DE1274660B - Verfahren zur Erzielung eines konstanten Stromverstaerkungsfaktors fuer einen Transistorverstaerker mit weitem Stromverstaerkungsfaktorbereich und Schaltungsanordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2 -18/08

Nummer: 1274 660

Aktenzeichen: P 12 74 660.0-31 (D 50040)

Anmeldetag: 5. Mai 1966

Auslegetag: 8. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung eines konstanten Stromverstärkungsfaktors für einen Transistorverstärker mit über mehrere Zehnerpotenzen des Kollektorstromes etwa konstantem Stromverstärkungsfaktor und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Der Stromverstärkungsfaktor eines Einzeltransistors ist vom Kollektorstrom abhängig und durchläuft bei einem von Transistortyp zu Transistortyp verschiedenen Kollektorstromwert I_cm ein Maximum. Erreicht der Kollektorstrom den Wert, der sich bei Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung aus der zulässigen Kollektorverlustleistung ergibt, so fällt der Stromverstärkungsfaktor rasch auf niedrige Werte ab. Der für optimalen Stromverstärkungsfaktor günstige Kollektorstrombereich liegt innerhalb von ein bis zwei Zehnerpotenzen.

Andererseits ist die untere Arbeitsbereichsgrenze des Kollektorstromes eines Leistungstransistors dadurch gegeben, daß der Kollektorstrom in die so Größenordnung des Kollektorreststromes kommt. Mit einem Leistungstransistor kann deshalb ebenfalls nur ein Kollektorstrombereich von ein bis zwei Zehnerpotenzen überstrichen werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Betriebsverfahren für einen Transistorverstärker anzugeben, dessen für optimalen Stromverstärkungsfaktor günstiger Kollektorstrombereich sich über mehrere Zehnerpotenzen erstreckt und bei dem der Stromverstärkungsfaktor in diesem Kollektorstrombereich nahezu konstant ist.

Der erfinderische Gedanke zur Lösung der genannten Aufgabe besteht darin, Transistoren verschiedener zulässiger Kollektorverlustleistung, d. h. Transistoren verschiedener Kollektorstrombereiche parallel zu schalten. Hierbei tritt jedoch die speziellere Aufgabe auf, daß jeder der einzelnen parallelgeschalteten Transistoren nur in dem ihm eigenen Kollektorstrombereich arbeiten darf. Mit anderen Worten soll — etwa im unteren Strombereich — nur der Transistor von niedrigster Kollektorverlustleistung arbeiten, während die anderen von höherer Kollektorverlustleistung noch nicht verstärken. Arbeitet dagegen der Transistor von nächsthöherer Kollektorverlustleistung, so soll einerseits der Transistor von niedrigster Kollektorverlustleistung bei seiner etwa maximalen Kollektorverlustleistung weiterarbeiten, d. h., er darf nicht überlastet werden, während andererseits der Transistor der übernächsthöheren Kollektorverlustleistung noch nicht arbeiten soll.

Verfahren zur Erzielung eines konstanten
Stromverstärkungsfaktors für einen
Transistorverstärker mit weitem
Stromverstärkungsfaktorbereich und
Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens

Anmelder:

Deutsche ITT Industries
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Harald Schilling, 7803 Gundelfingen

Die genannten Aufgaben werden nun bei einem Verfahren der oben beschriebenen Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß mindestens zwei Einzeltransistoren, deren Stromverstärkungsfaktormaximum bei verschiedenen Kollektorströmen liegt, kollektor- und emitterseitig parallel geschaltet sind, daß jeder Einzeltransistor einen Teilbereich des Kollektorstrombereichs des Transistorverstärkers überstreicht und die Teilbereiche aneinandergrenzen oder sich überlappen, daß in der Basiszuleitung des Transistors, dessen Stromverstärkungsfaktormaximum beim kleinsten Kollektorstrom liegt, ein ohmscher Widerstand und in den Basiszuleitungen aller anderen Transistoren je eine Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes und mindestens einer in Flußrichtung des Basisstromes geschalteten Halbleiterdiode vorhanden ist und daß die basisfernen Anschlußpunkte der in den Basiszuleitungen angeordneten Serienschaltungen miteinander verbunden sind.

