DE951216C - Kaskadenverstaerker mit wenigstens zwei Transistorstufen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 25. OKTOBER 1956

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Die Erfindung bezieht sich auf mehrstufige Verstärkerschaltungen unter Benutzung von Halbleiterelementen.

Halbleiterelemente für Verstärkerzwecke sind unter dem Xamen Transistoren bekannt und bestehen aus einem Stück eines Halbleitermaterials, wie Germanium oder Silizium, auf welchem wenigstens drei Elektroden, die als Emittor, Kollektor und Basiselektrode bezeichnet werden, aufliegen.

Ein Flächentransistor beispielsweise enthält innerhalb des Halbleitermaterials zwei P-Zonen (bzw. N-Zonenj, die beiderseits einer N-Zone (bzw. P-Zone) liegen. An den Trennflächen dieser Zonen befinden sich Sperrschichten. Die Basiselektrode wird an die N-Zone (bzw. P-Zone) angeschlossen, während Emittor und Kollektor durch die beiden äußeren Zonen gebildet werden. Ein Punktkontakttransistor enthält einen Halbleiterkörper, der aus X- oder aus P-Material besteht und auf welchem eine Basiselektrode unter geringem Widerstand aufliegt, während zwei oder mehrere eng benachbarte punktförmige Elektroden in gleichrichtendem Kontakt mit dem Halbleiterkörper stehen.

Bei einem Punktkontakttransistor der N-Type und bei einem P-N-P-Flächeiitransistor sind beispielsweise für eine bestimmte Betriebsart Vorspan-

nu-ngen derselben Polarität erforderlich, während Punktkontakttransistoren der P-Type und N-P-N-Fiächentransistoren beide mit gleicher, al>er umgekehrter Polarität der Vorspannungen betrieben werden müssen. Von dieser verschiedenen Polarität bei Transistoren mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wird bei der Anordnung nach der Erfindung zur Vereinfachung der zur Zuführung der Vorspannungen erforderlichen Schaltung Ge-ίο brauch gemacht.

Bei Transistorverstärker!! mit geerdeten Basiselektroden muß man zwischen dem Emit tor und der Basiselektrode eine Vorspannungsquelle vorsehen, welche diese beiden Elektroden in der Flußrichtung oder Vorwärtsrichtung gegeneinander vorspannt. Zwischen dem Kollektor und der Basiselektrode muß eine weitere Vorspannung in der Sperrichtung oder Rückwärtsrichtung vorhanden sein. Diese verschiedene Polarität ist der Grund dafür, daß der Eingangswiderstand niedrig und der Ausgangswiderstand hoch ist. Die Höhe der beiden Spannungen ist sehr verschieden. Die Spannung zwischen dem Kollektor und der Basiselektrode ist im allgemeinen ein Vielfaches der Spannung zwischen dem Emittor und der Basiselektrode. Wegen des Polaritätsunterschiedes und der verschiedenen Spannungshöhe wird es in einer Kaskadenschaltung allgemein für notwendig gehalten, zwei verschiedene Spannungsquellen für den Kollektor der ersten und für den Emittor der zweiten Stufe vorzusehen. Dadurch wird aber natürlich die Schaltung teurer und weniger bequem in der Ausführung.

Bei einem Transistorverstärker mit geerdeter Basiselektrode kann der Eingangswiderstand in der Größenordnung etwa zwischen 25 und 500 Ohm liegen, während der Ausgangswiderstand ungefähr 10 000 Ohm oder mehr beträgt. Es wurde daher bisher allgemein für notwendig gehalten, einen Abwärtstransformator zwischen aufeinanderfolgenden Stufen eines Transistorverstärkers mit geerdeten Basiselektroden zu verwenden. Man benötigte daher einen Transformator oder eine andere Einrichtung zur Widerstandstransformation. Je- j doch sind¹ Transformatoren mit getrennter Primär- und Sekundärwicklung verhältnismäßig teuer und führen wegen ihrer Phasenverschiebung und wegen des Amplitudenabfalles bei höheren Frequenzen zu Schwierigkeiten.

