DE1200872B - Impulserzeuger - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Deutsche Kl.: 21 al-36/02

Nummer: 1200 872

Aktenzeichen: N 24877 VIII a/21 al

Anmeldetag: 25. April 1964

Auslegetag: 16. September 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine Impulserzeugerschaltung unter Verwendung eines Lawinentransistors.

Die Abb. la und 1 b geben das Schaltschema zur Erläuterung des Lawineneffekts eines Transistors und die entsprechenden Strom-Spannungs-Kennlinien wieder.

Es ist allgemein bekannt, daß bei der Schaltung eines Lawinentransistors zwischen den Klemmen 1 und 2 in A b b. 1 a Strom-Spannungs-Kennlinien ent- ίο stehen, wie sie in Abb. Ib dargestellt sind.

In A b b. 1 a sind bei einem pnp-Flächentransistor der Emitter!? einer p-leitenden Schicht mit der Basis B einer η-leitenden Schicht über einen Widerstand R₁, der negative Pol einer Spannungsquelle V Impulserzeuger

Anmelder:

Nippon Telegraph and Telephone

Public Corporation, Tokio

Vertreter:

Dr. H. Hermelink, Patentanwalt,

München-Obermenzing, Kaskadenweg 17

Als Erfinder benannt:

Seiji Kanai, Takeo Tominaga, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 25. April 1963 (21 055)

mit dem Kollektor C einer p-leitenden Schicht über einen Widerstand R₂ und der positive Pol der Spannungsquelle V mit der Basisklemme verbunden.

Da die Spannung in Sperrichtung eines gewöhnlichen pn-Übergangs wirkt, fließt nur ein schwacher Leckstrom I_co durch den Basiswiderstand R₁ und bewirkt am Basis-Emitter-Ubergang eine schwache Vorspannung in Durchlaßrichtung. Infolgedessen fließt ein Emitterstrom I_e in die Basisschicht. Bei

diesem Emitterstrom fließt «/,, (wobei * der Strom- 25 niedriger Stromstärke ist eine ausreichende Reduverstärkungsfaktor zwischen Emitter und Kollektor zierung der Kollektorspannung erforderlich. Es ist ist) als Kollektorstrom /,, aus der Kollektorschicht überflüssig, darauf hinzuweisen, daß der Arbeitsund (1 — a) I_e in entgegengesetzter Richtung wie I_c0 punkt bei Unterbrechung oder Anlegen einer Sperraus der Basisschicht und verringert den Strom des spannung im Emitterkreis ebenfalls zum Zustand Emitters in Durchlaßrichtung. Solange * kleiner ist 30 mit niedriger Stromstärke zurückkehrt. Es ist beals 1, wird der Emitterstrom schwach gehalten. Bei kannt, daß der Übergang zum Zustand mit hoher Erhöhung der Kollektorspannung auf einen Spannungsbereich, in dem a infolge der lawinenartigen
Trägervervielfachung größer ist als 1, erfolgt eine

Umkehrung der Flußrichtung des Stroms (1—<x)I_e, 35 sich dies so vorstellen, daß im Bereich der lawineneine Verstärkung der Emittervorspannung in Durch- artigen Trägervervielfachung ein starkes elektrisches laßrichtung und infolge der positiven Rückkopplung Feld erzeugt und demgemäß eine Beschleunigung eine weitere Zunahme des Emitterstroms /„. Die des durch die Basis fließenden Trägerstroms herbei-Folge ist eine rasche Zunahme des Kollektor- geführt und die Laufzeit reduziert wird. Es ist bestroms I_n der nur durch den Gesamtwiderstand im 40 kannt, daß der Lawinentransistor die Eigenschaft Stromkreis begrenzt wird; außerdem muß die KoI- besitzt, Ein- und Ausschaltungsvorgänge mit höheren lektorspannung lediglich χ größer als 1 halten.