An Hand von Ausführungsbeispielen wird nun die Erfindung unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines aus zwei Transistoren bestehenden Transistorverstärkers zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung;

F i g. 2 zeigt das Schaltbild eines aus vier Transistoren bestehenden Transistorverstärkers zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung.

Der Transistorverstärker der F i g. 1 besteht aus zwei Transistoren T₁ und T₂, wovon Transistor T₁ eine beispielsweise um den Faktor 10 kleinere zu-

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lässige Kollektorverlustleistung aufweist als der Transistor T₂. Das Stromverstärkungsmaximum des Transistors T₁ liegt beim Kollektorstrom I_{cm v} das des Transistors T₂ beim Kollektorstrom I_{cm 2}. Das Verhältnis I_cm2'I_cml ^wlT<i mit α bezeichnet. Die Emitter- und Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren sind miteinander verbunden. In der Basiszuleitung von Transistor T₁ liegt der Widerstand R₁, und in die Basiszuleitung von Transistor T₂ ist die Serienschaltung des Widerstandes R₂ und der in Flußrichtung des Basisstromes gepolten Halbleiterdiode D₁ geschaltet. Die basisfernen Enden von R₁ und R₂ sind miteinander verbunden.

Auf Grund dieser Parallelschaltung der beiden Transistoren sind sie spannungsgesteuert, so daß in jedem Transistor nur der der Basis-Emitter-Spannung jedes Transistors entsprechende Basisstrom fließt. Zur Erläuterung sei zunächst angenommen, daß die Basisanschlüsse der beiden Transistoren direkt miteinander verbunden sind. In diesem Falle wird sich beispielsweise eine Basisstromverteilung der beiden Transistoren T₁ und T₂ von 1:20 ergeben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Transistor T₂ mit der größeren zulässigen Kollektorverlustleistung eine größere Emitterfläche hat und somit für einen dem Basisstrom des Transistors T₁ gleichen Basisstrom eine kleinere Basis'-Emitter-Spannung benötigt. Da aber durch die Parallelschaltung die Basis-Emitter-Spannung für beide Transistoren gleich ist, fließt im Transistor T₂ ein entsprechend größerer Strom.

Dieser Effekt ist aber unerwünscht, da bei kleinen Strömen ja gerade der Transistor T₁ arbeiten soll. Deshalb wird in die Basiszuleitung von Transistor T₂ eine in Flußrichtung betriebene Diode D₁ geschaltet, die die am Transistor T₂ wirksame Basis-Emitter-Spannung U_be um die Dioden-Schleusenspannung erhöht.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß Transistor T₁ arbeitet, während bei kleinen Basisströmen Transistor T₂ nicht verstärkt. Der Widerstand R₁ in der Basiszuleitung von Transistor T₁ bewirkt, daß die an ihm wirksame Basis-Emitter-Spannung mit wachsendem Basisstrom erniedrigt wird. Dadurch wird auch der Basisstrom entsprechend dem Wert von R₁ bei größeren Werten so weit begrenzt, daß Transistor T₁ nicht überlastet werden kann. Erreicht die an Transistor T₁ wirksame Basis-Emitter-Spannung den Wert der an Transistor T₂ durch die Diode D₁ vergrößerten Basis-Emitter-Spannung U_be, so wird der den Basisstrom von Transistor T₁ übersteigende Anteil des Gesamtbasisstroms allmählich auf den Transistor T₂ übergehen, während Transistor T₁ mit seinem maximalen Basisstrom, aber unterhalb seiner zulässigen Kollektorverlustleistung weiter arbeitet.

Damit auch Transistor T₂ vor Überlastung geschützt ist, wird in Reihe zur Diode D₁ der Widerstand R₂ geschaltet. Versuche haben ergeben, daß es für ein optimales Arbeiten eines solchen Transistorverstärkers und für eine optimale Linearität des Stromverstärkungsfaktors günstig ist, den Widerstand R₁ größer zu wählen als den Widerstand R₂, und zwar soll vorzugsweise R₁ = aR₂ sein.

