DE887558C

DE887558C - Kippschwingungsoszillator

Info

Publication number: DE887558C
Application number: DER4117A
Authority: DE
Inventors: Richard Otto Endres
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1949-09-30
Filing date: 1950-10-01
Publication date: 1953-08-24
Also published as: BE498396A; FR1028835A; US2666139A; GB684644A; NL156301B

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 24. AUGUST 1953

R 411/VIIIc/ 2ig

Die Erfindung bezieht sich auf Kippschwingungsoszillatoren und insbesondere auf einen Impulsoder einen Sägezahngenerator derjenigen Art, bei denen eine Halbleitervorrichtung verwendet wird.

Der Dreielektrodenhalbleiter ist neuerdings als Verstärker und als Oszillator entwickelt worden. Der neue Verstärker enthält ein Stück eines halbleitenden Materials, beispielsweise Silicium oder Germanium, auf welchem einander nahe benachbart zwei punktförmig« Elektroden, die Sendeelektrode und Kollektorelektrode genannt werden, auf der einen Fläche des Halbleiterstücks angebracht sind, während eineBasiselektrode mit großer Berührungsfläche und einem niedrigen Kontaktwiderstand auf einer anderen Fläche des Halbleiterstücks aufliegt. Dieser Verstärker liefert unter geeigneten Bedingungen sowohl eine Spannungsverstärkung als auch

eine Stromverstärkung und läßt sich auch als ein Netzwerk mit drei Klemmen (Dreipol) betrachten, wobei die eine dieser Klemmen sowohl Eingangs- als auch Ausgangsklemme ist. Eine derartige Vorrichtung entspricht in ihrer Wirkung einem Vierklemmennetzwerk (Vierpol), wobei eine Eingangsund eine Ausgangselektrode zusammengefaßt sind und diese gemeinsame Elektrode beispielsweise die Basiselektrode ist.

Es ist bereits ein Kippschwingungsoszillator vorgeschlagen worden, der zur Herstellung von Sägezahnkurven oder von rechteckförmigen Impulsen dienen kann. Dieser Kippschwingungsgenerator gehört zur derjenigen Art von Schaltungen, bei welchen ein Kondensator über einen Widerstand langsam aus einer Batterie aufgeladen wird, um dann plötzlich entladen zu werden. Die Halb-

federvorrichtung dient dabei zur Kondensatorentladung·. Der Augenblick, in welchem die Entladung einsetzt, wird durch die Spannung am Kondensator bestimmt. Die Entladung findet dann statt, wenn der Halbleiter in seinen Rückkopplungsbereich kommt. In diesem Augenblick ist eine Stromverstärkung vorhanden, so daß der Kondensator' sehr schnell entladen werden kann. Dieser Kippschwinr gungsoszillator kann mittels äußerer Impulse synchronisiert werden. Man kann die Schaltung aber auch so treffen, daß der Oszillator von sich aus nicht schwingt, d. h. nicht selbstschwingend ist, sondern eines Anstoßes durch äußere Impulse bedarf. Schließlich kann man den Oszillator auch als Frequenzteiler verwenden. Jedoch hat sich gezeigt, daß in diesem letzteren Fall der Oszillator nicht die für manche Anwendungsfälle erforderliche Stabilität hat. Vielmehr ist in diesem Fall der Oszillator gegenüber Schwankungen seiner Strom-Versorgungsspannung ziemlich empfindlich und ist daher beispielsweise als Impulszähler nicht gut geeignet.

Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, einen Kippschwingungsoszillator, in welchem eine Halbleitervorrichtung verwendet wird, zu verbessern.

Weiterhin bezweckt die Erfindung, neue verbesserte Impulsgeneratoren oder Sägezahngeneratoren mit Halbleitervorrichtungen anzugeben, die als Oszillator geschaltet werden können, wobei der Oszillator dann durch äußere fremde Impulse synchronisiert wird oder auch als Frequenzteiler betrieben werden kann. Schließlich kann der Generator auch so geschaltet werden, daß er ohne äußere Impulse keine Schwingungen ausführt, aber durch äußere Impulse zu solchen angeregt werden kann.

