DE1277907B

DE1277907B -

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Publication number: DE1277907B
Application number: DE19651277907
Authority: DE
Priority date: 1963-08-12
Filing date: 1965-11-22
Publication date: 1973-11-22
Also published as: GB1053280A; GB1009075A; DE1277907C2; DE1463621C3; FR1454239A; DE1463621B2; DE1463621A1; US3267298A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 77 907.6-31 (J 29427)

22. November 1965

19. September 1968

Die Erfindung betrifft eine Transistorschaltungsanordnung zur Umwandlung einer Rechteckschwingung in eine Sinusschwingung, bei welcher die über die Signaleingangselektrode zugeführte Rechteckschwingung einen mit einer anderen Elektrode des Transistors verbundenen Resonanzkreis anstößt.

Eine bekannte Schaltungsanordnung dieser Art besteht aus einer Kollektorschaltung, bei der eine Resonanzkreisanordnung an den Emitter des Transistors angeschlossen ist. Nachteilig wirkt sich aber hierbei aus, daß die Resonanzanordnung, da der gesteuerte Strom zwangläufig hierüber fließen muß, lastabhängig bedämpft wird; d. h., Frequenz und Oberwellengehalt sind bei dieser bekannten Schaltungsanordnung schon aus diesem Grund nicht unabhängig vom angeschlossenen Außenwiderstand.

Um eine vollständige Periode einer Sinusschwingung zu erhalten, muß die Resonanzanordnung bei der bekannten Ausfuhrungsform aus der Kombination eines Serienresonanzkreises mit einem Parallelresonanzkreises bestehen, da die Dämpfung des Serienresonanzkreises durch den leitenden Transistor sehr groß ist und andererseits der Parallelresonanzkreis bei leitendem Transistor ohne nennenswerte Wirkung bleiben müßte. So ergibt sich, daß die Serienresonanzkreise nicht je für sich allein bei der obenerwähnten Kollektorschaltung betrieben werden können.

Da dem Emitter die Betriebsspannung zugeführt werden muß, ist es schließlich erforderlich, zwei Induktivitäten für die notwendige Resonanzkreisanordnung zu verwenden. Hieraus ergibt sich einmal, daß die Güte des Resonanzkreises nicht in erster Linie durch die Wahl des Induktivitätswerts, der im übrigen für beide Induktivitäten möglichst gleich sein muß, festgelegt werden kann, da eine Kompromißlösung in dieser Hinsicht nicht zu umgehen ist, und zum anderen es immerhin einen gewissen Aufwand erfordert, zwei genau gleiche Induktionsspulen in einem Schaltungsaufbau bereitzustellen. Die zwangläufige Kompromißlösung für die Wahl des Induktivitätswerts ergibt sich daraus, daß bei einem Parallelresonanzkreis die Güte umgekehrt proportional der Induktivität und bei einem Serienresonanzkreis proportional der Induktivität ist.

Beides aber, sowohl genau gleicher Induktivitiätswert als auch möglichst hoher Induktivitätswert sind für eine möglichst getreue Sinusform der abgegebenen Schwingung eine unabdingbare Voraussetzung.

Darüber hinaus bleiben auch Exemplarstreuungen der verwendeten Transistoren auf das Betriebsverhalten nicht ohne Einfluß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin,

Transistorschaltungsanordnung zur
Umwandlung einer Rechteckschwingung in eine Sinusschwingung

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busch, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Dale Holmes Rumble, Saugerties, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. November 1964
(413 741)

unter Vermeiden der oben aufgeführten Nachteile eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, die bei Leistungsverstärkung eine möglichst getreue Sinusform der Ausgangsschwingung erreicht und zudem noch eine Phasenverschiebung der Ausgangsschwingung ohne nennenswerte Frequenzänderung und unter Beibehalten der getreuen Sinusform gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der in Basisschaltung betriebene Transistor einen Serienresonanzkreis hoher Güte an seinem Basisanschluß enthält.
Zum Erreichen der erforderlichen hohen Güte läßt sich einmal ein Basiswiderstand hohen Wertes wählen, so daß sowohl die Dämpfung des Resonanzkreises ausreichend gering gehalten als auch der für den Betrieb des Transistors notwendige Basisruhestrom bereitgestellt wird, und zum anderen ein mögliehst hoher Wert für die Induktivität festsetzen.

Dies bringt den weiteren Vorteil, daß durch Änderung des Kapazitätswertes des Serienresonanzkreiskondensators die Phasenlage der Ausgangsschwingung ohne nennenswerte Frequenzabweichung verschoben werden kann.

Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn die Werte der Schaltelemente des Serienreso-

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nanzkreises so gewählt sind, daß sich eine Abstim- anspricht, die höher sind, als es der Grundwelle des mung auf ein Drittel der Grundfrequenz der Recht- zugeführten Rechtecks entspricht. Zur Zuführung der eckschwingung ergibt. Bei dieser Bemessung sind die Emittervorspannung dient ein Widerstand 17 in Serie besten Ergebnisse erzielt worden. mit einer Spannungsquelle 19, deren anderer Pol an

Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken wird 5 Erde liegt. Die Vorspannung ist dabei so eingestellt, bei Zuführung von Rechteckimpulsen mit äußerst der der Transistor normalerweise leitend ist, d. h., steilen Anstiegsflanken der Signaleingangselektrode der Arbeitspunkt liegt im Arbeitsbereich. Während ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet. Gegenüber bekannten des Betriebs wird dann dieser Arbeitsbereich nicht Vorrichtungen braucht aber in diesem Fall dieses verlassen. Es versteht sich von selbst, daß ohne Tiefpaßfilter nur aus einem Längswiderstand und io weiteres auch ein PNP-Transistor verwendet werden einer Querkapazität zu bestehen, denn dieses hat sich kann, wenn die Betriebsspannungen entsprechend ein als vollkommen ausreichend erwiesen. Zweckmäßiger- anderes Vorzeichen erhalten.

weise sind dabei die beiden passiven Schaltelemente Zur selektiven Verstärkung der Grundfrequenz-

dieses Tiefpaßfilters regelbar ausgeführt. signale bzw. der jeweiligen Harmonischen niedriger

In vielen Fällen der praktischen Anwendung der 15 Ordnung dient ein frequenzabhängiges Glied erfindungsgemäßen Schaltung ist es von Vorteil, wenn zwischen der Basiselektrode 13 des Transistors und die Eingangsimpedanz gleich der Ausgangsimpedanz Erde. Hierzu wird ein Widerstand 21 in Parallelist. Hierzu dient ein am Ausgang der erfmdungs- schaltung zu einer Hintereinanderschaltung einer gemäßen Schaltungsanordnung angeschlossenes Hoch- Spule 23 und eines veränderbaren Kondensators 25 paßfilter, das gleichzeitig eine geringe Ausgangsimpe- 20 verwendet. Ein solcher LCR-Kreis wird, wie noch danz bietet. Die Bemessung dieses Hochpaßfilters ist weiter unten beschrieben, so abgestimmt, daß die dabei natürlich so gewählt, daß die entstandene Sinus- Transistorstufe, die Grundfrequenz oder jeweils eine Schwingung ohne Verzerrung auf den Ausgang über- Harmonische niedriger Ordnung der Eingangsrechttragen werden kann. eckwelle selektiv verstärkt. Diese selektive Verstär-

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße 25 kung hat zum Ergebnis, daß alle Harmonischen Schaltungsanordnung nur eine vernachlässigbare höherer Ordnung erheblich gedämpft werden, so daß Dämpfung auf die Rechteckschwingungsquelle aus- eine reine Sinusschwingung an der Kollektorelektrode übt. Außerdem hat sich ergeben, daß die Phasenlage 15 des Transistors 7 entsteht. Wenn eine Phasenverder Ausgangsschwingung, wenn nicht absichtlich eine Schiebung der Ausgangssinusschwingung gegenüber Phasenverschiebung herbeigeführt worden ist, nur zu 30 dem Eingangsrechtecksignal erforderlich ist, dann einem vernachlässigbaren Anteil von der der Ein- muß das Verhältnis der Induktivität der Spule 23 zur gangsrechteckschwingung abweicht. Kapazität des Kondensators 25 groß sein. Ist dieses

Ä VerMHnisi hinreichend groß, dann fcann di_eSe

des Frequenzverhaltens keinerlei Instabilitäten. 35 Phasenverschiebung der Ausgangssinusschwingung

Die Erfindung wird nun an Hand eines nachfolgen- durch Änderung der Kapazität des Kondensators 25

den Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt bis auf einen Wert von 90° eingestellt werden.

