DE1227513B - Verstaerkerschaltung mit einem Transistor und einer Elektronenroehre - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/01

Nummer: 1227 513

Aktenzeichen: T 23471 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 14. Februar 1963

Auslegetag: 27. Oktober 1966

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Hybridverstärker zu schaffen, der über einen möglichst großen Frequenzbereich ohne merklichen Amplitudenverlust Signale von einem ersten Kreis hoher Ausgangsimpedanz an einen zweiten Kreis niedrigerer Eingangsimpedanz übertragen kann.

Bekanntlich hängt die Grenzfrequenz, die sich mit Röhrenschaltungen erreichen läßt, vom erzielten Verstärkungsgrad ab. Weiter ist bekannt, daß mit Hilfe von Elektronenröhren Frequenzen von etwa 200 MHz ab nur unter großen Schwierigkeiten verarbeitet werden können, weil die Eigenkapazitäten von Elektronenröhren relativ groß sind. Wenn man eine Elektronenröhre in der Nähe ihrer Grenzfrequenz betreibt, so ist ihr Aussteuerbereich sehr klein. Versucht man nun auf Transistoren überzugehen, so läßt sich zwar die Grenzfrequenz erhöhen, jedoch ist der erzielbare Aussteuerbereich sehr gering. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß man unter Ausnutzung der sehr hohen Grenzfrequenzen von Transistoren in ao Emitterfolgerschaltung den linearen Aussteuerbereich einer Verstärkerschaltung erweitern könnte. Die Erfindung schafft also eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor und einer Elektronenröhre und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines NPN-Transistors an die eine'Eingangsklemme und dessen Emitter an die eine Ausgangsklemme der Verstärkerschaltung gelegt ist, daß das Gitter der Röhre gleichstrommäßig mit dem Emitter des Transistors und die Kathode der Röhre unmittelbar mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist, derart, daß die Gittervorspannung für diese Röhre im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors im stationären Zustand ist, und daß an den Emitter des Transistors eine Arbeitsimpedanz angeschlossen ist, die sowohl für den Emitter als auch für die Kathode der Röhre als Arbeitswiderstand dient.

Ein besonders wichtiger Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die Spannung, die die Mitführung der Kollektorspannung des Transistors bewirkt, praktisch phasenrein an das Gitter der Röhre gelangt, da sie nicht durch ein irgendwie geartetes Netzwerk geführt werden muß. Es ist eine Hybridschaltung mit einer Röhre und einem Transistor bekannt, bei weleher im Gegensatz zur Erfindung der Transistor als Widerstand geschaltet ist. Der Transistor ist dabei umgekehrt wie bei der Erfindung gepolt. Bei dieser bekannten Schaltung kann man zwar mit einer relativ niedrigen Kathodengleichspannung bzw. mit einem relativ niedrigen Spannungsabfall am Kathodenwiderstand arbeiten; zur Übertragung von Impulsen mit Verstärkerschaltung mit einem Transistor und
einer Elektronenröhre

Anmelder:

Tektronix, Inc.,

eine Firma nach den Gesetzen des Staates

Oregon, Beaverton, Oreg. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. K. A. Brose, Patentanwalt,

Pullach (Isartal), Wiener Str. 2

Als Erfinder benannt:
Oliver Dalton,
Robert George Rullman,
Beaverton, Oreg. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika-vom 26. April 1962 (190 270)

Komponenten hoher Frequenzen ist die bekannte Schaltung aber weder ausgelegt noch geeignet.

