DE1131736B - Schaltungsanordnung zum Durchschalten einer Wechselspannung oder von Impulsen mit einer Halbleiterdiode mit negativem Widerstandsteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Durchschalten einer Wechselspannung oder von Impulsen mit einer Halbleiterdiode aus einem Material mit verhältnismäßig hoher Konzentration von Ladungsträgern und einer Vorwärts-Strom-Spannungs-Charakteristik mit negativem Widerstandsteil, wobei die Diode über einen Widerstand in der Vorwärtsrichtung polarisiert ist, derart, daß sie in zwei Zustände überführbar ist und die Spannung über der Diode in dem einen Zustand sehr klein und in dem anderen Zustand wenigstens eine Größenordnung größer ist.

Dioden mit einer Vorwärts-Strom-Spannungs-Charakteristik mit negativem Widerstandsteil sind aus der Zeitschrift »Physical Review«, 1958, S. 609, bekannt.

Schaltungsanordnungen vom erwähnten Typ wurden in der Zeitschrift »Proceedings of the I.R.E.«, Juli 1950, S. 1201 bis 1206, beschrieben, wo die verwendeten Dioden »Tunneldioden« genannt werden.

Die Erfindung bezweckt, eine Schaltungsanordnung dieser Art zu schaffen, bei der ein Schichttransistor besonders schnell und wirksam mittels kurzer Impulse von einem gesperrten in einen leitenden Zustand und umgekehrt umgeschaltet werden kann. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die meisten Transistoren bei einer Vorwärts-Basis-Emitter-Spannung gleich der sehr kleinen Spannung über einer Tunneldiode im wesentlichen noch vollkommen gesperrt sind, wobei es ferner auch möglich ist, die größere Spannung über der Tunneldiode derart groß zu machen, z. B. durch Wahl des Reihenwiderstandes und/oder der Spannung der Polarisationsspannungsquelle, daß ein bestimmter Transistor bei einer entsprechenden Vorwärts-Basis-Emitter-Spannung leitend ist, doch nicht gesättigt wird.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Diode im Basis-Emitter-Kreis eines Schichttransistors derart aufgenommen ist, daß die Basis des Transistors mit der Elektrode gleichen Leitfähigkeitstyps und sein Emitter mit der anderen Elektrode der Diode verbunden ist, daß der Diode Steuerimpulse zugeführt werden, derart, daß sie sich abwechselnd in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung und in ihrem Zustand mit größerer Spannung befindet und somit der Transistor sich abwechselnd in einem gesperrten Zustand und in einem leitenden Zustand befindet, und daß der Eingangs- und der Ausgangskreis derart ausgelegt sind, daß das durchzuschaltende Signal bei leitendem Transistor übertragen wird.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Schaltungsanordnung zum Durchschalten
einer Wechselspannung oder von Impulsen

mit einer Halbleiterdiode
mit negativem Widerstandsteil

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 11. Dezember 1959 (Nr. 246 345)

Leonard Johan Tummers und
Adrianus Johannes Wilhelmus Marie van Overbeek,

Eindhoven (Niederlande),
sind als Erfinder genannt worden

Fig. 1 ist das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung nach der Er- findung;

Fig. 2 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels;

Fig. 3, 4, 5 und 6 sind die Schaltbilder von vier weiteren Ausführungsbeispielen.

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel enthält eine sogenannte »Tunneldiode« 1. Eine Tunneldiode ist eine Halbleiterdiode aus einem Material mit verhältnismäßig hoher Konzentration von Ladungsträgern. Sie hat eine Vorwärts-Strom-Spannungs-Charakteristik mit negativem Widerstandsteil von der Form in Fig. 2, durch die Kurve I dargestellt. Über einen Widerstand 2 ist die Diode 1 der Fig. 1 durch eine Batterie 3 in der Vorwärtsrichtung polarisiert. Die Spannung der Quelle 3 und der Wert des Widerstandes 2 sind derart gewählt, daß die Diode 1 zwei stabile Zustände einnehmen kann. Wie in Fig. 2 gezeigt, schneidet die Belastungslinie R, z. B. = 250 Ω, die Strom-Spannungs-Charakteristik der Kurve I in drei Punkten A, B und C. Es kann gezeigt werden, daß der Zustand der Diode 1 in den Punkten A und C stabil ist, im Punkt B jedoch unstabil. Befindet sich die Diode 1 in dem durch den

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Punkte dargestellten Zustand, so ist die Spannung über dieser Diode sehr klein (z. B. 0,025 V). Befindet sie sich in ihrem anderen stabilen Zustande, so ist die Spannung über dieser Diode wenigstens um eine Größenordnung größer, wie in Fig. 2 dargestellt etwa sechzehnmal größer (0,4 V).

