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Leistungsverstärkerstufe mit Doppelbasistransistor in Emitterschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf ausgesprochene Leistungsverstärkerstufen mit Doppelbasistransistoren.
Bei einem Dopselbasistransistor sind im allgmeinen auf einer Basis aus Halbleitermaterial
zwei gleichrichtende Verbindungselektroden zwischen zwei Basiskontakten niedrigen
Widerstandes angeordnet.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß eine Vorspannungsquelle
zwischen dem Emitter und dem »freien« Basiskontakt eine bestimmte Sperrspannung
für den Eingangskreis zwischen dem Ernitter und dem anderen Basiskontakt liefert.
Es ist überraschend gefunden worden, daß eine solche Anordnung eine wesentliche
Verbesserung der Linearität der Beziehungen sowohl zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstrom
als auch zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom sowie zwischen Eingangsspannung
und Eingangsstrom bewirkt und die Konstanz des Eingangswiderstandes erhöht. Durch
die erwähnte Vorspannungsquelle wird die aktive Emitter-Basis-Verbindung zum Teil
gesperrt. Die Signalspannung bewirkt dann, daß der restliche Teil der Basis-Emitter-Strecke,
der durch die im Eingangskreis liegende Gleichspannungsquelle wie üblich in Flußrichtung
vorgespannt ist, wechselnd vergrößert oder verkleinert wird.
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Doppelbasistransistoren und Verstärkerschaltungen damit auch solche
Schaltungen, in denen zwischen Emitter und dem zweiten Basiskontakt eine Vorspannung
angelegt ist, sind an sich bekannt. Die bisher vorgeschlagenen Schaltungen lösen
jedoch andere Aufgaben, nämlich die Veränderung der Verstärkung mittels der Hilfsbasis-Vorspannung,
die Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften solcher Verstärker oder die Möglichkeit,
den Strom zwischen zwei Kollektoren zu schalten, die Seite an Seite gegenüber einem
einzigen Emitter angeordnet sind.
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Die bekannten Schaltungen benutzen vorwiegend Transistoren, die auch
nicht für Hochleistungsverstärkung geeignet sind, da sie Typen benutzen, die für
Hochfrequenzverstärkung bei geringer Leistung entwickelt worden sind. Im Gegensatz
dazu dient die Schaltung gemäß der Erfindung ausschließlich der Verbesserung der
Verzerrung in Leistungsausgangsstufen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand der
Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 und 5 zeigen Verstärkerschaltungen gemäß der Erfindung; Fig.
2, 3 und 4 sind graphische Darstellungen verschiedener Arbeitscharakteristiken;
Fig. 6 und 7 geben die Bauart der vorzugsweise verwendeten Ausführungsform eines
Doppelbasistransistors wieder. In Fig. 1 ist eine Verstärkerstufe mit einer pnp-Flächentetrode
dargestellt. Der Transistor 10 enthält ein mittleres Basisteil aus halbleitendem
Material vom n-Typ mit zwei Basiskontakten 14 und 15 von geringem Widerstand, zwischen
denen eine Emitterelektrode 12 und eine Kollektorelektrode 13 angebracht sind. Der
größte Teil des Basiswiderstandes liegt dabei zwischen der Kollektor- und der Emitterelektrode.
Der Kollektor 13 ist über den Lastwiderstand 16 mit dem negativen Pol einer Batterie
20 verbunden. Ihr positiver Pol ist mit dem Emitter 12 verbunden, der außerdem am
positiven Pol einer einstellbaren Vorspannungsbatterie 25 liegt, deren negativer
Pol mit der Sekundärwicklung eines Eingangstransformators 26 verbunden ist. Der
Basiskontakt 14 ist mit der zweiten Klemme der Sekundärwicklung desTransformators
26 verbunden. Der andere Basiskontakt 15 wird durch eine Batterie 30 auf konstantem
positivem Potential in bezug auf den Emitter gehalten.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung wird vorzugsweise als A-Verstärker
benutzt, der niedrige Verzerrung und gute Leistungsverstärkung besitzt. Der Transistor
wird dabei in der üblichen Emitterschaltung
betrieben, bei der
der Emitter dem Eingangs-und Ausgangskreis gemeinsam ist. Bei Änderung der Transistordaten
kann es vorteilhaft sein, einen Widerstand in Serie mit der Batterie 30 zu schalten,
um dieselbe Charakteristik zu erhalten. Die Polarität dieser Vorspannung ist so
gewählt, daß die Emitterverbindung in Sperrichtung, d. h. negativ gegen den freien
Basiskontakt 15 vorgespannt wird. Diese Spannung ist verhältnismäßig groß (beispielsweise
5 Volt) im Vergleich zu der vollen Eingangssignalspannung, die benötigt wird, um
den Transistor auf maximalen Ausgangsstrom zu steuern.
