DE1242700B

DE1242700B - Transistor circuit with a diode in the base lead, in particular a transmission amplifier in B or C operation, or an oscillator

Info

Publication number: DE1242700B
Application number: DE1965T0030086
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Dieter Gerstner
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1965-12-21
Filing date: 1965-12-21
Publication date: 1967-06-22
Also published as: GB1171610A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

H03fH03f

Deutsche KL: 21 a2-18/08 German KL: 21 a2- 18/08

Nummer: 1242 700Number: 1242 700

Aktenzeichen: T 30086 VIII a/21 a2File number: T 30086 VIII a / 21 a2

Anmeldetag: 21, Dezember 1965 Filing date: December 21, 1965

Auslegetag: 22. Juni 1967Open date: June 22, 1967

Bei Verstärkerschaltungen mit Röhren oder mit Transistoren sind verschiedene Betriebsarten bekannt, die je nach dem Zweck der Schaltung vielfältige Verwendung finden. Die Betriebsbezeichnungen A, B, AB und C beziehen sieh auf die Aussteuerungsverhältnisse. Betreibt man beispielsweise einen Verstärker im Α-Betrieb, so trägt die ganze Periode des Wechselstromeingangssignals zum verstärkten Ausgangssignal bei. Da ein Transistor erst bei einem bestimmten Spannungswert vom gesperrten Zustand in den aktiven Bereich gesteuert wird, kann durch die Wahl eines geeigneten Basisvorwiderstandes bzw. durch die Höhe der Amplitude der aussteuernden Wechselspannung der Stromflußwinkel bestimmt werden. Der Stromflußwinkel läßt sich also allein durch Variation der Eingangswechselspannung von 0 bis 180° variieren. Beträgt der Stromflußwinkel 180° oder nahezu 180°, so daß während der halben Periodendauer ein Kollektorwechselstrom fließt, so spricht man von B-Betrieb; bei einem Flußwinkel unter 180° dagegen von C-Betrieb. Sowohl beim C- als auch beim B-Betrieb fließt kein Ruhestrom.Various operating modes are known for amplifier circuits with tubes or with transistors. which are used in a variety of ways, depending on the purpose of the circuit. The company names A, B, AB and C refer to the modulation ratios. For example, if you run one Amplifier in Α operation, the entire period of the AC input signal contributes to the amplified Output signal at. Since a transistor only leaves its locked state at a certain voltage value is controlled in the active area, can be done by choosing a suitable basic series resistor or determined by the magnitude of the amplitude of the modulating alternating voltage of the current conduction angle will. The current conduction angle can thus be determined solely by varying the input AC voltage from Vary from 0 to 180 °. If the current conduction angle is 180 ° or almost 180 °, so that during the half Period duration a collector alternating current flows, this is called B operation; at a river angle below 180 °, on the other hand, from C operation. No quiescent current flows in either C or B operation.

Während nun bei Niederfrequenzverstärkern die Rückwirkung des Ausgangskreises auf den Eingangskreis meist in Kauf genommen werden kann, stört sie bei Hochfrequenz-, Breitband- und Selektivverstärkern. Insbesondere beim Selektivverstärker, bei dem der Transistor ausgangsseitig mit einem Schwingkreis belastet wird, verursacht die Rückwirkung eine starke Unsymmetrie der Kurve für die Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz, wodurch in bestimmten Frequenzbereichen eine Mitkopplung entsteht, die zur Erregung von Schwingungen führen kann. Dies ist besonders bei höheren Frequenzen der Fall, da dort die Phasendrehung zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen schon erhebliche Werte annimmt. Daher wurde bisher bei Selektivverstärkern eine Neutralisation vorgenommen. Solche Neutralisationsnetzwerke bestehen in der Regel aus einem Übertrager und einem ÄC-Glied und unterdrücken, abgesehen von ihrer Aufwendigkeit in der Berechnung und im Aufbau, die unerwünschte Rückwirkung meist nicht vollständig. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Phase oder die Amplitude der Spannung am Ausgangskreis des Transistors durch äußere oder durch schaltungsbedingte Einflüsse geändert wird.While now with low frequency amplifiers the reaction of the output circuit on the input circuit can usually be accepted, it interferes with high-frequency, broadband and selective amplifiers. Especially in the case of the selective amplifier, in which the transistor has an oscillating circuit on the output side is loaded, the reaction causes a strong asymmetry of the curve for the gain depending on the frequency, which creates positive feedback in certain frequency ranges, which can lead to the excitation of vibrations. This is especially true at higher frequencies Case where the phase shift between the input and output variables already assumes considerable values. For this reason, neutralization has been carried out in the past with selective amplifiers. Such neutralization networks usually consist of a transformer and an ÄC element and suppress, apart from their complex calculation and structure, the undesirable retroactive effect mostly not completely. This is especially the case when the phase or the amplitude the voltage at the output circuit of the transistor due to external or circuit-related influences will be changed.

