DE2526309C3 - Steuerbarer Wechselstromwiderstand - Google Patents

Steuerbarer Wechselstromwiderstand

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Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Wechselstromwiderstand entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Wechselstromwiderstand dieser Art ist aus der FR-PS 1 320 027 bekannt.
Weiter ist aus I. E. E. E. Transactions on Broadcast and Television Receivers, August 1972, Seiten 158 bis 162, ein aus PN-Übergängen aufgebauter steuerbarer Wechselstromwiderstand bekannt, der beispielsweise zwischen die Emitterelektrode zweier zu-
sammen als Differenzverstärker wirksamer Transistoren geschaltet wird. Die Änderung des Steuerstroms ändert den Wechselstromwiderstand der Anordnung und dadurch die Verstärkung dieses Verstärkers. Die Größe des Steuerstromes durch die beiden PN-Übergänge bestimmt den Differentialwiderstand (klein-Signal-Wechselstromwiderstand) dieser PN-Übergänge und dieser Differentialwiderstand bestimmt seinerseits das Ausmaß an Signalgegenkopplung und damit die Verstärkung des Verstärkers.
Aus der US-PS 3568073 ist weiter ein steuerbares logarithmisches Dämpfungsglied bekannt, das aus einer Kaskade von Serienwiderständen mit in Vorwärtsrichtung vorgespannten Paralleldioden besteht. Die Dioden sind in Serie geschaltet und führen einen gemeinsamen Steuerstrom.
Der Differentialwiderstand eines PN-Übergangs ist aber nur als linearer steuerbarer Widerstand für die Signalströme wirksam, solange das Verhältnis zwischen dem Signalstrom und dem Steuerstrom klein genug bleibt. Bei fortschreitender Steuerung nimmt jedoch der Signalstrom zu und der Steuerstrom ab, so daß der Differentialwiderstand der PN-Übergänge nicht mehr nur durch den Steuerstrom, sondern auch durch den Signalstrom geändert wird. Dies führt zu Signalverzerrung, Modulationsverzerrung, Kreuzmodulation u. dgl.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wechselstromwiderstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß er sich für das Signal möglichst linear, also verzerrungsfrei, verhält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Wenn der Steuerstrom Null ist, ist der gesamte langgestreckte PN-Übergang gesperrt und der Wechselstrom zwischen der ersten und der zweiten Klemme kann dann notwendigerweise nur durch die erste Zone fließen, die vorzugsweise einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweist. Mit zunehmendem Steuerstrom wird ein zunehmender Teil des PN-Überganges in der Nähe der dritten Klemme leitend, wodurch der Wechselstrom um einen Teil der ersten Zone herum fließen kann. Wenn der Wechselstromweg außerhalb der ersten Zone einen wesentlich niedrigeren Widerstand aufweist, wird der gesamte Wechselstromwiderstand zwischen der ersten und zweiten Klemme verringert und zwar um einen von der Größe des Regelstromes abhängigen Betrag.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen aus diskreten Bauelementen aufgebauten steuerbaren Wechselstromwiderstand,
Fig. 2 einen steuerbaren Wechselstromwiderstand nach der Erfindung in prinzipieller Darstellung,
Fig. 3a und b ein erstes Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Wechselstromwiderstandes nach Fig. 2,
Fig. 4a und b ein zweites Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Wechselstromwiderstandes nach Fig. 2,
Fig. 5 a und bein drittes Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Wechselstromwiderstandes nach Fig. 2.
