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Zweipol mit negativer Widerstandcharakteristik Die Erfindung bezieht
sich auf einen Zweipol mit negativer Widerstandscharakteristik mit mindestens zwei
Transistoren und einer Speisequelle, Zweipole mit negativer Widerstandscharakteristik
werden häug in Oszillatorschaltungen, insbesondere Relaxationsoszillatoren, einZesetzt.
Sie sind entweder konzentrierte Bauelemente, z,B. Tunnel-Dioden, oder synthetische
Schaltungen, die zwischen zwei Klemmen eine derartige Charakteristik aufweisen.
Ein Zweipol der letztgenannten Art ist z.B. aus der ClI-PS 512 858 = US-PS 3,723,775
bekannt. Diese bekannte Schaltung weist zwei Transistoren entgegengestzten Leitfähigkeitstyps
und
eine Spannungsquelle auf. Zusammen mit weiteren aktiven und passiven Komponenten
erlaubt sie eine Vielfalt unterschiedlicher iderstandscharakteristiken, Zur Oszillatoranwendungen
wäre nun ein Zweipol mit einer Widerstandscharakteristik wünschenswert, die einen
Wendepunkt, noch günstiger eine punktsymmetrische Charakteristik, .aufweist. Mit
einem derartigen Zweipol liessen sich hochstabile Oszillatorens insbesondere filr
die Nachri.chten- und Messtechnik realisieren.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Zweipol mit negativer Widerstandscharakteristik
zu schaffen, welcher eine Kennlinie mit Wendepunkt bzw. punktsymmetrischer Kennlinie
aufweist, und bei dem der wirksame negative Widerstand sich bequem verändern lässt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Zweipol der eingangs genannten Gattung
erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Transistorren gleichen Leitfähigkeitstyps
sind, dass eine Konstantstromquelle zur Speisung beider Emitter der Transistoren
vorgesehen ist, dass der Kollektor des ersten Transistors mit der Basis des zweiten
Transistors, der Kollektor des zweiten Transistors mit der Basis des ersten Transistors
und der anderen
Klemme der Stromquelle verbunden ist, welche Verbindung
die eine Klemme des Zweipois, wShrend die Verbindung der Basis des zweiten mit dem
Kollektor des ersten Transistors die andere Klemme des Zweipols bildet.
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Der Zweipol eluat eine Widerstandseharakteristik bzw. Strom/ Spannungskennlinie,
deren Wendepunkt auf der Stromachse liegt und punktsymmetrisch in bezug auf diesen
Wendepunkt ist. Der negative Widerstand ist frequenzunabhängig bis hin zu Frequenzen
in der Grössenordnung von fBeta der Transistoren.
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Will man den negativen Widerstand frequenzabhängig machen, so ist
in die Verbindungsleitung zwischen den beiden Emittern der Transistoren ein frequenzabhNngige
Tmpedanz, z.B.
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ein Kondensator, eine Induktivität oder eine Kombination aus beiden,
einzuschalten. Bei nichtgleichstromleitenden Impedanzen muss dann die Speisung der
Emitter über Teilstromquellen erfolgen.
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Zur Linearisierung der Strom/Spannungskennlinie kann in die genannte
Verbindungsleitung ein ohmscher Widerstand oder eine Kombination aus ohmschen Widerstand
und parallelgeschalteten entgegengesetzt gepolten Dioden eingefügt werden.
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Der von der Stromquelle gelieferte Konstantstrom bestimmt den Extremwert
des negativen Wi.derstandes des Zweipols. Dieser ist von der Temperatur abhängig.
Völlige Temperaturabhffngigkeit des negativen Widerstandes erreicht man dadurch,
dass die Stromquelle einen zur absoluten Temperatur proportionalen Strom liefert,
was sich in bekannter Weise realisieren lässt.
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Zum Schutz der Transistoren gegen Ueberspannungen zwischen den Klemmen
des Zweipols sind vorteilhaft in Serie mit den Basisanschlüssen ohmsche Widerstände
geschaltet. Diese haben praktisch keinen Einfluss auf die Widerstandcharakteristik.
