DE927932C - Schaltung fuer einen sehr kleinen Transistor-Verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verstärker, bei denen ein Transistor als verstärkendes Element verwendet wird.

Unter den Vorteilen, die Transistoren bieten, befindet sich ihre geringe Größe im Vergleich zu Vakuumröhren und außerdem die Tatsache, daß kein Kathodenheizstrom nötig ist. Diese beiden Merkmale erfüllen die Forderung nach Raumersparnis, was für viele Anwendungen wichtig ist. Beim Versuch, Niederfrequenzverstärker mit sehr kleinen physikalischen Abmessungen zu bauen, hat man jedoch gefunden, daß die Größe des Aufigangstransformators nicht ohne Einbuße an Leistung verringert werden konnte, weil die Abmessungen der Primärwicklung und des Kerns groß sein müssen, um dem durch die Primärwicklung zum Transistor gehenden Gleichstrom angepaßt zu sein.

Die Erfindung löst diese Schwierigkeit dadurch, daß ein zweiter Transistor als Stromzuführung für den ersten Transistor verwendet wird. Hierdurch wird die Verwendung eines Sperrkondensators in Reihe mit der Primärwidkkiing des Auisgangstransformators möglich, so daß ein sehr kleiner Ausgangstransformator ohne Einbuße an Verstärkerleistung benutzt werden kann. Der zweite Transistor wirkt als hohe Impedanz für die Wechselstromsignale im Sammelelektrodenkreis des ersten oder verstärkenden Transistors. Gleichzeitig stellt der zweite Transistor einen niedrigen Gleichstromwiderstand für die Batteriestromversorgung der Sammelelektrode des ersten Transistors dar. Obgleich der Gleichstromwirkungsgrad infolge des verlorenen Leistungsverbrauchs im zweiten Transistor etwas kleiner wird, tritt keine

Verringerung der Leistung des Ausgangssignals auf.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine erhebliche Raumersparnis bei einer Verstärkerschaltung zu erzielen, ohne daß eine Einbuße an Qualität des Verstärkers auftritt, daß vielmehr sogar eine Verbesserung erzielt wird, indem die Größe des Ausgangstransformators bemerkenswert verringert werden kann.

ίο Bei einem Beispiel bestand das Problem darin, die Größe eines Vakuumröhrenniederfrequenzverstärkers durch Ersatz durch einen Transistor-Verstärker zu verringern. Obgleich die Größe aller Teile mit Ausnahme des Ausgangstransformators auf ein Zehntel des ursprünglichen Volumens verringert werden konnte, war der neu entworfene Verstärker immer noch halb so groß wie der alte, weil die Größe des Ausgangstransformators unverändert blieb. Bei Anwendung· der vorliegenden Erfindung konnten die Eingangs- und Ausgangstransformatoren auf eine sehr kleine Größe verkleinert werden, weil die Übertragung von Gleichstrom über irgendeine Wicklung nicht mehr erforderlich war. Die Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen klar. Die Fig. 1, 2, 4, 5 und 6 zeigen schematische Schaltbilder von fünf erfindungsgemäßen Verstärkerschaltungen und Fig. 3 ein Diagramm, das zur Erläuterung dient. In Fig. ι sind die beiden Transistoren T₁ und T₂ als Transistoren vom Verbindungstyp dargestellt, die unter dem Namen NPN-Transistoren bekannt sind und deren Eigenschaften in einem Aufsatz von R. L. Wallace Jr. und W. J. Pietenpol mit dem Titel »Some Circuit Properties and Applications of n-p-n Transistors« im »Bell System Technical Journal«, Juli 1951, S. 530 bis 563, beschrieben sind. Bei jedem Transistor ist der Basisanschluß mit i, die Steuerelektrode mit 2 und die Sammelelektrode mit 3 bezeichnet. Die Spitze des Pfeiles auf der Steuerelektrode, die vom Körper' weg gerichtet ist, zeigt entsprechend einer Übereinkunft an, daß der Mittelteil des Halbleiters, mit dem die Steuerelektrode verbunden ist, N-Typ-Material ist.

