DE1178124B - Anordnung zum Entdaempfen eines Schwin-gungskreises, der aus der Parallelschaltung einer Induktivitaet und der Eigenkapazitaet einer Esakidiode besteht - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KI.: H03f;

H03h

Deutsche Kl.: 21 a4 - 29/50

Nummer: 1178124

Aktenzeichen: R 27927IX d / 21 a4

Anmeldetag: 9. Mai 1960

Auslegetag: 17. September 1964

Anordnung zum Entdämpfen eines Schwingungskreises, der aus der Parallelschaltung einer Induktivität und der Eigenkapazität einer Esakidiode besteht

Anmelder:

Radio Corporation of America, New York,

N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Kern Ko Nan Chang, Princeton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 13. Mai 1959 (812 842) --

Zum Entdämpfen eines verlustbehafteten Schwingungskreises ist bekanntlich ein Bauelement mit negativer Widerstandscharakteristik erforderlich. Man kann sich hierzu stromgesteuerter, leerlaufstabiler, negativer Widerstände oder spannungsgesteuerter, kurzschlußstabiler, negativer Widerstände bedienen. Es sind Verstärkerschaltungen bekannt, die Dioden mit einem stromgesteuerten negativen Widerstand enthalten und zum Betrieb eine hochfrequente Hilfsspannung benötigen, die höher ist als die Frequenz des zu verstärkenden Signals.

Die in jüngerer Zeit bekanntgewordene Esaki- oder Tunneldiode ist ein Element mit einem spannungsgesteuerten negativen Widerstand. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Entdämpfen eines Schwingungskreises, der aus der Parallelschaltung einer Induktivität und der Eigenkapazität einer Esakidiode besteht, anzugeben, die bei sehr hohen Frequenzen betrieben werden kann, einfach im Aufbau und stabil in der Arbeitsweise ist.

Eine Anordnung zum Entdämpfen eines Schwingungskreises, der aus der Parallelschaltung einer Induktivität und der Eigenkapazität einer Esakidiode besteht, deren Kennlinie einen Bereich negativen as

Widerstandes umfaßt, innerhalb dessen der Arbeits-

punkt mittels einer Vorspannungsquelle eingestellt ^

ist, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, *

daß sowohl der Gleichstromwiderstand des Vorspan- Bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung wird eine

nungskreises als auch der effektive Wechselstrom- 30 Diode 10 mit einem Bereich negativen Innenwiderwiderstand der Parallelschaltung aus Signaleingangs- Standes, die eine Eigenkapazität 11 besitzt, über einen und Signalausgangskreis kleiner sind als der Absolut- Arbeitswiderstand 13 durch eine Batterie 12 oder wert des mittleren negativen Widerstandes der eine andere geeignete Gleichspannungsquelle geDiode, speist. Der Widerstand 13 hat einen Wert, der kleiner

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen 35 ist als der Absolutwert des negativen Widerstandes näher erläutert. der Diode 10, so daß eine stabile Vorspannung ge-

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines im negativen währleistet ist. Durch entsprechende Einstellung des Widerstandsbereich arbeitenden Diodenverstärkers Widerstandes 13 und der Spannung der Batterie 12 gemäß der Erfindung, wird der Arbeitspunkt der Diode 10 in den Bereich

F i g. 2 eine Schnittansicht durch eine typische Di- 40 negativen Widerstandes gelegt. Parallel zur Diode 10 ode, wie sie in der Schaltung nach F i g. 1 Verwen- liegt eine Serienschaltung aus einer Induktivität 14 dung finden kann, und einem Trennkondensator 15. Die Eigenkapazität

Fig. 3a und 3b Diagramme zum Vergleich der der Diode 10 und die Induktivität der Spule 14 be-Strom-Spannungs-Charakteristik einer hier verwen- stimmen die Resonanzfrequenz Z₁ des Verstärkers, deten Flächendiode mit der Charakteristik einer nor- 45 Die Spule 14 kann abstimmbar sein, so daß der malen Flächendiode, die keinen Bereich negativen Schwingkreis auf verschiedene Frequenzen abge-Widerstandes besitzt, stimmt werden kann. Das zu verstärkende .Wechsel-