F i g 1 die Schaltung des Ausführungsbeispiels ge- Um der Bedingung zu genügen, daß die Ausgangs-

mäß der Erfindung, impedanz der Schaltungsanordnung auf die Eingangs-

Fig. 2 eine graphische Darstellung in der der 40 impedganz angepaßt ist, sind im Kollektorkreis des

Widerstand des Basisschaltkreises in Abhängigkeit Transistors 7 Anpassungsmittel vorgesehen; es ergibt

von der Frequenzabweichung gegenüber der Reso- sich so eine Ausgangsimpedanz, die der Eingangs-

nanzfrequenz dargestellt ist. impedanz der erfindungsgemäßen Schaltungsanord-

In der Schaltung nach F i g. 1 speist ein Rechteck- nung entspricht. Ist darüber hinaus die Eingangsgenerator 1 bekannter Bauart über einen Wider- 45 impedanz der erfindungsgemäßen Schaltung an eine stand 3 und einen Kondensator 5 den Emitter eines hieran anzuschließende weitere Schaltungsanordnung Transistors 7. Als Widerstand 3 wird vorzugsweise angepaßt, dann ergibt sich bei der Anwendung der ein Drehwiderstand verwendet. Zur Dämpfung höhe- erfindungsgemäßen Schaltung keine Verzerrung oder rer Ordnungen der Harmonischen der Rechteckwelle sonstige ungewollte Störung. Um dies zu erreichen, dient ein .RC-Netzwerk im Emitterkreis des Tran- 50 liegt zwischen Kollektor 15 und Erde eine Spule 27 sistors 7, in dem ein Drehkondensator 9 am Verbin- und parallel zur Spule 27 die Serienschaltung eines dungspunkt zwischen Drehwiderstand 3 und Konden- Kondensators 29 mit einem Widerstand 31. Die Aussator5 einerseits und an der anderen Klemme des gangssinusschwingung wird dann am Verbindungs-Rechteckgenerators 1 angeschlossen ist. Das RC- punkt des Kondensators 29 mit dem Widerstand 31 Netzwerk wird so abgestimmt, daß die ungewünschten 55 und an Erde abgegriffen. Die Werte der zuletzt ge-Harmonischen höherer Ordnung der Rechteckwelle nannten Schaltelemente sind dabei so gewählt, daß wirksam gedämpft werden. Es versteht sich von die obenerwähnte Anpassung erzielt wird, d. h., die selbst, daß das ÄC-Netzwerk überflüssig ist, wenn Werte hängen im einzelnen von der Impedanz des die Anstiegs- und Abfallzeiten der Rechteckwelle Emitterkreises und vom Grad der zu ezrielenden Annicht äußerst kurz sind. So hat sich herausgestellt, 60 passung ab. Es ist dabei zweckmäßig, die durch die daß ein Filter dann überflüssig ist, wenn die Anstiegs- Spule 27 und den Kondensator 29 bedingte Zeitkonzeit der Rechteckwelle nicht wesentlich kürzer als stante hinreichend groß gegenüber der Periode der 0,05 Mikrosekunden ist. Grundwelle zu machen, um so eine Verzerrung der

Die Rechteckwelle wird also auf den Emitter 11 Ausgangssinusschwingung am Kollektor 15 des

des Transistors 7 übertragen. Der Transistor 7 wird 65 Transistors 7 zu vermeiden.

in Basisschaltung betrieben und ist vom NPN-Leit- Während oben die erfindungsgemäße Schaltungs-

fähigkeitstyp. Die einzige Anforderung, die an den anordnung als solche beschrieben worden ist, soll

Transistor 7 gestellt ist, ist die, daß er auf Frequenzen nunmehr dargelegt werden, nach welchen Gesichts-