Demgegenüber sieht die Erfindung eine wesentliche Vereinfachung der Rückwirkungsunterdrükkung in Transistorschaltungen vor, die insbesondere bei Verstärkern im B- oder C-Betrieb vorteilhaft Verwendung findet. Dabei ist vorgesehen, daß in die Transistorschaltung mit einer Diode in der
Basiszuleitung, insbesondere Sendeverstärker
im B- oder C-Betrieb, oder OszillatorIn contrast, the invention provides for a substantial simplification of the suppression of feedback in transistor circuits, which is advantageously used in particular in amplifiers in B or C operation. It is provided that in the transistor circuit with a diode in the
Base cable, especially transmission amplifier
in B or C mode, or oscillator

Anmelder:
TelefunkenApplicant:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3Patentverwertungsgesellschaft mb H.,
Ulm / Danube, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

DipL-Ing. Dr. Dieter Gerstner, WillsbachDipL-Ing. Dr. Dieter Gerstner, Willsbach

Basiszuleitung eines Transistors eine Diode geschaltet ist, deren Speicherzeit erheblich kürzer ist als die der Emitterbasis- bzw. der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors und deren Flußrichtung der des Emitter-Basis-pn-Überganges entspricht.A diode is connected to the base lead of a transistor, the storage time of which is considerably shorter than that of the emitter-base or the collector-base path of the transistor and their direction of flow of the emitter-base-pn-junction corresponds.

Es sind zwar bereits Dioden in der Basiszuleitung von Transistoren bekanntgeworden, deren Durchlaßrichtung der des Emitter-Basis-pn-Uberganges entspricht, doch dienten diese Dioden niemals zur Rückwirkungsunterdrückung. So ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Diode in der Basiszuleitung der Transistorendstufe eines Verstärkers zur Kompensation kleiner Restspannungen der vorangehenden Verstärkersrufe dient. Bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung dienen die Dioden in der Basiszuleitung eines Transistors zur Erhöhung des Eingangswiderstandes.It is true that diodes in the base lead of transistors have already become known, their forward direction corresponds to that of the emitter-base pn junction, but these diodes were never used to suppress feedback. For example, a circuit arrangement is known in which a diode is in the base lead of the transistor output stage of an amplifier serves to compensate for small residual voltages of the previous amplifier calls. At a other known circuit arrangement, the diodes in the base lead of a transistor are used Increase in the input resistance.

Demgegenüber wird durch die erfindungsgemäße Transistorschaltung auf äußerst einfache und billige Weise ein wirksame RUekwirkungsunterdrückung erzielt. In contrast, the transistor circuit according to the invention is extremely simple and inexpensive Way an effective feedback suppression is achieved.