Es ist auch eine aus zwei Röhren gebildete zweistufige Schaltung bekannt, bei der eine Röhre mit der anderen im Prinzip so verbunden ist, wie bei der Erfindung der Transistor mit der Röhre verbunden ist, wenn man von der üblichen Analogie zwischen Röhre und Transistor ausgeht, wonach der Anode der Kollektor, dem Gitter die Basis und der Kathode der Emitter entspricht. Die bekannte Schaltung aus zwei Röhren besteht im wesentlichen aus zwei Kathodenfolgern, wobei man die Schaltung als auch Pentode mit mitgesteuertem Schirmgitter betrachten kann. Damit ist diese Schaltung funktionsmäßig nur einstufig. Auch diese bekannte Schaltung ist zur Übertragung von Impulsen mit Komponenten hoher Frequenz weder vorgesehen nach geeignet. Dies ist daraus ersichtlich, daß die kapazitive Last am Ausgang der Schaltung von einer Batterie gebildet wird und die Ausgangsimpedanz also frequenzabhängig ist. Bei einer weiteren bekannten Schaltung, bestehend aus zwei Röhren, wird der Frequenz- und Phasengang von einem Autotransformator bestimmt. Diese Schaltung ist damit zur Übertragung hochfrequenter Signale ebenfalls ungeeignet.

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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Kopplungsimpedanz zwischen dem Emitter des Transistors und dem Gitter der Elektronenröhre liegt und daß die Arbeitsimpedanz und die Koppelimpedanz Ohmsche Widerstände sind. Bei der Erfindung kann die Elektronenröhre eine Triode sein, deren Anode am positiven Pol einer Gleichspannungsquelle liegt, deren negativer Pol mit dem vom Emitter des Transistors abgewandten Ende der Arbeitsimpedanz verbunden ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein zweiter als Emitterfolger geschalteter Transistor vorgesehen sein, dessen Emitter mit der Basis des anderen Transistors und dessen Kollektor mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist, während seine Basis an die eine Eingangsklemme der Verstärkerschaltung angeschlossen ist. Dabei kann mit dem Emitter des zweiten Transistors auch eine Emitterimpedanz verbunden sein. Auch der zweite Transistor kann ein NPN-Transistor sein, und dessen Emitterimpedanz kann ein Ohmscher Widerstand sein, an dem eine negative Gleichspannung solcher Größe liegt, daß dieser zweite Transistor normalerweise nicht leitet.

Der Hybridverstärker, nach der Erfindung weist auch bei der ,Übertragung von Signalen hoher Amplitude eine sehr gute lineare Kennlinie auf. Der Verstärker nach der Erfindung ist damit beispielsweise als Teil des Horizontalablenkverstärkers eines Kathodenstrahloszillographen verwendbar.

Im folgenden wird'die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform des Hybridverstärkers nach der Erfindung und '

F i g. 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridverstärkers.

Die in F i g. 1 veranschaulichte Ausführungsform eines Hybridverstärkers nach der vorliegenden Erfindung enthält eine Elektronenentladungseinrichtung !.(^■beispielsweise eine''Vakuumtriode der Type 6922 sowie eine Halbleiteranordnung 12, wie beispielsweise einen NPN-Transistor der Type 2N1973. Die Kathode der Vakuumröhre 10 ist mit der Kollektorelektröde des Transistors 12 verbunden, während die Emitterelektrode dieses Transistors an eine gemeinsame Belastungsimpedanz 14 angeschlossen ist, die induktive oder kapazitive Bestandteile enthalten kann und lediglich der besseren Übersicht halber als Widerstand dargestellt ist. Die Anode der Vakuumröhre 10 ist über die Klemme 16 an eine positive Gleichspannungsquelle angeschlossen, während das vom Emitter des Transistors 12 abgekehrte Ende der Belastungsimpedanz 14 über eine Klemme 18 mit einer negativen Gleichspannungsquelle verbunden ist, so daß' der Transistor und die Vakuumröhre normalerweise leiten oder Strom führen. Unter stationären Bedingungen fließt somit im Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors ein Gleichstrom, wenn der Basis des Transistors 12 über die Eingangsklemme 20 kein Eingangssignal zugeführt wird. - Das Steuergitter der Vakuumröhre 12 ist über einen Widerstand 22 von etwa 100 Ohm mit der Emitterelektrode des Transistors 12 verbunden, um das Gitter im wesentlichen auf der Spannung des Emitters zu halten, der eine Gleichspannung von etwa 150 Volt aufweisen kann, während die Basis des Transistors im stationären oder Ruhezustand eine geringfügig über 150 Volt liegende Vorspannung aufweisen kann. Der Widerstand 22 ist nicht wesentlich und kann weggelassen werden, so daß das Gitter der Vakuumröhre 10 direkt an den Emitter des Transistors 12 angeschlossen ist.

