DE1130015B - Kettenverstaerker - Google Patents
KettenverstaerkerInfo
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Description
Kettenverstärker, die eine längs künstlicher Übertragungsleitungen
verteilte Anzahl von Elektronenröhren besitzen, sind bekannt. Solche Kettenverstärker
verwenden gewöhnlich Mehrgitterelektronenröhren. Dabei wird das Eingangssignal an eine künstliehe
Eingangsleitung angelegt, bei der die Nebenschlußkapazität von der Eingangskapazität der Elektronenröhren
geliefert wird. Die Steuerelektroden einer jeden der Elektronenröhren werden eine nach
der anderen gesteuert, wobei die Verzögerung, mit der die Aufeinanderfolge stattfindet, von den Eigenschaften
der künstlichen Eingangsleitung abhängt. Die Anoden sind entsprechend an eine künstliche
Ausgangsleitung mit identischen Verzögerungseigenschaften angeschlossen, bei der die Nebenschlußkapazitäten
von der Ausgangskapazität der Elektronenröhren geliefert wird. Der Teil des Anodenstromes
einer jeden Elektronenröhre, der zum Ausgangsbelastungskreis fließt, addiert sich zu den anderen
hinzu.
In seiner einfachsten Form besteht ein Kettenverstärker aus einer Anzahl von längs künstlicher
Übertragungsleitungen verteilter Verstärkerelemente. Bei den meisten Verstärkerelementen besteht eine
Kapazitätswirkung zwischen den Elektroden, die de facto zu dem an diese angeschlossenen Außenstromkreis
parallel geschaltet sind. Diese Kapazität ist es, die im Verein mit dem Eingang sowohl wie dem
Ausgang der Verstärkerelemente samt den zum Koppeln derselben dienenden Induktivitäten die
künstliche Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen zustande kommen läßt. Damit jedoch derartige
künstliche Leitungen zustande kommen können, müssen die angewandten Verstärkerelemente eine
hohe Eingangsimpedanz besitzen und ihre Eingangsstromkreise gut gegen ihre Ausgangsstromkreise isoliert
sein.
Bei Mehrgitterelektronenröhren, wie sie gewöhnlich bei Kettenverstärkern früherer Ausführung verwendet
worden sind, wird das Signal der ersten Steuerelektrode aufgedrückt, um einer hohen Impedanz
versichert sein zu können. Weitere Steuerelektroden liefern die erforderliche elektrostatische Abschirmung zur Trennung der Eingangs- von den Ausgangskreisen.
Die obere Frequenzgrenze eines solchen Kettenverstärkers ist durch die Frequenzgrenze seiner Verstärkerelemente
selbst gesetzt. Aus diesem Grunde ist man bestrebt, Verstärkerelemente zu verwenden,
die ihrer Natur nach eine hohe obere Frequenzgrenze haben, so daß sie einen Kettenverstärker ergeben,
den man über ein äußerst breites Frequenzband hin
Anmelder:
General Electric Company,
General Electric Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,
Berlin-Grunewald, Hohenzollerndamm 150
Berlin-Grunewald, Hohenzollerndamm 150
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Februar 1960 (Nr. 11 591)
V. St. v. Amerika vom 29. Februar 1960 (Nr. 11 591)
Robert Lawrence Watters,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
betreiben kann. Derartige Verstärkerelemente haben jedoch so niedrige Eingangsimpedanzen, daß sich
mit ihnen kein künstliches Übertragungsleitungsgebilde herstellen läßt. Ferner beruht das gesamte
Prinzip des Kettenverstärkers auf der Annahme, daß sich die Energie auf den künstlichen Übertragungsleitungen nicht zerstreut, so daß jeder niedrige Wert
der Eingangsimpedanz sofort gegen dieses Prinzip verstößt.
Ein Beispiel für ein Verstärkerelement mit hoher oberer Frequenz ist die Triodenelektronenröhre. Es ist
eine wohlbekannte Tatsache, daß bestimmte Elektronenröhren dieser Art sehr kleine Elektronenübergangsdauern
haben und daher bei äußerst hohen Frequenzen betrieben werden können. Solche Elektronenröhren
haben jedoch sehr niedrige Eingangsimpedanzen, besonders wenn sie in einer Schaltung mit
geerdetem Gitter benutzt werden. Eine Elektronenröhre der Triodenausführung ist aber bei Anwendung
in einem Kettenverstärker wegen der Isolation bzw. Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis
in einer Schaltung mit geerdetem Gitter zu be-
nutzen, um die gewünschte elektrostatische Abschirmung herzustellen. Dies macht es notwendig, den
Eingangskreis an die Kathode anzuschließen, deren
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Impedanz sehr niedrig ist. Falls man andere Verstärkungselemente, z. B. Transistoren u.dgl., anwendet,
kann die Eingangsimpedanz in der Größenordnung von 20 Ohm liegen. Solch niedrige Eingangsimpedanzen
machen die Anwendung derartiger Verstärkerelemente in einem Kettenverstärker unmöglich.
