DE1222973B - Mehrstufiger Impulsverstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/04

Nummer; 1222 973

Aktenzeichen: S 76623 VIII a/21 al

Aruneldetag: 9. November 1961

Auslegetag: 18. August 1966

Mehrstufige Verstärker sind bekannt, bei denen jede Stufe einen Transistor enthält und der Transistor der ersten Stufe über die Dauer des Anlegens eines Eingangsimpulses leitend und der Transistor der zweiten Stufe während dieses Zeitintervalls nichtleitend ist. Die Erfindung bezweckt, die Flankensteilheit der Ausgangsimpulse derartiger Impulsverstärker zu vergrößern, um eine induktive Last, z. B. eine Steuerleitung eines Magnetspeichersystems, besser zu steuern. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß bei einer zweistufigen Impulsverstärkerschaltung mit zwei je einen Transistor enthaltenden Stufen, wobei der Transistor der ersten Stufe über die Dauer des Anlegens eines Eingangsimpulses leitend und der Transistor der zweiten Stufe während dieses Zeitintervalls nichtleitend ist und wobei die Basiselektroden beider Transistoren über voneinander unabhängige Wider- -stände mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden sind, der Kollektor des ersten Transistors einerseits in an sich bekannter Weise über eine RL-Serienschaltung mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle und andererseits über eine jRC-Parallelschaltung mit der Basiselektrode des zweiten Transistors verbunden ist, wobei die Werte der genannten Schaltelemente derart gewählt sind, daß beim Sperren des ersten Transistors die Induktivität der i?L-Schaltung eine Vergrößerung der Bandbreite des zweiten Transistors bewirkt, bis dieser in seinem leitenden Zustand ist, und daß beim Entsperren des ersten Transistors durch den Kondensator der ÄC-Schaltung ein schnelles Sperren des zweiten Transistors herbeigeführt wird. Die Basis des Transistors der zweiten Stufe ist somit ohmisch an den Kollektor des Transistors der ersten Stufe und außerdem an ejne Vorspannungsquelle angekoppelt. Wird die erste Stufe durch das Auftreten eines Eingangsimpulses gesperrt, so kann der durch die Induktivität fließende relativ hohe Strom sich nicht sofort ändern. Er wird daher hauptsächlich der Basis-Emitter-Schaltung der zweiten Transistorstufe zugeführt. Auf diese Weise wird der zweite Transistor sehr schnell leitend, wobei er eine große Bandbreite, jedoch geringe Stromverstärkung aufweist. Sobald der durch die Induktivität fließende Strom abfällt, erreicht der Transistor der zweiten Stufe einen statischen Betriebszustand, bei dem die Bandbreite beträchtlich geringer, die Verstärkung dagegen erheblich größer ist. Sobald der erste Transistor wieder leitend wird, kann sein relativ großer Kollektorstrom sofort aus der in dem den Kopplungswiderstand parallelhegenden Kondensator gespeicherten Energie zur Verfügung gestellt werden, da der sodann relativ kleine Strom durch die Induktivität des Kollektors den für die erste Mehrstufiger Impulsverstärker

Anmelder:

SperryRand Corporation,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Weintraud, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Mainzer Landstr. 134-146

Als Erfinder benannt:
George Rembert Smythe,
Ramsey, Minn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 16. November 1960
(69 688)

as Stufe erforderlichen Kollektorstrom nicht sofort bereitstellen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, bestehen die aktiven Bauelemente des Mehrstufen-Leistungsverstärkers aus den Transistoren 10 und 12. Die Emitter 14 bzw. 16 der Transistoren 10 und 12 sind geerdet, so daß sie auf die Spannung Null bezogen werden können. Wie aus dem an den beiden Emittern nach innen zeigenden Pfeil ersichtlich ist, handelt es sich bei diesen Transistoren um PNP-Transistoren. Es können jedoch auch NPN-Transistoren verwendet werden.