Die Erfindung bezweckt, bei einem mehrstufigen Transistorverstärker eine einfache und befriedigende Kopplungsschaltung zwischen: den einzelnen Stufen verwenden zu können, welche insbesondere nur eine einzige Spannungsquelle für die Ausgangselektrode des vorangehenden Transistors und die Eingangselektrode dies folgenden Transistors benötigt und welche eine gute Verstärkung der Signalfrequenz aufweist, und zwar bei einem Mindestmaß an· Kopplungselementen. Ein Transistorverstärker in Kaskadenschaltung enthält gemäß der Erfindung zwei Transistoren von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, bei denen die Wechselstromsignale dem Emittor des einen

Halbleiters zugeführt werden und die verstärkte Energie vom Kollektor des anderen Transistors abgenommen wird, und die Kopplungsmittel zwischen dem Kollektor des ersten und dem Emittor des zweiten Transistors aufweisen, welche sowohl eine Widerstandstransformation bewerkstelligen als auch für Gleichstrom durchlässig sind.

Vorzugsweise soll ein einziger abgestimmter Parallelresonanzkreis zur Kopplung und als Spartransformator für die Widerstandstransformation verwendet werden.

Fig. ι stellt ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 ein Schaltbild einer anderen Ausfülmtngsform dar.

Fig. ι zeigt einen zweistufigen Verstärker mit zwei Flächentransformatoren 10 und 20 von entgegen gesetztem Leitfähigkeitstyp. Der steuernde Transistor 10 kann beispielsweise ein P-N-P-Transistor sein und der gesteuerte Transistor 20 ein X-P-N-Transistor. Der Transistor 10 besitzt eine Kollektorelektrode u an der einen P-Zone, eine _g Basiselektrode 12 an der mittleren N-Zone und eine Emitterelektrode 13 an der anderen P-Zone. Zwischen der einen Eingangsklemme 15 und dem als Eingangselektrode dienenden Emittor 13 liegt ein Kopplungskondensator 14. Die andere Eingangsklemme 15 wird auf ein festes Potential., beispielsweise an Erde, gelegt. Zwischen dem Kollektor 11 und dem Emittor 19 des Transistors 20 liegt ein Parallelresonanzkreis 16, der über einen bestimmten Frequenzbereich abstimmbar ist und eine S]HiIe 17 und einen Parallelkondensator 18 enthält. In Reihe zu diesem Kreis liegt ein Vorspanuungswiderstand 21, welchem ein Kondensator 22 parallel geschaltet ist, damit am Widerstand 21 keine Wechselspannungen auftreten. Die Basiselektrode 12 des Transistors 10 ist geerdet.

Zwischen einem Anzapfpunkt der Spule 17 und Erde liegt eine Vorspannungsquelle oder Betriebsspannungsqueile, z. B. die Batterie 23, die für Wechselströme durch einen Kondensator 24 überbrückt werden kann. Diese Batterie ist so gepolt, daß sie für den Kollektor des Transistors 10 und den Emittor des Transistors 20 die richtige Vorspannung liefert. Wenn diese beiden Transistoren die umgekehrte Leitfähigkeit besitzen würden, wie in Fig. 1 dargestellt, d. h. wenn der Transistor 10 ein N-P-N-Transistor und der Transistor 20 ein P-N-P-Transistor wäre, so müßte die Batterie 23 umgekehrt gepolt werden.

Wie weiter unten noch genauer erklärt werden wird, dient der Parallelresonauzkreis 16 als eine Belastung hohen Widerstandes für den Kollektorkreis des ersten Transistors 10. Außerdem wirkt die Spule 17, da ihr Anzapfpunkt für Wechselströme über den Kondensator 24 geerdet ist, als Spartransformator zu Anpassungszwecken zwischen dem Kollektor 11 und dem Emittor 19. Das Eingangssignal für den Transistor 20 liegt also zwischen dem Emittor 19 und seiner geerdeten Basiselektrode und besteht aus dem Signal, welches zwischen dem geerdeten Anzapfpunkt der Spule 17

und dem unmittelbar mit dem Vorspannungswiderstand 2i verbundenen unteren Ende der Spule auftritt.