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Fig. 2 zeigt das Verhältnis des Eingangsstromes Ibl am Basiskontakt
14 zum Kollektorausgangsstrom Ic für verschiedene Vorspannungspotentiale Vb2, die
zwischen Basiskontakt 15 und Emitter 12 angelegt werden. Wenn das Sperrspannungspotential
wächst, so ergibt sich für den Eingangsstrom Ibl eine Schwelle, bevor der Kollektorstrom
zu fließen beginnt. Dieser Schwellenwert kann auf verschiedene Weise eingestellt
werden, vorzugsweise durch die einstellbare Batteriespannung 25 in Flußrichtung.
Die 5-Volt-Vorspannungskurve z. B. zeigt ferner, daß ein Ruhestrom von 150 bis 200
mA erforderlich ist, um im A-Betrieb zu arbeiten.
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Die Kurven von Fig. 2 zeigen, daß das Stromverstärkungsmaß des Transistors
größer wird, wenn das Vorspannungspotential wächst, wie durch die zunehmende Steilheit
der Kurven dargestellt ist. Die Linearität wird ebenfalls verbessert, wenn das Vorspannungspotential
wächst.
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Fig. 3 zeigt das Verhältnis der Eingangsspannung hbl zum Kollektorausgangsstrom
1c für drei konstante Sperrspannungen Vb.e. Eine Untersuchung der 5-Volt-Kurve zeigt,
daß jenseits des Sehwellenwertes eine ungefähr lineare Beziehung zwischen der Eingangsspannung
und dem Ausgangsstrom besteht, während die anderen Kurven über einen so ausgedehnten
Bereich nicht linear sind.
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Fig. 4 zeigt die Eingangsspannung Vbl im Verhältnis zum Eingangsstrom
Ibl für konstante Vorspannungen Vb2. Die Kurve für TTb2 = 5 Volt zeigt, daß jenseits
des Schwellenwertes die Eingangsspannung im wesentlichen linear zum Eingangsstrom
verläuft, d. h. daß im Arbeitsbereich der Eingangswiderstand im wesentlichen konstant
ist. Diese Kurven sind von einem Oszillogramm kopiert und bestätigen Verhältnisse,
wie sie nach den Fig. 2 und 3 erwartet werden konnten.
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Fig. 5 zeigt eine Gegentaktstufe gemäß der Erfindung. Die Schaltung
enthält zwei Transistoren 10 und 10a vom selben Typ wie in Fig. 1. Die Kollektoren
13 und 13 a sind mit den Enden der im Mittelpunkt angezapften Primärwicklung eines
Ausgangstransformators 28 verbunden, dessen Sekundärwicklung mit dem Lastwiderstand
16 verbunden ist. Der Mittelabgriff der Primärwicklung dieses Transformators ist
mit dem negativen Pol einer Batterie 32 verbunden, deren anderer Pol mit den Emittern
12 und 12a verbunden ist. Die Basiskonstante 14 und 14a sind mit den Enden der im
Mittelpunkt angezapften Sekundärwicklung des Transformators 26 verbunden, dessen
Mittelabgriff über eine einstellbare Batterie 34 mit den Emittern 12 und
12 a verbunden ist. Die beiden Basiskontakte 15 und 15a sind direkt miteinander
verbunden, und zwischen ihnen und den Emittern 12 und 12a wird durch eine Batterie36
ein positives Sperrpotential gehalten.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten Gegentaktschaltung sind die Basiskontakte
15 und 15 a ebenfalls positiv in bezug auf die Emitter 12 und 12a vorgespannt. Die
Vorspannung aus der Batterie 34 im Eingangskreis kann auf den Schwellenpunkt der
Transistorleitung eingestellt werden, so daß die Transistoren in ihren linearen
Gebieten im echten B-Betrieb arbeiten können.
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Fig.6 und 7 zeigen den vorzugsweise benutzten Aufbau des Leistungstransistors
10 im Detail, der von dem Erfinder an anderer Stelle bereits vorgeschlagen ist,
und zwar Fig. 6 die Draufsicht und Fig. 7 einen vertikalen Schnitt entlang der Linie
VII-VII. Der Transistor ist vorzugsweise ein eindiffundierter Legierungs-Flächen-Typ.
Die Basis 11 aus Halbleitermaterial trägt ein Paar entgegengesetzt angeordnete ringförmige
Elektroden 12 und 13. Die Emitterelektrode 12 liegt zwischen zwei ringförmigen Basiskontakten
14 und 15 von geringem Widerstand und ist vorzugsweise etwas schmaler als die Kollektorelektrode
13.