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Transistorschaltung zum Verstärken impulsartiger Signale Die Erfindung
betrifft eine Transistor-Verstärkerschaltung, bei welcher mit relativ kleinen Eingangsströmen
große Ausgangsströme erzeugt werden können und die sich insbesondere zur Anwendung
in der Impulstechnik eignet.
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Es ist bereits eine Schaltungsanordnung mit zwei oder mehreren Transistoren
bekannt, die schaltungsmäßig so aneinandergereiht sind, daß die Basiselektrode des
ersten Transistors als Eingangselektrode dient, die Basiselektroden der übrigen
Transistoren jeweils nur an die Emitterelektrode des jeweils davorliegenden Transistors
angeschlossen sind und alle Kollektorelektroden miteinander verbunden sind. Die
Belastungsimpedanz kann hierbei sowohl im Emitterkreis des letzten, den größten
Strom führenden Transistors angeordnet sein, als auch im gemeinsamen Kollektorkreis
liegen. Bei dieser Schaltung ist die Größe der einzelnen Emitterströme durch die
Stromverstärkungen der einzelnen Transistoren gegeben, derart, daß die Emitterströme
jeweils um den Faktor (B + 1) der Stromverstärkung kleiner sind als der Emitterstrom
des folgenden Transistors.
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Mit dieser bekannten Anordnung läßt sich zwar ein sehr rascher Anstieg
des Ausgangsstromes erreichen, doch bleibt dieser nach dem Ausschalten des Eingangssignals
noch eine gewisse Zeit bestehen und fällt dann mit relativ flacher Flanke ab. Diese
Verhaltensweise ist bekannt und etwa folgendermaßen erklärbar: Der Kollektorstrom
eines Transistors ist in erster Näherung der Anzahl der in seinem Basisraum befindlichen
freien Ladungsträger proportional. Beim Anlegen z. B. eines Rechteckimpulses an
die Eingangsklemmen der Anordnung gelangen nun sehr rasch Ladungsträger in die Basisräume
der Transistoren, da ja der gesamte Emitterstrom jedes der Transistoren in den Basisraum
des jeweils folgenden Transistors fließt; der Ausgangsstrom folgt also im wesentlichen
unverzerrt und ohne Verzögerung dem Eingangsstrom. Nach dem Verschwinden des Eingangssignals
fließt jedoch der Kollektorstrom noch so lange weiter, bis die zuvor durch den Basisstrom
in den Basisraum gebrachten Ladungsträger (Minoritätsträger) durch Rekombination
aufgebraucht sind: der Flankenabfall des Ausgangssignals erfolgt daher verzögert
und verzerrt. Wenn es also darauf ankommt, bei Verstärkung sehr steiler Stromimpulse
sowohl die Anstiegs- als auch die Abfallflanke möglichst unverzerrt zu übertragen,
ist die bekannte Schaltungsanordnung nicht brauchbar.
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Die Erfindung hat eine Transistorschaltung zum Gegenstand, bei der
durch eine Verbesserung des schaltungsmäßigen Aufbaues die vorerwähnten Nachteile
praktisch beseitigt sind.
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Sie besteht ebenfalls aus zwei oder mehreren Transistoren, wobei die
Basiselektrode eines der Transistoren als Eingangselektrode dient, die Basiselektroden
der anderen Transistoren mit der Emitterelektrode des jeweils davorliegenden Transistors
verbunden sind und die Kollektorströme in eine gemeinsame Verzweigung fließen. Bei
der Erfindung sind jedoch die genannten Emitterelektroden in an sich bekannter Weise
zusätzlich über Ohmsche Widerstände mit der Emitterelektrode des letzten, den größten
Strom führenden Transistors verbunden. Diese Ohmschen Widerstände sind gemäß der
Erfindung so bemessen, daß die Emitterströme der dem letzten vorgeschalteten Transistoren
beim Auftreten eines Signals einen wesentlich größeren, beispielsweise einen zwei-
bis dreimal so großen Wert annehmen, als dies ohne die zusätzlichen Widerstände
der Fall wäre. Diese Emitterströme stellen sich also nicht mehr nur entsprechend
der Stromverstärkung der Transistoren ein, sondern werden im wesentlichen durch
die zusätzlichen Emitterwiderstände bestimmt.
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Die Auswirkung dieser Maßnahmen sowie weiterer Ausbildungen der so
erzielten Schaltungsanordnung seien an Hand der Zeichnung erläutert. Diese zeigt
in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung mit
drei Transistoren. Fig. 2 ist eine Variante dieser Schaltung. Die aus zwei Transistoren
bestehende Schaltung nach Fig. 3 läßt die ergänzende Einfügung weiterer Bauelemente
erkennen. Fig.4 ist eine Verstärkerschaltung, bei welcher insbesondere einer Verzögerung
des Flankenabfalls
am ersten der drei verwendeten Transistoren
entgegengewirkt ist.
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In der Schaltungsanordnung " nach Fig. 1 durchläuft das von einem
Signalgenerator l beliebiger Art stammende impulsförmige Signal zunächst- eine Vorstufe,
welche einen in Emitterschaltung betriebenen Transistor 2 enthält. Der Emitter dieses
Transistors ist unmittelbar mit dem Bezugspotential verbunden, während sein Kollektorwiderstand
3 über Klemme 4 an einer Betriebsspannung von -40V liegt. Die Ausgangsspannung dieser
Stufe wird über eine Klemme 5 dem eigentlichen Leistungsverstärker zugeführt,
wobei ein zwischen dem Kollektor des Transistors 1 und einer Betriebsspannung von
-f-40 V (Klemme 6) angeordneter Spannungsteiler, bestehend aus einem Widerstand
7 und einem wesentlich größeren Widerstand 8, zur Herstellung des erforderlichen
Anschlußpotentials dient.