Ferner ist Zweck der Erfindung, einen neuen Kippschwingungsgenerator mit Halbleiter anzugeben, der sich im Betrieb stabiler erweist als die bisherigen Oszillatoren und bei dem die Betriebsspannungen in einem weiteren Bereich schwanken können, als es bei den bisherigen Halbleiterkippschwingungsoszillatoren zugelassen werden konnte. Ein Kippschwingungsoszillator gemäß der Erfindung enthält eine Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Stück halbleitenden Materials, einer Basiselektrode, einer Sendeelektrode und einer Kollektorelektrode, die sämtlich in Berührung mit dem Halbleiterkörper stehen. Zwischen der Basiselektrode und Erde ist eine Induktivität eingeschaltet, welche die Frequenz des Oszillators beeinflußt. Ferner ist ein Scheinwiderstand in die Zuleitung zur Kollektorelektrode eingeschaltet. Die Sendeelektrode ist in üblicher Weise vorgespannt, und zwar entweder durch eine Batterie oder mit Hilfe einer eine Vorspannung erzeugenden Schaltung. Ein Oszillator dieser Art arbeitet mit ein;:· Frequenz, die sich durch den induktiven Widerstand der erwähnten Induktivität als Stromsteuervorrichtung bestimmt und durch den Ohmschen Widerstand, den der Halbleiter darstellt und der die Abklingzeit der an der Induktivität auftretenden Spannung bestimmt.

Ein Oszillator dieser Art kann auch synchronisiert werden. Wahlweise kann man jedoch die Schaltung auch so treffen, daß der Oszillator, ohne einen Einfluß von außen zu erfahren, keine Schwingungen ausführt. Das letztere ist durch entsprechende Einstellung der Stromversorgungsspannungen, die an den Elektroden der ganzen Vorrichtung liegen, möglich. Jedoch kann man dann durch von außen zugeführte Impulse den Oszillator zu Schwingungen anregen.

Ein Oszillator von diesem grundsätzlichen Aufbau kann, wie im folgenden beschrieben, noch in verschiedener Beziehung abgeändert werden. Die Stabilität solcher Oszillatoren ist höher als die der bisher bekannten Kippschwingungsoszillatoren mit Halbleiter, weil zwei Kreise vorhanden sind, die den Oszillator gleichzeitig in das Rückkopplungsgebiet hineinsteuern. Wahlweise kann man auch einen Parallelresonanzkreis an die Basiselektrode anschließen oder mit ihr koppeln.

Fig. ι ist ein Schaltbild eines selbstschwingenden Halbleiterkippschwingungsoszillators, der eine Induktivität als frequenzbestimmendes Element enthält;

Fig. 2 ist eine Kurvendarstellung der Spannungen an den drei Elektroden des Oszillators nach Fig. ι;

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines Kippschwingungsoszillators ähnlich demjenigen in Fig. 1, wobei die Schaltung nach Fig. 3 entweder durch äußere Impulse zum Schwingen angeregt werden oder durch solche Impulse synchronisiert werden kann;

Fig. 4 ist ein Schaltbild eines abgeänderten Kippschwingungsoszillators, der ein i?C-Glied enthält;

Fig. S ist eine Darstellung der Spannungen an den drei Elektroden des Oszillators nach Fig. 4;

Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung eines Kipp-Schwingungsoszillators mit einem Paralklresonanzkreis und einem i?C-Glied, die sich zur Verwendung als Frequenzteiler eignet;

Fig. 7 zeigt die Spannungen an den drei Elektroden des Oszillators nach Fig. 6;

Fig. 8 ist eine gegenüber Fig. 6 abgeänderte Schaltung, wobei der Oszillator zwei i?C-Glieder enthält;

Fig. 9 zeigt die Spannung der Sendeelektrode des Oszillators nach Fig. 8 und no

Fig. 10 ein Schaltbild einer weiteren, gegenüber Fig. 6 geänderten Oszillatoranordnung.

In der Zeichnung sind in allen Figuren gleiche Schaltelemente auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 besteht die Halbleitervorrichtung aus einem Stück 10 eines halbleitenden Materials, beispielsweise von Bor, Silicium, Germanium, Tellur oder Selen, welches nur eine kleine, aber ausreichende Menge atomarer Verunreinigungen oder Fehlstellen in seinem Gitteraufbau enthält, wie es normalerweise zur Erzielung der besten Resultate bei Kristallgleichrichtern der Fall ist. Für den Körper 10 stellt Germanium den bevorzugten Werkstoff dar, der so behandelt werden möge, daß er einen elektronischen Halbleiter vom Af-Typus bildet. Die Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 kann

in üblicher Weise poliert und geätzt werden. Man kann auch ein Stück Germanium aus einem handelsüblichen Germaniumgleichrichter mit hoher Sperrspannung verwenden, wobei dann keine weitere Oberflächenbehandlung mehr notwendig ist.