A b b. 1 b zeigt eine Strom-Spannungs-Kennlinie für die erwähnten Verhältnisse. Sie hat einen Bereich mit negativem Widerstand. Die Kollektorspannung V_c ist auf der Abszisse, der Kollektorstrom I_c auf der Ordinate aufgetragen. Der Arbeitspunkt, der sich zunächst an einer Stelle niedriger Stromstärke A befand, steigt über einen Scheitelpunkt C entlang der Belastungslinie an, bis er einen Zustand hoher Stromstärke B erreicht. Zur Rückführung dieses Arbeitszustandes auf den Ausgangszustand mit Stromstärke vom Zustand mit niedriger Stromstärke infolge des Lawineneffekts innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes vor sich geht. Physikalisch muß man

Geschwindigkeiten als ein gewöhnlicher Transistor von beispielsweise der gleichen Struktur und den gleichen Dimensionen vorzunehmen.

Hinsichtlich der Verwendbarkeit der heute allgemein bekannten Lawinentransistoren gibt es beispielsweise Schaltkreise oder Kippschaltungen, meistenteils unter Anwendung des negativen Widerstandsphänomens.

Trotz der Ausnutzung der hohen Ansprechgeschwindigkeit des Transistors ist der Anwendungsbereich im Vergleich zur allgemeinen Wirkungsweise

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der Transistoren beschränkt. Bei Erzeugung einer impulsspannungserzeuger S wird zwischen dem KoI-Treppenspannnung wird z.B. jeder Kreis mittels lektorC und der Verbindungstelle des Widerstaneiner Kombination von Transistoren und Dioden des R₁ und des Kondensators C₀ angeschaltet, oder Elektronenröhren aufgebaut, aber es gab bisher Nunmehr wird beispielsweise eine Sägezahnspankeine Schaltung unter Verwendung eines Lawinen- 5 nung des Kipp-(Impuls-)Generators S zwischen den transistors. Klemmen 1 und 2, d h. zwischen .der Kollektor-Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schal- elektrode C und der Basiselektrode B mittels des tung zur Erzeugung von Impulsen in jeder gewünsch- Widerstandes R₀, wie in der Zeichnung dargestellt, ten Zahl bereitzustellen, die eine leichte Steuerung angelegt.

der Länge der Impulspausen durch Verwendung io Die Polung der angelegten (Impuls-)Spannung ereines Lawinentransistors ermöglicht. folgt in der Weise, daß der Pol 1 in dem dargestell-Die erfindungsgemäße Impulserzeugerschaltung ten Fall negativ und der Pol 2 positiv sind. In diesem unter Verwendung eines Lawinentransistors ist da- Zustand fließt der Strom bei Kippspannungsanstieg durch gekennzeichnet, daß Emitter und Basis eines verzweigt zum Widerstand R₁ und Kondensator C₀, einzigen Transistors, dessen Grenzschichtenberüh- 15 wobei der Strom I₂ in die Emittergrenzschicht fließt, rungsspannung kleiner als die Lawinendurchbruchs- Bei richtiger Wahl des Kondensators C₀ und gespannung für die Kollektorgrenzschicht ist, mittels nügend schneller Zunahme des Kippschwingimpulses eines Kondensators verbunden sind und daß am ist der vom Kondensator gebildete Blindwiderstand Kollektor eine zeitlich zunehmende Steuerspannung klein im Vergleich zum Wert des Widerstandes A₁, liegt. 20 und der Anfangsstrom fließt hauptsächlich durch den

Es ist auch möglich, Emitter und Kollektor des Kondensator C₀.