Ein zweiter Parallelresonanzkreis 26 mit der Spule 27 und dem Abstimmkondensator 28 liegt über einen Kopplungskondensator 29 zwischen dem Kollektor 30 und der einen Ausgangsklemme 31. Die andere Ausgangsklemme ist geerdet. Eine zweite Vorspannungsquelle, die als Batterie 32 dargestellt ist. Hegt zwischen einem Anzapfpunkt ^ der Spule 27 und Erde. Dieser Batterie kann ebenfalls ein Kondensator 34 parallel geschaltet werden. Vm eine Vorspannung von geeigneter Größe für den Emitter 13 des Transistors 10 zur Verfügung zu .-.teilen, liegt ein Widerstand 35 zwischen dem positiven Pol der Batterie ^2 und dem Emittor 13. Die Batterie 32 hat die umgekehrte Polarität wie die Batterie 2^. Somit hat die Spannung zwischen dein Emittor 13 und· der Basiselektrode des Transistors 10 und. ferner auch die Spannung zwischen dem Koliektor 30 und der Basiselektrode des Transistors 2υ jeweils das richtige Vorzeichen. Zwischen dem Kollektor und der Basiselektrode eines Transistors muß ja bekanntlich eine Spannung in Sperrrichtung und zwischen dem Emittor und der Basiselektrode eine Spannung in Flußrichtung vorhanden sein.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise bezüglich der Vor spannungen sei zuerst der Transistor 20 Ini'trächtet. Es sei angenommen, daß in ihm ein stabiler Gleichstrom fließt und, daß an den Eingangsklemmen 15 kein Wechselstromsignal vorhanden sei. Unter diesen Umständen fließt aus der Batterie 32 Gleichstrom in den Kollektor 30 des Transistors 20. verläßt diesen Transistor an dem Emittor 19, durchfließt den Widerstand 21, einen Teil der Spule 17 und kehrt über die Batterie 23 nach der Erde zurück. E>er an dem Widerstand 21 auftretende Spannungsabfall hat eine solche Polung, dal.i der Emittor 19 positiv gegenül>er Erde wird. Dieser Spannungsabfall ist also entgegengesetzt der von der Batterie 23 gelieferten Spannung, die ja in der Reihe mit dem Widerstand 21 liegt. Die Spannung der beiden Batterien ^2 und 2T, kann ungefähr 6 Volt betragen. E>ie Größe des Widerstandes 21 wird dann so gewählt, daß der Spannungsabfall an diesem Widerstand etwas geringer ist als die Spannung der Batterie 2^. Man sieht also, daß die zwischen dem Emittor 19 und der Basiselektrode 2}, unter den genannten Umständen bestehende Spannung in der Flußrichtung liegt und daß ihre Größe durch die Differenz der Spannung der Batterie 2^ und des Spanntingsabfalles am Widerstand 21 gegeben ist. Die tatsächlich am Emittor SQ auftretende Vorspannung wird ungefähr ¹ZiO Volt betragen.

An dem Transistor 10 tritt der Strom in den Emittor 13 ein, verläßt den Transistor über den Kollektor ii und kehrt über die Spule 17 und die

6ü Batterie 23 nach Erde zurück. Auch hier kommt die richtige Vorspannung am Emittor 13 vermöge des Spannungsabfalles an dem Widerstand'35 zustande. Dieser Widerstand wird von dem Strom in einer solchen Richtung durchflossen, daß der sich an ihm ausbildende Spannungsabfall die umgekehrte Polling hat wie die Spannung der Batterie 32. Auch hier wird die Größe des Widerstandes 35 wieder so gewählt, daß der Spannungsabfall nur wenig geringer ist als die Spannung der Batterie 32 und daß daher eine in der Flußrichtung liegende Spannung von etwa V10 Volt zwischen dem Emittor 13 und der Basiselektrode τ2 vorhanden sein wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung benötigt man also keine ungeerdeten Batterien. Fer-11er ist eine Vereinfachung bezüglich der Vorspannungserzeugung darin zu sehen, daß jeweils eine einzige Batterie und ein ohmscher Widerstand sowohl die Vorspannung für den Kollektorkreis des einen Transistors als auch die richtige Vorspannung für den Emittorkreis de? in Kaskade geschalteten anderen Transistors herstellt. Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Kaskadenschaltung zweier Transistoren gemäß Fig. 1 beschränkt, sondern .man kann vielmehr eine beliebige Zahl von Stufen in Kaskade schalten.

Außer der sehr einfachen Schaltung bezüglich der Vorspannungen wird durch die Erfindung noch eine Kopplungsschaltung geschaffen, welche es erlaubt, ein Optimum an Signalenergie zu übertragen bei einem Mindestmaß von notwendigen Schaltelementen.