Der Halbleiterkörper ίο ist mit einer Sendeelektrode 11 ausgerüstet, ferner mit einer Kollektorelektrode 12 und einer Basiselektrode 13. Die Sendeelektrode 11 und die Kollektorelektrode 12 sind gewohnlich kleinflächige Elektroden und können als Punktkontaktelektroden ausgeführt werden und beispielsweise aus Wolfram- oder Phosphor-Bronzedraht bestehen mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,125 ^{mm un}d mit einem zugespitzten Ende. Die

»5 Elektroden 11 und 12 brauchen jedoch nicht unbedingt derartige kleinflächige Elektroden zu sein, solange sie nur einen eine Gleichrichterwirkung besitzenden Kontakt von hohem Widerstand auf dem Halbleiterkörper 10 bilden. Die Sendeelektrode 11 und die Kollektorelektrode 12 werden im allgemeinen unmittelbar nebeneinander auf derselben Fläche des Körpers 10 angebracht oder auch auf einander gegenüberliegenden Körperflächen. Im letzteren Fall besteht zwischen ihnen ein Abstand von 0,05

z5 bis 0,125 ^mm· Die Basiselektrode 13 bildet einen Kontakt von niedrigem Widerstand und ohne Gleichrichterwirkung mit dem Halbleiterkörper, und zwar im allgemeinen einen großflächigen Kontakt.

Zwischen der Kollektorelektrode 12 und der Basiselektrode 13 ist normalerweise eine verhältnismäßig große umgekehrte Vorspannung angelegt. Wenn der Halbleiterkörper vom iV-Typus ist, bei dem man annehmen kann, daß er eine Oberflächenschicht vom P-Typus besitzt, muß an der Kollektorelektrode 12 eine negative Spannung gegenüber der Basiselektrode 13 liegen. Zu diesem Zweck kann eine Batterie 14 vorgesehen werden, deren positive Klemme geerdet ist, während ihre negative Klemme über einen Widerstand 15 an der Kollektorelektrode liegt. Der Batterie 14 kann ein Kondensator 16 zum Kurzschluß der Wechselströme parallel gelegt werden. Außerdem liegt zwischen der Sendeelektrode 11 und der Basiselektrode 13 normalerweise eine kleine Vorspannung in der Vorwärtsrichtung. Wenn man wieder annimmt, daß der Körper 10 vom iV-Typus ist und die angenommene Oberflächenschicht vom P-Typus besitzt, muß die Sendeelektrode 11 gegenüber der Basiselektrode 13 eine positive Spannung erhalten. Diese wird durch die Batterie 17 gebildet, deren negatives Ende geerdet ist, während ihre positive Klemme über einen Widerstand 18 an der Sendeelektrode 11 liegt. Auch der Batterie 17 kann zum Kurzschluß der Wechselströme ein Kondensator 20 parallel geschaltet werden. Der Widerstand 18 ist für den Betrieb des Oszillators nach Fig. 1 nicht unbedingt notwendig, dient aber zur Begrenzung des Sendeelektrodenstromes.

Gemäß der Erfindung wird zwischen die Basiselektrode 13 und Erde eine Induktivität 22 eingeschaltet. Die insoweit beschriebene Vorrichtung arbeitet dann als Kippschwingungsoszillator. Vom Widerstand 15 an der Kollektorelektrode kann dann eine aus positiven Impulsen bestehende Ausgangsspannung abgenommen werden. Zu diesem Zweck wird der auch als Blockkondensator dienende Kondensator 23 an die Kollektorelektrode 12 angeschlossen, so daß die Ausgangsspannung, d. h. die positiven Impulse, von den Klemmen 24 abgegriffen werden können, von denen die eine mit dem Kondensator 23 verbunden und die andere geerdet ist. Um schärfere Ausgangsimpulse zu erhalten, kann noch ein differenzierendes Glied 25, bestehend aus dem Reihenwiderstand 26 und dem Parallelkondensator 27, vorgesehen werden.

Die Wirkungsweise des Oszillators nach Fig. 1 läßt sich am leichtesten an Hand der Fig. 2 verstehen, in welcher die Kurve 30 den zeitlichen Verlauf der Basiselektrodenspannung, die Kurve 31 der Sendeelektrodenspannung und die Kurve 32 der Kollektorelektrodenspannung wiedergibt. Die Kurve 28 zeigt den Basiselektrodenstrom, so daß zu einer Abnahme dieses Stromes eine Zunahme des gesamten von Erde durch die Spule 22 zur Basiselektrode 13 fließenden Stromes gehört. Der Oszillator nach Fig. ι ist bis zu seinem Rückkopplungsbereich, vorgespannt. Zu diesem Zweck werden die Speisespannungen, die von den Batterien 14 und 17 geliefert werden, geeignet gewählt. Der Scheinwiderstand zwischen der Basiselektrode 13 und einem festen Potential, z. B. Erde, muß für die Schwingungsfrcquenz hoch sein.