Die Diode 1 liegt parallel zur Emitter-Basis-Strecke eines Transistors 4, z. B. des PNP-Typs, wobei die Basis des Transistors mit der Elektrode des gleichen Leitfähigkeitstyps und sein Emitter mit der anderen Elektrode der Diode 1 unmittelbar verbunden ist. Zwischen dem Emitter des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode 1 einerseits und der positiven Klemme der Spannungsquelle 3 von z. B. IV andererseits ist die Sekundärwicklung eines Eingangstransformators 5 eingeschaltet. Eine Quelle von Steuerimpulsen ist über einen Kondensator 6 zwischen der negativen Klemme der Spannungsquelle 3 einerseits und der Basiselektrode des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode 1 andererseits angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 4 liegt an der negativen Klemme der SpannungsqueHe 3 über die Primärwicklung eines Ausgangstransformators 7.

Die Kurve II der Fig. 2 stellt den Kollektorstrom des Transistors 4 als Funktion seiner Vorwärts-Basis-Emitter-Spannung dar. Man sieht, daß, wenn sich die Diode 1 in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung befindet (Punkt A), der Transistor im wesentlichen gesperrt ist (Punkt A') und über den Eingangstransformator 5 seiner Emitterelektrode zugeführte Eingangssignale nicht über den Ausgangstransformator? zum Ausgang der Schaltungsanordnung übertragen kann. Wenn ein negativer Steuerimpuls über dem Kondensator 6 der Basis des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode 1 zugeführt wird, so wird der Arbeitspunkt der Diode, bei genügender Amplitude dieses Impulses, bis rechts vom relativen Maximum der Kurve I verschoben. Infolge des negativen Widerstandes der Diode 1 wandert dieser Arbeitspunkt von selbst weiter, über den Punkt B und längs der Kurve I bis zum Punkt C. Die Diode 1 befindet sich jetzt in einem anderen stabilen Zustand, wobei die Spannung über dieser Diode etwa gleich 0,4 V ist. Die Spannung von 0,4 V ist auch vorhanden zwischen der Emitter- und der Basiselektrode des Transistors 4, der also ziemlich stark leitend ist, z. B. ist sein Kollektorstrom nahezu gleich 100 mA. In diesem Zustand ist der Transistor 4 nicht gesättigt, doch leitend und überträgt wohl über den Transformator 5 seiner Emitterelektrode zugeführte Eingangssignale über den Transformator 7 nach dem Ausgang der Schaltungsanordnung. Dabei arbeitet der Transistor etwa mit seinem maximalen Stromverstärkungsfaktor. Die Emgangssignale können von ziemlich großer Amplitude sein (z. B. etwa 0,1 V Spitzenspannung), ohne Gefahr, daß sie die Diode 1 wieder in ihren Zustand mit sehr kleiner Spannung umschalten. Um eine solche Umschaltung zu verursachen, müssen die Emgangssignale den Arbeitspunkt der Diode 1 vom Punkt C nach links verschiebei, bis links vom relativen Minimum der Kurve I. Die Diode 1 wird durch einen positiven Impuls mit einer Amplitude größer als 0,12 V angelegt über den Kondensator 6 an die Basis des Transistors 4 und an die entsprechende Elektrode der Diode 1 wieder in ihren Zustand mit sehr kleiner Spannung umgeschaltet.

Mittels Steuerimpulse abwechselnder Polaritäten kann also die Diode abwechselnd in ihren Zustand mit sehr kleiner Spannung und in ihren Zustand mit größerer Spannung gebracht werden. Dadurch wird der Transistor abwechselnd in einen gesperrten Zustand und in einen leitenden Zustand gebracht.

Selbstverständlich wird man auch die Steuerimpulse abwechselnder Polarität über den Transformator 5 der Diode zuführen können und das Eingangssignal über den Kondensator 6 an die Basis des Transistors 4 anlegen können.