Transistors zu vertauschen. In diesem Falle muß na- Dies besagt, daß der Kondensator C₀ in diesem türlich die Grenzschichtenberührungsspannung klei- ersten Übergangszustand bei Anlegen eines Kippner als die Lawinendurchbruchsspannung der Emit- Schwingimpulses wie eine Art Kurzschluß zwischen tergrenzschicht sein. 25 dem Emitter und der Basis wirkt und so äquivalent Zwischen Basis und Kollektor bzw. Emitter tre- zu dem in Abb. la wiedergegebenen Schaltbild ist. ten in diesem Falle kurzzeitige Stromimpulse auf, so- Die Kennlinien zwischen den Klemmen 1 und 2 lange die Steuerspannung ansteigt, während an den entsprechen vorübergehend den Strom-Spannungs-Klemmen des Kondensators gleichzeitig eine trep- Kennlinien eines Lawinentransistors gemäß A b b. 3. penförmige Spannung abgenommen werden kann. 30 Erreicht die Spannung zwischen den Klemmen 1 Die erzeugten Stromimpulse können bei weitem kür- und 2 einen Punkte, wo die positive Rückkopplung zer als bei den gewöhnlichen selbsterregten Tran- dank dem Lawineneffekt eintritt, so erfolgt eine sistoroszillatoren gemacht werden, da der Transistor rasche Zunahme des Stroms I₁ bis zum Punkt B entdank des in den Emitterkreis (bzw. Kollektorkreis) lang der Lastlinie. Fast der gesamte Strom fließt eingefügten Kondensators selbsttätig vom leitenden 35 über den Widerstand R» und den Kondensator C₀ in Zustand zum nichtleitenden Zustand kippt. den Emitter. In diesem" Falle muß der Kondensator Erfindungsgemäß wird eine Basisschaltung bereit- aber aufgeladen werden, und zwar in der Polung, gestellt, die modifiziert und wegen ihrer Einfachheit durch die der Emitteranschluß negativ gemacht in vielfacher Hinsicht angewandt werden kann, wo- wird. Da diese Aufladung den Emitter in Sperrichbei die am Kollektor (oder Emitter) angelegte 40 tung vorspannt, kann der Transistor nicht im Be-Steuerspannung nicht nur eine Sägezahnschwingung, triebszustand des Punktes B in A b b. 3 bleiben, versondern jede regelmäßige Schwingung (z. B. eine liert bald den leitenden Zustand und kehrt in den Rechteckschwingung) sein kann, und durch Aus- Sperrzustand zurück. Wenn der Emitter offen ist, wahl der Schwingungsform Anwendungsmöglich- verbleibt zwischen Basis und Kollektor nur eine keiten für eine Analog-Digital-Umformung gegeben 45 Vorspannung in Sperrichtung, und es erfolgt eine sind. Verschiebung des Arbeitspunktes nach C. Punkt C" A b b. 2 ist eine Prinzipschaltung einer Impulser- ist ein stabiler Punkt, der in der Hauptsache durch zeugerschaltung unter Verwendung eines erfindungs- den Schnittpunkt der Sperrspannungskennlinie b der gemäßen Transistors; Kollektorgrenzschicht und der durch den Gesamt-A b b. 3 gibt ein Strom-Spannungs-Kennlinien- 50 widerstand der Schaltung bei der erwähnten VorDiagramm dieser Impulserzeugerschaltung wieder; spannung bestimmten Belastungslinie festgelegt wird. Abb. 4 gibt Diagramme von Schwingungsformen Bei Beobachtung der Änderung der elektrischen des Impulserzeugers wieder; Stromstärke/, in Abhängigkeit von der Zeit wäh-A b b. 5 gibt eine andere Ausführungsform eines rend des geschilderten Vorganges stellt man fest, daß erfindungsgemäßen Impulserzeugers wieder; 55 ein sehr kurzer Impuls wie in A b b. 4 a erscheint. A b b. 6 zeigt Diagramme hiermit erzeugter Der leitende Zustand wird nur während der durch Pulsverläufe. die Zeitkonstante der Schaltung gegebenen Auflade-In A b b. 2 ist T beispielsweise ein pnp-Flächen- zeit aufrechterhalten. Sobald ein Stromimpuls er-, transistor mit Lawineneffekt, der bei der erfindungs- zeugt wird, zeigt sich zwischen den Klemmen des gemäßen Schaltung verwendet wird. C₀ ist ein Kon- 60 Kondensators eine Ladespannung. Ist die Zeit, in densator, R₁ ein mit der Basis verbundener Wider- der der Stromimpuls auftritt, t_v so ist der Impulsstand, S ein _ Steuer-(ImpuIs-)Spannungsgenerator strom so kurz, daß gemäß Ab b. 4 eine Spannung V/ und R₂ ein Widerstand zur Einstellung des Innen- mit treppenförmigem Verlauf zum Zeitpunkt F₁ Widerstandes des Steuer-(Impuls-)Spannungsgenera- zwischen den Klemmen des Kondensators entsteht, tors S. 65 Das Ansteigen und Abnehmen des Stromimpulses P₁ Der Kondensator C₀ und der Widerstand R₁ sind und das Ansteigen der treppenförmigen Spannung zwischen dem Emitter E und der Basis B des pnp- wird durch eine Zeitkonstante begrenzt, die durch Flächentransistors in Reihe angeordnet. Der Kipp- den Zeitbedarf der lawinenartigen Trägerverviel-

