DE1130015B - Kettenverstaerker - Google Patents

Description

Kettenverstärker, die eine längs künstlicher Übertragungsleitungen verteilte Anzahl von Elektronenröhren besitzen, sind bekannt. Solche Kettenverstärker verwenden gewöhnlich Mehrgitterelektronenröhren. Dabei wird das Eingangssignal an eine künstliehe Eingangsleitung angelegt, bei der die Nebenschlußkapazität von der Eingangskapazität der Elektronenröhren geliefert wird. Die Steuerelektroden einer jeden der Elektronenröhren werden eine nach der anderen gesteuert, wobei die Verzögerung, mit der die Aufeinanderfolge stattfindet, von den Eigenschaften der künstlichen Eingangsleitung abhängt. Die Anoden sind entsprechend an eine künstliche Ausgangsleitung mit identischen Verzögerungseigenschaften angeschlossen, bei der die Nebenschlußkapazitäten von der Ausgangskapazität der Elektronenröhren geliefert wird. Der Teil des Anodenstromes einer jeden Elektronenröhre, der zum Ausgangsbelastungskreis fließt, addiert sich zu den anderen hinzu.

In seiner einfachsten Form besteht ein Kettenverstärker aus einer Anzahl von längs künstlicher Übertragungsleitungen verteilter Verstärkerelemente. Bei den meisten Verstärkerelementen besteht eine Kapazitätswirkung zwischen den Elektroden, die de facto zu dem an diese angeschlossenen Außenstromkreis parallel geschaltet sind. Diese Kapazität ist es, die im Verein mit dem Eingang sowohl wie dem Ausgang der Verstärkerelemente samt den zum Koppeln derselben dienenden Induktivitäten die künstliche Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen zustande kommen läßt. Damit jedoch derartige künstliche Leitungen zustande kommen können, müssen die angewandten Verstärkerelemente eine hohe Eingangsimpedanz besitzen und ihre Eingangsstromkreise gut gegen ihre Ausgangsstromkreise isoliert sein.

Bei Mehrgitterelektronenröhren, wie sie gewöhnlich bei Kettenverstärkern früherer Ausführung verwendet worden sind, wird das Signal der ersten Steuerelektrode aufgedrückt, um einer hohen Impedanz versichert sein zu können. Weitere Steuerelektroden liefern die erforderliche elektrostatische Abschirmung zur Trennung der Eingangs- von den Ausgangskreisen.

Die obere Frequenzgrenze eines solchen Kettenverstärkers ist durch die Frequenzgrenze seiner Verstärkerelemente selbst gesetzt. Aus diesem Grunde ist man bestrebt, Verstärkerelemente zu verwenden, die ihrer Natur nach eine hohe obere Frequenzgrenze haben, so daß sie einen Kettenverstärker ergeben, den man über ein äußerst breites Frequenzband hin

Anmelder:
General Electric Company,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,
Berlin-Grunewald, Hohenzollerndamm 150

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Februar 1960 (Nr. 11 591)

Robert Lawrence Watters,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.),

ist als Erfinder genannt worden

betreiben kann. Derartige Verstärkerelemente haben jedoch so niedrige Eingangsimpedanzen, daß sich mit ihnen kein künstliches Übertragungsleitungsgebilde herstellen läßt. Ferner beruht das gesamte Prinzip des Kettenverstärkers auf der Annahme, daß sich die Energie auf den künstlichen Übertragungsleitungen nicht zerstreut, so daß jeder niedrige Wert der Eingangsimpedanz sofort gegen dieses Prinzip verstößt.

Ein Beispiel für ein Verstärkerelement mit hoher oberer Frequenz ist die Triodenelektronenröhre. Es ist eine wohlbekannte Tatsache, daß bestimmte Elektronenröhren dieser Art sehr kleine Elektronenübergangsdauern haben und daher bei äußerst hohen Frequenzen betrieben werden können. Solche Elektronenröhren haben jedoch sehr niedrige Eingangsimpedanzen, besonders wenn sie in einer Schaltung mit geerdetem Gitter benutzt werden. Eine Elektronenröhre der Triodenausführung ist aber bei Anwendung in einem Kettenverstärker wegen der Isolation bzw. Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis in einer Schaltung mit geerdetem Gitter zu be-

nutzen, um die gewünschte elektrostatische Abschirmung herzustellen. Dies macht es notwendig, den Eingangskreis an die Kathode anzuschließen, deren

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Impedanz sehr niedrig ist. Falls man andere Verstärkungselemente, z. B. Transistoren u.dgl., anwendet, kann die Eingangsimpedanz in der Größenordnung von 20 Ohm liegen. Solch niedrige Eingangsimpedanzen machen die Anwendung derartiger Verstärkerelemente in einem Kettenverstärker unmöglich.