Eine Eingangssignalquelle oder ein Eingangskreis 10 ist über den Eingangstransformator ir, 12 und den Sperrkondensator 13 an die Basiselektrode ι und die Steuerelektrode 2 des ,Transistors T₁ angekoppelt. Der Vorspannungswiderstand 14 verbindet die Basis- und die Steuerelektrode gleichstrommäßig. Die Sammelelektrode 3 von T₁ ist mit der Steuerelektrode 2 von T₂ verbunden und die Sammelelektrode 3 von T₂ mit der positiven Klemme der Batterie 15. Der negative Pol der Batterie liegt an der Steuerelektrode von T₁. Also liegt der Steuerelektroden-Sammelelektroden-Kreis von T₁ in Reihe mit dem Steuerelektroden-Sammelelektroden-Kreis von T₂ und der Batterie 15. Wenn es notwendig oder wünschenswert ist, kann die Batterie 15 für die Signale durch den Kondensator 16 überbrückt werden. Zwischen Steuerelektrode und Basiselektrode des Transistors T₂ liegt ein Vorspannungswiderstand 19. Das verstärkte Signal wird über den Sperrkondensator 20 und den Ausgangstfansformator 21, 22· abgenommen und zur Ausgangsleitung oder Belastung 23 gegeben.

Der Transistor T₁ ist der aktive oder verstärkende Transistor, während T₂ der Stromzuführungstransistor für T₁ ist. Wenn im Eingangskreis 10 kein Signal vorhanden ist, fließt nur Gleichstrom von der Batterie über den Transistor T₂ (von 3 nach 2) und danach über T₁ (von 3 nach 2) zurück zur Batterie. Für die Basiselektroden sind die Vorspannungswiderstände 14 und 19 vorgesehen. Wenn von der Leitung ι ο her über den Eingangstransformator 11, 12 zwischen der Basis- und der Steuerelektrode des Transistors ein Signal aufgedrückt wird, entstehen verstärkte Signalströme infolge des Verstärbungsfaiktors des Transistors¹ T₁ an. den Ausgangsklemmen, nämlich an der Steuerelektrode 2 und der Sammelelektrode 3. Die Wechselstromimpedanz zwischen Sammel- und Steuerelektrode des Transistors T₂ ist erheblich größer als die Gleichstromimpedanz und auch erheblich größer als die Impedanz des Zweiges 20, 21 des Ausgangskreises. Infolgedessen geht der größte Teil des verstärkten Signals den letztgenannten Weg und kommt in den Ausgangskreis 23.

Es sei angenommen, daß die Transistoren T_x und T₂ Sammelelektroden-Spannungs-Stromkennlinien aufweisen, wie sie in Fig. 3 gezeichnet sind. Es ist eine Kurvenschar für den Steuerelektrodensitrom/_e mit gleichen Abständen aufgetragen, um anzuzeigen, daß der Wert von α bzw. die Varstärkung konstant ist. Wenn man die /_e-Kurve betrachtet, welche die senkrechte Linie bei 2 Milliampere auf der /,.-Achse schneidet, so bemerkt man, daß diese Kurven einander bei einer angenommenen normalen Arbeitssammelelektrodenspannung von 20 Volt sehr nähern. Die Schwingung des Wechselstromsignals ist auf dieser /„-Kurve durch ein verstärktes Stück der Linie von der Länge Δ _e angegeben, das einer mit A₁ bezeichneten Änderung des Sammelelektrodenstroms entspricht. Vom Koordinatenanfangspunkt ist durch diesen Arbeitspunkt die Ohmsche Widerstandsgerade gezeichnet. Der GleichstTomwiderstand beträgt etwa 10 000 0hm; er ist dadurch bestimmt, daß man die Sammelelektrodenspannung von 20 Volt durch den Sammelelektrodenstrom von etwas weniger als 2 Milliampere dividiert. Jedoch beträgt die Wechselstromimpedanz, die durch die Neigung der -A- -Linie angegeben ist, 200 000 0hm; das ist der Wert, den man bei Wahl dieser Kurven erhält. Man sieht daher, daß die Impedanz, die der Stromzuführungstransistor T₂ dem Strom der Signalfrequenzen bietet, sehr viel größer ist als der Gleichstromwidierstand dieses Transistors.

