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Zweistufiger, galvanisch gekoppelter Transistorverstärker in Emitterschaltung
Es ist bekannt, den Emitterstrom und damit den Kollektorstrom eines Transistors
bei Temperaturschwankungen dadurch konstant zu halten, daß in die Leitung zwischen
Emitter und Erde ein so großer Ohmscher Widerstand gelegt wird, daß der an ihm durch
den Emitterstrom erzeugte Spannungsabfall groß gegen die Spannung zwischen Basis
und Emitter ist. Die durch eine Gleichstromgegenkopplung verursachte Stabilisierung
ist aber nur dann voll wirksam, wenn die Sparmung zwischen Basis und Erde konstant
ist. Dies kann bei einer Betriebsspannungsquelle mit konstanter Betriebsspannung
durch einen derart niederohmigen Spannungsteiler für die Basisspannung erreicht
werden, daß der bei Temperaturschwankungen sich ändernde Basisstrom gegenüber dem
Spannungsteilerstrom keine Rolle spielt. Liegt dagegen die Spannung der Betriebsspannungsquelle
nicht fest (Unterschied zwischen neuer und verbrauchter Batterie), so ist es erforderlich,
zwischen Basis und Erde eine konstante Spannung zu legen, die z. 13. aus
einer Stabilisierungszelle (Akkumulator) entnommen wird. Eine solche Schaltung arbeitet
zwar gut, jedoch ist eine Stabilisierungszelle nicht immer erwünscht.
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Bei einer anderen bekannten Schaltung (Radio Mentor 1958, S. 302
bis 305) wird eine nahezu konstante Spannung zwischen Basis und Erde mittels
eines spannungsabhängigen Spannungsteilers aus der Betriebsspannungsquelle gewonnen.
Der Spannungsteiler besteht aus einem Ohmschen Widerstand und einem Selengleichrichter,
an dem eine annähernd konstante Spannung trotz verschieden großer Spannungsteilerströme
herrscht. Diese Anordnung ist zwar billiger, jedoch läßt sich ein geringer Anstieg
des Emitterstromes nicht vermeiden, weil die Spannung an dem Selengleichrichter
bei zunehmender Betriebsspannung doch etwas zunimmt. Der Anstieg des Emitterstromes
ist bei dieser Anordnung auch dadurch bedingt, daß die Spannung am Selengleichrichter
verhältnismäßig klein ist, so daß die Spannung am Emitterwiderstand entsprechend
klein sein muß, was nur dann einen niederohrnigen Emitterwiderstand erreicht werden
kann. Die stabilisierende Wirkung eines solchen Emitterwiderstandes ist aber entsprechend
schwach.
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Häufig ist es sogar erwünscht (z. B. bei einer nachfolgenden Gegentaktendstufe),
daß der Emitterstrom mit zunehmender Spannung der Betriebsspannungsquelle abnimmt,
damit die Gleichstromleistung (Verlustleistung) im Transistor konstant bleibt und
somit keine überlastung des Transistors auftreten kann.
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Die Erfindung erfüllt die oben beschriebenen Forderungen. Vorausgesetzt
wird, daß dem Transistor, dessen Emitterstrom konstant gehalten bzw. bei steigender
Batteriespannung vermindert werden soll, in bekannter Weise eine im folgenden als
»erste Transistorstufe« bezeichnete Transistorstufe vorhergeht, deren Basisvorspannung
von einem an der Speisebatterie liegenden Spannungsteiler geliefert wird und in
deren Emitter- und Kollektorleitung je ein Ohmscher Widerstand liegt und
deren Kollektor mit der Basis des folgenden Transistors galvanisch verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist der Widerstand in der Emitterzuleitung des ersten Transistors
so bemessen, daß die Gleichspannung des Kollektors des ersten Transistors gegen
die Bezugsleitung des Verstärkers und damit der Emittergleichstrom des zweiten Transistors
bei Schwankungen der Speisespannung konstant ist oder bei steigender Speisespannung
wenig abnimmt.
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Versuche haben gezeigt, daß ein Emitterwiderstand von 130 bzw.
100 9 die gewünschte Wirkung hat. Es ist bekannt, in einem zweistufigen Transistorverstärker
mit galvanischer Kopplung zur guten Stabilisierung der Basisvorspannung die Emitterwiderstände
groß zu bemessen. In anderen Literaturstellen werden für die Emitterwiderstände
eines solchen Verstärkers Widerstandswerte von 2800 oder 6000
oder
13 000 bis 45 000 Q (USA.-Patenschrift 2 822 434) angegeben.