Man geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Rückwirkung verschiedene Ursachen hat. So beruht sie einmal auf einer strombedingten Basisdickenänderung, zum anderen auf der Modulation des Basisbahnwiderstandes. Bei hohen Frequenzen wird die vielfach beschriebene spannungsbedingte kapazitive Rückwirkung über die Kollektor-Basis-Kapazität besonders wirksam. Ferner muß bei einem Transistor, der in einem Verstärker im B- oder C-Betrieb eingesetzt wird, bei jeder Umschaltung der Kollektordiode des Transistors aus dem übersteuerten in den sperrenden Bereich die in der Basis gespeicherte Ladung über den Kollektor- oder den Basisanschluß abfließen. Die über die beiden An-One proceeds from the knowledge that the reaction has various causes. So is based on the one hand on a current-induced change in the base thickness, on the other hand on the modulation of the Base resistance. At high frequencies the often described voltage-related capacitive Feedback via the collector-base capacity particularly effective. Furthermore, in a transistor that is used in an amplifier in the B or C operation is used at each changeover of the collector diode of the transistor from the overdriven the charge stored in the base via the collector or the Drain the base connection. The over the two

709 607/384709 607/384

3 43 4

schlußstellen abzubauende, in der Basis des Tran- bringt bei Dioden die Verkürzung der Schaltzeit sistors gespeicherte Ladungsmenge hängt vom Über- nicht notwendigerweise eine Verschlechterung ansteuerungsfaktor und der Lebensdauer der Ladungs- derer wesentlicher Kenndaten. Ferner ist es für die träger ab. Die über den Basisanschluß abfließende Schaltzeit der Diode günstig, daß sie in Flußrichtung Ladung ist als störender Rückwirkungseffekt un- 5 nur mit dem kleinen Basisstrom des Transistors beerwünscht und soll mit Hilfe einer vorgeschalteten lastet wird, während die Emitter- bzw. Kollektor-Diode ganz unterbunden werden. Die Zeit, in der ein diode des Transistors von einem um den Strom-Rückstrom über die Basis fließt, die sogenannte verstärkungsfaktor β größeren Strom /_c bzw. I_E Speicherzeit, ist einmal vom Übersteuerungsfaktor durchflossen wird.The amount of charge stored in the base of the transistor in the case of diodes, the shortening of the switching time sistor, depends on the over- not necessarily a worsening of the control factor and the service life of the charge. Furthermore, it is aimed at the wearer. The switching time of the diode flowing through the base connection is favorable because it is charged in the flow direction as a disturbing retroactive effect undesirable only with the small base current of the transistor and should be loaded with the help of an upstream, while the emitter or collector diode is completely prevented will. The time in which a diode of the transistor flows through the base of a current / _c or I _E storage time greater than the current return current, the so-called amplification factor β , is traversed once by the overload factor.

und zum anderen von der Größe der angelegten io Eine vorteilhafte Weiterentwicklung und VerSperrspannung, d. h. also von der Amplitude der besserung des Erfindungsgedankens bietet sich durch aussteuernden Wechselspannung abhängig. die Möglichkeiten des integrierten Aufbaus von Bau-and on the other hand on the size of the applied io An advantageous further development and locking voltage, d. H. So the amplitude of the improvement of the inventive idea offers itself through dependent alternating voltage. the possibilities of the integrated structure of building

Weiterhin ist sie aber auch noch von dem äugen- elementen an. So besteht die Möglichkeit, den Tranlicklich fließenden Kollektorstrom, d. h. also von der sistor und die Diode kombiniert und in großer Stück-Amplitude und Phase des Kollektorstromes abhän- 15 zahl aus einer Halbleiterscheibe herzustellen, so daß gig. Jede Änderung im Ausgangskreis durch Last- für den Aufbau von Sendeverstärkern Diode und änderung oder Verstimmung beeinflußt also den Ein- Transistor in einem gemeinsamen Gehäuse verwengangskreis. Dies bedeutet eine starke Rückwirkung. det werden können. Natürlich besteht auch die Mög-But it is also still from the eye element on. So there is the possibility of the Tranlicklich flowing collector current, d. H. So the sistor and the diode are combined and in large piece amplitude and phase of the collector current depending on the 15 number of a semiconductor wafer, so that gig. Any change in the output circuit due to load diodes and for the construction of transmitter amplifiers Change or detuning thus affects the one-transistor in a common housing use circuit. This means a strong reaction. can be det. Of course there is also the possibility