In Fig. 2 ist angenommen, daß die Transistoren T₃ und T_i Punktkontakttransistoren sind, wie sie im Aufsatz von R. M. Ryder und R. J. Kircher im »Bell System Technical Journal«, Juli 1949, S. 367 bis 400, beschrieben sind. In diesem Fall ist der Pfeil an der Steuerelektrode

auf den Körper des Transistors zeigend dargestellt, um anzugeben, daß es sich um N-Typ-Materiai handelt. Die Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 2 ist im wesentlichen die gleiche wie die der Fig. i. Durch die an die Vorspannungsbatterie 25 angeschlossenen Widerstände 17 und 18 wird eine geeignete Vorspannung an die Steuerelektroden gelegt. Der Sammelelektrodenstrom für beide Transistoren wird über die in Reihe liegenden Sammel- und Basiselektroden von T₄ und die Sammel- und Basiselektroden von T₃ von der Batterie 26 geliefert. Bei einem besonderen durch den Erfinder benutzten Fall, bei dem Leistungstransistoren mit Punktkontakten verwendet wurden, betrug der gemessene Gleichstromwiderstand bei einem Basiselektrodenstrom von 15 Milliampere 1667 Ohm, während der Wechselstromwiderstand 7500 Ohm war.

In Fig. 4 ist eine Abänderung der Schaltung der Fig. ι dargestellt. Bei beiden Figuren sind die gleichen Transistoren T₁ und T₂ (NPN-Typ) angenommen, jedoch sind in Fig. 4 andere Vorspannungskreise verwendet, ferner ist in der Schaltung von T₂ eine weitere Änderung vorgenommen. Der Widerstand 27 und der Parallelkondensator 28, welche die Steuerelektrode von T₁ mit dem negativen Pol der Batterie verbinden, bilden zusammen mit einem Abgriff von der Basiselektrode zu dem parallel zur Batterie 15 liegenden Spannungsteilerwiderstand 30 eine automatische Vorspannungsanordnung. Diese besondere Vorspannungsanordnung stabilisiert den Arbeitspunkt des Transistors T₁ für Gleichstrom, um die Gleichstromkomponente des Steuerelektrodenstroms konstant zu halten.

Beim Transistor T₂ ist die Sammelelektrode unmittelbar mit der geerdeten Klemme der Batterie verbunden, während die Basiselektrode an einen geeigneten Punkt des Spannungsteilerwiderstandes 31 angeschlossen ist, so daß die Basiselektrode eine konstante Spannung erhält. Da beim NPN-Transistor die Steuerelektrode und die Basiselektrode stets bei fast der gleichen Spannung arbeiten, bewirkt die Schaltung, daß auch das Potential der Steuerelektrode denselben konstanten Wert annimmt. Somit bleibt der Punkt 24 für den Gleichstrom auf einem konstanten Potential.

Über 12 angelegte Signaländeruingen werden im Transistor T₁ verstärkt und am den Ausgangszweig 20, 21 gegeben, wie in Zusammenhang mit Fig. 1 erklärt wurde. Jedoch sei bemerkt, daß beim Transistor T₂ ein Widerstand 19' und in Reibe mit ihm ein Kondensator 29 im Zweig von der Steuerelektrode zur Basiselektrode liegen. Dieser Kreis bewirkt eine Rei'hengegenkopplung für den Transistor T₂, welche die Wedhselstromimpedanz im Verhältnis zum Gleichistromwiderstand erhöht, wodurch die Wirksamkeit des Transistors T₂ als S tromzuf übungseinrichtung für den Transistor T₁ vergrößert wird.

Die Fig. 5 und 6 stellen eine Abänderung der vorher beschriebenen Schaltungen dar, insofern als ein NPN-Transistor und ein Punktkontakttransistor in derselben Schaltung verwendet werden. In Fig.-5 ist der aktive oder verstärkende Transistor T₁ ein NPN-Transistor, während der Strotnzufülhrungstransistor T₃ ein Punktkontakttransistor ist.