Wenn man nun annimmt, daß der Oszillator denjenigen Punkt im Schwingungsvorgang erreicht hat, in welchem die Rückkopplungsbedingung erfüllt wird, so fließt ein verhältnismäßig starker Strom von Erde durch die Spule 22, die Basiselektrode 13, die Kollektorelektrode 12, den Widerstand 15 und die Batterie 14 zurück nach Erde, wie es durch den Kurvenast 29 angegeben ist. Die Spannung der Basiselektrode 13 nimmt also in negativer Richtung zu, d. h. ändert sich längs des Astes 33 der Kurve 30. Gleichzeitig nimmt die Sendeelektrodenspannung in negativer Richtung zu, und zwar wegen des zunehmenden Stromes dieser Sendeelektrode, wie es durch den Ast 34 der Kurve 31 dargestellt wird, während die Kollektorspannung in positiver Richtung zunimmt, d. h. sich längs des Astes 35 der Kurve 32 ändert.

Die Spannung an der Induktivität, d. h. der Spule 22, ist proportional dem negativen Betrag des Differentialquotienten des Stromes oder, mit anderen Worten, proportional dem negativen Betrag der ersten Ableitung des Stromes nach der Zeit. Da nun diese Ableitung des Basiselektrodenstromes, der durch die Kurve 29 dargestellt ist, abnimmt, nimmt die Basiselektrodenspannung wieder in positiver Richtung zu, wie es durch den Ast 36 veranschaulicht wird.

Unter Umständen ändern sich die Elektrodenspannungen des Oszillators in derartiger Richtung, daß der Basiselektrodenstrom wieder abnimmt, wie es durch den Kurvenast 39 dargestellt ist. Diese plötzliche Änderung des Differentialquotienten des Stromes ruft eine positive Spannungsspitze an der Spule 22 hervor, die im Punkt 37 ihren Maximalwert erreicht. Wegen der Abnahme des Sendeelek-

troden- und des Kollektorelektrodenstromes strebt die Sendeelektrodenspannung während dieser Zeit der positiven Spannung der Batterie XJ zu, während die Kollektorelektrodenspannung sich nach Fig. 2 der negativen Spannung der Batterie 14 annähert.

Schließlich nimmt die hohe positive Basiselektrodenspannung wieder exponentiell ab, und zwar mit einer Geschwindigkeit, welche durch die Größe der Induktivität 22 und durch den Ohmschen Belastungswiderstand, den der Halbleiter besitzt, bestimmt ist. Dieser Ohmsche Belastungswiderstand ist einfach der Widerstand, in die Basiselektrode 13 hinein gesehen. Der exponentielle Abfall der Basiselektrodenspannung ist durch den Ast 38 der Spannungskurve 30 dargestellt. Man sieht also, daß die Wirkungsweise des Oszillators nach Fig. 1 hauptsächlich von dem in der Spule 22 fließenden Strom abhängt.

Gelegentlich erreicht die Sendeelektroden- und die Basiselektrodenspannung einen solchen Wert, daß die Rückkopplungsbedingung wieder erfüllt ist und der nächste Schwingungsvorgang sich-wieder in der beschriebenen Weise abspielt. Man sieht also, daß die Schwingungsfrequenz lediglich durch die Induktivität der Spule 22 und durch den Ohmschen Innenwiderstand, den der Halbleiter besitzt, bestimmt ist. Versuche haben nun gezeigt, daß diese Schwingungsfrequenz erheblich niedriger ist, als diejenige, die bei sinusförmigen Schwingungen des Oszillators mit einem Parallelresonanzkreis in der Basiselektrodenzuleitung auftreten würde. Dieser Parallelresonanzkreis enthält die Spule 22 als Induktivität und die verteilte Kapazität zwischen der Basiselektrode 13 und Erde als Kapazität. Auch die verteilte Kapazität der Spule 22 geht in die Frequenz ein.

Wenn die Größe der Schaltelemente im Kippschwingungsoszillator nach Fig. 1 auch je nach dem besonderen Anwendungsgebiet verschieden gewählt werden kann, so seien doch die folgenden Größen als geeignet für eine Ausgangsimpulsfrequenz von 100 kHz angegeben:

Widerstand 15 1000 Ohm,

Widerstand 18 100 Ohm,

Spule 22 4,5 mH.

Wie oben dargelegt, können positive Impulse wie die Impulse 32 in Fig. 2 von den Ausgangsklemmen 24 abgenommen werden. Diese Impulse können im Netzwerk 25 differenziert werden, um ihren Kurvenverlauf noch schärfer zu gestalten. Gswünschtenfalls kann man den negativen Teil der differenzierten Ausgangsimpulse durch eine Begrenzerstufe!, beispielsweise einen Kristallgleieh-

richter, entfernen. - ·

Die Schwingungsfrequenz des. Oszillators in Fig. ι liegt in der Größenordnung von 1000 kHz, wenn man annimmt, daß die verteilte Kapazität der Spule 22 einige Mikromikrofarad beträgt.und daß der Oszillator als Zweiklemmensinusoszillator arbeitet.

