DE1962234A1

DE1962234A1 - Verstaerkerschaltung mit einer ein Lichtausgangssignal liefernden Diode mit negativem Widerstand

Info

Publication number: DE1962234A1
Application number: DE19691962234
Authority: DE
Inventors: Tutomi Nalzamura
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1968-12-11
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1970-08-27
Also published as: DE1962233A1; GB1296363A; US3655988A; DE1962233C2; GB1294897A

Description

Patentanwalt

8000 MÜNCHEN 71 (Solln)

Franz-Hals-Straße 21

Telefon 796213

München, 9. Dezember 1969 HKC 2633 ^Dr* ^H-/^sch

Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku 0 3 a k a , Japan

Verstärkerschaltung mit einer ein Lichtausgangssignal liefernden Diode mit negativem Widerstand

Prioritäten: 11. Dez. 1968; Japan; Nr. 90656/1968; und 29. Juli 1969; Japan; Nr. 60170/1969 und 60174/1969

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung, die eine ein dem Eingangsstrom annähernd proportionales Ausgangssignal in Porm von Licht liefernde Halbleitervorrichtung mit einem negativen Widerstandsbereich der Stromspannungscharakteristik aufweist.

Es findet bei der Erfindung vorzugsweise eine lichtemittierende Diode mit negativen Spannungseigenschaften Anwendung.

In dem technischen Feld der Elektronik hat sich in der letzten Zeit die Entwicklung von optischen LJbertragungs systemen und optischen Rechenvorrichtungen und mit Halbleitern arbeitenden Wandlern als besonders wichtig erwiesen. Laser-

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Bayeriedie Vereinsbank München 820993

vorrichtungen und lichtauasendende Dioden sind entwickelt worden zu dem Zweck der Energieumwandlung von Elektrizität in Licht, während andererseits Phototransistoren, Photokonduktoren und Photodioden die Energieumwandlung von Licht in Elektrizität bezwecken. Es kann in verhältnismäßig einfacher Weise eine Kombination dieser beiden Vorrichtungsarten, bei denen Lichtenergie Anwendung findet, getroffen werden; bei diesen Anordnungen ist es jedoch bisher stets erforderlich gewesen, vorher oder nachher eine Zuführung zu einem Lichtankoppelsystem eines geeigneten Schaltelements oder eines Verstärkerelements oder eines Schwingungserzeugungselements zu bewirken, das rein elektrisch arbeitet, oder zu einem Kreis, der aus einer oder mehreren Arten derartiger Schaltelemente besteht, damit eine befriedigende Wandlereigenschaft erreicht wird. Die technische Entwicklung hat bereits zu lichtaussendenden Dioden mit negativen Widerständen geführt, die die Eigenschaft haben, zweierlei Funktionen auszuführen. Obwohl es offensichtlich ist, daß ein derartiges Schaltelement in einen optisch-elektronischen Kreis eine außerordentliche Vereinfachung zu bringen imstande ist, hat bisher noch keine industrielle Verwendung derartiger Schaltungsanordnungen stattgefunden. Diese zur Zeit zur Verfügung stehenden neuen Schaltelemente arbeiten aus dem Grund nicht sehr vorteilhaft, weil eine Lichtaussendung bei Saumtemperatur nicht erfolgt und ein Lichtemissionswirkungsgrad auch noch sehr niedrig ist, wenn es sich um Lichtemission bei 77 K handelt. Aus dem gleichen Grund werden Experimente zur Untersuchung derartiger Schaltungen erschwert. Übliche Stromkreisanordnungen, gleichgültig ob optischer oder elektrischer Art, die lichtemit- _} tierende Dioden entweder in StromleitungBrichtung oder in Sperrichtung betrieben aufweisen, sollten daher in solcher Form entwickelt werden, daß eine intensive zuverlässige

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Wirkungsweise bei 77 K eintritt in Anbetracht des Wirkungsgrades der Emission charakteristischer Lichtstrahlung bei einer außerordentlich niedrigen Temperatur und der dabei auftretenden Störpegelverhältnisse.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der vorgenannten Schwierigkeiten und bezweckt insbesondere die Erzielung einer Verstärkung. Weiter bezweckt die Erfindung eine elektro-optische Anordnung von hohem Wirkungsgrad und hoher Zuverlässigkeit nicht nur in dem Bereich supraniedriger Temperaturen, sondern auch bei Raumtemperatur, so daß sich bei solcher Temperatur auch die Ausnutzung der Verstärkung ergibt.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltung ist weder die Anwendung besonderer Mittel zur Überwindung des niedrigen Lichtemissionswirkungsgrades noch auch zur Erzielung eines günstigen Störpegels erforderlieh zwecks Erzielung günstiger Verstärkungseigenschaften.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine optisch-elektronische Anordnung mit einer lichtemittierenden Diode von negativem V/iderstandsverhalten, die in dem negativen Widerstandsbereich betrieben wird, um eine wirkungsvolle Ver-

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Stärkung zu erreichen, woraus sich -ehe*¹ einfache Schaltuniren ergeben.

