DE1922542C3 - Transistor-Oszillator - Google Patents

Description

einem gemeinsamen Halbleiterblock angeordnet 35 Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der

sind. Weise gelöst, daß die Kapazitätsdiode der Emitter-

5. Transistor-Oszillator nach Anspruch 4, da- Babis-Strecke des Transistors parallel geschaltet ist. durch gekennzeichnet, daß die Basiszone des Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausge-Transistors (Tr) und eine der beiden Zonen ent- gangen, daß bei Parallelschaltung der steuerbaren Regegengesetzten Leitungstyps der Kapazitätsdiode 30 aktanz zum frequenzbestimmenden Schwingkreis des (Cd) eine gemeinsame Halbleiterzone bilden und Oszillators das Kapazitäts-Induktivitäts-Verhältnis daß in die gemeinsame Halbleiterzone zwei gleich- eine wesentliche Veränderung während der Durchartig dotierte, als Emitterzone und zweite Zone Stimmung des Oszillators erfährt, vor allem wenn ein der Kapazitätsdiode (Cd) dienende Zonen ein- großer Durchstimmbereich von 20 ⁰Zo der Mittenfrediffundiert sind. 35 quenz und mehr gefordert wird. Durch die erfindungs-

6. Transistor-Oszillator nach Anspruch 5, da- gemäße Einschaltung der steuerbaren Reaktanz wird durch gekennzeichnet, daß die nach außen ge- demgegenüber nicht nur erreicht, daß diese Änderung führten Anschlüsse der gleichartig dotierten des Verhältnisses auf ein vernachlässigbar geringes Zonen für den Emitter des Transistors (Tr) und Maß reduziert wird. Vielmehr wird der zu fordernde die entsprechende Zone (Kathode bzw. Anode) 40 Spannungsaussteuerbereich für die Kapazitätsdiode, der Kapazitätsdiode (Cd) über einen Kondensator wenn eine solche als steuerbare Reaktanz vorgesehen miteinander verbunden sind, dessen Kapazitäts- wird, wesentlich vermindert. Das beruht darauf, daß wert derart hoch gewählt ist, daß der Kondensa- mittels Kapazitätsdiode, die parallel zur Eingangstor bei den Signalspannungen praktisch einen impedanz des Transistors liegt, im wesentlichen nur Kurzschluß bildet. 45 die Phase der Rückkopplung beeinflußt wird, diese

7. Transistor-Oszillator nach Anspruch 6, da- aber im vollen Ausmaß. Es kann damit der Ausdurch gekennzeichnet, daß der Kondensator mit steuerbereich der Kapazitätsdiode hinischtlich der dem Halbleiterkörper integriert ist, vorzugsweise Aussteuerspannung relativ sehr klein gehalten werden in Form eines Dünnfilmkondensators, der auf im Vergleich zu den einleitend erwähnten Schaltundem Halbleiterkörper angeordnet ist. 50 gen, womit sich auch die Linearität der erzielten Fre-

8. Transistor-Oszillator nach Anspruch 7, da- quenzänderung in Abhängigkeit von der Steuerspandurch gekennzeichnet, daß der integrierte Halb- nung nennenswert verbessert.

leiterbaustein mit einem vorzugsweise aufge- An Stelle der Kapazitätsdiode kann als steuerbare

dampften Schutzfilm versehen ist. Reaktanz gegebenenfalls auch eine steuerbare Induk-

55 tivität vorgesehen werden, wobei dann an die Stelle

der Spannungsaussteuerung eine Stromsteuerung tritt.