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wir- Spannungssignal der FrequenzZ₁ wird über die Klemkungsweise der Schaltung gemäß der Erfindung und men 16 und 17 zugeführt, von denen eine an einen

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weite- 50 veränderlichen Abgriff 18 der Spule 14 und die ren Ausführungsform eines Verstärkers gemäß der andere an einen auf einem Bezugspotential liegenden Erfindung. Punkt der Schaltung angeschlossen sind. An den Ab-

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griff 18 und den auf einem Bezugspotential liegenden düngen bewährt haben, auch für die Herstellung

Punkt (in Zukunft als »Masse« bezeichnet) ist außer- einer hier brauchbaren Diode verwendet werden. So

dem ein nicht dargestellter Ausgangskreis über Klem- ist beispielsweise Schwefel ein geeigneter Donator

men 19 und 20 angeschlossen, an denen ein ver- und Zink ein geeigneter Akzeptor, der auch zum Lestärktes Ausgangssignal abgenommen und einem ge- 5 gieren geeignet ist.

wünschten Verbraucher zugeführt werden kann, Fig. 3a zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik dessen Konduktanz mit G_L bezeichnet ist. Der Ab- 27 einer typischen Tunneldiode, wie sie für die Schalgriff 18 wird so gewählt, daß sich eine gute Anpas- tung gemäß der Erfindung geeignet ist. Der Mittelsung des Eingangs- und Ausgangskreises an den wert des negativen Teiles der Kennlinie wird durch Schwingkreis ergibt. ■ io die Gerade28 gegeben. Zum Vergleich ist in Fig. 3b Die Konduktanz G₁ versinnbildlicht den Verlust- eine entsprechende Kennlinie 29 für eine übliche Dileitwert des Schwingkreises, die Konduktanz G_g den ode dargestellt, die eine breite Übergangszone besitzt Leitwert der Signalquelle und die Konduktanz G₁ im Gegensatz zu dem plötzlichen Übergang bei der den Lastleitwert. Aus Stabilitätsgründen ist die dem Diode nach F i g. 2. Die Abszisse ist in Millivolt ange-Schwingkreis durch die Kombination der Konduk- 15 geben. Die Absolutwerte des auf der Ordinate auftanz G_g der Quelle für die Eingangssignale und der getragenen Stromes hängt von der Fläche und der Lastkonduktanz G₁ am Abgriff 18 angeschaltete Dotierung der Sperrschicht ab; die Ströme liegen Konduktanz größer als der Absolutwert des nega- größenordnungsmäßig im Milliamperebereich, tiven Leitwerts G der Diode. In anderen Worten ge- Die Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Schalsagt soll der kombinierte Wechselstromwiderstand 30 tung wird nun mit Hilfe des in F i g. 4 dargestellten der Signalquelle und der Last kleiner sein als der Diagramms beschrieben. Die Strom-Spannungs-Absolutwert des negativen Widerstandes der Diode. Kennlinie 31 der Diode entspricht der Kennlinie 27

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch eine typische gemäß F i g. 3 a. Auf dem negativen Bereich der Diode bekannter Ausbildung mit einem Bereich ne- Kurve 31 wird ein Arbeitspunkt 32 festgelegt. Der gativen Leitwertes, die in der erfindungsgemäßen 25 Arbeitspunkt liegt vorzugsweise auf dem steilsten Schaltung verwendet werden kann. Eine dünne Teil des Abfalles der Kennlinie. Die Spannung der Flächendiode mit negativem Leitwert im Bereich Batterie 12 und der Widerstand 13 (Fig. 1) werden niederer Vorspannung in Durchlaßrichtung, z. B. entsprechend einjustiert. Der Zustand für den Widerunter 0,3 V, ist beispielsweise in einem Artikel von stand 0 im Gleichstromkreis wird durch die Arbeits-Leo Esaki in »Physical Review«. Band 109 (1958), 30 gerade 33 wiedergegeben. Der Gleichstromwider-S. 603, beschrieben. Diese Diode wurde unter Ver- stand kann so weit erhöht werden, daß die Verhältwendung eines Halbleitermaterials hergestellt, das nisse durch die Arbeitsgerade 34 wiedergegeben eine Konzentration an freien Ladungsträgern auf- werden, die den kritischen Gleichspannungswiderwies. die mehrere Größenordnungen höher war als stand definiert. Jede weitere Erhöhung des Widerbei den üblichen Dioden. 35 Standes bewirkt, daß die Widerstandsgerade die