Der Kippschwingungsoszillator nach Fig. 3 ist praktisch identisch mit demjenigen nach Fig. 1, jedoch sind die Impulsgeneratoren 40 und 41 zur Impulsspeisung der Sendeelektrode 11 oder der Basis- elektrode 13 in diese Figur eingezeichnet. Der Generator 40 kann also positive Impulse 42 liefern, die über die Kapazität 43 an der Sendeelektrode liegen. Wahlweise können auch negative Impulse 44 vom Generator 41 der Spule 22 aufgedrückt werden. -

Die Impulse 42 oder 44 können als Synchronimpulse zum Anstoß des Oszillators jeweils kurz vor demjenigen Zeitpunkt, in welchem er. seinen Rückkopplungsbereich erreicht, dienen. Man sieht also·, daß ein negativer Impuls an der Basiselektrode 13 während der Zeit des Abklingens der Spannung an der Spule 22 (Kurvenast 38 in Fig. 2) den Oszillator in seinen Rückkopplungsbereich hineinsteuert. Dasselbe gilt, wenn ein positiver Impuls der Sendeelektrode in diesem Zeitpunkt aufgedrückt wird, wie sich aus Betrachtung der Kurve 31 in Fig. 2 ergibt.

Man kann auch den Oszillator nach Fig. 3 so einstellen, daß er normalerweise keine Schwingungen ausführt. Dies läßt sich durch Verkleinerung entweder der Kollektorelektrodenspannung oder der Sendeelektrodenspannung oder beider Spannungen erreichen. In diesem Fall kommt die Schaltung nicht von selbst in ihren Rückkopplungsbereich, aber kann durch die Zuführung von entweder positiven Anstoßimpulsen 42 zu ihrer Sendeelektrode oder von negativen Anstoßimpulsen zu ihrer Basiselektrode in den Rückkopplungsbereich hineingesteuert werden. Man kann auch entweder der Sendeelektrode 11 oder der Basiselektrode 13 zum Anstoß des Oszillators eine sinusförmige Spannung zuführen.

Der Oszillator nach Fig. 4 ist praktisch ebenso aufgebaut wie derjenige nach Fig. 1, mit der Ausnahme, daß der Kondensator 45 zwischen die KoI-lektorelektrode 12 und Erde eingeschaltet ist. Dementsprechend wird, wie oben dargelegt, der Kondensator 45 aus der Batterie 14 über-den Widerstand 15 langsam negativ aufgeladen. Wenn dann die Spannung einen bestimmten Wert erreicht hat, entlädt sich der Kondensator schnell über den Halbleiter.

Gemäß der Erfindung wird die Zeitkonstante des i?C-Gliedes 15, 45 und die Induktivität der Spule 22 so gewählt, daß die Spannungen der Kollektor- u° und der Basiselektrode während jeder Schwingungsperiode gemeinsam abnehmen. Dadurch erreicht der Kippschwingungsoszillator seinen Rückkopplungsbereich, welcher durch das Kollektorelektrodenpotential und außerdem durch das Basiselektrodenpotential bestimmt ist. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Die Kurve 46 in Fig. 5 zeigt die Basiselektrodenspannung abhängig von der Zeit, die Kurve 47 die Sendeelektrodenspannung --und die¹ Kurve 48 die Kollektorelektrodenspannung. Es sei wieder angenommen, daß die Schaltung nach Fig. 4 innerhalb ihrer Schwingungsperiode den Punkt erreicht hat, in welchem die Rückkopplungsbedingung erfüllt ist. Dann fließt ein großer Strom durch die Spule 22 undentlädt schnell den Kondensator 45. Der Kurvenast 50 der Kurve 46 zeigt die Spannungsabsenkung

der Basiselektrode während dieser Zeit an. Der Kurvenast 51 der Kollektorspannung 48 läßt den Spannungsanstieg gegenüber Erde erkennen, der durch das Verschwinden der negativen Ladung am Kondensator 45 bedingt ist. Die Spannung der Sendeelektrode nimmt in negativer Richtung zu, wie es der Ast 52 der Kurve 47 zeigt.

Sodann nimmt der Strom durch die Spul; 22 zunächst mit geringer Steilheit zu, um dann wieder abzunehmen. Dieser Wechsel in der Steilheit des Stromverlaufs durch die Spule 22 ruft einen Anstieg der Basiselektrodenspannung (Ast 53 der Kurve 46) hervor. Gleichzeitig steigt die Sendeelektrodenspannung an, wie es der Ast 54 der Kurve 47 erkennen läßt. Die Kollektorspannung nimmt aber in negativer Richtung zu, d. h. längs des Astes 55, da der Kondensator 45 aus der Batterie 14 negativ aufgeladen wird. Später nimmt die Spulenspannung wieder längs des Astes 56 ab. Während dieser Zeit bleibt die Sendeelektrodenspannung praktisch konstant, da so gut wie kein Sendeelektrodenstrom vorhanden ist, während die Kollektorspannung weiterhin in negativer Richtung zunimmt und somit die Fortsetzung der Aufladung des Kondensators 45 erkennen läßt.