Die in F i g. 2 gezeigte Anordnung mit vier kollektor- und emitterseitig parallelgeschalteten Transistoren T₁, T₂, T_a, T₁ ist nach den gleichen Prinzipien wie die Schaltung der F i g. 1 aufgebaut. Die Transistoren T₁ bis T₄ unterscheiden sich durch ihre zulässige Kollektorverlustleistung in der Weise, daß Transistor T₁ die niedrigste und Transistor T₄ die höchste Kollektorverlustleistung aufweist, während Transistor T₂ die zu Transistor T₁ nächsthöhere und Transistor T₃ die zu Transistor T₄ nächstniedrigere Kollektorverlustleistung aufweist. Die einzelnen Kol· lektorverlustleistungen können sich beispielsweise um jeweils den Faktor 5 voneinander unterscheiden. Das Stromverstärkungsfaktormaximum der Transistoren T₁, T₂, T₃, T₁, liegt bei den Kollektorströmen tcmy hm2' ¹CmS, ¹CmV ^{Für das} Verhältnis von je zwei Strömen gelten folgende Abkürzungen:

T · T = n-

^lcm2 ' ¹CmI >

■ 7 =

· ¹CTtIt

-¹ cm 3

Die Serienschaltungen in den Basiszuleitungen von Transistor T₁ und Transistor T₂ sind gleichartig wie die der Anordnung nach F i g. 1 aufgebaut, wobei als Diode D₂ eine Germaniumdiode gewählt ist. Die in der Basiszuleitung von Transistor T₃ angeordnete Serienschaltung des Widerstandes R₃ und der Diode D₃ ist bezüglich der durch sie hervorgerufenen Erhöhung der an Transistor T₃ wirksamen Basis-Emitter-Spannung so gewählt, daß einerseits Transistor T₃ erst zu arbeiten beginnt, wenn Transistor T₂ in den Bereich seiner zulässigen Kollektorverlustleistung kommt, und daß andererseits Transistor T₃ nicht überlastet wird. Dies bedeutet, daß gegenüber der Diode D₂ die Diode D₃ eine höhere Schleusenspannung haben muß, aus welchem Grund zweckmäßigerweise für D₃ eine Siliciumdiode gewählt wird.

Die an Transistor T₄ wirksame Basis-Emitter-Spannung wird dadurch erhöht, daß zwei Dioden D₄, D₅ in Reihe geschaltet sind, so daß Transistor T₄ erst zu verstärken beginnt, wenn Transistor T₃ in den Bereich seiner zulässigen Kollektorverlustleistung gekommen ist. Der Widerstand .R₄ schützt den Transistor T₄ vor Überlastung, indem der Basisstrom von Transistor T₄ auf einen zulässigen Wert begrenzt wird. Für die Widerstände R₁ bis R_i muß die Bedingung erfüllt sein:

R₁ ~^> R₂ ^> R₃ !> -R₄)

wobei vorteilhafterweise gelten soll:

R₁ = aR₂ = ab R₃ — abcR_i.

Zur Verbesserung des Hochfrequenzverhaltens des Transistorverstärkers ist es vorteilhaft, die Serienschaltung in den Basiszuleitungen der Transistoren T₁, T₂, T₃, T₄ durch jeweils einen Kondensator C₁, C₂, C₃, C₄ zu überbrücken, wobei der Kondensator allen Elementen der Reihenschaltung parallel liegen soll. Es empfiehlt sich, die Kondensatoren so zu bemessen, daß gilt:

C₄ = cC₃ = bcC₂ = abcC_±.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzielung eines konstanten Stromverstärkungsfaktors für einen Transistorverstärker mit über mehrere Zehnerpotenzen des Kollektorstromes etwa konstantem Stromverstärkungsfaktor, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Einzeltransistoren (T₁, T₂), deren Stromverstärkungsfaktormaximum bei ver-