fachung im Arbeitspunkt, d. h. die Übergangszeit von Punkt A zu Punkt B oder umgekehrt, sowie die durch den Widerstand des Gesamtkreises und die Kondensatorkapazität gegeben ist.

Wie oben dargelegt, erfolgt der Kippvorgang infolge des Lawineneffekts sehr rasch. Man kann feststellen, daß die vorerwähnte Begrenzung fast ausschließlich durch die Zeitkonstante der Schaltung bestimmt wird. Mit einem Lawinentransistor kann demnach ein ausreichend starker Stromimpuls beispielsweise von den Widerstandsklemmen auf der Kollektorseite und gleichzeitig ein treppenförmiger Impuls an den Klemmen mit hoher Impedanz (F₂) abgenommen werden.

Dies ist das Grundprinzip der Erfindung. Wird beispielsweise wie hier eine Sägezahnschwingung für die Kippspannung verwendet, so ist nach der obigen Darlegung eine Wiederholung dieses Ablaufs möglich. Nach der Erzeugung eines Stromimpulses P₁ wird der Emitter im Sperrzustand gehalten, und daher bleibt der Strom Z₁ bei Punkt C" in A b b. 3 in einem Zustand mit niedriger Stromstärke. Wenn nunmehr die an die Kollektorgrenzschicht in A b b. 2 angelegte Kippspannung mit der Zeit höher wird, wird die Spannung des Kollektors gegen die Basis stärken

Zur Erzielung einer kräftigen Sperrung kann an Stelle der vorerwähnten Kippspannung beim Betrieb eine konstante Spannung verwendet werden. Bei konstanter Vorspannung ist aber die Überlagerung mit der Steuerspannung erforderlich. Demgemäß nimmt die Spannung im Zwischenbereich zwischen dem Emitter E und dem Kollektor C ebenfalls ab.

In diesem Zustand kommen beide Sperrschichten zwischen Kollektor und Emitter in Berührung, so daß sich in der Basis eine gemeinsame Verarmungszone nahe dem Emitter und dem Kollektor bildet. Der Kollektorspannungsabfall löst daher unmittelbar einen Spannungsabfall in der Verarmungsschicht am Emitter aus.

Wenn sich daher beispielsweise in A b b. 4 die Kippspannung um den Betrag der Spannung VJ zur Zeit i₂ im Verhältnis zur Spannung zur Zeit t_v als der erste Impuls erzeugt wurde, erhöht hat, wird die Sperrung der Emittergrenzschicht aufgehoben, sie wird erneut in einen leitenden Zustand übergeführt und erzeugt zur Zeit t.₂ gemäß den A b b. 4 a und 4 b einen Impuls F₂, und außerdem wird zwischen den beiden Kondensatoranschlüssen eine zweite stufenförmige Spannung F., erzeugt.

Eine zusätzliche Erläuterung dieser Vorgänge wird an Hand der Kennlinien in Abb. 3 gegeben. In A b b. 4 a entspricht der Strom nach Erzeugung des Impulses P₁ dem Punkt C in A b b. 3. Infolge der Vorspannung des Emitters in Sperrichtung erreicht aber bei ansteigender Kippspannung der Strom den Punkt D auf der Kennlinie b. An diesem Punkt tritt ein Lawinendurchbruch ein, und die Kennlinie müßte sich zur Kurve α verlagern. Die Lastlinie trifft aber nicht mehr auf den Punkt A, und es erfolgt ein rascher Stromanstieg bis zum Punkt E. Gleichzeitig wird der Kondensator C₀ in A b b. 2 aufgeladen, dann wird eine Abschaltung durch die sich aufbauende Sperrspannung erzeugt, und der Strom kehrt in die Nähe von Punkt D zurück.