Es ist bekannt, daß im Kollektorkreis eines Transistorverstärkers der vorliegenden Schaltung zur Widerstandsanpassung eine Belastung höheren Scheinwiderstandes liegen muß, und zwar bei den gegenwärtigen Transistoren in der Größenordnung von einigen looooOhm, während der Widerstand im Emittorkreis zur Widerstandsanpassung viel geringer ist und gegenwärtig einige 10 oder 100 Ohm beträgt. Die notwendige Widerstandstransformation wird durch den abgestimmten Parallelresonanzkreis 16 im Kollektorkreis des Transistors 10 bewerkstelligt. Der Parallelresonanzkreis besitzt bei seiner Resonanzfrequenz oder in deren Xähe einen hohen Scheinwiderstand, wie er im Kollektorkreis vorhanden sein soll. Für den Emittorkreis des Transistors 10 tritt dabei gleichzeitig der nötige geringe Widerstand vermöge der Spartransformatorwirkung auf. Da die Spule 17 als Spannungsabwärtstransformator wirkt, tritt dabei gleichzeitig eine Stromverstärkung auf. Dies stellt einen weiteren Vorteil der beschriebenen Schaltung dar, da ein Transistor ein Stromverstärker ist (und kein Spannungsverstärker wie eine Elektronenröhrej, so daß die Spannungsherabsetzung keine nachteiligen Folgen hat.

'Wenn den Eingangsklemmen 15 ein Signal zugeführt wird, welches ungefähr der Resonanzfrequenz des Kreises 16 entspricht, so tritt in der Spule 17 ein verstärkter Strom auf, welcher der Fiiigangsseite des Transistors 20 zufließt. Somit entsteht also auch im Ausgangskreis dieses Transistors ein Signal, weiches an den Ausgangsklemmen 31 abgenommen werden kann.

Die Erfindung ist insbesondere auch auf Punkt-

kontakttransistoreii anwendbar, da es für Verstärkerzwecke üblich geworden ist, Punktkontakttransistoren unter Benutzung des Emitters als Eingangselektrode zu verwenden, während bei Flächentransistoren häufig die Basiselektrode als Eingangselektrode benutzt wird.

Fig. 2 zeigt einen ersten Punktkontakttransistor 40 mit einem Halbleiterkörper 41 aus P-Material. einem Emittor 42 und einem Kollektor 43, die beide einen gleichrichtenden Kontakt mit dem Halbleiterkörper 41 bilden, sowie mit einer Basiselektrode 44, die in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterkörper 41 steht. Bei dieser Schaltung ist ein Eingangstransformator 45 mit der Primärwicklung 46 und den Eingangskieminen 47 vorhanden. Die Sekundärwicklung 48 liegt mit ihrem einen Ende an dem Emittor 42 und mit ihrem anderen Ende an einem Vorspannungswiderstand 35. Diesem Widerstand kann noch ein geeigneter Kondensator 49 parallel geschaltet werden, damit die Wechselströme den Spannungsabfall am Widerstand 35 nicht beeinflussen.

In Fig. ι lag zu dem Widerstand 35 kein Kondensator parallel, da dieser einen Kurzschluß für die Wechselspannung an den Eingangsklemmen 15 bedeuten würde. Da bei der Schaltung nach Fig. 2 aber ein Eingangstransformator benutzt wird, kann man hier dem Widerstand 35 einen Kondensator parallel schalten.

In Fig. 2 ist ebenso wie in Fig. 1 ein ParaMelresonanzkreis 16 mit einer Spule 17 und einem Abstimmkondensator 18 zwischen den Kollektor 43 und den positiven Pol einer Vorspannuiigsquelle 23 eingeschaltet, zu der wieder ein Kondensator 24 parallel gelegt werden kann. Um den Emittor 52 des Punktkontakttransiistors 53 aus X-Material richtig vorzuspannen, ist ein Widerstand 21 wie bei Fig. 1 zwischen dem Emittor 52 und einem Anzapfpunkt 55 der Spule 17 vorhanden. Dieser kann wieder durch einen Parallelkondensator 22 für Wechselströme üt>erbrückt werden.