Solche großen Widerstände sind zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe
nicht geeignet. Es ist auch bekannt, in einem zweistuflgen Transistorverstärker
mit galvanischer Kopplung dem Emitterwiderstand des ersten Transistors nur einen
Widerstand von 60 0. zu geben (Electronie Eng. 1958, S. 561). Da dieser
Transistoi aber wegen der starken zweiten Stufe (Gleichstromleistung von 12 W) statt
des normalen Emitterstromes von 0,5 bis 1 mA für einen Emitterstrombereich
von
10 bis 250 mA bemessen ist, ist in diesem Falle selbst der kleine
Emitterwiderstand von 60 Q viel zu groß im Sinne der Erfindung. Dies gilt
auch für einen Emitterwiderstand von 470 9, der in einer bekannten Transistorschaltung
mit kapazitiver Kopplung liegt (Funkschau 1956, S. 681), wenn man ihn in
einem zweistufigen Verstärker mit galvanischer Kopplung verwenden würde. Bei einer
Transistorendstufe ist ein Emitterwiderstand von 40 9 angegeben (Funktechnik
1958, Heft 14, Beilage, S. 17),
der aber in der Vorstufe zu klein wäre.
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Um die gewünschte Wirkung mit einer höheren Spannung an der Basis
oder am Kollektor erzielen zu können, wird gemäß einer Verbesserung der Erfindung
in die Emitterleitung des ersten Transistors zusätzlich zu dem Ohmschen Widerstand
ein Schaltelement mit annähernd konstanter Spannung bzw. konstantem Spannungsabfall,
z. B. eine Batterie oder eine in Durchlaßrichtung betriebene Diode, gelegt. Dann
wird der erwähnte Ohmsche Widerstand und der differentielle Widerstand des Schaltelementes
zu-sammen so bemessen, daß die erwähnte Konstanthaltung bzw. geringe Verminderung
des Emitterstromes des ersten Transistors erreicht ist. Dies hat auch den unten
bei F i g. 3 näher begründeten Vorteil, daß die Stabilisierung des Emitterstromes
bei Temperaturschwankungen besser ist. Zusätzlich lassen sich Mittel zur Verbesserung
der Stabilisierung bei Temperaturänderungen anwenden, die zum Teil an sich bekannt
sind, wie bei der Beschreibung der F i g. 5 bis 8 angegeben ist.
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An Hand der Zeichnungen, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung
enthält, wird die Erfindung nun näher erklärt.
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F i g. 1 zeigt die erfindungsgemäße Grundschaltung; F i
g. 2 dient zur Erklärung der Wirkung; in F i g. 3 und 4 ist die erwähnte
Verbesserung der Erfindung bezüglich der höheren Basisspannung dargestellt; in F
i g. 5 bis 8 ist außerdem noch eine durch die höhere Basisspannung
wirksamere bekannte Gleichstromgegenkopplung angewendet; in F i g. 7 und
8 wird der konstant gehaltene Emitterstrom im Transistor T, zur Konstanthaltung
der Basisvorspannung einer Gegentakt-B-Endstufe benutzt; F i g. 9 zeigt die
Abnahme des Kollektorstromes der Endstufe bei fehlendem Eingangssignal mit steigender
Betriebsspannung U, und steigender Umgebungstemperatur.
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Die Schaltung nach F i g. 1 ist erfindungsgemäß so bemessen,
daß bei steigender Batteriespannung U, die Kollektorspannung U, des Transistors
T, und damit der Ernitterstrom und Kollektorstrom des Transistors T2 konstant bleibt
(oder etwas abnimmt). Die Basisvorspannung wird in bekannter Weise von einem Spannungsteiler
RJ, R2 geliefert, und der Emitterwiderstand R , bewirkt eine schwache Gleichstromgegenkopplung.
Mit R 4 ist der übliche Kollektorwiderstand bezeichnet. Der Erfindun(Y liegt die
Erkenntnis zugrunde, daß bei der normalen bekannten Bemessung des Emitterwiderstandes
R, von etwa 500 9 bis 1 k9 die Kollektorspannung
U,2 ansteigt, wenn die Batteriespannu.ng U, zunimmt (s. Kurve
1 k9 in F i g. 2) und bei fehlendem Emitterwiderstand die Kollektorspannung
U, gemäß F i g. 2, Kurve R, = 0 bis zu einem Maximum ansteigt und
dann wieder abfällt. Dazwischen liegt eine flach verlaufende Kurve R,
= 130 9, bei der die Kollektorspannung U2 und damit auch der Emitterstrom
des Transistors T2 konstant bleibt. Es ist noch eine weitere Kurve R,
= 100 9 eingezeichnet, bei der die Kollektorspannung U, etwas
abnimmt.
