DE1073543B - Impuls-Verstarker mit Transistor - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Transistor-Impulsverstärker und im besonderen einen Transistor-Impulsverstärker, der bei mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Schaltsystemen und Recheneinrichtungen verwendet werden kann und für die Erzeugung von Ausgangsimpulsen konstanter Amplitude bestimmt ist.

Die Erfindung besteht in der Ausbildung des Impulsverstärkers als bistabile Eintransistor-Kippschaltung sowie in der Anlegung von Signalimpulsen gleicher Polarität an die Steuerelektrode und von in regelmäßigem Abstand gehaltenen Rückstellimpulsen gleicher Polarität an die Basiselektrode, derart, daß die Signalimpulse den Zustand mit hohem Strom und die Rückstellimpulse den Zustand mit niedrigem Strom herbeiführen und daß durch die Rückstellimpulse gleichzeitig auftretende Signalimpulse unwirksam sind.

Als besonders zweckmäßig haben sich Verstärkerschaltungen erwiesen, bei welchen die Steuerelektrode des Transistors in Serie mit einem der Basiselektrode vorgeschalteten Widerstand über zwei Wege mit der Basiselektrode verbunden ist, von denen der eine in Reihenanordnung einen Widerstand und eine die Steuerelektrode in Flußrichtung vorspannende Gleichspannungsquelle und der andere in Reihenanordnung eine asymmetrisch leitende, in Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms gepolte Einrichtung sowie eine die Steuerelektrode in Sperrichtung vorspannende Gleichspannungsquelle enthält, derart, daß der Gleichspannungsruhepegel der Basiselektrode zwischen den von den beiden Gleichspannungsquellen gelieferten Spannunigswerten liegt.

Die Zuführungsleitung für die Signalimpulse an die Steuerelektrode des Transistors enthält zweckmäßig eine asymmetrisch leitende Einrichtung, welche entgegen der Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms gepolt ist.

Transistor-Impulsverstärker nach der Erfindung sind insbesondere für Schalt- und Ziffernrechensysteme geeignet, die mit hoher Geschwindigkeit arbeiten. Sie sind in der Lage, bei Signalimpulsen, die einen minimalen Schwellenpegel übersteigen, normalisierte Impulse von gleichmäßiger Amplitude zu liefern. Bei Verwendung in Recheneinrichtungen können die Verstärker auch die Sperrung von Signalimpulsen bewirken, indem die Entstehung von Ausgangsimpulsen durch Anlegen von Sperrimpulsen unterbunden, wird. Dazu wird an die Basiselektrode ein zusätzliches Schältmittel angeschlossen, welches das willkürliche Anlegen von zusätzlichen Rückstellimpulsen zwischen den in gleichmäßigem Abstand gehaltenen Rückstellimpulsen ermöglicht.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung wird auf die nachfolgende Erläuterung der in der

Impulsverstärker mit Transistor

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. November 1951

Jean Howard Felker, Livingston, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Zeichnung veranschaulichten Aüsführungsbeispiele Bezug genommen; in der Zeichnung zeigt

Fig. IA das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Transistor-Impulsverstärkers,

Fig. 1B ein übliches Transistorersatzschaltbild,
Fig. 1C eine vereinfachte Kennlinie, die die Steuerelektrodenspannungin Abhängigkeit vom Steuerelektrodenstrom darstellt,

Fig. ID die tatsächliche Kennlinie der Steuerelektrodenspannung in Abhängigkeit vom Steuerelektrodenstrom und die Widerstandsgerade der in Fig. IA dargestellten Schaltung,

Fig. 2 A das Schaltbild einer Abänderung des in Fig. IA dargestellten Impulsverstärkers,

Fig. 2B die Schwingungsformen, die bei der in Fig. 2 A dargestellten Schaltung auftreten.

Nach Fig. 1A besitzt der Transistor 11 eine Steuer-

•i° elektrode 12, eine Sammelelektrode 13 und eine Basiselektrode 14. Es ist angenommen, daß der Transistor einen n-Typ-Halbleiterkörper enthält, und demgemäß ist die Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms durch einen auf die Basiselektrode weisenden Pfeil gekennzeichnet. Die Polung der Batterien und Gleichrichter ist dieser Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms angepaßt. Das müßte natürlich auch der Fall sein, wenn die Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms entgegengesetzt wäre.