Eine erfindungsgemäße optisch-elektronische Anordnung kann als üinirangssignal entweder ein Lichtsignal oder ein elektrisches Signal aufweisen und kann auch als Ausgangssifmal ein Lichtsignal oder ein elektrisches Signal erzeugen, wobei Verstärkunrsvorgänge ausgenützt werden.

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BAD ORIGINAL

Eine erfindungsgemäße optisch-elektronische Anordnung besitzt eine Tollständige Trennung des Eingangskreises und des Ausgangskreises, und dadurch wird das Auftreten von Schwingungen vermieden, so daß ohne weiteres in einfacher Meise vielstufige Verstärkervorrichtungen gebaut werden können.

Insbesondere sieht die Erfindung vor, daß die Verstärkung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstromes entsprechend der Intensität des Eingangssignals in Form von Licht erfolgt, das intensitätsmäßig ständigen Änderungen unterworfen ist. Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bildet eine zweipolige Verstärkervorrichtung, die von dem Hauptverstärkungssystem impedanzmäßig vollständig getrennt ist.

Eine Verstärkerschaltung mit einer ein dem Eingangssignal angenähert proportionales Lichtausgangssignal liefernden Halbleiterdiode mit negativem Widerstandsbereich der Strom-Spannungscharakteristik kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß für die Diode eine Belastungsimpedanz und eine Vorspannungsvorrichtung vorgesehen sind für die Zwecke der Einstellung des Stromspannungsbereiches von negativem Widerstand und daß ein Eingangskreis ein Eingangssignal an die Halbleiterdiode und die Belastungsimpedanz liefert und ein verstärktes Ausgangssignal in Form von Licht oder Elektrizität von einem Teil des die Halbleiterdiode und die Belastungsimpedanz enthaltenden Stromzweiges abgenommen wird.

Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren erörtert. Von den Figuren zeigen:

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Figur 1 3CiiaaaSisch den Aufbau einer mit einem negativen Widerstand arbeitenden lichtelektrischer. Diode;

Figur 2 eine graphische Darstellung der Stromspannungscharakteristik einer liehtemittierenden Diode nach Pig. Ij

Figur 3 eine die Abhängigkeit der Strahlungsintensität von dem Strom darstellende Charakteristik}

Figur 4 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung, bei der eine Parallelschaltungsweise verwendet ist;

Figur 5 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung, bei der eine Serienschaltungsweise verwendet ist;

Figur 6 Stromspannungscharakteristiken zur Erläuterung der Erfindung;

Figur 7a 'Stromspannungscharakteristiken zur Erlaute- und 7b rung der Vorspannungsverhältnisses

Figur 8 eine Abwandlung einer Schaltungsweise gemäß Fig. 4;

Figur 9 eine Schaltungsanordnung mit veränderbarer Verstärkung in Form einer Parallelschaltung gemäß Fig, 4j

Figur 10 eine Schaltungsanordnung mit veränderbarer Verstärkung in Form einer Serienschaltung gemäß Fig. 5;

Figur 11 eine mit Rückkopplung arbeitende Verstärkerschaltung unter Anwendung einer parallel arbeitenden erfxndungsgemäßen Verstärkervorrichtung ;

Figur 12 eine Verstärkerschaltung mit Rückkopplung unter Anwendung einer serienmäßig arbeitenden erfxndungsgemäßen Verstärkervorrichtung;

Figur 13 eine andere Riickkopplungsschaltung für Verstärkerschaltungen gemäß Figo 1 und 12.