Das in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel ist ein Zweistufenimpulsteiler. Negative Steuerimpulse werden der Basis eines ersten Transistors 4 über einen Eingangstransformator S zugeführt, und Impulse mit einer halbierten Wiederholungsfrequenz werden dem Kollektorkreis dieses Transistors entnommen, mittels eines Ausgangstransformators 7, wodurch sie der Basis eines zweiten Transistors 4' zugeführt werden. Ausgangsimpulse mit einer viermal kleineren Wiederholungsfrequenz werden dem Kollektorkreis des Transistors 4' mittels eines Ausgangstransformators 9 entnommen. Parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors ist die Reihenschaltung der Sekundärwicklung des Transformators 5 und einer ersten Tunneldiode 1 geschaltet. Über einen Widerstand 2 von z. B. 250 Ω ist diese Diode in der Vorwärtsrichtung polarisiert durch eine SpannungsqueHe 3 von z. B. 1V, die zugleich die Kollektorspannung für die Transistoren 4 und 4' liefert. Der Kollektorkreis jedes dieser Transistoren enthält die Primärwicklung des Transformators 7 bzw. 9 in Reihe mit einem Widerstand 8 bzw. 10, überbrückt durch einen Kondensator 11 bzw. 12. Eine zweite Tunneldiode Γ überbrückt die Reihenschaltung der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 4' und der Sekundärwicklung des Transformators 7. Diese Diode ist ebenfalls durch die SpannungsqueHe 3 über einen Widerstand 2' von z. B. 250 Ω in der Vorwärtsrichtung polarisiert.

Wenn der Basis des Transistors 4 ein negativer Impuls zugeführt wird, z. B. ein Impuls mit einer Amplitude von etwa 0,4 V, so schaltet die Vorderflanke dieses Impulses die Diode 1 um oder nicht um, je nachdem die Diode 1 sich anfänglich in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung oder in ihrem Zustand mit größerer Spannung befindet. Befindet sich die Diode 1 anfänglich in ihrem Zustand mit größerer Spannung (Arbeitspunkt C der Diode und C" des Transistors in Fig. 2), so wird die Vorderflanke dieses Impulses über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 4 in rückwärtiger Richtung über der Diode! angelegt, so daß diese Diode in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung umgeschaltet wird (Punkt A in Fig. 2) und der Transistor, nach Ablauf des Eingangsimpulses, gesperrt wird. Die Vorderflanke des folgenden Impulses macht den Transistor 4 wieder leitend, und seine Rückflanke wird, über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 4, in Vorwärtsrichtung über der Diode 1 angelegt. Diese Diode wird dadurch in ihren Zustand mit größerer Spannung gebracht, so daß der Transistor 4 wieder leitend wird usw. Dasselbe gilt auch hinsichtlich der zweiten Stufe des Teilers, mit dem Transistor 4', der Tunneldiode 1' und den Transformatoren 7 und 9. Die Vorderflanke jedes zweiten, negativen, an die Basis des Transistors 4 angelegten Impulses wird also der Basis des Transistors 4' übertragen, und jeder zweite der dieser

Basis zugeführten Impulse erzeugt wieder einen Stromimpuls durch die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators 9.

Das in Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel enthält einen Transistor 4 in geerdeter Basisschaltung, dessen Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit einem Eingangskondensator 13 und mit einem Ausgangskondensator 14 in den Stromkreis einer Übertragungsleitung aufgenommen ist, um diese Leitung nach Wunsch unterbrechen zu können. Eine Tunneldiode 1 ist unmittelbar zwischen den Basis- und Emitterelektroden des Transistors 4 angeschlossen, wobei ihre Elektroden mit den Elektroden entsprechender Leitfähigkeitstypen des Transistors verbunden sind. Der Emitter des Transistors 4 und die entsprechende Elektrode der Diode 1 sind über einen Widerstand 2 mit einer Quelle von Vorwärtsspannung 3 verbunden. Die Basis des Transistors 4 liegt an der anderen Klemme dieser Spannungsquelle über einen Widerstand 15, und sein Kollektor liegt an der gleichen Klemme über einen Belastungswiderstand 16. Über der Diode 1 ist die Sekundärwicklung eines Steuertransformators 17 in Reihe mit einem Kondensator 18 geschaltet, und Impulse verschiedener Polaritäten werden der einseitig geerdeten Primärwicklung des Transformators 17 zugeführt.