Die Schaltung nach Fig. 4 wird also sowohl durch die Spule 22 in der Basiselektrodenzuleitung als auch durch das i?C-Glied 15, 45 an der Kollektorelektrode in den Rückkopplungsbereich hineingesteuert. Während dieser Zeit nimmt sowohl die Basisspannung als auch die Kollektorspanriung ab, bis der Rückkopplungsbereich wieder erreicht ist.

Sodann wiederholt sich der beschriebene Vorgang.

Der Kippschwingungsoszillator nach Fig. 4 besitzt eine größere Stabilität als die bisher bekannten Halbleiterkippschwinger. Die Schaltung verträgt mit anderen Worten eine Spannungsänderung von io°/o an der Sendeelektrode 11 und der Kollektorelektrode 12 ohne Frequenzänderung. Die Basisspannung nach Kurve 46 erreicht einen höheren positiven Wert als bei Fig. 1. Den Ausgangsklemmen 24 kann eine Sägezahnspannung entnommen werden. Außerdem läßt sich die Schaltung nach Fig. 4 durch positive Impulse 42 an der Sendeelektroden zu Schwingungen anstoßen. Diese positiven Impulse können den Klemmen 40 von einem Impulsgenerator wie in Fig: 3 zugeführt werden. Auch als Frequenzteiler kann man die Schaltung nach Fig. 4 benutzen. Die Frequenz der Eingangsimpulse 42 kann also ein ganzes Vielfaches der Eigenschwingungsfrequenz des Oszillators sein.

Beispielsweise lassen sich bei 20 kHz Eigenfrequenz die Schaltelemente in Fig. 4 folgendermaßen bemessen:

Widerstand 15 22 000 Ohm,

Widerstand 18 500 Ohm,

Kondensator 45 0,0165 μΡ,

Spule 22 70 mH,

Die Frequenz der Impulse 42 kann 100 kHz betragen. Dann läßt sich eine Ausgangsfrequenz von 20 kHz von der Sendeelektrode, der Kollektor- oder der Basiselektrode abgreifen.

Eine weitere generelle Verbesserung der Stabilität läßt sich durch Benutzung eines Oszillators der in Fig. 6 dargestellten Art erreichen. Dieser Oszillator ist mit einem i?C-Glied 15, 45 an der Kollektorelektrode versehen. Jedoch ist in diesem Fall ein Parallelresonanzkreis 60 an die Basiselektrode angeschlossen, wobei dieser Kreis aus der Spule 61 und dem Kondensator 62 besteht und sein eines Ende geerdet ist. Die Basiselektrode liegt an einem Anzapfpunkt 63 der Spule 61, um den hohen Scheinwiderstand des Resonanzkreises 60 dem geringen Eingangswiderstand der Basiselektrode anzupassen.

Gemäß der Erfindung wird die Zeitkonstante von 15 und 45 etwas größer als der reziproke Wert der Resonanzfrequenz des Kreises 60 gemacht. Es treten also innerhalb jeder Aufladungsperiode des Kondensators 45 einige Schwingungen am Kreis 60, beispielsweise für Schwingungen, auf. Jedoch hat die sinusförmige Spannung am Kreis 60 eine praktisch konstante Amplitude.

Die Zeitkonstante von 15 und 45 ist vorzugsweise gleich dem reziproken Wert der Resonanzfrequenz des Kreises 60. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 6 sei in Fig. 7 die Basiselektrodenspannung 65 abhängig von der Zeit und der zeitliche Verlauf der Kollektorspannung 66 und der Sendeelektrodenspannung 67 betrachtet. Die Schaltung ist wieder so stark vorgespannt, daß keine Rückkopplung eintreten kann, und im übrigen so beschaffen, daß die Basisspannung und die Kollektorspannung gemäß Kurve 65 und 66 gleichzeitig in negativer Richtung verlaufen.

