DE1273603B - Oszillatorschaltung mit Tunneldiode - Google Patents

Oszillatorschaltung mit Tunneldiode

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DE1273603B
DE1273603B DE1961S0072162 DES0072162A DE1273603B DE 1273603 B DE1273603 B DE 1273603B DE 1961S0072162 DE1961S0072162 DE 1961S0072162 DE S0072162 A DES0072162 A DE S0072162A DE 1273603 B DE1273603 B DE 1273603B
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DE
Germany
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oscillator circuit
tunnel diode
voltage
transistor
voltage divider
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Pending
Application number
DE1961S0072162
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English (en)
Inventor
Eugen Buder
Dipl-Ing Dr Erwin Klein
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of DE1273603B publication Critical patent/DE1273603B/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B7/00Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes
    • H03B7/02Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance
    • H03B7/06Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element being semiconductor device
    • H03B7/08Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element being semiconductor device being a tunnel diode

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  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

  • Oszillatorschaltung mit Tunneldiode Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung, bei der die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors und emitterseitig in Reihe dazu eine Tunneldiode an eine gemeinsame Gleichstromquelle angeschaltet sind mit einem Spannungsteiler zur Gewinnung der Basisvorspannung des Transistors. Tunneldioden sind neuerdings in der Fachliteratur wiederholt beschrieben worden. Es wird z. B. verwiesen auf die Veröffentlichung »GaAs-Tunneldiode« in der »Zeitschrift für Naturforschung«, Bd. 14 a, Heft 12, S. 1072 und 1073. Die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Tunneldiode ist überdies in der F i g. 2 quantitativ dargestellt.
  • Vorgeschlagen ist ein getasteter Oszillator, bei dem der in Reihe zur Tunneldiode geschaltete Transistor so vorgespannt ist, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode lediglich bei Anwesenheit eines Eingangssteuersignals im negativen Bereich der Kennlinie, sonst in deren positivem Bereich liegt. Die Frequenz, der bei Anwesenheit eines Eingangssteuersignals erzeugten Schwingung, ist konstant.
  • Gemäß der Erfindung sind zur Erzielung stationärer Schwingungen die Gleichspannungs- und die Spannungsteilerverhältnisse so bemessen, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode im fallenden Kennlinienbereich liegt und daß wenigstens einer der Spannungsteilerwiderstände zur Änderung der Frequenz der erzeugten Schwingungen veränderbar ist.
  • Die Anordnung der Tunneldiode in der Emitter-Kollektor-Leitung des Transistors hat den Vorteil, daß kein niederohmiger Spannungsteiler notwendig ist, um einen gleichstromstabilen Arbeitspunkt im fallenden Kennlinienbereich der Tunneldiode zur Erzeugung stationärer Schwingungen einstellen zu können. Aus dieser Maßnahme ergibt sich eine hohe Eingangsempfindlichkeit. Es ist so die Möglichkeit geboten, die Schwingungsfrequenz des Oszillators während des Betriebes zu verändern. Bei entsprechender Wahl der veränderlichen Widerstände, beispielsweise bei Verwendung magnetfeldabhängiger oder strahlungsempfindlicher Widerstände, können mit der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung veränderliche, auf die Widerstände einwirkende physikalische Größen, wie Magnetfelder oder Lichtintensitäten, in eine Frequenzänderung umgeformt werden. Die Halbleiteranordnung ist daher insbesondere auf dem Gebiet der Steuerungs-, Meß- und Regelungstechnik vorteilhaft anwendbar.
  • Die Oszillatorschaltung nach der Erfindung ermöglicht die Erzeugung stationärer Schwingungen beliebiger Kurvenform, die von den elektrischen Daten der verwendeten Elemente abhängt. Es kann sich auch um Kippsprünge handeln. Die spezielle Art von Schwingungen eignet sich besonders zur Durchführung von Schaltvorgängen.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung und die Ausführungsbeispiele verwiesen; es zeigt F i g. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung, F i g. 1 a die Strom-Spannungs-Charakteristik der Anordnung gemäß der Erfindung, F i g. 2 die Strom-Spannungs-Charakteristik einer in der Anordnung verwendeten Tunneldiode, F i g. 3 ein Diagramm über die Abhängigkeit des Stromes 1 von den Spannungsteilerwiderständen für die Anordnung gemäß der Erfindung, F i g. 4 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von den Spannungsteilerwiderständen, F i g. 5 eine »gestreckte« Strom-Spannungs-Charakteristik der Anordnung gemäß der Erfindung.