Fig. 1 zeigt einen Verstärker mit Verstärkertransistoren 1 und 2, mit je einem Emitterwiderstand 3 bzw. 4 und einem Kollektorwiderstand 5 bzw. 6. Das zu
verstärkende SigOal wird zwischen den beiden Basiselektroden der Transistoren 1 und 2 zugeführt und das verstärkte SiB1IaI kann zwischen den beiden KoI-lektorelektorden Entnommen werden. Die Basiselektroden werden auf nicht näher angegebene Weise auf gleichen Gleichsp'innungspotentialen gehalten. Zwi-. sehen den an die Emitterelektroden angeschlossenen Klemmen 7 und 8 ist ein steuerbarer Wechselstromwiderstand angeordnet. Dieser enthält zwischen den Klemmen 7 und 8 zwei reihengeschaltete PN-Übergänge, und zwar die Emitier-Basis-Übergänge von zwei PNP-Transistoren 10 und 11, die für den Signalstrom von 7 nach 8 und zurück gegensinnig geschaltet sind. Die Verbindung 31 zwischen den Emitter-Basis-Übergängen von 10 und 11 ist mit einer Anordnung 30 verbunden, die einen Steuerstrom Ir zur Steuerung des Wechselstromwiderstandes zwischen den Klemmen 7 und 8 und damit zur Steuerung der Verstärkung des ganzen Verstärkers litiert. Die Steuerstromquelle 30 ist in der Figur auf symbolische Weise durch das Stromquellenzeichen angegeben, damit betont wird, daß es sich hier um eine Quelle mit einer verhältnismäßig hohen Impedanz handelt, d. h. der innere Widerstand der Quelle 30 ist gegenüber dem Widerstand der daran angeschlossenen Schaltung hoch. Infolge dieses hohen inneren Widerstandes der Quelle 30 kann der Signalstrom, der zwischen den Klemmen 7 und 8 fließt, nicht über die Quelle 30 nach Masse abfließen.
Parallel zum Emitter-Basis-Übergang des Transistors 10 befindet sich die Reihenschaltung aus einem Widerstand 12 und dem Emitter-Basis-Übergang eines Transistors 13 und ebenso befindet sich parallel zum Emitter-Basis-Übergang des Transistors 11 die Reihenschaltung aus einem Widerstand 14 und dem Emitter-Basis-Übergang eines Transistors 15. Weiter befindet sich parallel zum Emitter-Basis-Übergang des Transistors 13 die Reihenschaltung aus einem Widerstand 16 und dem Emitter-Basis-Ubergang eines Transistors 17 und parallel zum Emitter-Basis-Übergang des Transistors 15 die Reihenschaltung aus einem Widerstand 18 und dem Emitter-Basis-Ubergang eines Transistors 19. Auf diese Weise entsteht ein Leiternetzwerk aus Reihenwiderständen und Quer-PN-Übergängen, das gewünschtenfalls beliebig ausgebaut werden kann. Eine Vorstromquelle 20, die durch einen mit der positiven Speisespannung verbundenen Widerstand gebildet wird, ist über eine Klemme 9 und über einen Widerstand 21 an den Emitter des letzten Transistors 17 des Leiternetzwerkes und über die Klemme 9 und einen Widerstand 22 an den Emitter des letzten Transistors 19 des Leiternetzwerkes angeschlossen. Die Vorstromquelle 20 liefert einen Vorstrom /, dessen eine Hälfte über den Widerstand 21 zur Verbindung von 16 und 17 und dessen andere Hälfte über den Widerstand 22 zur Verbindung von 18 und 19 fließt. Die Kollektorelektroden der Transistoren 10, 11, 13, 15, 17 und 19 sind miteinander verbunden, jedoch weiter schwebend gehalten.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schal- t tungsanordnung nach Fi e 1. sei vorausgesetzt, daß der Regelstrom lr = 0 ist. Notwendigerweise werden dann alle Emitter-Basis-Übergänge der Transistoren 10, 11, 13, 15, 17 und 19 gesperrt sein. Der Signalstrom zwischen den Klemmen 7 und 8 wird daher über , die Widerstände 12, 16, 21, 22, 18, 14 fließen. Es liegt also ein hoher Wechsclstromwiderstand zwischen den Klemmen 7 und 8 und die Verstärkung der Verstärkerstufe ist daher klein.
Die Gleichströme 7/2 fließen über die Widerstände 21, 16 bzw. 12 zur Klemme 7 und über die Widerstände 22,18 und 14 zur Klemme 8. Daher sind die Emitterelektroden der Transistoren 13 und 15 posiuver als die der Transistoren 10 und 11 und die Emitterelektroden der Transistoren 17 und 19 wieder positiver als die der Transistoren 13 und 15.