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Zur Verschiebung der Strom/Spannungskennlinie des Zweipols in Richtung
der Stromachse ist eine Hilfsstromquelle parallel zu den Klemmen des Zweipols vorgesehen.
Wird dieser Hilfsstrom so $gemessen, dass er die Hälfte des von der Stromquelle
gelieferten Stromes beträgt, so fällt der Wendepunkt der Strom/Spannungskennlinie
mit ihrem Ursprung zusammen.
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Zur Veränderung des Arbeitsbereiches des- Zweipols werden in Serie
mit den Basis- und/oder Kollektoranschlüssen der Transistoren in Durchlassrichtung
gepolte Dioden geschaltet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Zweipols mit negativer Widerstandscharakteristik, Fig. 2 die Strom/Spannungskennlin-ie
der Schaltungsanordnung gemäss Fig.l, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Zweipols, bei dem zur Erzielung eines frequenzabhängigen negativen Widerstandes
frequenzabhängige Impedanzen in die Verbindungsleitung zwischen den beiden Emittern
der Transistoren eingeschaltet sind, Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeipsiel eines
Zweipols mit Mitteln zur Linearisierung seiner Strom/Spannungskennlinie, Fig. 5
ein weiteres AusfUhrungsbeispiel eines Zweipols, bei dem die Transistoren gegen
zwischen den Zweipolklemmen auftretende Ueberspannungen geschützt sind, Fig. 6 ein
Ausführungsbeispiel eines Zweipols,'bei dem Massnahmen zur Verschiebung der Strom/Spannungskennlinie
in Richtung der Stromachse und zur Veränderung des
Arbeitsbereiches
des Zweipols, insbesondere hin zu höheren Spannungen, getroffen sid.
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In Fig. 1 sind die Emitter 31, 41 zweier pnp-Transistoren 3 und 4
mit der einen Klemme einer Stromquelle 2 verbunden.
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Die Stromquelle 2 kann in ilblicherweise aus einer Spannungsquelle
21 mit einem hochohmigen Serienwiderstand 22 bestehen, wie es in Fig.l beispielsweise
angedeutet ist. Der Basisanschluss 32 des Transistors 3 und der Kollektoranschluss
43 des Transistors 4 sind mit der anderen Klemme der Stromquelle 2 verbunden. Diese
Verbindung bildet die eine Klemme 0 des Zweipols. Der Kollektoranschluss 33 des
Transistors 3 ist mit dem Basisanschluss 42 des Transistors 4 verbunden. Diese Verbindung
stellt die andere Klemme 1 des Zweipols dar. Die Kennlinie (Strom/Spannungscharakteristik)
di.eser Schaltungsanordnung ist in Fig.2 beispielsweise dargestellt.
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Die negative Widerstands charakteristik der beschriebenen Schaltungsanordnung
ergibt sich wie folgt: Unter gut zutreffender Vereinfachung der Transistoreigenschaften:
worin i der Emitterstrom, i der Kollektorstrom, UEB. die e c Spannung zwischen Emitter
und Basis ist lässt sich die
Strom/Spannungfikennlinie des Zweipols
zwischen den Klemmen O und 1 wie folgt berechnen:
worin 10 der Strom der Konstantstromquelle 2 ist. Aus der Beziehung (2) folgt, dass
der Wendepunkt die Koordinaten u = O, i = -Io/2 hat. Der Extremwert des negativen
Widerstandes ist
wenn der Reststrom io gegenüber 10 vernachlässigt wird. Weil theoretisch für Siliziumtransistoren
a = q/2kT (l) worin q die Flementarladung, k die Boltzmannkonstante und T die absolute
Temperatur in Grad Kelvin ist, ist R bei konstanter Temperatur nur vom Strom 10
der Konstantstromquelle 2 abhängig.