Es ist daher Gegenstand der Erfindung, einen Kettenverstärker zu schaffen, mit dem sich die Nachteile
der in der früheren Verstärkertechnik ange- io wandten Maßnahmen vermeiden lassen.
Bei einem Kettenverstärker mit einer Anzahl von Verstärkerelementen, deren Steuer- und Ausgangselektroden
an eine künstliche Eingangs- und Aus-
umdiode von etwa 0,04 bis 0,3 V, während bei Galliumarsenid der Bereich von etwa 0,12 bis zu
0,5 V reicht. Es hat den Anschein, daß die negative Widerstandsänderung einer solchen Diode in dem
5 Frequenzbereich von 0 Hertz bis weit hinaus über die Frequenzen der Mikrowellen von der Frequenz
unabhängig ist.
An Hand von in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Elektronenröhrenkettenverstärkers nach vorliegender
Erfindung,
Fig. 2 die zeichnerische Darstellung einer Stromspannungskennlinie
einer typischen hochdotierten
gangsübertragungsleitung angeschlossen sind, läßt 15 Halbleiterdiode mit schmaler PN-Übergangszone, die
sich dies nach der Erfindung dadurch erreichen, daß sich für die praktische Ausführung vorliegender Erzur
Erhöhung der Eingangsimpedanz parallel zu den findung eignet, wenn man sie mit einer Gleichstrom-Eingängen
der Verstärkerelemente hochdotierte belastungsleitung versieht, und
Halbleiterdioden mit schmaler PN-Übergangszone Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Teils
geschaltet sind, die eine solche Spannung erhalten, so eines vorliegender Erfindung entsprechenden Kettendaß
ihr Arbeitspunkt im Bereich negativen differen- Verstärkers, bei dem in jedem Abschnitt Transistoren
tiellen Widerstandes
du_
di
di
liegt.
als Verstärkungselemente benutzt werden.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines aus einer Anzahl »Teile« eines gemäß der vorliegenden Erfindung aus-
Ein Kettenverstärker nach der Erfindung besitzt
eine größere Verstärkung und eine größere Band- 25 geführten Kettenverstärkers. Ein »Teil« in der hier
breite als irgendeine Einrichtung der früheren Ver- angewandten Bedeutung bezieht sich auf eine einstärkertechnik,
und es können Verstärkerelemente zelne Verstärkervorrichtung und ihren auf die ÜberVerwendung
finden, die für gewöhnlich eine zu nied- tragungsleitung entfallenden Anteil. Eine Anzahl
rige Eingangsimpedanz haben, um für die Her- solcher Teile stellt eine »Stufe« dar. In Fig. 1 ist das
stellung eines Kettenverstärkers in Betracht zu 30 Verstärkerelement in jedem Teil nur beispielshalber
kommen. als Elektronenröhre der Triodenausführung wieder-
Der in der praktischen Anwendung der vorliegen- gegeben. Jedoch können auch andere Verstärkerden
Erfindung benutzte Halbleiter ist eine aus einem elemente Anwendung finden, z. B. Transistoren und
degenerierten Halbleitermaterial bestehende hoch- andere Verstärkervorrichtungen, die für einen Bedotierte
Halbleiterdiode mit schmaler PN-Übergangs- 35 trieb mit äußerst hohen Frequenzen geeignet sind,
zone, z. B. eine Tunneldiode. Solche Halbleiter- Um die Erfindung jedoch leichter verständlich zu
dioden weisen im Bereich niedriger Spannungen in machen, soll sie in ihren Einzelheiten unter Bezugihrer
Stromspannungskennlinie eine Zone negativer nähme auf Fig. 1 beschrieben werden.