Es sei wieder angenommen, daß die Schaltung sich ihrem Rückkopplungsbereich nähern möge. Es fließt dann ein starker Strom zwischen der Kollektor- und der Basiselektrode in der früher beschriebenen Weise, so daß der Kondensator 45 sich gemäß dem Ast 68 der Kurve 66 schnell entlädt. Gleichzeitig nimmt die Sendeelektrodenspannung gemäß dem Kurvenast 70 schnell ab. Außerdem nimmt gleichzeitig die Basisspannung zuerst schnell ab, um dann, nachdem der Strom praktisch unterbrochen ist, wieder schnell auf einen sehr hohen positiven, Wert anzusteigen, wie es der Kurvenast 71 erkennen läßt. Dabei hat diese Spannungsspitze noch eine höhere Amplitude als die Sinuskurve 65 in Fig. 7. Während dieses Intervalls wird der Kondensator 45 zunächst schnell entladen, sodann wird der Basiselektrodenstrom praktisch unterbrochen, worauf anschließend der Kondensator 45 wieder langsam aus der Batterie 14 aufgeladen wird. Während dieser Aufladung ändert sich die Sinusspannung am Kreis 60 weiterhin. Wenn dabei die Sinuskurve wieder nach unten geht und ihre Spannung mit einer niedrigen Kollektorspannung zusammenfällt, wird der Rückkopplungsbereich wieder erreicht, worauf der nächste Schwingungs-Vorgang beginnt. Wenn die Spannung am Kreis 60 groß genug geworden ist, so daß sie in erster Linie

die Eigenschwingungsfrequenz des Oszillators bestimmt, kann eine größere Änderung der Kollektorspannung vor Eintreten der Instabilität zugelassen werden.

Auch die Schaltung nach Fig. 6 kann man durch positive Impulse 42 an der Sendeelektrode 11 zu Schwingungen anstoßen. Die Schaltung läßt sich auch als Frequenzteiler verwenden, wobei die Frequenz der Eingangsimpulse 42 beispielsweise das Zehnfache der freien Schwingungsfrequenz des Oszillators sein kann. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, in welcher die Impulse 42 sich der Sendeelektrodenspannung 67 überlagern. Die Schaltelemente können bei einer freien Schwingungsfrequenz von 10 kHz in Fig. 6 folgende Werte annehmen:

Widerstand 15 10 000· Ohm,

Widerstand 18 500 Ohm,

Kondensator 45 0,0066 μ¥,

Spule 61 23 mH,

Kondensator 62 0,013 μ&·

Der oberhalb der Anzapfung 63 liegende Spulenteil 61 kann, viermal größer als der untere Spulenteil gemacht werden. Die Frequenz der Impulse 42

kann 100 kHz betragen. Der Oszillator bleibt bei einer Änderung von 60% der Sendeelektrodenvorspannung und von 40% der Kollektorelektrodenvorspannung noch stabil. Die positive Spitzenspannung der Basiselektrode kann zwischen 20 und 50 Volt betragen.

Der erfindungsgemäße Oszillator läßt sich weiterhin mittels eines zweiten i?C-Gliedes an der Sendeelektrode stabilisieren. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 8 dargestellt. Sie entspricht prak-

tisch derjenigen nach Fig. 6, jedoch ist ein Kondensator 73 zwischen die Sendeelektrode 12 und Erde, eingeschaltet. Außerdem kann in Reihe mit dem Widerstand 18 ein Widerstand 74 geschaltet werden und der Kondensator 73 an den Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände angeschlossen sein. Die positive Klemme der Batterie 17 wird geerdet, während ihre negative Klemme an den Widerstand 18 angeschlossen wird. Der Widerstand 74 hat den Zweck, den Kurzschluß von Wechselströmen über den. Kondensator 73 zu verhindern. Jedoch ist der Widerstand 74 für den Betrieb der Schaltung nicht unbedingt erforderlich und kann daher auch weggelassen werden.

Die Zeitkonstanten des i?C-Gliedes 15, 45 und des

5Q i?C-Gliedes 18, 73 sollen gleich groß gewählt werden. Man kann jedoch auch die Zeitkonstante des Gliedes 18,73 halb so groß wie diejenige des Gliedes 15,45 wählen, d.h. gleich der Hälfte der Zeit zwischen den rückgekoppelten Impulsen des Oszillators nach Fig. 6. In diesem Fall wird die Ausgangsfrequenz doppelt so hoch als diejenige des Oszillators nadh Fig. 6. ^:

Die Wirkungsweise des Oszillators nach Fig. 8 ist im wesentlichen dieselbe wie diejenige nach Fig. 6. Jedoch hat die Sendeelektrodenspannung nunmehr einen sägezahnförmigen Verlauf, entsprechend der Kurve 75 in Fig. 9. Wenn innerhalb einer Periodendauer der Rückkopplungsbereich erreicht wird, nimmt die Sendeelektrodenspannung, wie der Ast 76 erkennen läßt, plötzlich ab, um gleich darauf wieder schnell zuzunehmen. Dies ist auf die schnelle Entladung des Kondensators 73 auf ein negatives Potential, und zwar durch den Sendeelektrodenstrom zurückzuführen. Der Kondensator 73 wird sodann wieder langsam in positiver Riehtung aus der Batterie 17, die eine kleine negative Spannung hat, aufgeladen, wie es der Kurvenast JJ zeigt. Die Eingangsimpulse 42 von positiver Polarität können den Eingangsklemmen 40 der Sendeelektrode, wie oben beschrieben, zugeführt werden. Man kann auch negative Eingangs impulse 78 an den Eingangsklemmen 80 benutzen, von denen die eine an die Kollektorelektrode 12 über einen Kopplungskondensator 81 angeschlossen ist. Ferner kann man auch negative Impulse 82 den Eingangsklemmen 41 zwischen der Basiselektrode 13 und Erde zuführen.