schiedenen Kollektorströmen liegt, kollektor- und emitterseitig parallel geschaltet sind, daß jeder Einzeltransistor einen Teilbereich des Kollektorstrombereiches des Transistorverstärkers überstreicht und die Teilbereiche aneinandergrenzen oder sich überlappen, daß in der Basiszuleitung des Transistors (T₁), dessen Stromverstärkungsfaktormaximum beim kleinsten Kollektorstrom (/_t._ml) liegt, ein ohmscher Widerstand (R₁) und in den Basiszuleitungen aller anderen Transistoren je eine Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes und mindestens einer in Flußrichtung des Basisstromes geschalteten Halbleiterdiode (D₁) vorhanden ist, und daß die basisfernen Anschlußpunkte der in den Basiszuleitungen angeordneten Serienschaltungen miteinander verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transistoren (T₁, T₂) mit unterschiedlicher zulässiger Kollektorverlustleistung verwendet sind und daß in die Basiszuleitung des Transistors (T₁) mit der kleineren zulässigen Kollektorverlustleistung ein ohmscher Widerstand (R₁) und in die Basiszuleitung des anderen Transistors (T₂) die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes (R₂) und einer in Flußrichtung betriebenen Halbleiterdiode (D₁) geschaltet sind und daß der Widerstand (R₁) in der Basiszuleitung des Transistors (T₁) mit der kleineren zulässigen Kollektorverlustleistung größer ist als der Widerstand (jR₂) in der Basiszuleitung des anderen Transistors.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorverlustleistungen der beiden Transistoren (T₁, T₂) sich um eine Größenordnung voneinander unterscheiden.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R₁) in der Basiszuleitung des Transistors (T₁) mit der kleineren zulässigen Kollektorverlustleistung α-mal größer ist als der Widerstand (R₂) in der Basiszuleitung des anderen Transistors (T.,), wobei der Faktor α den Quotienten aus dem beim Stromverstärkungsfaktormaximum des Transistors (T₂) auftretenden Kollektorstrom I_{cm 2} und dem beim Stromverstärkungsfaktormaximum des Transistors (T₁) auftretenden Kollektorstrom /„„ _t bedeutet, so daß gilt

" ^ cm 2 cm 1 *

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehr als zwei Einzeltransistoren mit unterschiedlicher zulässiger Kollektorverlustleistung in die Basiszuleitung des Transistors (T₁) mit der kleinsten zulässigen Kollektorverlustleistung ein ohmscher Widerstand (.R₁), in die Basiszuleitung des Transistors (T₂) mit der nächsthöheren zulässigen Kollektorverlustleistung die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes (R₂) und einer in Flußrichtung betriebenen Germaniumdiode (D₂), in die Basiszuleitung des Transistors (Τ_Ά) mit der nächsthöheren zulässigen Kollektorverlustleistung die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes (R₃) und einer in Flußrichtung betriebenen SiIiciumdiode (D₃) und in die Basiszuleitung der Transistoren (T₄) mit der jeweils entsprechend nächsthöheren Kollektorverlustleistung die Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes (R₁₁) und mehrerer in Flußrichtung betriebener Halbleiterdioden (D₄, D₅) geschaltet sind und daß für die Widerstände in den Basiszuleitungen der Einzeltransistoren die Beziehung gilt:

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zulässigen Kollektorverlustleistungen der mehr als zwei Transistoren sich um den Faktor 5 voneinander unterscheiden.

7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von vier Transistoren (T₁, T₁,, T₃, T₄) für die Widerstände (R₁ bis /?₄) die" Beziehung gilt:

Zi₁ = aR₂ = abR₃ = abcR_i,

wobei für die Faktoren a, b, c die Beziehungen gelten:

T _# Ύ

" '(iJi''(»l'

h = J -T

" * cm a · * cm 2'

C=J -J

^ * cm 4 · * cm 3

und I_cml, I_cm2, I_cms, I_cmi die beim jeweiligen Stromverstärkungsfaktormaximum der Transistoren (T₁, T₂, T₃, T₄) auftretenden Kollektorströme bedeuten.

8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung in der Basiszuleitung jedes Transistors (T₁, T₂, T₃, T₄) durch einen Kondensator (C₁, C₂, C₃, C₄) überbrückt ist, der an der Basis jedes Transistors und an der gemeinsamen Verbindungsleitung der Reihenschaltung angeschlossen ist, und daß für die Bemessung der Kondensatoren gilt:

C₄ = CC₃ = bcC₂ = abcC_t,

wobei für die Faktoren a, b, c die Beziehungen gelten:

^a ~ lern 2 ' 'cm 1'

" * cm 3 · •'£ⁱm2'

r = J -J

^{u 1} cm 4 · ^l cm 8

und I_cmv I_cm2, I_cms, I_cmi die beim jeweiligen Stromverstärkungsfaktormaximum der Transistoren (T₁, T₂, T₃, T₄) auftretenden Kollektorströme bedeuten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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