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In Fig. 1 is"5 eine lichtaussendende Diode 11, eine GaAs-HaIbIeiterdiode, in Form eines Vierschichtenhalbleiters dargestellt. Es handelt sich um einen Unterlagekörper 12, der negativ dotiert ist, und die darauf aufgebrachte positiv dotierte SpHicht P₁ und die darauf aufgebrachte negativ dotierte Schicht 14 und die oberste, positiv dotierte Schicht 15. Zwischen den Schichten sind die Sperrschichten J-, , Jp, J-* gebildet. Der Unterlagekörper 12 und die Schicht 15 sind mit den metallischen Elektroden 16, 17 verbunden. Die lichtemittierende Diode 11 hat eine negative Widerstandscharakteristik für den als Ordinate aufgetragenen steuernden Strom? es handelt sich um eine S-negative Charakteristik. Aus diesem Grund erfolgt eine Lichtemission mit hohem Wirkungsgrad. Fig, 2 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik für die ΡΝΡΪϊ-Diode gemäß Fig. 1; in Fig. 3 ist die Strahlungsleistung als Ordinate in Abhängigkeit des Stromes dargestellt. Die Betriebsspannung der Schichten Pp und N₀ ist derart, daß P^ positiv und 3SU negativ vorgespannt sind, so daß die Sperrschichten J, und J^ in stromleitender Sichtung und die dazwischen gebildete Sperrschicht J₀ in Sperrichtung vorgespannt sind, so daß sich kaum ein Stromfluß ergibt, wenn die zugeführte Spannung niedrig ist, entsprechend dem Bereich I der in Fig. 2 wiedergegebenen Giiarakteristik. Wenn jedoch die zugeführte Spannung ansteigt ₉ so ergibt sich eine Elektroneninjektion von der negativ dotierten Schicht 12 in die Sperrzone J^ und gleichzeitige erhöhte Loehinjektion aus der positiv dotierten Schickt 15. Die Iochin;)ektion von der Schicht 15 bewirkt₅ daß die Sperrzone J₁ die Injektion von Elektronen und Löchern für die Schichten 13 bzw. 14 entsprechend erhöht, wodurch ein Ilektronenmultiplikationsvorgang sich ergibt. Da andererseits die Sperrzone J₂ in Sperrichtung vorgespannt ist» ergibt sich dort eine Spannungserhöhung,

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und infolge der Elektronenmultiplikation erfolgt ein Blektronendurchbruch. Infolgedessen werden die Schichten 14 und 13 mit Elektronen bzw. Löchern überschwemmt, die sich dort anhäufen, und dementsprechend ergibt sich eine Vorspannung der Sperrschicht J„ in der Vorwärtsrichtung, verbunden mit einem Spannungsabbau, so daß das Spannungsgefälle zwischen den Schichten 15 und 12 abnimmt. Dadurch ergibt sich der mit II in Fig. 2 gekennzeichnete Charakteristikbereich eines fallenden Widerstandes. Dieser Vorgang dauert an, bis ein Gleichgewicht an der Sperrzone «J« erreicht ist, das sich dadurch kennzeichnet, daß ein Stromleitungsvorgang mit hohem Strom vorliegt. Diese Stromleitungsbedingung liefert dieselbe Spannungs-Strom-Charakteristik des FNPN-Halbleiters wie in einer üblichen Diode. Dieser Zustand ist in Fig. 2 durch den Bereich III dargestellt.

Die Lichtemission ergibt sich von der Rekombination; da aber die Möglichkeit einer Rekombination von den aus der " N-Schicht 12 injizierten Elektronen mit den aus der P-Schioht 15 injizierten Löchern sowohl an den Sperrschichten J₁ und J, in Anbetracht der PNPU-Ausbildung des Halbleiterelements stattfindet, so ist anzunehmen, daß die Lichtemission hier mit höherem Wirkungsgrad der Energieumwandlung in Licht erfolgt, als es bei einer gewöhnlichen lichtemittierenden Diode der Fall ist. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist der Wirkungsgrad der Lichtemission der Diode bei der Erfindung ungefähr proportional dem steuernden Strom. Unabhängig davon, in welchem Bereich der Charakteristik gearbeitet wird, die Strahlungsleistung P der Diode in Form von Lichtstrahlung ist stets proportional dem steuernden Strom. Es kann P ungefähr durch die Beziehung ausgedrückt werden

P ^ i*

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wo I der steuernde Strom und η eine für die Diode charakteristische Konstante ist.