Der Transistor 10 befindet sich normalerweise in einem Leitzustand, der nahe der Sättigung liegt, so daß ein verhältnismäßig großer Strom von der Masse über den Emitter 14 zum Kollektor 18 und von dort über die Induktivität 20 und den Widerstand 22 zur Klemme 24 fließt, an der ein negatives Potential -E₁, z.B. —6V, anliegt. Der Transistor 10 wird im normalen Betriebszustand durch die Spannungsteilerschaltung zwischen den Klemmen 24 und 26 hochleitend gemacht, wobei eine positive Spannung +U₂ von z. B. +6 V an der Klemme 26 anliegt und die Widerstände 28, 30 und 32 den Spannungsteiler darstellen. Bei den in der Zeichnung angegebenen Spannungs- und Widerstandswerten beträgt das normale Potential am Verbindungspunkt 34 etwa —4 V, wo-

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durch die Basiselektrode 36 etwas negativer als die die Frequenzempfindlichkeit eines Transistors. Die

geerdete Emitterelektrode 14 gehalten wird. Verstärkung bezieht sich daher jeweils auf die Strom-

Die Induktivität 20 liegt nicht nur in Reihe mit dem verstärkung des in der betreffenden Schaltung verKollektor 18 und dem Emitter 14, sondern ist auch in wendeten Transistors. Wie aus der Zeichnung ersicht-Reihe mit dem Gleichstrom-Ankoppelwiderstand 38 5 lieh ist, sind die hier verwendeten Transistoren in und dem Basisvorspannungswiderstand 40 an die an Emitterschaltung geschaltet, wobei die Angaben .zürn der Klemme 26 anliegende positive Spannung+^ Produkt VB (Verstärkung · Bandbreite) sich auf den angeschaltet. Da der Transistor 10 also praktisch bei Transistor 12 beziehen. Die Vorderkante des Signals, voller Sättigung leitet, umfaßt der Gesamtstrom durch das den Transistor 12 leitend macht, kann als Eingangsdie Induktivität 20 den Emitter-Kollektor-Strom des io signal der höchsten Frequenz angesehen werden. Um Transistors sowie einen zusätzlichen Strombetrag, der einen schnell ansteigenden Ausgangsimpuls zu ervon der positiven Spannungsquelle +E₂ durch die halten, muß also eine große Bandbreite zur Verfügung Widerstände 38 und 40 fließt. So kann z. B. der stehen, d. h. eine große Frequenzempfindlichkeit, so relativ große Kollektorstrom etwa 20 mA und der daß der Transistor 12 schnell anspricht. Um dieses zusätzliche Strom von der Klemme 26 durch die 15 Ziel zu erreichen, muß jedoch zunächst ein Teil der Widerstände 38 und 40 etwa 2,5 mA betragen. Da Verstärkung geopfert werden. Mit anderen Worten, durch den Widerstand 40 etwa 2,5 mA fließen, beträgt obwohl der Transistor 12 bei größerer Verstärkung die Spannung an der Basis des Transistors 12 — wäh- arbeiten kann — sobald er leitend wird —, wird er rend der Transistor 10 hochleitend ist — etwa +0,6 V. bei geringerer Verstärkung betrieben, um eine relativ Das heißt, die Basis hat eine Spannung, die gegenüber 20 hohe Frequenzempfindlichkeit zu erhalten. Sobald der der Massespannung des Emitters 16 erhöht ist, wo- Transistor jedoch leitend wird, erreicht das Eingangsdurch der Transistor 12 zu diesem Zeitpunkt gesperrt signal zur Basis eine relativ konstante Amplitude, wird. . d. h. das relativ flache Dach des Impulses. Die Be-

Um den Transistor 10 zu sperren, wird der Eingangs- triebsbandbreite des Transistors kann dann so weit

klemme 44 ein Rechteckimpuls zugeführt, der von hier 25 herabgesetzt werden, daß die Stromverstärkung des

aus zur Spannungsteilerschaltung gelangt, z. B. zum Transistors erhöht wird. Mit anderen Worten, der

Anschlußpunkt 34 über den Kondensator 46 und Basisstrom des Transistors kann kleiner werden, da

über die Leitung 48 direkt zum Verbindungspunkt 50. die entsprechend größere Verstärkung die Verringerung