Liefert nun die Steuerstromquelle 30 einen geringen Steuerstrom /,., so werden infolge ihrer positiveren Emitterpotentiale die Transistoren 17 und 19 in den leitenden Zustand kommen, während die übrigen Transistoren 10,11,13 und 15 vorläufig gesperrt bleiben. Der Signalstrom zwischen den Klemmen 7 und 8 fließt nun über die Elemente 12,16,17,19,18 und 14, welcher Weg einen wesentlich geringeren Widerstand aufweist. Die Kopplung zwischen den Transistoren 1 und 2 und damit die Verstärkung hat also zugenommen.
' Bei weiter zunehmendem Steuerstrom werden zunächst die Transistoren 13 und 15 und zum Schluß die Transistoren 10 und 11 leitend. Durch den allmählich abnehmenden Wechselstromwiderstand im Kreis zwischen den Klemmen 7 und 8 wird die Verstärkung
ι immer weiter zunehmen. Da während des größten Teils der Steuerstrecke ein wesentlicher Teil des Wechselsiromwiderstandes zwischen den Klemmen 7 und 8 durch lineare Widerstände gebildet wird, die keine Signalverzerrung herbeiführen, wird eine wesentliche Verzerrungsverringerung erreicht.
Es sei bemerkt, daß die Emitter-Basis-Übergänge der Transistoren 10, 11,13,15,17 und 19 durch Dioden ersetzt werden können. Bei einer praktisch bewährten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 hatten die
, Widerstände ansteigende Werte, und zwar
Widerstände 12 und 14: 68 Ω
Widerstände 16 und 18: 220 Ω
Widerstände 21 und 22: 680 Ω
Eine wesentliche Vereinfachung des bisher beschriebenen Wechselstromwiderstandes ergibt sich, wenn man die nachfolgenden Schritte durchführt, die in Fig. 2 schematisch angegeben sind. Die miteinander verbundenen Basiselektroden der Transistoren nach F i g. 1 werden zu einer η-leitenden Zone 23 eines Halbleiterkörpers 24 zusammengefügt; an diese Zone wird über die Klemme 31 die Steuerstromquelle 30 angeschlossen. Die Emitterelektroden der Transistoren nach Fig. 1 sowie die Reihenwiderstände des Leiternetzwerkes werden zu einer p-leitenden Zone 25 vereint. An die Enden der Zone 25 werden die Klemmen 7 und 8 für die Zu- und Abfuhr des Signalstromes angeschlossen und an die Mitte der Zone 25 die Klemme 9 zum Anschluß der Vorstromquelle 20. Nun sind die diskreten Emitter-Basis-Übergänge der Anordnung nach Fig. 1 durch die verteilten »infinitesimalen« PN-Übergänge ersetzt worden, die sich längs des PN-Überganges 26 zwischen den Zonen 23 und 25 befinden; der verteilte Eigenwiderstand der Zone 25 zwischen den Klemmen 7 und 8 tritt an die Stelle der diskreten Widerstände 12,16 und 21 nach Fig. 1 und der verteilte Eigenwiderstand der Zone 25 zwischen den Klemmen 8 und 9 tritt an die Stelle der diskreten Widerstände 14, 18 und 22 nach Fig. 1. Es se; vorausgesetzt, daß der Eigenwiderstand der Zone 23 wesentlich geringer ist als der der Zone 25. Ist dies nicht der Fall, so kann, wie noch näher beschrieben wird, der Einfluß des Eigenwiderstandes der Zone 23 durch geeignete Maßnahmen verringert bzw. unwirk-
sam gemacht werden.
Wenn nun der Regelstrom /r = 0 ist, ist der PN-Übergang 26 über seine ganze Länge gesperrt. Der Signalstrom kann nur von der Klemme 7 zur Klemme 8 und zurück durch das verhältnismäßig hochohmige Material der Zone 25 fließen. Es gibt deswegen einen hohen linearen Wechselstromwiderstand zwischen der Klemme 7 und 8. Der Vorstrom / fließt zur Hälfte von der Klemme 9 zur Klemme 7 und zur anderen Hälfte von der Klemme 9 zur Klemme 8. Der Spannungsabfall dieses Stromes am Eigenwiderstand der Zone 25 hat zur Folge, daß die Zone 25 in der Umgebung der Klemme 9 positiver ist als in der Umgebung der Klemmen 7 und 8. Wird nun ein verhältnismäßig kleiner Steuerstrom /r zugeführt, so wird nur ein geringer Teil des PN-Überganges in den leitenden Zustand geraten und zwar der Teil in der Nähe der Klemme 9, weil hier die Zone 25 am positivsten ist. Der Wechselstrom fließt dann entsprechend dem gestrichelt dargestellten Weg von der Klemme 7 zunächst über den linken Teil der Zone 25 und weiter über den zentralen Teil der Zone 23 und zum Schluß wieder durch den rechten Teil der Zone 25 zur Klemme 8. Da also ein Teil des Wechselstromweges durch die niederohmige Zone 23 führt, ist der Wechselstromwiderstand kleiner geworden. Je nachdem der Steuerstrom gesteigert wird, geht ein größerer Teil des Signalstromweges durch die Zone 23 und der Wechselstromwiderstand ist entsprechend niedriger. Bei noch höherem Steuerstrom wird der Signalstrom von der Klemme 7 zum Schluß unmittelbar zur Zone 23 überqueren und bei der Klemme 8 wieder von der Zone 23 zu Zone 25 zurückkehren.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Eigenwiderstand der Zone 23 zu verringern bzw. zu Überbrücken, welche Möglichkeiten zusammen oder einzeln angewandt werden können.
1. Dadurch, daß an die Zone 23 grenzend eine weitere Zone (siehe Fig. 3a, Zone 27) desselben Leitfähigkeitstyps wie die Zone 25 derart angebracht wird, daß zwischen den drei Zonen Transistorwirkung entsteht. Derjenige Teil des Signalstromes, der von der Zone 25 (Emitter) in die Zone 23 (Basis) gelangt, überquert dann zur Zone 27 (Kollektor). Wenn die Zone 27 ausreichend niederohmig ist, findet der Signalstrom dann einen leichten Weg durch diese Zone.
2. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß an mehrere Stellen der Zone 23 oder der obengenannten weiteren Zone eine leitende Schicht angeschlossen wird, und zwar zur Überbrückung des Ei°enwiderstandes der dritten Zone.
3. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß unter der Zone 23 eine sogenannte vergrabene Schicht aus einem höher dotierten Halbleitermaterial mit demselben Leitfähigkeitstyp wie die betreffende Zone angebracht wird.
4. Wieder eine andere Möglichkeit besteht aus einer geeignet gewählten Geometrie der Zonen, d. h. lange Weglänge von Klemme 7 nach Klemme 8 durch die Zone 25 und kurze Weglänge von der Klemme 7 zur Klemme 8 durch die Zone 23; dadurch kann der wirksame Wechselstromwiderstand der Zone 25 erhöht und der Zone 23 verringert werden (siehe Fig. 4a und 4b).