Auf diese Weise ist die Erzeugung eines dritten und vierten und weiterer Impulse möglich. Die treppenförmige Kondensatorspannung erreicht einen dem Scheitelwert der Kippspannung entsprechenden Wert. Bei Beendigung des Anstiegs der Kippspannung erfolgt aber keine weitere Erzeugung von Impulsen mehr.

Anzahl und Zeitabstände der hier erzeugten Impulse werden durch die Form der Steuerspannung, die Anstiegszeit, die Steuerspannungsamplitude, den Basis- sowie Kreiswiderstand und die Kondensatorkapazität bestimmt.

ίο Die vorstehende Darlegung hat sich auf einen pnp-Flächentransistor beschränkt. Sie gilt selbstverständlich auch für einen npn-Transistor mit umgekehrter Leitfähigkeit oder auch für den Fall der Vertauschung von Emitter und Kollektor. Man kann außerdem den Basiswiderstand R₁ nur als Widerstand der die Basis des Transistors bildenden Halbleiterschicht ansehen oder einen äußeren, an den Transistor angeschlossenen Widerstand verwenden. Durch Veränderung des äußeren Widerstandes ist demnach eine Veränderung der Impulskennlinien möglich.

A b b. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung;
A b b. 6 a ist ein Diagramm des Verlaufes der Stromimpulse;

Abb. 6b ist ein Diagramm des Verlaufes der Klemmenspannung am Kondensator.

Ein pnp-Flächentransistor T₁ ist hier an der Emitterseite mit einem Sägezahngenerator und auf der Kollektorseite mit einem Kondensator C₀ verbunden. Zwischen den Klemmen 1 und 2 wird eine sägezahnförmige Kippspannung angelegt. Wenn beispielsweise eine Spannung mit einem Scheitelwert von 92 V mit der Länge von 10 //see eines Sägezahnimpulses und einer Pulsfrequenz von 90 Hz angelegt wird, so erzeugt der Strom / ständig Impulse, wie sie in A b b. 6 a wiedergegeben sind. Gleichzeitig zeigt die Spannung F₂ einen treppenförmigen Verlauf — wie in Abb. 6b wiedergegeben— bei hohem Innenwiderstand.

Die Widerstände R_v und R_s in A b b. 5 entsprechen R₂ bzw. R₁ in A b b. 2.

Bei der" Schaltung in Abb. 5 können bei entsprechender Änderung von R_s, R_v, C₀, des Scheitelwertes und der Dauer des Steuerimpulses, Breite, Zeitabstände, Zahl und Scheitelwert der Stromimpulse sowie Anzahl, Anstiegszeit, Spannung und Intervalle der treppenförmigen Impulse geändert werden.

Wie oben dargelegt, besteht ein erfindungsgemäßes Merkmal darin, daß bei Anlegen einer Kippspannung an einen Lawinentransistor ein oder mehrere Nadelimpulse und treppenförmige Impulse erzeugt werden können. Die Grundschaltung zur Erzeugung von Impulsen unter Verwendung eines einzigen Transistors wurde vorstehend beschrieben. Es sind aber auch Anwendungen mit Hilfe einer zweckmäßigen Kombination einer Vielzahl derartiger Grundschaltungen möglich.

Die erfindungsgemäßen Impulsschaltungen sind beispielsweise zur Erzeugung einer treppenförmigen Spannung oder für Impulsmodulationsschaltungen verwendbar; außerdem sind sie zur Umsetzung einer Spannung in einen Digitalcode nutzbar.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Impulserzeugerschaltung unter Verwendung eines Lawinentransistors, dadurch gekenn-

zeichnet, daß Emitter und Basis eines einzigen Transistors, dessen Grenzschichtenberührungsspannung kleiner als die Lawinendurchbruchsspannung für die Kollektorgrenzschicht ist, mittels eines Kondensators verbunden sind und daß am Kollektor eine zeitlich zunehmende Steuerspannung liegt.

2. Impulserzeugerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Kollektor vertauscht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Electronic Technology«, Oktober 1961, S. 348 bis 356.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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