Dadurch erhält die Basis 36 eine Spannung, die sehr des Eingangs-Basisstromes so ausgleicht, daß das

schnell bis zu einem Punkt ansteigt, wo sie gegenüber 30 Produkt VB konstant wird.

dem Emitter 14 ausreichend positiv wird. Auf diese Es sei angenommen, daß der Transistor 12 ein Weise wird der Transistor 10 gesperrt. Bekanntlich Produkt FjS von 90 MHz hat. Begrenzt man die kann sich jedoch der durch die Induktivität 20 fließende Bandbreite auf 30 MHz und wird der Transistor 12 Strom nicht sofort ändern, so daß der zuvor durch leitend, so ist er dadurch in der Lage, auf den Eingangsdie Induktivität fließende Strom von 22,5 mA wäh- 35 impuls schnell anzusprechen. In diesem Fall beträgt rend der Anstiegszeit des der Klemme 44 und der Verstärkungsfaktor nur etwa 3. Um vom Kollekder Basis 36 zugeführten Eingangsimpulses er- tor 52 den gewünschten Ausgangsimpuls von 6OmA halten bleibt. Während des Augenblicks, in dem zu erhalten, muß also durch Basis und Emitter des der durch die Induktivität fließende Strom somit Transistors ein Strom von etwa 20 mA fließen. Dieser unverändert bleibt, fließt er aus zwei Quellen: 40 Vorgang findet — wie oben erwähnt — indemAugenerstens von der Vorspannungsschaltung für den blick statt, in dem der Strom durch die Induktivität 20 Transistor 12, d. h. von der Spannungsquelle +E_z gleichbleibt, nachdem der Transistor 10 durch einen über den Widerstand 40 und zweitens von der Masse an der Klemme 44 anliegenden Impuls gesperrt wurde, über den Emitter 16 und die Basis 42. Der zuvor durch Hat das Signal zur Basis 42 einen im wesentlichen den Widerstand 40 fließende Strom von 2,5 mA erhöht 45 konstanten Wert erreicht, kann die Betriebsbandbreite sich auf etwa 3 mA, wodurch die Basis 42 eine Span- des Transistors 12 geopfert werden, da der Transistor nung von etwa —0,3 V erhält und der Transistor 12 sodann praktisch unter Gleichstrombedingungen arleitend wird, während der übrige, durch die Induk- beitet. Der durch die Basis 42 fließende Strom wird tivität fließende Strom von etwa 19,5 mA über Emitter also reduziert, so daß der Transistor mit einem Ver_r und Basis des Transistors 12 fließt. Während des 50 Stärkungsfaktor von etwa 30 arbeitet. Um vom Augenblicks, in dem der zuvor durch die Induktivität Kollektor 52 den Ausgkngsimpuls der gewünschten fließende Strom nicht verändert wird, wird der größte Größe zu erhalten, braucht der Basis daher nur ein Teil dieses Stromes also nicht der Spannungsquelle Strom von etwa 2 mA zugeführt zu werden, was einen +.E₂ entnommen, sondern fließt über Emitter und Ausgangsstrom von 60 mA ergibt. Der Kollektor-Basis des Transistors 12, und zwar während der 55 strom des Transistors 12 wird durch seinen Außen-Anstiegszeit des an die Klemme 44 angeschalteten widerstand und die Kollektorspeisespannung be-Eingangsimpulses. Der Transistor 12 wird auf diese stimmt. Man kann daher die Stromverstärkung des Weise schnellstens leitend gemacht. Natürlich fällt der Transistors 12 durch die Korrektur des durch die Strom durch die Induktivität nach der Anstiegszeit Induktivität 20 fließenden Stromes nachstellen und sofort ab. Der Transistor 12 braucht aber auch nur 60 damit die Bandbreite der zweiten Transistorstufe verwährend der Anstiegszeit schnell zu leiten, und die ändern, um die erforderliche Anstiegszeit zu erhalten. Induktivität 20 wirkt daher auch nur in diesem Augen- Zeitkonstante und Schaltungswiderstand der Indukblick wie eine konstanten Strom bereitstellende Strom- tivität 20 müssen klein genug sein, damit ein gleichquelle, die der Basissteuerung für den Transistor 12 bleibender Betriebszustand erreicht werden kann, einen konstanten Strom liefert. 65 solange der Eingangsimpuls an der Klemme 44 an-