Im Halbleiterkörper nach Fig. 3a und 3b wird auf bekannte und nicht näher angegebene Weise von einem p-leitenden Substrat ausgegangen, in dem eine η+-leitende vergrabene Schicht 23' diffundiert ist Danach ist über die vergrabene Schicht 23' eine n-leitende epitaxiale Oberflächenzone 23 angebracht. In der Zone 23 werden danach zwei Oberflächenzonen 25 und 27 mittels p-Typ Verunreinigungen diffun diert, wobei die Zone 23 eine längliche Form hat, die von der Zone 27 völlig umgeben wird. Auf diese Weise entsteht ein lateraler PNP-Transistor mit dem Emitter 25 der Basis 23 und dem Kollektor 27. Weiter wird das Ganze mit einer Isolierschicht bedeckt, wonach an den schraffierten Stellen Kontaktfenster in der Isolierschicht angebracht sind, damit mittels Leiter die jeweiligen Zonen kontaktiert werden können. Fig. 3 b zeigt diese Leiter. Ein erster Leiter, der die Klemme 7 bildet, ist über ein Kontaktfenster 32 mit einem Ende der Zone 25 verbunden. Ein zweiter Leiter, der die Klemme 8 bildet, ist über ein Kontaktfenster 34 mi dem anderen Ende der Zone 25 verbunden und ein dritter Leiter, der die Klemme 9 bildet, ist über ein Kontaktfenster 33 mit der Mitte der Zone 25 verbun den. Ein Leiter, der die Klemme 31 bildet, ist übe ein Kontaktfenster 35 mit der Zcne 23 verbunden und ein Leiter 39 verbindet alle Kontaktfenster 36, 37, 38, die die jeweiligen Stellen der Zone 27 kontaktie ren. Der Leiter 29 dient dazu, den Eigenwiderstand der Zone 27 und daher mittelbar und zusammen mi der vergrabenen Schicht 23' den Eigenwiderstand der Zone 23 zu überbrücken, so daß letzten Endes am PN-Übergang 26 an der Seite der Zone 23 eine möglichst gute äquipotentiale Fläche entsteht für den Signalstrom sowie den Gleichstrom.
Die Leiter 9 und 31 werden auf die in Fig. 1 ange gebene Weise mit einer Vorstromquelle bzw. einei Steuerstromquelle verbunden. Diese Quellen können gegebenenfalls auf demselben Halbleiterkörper angeordnet sein. Die Leiter 7 und 8 werden mit dem Signalstromkreis verbunden, wie beispielsweise di Emitterelektroden von zwei NPN-Transistoren 1 und 2, die vorzugsweise auch auf demselben Halbleiterkörper angebracht werden. Es sei bemerkt, daß die Klemmen 7 und 8 mit der zu steuernden Schaltungsanordnung galvanisch leitend verbunden sind, wei über diese Klemmen der Unterschied zwischen dem Vorstrom und dem Steuerstrom abgeführt wird. Wenn der Gleichstrom über die Klemmen 7 und 8 konstant zu halten ist, kann der Strom der Quelle 20 gleichsinnig mit dem Steuerstrom variiert werden.
Der Halbleiterkörper nach Fig. 4a und 4b zeigi dieselben Elemente wie in Fig. 3a und 3b mit denselben Bezugszeichen. Die Zone 25 ist hier derart zi einer U-Form gebogen, daß die beiden Enden, an die über Kontaktfenster 32 und 34 die Klemmen 7 unc 8 angeschlossen sind, sich verhältnismäßig nahe beieinander befinden. Die Weglänge durch die Zone 23 wodurch der Signalstrom bei maximalem Steuerstrorr fließt, ist daher sehr klein, so daß der Eigenwiderstanc der Zone 23, der bereits mittels der vergrabener Schicht 23' wesentlich verringert worden ist, kein« Rolle mehr spielen kann. Eine weitere Zone, wie in Fig. 3 mit 27 dargestellt, wird als meistens überflüssig sein. Der Leiter 31 zum Zuführen des Steuerstrome über das Kontaktfenster 35 zur Zone 23 erstreckt siel vorzugsweise bis tief in die Hufeisenform der Zone 25. Dadurch wird erreicht, daß der Steuerstrom, dei über den Leiter 31 zugeführt wird, ohne nennenswerten Widerstand bis nahe jeden Teil des PN-Überganges 26 gelangen kann. Dies führt wieder dazu, daC
bei geringem Steuerstrom zunächst der Teil des PN-Überganges in der Nähe des Anschlusses 9 leitend wird und die übrigen Teile des PN-Überganges erst bei zunehmendem Steuerstrom.
