stromquelle 15 angeschlossen sind. Auch hier ist der Eingangsstrom mit Il
und der Ausgangsstrom mit I2 bezeichnet.
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Den hierzu gehörigen Stromverstärkungsfaktor ermittelt man zweckmäßigerweise
aus dem in Fig.8 dargestellten Ersatzschaltbild eines Transistors. rb, r, und r,
sind der Basis-, Kollektor- und Emitterwiderstand und ..,1 e die vom Emitterstrom
I e gesteuerte Spannungsquelle des Transistors. Die Basis-, Kollektor- und
Emitterelektrode ist mit B, K und E bezeichnet.
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Der Stromverstärkungsfaktor der Anordnung nach Fig. 2 ermittelt sich
zu
wobei RA der kollektorseitige Abschlußwiderstand ist. Der Eingangswiderstand R,
ist gegeben durch
Unter Verwendung der für einen Transistor typischen Werte, bei dem r,
= 5S2 rb = 100 S2 r, = 1000 kü r. = 980 kS2 als Zahlenbeispiele
gewählt werden, ergibt sich bei einem Abschlußwiderstand RA = 0 ein Stromverstärkungsfaktor
und ein Eingangswiderstand R1 = 7 S2.
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Der Transistor in Basisschaltung weist demnach einen kleinen Eingangswiderstand
auf, besitzt dafür aber einen Stromverstärkungsfaktor der kleiner als 1 ist.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig.3 besitzt einen Transistor vom Typ
PNP in Emitterschaltung. Die hierbei verwendete Bezeichnungsweise entspricht der
in Fig. 2 gewählten.
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Unter Zugrundelegung des in Fig.8 dargestellten Ersatzschaltbildes
erhält man für die Emitterschaltung
und einen Eingangswiderstand
Legt man die im Ausführungsbeispiel nach Fig.2 gewählten Transistoren zugrunde,
wählt RA = 0, so entsteht ein Stromverstärkungsfaktor
bei einem Eingangswiderstand R1 = 350 S2 .
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 besitzt demnach eine hohe Stromverstärkung,
allerdings bei wesentlich angestiegenem Eingangswiderstand.
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Die Transistorschaltung nach Fig.4 besitzt einen Transistor vom Typ
PNP in Kollektorschaltung. Die hierbei verwendete Bezeichnungsweise entspricht der
in Fig. 2 gewählten.
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Unter Zugrundelegung des in Fig.8 dargestellten Ersatzschaltbildes
erhält man für die Kollektorschaltung
und einen Eingangswiderstand
Legt man auch hier die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 gewählten Transistoren
zugrunde, wählt RA = 0,
so entsteht ein Stromverstärkungsfaktor
bei einem Eingangswiderstand R1 = 350 S2.
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Ähnlich wie die Schaltungsanordnung nach Fig.3 besitzt auch die Schaltungsanordnung
nach Fig. 4 eine hohe Stromverstärkung bei wesentlich angestiegenem Eingangswiderstand.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig.5 besitzt zwei Transistoren von unterschiedlichem
Leitfähigkeitstyp und unterschiedlicher Schaltungsart, wobei einer Basisschaltung
eine Emitterschaltung folgt. Hierin bedeuten 1, 2 und 3 die Emitter-, Basis- und
Kollektorelektroden des ersten und 4, 5 und 6 die entsprechenden Elektroden des
zweiten Transistors. 10 und il bezeichnen die Eingangs-, 12 und 13 die Ausgangsklemmen,
17 und 18 sind die Verbindungsklemmen zwischen den beiden Transistoren. 14 ist die
zwischen den Ausgangsklemmen angeschlossene Strommeßeinrichtung. 15 und 16 sind
die zur Stromversorgung notwendigen Stromquellen. Der Ausgangsstrom des ersten Transistors,
der gleich dem Eingangsstrom des zweiten Transistors ist, ist mit I' bezeichnet.