Widerstandsänderung auf. Jede Elektronenröhre 1 der Triodenausführung be-
Derartige Halbleiterdioden werden hergestellt aus 40 sitzt eine Anode 2, eine Kathode 3 und eine Steuer-Zonen
mit einer P- und N-Leitfähigkeit, zwischen elektrode 4. Die Kathode 3 ist durch eine Induktividenen
eine sehr enge Übergangszone ist, wobei beide tat 6 mit der Kathode 3' der anschließenden Elek-Zonen
»degeneriert« sind. Der Ausdruck »degene- tronenröhre 5 verbunden. Die Anode 2 ist über die
riert« bedeutet für eine Substanz oder eine Zone aus Induktivität 7 an die Anode 2' der anschließenden
Halbleitermaterial, daß sie, wenn sie N-leitend ist, 45 Elektronenröhre 5 angeschlossen,
im Überschuß vorhandene, als Donatoren wirkende Die Verbindung der Induktivität 6 mit der EinVerunreinigungen
von genügender Konzentration ent- gangskapazität 8 der Elektronenröhre 1 stellt einen
hält, um den »Fermi-Pegel« derselben auf einen Teil der künstlichen Eingangsübertragungsleitung 9
Energiewert heraufzusetzen, der höher als die mini- dar, und die Vereinigung der Induktivität 7 mit der
male Energie des Leistungsbandes auf dem Energie- 50 Ausgangskapazität 10 der Elektronenröhre 1 einen
banddiagramm des Halbleitermaterials ist. Bei einer Teil der künstlichen Ausgangsübertragungsleitung 11.
Halbleitersubstanz oder -zone, die P-leitend ist, be- Die Werte der Induktivitäten 6 und 7 sind so gedeutet
Degeneriertheit, daß überschüssige, als Akzep- wählt, daß in den Übertragungsleitungen dieselben
toren wirkende Verunreinigungen von genügender Ausbreitungsgeschwindigkeiten auftreten. Die EinKonzentration
darin vorhanden sind, um den »Fermi- 55 gangs- und Ausgangskapazitäten 8 bzw. 10 werden
Pegel« auf eine Energie herabzusetzen, die niedriger durch die verwendeten Verstärkungsvorrichtungen
als die maximale Energie des Valenzbandes auf dem bestimmt, so daß der obigen Forderung gleicher Aus-Energiebanddiagramm
für das Halbleitermaterial ist. breitungsgeschwindigkeit durch Anwendung an Über-Der
»Fermi-Pegel« in einem solchen Energieband- tragungsleitungen angewandter bekannter Verfahren
diagramm ist der Energiepegel, bei dem die Wahr- 60 genügt werden kann. Die Werte der Induktivitäten 6
scheinlichkeit, daß dort ein Elektron vorhanden ist, und 7 hängen daher davon ab, bei wie hoher Fregleich
Va ist. quenz der Verstärker betrieben werden soll.
Der Spannungsbereich der Stromspannungskenn- Parallel zur Eingangsimpedanz der Elektronenlinie
einer solchen Halbleiterdiode, in dem die Zone röhre 1 liegt an der künstlichen Übertragungsleitung 9
negativer Widerstandsänderungen auftritt, variiert 65 erfindungsgemäß eine hochdotierte Halbleiterdiode
abhängig von dem Halbleitermaterial, aus dem sie 12 mit schmaler PN-Ubergangszone. Eine zuhergestellt
ist. Zum Beispiel reicht der Bereich der sammenfassend mit 14 bezeichnete Vorspannungsnegativen
Widerstandsänderung bei einer Germani- vorrichtung sorgt dafür, daß die Spannung zwischen
den Klemmen 15 bis 16 der Diode 12 so groß ist, daß eine Gleichstrombelastungslinie entsteht, die die
Stromspannungskennlinie der Diode im Gebiete negativer Widerstandsänderung schneidet. In Fig. 2 ist
eine solche Belastungslinie mit A bezeichnet, die die Stromspannungskennlinie B der Halbleiterdioden im
Punkt D im Gebiete negativer Widerstandsänderung schneidet. Es sei angenommen, daß Kurve B eine von
allen längs der Eingangs-Übertragungsleitung 9 parallel geschalteten Dioden gemeinsam gebildete Stromspannungskennlinie
darstellt. Zu den zur Vorspannungserzeugung dienenden Mitteln gehören ein Siebkondensator
17 und ein Parallelwiderstand 18, die über einen Widerstand 20 an die negative Seite einer
Gleichstromspannungsquelle 19 angeschlossen sind.
