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Temperaturkompensierte Transistor -Verstärkers chaltung Die Erfindung
betrifft eine Verstärkersch.altung mit Transistoren unter Verwendung einer Halbleiterdiode
mit temperaturabhängigem Widerstand zur Temperaturkompensation.
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Die Stromleitung in Halbleitern, beispielsweise Germanium, ist bekanntlich
sehr stark von der Temperatur abhängig. Schaltungen, die mit Halbleitereinrichtungen,
beispielsweiseTransistoren, aufgebaut sind, müssen daher gegen Temperaturschwankungen,
die sowohl von Änderungen der Umgebungstemperatur als auch von der Wärmeabgabe des
Halbleiters selbst herrühren können, kompensiert werden. Zur Kompensation sind.
bereits verschiedene Rückkopplungs- und Stromstabilisi°rungaschaltungen bekannt,
die Jedoch nicht in allen Fällen ausreichen.
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Es ist beispielsweise vorgeschlagen worden, in die Zuleitung zur Basiselektrode
eines Transistors eine Halbleiterdiode einzuschalten. Die Diode ist dabei so geschaltet,
daß sie dem normalen Stromfluß ihren hohen Sperrwiderstand entgegensetzt. Durch
diese Schaltung kann eine gewisse Temperaturkompensation des Transistors, der mit
der Diode in Reihe geschaltet ist, erreicht «-:erden, da sich der Sperrwiderstand
der Diode mit der Temperatur ändert. Diese Schaltung hat jedoch gewisse Nachteile.
Erstens ist der Sperrwiderstand von Dioden infolge von Ungleichmäßigkeiten bei der
Herstellung relativ großen Schwankungen unterworfen. Die Austauschbarkeit der Dioden
ist also bei der vorgeschlagenen Schaltung nicht unbedingt gewährleistet. Außerdem
liegt zu dem in Sperrrichtung verhältnismäßig großen Widerstand der hralctisch kaum
temperaturabhängige Isolationswiderstand der Diode parallel. Der Isolationswiderstand.
ist praktisch unabhängig von der Temperatur; der X1öglichkeit zu kompensieren sind
dadurch gewisse Beschränkun.gen auferlegt.
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Es ist fernerhin bekannt, Transistorschaltungen durch entsprechende
Bemessung der Bauelemente, durch Gegenkopplung sowie durch ein Konstanthalten der
Vorspannung gegen Temperaturschwankungen zu stabilisieren.
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Es ist auch bekannt, Halbleiterdioden zu Stabilisierungszwecken heranzuziehen.
So kann man beispielsweise bei Kippschaltungen, die mit Transistoren aufgebaut sind,
durch Einschalten einer Halbleiterdiode erreichen, daß die Auslösespannung relativ
unabhängig von Veränderungen der Transistorkennlinien macht. Kristalldioden können
auch als nichtlineare Widerstände zur Erleichterung des Anschwingens bei Trans,istor-Schwingschaltungen
Verwendung finden. Schließlich ist es auch bekannt, Dioden oder Thermistoren in
Transistor-Kippschaltungen vorzusehen, um die Steilheit der Kippvorgänge zu: vergrößern.
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Diese Kompensationsmaßnahmen eignen sich entweder nicht für die Temperaturstabilisierung
von Verstärkerschaltun:gen mit Transistoren, oder sie gewährleisten keine ausreichende
Stabilität. Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden.
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Die Erfindung setzt eine Verstä.rkerschaltung mit wenigstens einem
Transistor mit Basis-, Emitter- und Kollektorelektroden und entsprechenden Vorspannungsquellen
unter Verwendung einer Halbleiterdiode mit temperaturabhängigem Widerstand zur Temperaturkompensation
als bekannt voraus. Sie ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die Diode von einem
annähernd konstanten Strom aus einer Speisestromquelle hohen Innenwiderstandes in
Durchla.ßrichtung durchflossen wird und ihr temperaturabhängiger Spannungsabfall
als Vorspannu.ng derart dem Transistor zugeführt wird, d:aß Temperatureinflüsse
verringert werden.