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punkten die Werte der einzelnen Schaltelemente zu getragen. Aus der Diskussion der Kurve Q₁ ergibt bestimmen sind. Zur Erläuterung sei angenommen, sich, daß es ohne weiteres möglich ist, einen Basisdaß eine Rechtecksignalquelle benutzt wird, deren kreis mit einer hohen Güte Q auf eine Subharmo-Frequenz 2 Megahertz beträgt und deren Ausgangs- _nische Λ Grundfrequenz /₀ abzustimmen, so impulse eine Anstiegszeit von 0,001 Mikrosekunden 5 3 ^M '° '
aufweisen. Da somit aber die Anstiegszeiten relativ daß der Basiskreis der Grandfrequenz eine geringere kurz sind, dürfte es zweckmäßig sein, zunächst die Impedanz bietet als Harmonische höherer Ordnung. Harmonischen höherer Ordnung eingangsseitig aus- Der Gewinn des Transistorverstärkers in Basiszufiltern. Dies ist im Einklang mit der oben ange- schaltung, wie hier gezeigt, ist für die Signale untergebenen Maßangabe, nämlich der, daß ein solcher ₁₀ schiedlicher Frequenz umgekehrt proportional der Filter dann vorzusehen ist, wenn die Anstiegszeit Impedanz des Basiskreises für die entsprechenden eines Rechteckimpulses weniger als 0,05 Mikro- Frequenzen. Wenn also der Basiskreis, wie hier gesekunden mit Bezug auf die Grundfrequenz beträgt. _{zd auf die Fr enz} A abgestimmt ist, dann wer-Ist nun aber die Impedanz des Rechtecksignal- 3 °
generators bekannt und hat sich außerdem ergeben^ _{15 deQ s}- _{le mit} ^ _{F die der Frequenz}/.. daß die Harmonischen höherer Ordnung ausgefiltert ^a ι > ^₃ werden müssen, dann ergeben sich die Werte für benachbart sind, in viel größerem Ausmaß verstärkt, den Widerstand 3 und den Kondensator 9 des als die Harmonischen höherer Ordnung, und zwar XC-Tiefpaßfilters aus der dadurch gegebenen An- einfach aus dem Grand, weil der Basiskreis Harmopassungsbedingung und den gewünschten Filter- ₂₀ nischen höherer Ordnung eine sehr viel höhere Imeigenschaften. Die Werte der übrigen Schaltelemente, pedanz bietet. Darüber hinaus haben Versuche erd. h. die zur Bereitstellung der Vorspannung dienen- geben, daß bei einer erfindungsgemäßen Schaltung, den und die frequenzabhängigen Schaltelemente im die mit Rechtecksignalen einer Folgefrequenz von Basiskreis können in bekannter Weise festgelegt 2 Megahertz und einer Anstiegszeit von 0,001 Miwerden. Auf die Schaltelemente im Basiskreis wird 35 krosekunden betrieben wird, der Basiskreis vorzugsim übrigen weiter unten noch näher eingegangen weise auf § Megahertz abgestimmt werden soll. Bei Werden. Es sei hier nur so viel gesagt, daß der Wert einer solchen Abstimmung und vorausgesetzt, daß der Reaktanz der Spule 23 sehr viel größer ist als die Güte Q des Basiskreises ausreichend hoch ist, der Wert der Reaktanz des Kondensators 25. Auf ergibt sich eine befriedigende selektive Verstärkung diese Weise wird erreicht, daß der Basiskreis gegen- 30 der Grandfrequenz, so daß eine im wesentlichen reine über Reaktanzänderungen des Kondensators 25, die Sinusschwingung am Kollektor 15 ohne Harmonische eich ergeben, wenn die Phasenbeziehungen zwischen höherer Ordnung entsteht.

den Eingangs- und Ausgangssignalen geändert wer- Wird dagegen die Güte Q herabgesetzt, z. B. von den, relativ unempfindlich ist. Sind die obengenann- Q₁ auf Q₂ (Fig. 2), dann wird die Impedanz des ten Werte einmal festgelegt, dann ergeben sich die 35 Basiskreises gegenüber den Harmonischen höherer Werte der die Vorspannungen bereitstellenden Bau- Ordnung ebenfalls herabgesetzt, so daß bei diesen elemente unter Berücksichtigung, daß der Transistor? Frequenzen ebenfalls eine höherer Verstärkung wirk-Im Leitfähigkeitsbereich betrieben wird. Die jeweili- sam ist. Das hat zur Folge, daß das Ausgangssignal gen Werte der Kondensatoren 5 und 29 sind ent- einen mehr oder weniger großen Anteil an Harmoeprechend den Filterbedingungen gewählt. Für die 40 nischen enthält und eine dementsprechende Ab-Wahl des Transistors 7 ist maßgebend, daß er auf weichung von einer Sinusschwingung besitzt. Das Frequenzen ansprechen muß, die wesentlich größer zeigt aber, daß es vorteilhaft ist, einen Basiskreis sind als die Grandfrequenz der Rechteckschwingung. zu verwenden, der eine relativ hohe Güte Q besitzt. Nachstehend aufgeführte Werte beziehen sich auf Da bei der Bemessung der Bauelemente berücksicheine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die auf 45 tigt werden muß, daß ein ausreichender Basisstrom Rechteckschwingungen mit einer Frequenz von bereitgestellt werden muß, um den Transistor? zu 2 Megahertz anspricht, wobei die Impulsanstiegs- betreiben, ergibt sich für den Wert des Widerstanzeiten 0,001 Mikrosekunden betragen. Ferner soll des 21, daß er sowohl den Vorspannungsbedingungen der Verstärkungsfaktor mit Bezug auf die Spitzen- genügt, als auch den Bedingungen für die Güte Q.
amplituden 1 sein: 50 Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungs- R. = eingestellt auf 100 Ω, anordnung nach Fig. 1 sei also angenommen daß r _ η πι ρ die Frequenz der Rechteckschwingung zwei Mega-