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Nach Gleichung (2) wäre lim R = -oo für U-># . In der Praxis erreicht
die Kennlinie jedoch bei endlicher Spannung u bereits diesen Wert - die Kennlinie
verläuft parallel zur u-Achse - und weist bei grösseren Werten von u (etwa ab t
0,5V)
eine positive Steigung auf, d.h. der differentielle Widerstand
des Zweipols ist dann positiv. Dies hat seine Ursache darin, dass die zwei antiparallel
(bezüglich des Stromes i) angeordneten Diodenstrecken - Kollektor 33 - Basis 32
des Transistors 3 und Kollektor 43 - Basis 42 des Transistors 4 nicht vernachlässigt
werden drfen. Die Kennlinie gemäss Beziehung (2) wird sozusagen durch die (punktsymmetrische)
Kennlinie der antiparallelen Dioden überlagert, was dann zu dem in Fig.2 dargestellten
Kennlinienverlauf führt.
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Wie aus der Beziehung (3) bzw. (4) hervorgeht, ist der negative Widerstand
R proportional zur absoluten Temperatur T.
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Diese Abhängigkeit lässt sich zur Erzielung der völligen Temperaturunabhängigkeit
des negativen Widerstandes ausnutzen, indem der von der Stromquelle 2 gelieferte
Strom 1 propor-0 tional zur absoluten Temperatur gewählt wird. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass die den Strom 1o der Stromquelle bestimmenden Komponenten
Silizium-Halbleiter sind, die bekanntlich von der absoluten Temperatur abhängige
Parameter, z.B. Schwellspannung von Dioden, Basis-Emitter-Spannung, aufweisen, Der
negative Widerstand des Zweipols gemäss Fig.l ist frequenzunabhängig bis hin zu
Frequenzen in der Grössenordnung
von fBeta. . Eine Frequenzabhängigkeit
des negativen Widerstandes erreicht man gemäss Fig.3 durch Einschalten einer frequenzabhängigen
Impedanz 5 zwischen die Emitter 31 und 41 der Transistoren 3 bzw. 4. In den Varianten
a bis d sind ein Kondensator 53, eine Induktivität 54, ein Parallelresonanzkreis
mit einem Kondensator 53 und einer Induktivität 54 bzw. ein Serienresonanzkreis
mit den genannten Komponenten dargestellt, welche wahlweise an die Klemmen 51 und
52 angeschlossen werden können. Ist die Impedanz 5 undurchlässig für Gleichstrom,
so erfolgt die Stromversorgung des Zweipöls durch zwei Teilstromquellen 201 und
202.
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Besteht die Impedanz gemäss Variante d aus einem Serienresonanzkreis,
so kann ein mit dem Zweipol aufgebauter Oszillator mit einem Parallelresonanzkrcis,
wie er in Fig.3 durch die strichlierttdargestellte LC-Kombination zwischen den Klemmen
o und 1 veranschaulicht ist, nur in einem engen Frequenzband in der Nähe der Serienresonzfrequenz
der Impedanz 5, Variante d, schwingen.
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Zur Linearisierugn der Strom/Spannungs kennlinie ist in die Verbindungsleitung
zwischen den Emittern 31 und 41 der Transistoren 3 bzw. 4 ein Widerstand 55 eingeschaltet.
Eine noch wirksamere Linearisierung der Kennlinienteils mit negativem
differenti.ellem
Widerstand ä.sst sich durch das Parallelschalten zweier antiparallel geschalteter
Dioden 56, 57 zu dem Widerstand 55 erzielen. Die Stromquelle 2 ist dabei mit einer
Klemme an eine Mittelanzapfung 551 des Widerstandes 55 angeschlossen. Eine derartige
Linearisierung mit Dioden ist im Zusammenhang mit Differenzverstärkern bereit.s
bekannt geworden, z.B aus der US-PS 3,806,823 , worin auch die theoretischen Grundlagen
der erzielten Linearisierung eingehend beschrieben sind und welche auf den vorliegenden
Fall ebenfalls anwendbar sind. Ein Ausführungsbeispiel eines Zweipols mit der genannten
Linearisierungsmassnahme ist in Fig.4 dargestellt.