Wie bereits festgestellt, ergibt sich für den ersten Transistor eine Stromverstärkung
und für den zweiten Transistor
Wählt man RA = 0, und da der Ausgangswiderstand des ersten Transistors
RA' << r, ist, so entsteht für den Gesamtstromverstärkungsfaktor
Wie bereits oben festgestellt, ist der Eingangswiderstand für die Basisschaltung
RA' ist der an den Klemmen 17 und 18 auftretende Eingangswiderstand der nachfolgenden
Emitterschaltung und ist sehr viel kleiner als r" so daß die Gesamtanordnung einen
Eingangswiderstand besitzt, der gegeben ist durch
Unter Zugrundelegung der in der Anordnung nach Fig. 2 gewählten Transistordaten
erhalten wir für den Stromverstärkungsfaktor
bei einem Eingangswiderstand R1 = 7 S2.
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Auch wenn der äußere Widerstand RA zwischen den Klemmen 12 und 13
nicht gleich Null, sondern nur klein, verglichen mit dem Innenwiderstand des Transistors
4, 5, 6, ist, vermag dieser dem zwischen den Klemmen 12 und 13 angeschlossenen Widerstand,
der z. B. durch den Widerstand der Strommeßeinrichtung 14 gegeben ist, einen Strom
aufzuprägen.
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Die Schaltungsanordnung- nach Fig.6 besitzt zwei Transistoren von
unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp und unterschiedlicher Schaltungsart, wobei einer
Basisschaltung eine Kollektorschaltung folgt. Auch hier bedeuten 1, 2 und 3 die
Emitter-, Basis- und Kollektorelektroden des ersten und 4, 5 und 6 die entsprechenden
Elektroden des zweiten Transistors. 10 und 11 bezeichnen die Eingangs-,
12 und 13 die Ausgangsklemmen, 17 und 18 sind die Verbindungsklemmen zwischen den
beiden Transistoren, 14 die Strommeßeinrichtung und 15 die Stromquelle. Die Leitfähigkeitstypen
der Transistoren sind so gewählt, daß die Richtungen und Größen der Ströme beim
Anlegen einer von der Batterie 15 gelieferten Spannung mit den für den Betrieb der
Transistoren notwendigen Werten übereinstimmen. Zur Erzielung eines kleinen Eingangswiderstandes
zwischen den Klemmen 10 und 11 muß, wie bereits bei der Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 beschrieben, RA sehr klein, d. h. klein, verglichen mit dem Kollektorwiderstand
r" sein. Für diesen Fall ist der Eingangswiderstand gegeben durch
Der Stromverstärkungsfaktor der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 setzt sich aus den
beiden Anteilen
und
zusammen. Als Gesamtstromverstärkungsfaktor folgt, sofern RA' << r,
und RA << r, (1 - r./r,),
Unter Zugrundelegung der bereits in Fig. 2 gewählten Transistordaten folgt für die
Schaltungsanordnung nach Fig. 6 ein Stromverstärkungsfaktor A = 49 bei einem Eingangswiderstand
R = 7 S2.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig.7 besitzt drei Transistoren von abwechselndem
Leitfähigkeitstyp in Basis-, Emitter- und Kollektorschaltung. 1, 2, 3 bzw. 4, 5,
6 bzw. 7, 8, 9 bezeichnen die Emitter-, Basis- und Kollektorelektroden der drei
Transistoren. 10, 11 ist das Eingangsklemmenpaar und 12, 13 das Ausgangsklemmenpaar,
an das sich die Strommeßeinrichtung 14 und die Stromquelle 15 anschließen. Die Stromquelle
16 dient zur Versorgung des ersten Stromkreises. Durch die Hintereinanderschaltung
der beiden Transistoren 4, 5, 6 und 7, 8, 9 wird die Stromverstärkung besonders
hoch, mit den in unserem Beispiel gewählten Transistordaten etwa 2500, andererseits
kann trotz eines von Null verschiedenen Abschlußwiderstandes zwischen den Klemmen
12 und 13 ein ganz besonders niedriger Eingangswiderstand, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
zwischen 10 und 11, erzielt werden.