DE942748C - Verstaerker mit einem Transistorpaar mit komplementaeren Kennlinien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft neuartige Transistorschaltungen, bei denen ein N-Typ-Transistor mit einem P-Typ-Transistor paarweise zusammengeschaltet ist, um eine neue und vorteilhafte Arbeitsweise zu erhalten. Die Entdeckung und Entwicklung des Transistors als elektrisches Verstärkungselement hat zur Entwicklung von verschiedenen neuen Verstärkerschaltungen geführt. Im allgemeinen sind solche Übertragungsschaltungen den früheren Schaltungen mit ίο Vakuumröhren insofern ähnlich; als der Transistor das duale Gegenstück der Vakuumröhre ist; sie unterscheiden sich jedoch in gewisser Hinsicht dadurch, daß die Kennlinien des Transistors und der Vakuumröhre verschieden sind. Ein Beispiel ist der Gegentakt-Transistor-Stromverstärker, der in einem Aufsatz von ig R. L. Wallace jr. und G. Raisbeck mit dem Titel »Duality as a Guido in Transistor Circuit Design« beschrieben ist, welcher im »Bell System Technical Journal«, Bd. 30, April 1951, S. 381 ff., veröffentlicht wurde. Bisher waren in allen Fällen, in denen Transistoren paarweise verwendet wurden, diese in jeder Hinsicht einander gleich oder so weit gleich, wie es die Herstellungstechnik erlaubt. Bei diesen Entwicklungen folgte man dem Beispiel der paarweisen Verwendung von Vakuumröhren mit gleichen Kennlinien.

Ungleich der Röhre kann der Transistor jedoch zwei Formen annehmen, die in einem Aufsatz von

W. G. Pfann und J. H^-. Scaff beschrieben sind, welcher in den »Proceedings of the Institue of Radio Engineers, Bd. 38, Oktober 1950, S. 1151 ff., veröffentlicht wurde.

Die Erfindung gründet sich auf der Entdeckung des P-Typ-Transistors als. Gegenstück des N-Typ-Transistors, der die paarweise Verwendung von Schaltungselementen erlaubt, deren Kennlinien gleiche Form, aber entgegengesetzte Vorzeichen haben, wo eine solche paarweise Verwendung zu Vorteilen führt. Die Schaltung gemäß der Erfindung hat eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Gegentaktschaltung und weist alle Vorteile von Gegenschaltungen auf, z. B. die Unterdrückung von Harmonischen gerader Ordnung, ohne daß dabei eine symmetrische Eingangsschaltung oder eine symmetrische Ausgangsschaltung notwendig wäre. Erfindungsgemäß werden ein P-Typ-Transistor und ein N-Typ-Transistor als Paar zusammengeschaltet, wobei eine Elektrode des einen Transistors, z. B. die Basiselektrode, für die Signalströme unmittelbar mit der entsprechenden Elektrode des anderen Transistors verbunden wird. Das Eingangssignal wird dann an die beiden parallel geschalteten zweiten Elektroden, z. B. die Steuerelektroden, gelegt, während das Ausgangssignal von den beiden parallel geschalteten dritten Elektroden, z. B. den Sammelelektroden, abgenommen wird, wobei sowohl Eingang' als Ausgang außerdem mit den erstgenannten Elektroden verbunden sind. "Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Schaltung sind offensichtlich nicht symmetrisch. Doch ergibt wegen der Umkehr des Vorzeichens der einen Transistorkennlinie in bezug auf die Kennlinie des anderen Transistors das Anlegen von nicht symmetrischen.Eingangssignalen verstärkte Ausgangssignale mit Unterdrückung der Harmonischen gerader Ordnung und mit anderen damit zusammenhängenden Vorteilen, die bei Gegentaktschaltungen bekannt sind. Wegen der entgegengesetzten (komplementären) Kennlinie kann auch das verstärkte und verzerrungsfreie Signal von den parallel geschalteten Transistor-Sammelelektroden mit Hilfe einer nicht symmetrischen Schaltung abgeleitet werden.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen und entsprechenden Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. ι zeigt ein schematisch es Schaltbild eines Verstärkers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Spannungs-Strom-Kennlinienschar, die zur Erklärung der Wirkungsweise des Geräts der Fig. ι dient;

Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Abänderung der Fig. 1;

Fig. 4 zeigt eine Spannungs-Strom-Kennlinienschar, die zur Erklärung der Wirkungsweise des Geräts der Fig. 3 dient.

Fig. ι zeigt einen P-Typ-Transistor i und einen N-Typ-Transistor 2, deren Basiselektroden zusammengeschaltet sind. Diese gemeinsame Verbindung kann geerdet werden. Der Betriebsstrom für die Steuerelektroden beider Transistoren wird von einer Quelle konstanten Stromes 3 geliefert, der. Betriebsstrom für die Sammelelektroden beider Transistoren von einer zweiten Quelle konstanten Stromes 4. Bei beiden Quellen konstanten Stromes gibt der Pfeil die Richtung des positiven Betriebsstromes an. Bekanntlich fließt der Betriebsstrom positiv in die Steuerelektrode eines N-Typ-Transistors und negativ in die Sammelelektrode, während bei einem P-Typ-Transistor die Verhältnisse umgekehrt sind.

An die gemeinsame Basisklemme ist eine Signalquelle 5 angeschlossen, deren Ströme über einen Sperrkondensator 6 an die Steuerelektrode des P-Typ-Transistors und über einen Sperrkondensator 7 an die Steuerelektrode des N-Typ-Transistors gelangen. Bezüglich der Signalströme sind daher die Steuerelektroden der beiden Transistoren parallel geschaltet. In gleicher Weise ist eine Belastung, die jede gewünschte Form haben kann und hier der Einfachheit halber als Widerstand 8 dargestellt ist, von der gemeinsamen Basisklemme der beiden Transistoren über einen Sperrkondensatör 9 an die Sammelelektrode des P-Typ-Transistors und über einen weiteren Sperrkondensator 10 an die Sammelelektrode des N-Typ-Transistors geschaltet. Hier sind wiederum bezüglich der Signalströme die Sammelelektroden zur Belastung parallel geschaltet. Es ist ferner ein Transformator 11 mit enger Kopplung und dem Windungsverhältnis Eins zwischengeschaltet, um sicherzustellen, daß jede Abweichung des Sarnrnelelektrodenstrom.es eines Transistors vom Strom I₀ der Stromquelle 4 von einer. gleichen und entgegengesetzten Abweichung des Sammelelektrodenstromes des anderen Transistors begleitet ist.

Da sowohl Eingangskreis als auch Ausgangskreis mit der gemeinsamen Klemme der beiden Transistor-Basiselektroden verbunden sind, können beide Kreise unsymmetrisch sein. Trotzdem ergibt die paarweise Verwendung der beiden Einheiten in der beschriebenen Weise eine Unterdrückung der Harmonischen gerader Ordnung, die durch Nichtlinearität der einzelnen Transistoren entstehen können. Die Art und Weise, wie dies zustandekommt, läßt sich verstehen, wenn man die Wirkung eines an beide Transistoren in der beschriebenen Weise angelegten Signals betrachtet. Wegen der verschiedenen Kennlinien sucht ein an die Steuerelektrode des N-Typ-Transistors 2 gelegtes Signal diesen mehr und mehr in den »Ein «-Zustand und zur Sättigung zu bringen, während das gleiche an die Steuerelektrode des P-Typ-Transistors 1 gelegte Signal diesen in den »Auscr-Zustand, d. h. zum Sperrpunkt des Sammelelektrodenstromes, zu bringen sucht. Somit wird eine Abweichung des Ausgangssignals vom linearen Zusammenhang mit dem Eingangssignal beim einen Transistor durch eine gleiche und entgegengesetzte Abweichung des anderen Transistors vom linearen Zusammenhang mit dessen Eingangssignal aufgehoben.

Diese Arbeitsweise wird bei Betrachtung der Fig. 2 klar werden, wo die Kennlinien eines P-Typ-Transistors und eines N-Typ-Transistors im gleichen Maßstab übereinander aufgetragen sind. Sie sind gegeneinander so verschoben, daß die Koordinate, die für den ersten Transistor 1,8 mA darstellt, mit der Koordinate zusammenfällt, die. für den anderen Transistor 1,8 mA darstellt. Der obere Teil der Figur zeigt die Kennlinien des P-Typ-Transistors und der untere diejenigen des

N-Typ-Transistors. Durch gestrichelte Linien sind zusammengesetzte Kennlinien dargestellt, die sich über beide Teile der Figur erstrecken. Eine Widerstandsgerade, die eine Belastung von 20 000 Ohm darstellt, schneidet die Kennlinien. Die Arbeitsweise wird durch Bewegen des Arbeitspunktes auf der Widerstandsgeraden dargestellt. Wenn man die Strom- und Spannungsverhältnisse an verschiedenen Punkten der Geraden betrachtet, so wird klar, daß sich Effekte erster Ordnung in der Belastung addieren, während Effekte zweiter Ordnung sich aufzuheben versuchen. Diese Wirkungsweise einer Gegentaktschaltung wurde erreicht, ohne daß die Schaltung an sich im Gegentakt geschaltet ist. Die Umkehrung der unteren Kennlinienschar in bezug auf die obere entsteht im vorliegenden Fall durch die Eigenschaften der Transistoren selbst. Während dies Ergebnis bei einer Vakuumröhren-Gegentaktschaltung durch Anlegen eines Signals an die Eingangselektroden beider Röhren mit entgegengesetzter Phase erreicht wird, wird es beim vorliegenden Beispiel erzielt, wenn das Signal an beiden Transistoren mit gleicher Phase angelegt wird.

Fig. 3 zeigt eine andere Form des erfindungsgemäßen Verstärkers, der ebenfalls einen P-Typ-Transistor 1 und einen N-Typ-Transistor 2 enthält. Bezüglich der Signalströme ist die Schaltung ebenso aufgebaut wie Fig. i. Der Unterschied hegt in der Hauptsache in der Art, wie die Arbeitsvorspannungen angelegt werden. Statt der Quelle konstanten Stromes 4 der Fig. ι sind in Fig. 3 Quellen konstanter Spannung, z. B. die Batterien 15 und 16, gezeichnet, welche eine feste Spannung an die Sammelelektroden der beiden Transistoren legen. Die gemeinsame Klemme dieser beiden Batterien kann geerdet werden. Wie vorher ist eine Belastung 8 zwischen diesen Erdpunkt und die gemeinsame Klemme der beiden Basiselektroden geschaltet, wobei hier ein Sperrkondensator 17 in Reihe mit der Belastung hegt, um das Fließen von Gleichstrom zu verhindern. Statt der Quelle konstanten Stromes 3 werden die Steuerelektrodenvorspannungen in gleicher Weise durch die Batterien 18 und 19 und über die Abgleichwiderstände 20 und 21 geliefert. Die gemeinsame Klemme dieser beiden Batterien ist über einen Sperrkondensator 22 mit einer Klemme der Signalquelle 5 verbunden, deren andere Klemme an die Basiselektroden der beiden Transistoren angeschlossen ist.

Obwohl bekanntlich ein Transistor besser arbeitet, wenn er mit festen Vorströmen betrieben wird, als wenn er mit festen Vorspannungen betrieben wird, so bietet doch die Anordnung nach Fig. 3 den Vorteil, daß der Sammelelektroden-Basiselektroden-Kreis in Reihe mit der Arbeitsvorspannungsquelle für den anderen Transistor eine vergleichsweise hohe Impedanz darstellt, so daß die Anordnung wenigstens teilweise etwas von einer Anordnung mit konstanter Stromversorgung an sich hat, obwohl Quellen der einfacheren Art verwendet "werden.

Qualitativ arbeitet die Schaltung der Fig. 3 ebenso wie diejenige der Fig. 1. Quantitativ wird sie am besten mit Hilfe von paarweisen Kennlinienscharen untersucht, wobei die eine Schar zum P-Typ-Trans'istor und die andere zum N-Typ-Transistor gehört. Jedoch sind die Kennlinien in Fig. 4 nebeneinander angeordnet, weil die Arbeitsstromversorgung hier in Form von festen Spannungen und nicht von festen Strömen erfolgt. Die zusammengesetzten Kennlinien sind wie bei Fig. 2 durch gestrichelte Linien dargestellt. Eine 10 000-Ohm-Widerstandsgerade schneidet diese. Die Betrachtung der Strom-Spannungs-Verhältnisse, die man an aufeinanderfolgenden Punkten auf der Widerstandsgeraden erhält, zeigt, daß Effekte zweiter Ordnung, die sonst eine Erzeugung von Harmonischen gerader Ordnung ergeben wurden, infolge der erfindungsgemäßen Schaltung unterdrückt werden, während Effekte erster Ordnung sich addieren.

Obwohl die Erfindung an Hand eines Verstärkers geschildert wurde, wird dem mit den Stand der Technik vertrauten Fachmann klar sein, daß sie auch auf einen Modulator, einen Gleichrichter oder einen Oszillator angewendet werden kann.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verstärker mit einem Transistorpaar, wobei jeder Transistor eine Steuerelektrode, eine Sammelelektrode und eine Basiselektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Spannungs-Strom-Kennlinien gleicher Form, aber entgegengesetzten Vorzeichens, haben (N-Typ- und P-Typ-•Transistor) und daß die Steuerelektroden ebenso wie die Sammelelektroden beider Transistoren hinsichtlich der Signalströme jeweils zueinander parallel geschaltet sind.

2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle zwischen die Basiselektroden und die Steuerelektroden und der Ausgangskreis zwischen die Basiselektroden und die Sammelelektroden geschaltet ist.

3. Anwendung der Transistorschaltung nach Anspruch ι als Oszillator, Modulator oder Gleichrichter.

Angezogene Druckschriften:

H. Barkhausen »Elektronen-Röhren«,. 2. Band,

4. Auflage, 1933, S. 97;
Bell Syst. Tech. Journ., 30 (1951), 381 ff.;
Proc. of the IRE, 1950, S. 1151 ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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