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Zweipole der beschriebenen Art werden häufig in LC-Oszillatoren bzw.
Relaxationsoszillatoren eingesetzt. Infolge starker Fremdmagnetfelder können in
den Spulen Spannungen induziert werden, welche zur Zerstörung der Transistoren führen
können. Um diese Transistoren zu schützen, sind in Serie mit den Basisanschlilssen
der Transistoren 3 und-4 ohmsche Widerstände 61 und 62 eingeschaltet. Dies ist in
Fig.5 beispielsweise dargestellt. Diese Widerstände haben einen vernachlässigbaren
Einfluss auf die Widerstandcharakteristik und ermöglichen mit den (sowieso vorhandenen)Basis-Kollektor-Dioden
der Transistoren 3, 4 einen hinreichenden Schutz.
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Durch Einfügen von Dioden oder Zenerdioden lässt sich der Arbeitsbereich
des Zweipols erweitern. Dies ist in Fig.6 beispielsweise dargèstellt Durch die Serienschaltung
von m in Durchlassrichtung gepolten Dioden 81, 82 zu den Basisanschlüssen 32 bzw.
42 der Transistoren 3 bzw. 4 wird der u-Massstal) des Teiles der ',trom/Spannungskennlinie
ähnlich (m+l)-mal gegenüber dem durch die Oeffnung der Kollektor-Basis-Strecke der
Transistoren 3, 4 verursachten Kennlinienteil erweitert. Sind die Dioden 81, 82
im Stabilisierungsbereich betriebene Zenerdioden, so verschiebt sich der Einsatz
und damit die Wirkung von Strömen in der geöffneten Basis-Kollektor-Strecke um die
Zenerspannung. Auf diese Weise erhält man einen langen Kennlinienabschnitt, der
mit grosser Genauigkeit der nach Gleichung (2) definierten Kennlinie folgt.
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Eine weitere, davon unabhängig anwendbare Erweiterung des Spannungsarbeitsbereichs
des Zweipols wird durch das Einfügen von Dioden 91, 92, vorzugsweise Schottky-Dioden,
in Serie mit den Kollektoranschlüssen 33, 43 der Transistoren 3 bzw, 4 erzielt.
Diese ebenfalls in Durchlassrichtung gepolten Dioden eleiminieren, anschaulich gesprochen,
den durch die Oeffnung der Kollektor-Basis-Strecke der Transistoren 3, 4 verursachten
teil der Strom/Spannungs-Kennlinie.
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In all den beschriebenen Ausführungsbeispielen von Zweipolen mit negativer
Widerstandscharakteristik waren die Transistoren 3,4 pnp-Transistoren. Die Erfindung
lässt sich jedoch selbstverstpindlich auch mit npn-Transistoren realisieren. Dazu
sind die Stromquelle 2, die Hilfsstromquelle 203 bzw, die Teilstromquellen 201,
202 umzupolen. In den Ausführungen mit in Serie mit den Basis- und/oder Kollektoranschlüssen
der Transistoren 3, 4 eingeschalteten Dioden gemäss Fig.6 sind diese Dioden 81,
82 bzw. 91, 92 ebenfalls umzupolen.
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Statt mit bipolaren pnp- oder npn-Transis-toren lässt sich die Erfindung
auch mit n-Kanal- oder p-Kanal-Feldeffekttransistoren verwirklichen, wenn diese
Bauelemente mit den gleichwirkenden Elektroden-AnschlUssen (Bas is=Gate, Source
Emitter, Drain=Kollektor) an die Stelle der (bipolaren) Transistoren in die Schaltung
eingefligt werden.
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Aufgrund der Linfachheit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung und
der-åussehliesslichen Verwendung von Halbleitern für die Grundschaltung, die Stromquelle
2 eingeschlossen, eignet sich diese insbesondere zur Ausbildung als integrierte
Schaltung, was ihr Anwendungsgebiet in der Nachrichten-und Messtechnik wesentlich
erweitert.