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Der Leistungsverstärker umfaßt drei Transistoren 9, 10 und 11, deren
Kollektorelektroden in an sich bekannter Weise parallel geschaltet sind, zu einer
Klemme 12 geführt sind und über einen Lastwiderstand 13 mit einer
Betriebsspannung von -15 V (Klemme 14) in Verbindung stehen. Die Emitterelektrode
des Transistors 11 ist mit einer Klemme 15 verbunden, von welcher ein weiterer Widerstand
16 zum Bezugspotential führt. Im Sinne der Erfindung ist nun, im Gegensatz zu den
bekannten Schaltungen dieser Art, die Emitter-Basis-Strecke sowohl des Transistors
11 als auch des Transistors 10 durch einen Widerstand 17 bzw. 18 überbrückt.
Durch diese Emitterwiderstände wird erreicht, daß nach dem Verschwinden des Eingangssignals
die Basisräume der Transistoren 10 und 11 jeweils sehr rasch wieder entladen werden
können. Sie sind so bemessen, daß die Größe der durch die Transistoren
10
bzw. 9 fließenden Emitterströme wesentlich durch sie beeinflußt
wird, daß also diese Emitterströme beim Auftreten eines Signals beispielsweise einen
zwei- bis dreimal so großen Wert annehmen, als dies ohne die zusätzlichen Widerstände
der Fall wäre.
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In besonders vorteilhafter Weise werden die Emitterwiderstände 17
und 18 so bemessen, daß die Emitterströme in der Aufeinanderfolge der Transistoren
etwa eine geometrische Reihe bilden, beispielsweise also für die Transistoren
9, 10 und 11 die Werte 5, 25 bzw. 125 mA annehmen. Erfindungsgemäß
erhält man durch eine solche Bemessung - unter Voraussetzung gleicher Grenzfrequenzen
der Transistoren - kürzestmögliche Abfallzeiten.
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Fig.2 zeigt eine Abwandlung des beschriebenen Leistungsverstärkers,
wobei nur diejenigen Schaltungselemente dargestellt sind, die dem eingerahmten Teil
der Schaltungsanordnung in Fig. 1 entsprechen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich,
unterscheiden sich die beiden Ausführungen nur dadurch, daß in Fig. 2, vom Emitter
des Transistors 11 her gesehen, die Emitterwiderstände 17' und 18' in Serie
liegen. Der Widerstand 17' wird hier von den Emitterströmen beider Transistoren
9 und 10 durchflossen.
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Es ist im Zusammenhang mit der Erfindung selbstverständlich nicht
erforderlich, daß der Leistungsverstärker drei Transistoren aufweist. In Fig. 3
ist beispielsweise eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher im Leistungsverstärker
nur zwei Transistoren 10' und 11' verwendet sind. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung ist hier in Reihe mit dem Emitterwiderstand 17 eine Induktivität
19 geschaltet. Dadurch wird eine weitere Verkürzung sowohl der Anstiegs-
als auch der Abfalldauer eines zu verstärkenden Impulses erzielt. Beim Eintreffen
eines Impulses fließt hier nämlich der Emitterstrom des Transistors 10' zunächst
nicht über 17 und 19, sondern über die Basis des Transistors 11', so daß
dieser sehr schnell die zum Einsatz des Kollektorstromes erforderliche Basisladung
erhält; am Ende des Impulses (beim »Ausschalten«) wird durch die Induktivität
19 ein kurzzeitiges Weiterfließen des Stromes über den Widerstand
17 bewirkt und dadurch der genannte Basisraum sehr schnell wieder entladen.
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Aus Fig.3 ist ferner eine Schaltungsmaßnahme ersichtlich, die es ermöglicht,
die Verlustleistung eines oder mehrerer der Transistoren des Leistungsverstärkers,
hier des Transistors 11', auf einen erwünschten Wert herabzusetzen. Dies wird durch
einen in die Kollektorleitung des betreffenden Transistors eingefügten Vorwiderstand
20 erreicht, der beispielsweise den Wert von einigen Ohm haben kann.
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Eine weitere Ursache für eine Verzögerung der Abfallflanke des Signals
kann darin bestehen, daß der erste der Transistoren des Leistungsverstärkers in
den Sättigungsbereich gesteuert wird und infolgedessen die Abschaltdauer durch seine
zu große Basisladung bestimmt wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist gezeigt,
wie dies bei einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung vermieden werden kann.
Fig.4 entspricht hinsichtlich der Schaltungselemente 1 bis 18 und deren Wirkungsweise
der an Hand der Fig.l erläuterten Schaltung. Mit Hilfe zweier Dioden 21 und 22,
deren eine zwischen die Widerstände 7 und 8' eingefügt und deren andere
in der dargestellten Weise mit dem Kollektor des Transistors 9 verbunden ist, wird
hier eine Sättigungsbegrenzung vorgenommen. Wenn Transistor 9 so weit ausgesteuert
wird, daß die Kollektorspannung etwa gleich der Basisspannung wird, so übernimmt
der Kollektor einen Teil des Eingangsstromes. Der Basisstrom kann also im wesentlichen
nur so weit ansteigen, bis sich die genannte Kollektorspannung einstellt.