Es sei bemerkt, daß der Kondensator 45 in Fig. 8 fortgelassen werden kann, so daß dann nur ein einziges ÄC-Glied vorhanden ist, und zwar an. der Sendeelektrode. Jedoch würde eine derartige Schaltung nicht so stabil sein wie diejenige in Fig. 8.

Die Fig. 10 zeigt einen Kippschwinger, der eine Abänderung der Schaltung nach Fig. 6 darstellt. Der Parallelresonanzkreis 85 ist nämlich hier mit dem Widerstand 18 zwischen der Batterie; 17 und dem Widerstand 18 in Reihe geschaltet. Der Paralklresonanzkreis 85 bewirkt ebenfalls eine Stabilisierung der Kippschwingungsfrequenz. Vorzugsweise sollen die Resonanzfrequenzen der Kreise 60 und 85 gleich groß gemacht werden. Im übrigen arbeitet die Schaltung nach Fig. 10 wie die in; Fig. 6 dargestellte Schaltung.

Gemäß der Erfindung sind also verschiedene Kippschwinger mit Halbleitern beschrieben, von denen manche eine sehr viel größere Stabilität besitzen als die bisher bekannten Halbleiterkippschwingschaltungen. Bei manchen dieser Schaltungen darf eine sehr viel größere Spannungsschwankung an der Sende- und der Kollektorelektrode auftreten, ohne eine Frequenzänderung befürchten zu müssen. Die Oszillatoren können entweder durch Impulse zu Schwingungen angestoßen oder aber auch durch Impulse in ihren Schwingungen synchronisiert werden. Wahlweise kann man auch diese Kippschwinger als Frequenzteiler in Impulszählkreisen benutzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Kippschwingungsoszillator, enthaltend eine Halbleitervorrichtung mit einem Stück halbleitenden Materials, einer Basiselektrode, einer Sendeelektrode und einer Kollektorelektrode in Kontakt mit dem Halbleiterstück und einer umgekehrten Vorspannung zwischen der Kollektor- und der Basiselektrode sowie einer in; der Vorwärtsrichtung wirksamen Spannung zwischen der Sendeelektrode und der Basiselektrode, gekennzeichnet durch einen Scheinwiderstand in der Zuleitung zur Kollektorelektrode und eine Induktivität in der Zuleitung zur Basiselektrode, derart, daß diese

Induktivität gleichzeitig im Kreis der Sendeelektrode und im Kreis der Kollektorelektrode liegt.
2. Kippschwingungsoszillator nach Ansprach i, gekennzeichnet durch einen zweiten Scheinwiderstand in der Zuleitung zur Sendeelektrode.
3. Kippschwingungsoszillator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen ersten, den erstgenannten Scheinwiderstand ersetzenden Ohmschen Widerstand in der Zuleitung zur Kollektorelektrode, einen zweiten, den zweiten Scheinwiderstand ersetzenden Ohmschen. Widerstand in der Zuleitung zur Sendeelektrode und einen Ausgangskreis, der an den ersten; Ohmschen Widerstand angeschlossen ist und zur Abnahme der Ausgangsimpulse einer von der Größe der Induktivität abhängigen Frequenz dient.
4. Kippschwingungsoszillator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen ersten Kondensator in Parallelschaltung mit dem ersten Ohmschen Widerstand und der umgekehrten Vorspannung, wobei die Zeitkonstante des ersten Kondensators und des ersten Ohmsehen Widerstandes sowie ferner die Größe der Induktivität so gewählt sind, daß die Spannungen an der Kollektor- und der Basiselektrode während eines Teils des periodischen Schwingungsvorganges gleichzeitig abnehmen.
5. Kippschwingungsoszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kondensator parallel zur Induktivität, derart, daß ein Parallelresonanzkreis entsteht.
6. Kippschwingungsoszillator nach An-Spruch 3 und 5, gekennzeichnet durch einen weiteren Kondensator parallel zu der in der Vorwärtsrichtung wirksamen Spannung und dem zweiten Ohmschen Widerstand, wobei die Zeitkonstante des zweiten Ohmschen Wider-Standes und dieses weiteren Kondensators etwa gleich dem reziproken Wert der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises ist.
7. Kippschwingungsoszillator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen zweiten Parallelresonanzkreis an der Sendeelektrode, wobei die Resonanzfrequenz beider Resonanzkreise annähernd gleich groß ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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