Wenn auch die Signaleingangskopplung in Fig. 5 ebensogut einen Transformator enthalten könnte, ist sie hier als Beispiel so dargestellt, daß sie eine Reihenkapazität 30 und einen Parallelwiderstand 31 enthält. Dieselbe Art von VorspanniUingeerzeugung, wie sie in Fig. 4 gezeichnet ist, ist auch beim Transistor T₁ in Fig. 5 vorgesehen; sie besteht aus den Potentiometerwiderständen 34 und 36 parallel· zur Batterie für die Vorspannung der Basiselektrode und aus dem Widerstand 32 für die Vorspannung der Steuerelektrode. Die Kondensatoren 33, 35 und 37 sind Uberbrückungskondensatoren für das Signal. Die Steuerelektrode des Transistors T₃ ist durch den mit der Batterie 39 in Reihe liegenden Widerstand 40 auf konstanten Strom vorgespannt.

In Fig. 5 fließt der Gleichstrom für die Transistoren von der geerdeten Batterie 38 über den Widerstand 32 und den Transistor T₁ (von 2 nach 3) und von- der Sammelelektrode zur Basiselektrode von T₃ (von 3 natih 1) zurück zur Erde.

Bei Fig. 5 bemerkt man·, daß die Vorspainnungsanordnuingen für die Steuerelektroden der beiden Transistoren vollständig voneinander unabhängig sind. Es. zeigt sich, daß die Art und Weise, wie die beiden Batterien bei dieser Schaltung verwendet werden, sich sehr gut für die übliche Telefontechnik bei Telefonveristärkerbatterien eignet. Während der Punktkontakttransistor T₃ für das Signal eine etwas kleinere Wedhselstromimpedanz im Vergleich zum NPN-Transistor bildet, wird dies zum Teil dadurch kompensiert, daß er auch einen kleineren Gleidhstromwiderstand !hat, wobei bei beiden Beispielen die heutigen Transistortypen zugrunde gelegt sind.

In Fig. 6 ist der erste oder verstärkende Transistor T₃ ein Punktkontakttransistor, während der zweite oder Stromzuführuingstransistor T₁ ein NPN-Transistor ist. Zum Anlegen der Vorspannung sind zwei Batterien 42 und 48 vorgesehen. Für den Transistor T₁ wird die gleiche Vorspannungsanordnuog wie in Fig. 5 verwendet, wobei die Basiselektrode mit einem Punkt zwischen den Widerständen 45 und 46 welche die Batterie 42 überbrücken, verbunden ist, während die Steuerelektrode über den Widerstand 47 mit dem negativen Batteriepol verbunden ist. Die Steuerelektrode von T₃ ist durch die Batterie 48 und den Eingangswiderstand 31 auf konstanten Strom vorgespannt. Die Kondensatoren 43 und 44 sind Überbrückungskondensatoren für das Signal. Die Schaltung der Fig. 6 ist- in ihrer Wirkungsweise im allgemeinen der Schaltung der Fig. 5 ähnlich, jedoch hat der NPN-Transistor T₁ eine größere Wechselstrominipedanz und eine größere Gleichstromimpedanz.

Um auf allgemeine Weise die Raumersparnis zu erläutern, die dadurch, erreicht wird, daß die Übertragung der Stromversorgung über die Primär-