Bekanntlich wird ein Transistor unter anderem auch liegt. Andernfalls würde die Stromverstärkung und

nach dem Produkt »Verstärkung · Bandbreite« be- damit die Anstiegszeit des Ausgangsimpulses des

urteilt. Die Bandbreite selbst ist charakteristisch für Kollektors 52 von der Impulsfolgefrequenz sehr stark

abhängig werden. Es erübrigt sich also, die Betriebsvorspannung zu ändern, wenn eine Änderung in der Eingangsimpulsfolgefrequenz eintritt.

Aus den vorstehenden Angaben ergibt sich, daß der Ausgangsimpuls des Kollektors 52 sehr schnell ansteigt. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, daß der Impuls des Kollektors 52 auch wieder schnell abfällt. Zu diesem Zweck sind Widerstand 38 und Kondensator 54 parallel geschaltet. Wenn also der Transistor 10 durch das Ausbleiben bzw. durch ausreichenden Abfall des Eingangsimpulses an der Klemme 44 wieder leitend wird, kann der kurz vor Beendigung des Eingangsimpulses durch die Induktivität 20 fließende, relativ geringe Strom nicht augenblicklich ansteigen. Der Strom für den Kollektor 18 wird also in diesem Moment in erster Linie von der Energie bereitgestellt, die während der Sperrzeit des Transistors 10 im Kondensator 54 gespeichert wurde. Die Spannung an der Basis 42 steigt dadurch schnell an, so daß der Transistor 12 so schnell wie möglich gesperrt wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der Kollektor 52 des Transistors 12 über die Primärwicklung 56 des Transformators 58 an der Klemme 60 mit einer negativen Spannungsquelle -Is₃ von z. B. —10 V verbunden. In der Zeit, in welcher der Transistor 12 in der oben beschriebenen Weise Strom führt, fließt durch die Primärwicklung 56 Strom. Sobald der Transistor 12 gesperrt wird, wird in der Primärwicklung 56 durch Selbstinduktion eine Spannung erzeugt, die sich infolge ihrer bestimmten Polarität der Spannung -E₃ aufaddiert. Diese selbst induzierte Spannung ist etwa gleich der Spannung — E₃, so daß die Gesamtspannung beispielsweise etwa —20 V beträgt. Diese Spannung könnte unter Umständen ausreichen, den Kollektor 52 zu beschädigen. Um dies zu verhindern, ist der Primärwicklung 56 ein Scheinwiderstand parallel geschaltet, der einen Richtleiter enthält. Diese Scheinwiderstandsschaltung besteht aus der Reihenschaltung einer Diode 62 und eines Widerstandes 64. Die Diode ist richtig gepolt, so daß die Kollektorschicht des Transistors 12 nicht durch eine zu hohe Sperrspannung zerstört werden kann. Der Transistor 58 ist mit seiner Primärwicklung 56 an einen den Transistor umfassenden Spannungserzeuger geringer Impedanz angeschlossen, so daß Stromimpulse über die Sekundärwicklung 66 an eine induktive Last 68 angeschaltet werden können, die beispielsweise die Steuerleitung eines Magnetkernspeichersystems darstellen kann. In diesem Fall wird die Steuerleitung durch die Induktivität 70 dargestellt, die in Reihe mit einem Widerstand 72 liegt. Normalerweise wird der unteren Klemme 78 der Sekundärwicklung 66 eine positive Vorspannung von beispielsweise +6 V über die Klemme 74 und den Widerstand 76 zugeführt, um die Steuerleitung 68 bei Nichtanliegen eines negativen Steuerimpulses der Sekundärwicklung 66 positiv zu halten. Der Ableitkondensator 80 ist vorzugsweise zwischen Klemme 78 und Masse geschaltet. Das Transformatorverhältnis von der Anzahl der Primärwindungen zu der Anzahl der Sekundärwindungen des Transformators 58 beträgt 2:1.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der durch die Steuerleitung 68 dargestellte Verbraucher an die Sekundärwicklung 66 angekoppelt. Man hat festgestellt, daß die Übertragung der Leistung von der Sekundärwicklung 66 an die Steuerleitung 68 dann maximal ist, wenn eine i?C-Parallelschaltung 81 in Reihe dazwischengeschaltet ist. Diese Parallelschaltung enthält den Widerstand 82 und den Kondensator 84, wodurch der Verbraucher gewissermaßen in einen Abschnitt einer künstlichen Übertragungsleitung mit zusätzlichem Reihenwiderstand verwandelt wird. Unter diesen Umständen ist der Scheinwiderstand, der durch die Sekundärwicklung 66 an die Klemmen 78 und 86 gelegt wird, ein rein Ohmscher Widerstand, der gleich der Summe der Werte der Widerstände 72 und 82 bzw. E-J₀II₁₀ ist. Der Wert des Widerstandes 82 wird durch Teilen des Wertes der Induktivität 70 durch den Wert des Kondensators 84 ermittelt, wobei die Schaltung bei ihrer Grenzfrequenz betrieben wird, oberhalb derer die Impedanzbedingung nicht mehr zutrifft, sondern lediglich der Ohmsche Widerstand vorliegt, d. h. der Kehrwert der Resultante von