Die Scheibe22 der in Fig. 2 dargestellten Diode Kennlinie 31 mehr als einmal schneidet. Der Strom 25 kann aus einem längs der 111-Ebene geschnit- der Diode kann sich dann nicht im Arbeitspunkt 32 tenen Einkristall aus N-Germanium bestehen, der stabilisieren. Da der Gleichstromwiderstand nicht 4· 10^1!) cm~³ Arsenatome als Dotierung enthält. Die Null sein kann, und da der kritische Gleichstrom-Sperrschicht kann durch Legieren mit einem Kugel- 40 widerstand nicht überschritten werden darf, liegt der chen 24 aus 99 Gewichtsprozent Indium, 0,5 Ge- tatsächliche Gleichstromwiderstand in der Praxis im wichtsprozent Zink und 0,5 Gewichtsprozent Gallium Arbeitsbereich irgendwo zwischen den durch die hergestellt werden. Beim Legieren wird die Anord- Geraden 33 und 34 in F i g. 4 gegebenen Werten, nung so schnell wie möglich aufgeheizt und wieder Der Widerstand 13 und die Spannung der Batterie abgekühlt, so daß sich ein abrupter PN-Übergang 45 12 können beispielsweise so eingestellt werden, daß ergibt. Der aus Nickel bestehende Streifen 23 dient sich der durch die Gerade 40 dargestellte wirksame als Stromzuführung. Gleichstromwiderstand ergibt.

Eine so hergestellte Tunneldiode hat im Bereich Das zu verstärkende Wechselspannungssignal der

zwischen Strommaximum und Stromminimum einen Frequenz Z₁ wird dem Schwingkreis über die Klem-

mittleren negativen Widerstand 7? von 10 Ohm und 50 men 16 und 17 und die zur Impedanztransformation

eine Sperrschichtkapazität C von 5OpF im Arbeits- dienende Anzapfung 18 zugeführt (Fig. 1).

punkt. Hieraus errechnet sich eine Zeitkonstante "RC Man sieht, daß die Signalquelle, der Verbraucher

von etwa 0,5 nsec, die das Verhalten der Diode bei und die Diode parallel liegen. Ein Anstieg der von

höheren Frequenzen bestimmt. der Signalquelle gelieferten Spannung verursacht

Aus diesen Werten errechnet sich die Verstär- 55 einen Anstieg des Stroms durch die Last in einer bekungsbandbreite zu ungefähr 300 MHz, und die stimmten Richtung. Wegen des negativen Widerhöchste Grundfrequenz, bei der ein Schwingkreis mit Standes der Diode bewirkt jedoch derselbe Anstieg diskreten Parametern mit einer solchen Diode der Signalspannung eine Änderung des Stromes schwingen kann, beträgt etwa 180 MHz. durch die Diode, der umgekehrt gerichtet ist wie der

An Stelle von Germanium können auch andere Go durch den Verbraucher. Der resultierende Effekt ist

Halbeitermaterialien verwendet werden, insbesondere dann, daß die Änderung des Diodenstromes, die in

Silizium und die III-V-Verbindungen. Die III-V-Ver- den Verbraucher fließt, die Stromänderung in der

bindungen bestehen bekanntlich aus Verbindungen Last unterstützt, die durch die Signalquelle verur-

eines Elementes der III. Gruppe und eines Elementes sacht ist. Die Diode liefert, mit anderen Worten ge-

der V. Gruppe des Periodischen Systems, beispiels- 65 sagt, Leistung an die Schaltung, so daß eine

weise Galliumarsenid, Indiumarsenid und Indium- Leistungsverstärkung bewirkt wird,

antimonid. Für III-V-Verbindungen können die üb- Für die Leistungsverstärker (g_p), die Bandbreite

liehen Dotierungsstoffe, die sich für diese Verbin- (2 1/) und den Rauschfaktor (F) des Verstärkers

nach Fig. 1 wurden folgende Gleichungen errechnet:

gp =

B =

AG₉Gl

2"