Steuerbare Induktivitäten lassen sich vor allem durch

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor- Spulen geringen Eigeninduktivitätswertes realisieren,

Oszillator mit elektronischer Abstimmung, dessen in deren Feldbereich eine dünne magnetisierbare

Schwingkreis zwischen einer der beiden Elektroden 60 Schicht, beispielsweise aus Permalloy, angeordnet

Emitter oder Basis und dem Kollektor des Transistors wird, deren Magnetisierungszustand mittels eines

angeschaltet ist und dessen Schwingfrequenz mittels Steuermagnetfeldes, das von einer Steuerspule er-

einer durch eine Steuerspannung steuerbaren Kapa- zeugt wird, im geforderten Umfang veränderbar ist.

zitätsdiode veränderbar ist. Derartige steuerbare Reaktanz sind hier auch des-

Ein derartiger Transistor-Oszillator ist beispiels- 65 halb mit besonderem Vorteil anwendbar, weil sie

weise durch die DT-AS 12 51 820 bekannt. einen relativ geringen Impedanzwert haben.

Bei den bekannten Oszillatoren, insbesondere Es ist ferner vorteilhaft, wenn in Reihe mit der

Hochfrequenz-Transistor-Oszillatoren, wird das kapa- Kapazitätsdiode eine Induktivität geschaltet ist, die

wenigstens einen Teil der Minimalkapazität der Kapazitätsdiode kompensiert. Die Impedanz einer gegebenen Kapiizitätsdiode läßt sich so besser an die von der Schaltung geforderten Werte anpassen.

Verändert man neben der Vorspannung der Kapazitätsdiode gleichzeitig den Emitterstrom des Transistors, so läßt sich auf diese Weise ein noch größerer Frequenzbereich überstreichen.

In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes siind die Kapazitätsdiode und der Transistor in einem gemeinsamen Halbleiterblock angeordnet, wobei die Basiszone des Transistors und eine der beiden Zonen entgegengesetzten Leitungstyps der Kapazitätsdiode eine gemeinsame Halbleiterzone bilden, in die zwei gleichartig dotierte, als Emitterzone und zweite Zone der Kapazitätsdiode dienende Zonen eindiffundiert sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Hand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Transistor-Oszillator-Schaltung,

F i g. 2 das Ersatzschaltbild dieser Schaltung,

F i g. 3 ein Zeigerdiagramm der in der Schaltung auftretenden .Spannungen und Ströme,

Fi g. 4 den Halbleiterblock mit dem Transistor und der Kapazitätsdiode.

Der Transistor der in F i g. 1 dargestellten Transistor-Oszillator-Schaltung ist ein npn-Transistor, der in der Basis-Grundschaltung betrieben wird. Im Ausgangskrei:; des Transistors, d. h. zwischen Kollektor und Basis, liegt der Kollektorschwingkreis mit dem induktiven und dem kapazitiven Schwingkreiselement L₁ taw. G₁. Die variable Schwingkreiskapazität, die Kapazitätsdiode C_d, liegt zwischen Emitter und Basis des Transistors. Zwischen den Emitter und Kollektor ist die der Rückkopplung dienende Kapazität C_K geschaltet. Der Verbraucher G₁ ist über ein als Tiefpaß wirkendes Reaktanz-.-r-Filter, bestehend aus den Querkapazitäten C₂ und C₃ und der Längsinduktivität L₂, an den Kollektorschvvingkreis angeschaltet. Hierdurch läßt sich der Verbraucher relativ leicht an den Transistor anpassen, und es werden etwa vorhandene Oberwellen des Oszillators unterdrückt. iDie Zuführung der Betriebsspannungen des Transistors erfolgt über jeweils einen Durchführungskondensator und eine Drossel.

An Hand des Zeigerdiagramms nach F i g. 3 wird nun erläutert, wie durch Variation der Kapazitätsdiode die Frequenz der Schwingung beeinflußt werden kann. Die Ströme und Spannungen des Zeigerdiagramms sind in dem in F i g. 2 dargestellten Ersatzschaltbild eingetragen. Im Ersatzschaltbild ist die zwischen Kollektor und Basis des Transistors liegende Belastung in dem komplexen Leitwert Y_L zusammengefaßt. Über die Koppelkapazität C_K wird der Strom i_K zum Eingang des Transistors zurückgeführt. Der Strom i_K verzweigt sich in den Strom i_d durch die Kapazitätsdiode C_d und der. eigentlichen Emitterstrom //, der über die Eingangsimpedanz r_e+i^wl_e des Transistors fließt. Schwingungen treten auf, wenn die Phasenlage von i_e mit der von // übereinstimmt und I i/1 > I i_e | ist.

Bei der Frequenz / eilt i_c dem Strom i_e nach. Die Konstruktion des Zeigerdiagramms wird begonnen mit einem Strom i/, der die gleiche Phase wie i_e hat. Bei angegebener Eingangsimpedanz liegt somit auch u/ fest. Der Strom durch die Kapazitätsdiode steht senkrecht auf u,' und ergibt, addiert zu i/, den Rückkopplungsstrom i_K. Der Strom i_L ergibt sich als Differenz von i_e und i_K. Die Spannung u_CK steht senkrecht auf i_K und ergibt zusammen mit u/ die Spannung u_c am Kollektor.

Nachfolgend soll der Einfluß einer Änderung der Diodenkapazität betrachtet werden. Hierzu wird angenommen, daß die resultierende Frequenzänikrung klein ist und dementsprechend u_(:, i_L und damit auch i_K etwa konstant bleiben. Wird die Diodenkapa-

zität verringert so verringert sich auch der durch sie fließende Strom, der jetzt mit //' bezeichnet wird. Bei festgehaltenem Strom i_K ergibt sich somit ein neuer Strom i/', der gegen // voreilt. Da i_e die gleiche Phasenlage wie i_e" haben muß, muß sich der Phasenwin-

S5 kel zwischen i_s und i_c vergrößern, woraus letztlich eine höhere Oszillatorfrequenz folgt. Entsprechend umgekehrt ist das Verhalten bei Vergrößerung der Kapazität.

Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung eignet

ao sich auch gut für die Ausführung in Mikroelektronik-Bauweise, vor allem in Halbleiterausführung. Dabei kann entweder die gesamte Si haltung in Mikroelektronik-Ausführung angefertigt werden oder nur ein Teil derselben. Letzteres empfiehlt sich vor allem bei Halbleiterausführung. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Kapazitätsdiode und den Transistor zumindest zusammenzufassen und in einem Halbleiterkörper zu realisieren. Zusätzlich können auch die Kapazitäten C_b und C_k in diesen Baustein mit einbezogen werden, der dann zur Vervollständigung als Oszillatorschaltung nunmehr die Einfügung eines Schwingkreises und der Betriebsspannungszuführungen erfordert. Ein Beispiel für eine solche Teilintegration in einem Halbleiterblock ist in der F i g. 4 gezeigt. Das Grundmaterial bildet ein Halbleiterkörper aus n-leitendem Halbleitermaterial, wie Germanium oder Silizium. Dieses Grundelement ist zugleich die Kollektorzone des hier als npn-Transistor ausgebildeten Transistors. Diese Kollektorzone ist sperrschichtfrei mit

4" einem Anschluß C verbunden, wobei, wie dargestellt, die Verbindung zweckmäßigerweise über ein sperrschichtfrei mit der Kollektorzone verbundenes Metallplättchen erfolgt, das etwas großflächiger als der Halbleiterkörper ist und zugleich der Wärmeabführung dient. In dem Halbleiterkörper ist durch Diffusion entsprechenden Dotierungsmaterials eine p-leitende Zone gebildet, die als Basiszone dient. In dem p-leitenden Basisbereich sind zwei n-leitende Zonen ebenfalls durch Diffusion entsprechenden Dotierungsmaterials gebildet, von denen die eine den Emitteranschluß E bildet, während die andere die Kathode der Kapazitätsdiode darstellt. Sowohl die Basiszone als auch die Emitterzone und der Kathodenbereich der Kapazitätsdiode sind mit entsprechenden sperrschichtfreien Anschlüssen versehen und zu den Anschlußdrähten des so gebildeten integrierten Bausteins geführt. Bei derartiger Ausführung empfiehlt es sich vor allem, den Kondensator C₆ mit dem Halbleiterbaustein zu vereinigen, beispielsweise indem zunächst eine Isolationsschicht auf die Oberfläche des Halbleiterbausteins aufgedampft wird, auf die dann im Aufdampfverfahren der Kondensator C₁, a's Dünnschichtkondensator aufgebracht wird; z. B. ebenfalls im Aufdampfverfahren wird anschließend der gesamte Halbleiterbaustein mit einem Schutzfilm überzogen.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 hat naturgemäß der Kollektoranschluß C infolge des Metall-

plättchens eine relativ große Kapazität gegenüber Bezugspotential. Diese Kapazität muß in der Schaltung gegebenenfalls entsprechend aufgefangen werden, beispielsweise indem sie in die Kapazität C₁ mit einbezogen wird (Fig. 1). Ein anderer Weg besteht darin, daß dieses Metallplättchen das Bezugspotential bildet und die anderen Bereiche der Schaltung entsprechend vom Bezugspotential weggenommen werden. Die hierfür erforderlichen Schaltungsmaßnahmen sind in der Fig.] gestrichelt angedeutet. Es wird der Kollektor auf Bezugspotential gelegt. Der Ort der Spule 2 wird nach L₂' gelegt. Die Betriabsspannungszuführungen für den Emitter und für den Basisstromkreis können so, wie gestrichelt angedeutet, verbleiben.

An Stelle des bei den Ausführungsbeispielen verwendeten npn-Transistors kann auch ein pnp-Transistor verwendet weiden unter entsprechender Umpolung der einzelnen Betriebsspannungsquellen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. ί ..

   PatentansDrüche· ^{zitive Element des} Schwingkreises von einer im ^F ' Ausgangskreis des Transistors angeordneten Kapazi-ϊ. Transistor-Oszillator mit elektronischer Ab- tätsdiode gebildet, mittels derer der Oszillator elekftimmung, dessen Schwingkreis zwischen einer tronisch durchstimmbar ist. Zur Anpassung des Verdcr beiden Elektroden Emitter oder Basis und 5 brauchers an den Schwingkreis des Oszillators wird - dem Kollektor des Transistors angeschaltet ist bei derartigen Schaltungen meist ein π-Filter verwenend dessen Schwingfrequenz mittels einer durch dot, das im einfachsten Fall aus zwei Querkapazieine Steuerspannung steuerbaren Kapazitätsdiode täten, die über eine Längsinduktivität verbunden veränderbar ist, dadurch gekennzeich- sind, besteht. In der Praxis zeigt sich bei derartigen D e t, daß die Kapazitätsdiode (Cd) der Emitter- io Oszillatoren, daß die Ausgangsleistung wesentlich Basis-Strecke des Transistors (Tr) parallel ge- von der an der Kapazitätsdiode anliegenden Steuerschaltet ist spannung und damit der Oszillatorfrequenz, die mit-
2. 2. Transistor-Oszillator nach Anspruch 1, da- tels dieser Steuerspannung eingestellt wird, abhängig durch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Ka- ist.

   pazitätsdiode (Cd) eine Induktivität geschaltet ist, 15 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei die wenigstens einen Teil der Minimalkapazität einem Transistor-Oszillator mit elektronischer Abder Kapazitätsdiode kompensiert. Stimmung, dessen Schwingkreis zwischen einer der
3. 3. Transistor-Oszillator nach Anspruch 1 beiden Elektroden Emitter oder Basis und dem Koloder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor- lektor des Transistors angeschaltet ist und dessen spannung der Kapazitätsdiode (Cd) und der Emit- ao Schwingfrequenz mittels einer durch eine Steuerspanterstrom des Transistors (Tr) einstellbar sind. nting steuerbaren Kapazitätsdiode veränderbar ist,
4. 4. Transistor-Oszillator nach einem der An- die Ausgangsleistung im Durchstimmbereich wesentsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lieh geringer abhängig von der Steuerspannung zu Kapazitätsdiode (Cd) und der Transistor (Tr) in machen.