π · ]/Wert der Induktivität 70 · Wert des Kondensators 84.

Mit Hilfe des Transformators 58 und der i?C-Schaltung 81 ist man also in der Lage, aus einer Spannungsquelle geringer Impedanz schnell ansteigende Ausgangsimpulse an einen induktiven Verbraucher zu liefern.

Auf Grund seiner Kenntnisse wird der Fachmann an Hand dieser Beschreibung ohne weiteres Abwandlungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen können. Die in der Beschreibung sowie in den Zeichnungen gemachten Angaben dienen daher lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht einschränken, da der für die Erfindung beanspruchte Schutz durch die Patentansprüche abgegrenzt wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Impuls verstärkerschaltung mit Flankenversteilerung mit zwei je einen Transistor enthaltenden Stufen, wobei der Transistor der ersten Stufe über die Dauer des Anlegens eines Eingangsimpulses leitend und der Transistor der zweiten Stufe während dieses Zeitintervalls nichtleitend ist und wobei die Basiselektroden beider Transistoren über voneinander unabhängige Widerstände mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (18) des ersten Transistors (10) einerseits in an sich bekannter Weise über eine i?L-Serienschaltung (20, 22) mit dem negativen Pol (24) einer Spannungsquelle und andererseits über eine RC-Parallelschaltung (38,54) mit der Basiselektrode (42) des zweiten Transistors (12) verbunden ist, wobei die Werte der genannten Schaltelemente derart gewählt sind, daß beim Sperren des ersten Transistors (10) die Induktivität der .RL-Schaltung (20, 22) eine Vergrößerung der Bandbreite des zweiten Transistors (12) bewirkt, bis dieser in seinem leitenden Zustand ist, und daß beim Entsperren des ersten Transistors (10) durch den Kondensator (54) der jRC-Schaltung (38,54) ein schnelles Sperren des zweiten Transistors (12) herbeigeführt wird.

2. Impulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (36) des ersten Transistors (10) an einem Spannungsteiler (28, 30, 32) liegt, welcher auch mit der Eingangsklemme (44) verbunden ist.

3. Impulsverstärker nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine so hochohmige Bemessung des Basisvorwiderstandes (40) des zweiten Transistors (12), daß der bei Sperrung des ersten Transistors (10) durch ein positives Potential an der Eingangsklemme (44) von der Induktivität (20) in dessen Kollektorkreis aufrechterhaltende Stromfluß zum größten Teil durch Basis und Emitter des zweiten Transistors (12) fließt, um diesen schnell leitend zu machen, damit ein rasch ansteigender Stromfluß vom Emitter zum Kollektor des zweiten Transistors (12) erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 054 493,1 095 879; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 805 166; USA.-Patentschriften Nr. 2 946 899, 2 909 659, 914 683, 2 514112, 2 892 101.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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