Im weiteren wird ein Beispiel der Herstellung der obengenannten Mode beschrieben. Mit Silicium allein als Beimengung kann man drei PWP-Schichten in einem Prozeß auf einer Grundschicht des Endtyps in einem Verfahren durch Ziehen aus der flüssigen Phase (liquid phase growth process) herstellen. Atome der IY. Gruppe, wie Silicium, Germanium, Zinn, können in Form von Beimengungen zum Galliumarsenit als Donatoren und als Akzeptoren wirken. Die Atome der IV. Gruppe wirken als Donatoren, wenn sie anstelle eines Galliumatoms auftreten, und als Akzeptoren, wenn sie die Stelle eines Arsenatoms einnehmen.

Ein mit Arsen und Silicium dotierter Galliumarsenitkristall wächst durch Ziehen aus der flüssigen Phase. Galliumarsenit vom If-Typ wächst bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, und bei niedrigeren Temperaturen wächst stattdessen eine Schicht vom P-Typ. Die Temperatur, bei der eine N-Schicht in eine P-Schicht übergeht, hängt von der kristallographischen Orientierung der Galliumarsenitgrundplatte ab. Die .Abkühlung ist für das Wachstum von größter Bedeutung. Auf der Basis dieser Faktoren wird ein Element je nach Wunsch präpariert. So wächst zuerst eine Schicht vom P-Typ unter Kühlung und dann eine N-Schicht durch Stoppen der Abkühlung und schließlich eine weitere P-Schicht durch weiteres Abkühlen. So kann man drei Schichten des PNP-Typs aufeinanderfolgend durch einfache Steuerung der Abkühlung gewinnen.

Die siliciumdotierte Galliumarsenitdiode mit negativem Yfiderstand, die auf diese Weise hergestellt worden ist, hat eine hohe quantenmechanische Ausbeute von. 2 ei ε 3 fa oder die

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Hsc 2533 - 3 .- " 1362234

zehnfache Ausbeute einer üblichen Diode und kann daher fc^i Zimmertemperatur arbeiten, Sie Oransspannung 7.. , der Grenzstrom I_til, die Ruhe spannung V^ und der Ruheatrom I_fe einer derart gefertigten üicde liegen bei;

^Yth ^s 2 - -25 7 I_th = 0,1 - 20 mA ⁷h = 1»3 - 1,4 ? I_h = 1 - 70 mA

Die eine negative Charakteristik aufweisende lichtemittierende Diode spiele für die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung eine ausschlaggebende Rolls. In Pig. 4 ist die eine Grundform der Erfindung dargestallt, bei der als Yeratärkungselement die einen negativen Widerstand bildende lichtemittierende Diode 11 vsi'wendst ist. An die beiden Klemmen der Diode 11 ist der Belastungswiderstand 18 parallel angeschlossen, und es wird eine Vorspannung der Diode von d?r Spannungsquelle 20 über den Vorwiderstand 19 zugeführt. Parallel an die beiden Klemmen der lichtemittierenden Diode 11 und parallel zu dem Belastungswiderstand 18 ist die las Eingangssignal liefernde Spannungsquelle 22 und der Eingangswiderstand 21 vorgesehen. An das eine Bude des Belastungswiderstandes 18 ist die Ausgangskiemine 23 angeschlossen, die ein elektrisches Ausgangasignal liefert., Die Ableitung des Ausgangssignala in anderer Form, nämlich in Form des Lichtsignals, erfolgt dadurch, daß das von der Diode 11 erzeugte Licht benutzt wird, Fig. 5 zeigt als zweite Grundform einer erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung eine in Form einer Serienschaltung aufgebaute Diodenstufe, bei der die ein negatives Widerstandselement bildende lichtemittierende Diode 11 in Serie mit dem Belastungswiderstand 18 geschaltet ist und die Bingangssignalquelle 22 in Serie mit dem Widerstand 21 liegend an die Klemmen der Serienschaltung der Diode 11 und des Belastungswiderstandes 18 angeschaltet ist.