Es ist daher Gegenstand der Erfindung, einen Kettenverstärker zu schaffen, mit dem sich die Nachteile der in der früheren Verstärkertechnik ange- io wandten Maßnahmen vermeiden lassen.

Bei einem Kettenverstärker mit einer Anzahl von Verstärkerelementen, deren Steuer- und Ausgangselektroden an eine künstliche Eingangs- und Aus-

umdiode von etwa 0,04 bis 0,3 V, während bei Galliumarsenid der Bereich von etwa 0,12 bis zu 0,5 V reicht. Es hat den Anschein, daß die negative Widerstandsänderung einer solchen Diode in dem 5 Frequenzbereich von 0 Hertz bis weit hinaus über die Frequenzen der Mikrowellen von der Frequenz unabhängig ist.

An Hand von in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele sei die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Elektronenröhrenkettenverstärkers nach vorliegender Erfindung,

Fig. 2 die zeichnerische Darstellung einer Stromspannungskennlinie einer typischen hochdotierten

gangsübertragungsleitung angeschlossen sind, läßt 15 Halbleiterdiode mit schmaler PN-Übergangszone, die sich dies nach der Erfindung dadurch erreichen, daß sich für die praktische Ausführung vorliegender Erzur Erhöhung der Eingangsimpedanz parallel zu den findung eignet, wenn man sie mit einer Gleichstrom-Eingängen der Verstärkerelemente hochdotierte belastungsleitung versieht, und Halbleiterdioden mit schmaler PN-Übergangszone Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Teils geschaltet sind, die eine solche Spannung erhalten, so eines vorliegender Erfindung entsprechenden Kettendaß ihr Arbeitspunkt im Bereich negativen differen- Verstärkers, bei dem in jedem Abschnitt Transistoren

tiellen Widerstandes

du_
di

liegt.

als Verstärkungselemente benutzt werden.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines aus einer Anzahl »Teile« eines gemäß der vorliegenden Erfindung aus-

Ein Kettenverstärker nach der Erfindung besitzt

eine größere Verstärkung und eine größere Band- 25 geführten Kettenverstärkers. Ein »Teil« in der hier breite als irgendeine Einrichtung der früheren Ver- angewandten Bedeutung bezieht sich auf eine einstärkertechnik, und es können Verstärkerelemente zelne Verstärkervorrichtung und ihren auf die ÜberVerwendung finden, die für gewöhnlich eine zu nied- tragungsleitung entfallenden Anteil. Eine Anzahl rige Eingangsimpedanz haben, um für die Her- solcher Teile stellt eine »Stufe« dar. In Fig. 1 ist das stellung eines Kettenverstärkers in Betracht zu 30 Verstärkerelement in jedem Teil nur beispielshalber kommen. als Elektronenröhre der Triodenausführung wieder-

Der in der praktischen Anwendung der vorliegen- gegeben. Jedoch können auch andere Verstärkerden Erfindung benutzte Halbleiter ist eine aus einem elemente Anwendung finden, z. B. Transistoren und degenerierten Halbleitermaterial bestehende hoch- andere Verstärkervorrichtungen, die für einen Bedotierte Halbleiterdiode mit schmaler PN-Übergangs- 35 trieb mit äußerst hohen Frequenzen geeignet sind, zone, z. B. eine Tunneldiode. Solche Halbleiter- Um die Erfindung jedoch leichter verständlich zu dioden weisen im Bereich niedriger Spannungen in machen, soll sie in ihren Einzelheiten unter Bezugihrer Stromspannungskennlinie eine Zone negativer nähme auf Fig. 1 beschrieben werden. Widerstandsänderung auf. Jede Elektronenröhre 1 der Triodenausführung be-