Die Belastungsimpedanz 14 kann einen großen Widerstandswert enthalten, beispielsweise einen Widerstand von 680 Kiloohm, wenn man eine Stromstabilität durch langen Ansatz (»long tailing«) erhalten will, so daß eine durch Änderung der Heizspannung oder Alterung der Röhre hervorgerufene Änderung der Elektronenemission der Kathode der Röhre 10 keine merkliche Änderung dieses Gleichstromes ergibt. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß ein Kathodenfolgerverstärker die Eigenschaft aufweist, daß sein Ausgangssignal dem Eingangssignal bei positiv werdendem Eingangssignal schneller folgt, als dies bei negativ werdendem Eingangssignal der Fall ist, falls er eine große kapazitive Belastungsimpedanz, wie beispielsweise die Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre aufweist. Dies beruht darauf, daß für positiv werdende Eingangssignale die Ladegeschwindigkeit des Belastungskondensators durch die 2?C-Zeitkonstante dieses Kondensators und des kleinen Innenwiderstandes der leitenden Vakuumröhre bestimmt wird, während bei negativ werdenden Signalen die Entladegeschwindigkeit des Kondensators von dem viel größeren Widerstandswert des Belastungswiderstandes an der Kathode abhängt, da in diesem Fall die.Röhre nichtleitend ist, so daß der einzige Pfad für die Entladung über diesen Belastungswiderstand führt.

Die Verwendung eines großen Kathodenwiderstandes für Stabilisierung durch langen Ansatz (long tailing) erscheint daher nicht wünschenswert, wenn der Kathodenfolger die Horizontalablenkplatten eines Kathodenstrahl-Sichtgerätes, aussteuert. Dieser Nachteil kann jedoch bis zu einem gewissen Maß dadurch behoben werden, indem mit jeder Ablenkplatte ein getrennter Kathodenfolger verbunden wird und ein Gegentakt-Leistungsverstärker zur Aussteuerung dieser Kathodenfolger mit um 180° phasenverschobenen Eingangssignalen zur Anwendung gelangt. Zusätzlich kann eine im wesentlichen konstante Stromquelle mit dem Kathodenwiderstand des Kathodenfolgers verbunden werden, welcher die normalerweise negative Horizontalablenkplatte aussteuert, die das negative Horizontalablenksignal empfängt, damit genügend Strom zugeführt wird, um die Kapazität der Ablenkplatte über diesen Kathodenwiderstand mit derselben Geschwindigkeit zu entladen, auch wenn die Röhre sperrt. Die vorstehenden Erörterungen beziehen sich im allgemeinen auch auf NPN-Transistoreh, die als Emitterfolgerverstärker geschaltet sind, da ein negativ werdendes Eingangssignal in gleicher Weise einen solchen Transistor momentan nichtleitend macht, wenn er mit einer Belastung mit hoher Kapazität verbunden ist. Der erfindungsgemäße Hybrid-Kathodenfolger kann daher stromstabil ausgeführt werden und eine Spannungsverstärkung aufweisen, die näher an der Einheit oder dem Wertl liegt als bei einem üblichen Kathodenfolger, und zwar dadurch, daß ein großer Widerstand als Teil der Belastungsimpedanz 14 verwendet wird, ohne daß seine Wirkungsweise wesentlich beeinflußt wird, wenn er im Horizontalverstärker eines Kathodenstrahl-Sichtgerätes zur Anwendung gelangt.