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BAD

3ur vereinfachten nachfolgenden Darstellung sollen die folgenden Abkürzungen verwendet Werdens

negativer ¥iderstand des PNPiT-Elements 11: -RD Widerstand des Belastungswiderstandes 18$ Rl Widerstand des EingangswiderataMes 21 ί RS Eingangssignal der Bingangssp^nnungsquelle 22: v(t) Ausgangs signal an der Ausgqngsklssnme 23 s V(t)

Handelt ss sich um die Parallelschaltung gemäß Fig. 4_} bei der jedoch kein negatives Wi&erstandselement vorgesehen ist, so kann die Klemmenspannung ?l(t) an dem Belastungswiderstand 18 durch die nachfolgende Formel ausgedrückt werden;

Wenn andererseits in der Parallelschaltung als Verstärkerelement der negative Widerstand 11 eingeschaltet ist, so ergibt sich die an dem Belastungswiderstand 18 sich ausbildende Spannung VgCt) wie folgtί

- RIi · HD

RE -

RL-RB

-RL - RD 1 RS-j-RL

v₂(t) (2a)

Der Spannungsgewinn der beiden miteinander verglichenen Schaltungen, einmal bei Anwendung des negativen Widerstandselements und einmal ohne dasselbe, ergibt sich daher wie folgtί

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r - V^t} RD ,,x

^&V - VTItJ ~ RD-RA -⁵^

wobei RA = ist.

Bs ist offensichtlich, daß der Spannungsgewinnfaktor vergrößert werden kann, wenn die Parallelwiderstandsgröße RA angenähert dem negativen Widerstand RD wird. Es läßt sich also durch die Anordnung gemäß Fig. 4 eine Verstärkung erzielen.

In bezug auf die Verhältnisse in der Serienschaltung gemäß Fig. 5 ergeben sich die folgenden Beziehungen:

V₁Ct)	RL	- RD
V₂Ct)	~ Rä + RL
α	RL
RS 4- RL
V₂Ct)

RA

RA - RD

U)

wobei RA = RS-I-RL ist.

Auch im Falle der Anordnung gemäß Fig. 5 wird der Spannungsgewinn hinreichend groß, wenn der aus der Serienschaltung RA sich ergebende Widerstand ungefähr gleich dem negativen Widerstand RD ist.

In gleicher Weise lassen sich die Stromverstärkungen G₁ für die beiden Sohaltungsweisen wie folgt bestimmen:

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HSO₂₆₃₃ -X₂- ¹⁹⁶²²³<

Parallelschaltung gemäß Fig. 4:

. ι _ RA

"BB ' vTCn ⁼ IRA - RD) «RS (5)

Für die Serienschaltung gemäß Fig· 5 ergibt sich:

▼₂(t)

BE ' νΠΤΤ ~ RA-RD

Es kann daher die abgegebene Lichtintensität proportional der Eingangsspannung v(t) angesehen werden.und dadurch vergrößert werden, daß der resultierende Widerstand für die Parallelschaltung bzw. Serienschaltung RA ungefähr gleich dem negativen Widerstand RD wird.

Die vorstehend gegebene Erklärung kann theoretisch auch für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung abgeleitet werden aus der einfachen Charakteristik, die für die Parallelverstärkeranordnung gemäß Fig. 4 in Fig. 6 gezeigt ist. Diese Charakteristik ist nur maßgeblich, wenn in Parallelschaltung die lichtemittierende Diode 11 und der Belastungswiderstand 18 zugrunde gelegt werden.

In Fig. 6 bezieht sich die Kurve a auf den negativen Widerstand der lichtemittierenden Diode 11 allein, und sie setzt sich, wie bereits angegeben wurde, aus den drei Bereichen zusammen, nämlich dem Sperrbereich und dem Bereich des negativen Widerständes und dem dritten Bereich. Die Kurve b dagegen bezeichnet die Strom-Spannungs-Charakteristik des Widerstandes 18 allein und ist daher eine gerade Linie. Aus den beiden Kurven a und b ergibt sich in bezug auf die

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Stromordinate die dritte Kurve, die die gesamte Spannung in Abhängigkeit des Stromes für die Parallelschaltung wieder-. gibt, welche aus der lichtemittierenden Diode 11 mit dem negativen Widerstandsbereich und dem Belastungswiderstand 18 besteht. Diese Charakteristik ist mit c bezeichnet.

Betrachtet man als Arbeitspunkt für die Parallelschaltung der Diode 11 und des Belastungswiderstandes 18 einen Punkt auf dem nur wenig steil geneigten Ast c, so ergibt sich für die Wechselstromamplitude A, I. entsprechend den Vierten X₁ - j-, auf der Kurve c eine Änderung von Xp - y„ auf der Kurve b, und diese Punkte bezeichnen die Amplitude ΔI . an dem Belastungswiderstand 18. Es ist offensichtlich aus Pig. 6, daß die Beziehung besteht ΔI . ^ Al^_n, d. Iu es findet eine Verstärkung des Eingangssignals statt.