  • In F i g. 1 ist mit 11 eine Tunneldiode, die in die Emitterleitung eines Transistors 12 geschaltet ist, bezeichnet. Die Widerstände 13 und 14 sind als Spannungsteiler geschaltet und dienen zur Einstellung eines bestimmten Basispotentials. Mit 15 ist ein Belastungswiderstand gekennzeichnet. Die Gleichspannungsquelle 16 ist zur gemeinsamen Stromversorgung F i g. 1 a zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des Transistors und der Tunneldiode vorgesehen.
  • der Anordnung Tunneldiode-Transistor gemäß der Erfindung. Der Strom 1 durch den Transistor ist gleich dem durch die Tunneldiode und ist auf der Ordinate abgetragen. Die Basis-Emitter-Spannung UBE ist als charakteristischer Parameter des Transistors aufgetragen. Nach dem Einschalten der Gleichspannungsquelle 16, deren Spannung U, auf der Abszisse dargestellt ist, steigt der Strom durch Transistor und Tunneldiode bis zum Strommaximum der Tunneldiode an (F i g. l a). Wird dieses Maximum überschritten, springt die Spannung an der Tunneldiode auf einen höheren Wert U", der etwa bei 1 V liegt. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors ist durch die Beziehung gegeben: UBE = UR r.s - UD Es bedeutet UBE = Basis-Emitter-Spannung, UR 13 = Spannungsabfall am Spannungsteilerwiderstand 13, UD = Spannung an der Tunneldiode. Der Spannungsabfall UR" soll konstant sein; das bedeutet, daß die Spannungsteilerwiderstände 13 und 14 nicht zu hochohmig bemessen sein dürfen. Aus der obigen Beziehung für die Basis-Emitter-Spannung ist ersichtlich, daß diese kleiner wird, wenn die Tunneldiodenspannung auf einen höheren Wert U., (F i g. 1 a) anwächst.
  • Der Strom durch den Transistor wird folglich verkleinert, so daß der Transistor sperrt. Durch geeignete Bemessung der Widerstände 13 und 14 kann die Verkleinerung des Transistorstromes so eingestellt werden, daß dieser kleiner wird als der Tunneldiodenstrom in Minimum ihrer Kennlinie. In diesem Fall springt die Spannung an der Tunneldiode wieder zurück auf einen kleineren Wert U1, der Strom durch Transistor und Tunneldiode steigt wieder an, und der Zyklus beginnt von neuem. Es entsteht eine Schwingung.
  • Im folgenden ist ein quantitatives Ausführungsbeispiel für die Erzeugung von Schwingungen mittels der erfindungsgemäßen Anordnung angeführt: Die verwendete Tunneldiode 11 ist eine GaAs-Tunneldiode, deren Kennlinie in F i g. 2 quantitativ dargestellt ist. Der mit dieser in Reihe geschaltete Transistor 12 ist vom Typ TF 78/30. Der Lastwiderstand 15 beträgt 230 52. Als gemeinsame Gleichstromquelle 16 für Tunneldiode und Transistor dient eine handelsübliche Gleichstrombatterie von 12 V. Der Spannungsteilerwiderstand 13 ist auf 130 9 und der Spannungsteilerwiderstand 14 auf 3 kQ bemessen. Die Halbleiteranordnung schwingt in diesem Fall mit einer Grundfrequenz von etwa 28 kHz.
  • Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber einer allein schwingenden Tunneldiode liegt darin, daß einerseits eine normale handelsübliche Gleichstrombatterie verwendet werden kann und andererseits gleichzeitig die Verstärkereigenschaften eines Transistors ausgenutzt werden können.
  • Im Beispiel beträgt der Spannungshub am Lastwiderstand 10 V". Der Lastwiderstand muß immer etwas kleiner sein als das Verhältnis damit ein Überschreiten des Maximums der Tunneldiodenkennlinie möglich ist. U, bedeutet die Spannung der Gleichstrombatterie 16.
  • Werden als Spannungsteilerwiderstände 13 und 14 veränderliche Widerstände verwendet, so läßt sich auch die Frequenz der erzeugten Schwingungen in einem gewissen Bereich ändern. Werden ein oder beide Spannungsteilerwiderstände veränderlich ausgeführt, können veränderliche physikalische Größen in eine Frequenzänderung umgeformt werden. Wird der Spannungsteilerwiderstand 13 in seinem Betrag z. B. zwischen 130 und 200 52 verändert und wird der Widerstand 14 konstant gehalten, so verändert sich die Frequenz der erzeugten Schwingungen im Bereich von 28 bis etwa 48 kHz. Als veränderliche Widerstände sind magnetfeldabhängige Widerstandselemente, z. B. Magnetfeldscheiben, oder strahlungsempfindliche Widerstände, z. B. Fotodioden, besonders geeignet.