Die Steuerelektrode 4 kann an eine geeignete Spannungsquelle 21 angeschlossen werden, um für
die Elektronenröhre 1 außer der Trennung von Anode 2 und Kathode 3 und einer dazwischenliegenden
Erdplatte für Wechselstrom eine Vorspannung herzustellen. Dies ergibt außerdem eine bequeme
Justierungsmöglichkeit, mit der man jede durch Unterschiede zwischen den Verstärkungsvorrichtungen
verursachte Unsymmetrie kompensieren kann. Eine zweckmäßige Vorspannungseinrichtung kann so
aufgebaut sein, wie sie durch 22 dargestellt ist. Die Vorspannungseinrichtung weist eine parallele Anordnung
eines Siebkondensators 23 und eines Widerstandes 24 auf, die durch einen Widerstand 25 an die
Gleichstromquelle 21 angeschlossen ist. Der Siebkondensator 23 liefert Erdpotential für Wechselstrom.
Die Eingangsübertragungsleitung 9 wird durch die ihr angemessene, zusammenfassend mit 26 bezeichnete
Impedanz abgeschlossen, während die Ausgangsübertragungsleitung 11 durch die Impedanz 27 abgeschlossen
ist.
Im Betrieb läuft eine an den Eingangsklemmen 28 bis 29 des Kettenverstärkers der Fig. 1 auftretende
Welle längs der Eingangsübertragungsleitung 9 zu den Kathoden der jeweiligen Elektronenröhren 1 bis N.
Wenn die Welle die Kathoden jeder der Elektronenröhren erreicht, fließen Ströme in jedem der Anodenstromkreise
derselben, und jede Röhre sendet Wellen in die Ausgangsübertragungsleitung 11 nach beiden
Richtungen hin. Ist die Abschlußimpedanz 27 gleich der charakteristischen Impedanz der Ausgangsübertragungsleitung
11 gewählt, so werden die Wellen, die von jeder Anode nach dem Ende der durch diese abgeschlossenen
Leitung hinlaufen, vollständig absorbiert und tragen mithin keineswegs zu der erzeugten
Leistung bei. Die Wellen jedoch, die von jeder Anode nach den Ausgangsklemmen 30 und 31 laufen, addieren
sich alle in ihrer Phase miteinander. Dies ist auf die Anordnung der zwischen Ein- und Ausgang vorhandenen
Strompfade sowie auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeiten beider
Übertragungsleitungen 9 und 11 die gleichen sind. Läuft z. B. eine Welle von der Anode der Röhre 1
aus, so erreicht sie die Anode der Röhre 5 zur gleichen Zeit, in der das eingehende Zeichen einen
Stromfluß im Anodenkreis der Röhre 5 erzeugt, und die beiden Wellen addieren sich. Die Leistungsabgabe
des Verstärkers ist daher praktisch proportional zur Zahl der benutzten Verstärkervorachtungen.
In jeder Verstärkervorrichtung entspricht die Eingangsimpedanz der Parallelkombination aus dem negativen
differentiellen Widerstand der Halbleiterdiode und dem Wert der Eingangsimpedanz des benutzten
Verstärkerelementes. Diese effektive Eingangsimpedanz läßt sich durch die Beziehung ausdrucken:
R1 + (- ■
worm
ZiB = effektive Eingangsimpedanz der Kombination,
R1 = Eingangsimpedanz der Verstärkervofrich-
tung,
(—R) = negativer
(—R) = negativer
differentieller Widerstand
der Halbleiterdiode.
Dieser Wert kann mithin groß gemacht werden, ohne die Eigenschaften der Eingangsleitung zu beeinträchtigen.
Dieser Wert kann mithin groß gemacht werden, ohne die Eigenschaften der Eingangsleitung zu beeinträchtigen.
Aus dieser Beziehung ist zu ersehen, daß, wenn sich die Eingangsimpedanz des Verstärkerelementes
größenmäßig dem Betrag der negativen Widerstands-
ao änderung der Halbleiterdiode nähert, die effektive Eingangsimpedanz sich einem unendlich großen Werte
nähert.
Die Halbleiterdiode 12 wird daher so gewählt, daß sie einen Absolutwert der negativen Widerstandsänderung
besitzt, der wenig größer als die Eingangsimpedanz des verwendeten Verstärkungselementes ist, so
daß die Impedanz der Parallelkombination aus Eingangsimpedanz der Verstärkungsvorrichtung und negativem
Widerstandswert von Halbleiterdiode 12 im Vergleich zur charakteristischen Impedanz der Leitung
groß ist. Wie groß der Wert dieser effektiven Impedanz zu machen ist, hängt von Faktoren wie der
Zahl der bei dem Verstärker angewandten Verstärkungsvorrichtungen und der von jeder Verstärkungsvorrichtung
gewünschten Verstärkung ab. Je größer z. B. die Eingangsimpedanz jedes Teils im Vergleich
zu der charakteristischen Impedanz der Leitung ist, um so kleiner ist der in jedem Teil vorhandene Verlust.