Die theoretischen Verstärkungsbetrachtungen, die vorstehend angegeben sind, legen es nahe, daß die richtige Wahl der Vorspannung wichtig ist und daß ohne eine solche ein negatives Widerstandsverhalten nicht erreicht werden kann. Es wurde festgestellt, daß die angestrebte Verstärkung der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung nur dann erreicht werderkann, wenn man bestimmte Betriebsbedingungen einhält. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 soll nunmehr die Bedingung für die Vorspannung erörtert werden, wobei auf die Arbeitscharakteristik gemäß Fig. 7a Bezug genommen wird.

Die im nachfolgenden zur Anwendung gelangenden Symbole haben die folgende Bedeutung:

E = Vorspannungs-Gleichspannung
HD = Vorwiderstand

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Yp = dem ΡΝΡΐΓ-Halbleiterelement zugeführte Spannung,

wobei Vp = Vo t V(t) ist, wobei (7)

Vo die Grleichspannungskomponente istf

I = der dem PNPN-Halbleiterelement zugeführte Strom

Durch Anwendung des Kirchhoffschen Gesetzes auf den in Fig. 4 dargestellten Stromkreis erhält man die Beziehung:

V(t)
RS

Betrachtet man in Pig. 7a die Belastungskennlinie durch die strichpunktierte Linie wiedergegeben und bildet man den
Schnittpunkt der Verlängerung des Kurvenastes von negativem Widerstand mit der Abszisse VA, so ergibt sich die nachfolgende Beziehung:

Eliminiert man den Strom I aus den Formeln (8) und (9), so
erhält man die nachfolgende Formels

-1 . 1 In - , E , V(t) VA _n

⁺ * ⁷P ⁺ +-firB ^Ä °

Die sich einstellende Spannungsverstärkung kann ausgedrückt werden durch , wobei besondere Beachtung Gleichung (7) zu schenken ist. Man erhält daher die nachfolgende Bezie- > hung aus den Gleichungen (7) und (10):

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•9 V(t) _ 1 . 1

Die Eigenschaft einer Verstärkervorrichtung kann mathema tisch wie folgt ausgedruckt werden:

Von Gleichung (11) und (12) ergibt sich dann die nachfolgende Beziehung:

SIT (13)

Die Formel (13) gibt die Beziehung zwischen den Neigungen beider Kurven, wobei zu beachten ist, daß die eine Kurve die negative Widerstandskurve ist und die andere die Charakteristik für den Belastungswiderstand ist. Bs ist offensichtlich, daß die Kurve für den Belastungswiderstand, die den Arbeitepunkt'Q durchsetzt, in Übereinstimmung gebracht werden soll nit der strichpunktierten Linie der Fig. 7a, da sonst eine Verstärkung nicht erwartet werden kann. Es ist nicht zweckmäßig, daß die Belastungslinie flacher verläuft als die negative Widerstandskurve. Der Wert des Belastungsvriderstandes RL muß etwas größer gewählt werden als der negative Widerstand RD, indem man Verhältnisse wählt, bei

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denen RL und RD einander nähern.

Es ist zu beachten, daß die Belastungslinie gemäß Figo 7b nie die vorgenannte Bedingung und die Formel für die Verstärkung erfüllen kann. Versuche haben gezeigt, daß bei einem Eingangswiderstand von 10 k-Tuder Belastungswiderstand 1 k-O- und der Vorwiderstand 2 k-O- und der negative Widerstand etwas über Ik-O- liegen sollte und daß man dann eine Spannungsverstärkung von 20 dB erhält.

Bei einer Verstärkereinrichtung nach dem erfindungsgemäßen Parallelschaltungsprinzip entsprechend Fig. 8 wird das Eingangssignal in Form von Licht zugeführt, und es entsteht ein Ausgangssignal entweder in Form von Licht oder in Form eines elektrischen Signals, wobei die allgemeine Schaltungsweise im wesentlichen Fig. 4 entspricht,, abgesehen davon, daß die Eingangssignalquelle 22 durch den Phototransistor 24 gebildet wird. Die Emitterelektrode des Phototransistors 24 ist mit der Kathodenseite der als negativer Widerstand wirkenden lichtemittierenden Diode 11 verbunden, während die Kollektorelektrode des Phototransistors 24 mit der Anode der Diode 11 verbunden ist und die Basiselektrode des Transistors 24 mit Licht beaufschlagt wird. Der Phototransistor 24 liefert eine Ausgangsspannung an der Klemme 23, deren Größe proportional der Intensität des einfallenden Lichtes ist, während ein Ausgangssignal in Form von Licht an der Verbindungsstelle der lichtemittierenden und einen negativen Widerstand bildenden Diode entnommen werden kann und dieses Ausgangssignal ebenfalls proportional der Intensität des einfallenden Lichtes ist.