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Die temperaturabhängige Spannung wird vorzugsweise zwischen Basis
und Emitter des Transistors zugeführt. Die Stabilisierung des Arbeitspunktes bzw.
des Kollektorrubestromes erfolgt also dadurch, daß die temperaturabhängige Spannung
zwischen Basis und Emitter mit wachsender Temperatur fällt und so dem Bestreben
des Kodlektorstroms, mit wachsender Temperatur zu steigen, entgegenwirkt. Die Erfindung
soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild zweier Transistoren in einer Gegentakt-B-Verstärkerschaltung
mit temperaturabhängiger Vorspannungserzeulgung; in Fig. 2 ist für eine derartige
Schaltung eine temperaturabhängige Vorspannungsquelle mit einem der
Transistoren
thermisch gekoppelt. um bei hohem Strom eine geringe Verzerrung zu erhalten: Fig.
3 schließlich zeigt ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. 1 können die Transistoren 10 und 11 von beliebigem Leitfähigkeitstyp
sein, sollen aber zur Erläuterung der Erfindung gis p-n-p-Flächentransistoren angenommen
werden und sollen mit für den Betrieb als Verstärker nötigen Vorspannungen betrieben
werden. Ein Eingangskreis der beiden Transistoren enthält einen Eingangstransformator
12 mit der Primärwicklung 13, den Eingangsklemmen 14 und einer Sekundärwicklung
15, die mit den beiden Basiselel<-troden 16 und 17 verbunden ist. Eine \Littelanzapfun
g 18 der Sekundärwicklung 15 ist mit der Kathode 19 eines temperaturabhängigen Elementes
20 verbunden. die im folgenden noch genauer erläutert wird. Der Ausgangskreis der
Transistoren 10 und 11 enthält eine Ausgangswicklung 22 mit den Klemmen 23 und eine
mit den beiden Kollektorelektroden 25 und 26 verbundene Primärwicklung 24.
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Die Vorspannungen für die verschiedenen Elektroden der Transistoren
können durch eine Gleichstromduelle, z. B. die Batterie 27 zwischen einer Mittelanzapfung
28 der Primärwicklung 24 und eurem Putikt festem Potentials. z_. B. einem geerdeten
Gehäuse, geliefert werden. Die Polarität der Batterie 27 wird so gewählt, daß eine
Sperrspannung oder Gegenspannung ?wischen dem Kollektor und der Basiselektrode beider
Transistoren entsteht, so daß also p-n-p-Flächentransistoren richtig vorgespannt
«-erden. Bei Transistoren vom umgekehrten Leitungstyp muß die Polarität der Batterie
27 umgekehrt werden. 'Nötigenfalls kann die Batterie 27 durch einen Kondensator
überbrückt werden.
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Um den Eingang- und Ausgangskreis zu vervollständigen und die nötige
Vorspannung für die gemeinsamen Elektroden der Transistoren zu liefern, werden die
Emittern 30 und 31 im Punkt 32 zusammengeschaltet. Dieser ist mit dem Verbindungspunkt
zweier Spannungsteilerwiderstände 33 und 34, die parallel zur Batterie 27 liegen,
verbunden. Die Kollektoren werden also, wie bei p-n-p-Transistor.e.ii erforderlich,
auf negative Spannung gegenüber den Basi,elektroden gebracht und die Emittern auf
positive Spannung.
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Zur Erzeugung einer temperaturabhängigen Vorspannung zwischen Basis
und Emitter, d. 1i. einen Spannung, die mit derTemperatur sich in vorgLschriehener
Weise verändert, ist ein temperaturahhängige#, Element 20, das als Germaniumflächengleichrichter
dargestellt ist. in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 36 zwischen die negative
Klemme (1"r Batterie 27 und Erde geschaltet. Die Diode hat einen geringen Durchlaßwiderstand
z@vischen ihrer Kathode 19 und ihrer Anode 35.
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In der dargestellten Schaltung muß dieser Durchlaßwiderstand klein
sein, um bei einem gegeheii:n Strom durch den Widerstand 36 das Auftreten einer
übergroßen Vorspannung zu verhindern. Die Gernianiumdiode liegt in Reihe mit der
Basis und dein Emitter beider Transistoren. Temperaturabhängige Vorrichtungen wie
Tliermistoren, die einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweisen, eignen sich
für den vorliegenden "lwecl,: nicht. Eine Germaniumdiodc mit eitlem Spannungsabfall
von etwa 0.3 Volt bei einem Stromdurchgang von 2 bis 3 1lilliampere liefert eine
ausreichende Temperaturkompensation ohne- zu ,tarken Verlust am Eingangssignal.
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Das temperaturabhängige Element soll eine Temperaturkennlinie haben,
die annähernd der Temperaturkennlinie cler benutzten 'rr@insistoren entspricht.
13"i der Schaltung nach Fig. 1 wurde gefunden, daß eine Germanitundiode mit niedrigem
Durchlaßwiderstand lief Benutzung von (rermanittmflächentraiisistoren Temperatureigenschaften
besaß. die mit denen der Transistoren genügend iil)ereinstiminte, um Linen stabilen
Betrieb in einem weiten Temperaturbereich zu ermöglichen.
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Es wurde jedoch gefunden. daß, wenn das teml)eraturabhängige Element
nicht in der Nähe der Transistoren angeordnet wurde und wenn die Transistoren im
Betrieb erhebliche Wärme erzeugen. die Kompensation entsprechend der Umgebungstemperatur
vor sich geht und keine ausreichende Kompensation entsprechend der Transistortemperatur
selbst stattfindet.
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Daher ist in Fig. 2 eine Schaltung dargestellt, hei welcher das Element
20 mit einem der Transistoren wärmeleitend gekoppelt ist. Wenn daher die Transistortemperatur
sich wegen verhältnismäßig starker Wärmeabgabe ändert, wird eine Kompensation mittels
des seine Temperatur ebenso ändernden Elementes 20 erreicht.
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Es ist erwünscht, dem temperaturabhängigen Eleinent 20 in beiden Stromrichtungen
gleiche Leitfähigkeit zu geben. Tedoch sind derartige Schaltungselemente, die gleichzeitig
einen geringen Durchlaßwiderstand Lind eitle den Temperaturkennlinien der Transistoren
gleichen Kennlinienverlauf haben. gegenwärtig noch nicht bekannt. Wenn der nötige
Eingangsstrom der beiden Transistoren den statischen Strom, der das Element 20 durchfließt,
übersteigt, so tritt eine Verzerrung auf, da dann ein Strom in der Sperrichtung
durch die Diode hindurchfließen müßte. Dies läßt sich dadurch verhindern, dalß eine
zweite Gerinaniumdiode 38 mit umgekehrter Polung wie die Diode 20 zwischen die Zlittelanzapfung
18 und den Punkt 32 gelegt t7.,ird. Durch diese Diode wird für Signalströme. die
anderweitig den Durchlaßstrom der Diode 20 übersteigen würden, ein Stromweg geringen
Widerstandes zwischen den Basiselektroden und den Emittern geschaffen. Eine Signalverzerrung
wird dadurch vermieden.
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Fig.3 -zeigt eine Schaltung zur 1-7:rreicliung einer Quelle konstanten
Stroms für die Diode 20, ohne zusätzliche kostspielige Schaltungselemente aufwenden
zu müssen. Die Leis.tungsverstärkerstufe mit zwei ini Gegentakt geschalteten Transistoren
ist praktisch identisch mit den Schaltungen in Fig. 1 und 2. Dieser Teil der Schaltung
in Fig. 3 eignet sich als B-Verstärker für Hochfrequenzen. Die Sekundärwicklung
22 des Ausgangstransformators ist daher mit der Spreclistroinspule 40 eines Lautshrecliers
47 verliuiid,en.
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Um ein Eingangssignal von genügendem Pegel zur Steuerung der B-Ausgangssttife
zti erzeugen, ist ein Steuerverstärker mit einem Flächentransistor 41 mit deni Eingangstransformator
12 v; rirunclen. Die eine Klemme der Primärwicklung 13 liegt an der Kollektorelektrode
42 und die andere Klemme an einem aus dem U"iderstttnd 43 und dem Kondensator 44
bestehenden Filter zur Lieferung der nötigen Vorspannung für den Transistor 41.
Der Einitter-Is(>liektor-Kreis des Transistors 41 ist über eintri Widerstand 45
geschlossen, der zwischen dem Einitter 46 und der Kathode 19 der Diode 20 liegt.
ist bekannt. daß der Emitter eines Transistors durch einen Widerstand einen konstanten
Strom liefert. Der die Diode 20 durchsetzende Strom ist also lconstaiit. Zwischen
der Basiselektrode 48 und dem Filter mit dein Widerstand 43 und dein Kondensator
44 liegt ein Vorspannungswid-erstand 47, um an der Basiselektrode 48 die nötige
Spannung
für den A-Betrieb des Transistors 41 zii erzeugen.
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Der Eingangskreis des Transistors 41 enthält zwei Eingangsklemmen
14, von denen die eine über einen Kopplungskondensator 49 mit der Basiselektrode
48 verbunden und die andere geerdet ist. Bei der Schaltung nach Fig. 3 erzeugt der
Strom durch die Diode 20 an dieser einen Spannungsabfall, der größer ist als für
den B-Betrieb der Transistoren erforderlich. Daher ist eiii Spannungsteiler, bestehend
aus den Widerständen 50 und 51, parallel zur Diode 20 vorgesehen. Der Anzapfpunkt
dieses Spannungsteilers liegt an der Mittelanzapfung18 der Sekundärwicklung 15.
Auf diese Weise wird eine geeignete Spannung am Spannungsteilerwiderstand 51 zur
Vorspannung der Basiselektrode und der Emitter der Transistoren 10 und 11 erzeugt.
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Wenn die vorstehend beschriebene Schaltung als Tonfreqwenzverstärker
in einem mit Transistoren ausgerüsteten Hochfrequenzempfänger benutzt wird, so kann
mit einem zusätzlichen Spannungsteiler eine temperaturabhängige Vorspannung für
den zweiten Detektor des Hochfrequenzempfängers erzeugt werden. Diese Anordnung
vermindert die Verzerrung, welche anderweitig bei Temperaturschwankungen durch die
veränderlichen Eigenschaften des als zw-eit:r Detektor dienenden Transistors auftreten
können.
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Wenn die temperaturabhängige Diode 20 zur Lieferung einer Vorspannung
für andere Teile des Hochfrequenzempfängers dient, so kann es notwendig sein, eine
zweite Diode 52 parallel zum Spannungst°ilerwiderstand 51 zu legen, damit di;. Spannung
an der Kathode 19 nicht Null wird. @-,'.enn den 1')asisel,ektr«-den 16 und 17 gleiche
oder höhere Ströme wie der anfängliche statische Strom durch die Diode 20 zugeführt
werden müssen, so findet ,eine Auslö:schung de., Stroms durch die Diode 20 statt,
so daß ihr Strom Null wird. Dann besteht an der Diode 20 kein Spannungsabfall, und
die Kathode 19 liegt auf Erdpotential. Wenn aber eine zweite Diode 52 parallel zum
Spannungsteilerwiderstand 51 liegt und umgekehrt gepolt ist wie die Diode 20, fließt
der Überstrom über die Diode 52, und die Kathode 19 kann unter dem Erdpotential
gehalten werden und zur Abnahme der Vorspannung für andere Teile des Hochfrequenz-eml)fiingers
dienen.
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Da der Widerstand der Diode 20 mit der Temperatur schwankt, ist es
sehr erwünscht, eine Quelle konstanten Stroms für sie vorzusehen. Wenn das temperaturabhängige
Element mit einer Quelle kor 5tanten Stroms gespeist wird, sind die an ihr auftretenden
Spannungsa,chwankungen lediglich noch eine Funktion der Temperatur. Wenn andererseits
die Größe des das temperaturabhängige Element durchfließenden Stroms ebenfalls mit
der Temperatur schwankt, wird bei dieser Schaltung keine vollständige Temperaturkompensation
mehr erreicht. Aus diesen Gründen wird die in Fig.3 dargestellte Anordnung zur Erzeugung
eines konstanten Stromflusses durch das temperaturabhängige Element 20 bevorzugt.
Diese Schaltung hat sich bewährt, da sie keine zusätzlichen Schaltungselemente erfordert.
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Die beschriebenen Schaltungen waren an Hand des B-Betriebes erläutert
worden, jedoch ist die Erfindung auch auf eine andere Betriebsweise von Transistoren
und für andere Schaltungen anwendbar.
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Vorzugsweise soll das temperaturabhängige Element dieselben Eigenschaften
wie die zusammen mit ihm betriebenen Transistoren besitzen. Wenn also die Transistoren
aus Germanium bestehen, so sollen wenigstens gegenwärtig auch die temperaturabhängigen
Elemente Germaniumgleichrichter sein. Wenn es sich um Siliziumtransistoren oder
um Transistoren aus einem anderen Halbleitermaterial handelt, sollen auch die temperaturabhängigen
Elemente aus dem gleichen oder einem annähernd gleichen Material bebestehen.