Wird der Basis des Transistors 4 und der entsprechenden Elektrode der Diode 1, über den Transformator 17, ein negativer Impuls zugeführt, so wird der Transistor leitend gemacht, während die Diode zugleich in ihren Zustand mit größerer Spannung gebracht wird. Der Transistor bleibt also nach Ablauf dieses Impulses in seinem leitenden Zustand (Arbeitspunkt C" der Fig. 2), und über den Kondensator 13 seinem Emitter zugeführte Signale erzeugen entsprechende Signale über seinem Kollektorbelastungswiderstand 16, welche Signale über den Ausgangskondensator 14 weiter übertragen werden. Diese Signale werden auch wohl der Diode 1 zugeführt, jedoch nur über die Widerstände 2 und 15, so daß sie nicht leicht die Diode von einem Zustand A oder C in den anderen umschalten können. Die Impulse, welche die Diode über den Transformator 17 und den Kondensator 18 erreichen, sind jedoch unmittelbar über dieser Diode wirksam und bewirken leicht das Umschalten der Diode 1. Wird über diesen Transformator ein positiver Impuls an die Basis des Transistors 4 angelegt, so wird die Diode 1 in ihren Zustand mit sehr kleiner Spannung umgeschaltet, der Transistor 4 wird gesperrt, und die seinem Emitter zugeführten Signale werden nicht mehr übertragen, da dieser Transistor bei verhältnismäßig kleiner Amplitude dieser Signale (z. B. kleiner als 0,2 V) gesperrt bleibt.

Das vierte Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 enthält einen Transistor 4 in geerdeter Emitterschaltung, dessen Basis-Kollektor-Strecke in Reihe mit einem Eingangskondensator 13 und mit einem Ausgangskondensator 14 in einem Übertragungskreis in Reihe geschaltet ist. Eine Tunneldiode 1 ist, in Reihe mit einem Basis-Eingangswiderstand 15, zwischen dem Emitter des Transistors 4 und seiner Basis eingeschaltet, wobei Elektroden entsprechenden Leitfähigkeitstyps miteinander verbunden sind. Der Emitter des Transistors 4 ist unmittelbar mit der positiven Klemme einer Polarisationsspannungsquelle 3 verbunden, und der gemeinsame Punkt des Widerstandes 15 und der Diode 1 ist über einen Widerstand 2 mit der negativen Klemme dieser Quelle verbunden. Der Kollektor des Transistors 4 ist über einen Belastungswiderstand 16 ebenfalls mit dieser negativen Klemme verbunden, und der gemeinsame Punkt der Diode 1, des Widerstandes 15 und des Widerstandes 2 ist schließlich mittels eines Kondensators 18 mit einer Quelle von Steuerimpulsen gekoppelt.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 entspricht derjenigen der Schaltungsanordnung nach Fig. 4, mit diesem Unterschied, daß der Transistor 4 durch die eintreffenden Signale basisgesteuert wird und diese Signale somit verstärkt in seinem Kollektorkreis wiedergibt (Spannungsverstärkung). Der Widerstand 15 entkoppelt die Diode 1 hinsichtlich der über den Kondensator 13 eintreffenden Signale und begrenzt andererseits den Basisstrom des Transistors 4, so daß dieser aus der Sättigung gehalten werden kann.

Das in Fig. 6 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel ist dem vierten nach Fig. 5 sehr stark ähnlich. In Fig. 6 ist jedoch eine Induktivität 19 mit dem Widerstand 2 in Reihe geschaltet, und ein Widerstand 20 ist zwischen dem gemeinsamen Punkt des Widerstandes 2 und der Induktivität 19 einerseits und der positiven Klemme der Spannungsquelle 3 andererseits angeschlossen. Die Widerstände 2 und 20 bilden somit einen Spannungsteiler, durch den nur eine verhältnismäßig kleine Spannung von z. B. 0,2 V über der Diode 1 angelegt wird. Durch die Anwesenheit des Widerstandes 20 wird ferner der Belastungswiderstand der Diode 1 auf einen Wert von z. B. 40 Ω herabgesetzt, so daß diese Diode jetzt nur einen stabilen Arbeitspunkt A" auf der Belastungslinie R' (Fig. 2) aufweist. Der Transistor 4 ist somit normalerweise gesperrt, da die Spannung über der Diode 1 und somit auch die Spannung zwischen seiner Basis und seiner Emitterelektrode sehr klein ist. Wird über den Kondensator 18 ein negativer Impuls der mit der Basis des Transistors verbundenen Elektrode der Diode 1 zugeführt, so wird infolge der Anwesenheit der Induktivität 19 diese Diode nach einem Punkt mit größerer Spannung ihrer Charakteristik I getrieben, z. B. etwa nach Punkt C der Fig. 2. Die größere Spannung über der Diode 1 nimmt nach Ablauf des Steuerimpulses allmählich ab, entsprechend der Zeitkonstante des Netzwerkes mit der Induktivität 19 und den Widerständen 2 und 20. Sobald der Arbeitspunkt der Diode einen Punkt links vom relativen Minimum der Kurve I der Fig. 2 erreicht hat, schlägt die Diode plötzlich, über Punkt D (Fig. 2), nach ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung zurück (endgültig also nach Punkt A", da Punkt D nicht stabil ist). Die Tunneldiode mit der Induktivität 19, den Widerständen 2 und 20 und der Spannungsquelle 3 arbeitet somit als eine monostabile Kippschaltung, und Signale können nur während der Dauer der Impulse dieser Kippschaltung über den Kondensator 13, den Transistor 4 und den Kondensator 14 übertragen werden.