Fig. 9 zeigt eine Schaltungsanordnung, die ebenfalls nach dem Prinzip der Parallelverstärkeranordnung von Fig. 4 auf-

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HEC 2633 - 17 -

gebaut ist und eine Verstärkungsvorrichtung veränderbaren Widerstandes darstellt. Der Unterschied besteht darin, daß anstelle des Parallelbelastungswiderstandes 18 ein Photokonduktor 25 eingeschaltet ist, dessen Widerstand nach Maßgabe der Intensität eines steuernden Lichtes gesteuert wird. Wenn der Photokonduktor 25 ein steuerndes Lichteingangssignal, das in bestimmter Weise bezüglich der Intensität gesteuert ist, zugeführt erhält, so ergeben sich entsprechende Änderungen des Widerstandswertes in bezug auf den negativen Widerstand, und es kann dementsprechend die zu erreichende Verstärkung gesteuert werden.

Fig. 10 zeigt eine Schaltungsanordnung, die ebenfalls mit veränderbarer Verstärkung arbeitet und von der Serienverstärkeranordnung gemäß Pig. 5 abgeleitet ist und sich von Pig. 5 dadurch unterscheidet, daß anstelle des Serienbelastungswiderstandes 18 ein Transformator 26 eingeschaltet ist. Dieser Transformator ist primärseitig an die Eingangssignalquelle angeschaltet und liegt mit seiner Sekundärwicklung in Serie mit dem Photokonduktor 25, dessen Widerstand nach Maßgabe des steuernden Lichtes gesteuert wird. Da die mit veränderbarer Verstärkung arbeitende Verstärkervorrichtung durch das Lichteingangssignal gesteuert werden kann, so wird der Verstärkervorrichtung das Steuersignal

wird es nicht elektrisch zugeführt, insbesondare/mcht über eine besondere elektrische Impedanz zugeführt.

Pig. 11 zeigt eine rückgekoppelte Verstärkeranordnung des Parallelverstärkungstyps entsprechend Pig. 4. Me das Eingangssignal liefernde Spannungsquelle 22 bildet einen Serienkreis mit einer Kapazität 27 und einem Widerstand 28 und der lichtemittierenden Diode 11. Die Diode ist parallel

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H3C 2β33 - 18 -

mit dem Belastungswiderstand 18 geschaltet, über den auch die Vorspannung zugeführt wird, wobei die die Vorspannung erzeugende Gleichspannungsklemme an die Klemme 20 angeschaltet ist. Der Arbeitspunkt ist so zu wählen, daß er innerhalb des negativen Widerstandsbereiches liegt. An die den negativen Widerstand bildende Diode 11 sind in Serie geschaltet ein Widerstand 29 und eine Kapazität 30 und ein Siliciumphotoelement 31, das eine elektromotorische Kraft entsprechend der das Photoelement beaufschlagenden Intensität des von der Diode 11 ausgehenden lichtes erzeugt. Der Widerstand 32 ist ein Belastungswiderstand für das Photoelement 31. Da die lichtemittierende Diode 11 des PNPIT-Typs ein Ausgangssignal in Form von Lieht liefert, das der Signalspannung proportional ist, so ist auch der Strom duroh das Photoelement 31 diesem Signal proportional! das Ausgangssignal in Form von Licht fällt nach erfolgter Verstärkung auf das Siliciumphotoelement 3I₅ wo diese Eingangsenergie in ein elektrisches entsprechendes Signal umgewandelt wird, das wiederum der den· negativen V/iderstand bildenden Diode 11 über die Kapazität 30 und den. Widerstand 29 zugeführt wird, so daß sich auf diese Weise eine rückgekoppelte Verstärkeranordnung ergibt.