Wenn der Eingangsklemme 20 ein Eingangssignal zugeführt wird, so entsteht am Belastungswiderstand 14 ein an der Ausgangsklemme 24 anstehendes Aus-

gangssignal, das im wesentlichen die gleiche Spannungsamplitude und die gleiche Phasenlage wie dieses Eingangssignal aufweist. Es ist nur eine geringe Änderung in der Emitter-Basis-Spannung vorhanden, die eine Zunahme oder Abnahme der Dicke des Raumladungsbereiches des Emitterüberganges hervorrufen würde, so daß eine entsprechend kleine Änderung der Kapazität dieses Emitterüberganges vorhanden ist. Die effektive Eingangskapazität dieses Emitterüberganges ist daher gering. Die am Emitter des Transistors 12 hervorgerufene Spannung wird über den Widerstand 22 zum Gitter der Vakuumröhre 10 geleitet. Da die Vakuumröhre 10 als Kathodenfolger geschaltet ist, entsteht an der Kathode dieser Röhre eine Signalspannung, deren Spannungsamplitude und Phasenlage im wesentlichen die gleiche wie bei der dem Gitter zugeführten Signalspannung. Die Kollektorelektrode des Transistors 10 folgt daher dicht der Signalspannung an der Emitterelektrode dieses Transistors, so daß der Basis des Transistors 12 ein Eingangssignal mit großen Änderungen der Spannungsamplitude zugeführt werden kann, ehe im Ausgangssignal merkliche Verzerrungen hervorgerufen werden, die auf dem nichtlinearen Verhalten des erfindungsgemäßen Hybridverstärkers beruhen könnten. Eine andere Wirkung dieses Anhängens der Kollektorelektrode an die Emitterelektrode besteht darin, daß die Basis-Kollektor-Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß sich der Kapazitätswert des Kollektorüberganges wenig mit sich ändernden Eingangssignalen ändert, was für übliche Emitterfolgerverstärker nicht zutrifft. Auf diese Weise ergibt sich für einen derartigen Kollektorübergang eine geringere effektive Eingangskapazität, wodurch eine kleinere Gesamteingangskapazität des Hybrid-Kathodenfolgeverstärkers hervorgerufen wird. Zusätzlich zur kleineren Eingangskapazität kann der erfindungsgemäße Hybrid-Kathodenf olgerverstärker unter bestimmten Umständen auch noch eine niedrigere Ausgangsimpedanz als übliche Kathodenfolgerverstärker aufweisen. Dies trifft jedoch nicht immer zu, da der Ausgangswiderstand eines Transistors vom Widerstand des Generatorkreises abhängt, der die Eingangssignale in den Transistor einspeist.

Eine zweite Ausführungsform des Hybrid-Katho- Φ5 denfolgerkreises der vorliegenden Erfindung ist in F i g. 2 dargestellt. Dieser Stromkreis ist dem in F i g. 1 veranschaulichten ähnlich, jedoch mit der Ausnahme, daß eine andere Halbleiteranordnung 26, wie beispielsweise ein NPN-Transistor und dessen Emitterbelastungswiderstand 27 dem Stromkreis hinzugefügt ist. Der Kollektor des Transistors 26 ist mit der Kollektorelektrode des zweiten Transistors 28 verbunden, während der Emitter des Transistors 26 zusammen mit der Basis dieses zweiten Transistors über einen Ladewiderstand 27 mit einer negativen Gleichspannungsquelle 29 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 28 ist über eine gemeinsame Belastungsimpedanz 30 bei 32 an eine negative Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der Kollektor dieses Transistors ist mit der Kathode einer Elektronenentladungseinrichtung 34, wie beispielsweise einer Vakuumtriode verbunden, deren Anode bei 33 an eine positive Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Das Gitter der Vakuumröhre 34 ist mit dem Emitter des zweiten Transistors 28 über einen Gitterwiderstand 38 verbunden, der in ähnlicher Weise wie der Gitterwiderstand 22 in F i g. 1 parasitäre Schwingungen unterdrückt. Das Eingangssignal wird der Basis des ersten Transistors 26 an der Eingangsklemme 40 zugeführt, während das Ausgangssignal des Hybridverstärkerkreises an der Belastungsimpedanz 30 über die Ausgangsklemme 42 entnommen werden kann.