^ Μι

öä ;—- I -I-

(wenn ι

T₀ \G_ff

G₉

Dabei ist:

G_L,

In diesen Gleichungen bedeutet

G = Leitwert der Diode im fallenden Teil der Kennlinie

G_e = äquivalenter, transformierter Schrot-Rausch-Leitwert der Diode beim Strom /₀,

G_? = Leitwert der Signalquelle,

Gι = Leitwert des Verbrauchers,

T = Umgebungstemperatur (° K),

T₀ = Bezugstemperatur (° K) der Diode,

OJ₁ = Kreisfrequenz (2 π f),

e = Ladung des Elektrons,

= Verhältnis der Primär- zur Sekundärzahl.

Tl₁ «2

Vermutlich ist das Rauschen der Diode hauptsächlich auf den Schroteffekt zurückzuführen.

Ein F i g. 1 entsprechender Verstärker arbeitete bei 80, 66 und 30MHz einwandfrei und stabil, der Verstärkungsgrad betrug jeweils etwa 20 db.

Bei 30 MHz, 0^=0,02 Ω"¹, Diodenkapazität

C_d — 40 pF und ("¹I = 7,65 wurden die in der folgenden Tabelle angegebenen Werte gemessen, die gut mit den rechnerischen Werten übereinstimmen.

Diodenstrom /₀ (μΑ)

Diodenleitwert G (Ω""¹) ....

Verbraucherleitwert G₁ (Q-¹)

Leistungsverstärkung g_p (db)

gemessen

errechnet

Bandbreite 2Jf(MHz)

gemessen

errechnet

Rauschfaktor F (db)

gemessen

errechnet

Die rechnerischen Werte wurden Gleichungen (1) bis (3) ermittelt.

250	300
-1	-1
375	3 iO
1	1
100	200
20	40
23	36
0,2	0,19
0,3	0,16
4,5	6,3
4,7	5,5

350

-1

208

0,8 1,05

6,8 mit Hilfe der Bei niedrigerer Verstärkung besitzt der Verstärker eine wesentlich größere Bandbreite. Bei einer Verstärkung von 10 db ergaben sich beispielsweise Bandbreiten in der Größenordnung von 3 bis 4 MHz. Gemaß Gleichung (2) ist die Bandbreite bei hohen Kreisgüten umgekehrt proportional der Spannungsverstärkung.

Gemäß Gleichung (3) ergeben sich bei einem geringen Verhältnis von Strom zu negativem Leitwert

ίο in der Schaltung nach Fig. 1 niedrige Rauschfaktoren. Man kann Dioden mit einem negativen Leitwert G=0,02 Ω -¹ herstellen. Bei einem Diodenstrom I₀=200 μΑ ergibt sich damit ein Leitwertververhältnis G_e/G_g=0,20 und ein Rauschfaktor in der Größenordnung von einigen Zehntel db, der in einem weiten Frequenzbereich praktisch unabhängig von der Betriebsfrequenz ist.

F i g. 5 zeigt eine andere Ausführangsform der Erfindung, die bei hohen Frequenzen, beispielsweise bis etwa 5 GHz, Verwendung finden kann. Ein Hohlraumresonator 42, der in bekannter Weise aus Kupfer bestehen kann, ist so bemessen, daß seine Resonanzfrequenz in dem gewünschten Frequenzbereich liegt. Die Abmessungen des Resonators 42 können in der Größenordnung von Zentimetern sein. An der einen Wand 42 a des Resonators ist ein Bauelement 43, beispielsweise durch Löten, befestigt. Das Bauelement 43 reicht in das Innere des Hohlraumresonators 42. An dem Teil 43 ist eine Diode 44 mit einer PN-Sperrschicht 44 α und einem negativen Widerstandsbereich befestigt. Die Diode kann ähnlich ausgebildet sein wie die Diode 10 in F i g. 1 und die Diode nach F i g. 2. Der Hohlraumresonator 42 bann zylindrisch gestaltet sein, und das Bauelement 43 kann in der Mitte des Resonators liegen, wobei die Diode 44 dann ebenfalls in der Achse des Resonators 42 liegt.