In den Schaltungen nach den Fig. 1 und 4 ist die Basis des Transistors 4 unmittelbar mit der entsprechenden Elektrode der Diode 1 verbunden. In solchen Fällen kann die Diode 1 gegebenenfalls aus einem Teil des Kristalls des Transistors 4 mit höherer Konzentration der Ladungsträger bestehen. Dieser Teil kann wohl oder nicht mit einem gesonderten Kontakt und mit einer mit diesem Kontakt verbunden getrennten Elektrode versehen sein. In den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 und 4 ist eine solche getrennte Elektrode nicht erforderlich, da auch

der Emitter des Transistors 4 mit der entsprechenden Elektrode der Diode 1 unmittelbar verbunden ist. In der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 sollte man jedoch die Sekundärwicklung jedes der Transformatoren 5 und 7 auch zwischen dem Emitter des Transistors 4 bzw. 4' und der entsprechenden Elektrode der Diode 1 bzw. 1' anschließen können. Dadurch würde es möglich werden, Dioden zu verwenden, die aus einem Teil des Kristalls des entsprechenden Transistors bestehen, wobei eine getrennte Diode— Elektrode wohl erforderlich wäre.

Die größere Spannung über einer Tunneldiode beträgt, wie in Fig. 2 gezeigt, nur einige zehntel Volt. In Schaltungsanordnungen nach der Erfindung ist es demzufolge immer möglich, den Transistor derart zu betreiben, daß er durch die Spannung über der Diode nicht gesättigt wird. Dies ist natürlich auch von der verwendeten Kollektorspannung und von den Kollektorbelastungsimpedanzen wie auch von dem gegebenenfalls in der Emitterleitung aufgenommenen Widerstand abhängig.

Die beschriebenen Schaltungsanordnungen können in Signalübertragungsvorrichtungen, z. B. für Fernsprechzwecke, oder als logische Schaltungsanordnungen, z.B. in Rechenmaschinen, oder in automatischen Vorrichtungen verwendet werden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zum Durchschalten einer Wechselspannung oder von Impulsen mit einer Halbleiterdiode aus einem Material mit verhältnismäßig hoher Konzentration von Ladungsträgern und einer Vorwärts-Strom-Spannungs-Charakteristik mit negativem Widerstandsteil, wobei die Diode über einen Widerstand in der Vorwärtsrichtung polarisiert ist, derart, daß sie in zwei Zustände überführbar ist und die Spannung über der Diode in dem einen Zustand sehr klein und in dem anderen Zustand wenigstens eine Größenordnung größer ist, dadurch gekennzeich net, daß die Diode im Basis-Emitter-Kreis eines Schichttransistors derart aufgenommen ist, daß die Basis des Transistors mit der Elektrode gleichen Leitfähigkeitstyps und sein Emitter mit der anderen Elektrode der Diode verbunden ist, daß der Diode Steuerimpulse zugeführt werden, derart, daß sie sich abwechselnd in ihrem Zustand mit sehr kleiner Spannung und in ihrem Zustand mit größerer Spannung befindet und somit der Transistor sich abwechselnd in einem gesperrten Zustand und in einem leitenden Zustand befindet, und daß der Eingangs- und der Ausgangskreis derart ausgelegt sind, daß das durchzuschaltende Signal bei leitendem Transistor übertragen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode aus einem Teil des Kristalls des Transistors mit höherer Konzentration der Ladungsträger besteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Teil mit höherer Konzentration der Ladungsträger mit einem getrennten Kontakt und mit einer mit diesem Kontakt verbundenen getrennten Elektrode versehen ist, welche mit dem Emitter des Transistors verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis und der Emitter des Transistors unmittelbar mit den Elektroden der Diode verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die größere Spannung über der Diode und die Charakteristiken des Transistors derart aneinander angepaßt sind und/oder die Verbindungen zwischen der Diode und dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors derart ausgebildet sind, daß der Transistor durch die größere Spannung über der Diode leitend gemacht, jedoch nicht gesättigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuniren

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