Auf der Ausgangsseite des Transistors 52 ist ein zweiter Parallelresonanzkreis 26 vorhanden mit einer Spule 2J und einem Abstimmkondensator 28, und zwar zwischen dem Kollektor 54 und der negativen Klemme einer Batterie 32. Diese kann wieder durch einen Kondensator 34 für die Wechselstromsignale überbrückt werden. Die Ausgangsklemmen 31 sind über einen Kopplungskondensator 29 an den abgestimmten Parallelresonanzkreis angeschlossen. Die Basiselektroden 44 und 57 der beiden Transistoren sind geerdet.

Die Polarität der Batterien 2} und 32 in Fig. 2 ist die entgegengesetzte wie in Fig. 1, da der Transistor 40 ein P-Transistor und der Transistor 53 ein X-Transistor sein soll.

Bezüglich der Erzeugung der Vorspannungen arbeitet die Schaltung nach Fig. 2 im wesentlichen gleichartig wie die Schaltung nach Fig. 1. Die Richtung des Gleichstromflusses ist jedoch in dem Transistor 53 die umgekehrte wie im Transistor 20 nach Fig. 1, und entsprechendes gilt für den Transistor 40 im Abgleich zum Transistor 10. Infolgedessen hat auch der Spannungsabfall am Widerstand 21 in Fig. 2 die umgekehrte Richtung wie die Spannung der Batterie 23. Ferner wird, wie in Fig. i, die Größe des Widerstandes 21 so gewählt, daß der Spannungsabfall an diesem Widerstand etwa V₁₀ Volt kleiner ist als die Spannung der Batterie 23 und daher zwischen dem Emittor 52 und der Basiselektrode 57 eine Spannung von etwa V10 Volt in der Flußrichtung auftritt. Entsprechendes gilt für die Erzeugung der Vorspannung zwischen dem Emittor und der Basiselektrode des Transistors 40. Am Widerstand tritt wieder ein Spannungsabfall auf. der fast ebenso groß ist \vie die Spannung der Batterie 32. Zwischen dem Emittor und der Basiselektrode des Punktkontakttransistors 40 liegt also die Spannung wieder in der Flußrichtung.

In Fig. 2 geht die Sigualverstärkung wieder praktisch ebenso vor sich wie in Fig. 1. Wenn den Eingangsklemmen 47 ein Wechselstromsignal zugeführt wird, so tritt dieses ül>er den Transformator auch zwischen dem Emittor 42 und der Basiselektrode 44 auf und somit ebenfalls auch an dem Parallelresonanzkreis 16. Über den Spartransformator gelangt das Signal dann zum Punktkontakttransistor 53 und von diesem über den Parallelresonanzkreis 26 an die Ausgangsklemmen 31.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kaskadenverstärker mit wenigstens zwei Transistorstufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren in geerdeter Basisschaltung verschiedenen Leitfähigkeitstyp l>esitzen und daß die Kupplungsmittel zwischen 1>eiden Verstärkerstufen sowohl eine Widerstandstransformation bewirken als auch Gleichströme übertragen, so daß nur zwei Gleichspannungsquellen zur Vorspannung der Elektroden erforderlich sind.

2. Verstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmitte] aus einem Parallel resonanzkreis (16) bestehen, der über einen Widerstand (21) mit dem Emittor des zweiten Transistors verbunden ist, und daß die Spule (17) des Resonanzkreises in der Signalübertragungsrichtung als ein den Strom herabsetzender Spartransformator geschaltet ist. no

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichvorspannung den an die Kopplungsmittel angeschlossenen Elektroden beider Transistoren über eine einzige Leitung aus einer Spannungsquelle zugeführt wird.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche t bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel innerhalb eines endlichen Frequenzbereiches abstimmbar sind. iao

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des zweiten Transistors ebenfalls ein abstimmbarer Parallelresonanzkreis (26) außer einer Spannungsquelle (^2) liegt, die über einen Widerstand (35) auch der Eingangs-

elektrode des ersten Transistors die erforderliche Gleichvorspanming zuführt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
H. Pit sch, »Lehrbuch der Funkempfangstechnik«, 1948, Abb. 225, 262, 264, 438, 439, 441;

H. Bartels, »Grundlagen der Verstärkertechnik«, 2. Auf lage, 1944, S. 112, Abs. d;

Bell Syst. Tech. Journ., 195 i/Aprilheft, S. 381 ff., 1951/Juliheft, S. 53off.;

deutsche Patentschrift Nr. 826148 (Fig. 37 bis 41).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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