Derartige Halbleiterdioden werden hergestellt aus 40 sitzt eine Anode 2, eine Kathode 3 und eine Steuer-Zonen mit einer P- und N-Leitfähigkeit, zwischen elektrode 4. Die Kathode 3 ist durch eine Induktividenen eine sehr enge Übergangszone ist, wobei beide tat 6 mit der Kathode 3' der anschließenden Elek-Zonen »degeneriert« sind. Der Ausdruck »degene- tronenröhre 5 verbunden. Die Anode 2 ist über die riert« bedeutet für eine Substanz oder eine Zone aus Induktivität 7 an die Anode 2' der anschließenden Halbleitermaterial, daß sie, wenn sie N-leitend ist, 45 Elektronenröhre 5 angeschlossen, im Überschuß vorhandene, als Donatoren wirkende Die Verbindung der Induktivität 6 mit der EinVerunreinigungen von genügender Konzentration ent- gangskapazität 8 der Elektronenröhre 1 stellt einen hält, um den »Fermi-Pegel« derselben auf einen Teil der künstlichen Eingangsübertragungsleitung 9 Energiewert heraufzusetzen, der höher als die mini- dar, und die Vereinigung der Induktivität 7 mit der male Energie des Leistungsbandes auf dem Energie- 50 Ausgangskapazität 10 der Elektronenröhre 1 einen banddiagramm des Halbleitermaterials ist. Bei einer Teil der künstlichen Ausgangsübertragungsleitung 11. Halbleitersubstanz oder -zone, die P-leitend ist, be- Die Werte der Induktivitäten 6 und 7 sind so gedeutet Degeneriertheit, daß überschüssige, als Akzep- wählt, daß in den Übertragungsleitungen dieselben toren wirkende Verunreinigungen von genügender Ausbreitungsgeschwindigkeiten auftreten. Die EinKonzentration darin vorhanden sind, um den »Fermi- 55 gangs- und Ausgangskapazitäten 8 bzw. 10 werden Pegel« auf eine Energie herabzusetzen, die niedriger durch die verwendeten Verstärkungsvorrichtungen als die maximale Energie des Valenzbandes auf dem bestimmt, so daß der obigen Forderung gleicher Aus-Energiebanddiagramm für das Halbleitermaterial ist. breitungsgeschwindigkeit durch Anwendung an Über-Der »Fermi-Pegel« in einem solchen Energieband- tragungsleitungen angewandter bekannter Verfahren diagramm ist der Energiepegel, bei dem die Wahr- 60 genügt werden kann. Die Werte der Induktivitäten 6 scheinlichkeit, daß dort ein Elektron vorhanden ist, und 7 hängen daher davon ab, bei wie hoher Fregleich Va ist. quenz der Verstärker betrieben werden soll.

Der Spannungsbereich der Stromspannungskenn- Parallel zur Eingangsimpedanz der Elektronenlinie einer solchen Halbleiterdiode, in dem die Zone röhre 1 liegt an der künstlichen Übertragungsleitung 9 negativer Widerstandsänderungen auftritt, variiert 65 erfindungsgemäß eine hochdotierte Halbleiterdiode abhängig von dem Halbleitermaterial, aus dem sie 12 mit schmaler PN-Ubergangszone. Eine zuhergestellt ist. Zum Beispiel reicht der Bereich der sammenfassend mit 14 bezeichnete Vorspannungsnegativen Widerstandsänderung bei einer Germani- vorrichtung sorgt dafür, daß die Spannung zwischen

den Klemmen 15 bis 16 der Diode 12 so groß ist, daß eine Gleichstrombelastungslinie entsteht, die die Stromspannungskennlinie der Diode im Gebiete negativer Widerstandsänderung schneidet. In Fig. 2 ist eine solche Belastungslinie mit A bezeichnet, die die Stromspannungskennlinie B der Halbleiterdioden im Punkt D im Gebiete negativer Widerstandsänderung schneidet. Es sei angenommen, daß Kurve B eine von allen längs der Eingangs-Übertragungsleitung 9 parallel geschalteten Dioden gemeinsam gebildete Stromspannungskennlinie darstellt. Zu den zur Vorspannungserzeugung dienenden Mitteln gehören ein Siebkondensator 17 und ein Parallelwiderstand 18, die über einen Widerstand 20 an die negative Seite einer Gleichstromspannungsquelle 19 angeschlossen sind.