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Die Wirkungen in den geschilderten Fällen kommen folgendermaßen zustande:
Bei R, = 1 kQ ist die Spannung UE sehr viel größer als die Spannung UBE und
damit annähernd gleich der Spannung am Widerstand R.. Steigt die Batteriespannung
U, von 6 V um 101% auf 6,6 V, so nimmt auch die Spannung am Widerstand Ri
um
1011/o zu. Da die Spannung an R" wie vorausgesetzt, annähernd gleich
groß wie die Spannung am Widerstand Ri ist, muß dann auch der Emitterstrom ii! und
der Kollektorstrom um 10% zugenommen haben, was eine Zunahme des Spannungsabfalls
am Kollektorwiderstand R4 um 10% zur Folge hat, also z.B. von 2V auf 2,2V. Während
vorher U,=6-2=4Vwar, istnunU2=6,6-2,2=4,4V, also ebenfalls um 10% gestiegen.
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Bei R, = 0 steigt die Spannung an Ri wieder prozentual genauso
viel wie die Batteriespannung Ull Wegen der nun fehlenden Gleichstromgegenkopplung
steigt aber der Emitterstrom und damit auch der Kollektorstrom und deshalb auch
der Spannungsabfall an R4 exponentionell an, was gemäß F i g. 2 eine starke
Abnahme der Kollektorspannung U, nach Überschreiten des Maximums zur Folge
hat. Verwendet man jedoch einen kleinen Emitterwiderstand, so kann man erreichen,
daß der Kollektorstrom gerade so viel zunimmt, daß die Kollektorspannung
U, einen annähernd konstanten Wert annimmt oder nach dem Maximum etwas absinkt.
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Bei dieser Bemessung ist allerdings die Basisspannung bzw. die Kollektorspannung
U, in F i g. 1
für manche Fälle zu niedrig (Wechselstromverzerrungen,
Korrektur von U2 bei Exemplarstreuungen). Deshalb wird vorgeschlagen, in
die Emitterzuleitung des Transistors T, zusätzlich zu dem Ohmschen Widerstand ein
Schaltelement mit annähernd konstanter Spannung bzw. konstantem Spannungsabfall,
z. B. nach F i g. 3 eine Batterie B oder nach F i g. 4 eine in Durchlaßrichtung
betriebene Diode D, zu
legen.
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Man kann dann in einer Schaltung nach F i g. 3 z. B. für eine
Batteriespannung U, = 1,25 V den Widerstand Ri so groß bemessen, daß
an Ri eine Spannung von 1,5 V statt 0,2 V in F i g. 1 herrscht. Hat
der Widerstand RI, den gleichen Wert (und damit auch die gleiche Wirkung) wie in
F i g. 1, so hat bei einer Änderung von U, die größere Spannung an
R, eine entsprechend größere Basisspannungsänderung zur Folge, wodurch eine größere
Änderung des Emitterstromes im Transistor T, bewirkt wird. Deshalb kann der Kollektorwiderstand
R4 'kleiner bemessen werden, wodurch die Kollektorspannung U 2 größer ist.
Dies hat den Vorteil, daß der Emitterwiderstand R, in F i g. 1 größer bemessen
werden kann, wodurch die Stabilisierung des Emitterstromes des Transistors T, bei
Temperaturänderungen besser wird. Ist jedoch die Spannung U, für die Stabilisierung
des Ernitterstromes des Transistors T2 groß genug, so kann infolge der zusätzlichen
Spannung U" in der Emitterzuleitung des Transistors Ti und die dadurch mögliche
größere Aussteuerung des Transistors
bei gleichem Widerstand R4
der gegenkoppelnde Widerstand R, vergrößert werden. Dadurch wird der Einfluß der
Umgebungstemperatur auf die konstant bzw. nahezu konstant zu haltende Spannung
U, vermindert.
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Ferner ermöglicht die durch U, heraufgesetzte Spannung zwischen
Basis und Erde eine eventuell erforderliche Gleichstrorngegenkopplung von einer
nachfolgenden Transistorstufe auf die Basis des Transistors T,.
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In F i g. 4 ist an Stelle der Batterie eine Diode
D"
z. B. eine Germaniumdiode, eingeschaltet, an der z. B. eine Spannung von
etwa 0,4 V herrscht. Wenn der differentielle Widerstand der Diode bereits genau
oder annähernd den verlangten Wert von R, hat, kann der Widerstand R3 fortfallen
bzw. entsprechend kleiner als in F i g. 1 bemessen werden. Die Verwendung
einer Halbleiterdiode als Ernitterwiderstand ist an sich bekannt, um eine konstante
Basisvorspannung zu erzielen, was jedoch bei dei Erfindung nicht beabsichtigt ist.