Die Abhängigkeit der Speicherzeit vom äugen- lichkeit, noch weitere Bauelemente der Verstärkerblicklich fließenden Kollektorstrom wurde beispiels- 20 schaltung in eine integrierte Schaltung einzubringen, weise bei einem Schalttransistor untersucht. Bei je- Die Erfindung soll noch an Hand eines Ausfühweils gleicher Basisaussteuerung ergaben sich bei rungsbeispieles näher erläutert werden,
unterschiedlich großen Kollektorgleichströmen im In F i g. 1 ist eine Prinzipschaltung eines selek- »Ein«-Zustand des Transistors verschieden große tiven Sendeverstärkers im C-Betrieb dargestellt.
Speicherzeiten beim »Ausschalten« des Transistors. 35 Sendeverstärker im C-Betrieb haben einen großen Bei einem Kollektorgleichstrom von /_c = 10 mA er- Wirkungsgrad und eine kleine Verlustleistung. Sie gab sich beim Umschalten der Basis-Emitter-Diode werden in der Regel mit einem Spitzenstrom großer vom Fluß- in den Sperrzustand eine Speicherzeit Amplitude bei jeder Periode aus dem gesperrten Zuvon t_s — 32 nsec, während der ein konstanter Basis- stand in den übersteuerten Bereich geschaltet und rückstrom von —I_B = 1,2 mA floß, was einer aus 3° dienen hauptsächlich zur Verstärkung nur einer Fredem Transistor zurückgeflossenen Ladung von quenz und in besonderen Fällen zur Frequenzverviel- Q = 38 ρ Coul entspricht. Dagegen betrug die Spei- fachung. Meist wird zur Verstärkung des Eingangscherzeit bei einem der Sperrung vorangehenden signals, das von einer Treiberstufe 1 über einen Kollektorstrom von I_c = 50 mA nur 20 nsec, was Schwingkreis 2 auf die Basis eines in Emitterbei einem in dieser Zeit wiederum gemessenen Rück- 35 schaltung betriebenen Transistors 3 gegeben wird, strom von —I_B = 1,2 mA eine aus der Basis zurück- der als Ausgangslast an den Kollektor angeschlosgeflossenen Ladungsmenge von Q = 24 ρ Coul ergab. sene Schwingkreis 4 auf die Frequenz des Eingangs-The dependence of the storage time on the ability to incorporate other components of the amplifier current flowing collector current into an integrated circuit, for example, was investigated with a switching transistor. The invention is to be explained in more detail on the basis of an embodiment of the same basic level control resulting from an example,
different sized collector direct currents in the In F i g. 1 shows a basic circuit of a selective "on" state of the transistor of different sizes tive transmission amplifier in C mode.
Storage times when »switching off« the transistor. 35 Transmitter amplifiers in C mode have a high level of efficiency and a low power loss _{with a collector direct current of / c = 10 mA.} It was given when switching the base-emitter diode, as a rule, with a high peak current from the flow to the blocking state, a storage time amplitude for each period from the blocked supply of t _s - 32 nsec, during which a constant base state in the overdriven range and reverse current of -I _B = 1.2 mA flowed, which corresponds to a charge of quenz and in special cases for frequency multiplication from 3 ° mainly used to amplify only one Fredem transistor and to frequency multiplication. Q = 38 ρ Coul. In contrast, the storage was. In order to amplify the input shear time in the case of a signal preceding the blocking, the driver stage 1 only uses a collector current of I _c = 50 mA for 20 nsec operated transistor 3, a current of —I _B = 1.2 mA resulted in a charge quantity of Q = 24 ρ coul which flowed back from the base as an output load to the collector. resonant circuit 4 to the frequency of the input