Fig. 12 zeigt eine weitere rückgekoppelte Vsrstärkeranordnung, in der von der erfindungsgemäßen Serienverstärkerschal tung gemäß lige 5 ausgegangen ist. Es handelt sich wiederum um einen geschlossenen Stromkreis wie in Figo 11, der den Widerstand 29, die Kapazität 30, das Photoelement 31, den Belastungswiderstand 32 und die lichtemittierende Diode 11 enthält. Zusätzlich ist der Belastungswiderstand ' 18 in Serie mit der licht emittierenden Diode 11 geschaltet und der Transformator 26, ähnlich wie es in Fig· IO der Fall war.

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Diese rückgekoppelte Veratärkerschaltung liefert ebenfalls ein Ausgangssignal in Form von licht oder Elektrizität. Im allgemeinen hat man es mit einer negativen Rückkopplung zu tun, diese Rückkopplung kann aber durch Anwendung einer die Polarität umkehrenden Photostufe 31 erzielt werden.

Das Siliciumphotoelement 31 liefert eine elektromotorische Kraft in den Fig. 11 und 12; das Photoelement kann auch ersetzt werden durch einen Photowiderstand 33» beispielsweise einen CdS-Widerstand oder einen Phototransistor. Eine solche Schaltung i3t in Pig. 13 dargestellt, wo eine Vorspannung über den 7/iderstand 34 zugeführt wird. Die das Licht emittierende und einen negativen Widerstand bildende Diode und das Photoelement in dem Rückkopplungskreis der Verstärkerdiode können vollständig voneinander getrennt sein, so daß man dieselbe Wirkungsweise einer Verstärkervorrichtung wie bei einem Vierpolverstärker hatj man hat daher eine Rückkopplungswirkung, die man nie erreichen kann bei Verwendung eines negativen Widerstandselements des Esaki-Diodentyps.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprü ehe

!./Verstärkerschaltung mit einer ein dem Eingangssignal angenähert proportionales Lichtausgangssignal liefernden Halbleiterdiode mit negativem Widerstandsbereich der Stromspannungscharakteristik, d a d u r" c h gekennzeichnet, daß für die Diode (11) eine Belastungsimpedanz (18) und eine Vorspannungsvorrichtung (E, 19) vorgesehen sind, für die Zwecke der Einstellung des Stromspannungsbereiches von negativem Widerstand, und daß ein Eingangskreis (22, 21) ein Eingangssignal an die Halbleiterdiode (11) und die Belastungsimpedanz (18) liefert und ein verstärktes Ausgangssignal in Form von Licht oder Elektrizität von einem Teil des die Halbleiterdiode (11) und die Belastungsimpedanz (18) enthaltenden Stromzweiges abgenommen wird.
2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Eingangssignal einem die Halbleiterdiode (ll) und eine Belastungsimpedanz (18) in Parallelschaltung enthaltenden Eingangskreis zugeführt wird und das Ausgangssignal an den beiden Klemmen des genannten Kreises abgenommen wird.
3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Eingangssignal einem die Halbleiterdiode (11) und eine Belastungsimpedanz (18) in Serie enthaltenden Eingangskreis zugeführt wird und das Ausgangssignal von den beiden Enden des Belastungswiderstandes ('18) abgeleitet wird.

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HEC 2633 <

SA
4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vierschicht-PNPN-Halbleiterdiode vorgesehen ist.
5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Vierschichtendiode aus GaAs besteht, das durch Si dotiert ist.
6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Parallelwiderstandswert des Belastungswiderstandes (18) und des im Eingangskreis liegenden Widerstandes (21) ungefähr gleich dem negativen Widerstand (RD) der Diode (11) gewählt ist»
7· Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Serienwiderstand des Belastungswiderstandes (18) und des im Eingangskreis liegenden Widerstandes (21) ungefähr gleich dem negativen Widerstand (RD) der Diode (ll) gewählt ist.
8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Wandler zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie vorgesehen ist.
9. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel zur Verstärkungseinstellung vorgesehen sind, die darin bestehen, den wirksamen Widerstand des Belastungswiderstandes (18) zu verändern in Abhängigkeit eines von außen zugeführten Signals.
10. Verstärkerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein auf die Lichtenergie der Diode (11) ansprechendes Wandlerelement zur Umwandlung in elektrische Energie vorgesehen ist.

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HEG 2633 "X"
11. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Rückkopplungsmittel, die Energie in Form von Licht, das durch die Halbleiterdiode (11) erzeugt ist, in elektrische Energie umwandeln und die elektrische Energie an den die Halbleiterdiode (11) und die Belastungsimpedanz (18) enthaltenden Stromkreis zurückliefern.

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