Die Steuerelektrode 4 kann an eine geeignete Spannungsquelle 21 angeschlossen werden, um für die Elektronenröhre 1 außer der Trennung von Anode 2 und Kathode 3 und einer dazwischenliegenden Erdplatte für Wechselstrom eine Vorspannung herzustellen. Dies ergibt außerdem eine bequeme Justierungsmöglichkeit, mit der man jede durch Unterschiede zwischen den Verstärkungsvorrichtungen verursachte Unsymmetrie kompensieren kann. Eine zweckmäßige Vorspannungseinrichtung kann so aufgebaut sein, wie sie durch 22 dargestellt ist. Die Vorspannungseinrichtung weist eine parallele Anordnung eines Siebkondensators 23 und eines Widerstandes 24 auf, die durch einen Widerstand 25 an die Gleichstromquelle 21 angeschlossen ist. Der Siebkondensator 23 liefert Erdpotential für Wechselstrom.

Die Eingangsübertragungsleitung 9 wird durch die ihr angemessene, zusammenfassend mit 26 bezeichnete Impedanz abgeschlossen, während die Ausgangsübertragungsleitung 11 durch die Impedanz 27 abgeschlossen ist.

Im Betrieb läuft eine an den Eingangsklemmen 28 bis 29 des Kettenverstärkers der Fig. 1 auftretende Welle längs der Eingangsübertragungsleitung 9 zu den Kathoden der jeweiligen Elektronenröhren 1 bis N. Wenn die Welle die Kathoden jeder der Elektronenröhren erreicht, fließen Ströme in jedem der Anodenstromkreise derselben, und jede Röhre sendet Wellen in die Ausgangsübertragungsleitung 11 nach beiden Richtungen hin. Ist die Abschlußimpedanz 27 gleich der charakteristischen Impedanz der Ausgangsübertragungsleitung 11 gewählt, so werden die Wellen, die von jeder Anode nach dem Ende der durch diese abgeschlossenen Leitung hinlaufen, vollständig absorbiert und tragen mithin keineswegs zu der erzeugten Leistung bei. Die Wellen jedoch, die von jeder Anode nach den Ausgangsklemmen 30 und 31 laufen, addieren sich alle in ihrer Phase miteinander. Dies ist auf die Anordnung der zwischen Ein- und Ausgang vorhandenen Strompfade sowie auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeiten beider Übertragungsleitungen 9 und 11 die gleichen sind. Läuft z. B. eine Welle von der Anode der Röhre 1 aus, so erreicht sie die Anode der Röhre 5 zur gleichen Zeit, in der das eingehende Zeichen einen Stromfluß im Anodenkreis der Röhre 5 erzeugt, und die beiden Wellen addieren sich. Die Leistungsabgabe des Verstärkers ist daher praktisch proportional zur Zahl der benutzten Verstärkervorachtungen.

In jeder Verstärkervorrichtung entspricht die Eingangsimpedanz der Parallelkombination aus dem negativen differentiellen Widerstand der Halbleiterdiode und dem Wert der Eingangsimpedanz des benutzten Verstärkerelementes. Diese effektive Eingangsimpedanz läßt sich durch die Beziehung ausdrucken:

R₁ + (- ■

worm

Z_iB = effektive Eingangsimpedanz der Kombination,

R₁ = Eingangsimpedanz der Verstärkervofrich-

tung,
(—R) = negativer

differentieller Widerstand

der Halbleiterdiode.
Dieser Wert kann mithin groß gemacht werden, ohne die Eigenschaften der Eingangsleitung zu beeinträchtigen.

Aus dieser Beziehung ist zu ersehen, daß, wenn sich die Eingangsimpedanz des Verstärkerelementes größenmäßig dem Betrag der negativen Widerstands-

ao änderung der Halbleiterdiode nähert, die effektive Eingangsimpedanz sich einem unendlich großen Werte nähert.