Zu einer wirksamen Unterdrückung des Ladungs- signals abgestimmt. Dann werden Oberschwingungen rückflusses aus der Basis eines Transistors muß eine und Rückmodulationsprodukte vom Schwingkreis 4 dem Basisanschluß vorgeschaltete Diode besonders 40 unterdrückt. Es besteht allerdings auch die Möglichkurze Schaltzeiten aufweisen. Überträgt man die keit, den Ausgangsschwingkreis auf eine Haroben bei einem Schalttransistor festgestellten Spei- monische der Eingangsschwingung abzustimmen, so cherzeiten auf einen B- oder C-Verstärker, so geht daß auf Grund der Nichtlinearität der Transistoraus den Zahlenwerten hervor, daß zur Unterdrük- kennlinien eine Frequenzvervielfachung zustande kung des Ladungsrückflusses aus der Basis des Tran- 45 kommt. Da, wie bereits eingangs ausgeführt wurde, sistors eine Diode verwendet werden muß, deren die Rückwirkung bei B- und C-Verstärkern sehr Speicher- bzw. Schaltzeit wesentlich kleiner als störend ist, wird entsprechend der Erfindung zur 20 nsec ist. Als Dioden mit extrem kleinen Schalt- Unterdrückung des Ladungsrückflusses aus der Basis zeiten eignen sich besonders gut goldgedopte des Transistors eine Diode 5 in die Basiszuleitung des pnn+-Dioden oder Schottky-Dioden, die Schaltzeiten 50 Transistors 3 geschaltet. Die Diode muß so in die unter 2 nsec aufweisen. Die Golddopung der Diode Basiszuleitung geschaltet werden, daß ihre Flußverhindert durch die Vermehrung der Rekombi- richtung der Durchlaßrichtung des Emitter-Basisnationszentren die Lebensdauer der Ladungsträger pn-Überganges entspricht. Aus Fig. 1 ist die Dioden- und ergibt daher besonders schnelle Schaltdioden. polung für einen npn-Transistor ersichtlich, bei einem Besonders bei Schottky-Dioden werden Schaltzeiten 55 pnp-Transistor müßte sie umgekehrt werden,
erzielt, die bereits unter der Meßgenauigkeit der In den Fig. 2a und 2b wird die Wirkungsweise heute üblichen Meßmethoden liegen. Es muß noch der erfindungsgemäß in eine Verstärkerschaltung darauf hingewiesen werden, daß es bei dem heutigen eingebauten Diode verdeutlicht. F i g. 2 a zeigt den Stand der Technik kaum möglich ist, dem Transistor Funktionsverlauf der Basis-Emitter-Wechselspanselbst besonders gute Schalteigenschaften mit kurzen 60 nung und des Basisstromes bei zwei verschiedenen Speicher- und Schaltzeiten zu geben, da man beson- Kollektor-Basis-Vorspannungen. Der Stromflußders bei der Verwendung von Transistoren als strom- winkel beträgt bei dem Ausführungsbeispiel etwa und Spannungsverstärkende Bauelemente einen mög- 120°. Über diesen Bereich dieses Stromflusses hinlichst großen Stromverstärkungsfaktor erzielen will. aus fließt jedoch, wenn keine Diode in die Basis-Daher ist man gezwungen, bei Transistoren die 65 zuleitung geschaltet ist, ein unerwünschter Rück-Rekombinationswahrscheinlichkeit der Ladungs- Wirkungsstrom, der besonders bei kleiner Vorspanträger in der Basis durch entsprechende Wahl der nung der Kollektor-Basis-Grenzschicht in Sperr-Trägerlebensdauer sehr klein zu halten. Dagegen richtung sehr groß ist. In Fig. 2b werden dieTuned to effectively suppress the charge signal. Then harmonics return flow from the base of a transistor must be suppressed and back modulation products from the resonant circuit 4 the base connection upstream diode especially 40 suppressed. However, it is also possible to have short switching times. If one transfers the ability to tune the output resonant circuit to a memory of the input oscillation determined by a switching transistor, then to a B or C amplifier, then, due to the non-linearity of the transistor, the numerical values show that the suppression characteristics result a frequency multiplication comes about in the charge return flow from the base of the tran- 45. Since, as already stated at the beginning, a diode has to be used sistor, the reaction of which in B and C amplifiers is very storage or switching time significantly less than disturbing, according to the invention it is 20 nsec. As diodes with extremely small switching suppression of the charge return from the base times are particularly well gold doped of the transistor a diode 5 in the base lead of the pnn + diodes or Schottky diodes, the switching times 50 transistor 3 switched. The diode must be in under 2 nsec. The gold doping of the diode base supply line is switched so that its flow is prevented by the increase in the recombi direction of the forward direction of the emitter base nation centers and the life of the charge carrier pn junction corresponds. From Fig. 1 is the diode and therefore results in particularly fast switching diodes. polarity for an npn transistor can be seen, especially with Schottky diodes, switching times 55 pnp transistor would have to be reversed,
achieved which is already below the measurement accuracy of the measurement methods commonly used today in FIGS. 2a and 2b. It must still be pointed out according to the invention in an amplifier circuit that it is made clear in today's built-in diode. F i g. 2 a shows the state of the art, it is hardly possible to give the transistor function curve of the base-emitter AC voltage itself particularly good switching properties with short voltage and the base current with two different storage and switching times, since there are special collector-base biases. When using transistors as the current angle, the flow of current is approximately 120 ° in the exemplary embodiment and voltage-amplifying components. Wants to achieve a sufficiently large current amplification factor over this range of this current flow. However, if there is no diode in the base, one is forced to switch the 65 lead in transistors, an undesirable reverse recombination probability of the charge-effective current, which is particularly evident in the case of small biasing carriers in the base by appropriate selection of the collector voltage. Keep base boundary layer in barrier carrier life very small. In contrast, the direction is very large. In Fig. 2b, the