Es ist klar, daß die Stromkreisbestandteile 28, 30, 34 und 38 der F i g. 2 im wesentlichen dieselbe Aufgabe übernehmen, wie die Stromkreisbestandteile 12, 14,10 und 22. Da der erste Transistor 26 und der zweite Transistor 28 als zwei in Kaskade geschaltete Emitterfolgeverstärker ausgebildet sind, bewirkt ein der Basis des Transistor 26 zugeführtes Eingangssignal, daß am Emitter des ersten Transistors eine Signalspannung entsteht, welche im wesentlichen die gleiche Spannungsamplitude und Phase wie dieses Eingangssignal aufweist. Der Belastungswiderstand 27 und die Spannungsquelle 29 können weggelassen werden. Diese Teile verbessern jedoch das Verhalten bei hohen Frequenzen des Transistors 26 bei negativ werdenden Eingangssignalen und schaffen einen geeigneteren Arbeitspunkt für den Ruhezustand dieses Transistors. Die am Belastungswiderstand 27 entstehende Emittersignalspannung wird der Basis des zweiten Transistors 28 zugeführt, wobei die Wirkungsweise des restlichen Stromkreises im wesentlichen die gleiche ist, wie sie bereits mit Bezug auf die F i g. 1 beschrieben wurde. Der Hybridverstärkerkreis nach F i g. 2 ergibt jedoch eine sogar noch niedrigere Eingangskapazität und eine niedrigere Ausgangsimpedanz als der Stromkreis nach Fig. 1. Der hinzugefügte Transistor 26 liefert noch zusätzlich eine größere Stromverstärkung für den Stromkreis nach F i g. 2. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Vorteile des erfindungsgemäßen Hybridverstärkers großen Teils darauf beruhen, daß die nahe beim Wert 1 liegende Spannungsverstärkung des Emitterfolgerverstärkers mit der Fähigkeit des Kathodenfolgerverstärkers kombiniert wird, hohe Spannungsänderungen verarbeiten zu können.

Alle gezeigten und beschriebenen Einzelheiten sind erfindungswesentlich.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltung mit einem Transistor und einer Elektronenröhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines NPN-Transistors (12) an die eine Eingangsklemme (20) und dessen Emitter an die eine Ausgangsklemme (24) der Verstärkerschaltung gelegt ist, daß das Gitter der Röhre (10) gleichstrommäßig mit dem Emitter des Transistors (12) und die Kathode der Röhre unmittelbar mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist, derart, daß die Gittervorspannung für diese Röhre im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors im stationären Zustand ist, und daß an den Emitter des Transistors eine Arbeitsimpedanz (14) angeschlossen ist, die sowohl für den Emitter als auch für die Kathode der Röhre als Arbeitswiderstand dient (Fig. 1).

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kopplungsimpedanz (22) zwischen dem Emitter des Transistors (12) und dem Gitter der Elektronenröhre (10 in Fig.l).

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsimpe-

danz (14) und die Koppelimpedanz (22) Ohmsche Widerstände sind (F i g. 1).

4. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenröhre (10) eine Triode ist, deren Anode an dem positiven Pol (16) einer Gleichspannungsquelle liegt, deren negativer Pol (18) mit dem vom Emitter des Transistors (12) abgewandten Ende der Arbeitsimpedanz (14) verbunden ist (F i g. 1). ίο

5. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zweiten als Emitterfolger geschalteten Transistor (26), dessen Emitter mit der Basis des anderen Transistors (28) und dessen Kollektor mit dem KoI-lektor des anderen Transistors (28) verbunden ist, während seine Basis an die eine Eingangsklemme

(40) der Verstärkerschaltung angeschlossen ist (Fig. 2).

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine mit dem Emitter des zweiten Transistors (26) verbundene Emitterimpedanz (27 in F i g. 2).

7. Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (26) ein NPN-Transistor und dessen Emitterimpedanz (27) ein Ohmscher Widerstand ist, an dem eine negative Gleichspannung solcher Größe liegt, daß der zweite Transistor (26) normalerweise leitend ist (F i g. 2).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 973 683;
»Nachrichtentechnik«, 1960, Heft 12, S. 531.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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