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Gyrator zur Verwendung In der Nachrichtentechnik, der Insbesondere
in integrierter Schaltungstechnik ausführbar ist Die Erfindung betrifft einen Gyrator
zur Verwendung in der Nachrichtentechnik, der insbesondere in integrierter Schaltungstechnik
ausführbar ist, bestehend aus zwei zweistufigen, antiparallel geschalteten, gleichstromgekoppelten
Transistorverstärkern mit Spannungsverstärkungen verschiedener Polarität, bei dem
in den Ausgangsstufen der Verstärker anstelle von Kollektorwiderständen Stromquellen-Transistoren
verwendet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Verringerung der Güte
den Aufwand für die Schaltung zu verringern.
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Zur Erläuterung der Erfindung sei zunächst kurz auf die Theorie des
Gyrators eingegangen, der in Fig. 1 symbolisch dargestellt ist (vgl. beispielsweise
"Funk und Ton", Nr. 8, 1949. Seite 46o, Bild 3).
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Der von B.D.H. Telegen in die Vierpoltheorie eingeführte Gyrator lässt
sich als ein elektrisches vierpoliges Schaltelement G definieren, das im Gegensatz
zum Transformator die Eigenschaft hat, eine an seinem Eingang angelegte Primärspannung
mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis in einen seinen ausgangsseitigen Abschlusswiderstand
Z2
Sekundärstrom und umgekehrt eine an seinem Ausgang liegende Sekundärspannung
in einem den Eingangsbetriebswiderstand durchfliessenden Primärstrom zu übersetzen.
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Der Gyrator wird am einfachsten durch seine Leitwertsmatrix
definiert. Die Grössen Yii und Y22 sind beim idealen Gyrator gleich Null. Dabei
ist
der Invertierungswideretand. Der nicht ideale Gyrator wird durch seine Güte
charakterisiert.
Bei der praktischen Ausführung von Gyratorschaltungen
müssen
also die Werte Yii.und Y22 möglichst klein gemacht werden.
Der
Eingangsbetriebswiderstand des Oyrators ist allgemein
woraus sich für Yii =Y22 = 0
ergibt. Der Gyrator würde in diesem Falle also seine Aufgabe in idealer Weise erfüllen
und seinen sekundären Abschlusswiderstand R2 winkeltreu an seiner Dualitätsinvariante
Z02 spiegeln.
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Eine bereits vorgeschlagene transistorisierte Gyratorschaltung, bei
der die Werte von Yii und Y22 schon weitgehend klein gemacht sind (deutsche Patentanmeldung
T 33 714 VIIIa/ 21a2), ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltung umfasst zwei zweistufige,
Spannungsverstärkungen verschiedener Polarität aufweisende_antiparallel geschaltete,
gleichstromgekoppelte Transistorverstärker V1 und V2 mit den Betriebsspannungen
+UB und -UB.
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Der erste Verstärker Vi mit der Eingangsklemme i besteht aus einer'Eingangsstufe
mit einem in &nitterschaltung betriebenen npn-Transistor TI und einer Ausgangsstufe
mit einem in Emitterschalteng arbeitenden pnp-Transistor T2 und einer Ausgangsklemme
2. Ein dritter in Emittersehaltung betriebener npn@. Transistor T3 liegt mit seiner
Emitter-Kollektor-Strecke gleichstrommässig in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke
des Transistors T2 und dient als Stromquelle für diesen Transistor. Ein vierter
Transistor T4 bildet zusammen mit dem Transistor T3 einen negativen, kurzschlussstabilen
Widerstand, welcher parallel zum Ausgang des Verstärkers Vi 13egt. Dar Vetbtärker
V!
hat dabei einen positiven Spannungsverstärkungsfaktor. Der zweite Verstärker V2
besteht aus einer mit der Ausgangsklemme 2 direkt gekoppelten Eingangsstufe mit
einem in Kollektorschaltung betriebenen npn-Transistor T5 und einer Ausgangsstufe
mit einem npn-Transistor T6. Ein dritter in Emitterschaltung betriebener pnp-Transistor
T7 liegt mit seiner Emitter-Kollektor-Streoke gleichstrommässig in Reihe mit der
Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T6 und dient als Stromquelle für diesen
Transistor. Der Transistor T8 bildet zusammen mit dem Transistor T7 wieder einen
negativen Widerstand, welcher parallel zudem mit der Klemme i verbundenen Ausgang
des Verstärkers V2 liegt. Der Verstärker V2 hat dabei einen negativen Spannungsverstärkungsfaktor.