Claims

Functional progression of the same values when a diode is connected to the base lead is shown. Of the Charge return from the transistor is suppressed, and the base current curve is dependent on the collector-base bias is no longer recognizable.

The current flow angle of the base and thus also the collector current can when using a Diodes in the base lead range from 0 to 180 °, i.e. from extreme C operation to B operation. the Collector load usually consists of a parallel resonant circuit, especially in the case of transmission amplifiers, The diode according to the invention can also be installed in amplifiers in B or C mode, whose load impedance is different from that of a resonant circuit.

In the case of self-oscillating oscillators, the diode in the base lead is used to generate non-linear feedback of the output circuit to exclude the input circuit via the transistor, so that the Share of the output voltage that is given to the input to maintain the oscillation only reaches the input of the transistor via a network provided for this purpose.

Patent claims:

Storage time is considerably shorter than that of the emitter base or collector base path of the Transistor and whose flow direction corresponds to that of the emitter-base-pn-junction.

2. Transistor circuit according to claim 1, characterized in that a diode Schottky diode is provided.

3. Transistor circuit according to claim 1, characterized in that a gold doped diode with a pnn ⁺ layer sequence is used.

4. Transistor circuit according to one of the preceding claims, characterized in that that the diode and the transistor are made in integrated form from a semiconductor body and this is housed in a common housing.

5. Transistor circuit according to one of the preceding claims, characterized in that that in an amplifier circuit a parallel resonant circuit as the output load of the transistor is used.

6. transistor circuit according to claim 5, characterized in that the input AC voltage of the transistor is supplied by an oscillating circuit.

1. Transistor circuit with a diode in the documents considered:

Basic supply line, in particular transmission amplifier in German Auslegeschrift No. 1140 979;

B or C operation or oscillator, thereby patent No. 40 592 of the Office for Invention

marked that in the base feed line 30 and patent system in the Soviet zone of occupation of a transistor a diode is connected, whose Germany.

1 sheet of drawings