Bei maximalem Steuerstrom über die Klemme 31 fließt der Signalstrom über den kürzesten Weg zwischen den Klemmen 7 und 8 und der Widerstand des Signalstromes zwischen diesen Klemmen ist minimal. In allen dargestellten Ausführungsbeispielen enthält dieser Widerstand jedoch mindestens zweimal den Differentialwiderstand (einige zehn Ohm) des PN-Überganges, da der Signalstrom den PN-Übergang zweimal überquert. Eine wesentliche Verringerung dieses Widerstandes kann jedoch dadurch erhalten werden, daß in Fig. 4a die beiden Schenkel der U-förmigen Zone 25 so dicht beieinander gebracht werden, daß diese zusammen mit dem zwischenliegenden Teil der Zone 23 einen Transistor bilden (Fig. 5). Bekanntlich muß dazu die Breite (w) der Zone 23 zwi-
sehen den beiden Schenkeln der Zone 25 kleiner sein als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Zone 23. Da es in diesem Fall zur Kontaktierung der Zone 23 keinen Platz mehr zwischen den beiden genannten Schenkeln gibt, sind die Kontaktfenster 35 an der Außenseite der U-förmigen Zone 25 angebracht. Fig. 5 b zeigt die Kontaktfenster nach Fig. 5 a mit den darauf angebrachten leitenden Streifen für die elektrischen Anschlüsse.
Wenn maximaler Steuerstrom über den Anschluß 31 zugeführt wird, bildet der Teil der p-Zone 25 in der Nähe des Kontaktfensters 32 und der Teil der p-Zone 25 in der Nähe des Kontaktfensters 34 zusammen mit dem schmalen zwischenliegenden Teil der n-Zone 23 einen lateralen PNP-Transistor im gesättigten Zustand. Bekanntlich bildet ein derartiger Transistor nur einen sehr geringen Wechselstromwiderstand (einige Ohm) zwischen dem Kollektor und dem Emitter (den Klemmen 7 und 8).
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Steuerbarer Wechselstromwiderstand mit einem Halbleiterkörper mit einem langgestreckten PN-Übergang (26) zwischen einer ersten (25) und einer zweiten Zone (23) entgegengesetzten Leitungstyps, wobei auf dei ersten Zone (25) die erste Klemme (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Klemme (8) ebenfalls auf der ersten Zone (25) und nahezu in der Mitte zwischen der der ersten (7) und der zweiten Klemme (8) eine dritte Klemme (9) angeordnet ist, dsß mit der dritten Klemme (9) eine Vorstromquelle (20) und daß mit der zweiten Zone (23) eine Steuerstromquelle (30) verbunden ist.
2. Wechselstromwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der PN-Übergang (26) die Emitter-Basis-Diode eines Transistors bildet, wobei die erste Zone (25) den Emitter, die zweite (23) die Basis und eine weitere Zone (27) den Kollektor des Transistors bildet.
3. Wechselstromwiderstand nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen an mehreren Stellen der weiteren Zone (27) angeschlossenen Leiter (39) zur Überbrückung des Eigenwiderstandes der weiteren Zone (Fig. 3a, b).
4. Wechselstromwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen an mehrere Stellen der zweiten Zone (23) angeschlossener Leiter (39) zur Überbrückung des Eigenwiderstandes dieser Zone.
5. Wechselstromwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (25) derart gebogen verläuft, daß der Abstand zwischen den beiden Teilen dieser Zone, an die die erste (7) und zweite Klemme (8) angeschlossen sind, wesentlich kürzer ist als die Länge der ersten Zone von der ersten zur zweiten Klemme über die dritte Klemme (9).
6. Wechselstromwiderstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile der ersten Zone (25), an die die erste (7) und die zweite Klemme (8) angeschlossen sind, sich so dicht beieinander befinden, daß diese Teile zusammen mit dem dazwischenliegenden Teil der zweiten Zone (23) einen Transistor bilden.
7. Wechselstromwiderstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Klemme mit den Emitterelektroden einer ersten bzw. zweiten emittergekoppelten Transistorstufe verbunden sind.
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