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Da der Transistor T, zugleich zur Signalverstärkung, z. B. zur Niederfrequenzverstärkung,
benutzt wird, darf der Spannungsteiler R" R, zur Vermeidung von zu großen Wechselstromverlusten
nicht zu niederohmig sein. Eine Basisstromänderung bei Temperaturzunahme kann dann
eine entsprechend große Zunahme der negativen Basisvorspannung und damit eine größere
Zunahme des Kollektorstromes zur Folge haben, was wiederum eine Abnahme der Kollektorspannung
U" bewirkt. Diese Spannungsabnahme von U" unterliegt Exemplarstreuungen. Um den
Temperatureinfluß zu reduzieren und zugleich die Stabilisierung gegenüber Spannungsschwankungen
der Speisebatterie weiter zu verbessern, wird in bekannter Weise in F i
g. 5 eine Gleichstromgegenkopplung, die von der Emitterspannung des zu regelnden
Transistors T, mittels des Spannungsteilers R", R6 abgeleitet ist, auf die Basisvorspannung
des Vortransistors T, angewendet.
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Um eine möglichst starke Gegenkopplung zu erreichen, ist es nach F
i g. 6 zweckmäßig, die Gegenkopplungsspannung über ein Schaltelement mit
annähernd konstantem Spannungsabfall, z. B. Diode D" in Flußrichtung, welche im
oberen Teil des Spannungsteilers D_ R7# Rs liegt, abzunehmen. Für Di und
D, haben sich Siliziumdioden besonders gut bewährt.
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Der auf die beschriebene Weise unabhängig von den Betriebsspannungs-
und Temperaturschwankungen konstant gehaltene oder bei steigender Batteriespannung
entsprechend abfallende Emitterstrom wird gemäß einer Weiterbilduno, der Erfindung
zum Erzeugen einer Basisvorspannung für eine weitere nachfolgende Transistorverstärkerstufe
benutzt -, indem der stabilisierte Emitterstrom des Transistors T., in F i
g. 7 den im Eingangskreis der Transistoren T,-und T4 liegenden Widerstand
R" durchfließt, zu dem noch ein temperaturabhängiger Widerstand R, parallel
- schaltet werden muß, um den Einfluß der le Temperatur auf die Endstufe
zu vermindern. Die Entnahme der Basisvorspannung der Endstufe vom Emitterkreis der
Vorstufe ist von Schaltungen zur Stabilisierung des Emitterstromes bei Temperaturschwankungen
bekannt.
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Das Beispiel der F i g. 7 erfordert zur Verminderung des Temperatureinflusses
auf die Gegentaktendstufe also noch einen Heißleiter Rg, der die Aufgabe hat, bei
steigender Temperatur die Basisvorspannung der Transistoren T, und T4 zu
vermindern. Die Verminderung der Basisvorspannung läßt sich aber, wie an sich bekannt,
auch dadurch erreichen, daß man bei Einsparung des Heißleiters R, in F i
g. 7
die Spannung U, am Transistor T, (F i g. 1) und damit den
Emitterstrom des Transistors T, mit steigender Temperatur absinken läßt und mit
dieser Spannungsänderung den Temperatureinfluß auf die Endstufe kompensiert. Hierzu
ist die (extrem) starke Gegenkopplung durch die Diode D2 (F i g. 7)
aufzuheben und statt einer Siliziumdiode für D, eine Germaniumdlode (Spitzendiode)
zu setzen.
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Ein praktisches Beispiel dieser Möglichkeit ist in F i g. 8
wiedergegeben.
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Am Kollektor des Transistors Ti steht die entsprechend der Erfindung
sich ergebende Kollektorspannung zur Verfügung, die für die Emitterstromstabilisierung
des darauffolgenden Transistors T, benutzt wird. Der Emitterstrom des Transistors
T,
durchfließt vorwiegend den Spannungsteiler R51 Riol an welchem die Basisvorspannung
für die Endstufentransistoren T3 und T4 abgegriffen ist.
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Diese Basisvorspannung und damit der Ruhestrom der Transistoren
T., und T4 läßt sich durch entsprechende Wahl des Widerstandes R, in der
Emitterleitung des Transistors T, in gewünschter Weise möglichst wenig betriebsspannungsabhängig
einstellen. Die erforderliche Größe der Basisvorspannung, die Exemplarstreuungen
unterliegt, ist durch R- einstellbar. Ein niederohmi-er Widerstand R in der gemeinsamen
Emitterleitung der Transistoren T" und T4 ermöglicht ein Teilerverhältnis von R,
und R" in der Art, daß bei steigender Temperatur der Kollektorruhestrom IC der beiden
Transistoren T, und T4 nahezu gleich bleibt oder sogar zum Schutz der Transistoren
in günstiger Weise abnimmt.
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F i g. 9 zeigt die Wirkung der Schaltung nach F i
g. 8. Der Kollektorruhestrom IC ist hier in Ab-
hängigkeit von der
Batteriespannung U, und der Umgebungstemperatur in Celsiusgraden wiedergegeben.
Man erkennt das gemäß der Erfindung eintretende Absinken des Kollektorruhestromes
bei stelgenderBatteriespannung und steigenderUmgebungstemperatur.