Zwischen die Basiselektrode 14 und Erde ist ein Basiselektrodenwiderstand 15 geschaltet, während ein Belastungswiderstand 16 von der Sammelelektrode 13 zum negativen Pol der Batterie 17 führt. Diese Spannung dient dazu, die Sammelelektrode in der Sperr-

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richtung vorzuspannen. Die Steuerelektrode 12 liegt am positiven Pol der Batterie 18, und zwar über einen Widerstand 19, dessen Wi der stands wert groß ist im Vergleich, zum inneren Steuerelektrodenwiderstand des Transistors 11. Außerdem liegt die Steuerelektrode 12 an einem niedrigen negativen Potential, das durch die Batterie 20 dargestellt ist, und zwar über eine Kristalldiode 21, die so gepolt ist, daß positiver Steuerelektrodenstrom fließen kann. Die Eingangssignalimpulse werden über einen Kopplungskondensator 22 und eine Kristalldiode 23 an die Steuerelektrode 12 angelegt. Die Diode 23 ist entgegen der Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms gepolt, und der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 22 und der Diode 23 ist mit dem negativen Pol der Batterie 24verbunden, und zwar über einen weiteren großen Widerstand 25. Die Ausgangsimpulse werden an der Sammelelektrode 13 abgenommen. Rückstellimpulse werden an die Basiselektrode 14 angelegt, und zwar über eine Kristalldiode 26., die so gepolt ist, daß der Strom leicht zur Basiselektrode fließen kann.

Die Wirkungsweise des Verstärkers nach Fig. IA soll an Hand der Fig. 1B, 1C und 1D erläutert werden. Die übliche Transistorersatzschaltung gemäß Fig. 1B enthält ein T-Netzwerk, das aus den inneren Transistorimpedanzen der Steuerelektrode und der Sammelelektrode sowie der Basiselektrode R_e, R_c und Rj, besteht. Ein Ersatzgenerator R_mI_e liegt in der Reihe mit R_c. Ein Widerstand R_L und eine negative Sammelelektrodenspannungsquelle V_cc sind zwischen dem Generator und R_b angeordnet. Beim Ersatzgenerator bedeutet R_m die Gegenimpedanz des Transistors und I_e den S teuer elektrodenstrom. Die Steuerelektrodenspannung V_e ist zwischen R_e und R_b angelegt.

Fig. 1C ist eine vereinfachte Darstellung der Steuerelektrodenkennlinie für eine Stromverstärkung (α), die größer als Eins ist, und für eine hohe Basiselektrodenimpedanz. Für diese Kurve gelten folgende Annahmen hinsichtlich der relativen Größe der Transistorparameter :

Die Steuerelektrodenimpedanz R_e ist hoch und konstant, wenn ein negativer Steuerelektrodenstrom fließt; sie ist niedrig und konstant, wenn ein positiver Steuerelektrodenstrom fließt, die Basiselektrodenimpedanz R_b ist konstant; die Sammelelektrodenimpedanz R_c ist hoch und konstant bei negativem und positivem Steuerelektrodenstrom, bis der Transistor gesättigt ist; dann fällt sie auf einen konstanten Wert von der Größenordnung der Steuerelektrodenimpedanz ab; die Gegenimpedanz R_1n ist Null bei negativem Steuerelektrodenstrom, sie ist konstant und größer als R₀ bei positivem Steuerelektrodenstrom und wird bei Sättigung des Transistors wieder null.

Die Spannung am oberen Knick der Steuerelektrodenkennlinie, bei der der Eingangswiderstand negativ wird, ist von besonderer Bedeutung. Diese Spannung ist im allgemeinen negativ, und der obere Knick der Kennlinie wird erreicht, wenn die Stromverstärkung größer als Eins wird. Es wird angenommen, daß dies eintritt, wenn der Steuerelektrodenstrom positiv wird.

Von Bedeutung ist außerdem der untere Knick der Steuerelektrodenkennlinie, d. h. der Punkt, bei dem der Transistor gesättigt ist. Wenn der Steuerelektrodenstrom ansteigt, nimmt der Sammelelektrodenstrom schneller zu (wenn α größer als Eins ist), und der resultierende Basiselektrodenstrom macht den inneren Knotenpunkt der Elektroden negativ. Gleichzeitig treibt der Sammelelektrodenstrom die äußere Sammeletektrodenklemme in positiver Richtung auf das Erdpotential zu. Wenn der innere Knotenpunkt auf eine Spannung nahe der Sammelelektrodenklemmspannung abgefallen ist, ist der untere Knick erreicht. Die Steuerelektrodenkennlinie des Verstärkers nach Fig. 1A ist in Fig. 1D etwas genauer dargestellt. Der 5 obere Knick liegt unterhalb der /_e-Achse, ferner ist die Steuerelektrodenwiderstandsgerade, die durch den Widerstand 19 und durch die Diode 21 entsteht, gezeichnet. Der linke steile Teil der Widerstandsgeraden entsteht durch den Widerstand 19. Der flache rechte

ίο Teil der Widerstandsgeraden entsteht durch die Diode 21. Die von den Batterien 18 und 20 gelieferten Spannungen sind so gewählt, daß die Widerstandsgeraden des Widerstandes 19 und der Diode 21 sich gerade rechts und oberhalb des negativ verlaufenden Teils der Steuerelektrodenkennlinie schneiden, wobei die Widerstandsgerade der Diode 21 den positiv geneigten Teil der Steuerelektrodenkennlinie im Bereich des positiven Stroms und die Widerstandsgerade der Diode 21 die F_e-Achse oberhalb des oberen Knicks der Steuerelektrodenkennlinie schneidet.

Bei dem in Fig. IA dargestellten Verstärker sind die Widerstände 19 und 25 so gewählt, daß bei Nichtvorhandensein des Steuerelektrodenstroms die Steuerelektrode 12 auf einer Spannung unterhalb der Vorspannung der Diode 21 bleibt. Dies ist der Punkt A in Fig. ID. Wenn die Eingangsspannung über dem oberen Knick liegt, werden die Dioden 21 und 23 gesperrt, und der durch den Widerstand 19 gelieferte Strom beginnt in die Steuerelektrode zu fließen. Da die Eingangsimpedanz negativ ist, wird durch den positiven Steuerelektrodenstrom bewirkt, daß die Steuerelektrodenspannung nach C hin abfällt. Wenn der negative Widerstand hoch genug ist und der Transistor genügend hohe Verstärkung aufweist, springt der Steuerelektrodenstrom zum Punkt B über. Der Kreis bleibt dann unbegrenzt bei B liegen, bis die Steuerelektrode unter den unteren Knick C gebracht wird bzw. die Basiselektrode positiv gemacht wird. Es sei bemerkt, daß die Widerstandsgerade wegen der negativen Impedanz der Steuerelektrode von einer hohen Impedanz, die vom Widerstand 19 herrührt, auf die niedrige Impedanz umgeschaltet werden kann, welche die Diode 21 aufweist, wenn diese leitend ist. Dies ergibt eine große Stromverstärkung an der Steuerelektrode.

Der Steuerelektrodenstrom wird durch die Stromverstärkung des Transistors 11 vervielfacht, so daß praktisch eine große Stromverstärkung an der Sammelelektrode vorhanden ist. Der minimale Anstoßstrom wird durch die Neigung der Kurve zwischen, den Punkten A und C beeinflußt. Es sei in diesem Zusammenhang folgendes bemerkt: Wenn die Widerstandsgerade des Widerstandes 19 die Widerstandsgerade der Diode 21 nicht vor der Transistor-Steuerelektroden-Kennlinie schneidet, so arbeitet der Verstärker jenseits des Kennlinienteils mit negativer Impedanz, und das Sammelelektrodensignal wird sehr klein.

Die beschriebene Schaltung wirkt als Flip-Flop-Schaltung. Ein gewöhnlicher Verstärker entstünde, wenn die Diode 21 durch einen Kondensator ersetzt wird. Dabei würde der Kondensator durch den Steuerelektrodenstrom entlang der Linie D-C aufgeladen, so lange, bis die Steuerelektrodenspannung den unteren Knick erreichte, dann würde sich der Kondensator entladen bis A und der Transistor im Zustand mit niedrigem Strom bleiben. Auf diese Weise lieferte die Schaltung bei jedem Eingangssignal einen Ausgangsimpuls.

Es ist nun schwierig, die in Fig. 1A dargestellte Schaltung durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode in den Ausgangszustand zurückzu-

bringen, da die Steuerelektrode bis zum unteren Knick negativ gemacht werden muß und der Spannungsabfall an der niedrigen Impedanz der leitenden Diode 21 entstehen muß. Jedoch kann die Schaltung durch einen an die Basiselektrode des Transistors 11 über die Diode 26 angelegten positiven Rückstellimpuls zurückgeführt werden. Bei dieser Schaltung kann der Transistor 11 nur dann in den Zustand mit hohem Strom kommen, wenn der Rückstellimpuls nicht vorhanden ist. Er wird stets durch den nächsten an die Basiselektrode angelegten Rückstellimpuls in den Zustand mit niedrigem Strom zurückgebracht. Daher stehen der Einsatz und die Dauer jedes Ausgangsimpulses unter der Kontrolle der Rückstellimpulse und sind im wesentlichen unabhängig vom Transistor, von der Form der Eingangsimpulse und von den Schaltelementen.

Bei Zuhilfenahme der Rückstellimpulse ist es einfach, einen starren Synchronismus zu erhalten, der insbesondere bei einem Reihenrechen- oder Schaltsystem erforderlich ist. An die Basiselektrode des Transistorverstärkers werden über eine Diode sinusförmige Frequenzkonstanfcesignale angelegt. Die Phase des an die Basiselektrode jedes Verstärkers gelegten Signals wird so gewählt, daß das Potential dieser Elektrode zum spätesten Zeitpunkt, bei dem ein Eingangsimpuls auftreten könnte, auf Erdpotential abfällt. Dann ist ein etwaiges Ausgangssignal in Synchronismus mit der Synchronisierfrequenz und nicht mit dem Eingangsimpuls. Die Schaltung ist daher auch ein Impulssynchronisierverstärker.

Das Vorhandensein der Dioden 21 und 23 bewirkt außerdem eine Widerher stellung des Gleichspannungswertes der ankommenden Signalimpulse. Der Kopplungskondensator 22 wird durch die ankommenden Impulse über die hohe Impedanz des Widerstandes 25 geladen, aber über die niedrige Impedanz der Dioden 21 und 23 entladen. Hierdurch kann sich der Kondensator zwischen zwei Impulsen vollständig entladen, und der Gleichspannungspegel des Verbindungspunktes zwischen dem Kondensator 22 und der Diode 23 wird stets auf den durch die Batterie 20 bestimmten Punkt zurückgeführt.

Auf diese Weise wird durch die Diode 21 nicht nur eine Widerstandsgerade erzielt, welche die Steuerelektroden-Spannungsstrom-Kennlinie in einem Punkt mit hohem Strom schneidet, sondern es wird auch bewirkt mit der Diode 23 zusammen, daß der Gleichspannungswert der ankommenden Impulse wiederhergestellt wird. Der Kondensator 22 kann selbstverständlich weggelassen werden, wenn die ankommenden Impulse bereits den gewünschten Gleichspannungspegel aufweisen, da sein Hauptzweck darin besteht, den Kreis des Transistors 11 gegen den Gleichspannungspegel der ankommenden Signalimpulse zu isolieren. Die Diode 23 dient andererseits dazu, den Flip-Flop-Kreis, der zum Transistor 11 gehört, gegen die vorausgehende Kreise zu isolieren, damit die Eingangsklemmen den negativen Abwanderungen der Steuerelektrode nicht zu folgen brauchen.

Eine Abänderung der in Fig. IA dargestellten Schaltung ist in Fig. 2 A gezeigt. Dabei ist eine Kristalldiode 30, die so gepolt ist, daß der Strom leicht zur Basiselektrode des Transistors 11 fließen kann, zwischen den Widerstand 15 und Erde geschaltet, um eine hohe Basisimpedanz zu erzeugen, wenn die Basiselektrode positiv wird, und eine niedrige Impedanz, wenn der Transistor stromleitend wird. Die Diode 30 ist durch einen Widerstand 31 überbrückt, um einen Weg zur Entladung von Streukapazitäten zu schaffen.

Die Eingangselemente einer typischen Belastung für mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Schalt- und Ziffernrecheneinrichtungen sind rechts vom Belastungswiderstand 16 in Fig. 2 A wiedergegeben. Insbesondere ist ein Kopplungskondensator 32 zwischen die Sammelelektrode 13 und die Ausgangsklemme geschaltet. Von der Ausgangsklemme führt ein großer Widerstand 34 zu dem negativen Pol der Batterie 35. Ferner führt eine Kristalldiode 36, die so gepolt ist,

ίο daß der Strom leicht von Erde zur Ausgangsklemme fließen kann, zu dem negativen Pol der Batterie 37. Durch diese Art der Belastung wird der Gleichspannungswert des Ausgaiigssignals wiederhergestellt, so daß die zum nächsten Diodennetzwerk gehenden Impulse stets bei dem durch die Batterie 37 festgelegten Potential beginnen. Die Diode 36 hat im leitenden Zustand eine sehr niedrige Impedanz für den Transistor während der Zeit, in der er in den Zustand mit hohem Strom übergeht, wobei der Rückkopplungsvorgang beschleunigt wird. Wenn die Sammelelektrodenspannung beträchtlich gestiegen ist, wird die Diode 36 gesperrt.

Der Spannungsverlauf, der bei dem in Fig. 2 A dargestellten Ausführungsbeispiel auftritt, ist in Fig. 2 B gezeigt, wo die Spannung abhängig von der Zeit aufgetragen ist. Die obere Kurve zeigt den an der Basiselektrode auftretenden Spannungsverlauf. Eine über die Diode 26 zugeführte Sinusschwingung· von geeigneter Frequenz (z. B. 1 MHz) erzeugt die dargestellte Folge von positiven Rückstell- oder Synchronisierimpulsen, wobei die Basiselektrode während des Durchgangs eines Steuerelektrodenstromimpulses schwach negativ ist. Die mittlere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Steuerelektrodenspannung, während die untere Kurve die Sammelelektrodenspannung darstellt. Wie gezeigt, kann nur das Signal an der Steuerelektrode einen Ausgangsimpuls hervorbringen. Es kann ihn nur während einer Zeitspanne hervorbringen, die durch einen Rückstellimpuls bestimmt ist. Bei Nichtvorhandensein eines solchen Impulses wird die Schaltung in den Zustand mit hohem Strom gebracht, wenn die Steuerelektrodenspannunig den oberen Kennlinienknick erreicht. Die Steuerelektrodenspannung fällt dann auf den durch den Punkt B in Fig. 1D angegebenen Wert ab, und der Sammelelektrodenspannungsimpuls dauert an, bis die Basiselektrode durch den nächsten Rückstellimpuls positiv wird.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Impulsverstärker mit Transistor für die Erzeugung von Ausgangsimpulsen konstanter Amplitude, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als bistabile Eintransistor-Kippschaltung und durch Anlegung von Signalimpulsen gleicher -Polarität an die Steuerelektrode und von in gleichmäßigem Abstand gehaltenen Rückstellimpulsen gleicher Polarität an die Basiselektrode, derart, daß die Signalimpulse den Zustand mit hohem Strom und die Rückstellimpulse den. Zustand mit niedrigem Strom herbeiführen und daß durch die Rückstellimpulse gleichzeitig auftretende Signalimpulse unwirksam sind.

2. Impulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode in Serie mit einem der Basiselektrode vorgeschalteten Widerstand über zwei Wege mit der Basiselektrode verbunden ist, von denen der eine in Reihenanordnung einen Widerstand und eine die Steuerelek-

trode in Flußrichtuug vorspannende Gleichspannungsquelle und der andere in Reihenanordnung eine asymmetrisch leitende, in Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms gepolte Einrichtung sowie eine die Steuerelektrode in Sperrichtung vorspannende Gleichspannungsquelle enthält, derart, daß der Gleichspannungsruhepegel der Basiselektrode zwischen den von den beiden Gleichspannungsquellen gelieferten Spannungswerten liegt.

3. Impulsverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung für die Signalimpulse an die Steuerelektrode eine asymmetrisch leitende Einrichtung

enthält, welche entgegen der Richtung des positiven Steuerelektrodenstroms gepolt ist.

4. Verwendung eines Verstärkers nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für logische Schaltungen mit Anschluß eines zusätzlichen Sohaltmittels, welches das willkürliche Anlegen von zusätzlichen Rückstellimpulsen ermöglicht, an die Basiselektrode.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 533 001, 2 531 076;
Tanphins, Highspeed Computing Device,
Wahelin und Stifter, 1950, S. 44 ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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