  • Bei entsprechender Wahl der Spannungsteilerwiderstände läßt sich die Anordnung gemäß der Erfindung auch zum kontaktlosen Schalten verwenden. Bei größer werdendem Widerstand 14 hat der Basisstrom IB einen immer größeren Einfluß auf die am Widerstand 13 abfallende Spannung UR",. Dieser Spannungsabfall ergibt sich aus folgender Beziehung: Das Basispotential bleibt infolgedessen nicht mehr starr, und die Spannung URI, erhöht sich, wenn der Basistrom kleiner wird. Die durch den Spannungssprung an der Tunneldiode bewirkte Spannungserhöhung hat eine Verkleinerung der Basis-Emitter-Spannung zur Folge. Diese Verkleinerung der Basis-Emitter-Spannung bewirkt wiederum eine Verkleinerung des Basisstromes bei hochohmigem Widerstand 14, und damit ist eine Erhöhung der Spannung UR 1,3 verbunden. In diesem Fall können die Spannungsteilerwiderstände 13 und 14 so gewählt werden, daß nach dem Sprung vom Strommaximum zum Stromminimum das letztere nicht mehr unterschritten wird. Ein zweiter stabiler Arbeitspunkt stellt sich ein und damit ein Kippsprung (Schaltvorgang).
  • Im folgenden ist ein quantitatives Ausführungsbeispiel für die Erzeugung eines Kippsprunges (Schaltvorganges) mittels der erfindungsgemäßen Anordnung angeführt: Die verwendete Tunneldiode ist eine GaAs-Tunneldiode, deren Kennlinie in F i g. 2 dargestellt ist. Der mit dieser in Reihe geschaltete Transistor ist vom Typ TF 78/30. Der Lastwiderstand beträgt 230 9. Als gemeinsame Gleichstromquelle für Tunneldiode und Transistor dient eine handelsübliche Gleichstrombatterie von 12 V. Der Spannungsteilerwiderstand 14 ist auf 7 k52 bemessen. Läßt man den Spannungsteilerwiderstand 13 in den Grenzen von 470 und 480 S2 variieren, so erzeugt die Halbleiteranordnung einen Kippsprung. Dieser Schaltvorgang kann ausgelöst werden, wenn einer der beiden oder beide Widerstände durch eine physikalische Größe verändert werden.
  • F i g. 3 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des Stromes I von den Spannungsteilerwiderständen für die Kombination Tunneldiode-Transistor gemäß der Erfindung. Auf der Abszisse ist der Widerstand 13 in Ohm und auf der Ordinate der Strom I in der Halbleiteranordnung in Milliampere aufgetragen. Der Widerstand 14 ist für jeden einzelnen Vorgang als fester Parameter gewählt. Die Bereiche, in denen Schwingungen auftreten, sind besonders gekennzeichnet. Wie in der Figur dargestellt ist, treten bei den Schaltvorgängen Hysteresekurven im Stromwiderstandsdiagramm auf. Das hat den Vorteil, daß für einen bestimmten Widerstand 13 zwei stabile Zustände möglich sind. Wird der Transistor 12 zwischen Basis und Emitter oder Basis und Klemme 1 oder die Tunneldiode 11 mit einem positiven bzw. negativen Impuls oder mit entsprechender Gleichspannung angesteuert, so wird ein Schaltvorgang ausgelöst, je nachdem, in welchem stabilen Zustand sich die Schaltanordnung befindet.
  • Die überlappung der beiden Kennlinienbereiche, d. h. die Breite der Hysterese, ist um so größer, je hochohmiger der Widerstand 14 gewählt wird.
  • Der zum Schalten notwendige Impuls bzw. die Gleichspannung am Eingang des Transistors muß lediglich so groß sein, daß der Kollektorstrom mit Sicherheit etwa größer als der Strom im Maximum der Tunneldiode ist.
  • F i g. 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Frequenz der von der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung erzeugten Schwingungen von den Spannungsteilerwiderständen 13 und 14. Auf der Abszisse ist der Widerstand 13 in Ohm und auf der Ordinate ist die Frequenz der erzeugten Schwingung in Kilohertz aufgetragen. Der Widerstand 14 ist jeweils als fester Parameter angegeben.