Die Diode 44 erstreckt sich durch eine öffnung in der Wand der Resonators 42, wobei ein Spalt 56 gebildet wird, dessen Kapazität im Betrieb dem Kondensator 15 in F i g. 1 entspricht. Der Spalt kann mit einem geeigneten Isoliermaterial gefüllt sein. Die andere Seite 44 b der Diodensperrschicht ist mit einem Punkt eines Bezugspotentials über eine Leitung verbunden, die eine Hochfrequenzdrossel 45, einen Widerstand 46 und eine Batterie 47 oder eine andere Gleichspannungsquelle enthält. Der Resonator 42 ist ebenfalls durch geeignete Schaltverbindungen mit dem Bezugspotential verbunden.

Das zu verstärkende Eingangssignal wird dem Resonator 42 durch ein Koaxialkabel 48 zugeführt. Der Innenleiter 49 des Kabels 48 erstreckt sich in den Hohlraum des Resonators 42 und endet in einer Scheibe 50, die so angeordnet ist, daß der Eingang mit dem elektrischen Feld im Resonatorhohlraum gekoppelt ist. Wie eingezeichnet, ist die Lage der Scheibe 50 im Hohlraum justierbar, um eine gute Impedanzanpassung zu ermöglichen. Das verstärkte Ausgangssignal wird aus dem Resonator 42 durch ein Koaxialkabel 51 ausgekoppelt, dessen Innenleiter 52 in einer Scheibe 53, entsprechend der Scheibe 50, endet, die ebenfalls zur Impedanzanpassung justierbar ist. Die Scheibe 53 ist so angeordnet, daß der Ausgangskreis an das elektrische Feld im Resonatorhohlraum 42 angekoppelt ist. Zur Abstimmung des Resonators 52 können eine kapazitiv wirkende Schraube 54 oder irgendwelche anderen bekannten Mittel vorgesehen sein.

Die Arbeitsweise der in F i g. 5 dargestellten Anordnung entspricht der des Verstärkers nach Fig. 1. Der Widerstand 46 und die Spannung der Batterie 47 werden zur Vorspannung der Diode 44 so eingestellt daß ihr Arbeitspunkt im negativen Bereich dei 5 Strom-Spannungs-Charakteristik liegt. Die Diode 44 wird durch ein Wechselspannungssignal im Bereich um den Arbeitspunkt ausgesteuert, entsprechend dem Eingangssignal, das über das Koaxialkabel 48 und die Scheibe 50 eingekoppelt wird. Das sich ergebende verstärkte Signal wird aus dem Resonator 42 über das Koaxialkabel 51 und die Sonde 53 ausgekoppelt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Entdämpf en eines Schwingungskreises, der aus der Parallelschaltung einer Induktivität und der Eigenkapazität einer Esakidiode besteht, deren Kennlinie einen Bereich negativen Widerstandes umfaßt, innerhalb dessen der Arbeitspunkt mittels einer Vorspannungsquelle eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Gleichstromwiderstand des Vorspannungskreises als auch dei effektive Wechselstromwiderstand der Parallelschaltung aus Signaleingangs- und Signalaus-

gangskreis kleiner sind als der Absolutwert des mittleren negativen Widerstandes der Diode (Fig.l).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannungskreis aus der Serienschaltung einer Batterie und eines ohmschen Widerstandes besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 zum Entdämpfen eines Hohl raum resonators, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pol der Esakidiode innerhalb des Resonators elektrisch mit einer Wand verbunden ist und der andere Pol in eine Öffnung einer anderen Wand hineinragt, daß der Zwischenraum zwischen Diode und Resonator als Trennkondensator zum Sperren der Gleichspannung dient, und daß der Hohlraumresonator sowohl mit dem Bezugspotential verbunden als auch mit Kopplungsmitteln für Eingangs- und Ausgangssignal versehen ist (Fig. 5).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1 003 266;
französische Patentschrift Nr. 991 066;
»Elektronik«, 1957/Nr. 10, S. 295ff;
»Wireless World«, 1957/Januar, S. 42 ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 687/217 9.64 Q Bundesdruckerei Berlin