.wicklung des Ausgangstranisformators tiidht notwendig ist, sei angegeben, daß eine Verringerung der Größe des Niederfrequenztransformators von 25 zu ι bei einem als typisch angesehenen Beispiel möglich war. Der Eingangstransformator kann, falls er überhaupt verwendet wird, ebenfalls sehr kleine Abmessungen haben, wenn ein NPN-Transistor benutzt wird, da der Basisstrom sehr klein ist. Andererseits kann der Eingangstransformator durch eine Kondensator-Widerstandsr-Kopplung ersetzt werden, wie sie in einigen der Figuren gezeigt wurde. Diese Kondensator-Widerstands-Kopplung kann auch, mit einem Eingangstransformator von kleinen Abmessungen bei Punktkontakt- und anderen Transistoren, bei denen, der Steuerelektrodenstrom groß ist, kombiniert werden. Die äußerst kleinen Abmessungen des Ausgangstiransformators, wie sie oben erläutert wurden, wurden durch. Verwendung außerordentlich feinen Drahts für die Wicklungen und eines Kern® mit hoher Permeabilität erzielt. Die Überbrüekungskondensatoren werden durch Verwendung von Tantalelektrolytkondensatoren sehr 'klein gehalten.

Die Erfindung soll nicht auf die Einzelheiten der offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, die als Erläuterungen und als Beispiele aufgefaßt werden sollen. Verschiedene Abänderungen und Abweichungen von diesen Ausführutnigsformen können durchgeführt werden, ohne sich vom Wesen und Ziel der Erfindung zu entfernen.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verstärker mit sehr kleinen physikalischen Abmessungen, der einen ersten als verstärkendes Element dienenden Transistor enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Transistor als Gleichstromzuführung für den ersten Transistor dient, daß an zwei der Klemmern des ersten Transistors eine Eingangsquelle angekoppelt ist, daß ferner an beide in Reihe liegenden Transistoren eine Gleichstromvorspannungsquelle angeschlossen ist und daß schließlich ein sehr kleiner Ausgangstransformator mit seiner Primärwicklung über einen Sperrkondensator mit zwei der Klemmen des ersten Transistors, die als Ausgangsklemmen dienen, verbunden ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gteiichspannungsquelle ' zwischen eine der beiden Klemmen des ersten Transistors, die an die Eingangsquelle angekoppelt iist, und der dritten Klemme des ersten Transistors·, die nicht am die Eingangsklemme angekoppelt ist, angesichilos'sen ist und daß die entsprechenden zweiten und die dritten Klemmen des zweiten Transistors in Reihe mit der GleichspanroungsqueUe geschaltet sind.

3. Verstärker nach· einem der vorhergehen-den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Primärwicklung des sehr kleinen Ausgangstratisformaitors verbundene Sperrkondensator ebenfalls an die beiden Klemmen des zweiten Transistors angeschlossen ist.

4. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Klemmen des ersten Transistors, an die die Eingangsquelle angekoppelt ist, die Basisr und die Steuerelektrodenklemmen sind, daß ferner die Sammelelektrode des ersten Transistors mit der Steuerelektrode des· zweiten Transistors verbunden ist, daß weiter die SammeÜelektrode des zweiten Transistars mit der Steuerelektrode des ersten Transistors über die Gleichspannungsquellle verbunden ist und daß schließlich die Steuerelektrode des zweiten Transistors über einen Widerstand mit der Basiselektrode des zweiten Transistors verbunden ist.

5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Klemmen des ersten Transistors, an die die Eingangsquelle angekoppelt ist, die Basis- und die Steuerelektrode sind, daß femer die Sammelelektrode des ersten Transistors mit der Basiselektrode des zweiten Transistors verbunden ist, daß weiter die Sammelelektrode des zweiten Transistors über die GleichspanniungsqueHe mit der Steuerelektrode des ersten Transistors verbunden ist und daß schließlich die Steuerelektrode des zweiten Transistors über einen ersten Widerstand und die Gleichspannungsquelle mit der Sammelelekfcrode des zweiten Transistors und über den ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand mit der Steuerelektrode des ersten Transistors verbunden ist.

6. Verstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite als Stromzuführungstransistor dienende Transistor einen Stromverstärkungsfaktor von , nahezu Eins, aber weniger als Eins aufweist und daß eine Reihen-Wechselstrom-Gegenkopp·*. lung beim zweiten· Transistor vorgesehen ist, die die Wechselstromimpedanz des zweiten Transistors erhöhen soll.

7. Verstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren vom gleichen Typ sind.

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Punktkontakt- bzw. NPN-Transistoren sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

5U9 5U4 5. SS