  • Zur Erzeugung sehr langsamer Kippvorgänge mittels der erfindungsgemäßen Anordnung wird in der Schaltung gemäß F i g. 1 der Lastwiderstand 15 so dimensioniert, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode kurz vor dem Strommaximum ihrer Kennlinie liegt und der Transistor in der Gegend des Strommaximums sich merklich erwärmt. Der Transistorstrom steigt dadurch an und löst einen Schaltvorgang aus. Die dadurch bedingte Verkleinerung der Basis-Emitter-Spannung reduziert den Strom im Transistor. Der Transistor kühlt ab, der Kollektorstrom verkleinert sich weiterhin und unterschreitet schließlich das Stromminimum der Tunneldiode. Der ursprüngliche Arbeitspunkt stellt sich wieder ein, und der Zyklus beginnt von neuem. Durch Variation des Lastwiderstandes läßt sich die Frequenz der entstehenden Schwingung in gewissen Grenzen beeinflussen. Wird der Arbeitspunkt der Tunneldiode so eingestellt, daß gerade noch keine merkliche Erwärmung des Transistors stattfindet, kann diese Anordnung z. B. als Temperaturfühler verwendet werden, da eine geringe Erhöhung der Umgebungstemperatur ausreicht, die Schwingungen anzufachen.
  • Zur Erzeugung von angenähert sinusförmigen Schwingungen mittels der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Lastwiderstand 15 in F i g. 1 durch einen Parallel-Schwingungskreis ersetzt. Bei geeigneter Wahl der Spannungsteilerwiderstände 13 und 14 kann eine »Streckung« der Kennlinie des aus der Tunneldiode 11 und dem Transistor 12 bestehenden Zweipols erreicht werden. Das bedeutet eine Erhöhung des Betrages des negativen Widerstandes RNz des Zweipols. Ein Kriterium dafür, ob eine angenähert sinusförmige Schwingung erreicht wird, bildet die Beziehung: Es bedeutet RNZ = negativer Widerstand des Zweipols, L = Induktivität des Schwingungskreises, C = Kapazität des Schwingungskreises. Wird z. B. der Spannungsteilerwiderstand 13 mit 160 b2 und der Spannungsteilerwiderstand 14 mit 2 kS2 bemessen, und beträgt die Induktivität L = 1 mH und die Kapazität C = 0,25 RF, so ergibt sich ein s von 0,5. Die Halbleiteranordnung liefert in diesem Fall eine praktisch sinusförmige Schwingung mit einer Frequenz von f .-; 10 kHz.
  • In F i g. 5 ist die »gestreckte« Strom-Spannungs-Charakteristik des Zweipols Tunneldiode-Transistor bei Verwendung von Spannungsteilerwiderständen 13 = 160 52 und 14 = 2 k62 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Spannung U am Zweipol und auf der Ordinate der Strom d durch den Zweipol dargestellt.

Claims (7)

  1. Patentansprüche: 1. Oszillatorschaltung, bei der die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors und emitterseitig in Reihe dazu eine Tunneldiode an eine gemeinsame Gleichstromquelle angeschaltet sind mit einem Spannungsteiler zur Gewinnung der Basisvorspannung des Transistors, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß zur Erzielung stationärer Schwingungen die Gleichspannungs- und Spannungsteilerverhältnisse so bemessen sind, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode im fallenden Kennlinienbereich liegt und daß wenigstens einer der Spannungsteilerwiderstände zur Änderung der Frequenz der erzeugten Schwingungen veränderbar ist.
  2. 2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderliche Widerstände magnetfeldabhängige Widerstandselemente, z. B. Magnetfeldscheiben, vorgesehen sind.
  3. 3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderliche Widerstände strahlungsempfindliche Widerstände, z. B. Fotodioden, vorgesehen sind.
  4. 4. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von sinusförmigen Schwingungen als Lastwiderstand (15) ein Parallelschwingungskreis vorgesehen ist (F i g. 1).
  5. 5. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastwiderstand (15) so dimensioniert ist, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode kurz vor dem Strommaximum ihrer Kennlinie liegt im Sinne der Herabsetzung der Geschwindigkeit des Schaltvorganges.
  6. 6. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilerwiderstände im Sinne der Durchführung eines Schaltvorganges durch die Oszillatorschaltung bemessen sind.
  7. 7. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sinne der Durchführung eines Schaltvorganges durch die Oszillatorschaltung Mittel vorgesehen sind zur Einsteuerung eines Impulses oder einer Gleichspannung zwischen Basis und Emitter des Transistors oder auf die Tunneldiode. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1182 310.
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