Die Fig. 2 zeigt eine Wechselstrombelastungskennlinie C von nahezu derselben Neigung wie die
der Stromspannungskennlinie der Halbleiterdioden im Arbeitspunkt D, so daß unter dieser Bedingung
die Eingangsimpedanz sehr groß ist.
Ist die gewählte Halbleiterdiode eine solche, bei der man den gewünschten Wert der negativen Widerstandsänderung
unmittelbar aus dem in jeder Verstärkungsvorrichtung fließenden Strom erhält, so werden
keine zusätzlichen Vorspannungsvorrichtungen benötigt. Ferner kann auch eine geeignete Vorspannung
mit Hilfe eines Widerstandes geschaffen werden, der zu jeder Halbleiterdiode einen Nebenschluß bildet, so
daß er für jeden in der Verstärkervorrichtung fließenden Strom, der über den zur Erzeugung der gewünschten
negativen Widerstandsänderung erforderliehen hinausgeht, einen Umgehungsweg darstellt. Die
letztere Vorspannungsvorrichtung ist zweckmäßig, wenn in einem besonderen Falle gewünscht wird, daß
die Verstärkungseinrichtung gleichmäßig auf Frequenzen von 0 Hertz bis zu einer vorher festgesetzten
Grenze hoher Frequenz anspricht. Die bei 14 wiedergegebene Vorspannungsvorrichtung würde, obwohl
mit ihr ein Betrieb bis herunter zu sehr niedrigen Frequenzen möglich ist, nicht den Betrieb bis zum
Gleichstrom auszudehnen gestatten.
Fig. 3 gibt einen Teil eines vorliegender Erfindung entsprechenden Kettenverstärkers wieder, in dem die
in jedem Teil vorhandenen Verstärkungselemente Transistoren sind. Der Transistor 34 besitzt einen
Emitter 35, einen Kollektor 36 und eine Basis 37. Bei dem der Darstellung entsprechenden Leitergebilde
mit gemeinsamer Basis ist der Emitter 35 an die Eingangsübertragungsleitung
9, der Kollektor 36 an die Ausgangsübertragungsleitung 11 und die Basis 37 an
Erdpotential angeschlossen.
Die Halbleiterdiode 12 liegt zum Eingang des Transistors 34 parallel, um, wie bei der Beschreibung der
Fig. 1 dargelegt ist, der Erfindung entsprechend eine hohe Eingangsimpedanz zu schaffen. Man kann jede
beliebige zweckentsprechende Vorspannungsvorrichtung anwenden, die die richtigen Betriebsspannungen
für die Transistoren liefert und gleichzeitig eine solche Potentialdifferenz an den Klemmen 15 bis 16 hervorruft,
daß eine Belastungslinie entsteht, die die Strom-Spannungskennlinie der Halbleiterdiode in der Zone
negativer Widerstandsänderung schneidet.
Claims (3)
1. Kettenverstärker mit einer Anzahl von Ver-Stärkerelementen, deren Steuer- und Ausgangselektroden
an eine künstliche Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitung angeschlossen sind, da-
durch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Eingangsimpedanz
parallel zu den Eingängen der Verstärkerelemente hochdotierte Halbleiterdioden mit schmaler PN-Übergangszone geschaltet sind,
die eine solche Spannung erhalten, daß ihr Arbeitspunkt im Bereich negativen differentiellen
du
Widerstandes
di
liegt.
2. Kettenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen an der Halbleiterdiode
so gewählt sind, daß die sich aus der Eingangsimpedanz des Verstärkerelementes und
des negativen differentiellen Widerstandes der Halbleiterdiode infolge der Parallelschaltung ergebende
resultierende Eingangsimpedanz groß ist im Vergleich zu der Impedanz der Eingangsübertragungsleitung.
3. Kettenverstärker nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen an
der Halbleiterdiode so gewählt sind, daß der Betrag ihres negativen differentialen Widerstandes
fast gleich dem Wert der Eingangsimpedanz des Verstärkungselementes ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 209 601/310 5.62
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US11591A US2958046A (en) | 1960-02-29 | 1960-02-29 | Distributed amplifier |
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---|---|
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Family
ID=21751090
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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Country Status (2)
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---|---|
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-
1960
- 1960-02-29 US US11591A patent/US2958046A/en not_active Expired - Lifetime
-
1961
- 1961-02-28 DE DEG31719A patent/DE1130015B/de active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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