Die Halbleiterdiode 12 wird daher so gewählt, daß sie einen Absolutwert der negativen Widerstandsänderung besitzt, der wenig größer als die Eingangsimpedanz des verwendeten Verstärkungselementes ist, so daß die Impedanz der Parallelkombination aus Eingangsimpedanz der Verstärkungsvorrichtung und negativem Widerstandswert von Halbleiterdiode 12 im Vergleich zur charakteristischen Impedanz der Leitung groß ist. Wie groß der Wert dieser effektiven Impedanz zu machen ist, hängt von Faktoren wie der Zahl der bei dem Verstärker angewandten Verstärkungsvorrichtungen und der von jeder Verstärkungsvorrichtung gewünschten Verstärkung ab. Je größer z. B. die Eingangsimpedanz jedes Teils im Vergleich zu der charakteristischen Impedanz der Leitung ist, um so kleiner ist der in jedem Teil vorhandene Verlust. Die Fig. 2 zeigt eine Wechselstrombelastungskennlinie C von nahezu derselben Neigung wie die der Stromspannungskennlinie der Halbleiterdioden im Arbeitspunkt D, so daß unter dieser Bedingung die Eingangsimpedanz sehr groß ist.

Ist die gewählte Halbleiterdiode eine solche, bei der man den gewünschten Wert der negativen Widerstandsänderung unmittelbar aus dem in jeder Verstärkungsvorrichtung fließenden Strom erhält, so werden keine zusätzlichen Vorspannungsvorrichtungen benötigt. Ferner kann auch eine geeignete Vorspannung mit Hilfe eines Widerstandes geschaffen werden, der zu jeder Halbleiterdiode einen Nebenschluß bildet, so daß er für jeden in der Verstärkervorrichtung fließenden Strom, der über den zur Erzeugung der gewünschten negativen Widerstandsänderung erforderliehen hinausgeht, einen Umgehungsweg darstellt. Die letztere Vorspannungsvorrichtung ist zweckmäßig, wenn in einem besonderen Falle gewünscht wird, daß die Verstärkungseinrichtung gleichmäßig auf Frequenzen von 0 Hertz bis zu einer vorher festgesetzten

Grenze hoher Frequenz anspricht. Die bei 14 wiedergegebene Vorspannungsvorrichtung würde, obwohl mit ihr ein Betrieb bis herunter zu sehr niedrigen Frequenzen möglich ist, nicht den Betrieb bis zum Gleichstrom auszudehnen gestatten.

Fig. 3 gibt einen Teil eines vorliegender Erfindung entsprechenden Kettenverstärkers wieder, in dem die in jedem Teil vorhandenen Verstärkungselemente Transistoren sind. Der Transistor 34 besitzt einen

Emitter 35, einen Kollektor 36 und eine Basis 37. Bei dem der Darstellung entsprechenden Leitergebilde mit gemeinsamer Basis ist der Emitter 35 an die Eingangsübertragungsleitung 9, der Kollektor 36 an die Ausgangsübertragungsleitung 11 und die Basis 37 an Erdpotential angeschlossen.

Die Halbleiterdiode 12 liegt zum Eingang des Transistors 34 parallel, um, wie bei der Beschreibung der Fig. 1 dargelegt ist, der Erfindung entsprechend eine hohe Eingangsimpedanz zu schaffen. Man kann jede beliebige zweckentsprechende Vorspannungsvorrichtung anwenden, die die richtigen Betriebsspannungen für die Transistoren liefert und gleichzeitig eine solche Potentialdifferenz an den Klemmen 15 bis 16 hervorruft, daß eine Belastungslinie entsteht, die die Strom-Spannungskennlinie der Halbleiterdiode in der Zone negativer Widerstandsänderung schneidet.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kettenverstärker mit einer Anzahl von Ver-Stärkerelementen, deren Steuer- und Ausgangselektroden an eine künstliche Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitung angeschlossen sind, da-

durch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Eingangsimpedanz parallel zu den Eingängen der Verstärkerelemente hochdotierte Halbleiterdioden mit schmaler PN-Übergangszone geschaltet sind, die eine solche Spannung erhalten, daß ihr Arbeitspunkt im Bereich negativen differentiellen du

Widerstandes

di

liegt.

2. Kettenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen an der Halbleiterdiode so gewählt sind, daß die sich aus der Eingangsimpedanz des Verstärkerelementes und des negativen differentiellen Widerstandes der Halbleiterdiode infolge der Parallelschaltung ergebende resultierende Eingangsimpedanz groß ist im Vergleich zu der Impedanz der Eingangsübertragungsleitung.

3. Kettenverstärker nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen an der Halbleiterdiode so gewählt sind, daß der Betrag ihres negativen differentialen Widerstandes fast gleich dem Wert der Eingangsimpedanz des Verstärkungselementes ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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