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Die Transistoren TI bis T8 haben zugehörige Emittervorwiderstände
R! bis R8, um durch die von ihnen bewirkte Stromgegenkopplung die
Eingangs- und Ausgangswiderstände der Gyratorschaltung zu erhöhen. R9 ist der
Arbeitswiderstand des Tran-
sistors Ti. Der Widerstand Rio verbindet den Kollektor
von T3 mit der Basis von T4 und schliesst damit die zur Erzeugung
des einen negativen Widerstandes erforderliche'Mitkopplungaschleife,
die sich über RIO, T4, Rii und T3 erstreckt. R!3 und R14 sind die
Baaisspannungsteilerwiderstände für den
Transistor T4. Rii
und Ri2 sind diejenigen tUr den Transistor T3. R15
ist der Arbeitswiderstand tür T4. Der Arbeitawiderstand
für den in Kollektorschaltung betriebenen Transistor T5
wird
durch die Widerstände R5 und R15 gebildet. Der Widerstand R17 verbindet den Kollektor
des Transistors T7 mit der Basis des Transistors T8 und schliesst damit die zur
Erzeugung des anderen negativen Widerstandes erforderliche Mitkopplungsschleife,
die sich über R17, T8, den Widerstand R23, T7 erstreckt. R18 und R19 sind die Basisspannungsteilerwiderstände
für den Transistor T8, R20 und R21 die Basisspannungsteilerwiderstände für den Transistor
T7. Ihre Reihenschaltung wirkt als Arbeitswiderstand des Transistors T8. Die Erfindung
beruht auf der Erkenntnis, dass in der vorgeschlagenen Schaltung nach Fig. 2 bei
der Realisierung der beiden negativen Widerstände in den Verstärkern jeweils ein
Transistor dadurch eingespart und somit der Gesamtaufwand verringert werden kann,
dass erfindungsgemäss die negativen Widerstände jeweils durch den Stromquellen-Transistor
des einen Transistorverstärkers und den Eingangstransistor des anderen Transistorverstärkers
gebildet sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der in dieser Weise vereinfachten Schaltung
des Gyrators nach der Erfindung zeigt die Fig. 3. Diese Schaltung unterscheidet
sich von der nach Fig. 2 dadurch, dass unter Weglassung der Transistoren T4 und
T8 die beiden negativen Widerstände dadurch gebildet werden, dass jeweils der Stromquellen-Transistor
des einen Transistorverstärkers und der Eingangstranzistor des anderen Transistorverstärkers
über
passend dimensionierte Widerstände so miteinander verbunden werden, dass sich die
zur Erzeugung der negativen Widerstände erforderlichen Mitkopplungsschleifen ergeben.
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Der von der Schaltung mit dem Stromquellen-Transistor T3 des Verstärkers
Vi und dem Eingangstransistor T5 des Verstärkers V2 realisierte negative Widerstand
zwischen dem Punkt 2 und dem Bezugspotential liegt parallel zu den Ausgangsklemmen
des Gyrators und der von der Schaltung mit dem Stromquellen-Transistor T7 des Verstärkers
V2 und dem Eingangstransistor T1 des Verstärkers Vi erzeugte negative Widerstand
zwischen dem Punkt i und Bezugspotential liegt parallel zu den Eingangsklemmen des
Gyrators. Durch diese negativen Widerstände kann eine wesentlich höhere, z.B. zehnfache
Güte des Gyrators erreicht werden.
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Die Mitkopplungssehleife für den negativen Widerstand, der
zwischen dem Punkt i und Bezugspotential liegt, schliesst sich
über Ti, R9, R20, T7, R24. Der Widerstand R22 dient als Arbeitswiderstand für den
Transistor TI bei dessen Verwendung in der Mitkopplubgsschleife.
Die zweite Mitkopplungasohleife für den negativen Widerstand,
der zwischen Punkt 2 und Bezugs-
potential liegt, schliesst sich
über T5, Rii, T3. Der Wider-
stand R23.dient als Arbeitswiderstand
für den Transistor T5. bei dessen Verwendung in der Mitkopplungsaehleife.
Der
in der Basiszuleitung des Transistors TI liegende Wider-R24 verhindert, dass bei
einem eventuell vorkommenden grossen Signal am Transistor Ti, das z.8. beim Einschalten
auftreten kann, dieser Transistor aus dem aktiven Bereich herausgesteuert wird.