C = JneesteUt auf 4700 oF ^{hertz beträ}St? ^{daß die Güte des} Basiskreises (F i g. 2)

T = ?T^Q14 4/UU p±-, _{den Veriauf der Kurveßi besitztj und daß der}

Basiskreis auf die Frequenz ^ abgestimmt ist. Hierbei werden dann die Harmonischen höherer Ordnung im Emittereingangskreis durch das bereits erwähnte .RC-Filter ausgesiebt. Darüber hinaus verhin-

60 dert der Kopplungskondensator 5 die Übertragung einer Gleichstromkomponente. Das sich daraus ergebende Signal, das frei von Harmonischen höherer Ordnung ist und außerdem keine Gleichstromkoin-

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schal- ponente aufweist, wird nun der Emitterelektrode 11

tung läßt sich am besten an Hand der graphischen 65 zugeführt. Die Folge der Wirkung des auf die Fre-

Darstellung nach Fig. 2 erläutern. Hierin ist die /„ _abgestimmten Basiskreises und des hohen

Impedanz des Basiskreises in Abhängigkeit von der ⁿ 3 °

Frequenzänderung relativ zur Resonanzfrequenz auf- Q-Wertes wird die Grundfrequenz /₀ in einem sehr

	2 N 914,
R =	100 Ω,
F₁₉ =	6 V,
R =	82 000 Ω,
L₀₃ =	ImH,
^25	25 bis 70 pF,
^₂₇ =	ImH,
^"29	0,01 μΡ,
	82 Ω.

viel höherem Ausmaß als andere Frequenzanteile verstärkt, die der Emitterelektrode zugeführt werden. Es hat sich gezeigt, daß das an der Kollektorelektrode 15 auftretende Signal im wesentlichen frei von Harmonischen ist, so daß am Ausgang eine mindestens nahezu reine Sinusschwingung mit der Frequenz /₀ entsteht. Diese Sinusschwingung wird nun über das Ausgangsfilter, bestehend aus der Spule 27, dem Kondensator 29 und dem Widerstand 31, den Ausgangsklemmen zugeführt. Wie oben bereits erwähnt, ist die LC-Zeitkonstante des Ausgangsfilters so gewählt, daß sie relativ groß zur Periode der Sinusschwingung ist, so daß hierdurch keine Verzerrung eingeführt wird.

Soll die Phasenlage der Ausgangssinusschwigung in bezug auf die Phasenlage der Eingangsrechteckschwingung geändert werden, dann muß die Kapazität des Kondensators 25 entsprechend geändert werden. Wird hierbei berücksichtigt, daß der induktive Widerstand der Spule 23 sehr viel größer ist als der kapazitive Widerstand des Kondensators 25, dann haben Änderungen des kapazitiven Widerstandes des Kondensators 25 einen wesentlichen Einfluß auf die Phasenlage der Ausgangssinusschwingung. Der Bereich des Drehkondensators C₂₅ gestattet so eine Phasenänderung von ± 45°.

Claims

Patentansprüche:

1. Transistorsschaltungsanordnung zur Um-Wandlung einer Rechteckschwingung in eine Sinusschwingung, bei welcher die über die Signaleingangselektrode zugeführte Rechteckschwingung einen mit einer anderen Elektrode des Transistors verbundenen Resonanzkreis anstößt, dadurch gekennzeichnet, daß der in Basisschaltung betriebene Transistor einen Serienresonanzkreis hoher Güte an seinem Basisanschluß enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zuführung von Rechteckimpulsen äußerst steiler Anstiegsflanke der Emitterelektrode als Signaleingang ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanz der Schwingkreisspule (23) im Verhältnis zur veränderbar ausgebildeten Reaktanz des Schwingkreiskondensators (25) groß ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Schaltelemente des Serienresonanzkreises (23, 25) so gewählt sind, daß sich eine Abstimmung auf ein Drittel der Grundfrequenz der Rechteckschwingung ergibt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor (15) des Transistors (7) und dem Ausgang ein Hochpaßfilter (27, 29, 31) zur Anpassung des Ausgangswiderstandes auf den Eingangswiderstand eingeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 995 709.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen