DE1512710A1

DE1512710A1 - Gegentakt-Schaltung mit Halbleiter-Verstaerkerelementen

Info

Publication number: DE1512710A1
Application number: DE19671512710
Authority: DE
Inventors: O'malley Francis Lawrence
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-03-25
Filing date: 1967-03-25
Publication date: 1969-07-10
Also published as: JPS4414002B1; DE1512710B2; FR1522340A; US3421099A; GB1102589A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

70S BDBLINOEN SINDELFINGER STRASSE 49

FERNSPRECHEB (07031) 6613040 1512/10

Böblingen, den 23. März 1967 ne-er

Anmelderin: International Business Machines

. Corporation, Armonk, N.Y., 10 504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung I

Aktenz. d. Anmelderin: Docket 12 186

Gegentakt-Schaltung mit Halbleiter-Verstärker elementen

In Gegentakt-Schaltungen, die mit Halbleiter-Verstärker elementen arbeiten, treten im Aus gangs signal Verzerrungen auf, die durch die Speicherung von injizierten Minoritätsträgern im Basisraum der Halbleiter-Verstärkerelemente verursachtes ind. Diese Minoritätsträger bedingen, daß der Aus gangs strom des Halbleiter-Verstärkerelementes auch nach einem Polaritätswechsel des Eingangssignales noch so lang in der bisherigen Richtung weiterfließt, bis alle gespeicherten Minoritätsträger abgeflossen sind. Die hierdurch im Ausgängssignal hervorgerufenen Verzerrungen wirken sich besonders nachteilig beim Betrieb mit höheren Frequenzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Gegentakt-Schaltung mit Halbleiter-Verstärkerelementen, die genannten Verzerrungen zu vermeiden. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß jedes Halbleiter-Verstar-

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kerelement eine Rückkopplungsverbindung aufweist, durch die das gesperrte Halbleiter-Verstärkerelement nach einem Polaritätswechsel des Eingangssignales noch so lange gesperrt bleibt, bis die gespeicherten Minoritätsträger des anderen, vor dem Polaritätswechsel des Eingangssignales leitenden Halbleiter-Ver star kerelementes abgeflossen sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die Rückkopplungs verbindung, jedes Verstärkerelementes aus der Reihenschaltung einer zusätzlich auf dem Ausgangsübertrager angebrachten Wicklung, deren zweite Klemme mit dem Erdpotential verbunden ist, einem Strombegrenzungswiderstand und einer Diode, deren zweite Elektrode mit dem Eingangskreis des zugehörigen Halbleiter-Ver star kerelementes verbunden ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die zusätzlich auf dem Ausgangsübertrager angebrachten Wicklungen gegensinnig gewickelt und die Dioden in beiden Rückkopplungs zweigen gleichsinnig gepolt.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben eich aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen« von denen zeigt bzw. zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispieles

der Erfindung;

Fig. 2Aund2B Kurvenverläufe, welche zur Erklärung der Arbeitsweise

des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 mit und ohne die in Fig. 1 gezeigten Rückkopplungsverbindungen zeigt.

In Fig. 1 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung als Gegentakt-Verstärker in Emitterschaltung für B-Betrieb gezeigt. Die Schaltung enthält zwei Halbleitervorrichtungen als aktive Elemente, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Transistoren 10 und 11 sind mit den Basiselektroden 12 und 13, den Kollektorelektroden 14, 15 und den Emitterelektroden 16 und 17, Letztere sind am Punkt 18 miteinander verbunden. Ein Eingangsübertrager 19 hat eine Eingangswicklung 20, die mit einer Signalquelle 21 über einen Schalter 22 verbinden ist. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel liefert die Signalquelle bei geschlossenem Schalter 22 ein Hechteck-Eingangssignal, wie es durch den Kurvenverlauf (a) oder (e) in Fig. 2A und 2B dargestellt ist an die Basiselektroden 12 und 13 und macht auf diese Weise die Transistoren 10 und 11 in bekannter Weise alternierend leitend. Zu diesem Zweck weist der Eingangs-Übertrager 19 eine Ausgangswicklung

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28, mit Mittelanzapfung auf deren oberes Ende über einemStrombegrenzungs-Widerstand 24 an die Basiselektrode 12 angeschlossen ist. Das untere Ende der Wicklung 23 ist über den Strombegrenzungs-Widerstand

25 mit der Basiselektrode 13 des anderen Transistors 11 verbunden. Der Mittelabgriff 23' der Wicklung 23 ist mit dem Verbindungspunkt 1'8 der. Emitterelektroden 16 und 17 verbunden und ist über die Erdverbindung

26 geerdet. Im Aus gangs kreis sind die Kollektorelektroden 14, 15 mit dem oberen und unteren Ende der mittelangezapften Wicklung 27 des Ausgangsübertragers 28 verbunden. Der Ausgangs kreis ist durch eine ent- ' sprechende nicht dargestellte Gleich-Spannungsquelle vorgespannt, die mit den Eingangs klemmen 29, 30 verbunden ist, von denen die letztere mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt 18 und der Mittelanzapfung 27' verbunden ist. Die Transistoren 12, 13 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind gleichartige als Transistoren und als NPN-Transistoren gezeigt. Infolgedessen ist die (nicht dargestellte) Gleichspannungsquelle mit den Klemmen 29, 30 in der dargestellten Polarität verbunden. Der Auegangetransformator 28 hat eine entsprechende Aus gangs wicklung.

Um die nachteiligen Auswirkungen der Speicherzeit zu überwinden, wird bei der Schaltung nach Fig. 1 eine Rückkopplungsverbindung vorgesehen, die allgemein mit der Bezugsziffer 32 bezeichnet ist. Die Rückkopplungsverbindung enthält Rückkopplungespulen 33, 34, die über die Dioden 37, 38 und die Strombegrenzungs-Widerstände 39, 40 an den Verbindungs punkten 35 und 36 mit den Basiselektroden 12 und 13 verbunden sind. Die Spulen 33, 34 sind über die Erdleitungen 41, 42 geerdet.

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' In Verbindung mit der Fig. 2A wird die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 erklärt. Es wird hierbei zur Erklärung angenommen, daß die Bückkopplungsverbindungen 32 nicht angeschlossen sind. Unter dieser Annahme sorgt die Signalquelle 21 bei geschlossenem Schalter 22 dafür, daß ein Eingangssignal der Kurvenverlauf (a), Fig. 2A₁ wie vorher erwähnt, an den Basiselektroden 12, 13 erscheint. Als Folge davon erscheint am Ausgang des Transistors 10 ein Signal, wie es durch den Kurvenverlauf (b), Fig. 2A dargestellt ist. Wie aus dem Kurvenverlauf (b) der Fig. 2A hervorgeht, ist der Transistor 10 während der positiven Halbwellen des Eingangssignales, Kurvenverlauf (a) leitend. Der Transistor 11 ist während dieses Intervalles nicht leitend, ausgenommen der Anfang des Intervalls, in dem aufgrund der Speicherung von Minoritätsträgern der Transistor 11 leitend ist, wie aus der weiteren Beschreibung in Verbindung mit dem Kurvenverlauf (c) in Fig. 2A deutlich wird. Wenn das Eingangssignal, Kurvenverlauf (a), seine Phase umkehrt, wie das durch die Bezugszahl 43, Fig. 2A angezeigt ist, bleibt der Transistor 10 aufgrund der Speicherung von Minoritätsträgern leitend, wie das durch die Schraffierung 44 im Kurvenverlauf (b) angedeutet ist. Zur gleichen Zeit beginnt der Transistor 11 aufgrund der Phasenumkehr des Eingangssignales leitend zu werden und während der Zeitspanne t wird das verstärkte Ausgangssignal, Kurven-

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verlauf (d) der Fig. 2A, dadurch verzerrt, daß der Ausgangsstrom des Transistors 11 durch den Strom, der durch die gespeicherten Minoritätsträger im Transistor 10 bedingt ist, kompensiert wird. Infolgedessen wird das Ausgangssignal verzerrt, wie durch den Kurvenverlauf (d) von Fig. 2A

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angezeigt, wenn die Rückkopplungsverbindung nicht benutzt wird. Ein ähnlicher Vorgang findet während der Zeitspanne t, Fig. 2A statt, wenn das Eingangssignal zu dem Zeitpunkt, der durch das Bezugszeichen 45 gekennzeichnet ist wiederum die Phase wechselt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Transistor 10 aufgrund der Phasenumkehr des Eingangs signale s leitend gemacht und aufgrund der gespeicherten Minoritätsträger im Transistor 11 bleibt letzterer leitend. Als Folge davon verzerrt das Kompensieren des Ausgangsstromes des Transistors 10 aufgrund des Stromes, welcher durch die gespeicherten Minoritätsträger des Transistors 11 während dieses Intervalles erzeugt wird, das verstärkte Ausgangssignal, Kurvenverlauf (d) von Fig. 2A. Wie in Fig. 2A gezeigt, hat die Verzerrung zyklischen Charakter und tritt nach jeder Phasenumkehr des Eingangssignales auf. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 bei der Verwendung der Rückkopplungsverbindung 32 der vorliegenden Erfindung wird anhand der Fig. 2B erläutert: bei geschlossenem Schalter 22 und symmetrischem Rechteck-Eingangssignal wird der Kurvenverlauf (e) der Fig. 2B, welcher von der Spannungsquelle 21 abgeleitet ist, an die Eingangswicklung 20 angelegt; Transistor 10 wird einige Zeit nach dem Beginn und während jeder positiven Halbwelle des Eingangssignales leitend; Transistor 11 wird nichtleitend, wenn Transistor 10 beginnt, leitend zu werden. Auf ähnliche Weise wird Transistor 11 einige Zeit nach dem Beginn und während jeder negativen Halbwelle des Eingangs signales leitend, wobei Transistor 10 nicht? leitend wird, wenn Transistor 11 beginnt, leitend zu werden. Wie in Fig. gezeigt, sind die Spulen 33 und 34 induktiv mit dem übertrager 28 gekoppelt, und zwar in der Weise, daß die Rückkopplungsspannvngen, die in jeder der

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induziert werden, eich in ihrer Phasenlage um 180 unterscheiden. Auseerdem sind die Dioden 37 und 38 so gekoppelt, daß die induzierte Spannung in der Rückkopplung β spule, die mit einem nichtleitenden Transistor verbunden ist, bewirkt, daß die zugehörige!'.Rückkopplung adiode leitend wird und dadurch dem Transistor eine Vorspannung zuführt, welche den Transistor in nichtleitendem Zustand hält. Aufgrund des Unterschiede· von I8o in der Phasenlage der Rückkopplungsspannungen ist die in der anderen Rückkopplung β spule induzierte Rückkopplung s spannung von entgegengesetzter Polarität, und infolgedessen ist die damit verbundene Diode nicht leitend. Infolgedessen hat die Rückkopplungsspannung, welche in der Spule induziert wurde, keine nachteilige Wirkung auf die Arbeitsweise des leitenden Transistors. Zum Zeitpunkt einer Phasenumkehr des Eingangssignales bleibt der nichtleitende Transistor in nichtleitendem Zustand. Die gespeicherten Minoritätsträger im leitenden Transistor induzieren eine Spannung in die Rückkopplungsspule, welche mit dem nichtleitenden Transistor verbunden ist, die weiterhin den zugehörigen Gleichrichter im Rückkopplungszweig oder die Diode leitend macht und Infolgedessen den nichtleitenden Transistor im nichtleitenden Zustand hält. Xhn- , lieh wie oben erwähnt, verursachen die Minoritätsträger des leitenden Transistors, daß eine Spannung in der Rückkopplung β spule induziert wird» mit welcher der leitende Transistor verbunden ist, die eine Polarität aufweist, die der in der anderen Spule induzierten Spannung entgegengesetzt ist und infolgedessen die Diode in dem Rückkopplungs zweig sperrt, der mit dem leitenden Transistor verbunden ist. Daher beeinflusst die Spannung die in der Rückkopplunge spule induziert wird, welche dem leitenden Transistor zugeordnet ist und welche durch die gespeicherten Minoritätsträger des leitenden Transistors bedingt ist, das Leiten des leitenden Transistors nicht nachteilig. Wenn die Anzahl der noch vorhandenen Minoritätsträger des leitenden Transistor β vernachlässigbar klein wird, hört die mit dem nichtleitenden Transistor verbundene Diode auf zu leiten und infolgedessen Docket 12 186

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wird dieser Transistor durch das Eingangssignal wieder leitend und ' der andere Transistor wird gesperrt. Da das Ausgangssignal des nun leitenden Traneistore sich in Gegenphase zum Ausgangs signal befindet, das durch den jetzt gesperrten Transistor hervorgerufen wurde, als dieser nochleitend war, sind die Rückkopplunge spannungen, welche in den Spulen induziert wurden, ebenso gegenphäsig, um den nun abgeschalteten Transistor und die Rückkopplungsdiode, die mit dem nun leitenden Transistor verbunden ist, in ihrem nichtleitenden Zustand zu halten, bis die Anzahl der noch gespeicherten Minoritätsträger des nun leitenden Transistors nach der nächsten Phasenumkehr des Eingangs signal es vernachlässigt werden kann, worauf der Zyklus wiederholt wird. Als Folge der oben beschriebenen Verzögerungen in den verschiedenen Leitzüständen« der Transistoren ist das verstärkte Ausgangs signal k»xaev unverzerrt, wie aus der folgenden Beschreibung der Kurvenläufe der Fig. 2B hervorgeht. Wenn daher, wie in Fig. 2B gezeigt, das Eingangssignal eine Phasenumkehr aufweist, wie z.B. zu dem Zeitpunkt, welcher durch die Be züge zahl 46 gekennzeichnet ist, bleibt der Transietor 10 weiterhin aufgrund der gespeicherten Minoritätsträger während der Zeitspanne leitend. Während dieser Zeitspanne t induziert der durch die gespeicherten Minorität β tr ag er des Traneinstor β 10 gebildete Strom Spannungen in den Rückkopplung β spulen 33, 34 , welche negative Potentiale liefern, wie das durch die Punkte in Fig. 1 angegeben ist. Das negative Potential, das an der Rückkopplungsspule 34 erscheint, macht die Diode 38 leitend, um den Transistor 11 im Sperrzustand zu halten, bis der Strom, der durch die gespeicherten Minoritätsträger des Transistors 10 bedingt ist, zu dem mit der Bezugszahl 47, Fig. 2B gekennzeichneten Zeitpunkt, vernachlässigbar klein wird. Zum Zeitpunkt 47 ist auf Grund dee verzögerten Leitenwerdens des Transistors 11 das verstärkte Ausgänge signal, Kurvenverlauf (h), Fig. 2B unverzerrt. Ein ähnlicher Vorgang findet während der Zeitspanne t , Fig. 2B zwischen den Transistoren 11 und 10 statt, wenn das Eingangssignal wiederum seine Phase zu dem mit ■ der Bezugszahl 48 gekennzeichneten Zeitpunkt umkehrt. Während der Zeit-Docket12 186

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spanne t, wird das Leitendwerden des Transistors 10 über den Rückkopplungszweig der die Spule 33 und die Diode 37 enthält, aufgrund des Stromes verzögert, welcher durch die im Transistor 11 gespeicherten Msjnoritätsträger hervorgerufen wird.

Während das Ausführungsbeispiel der Gegentaktschaltung nach Fig. 1 als im B-Betrieb arbeitende Verstärkerschaltung mit NPN-Transistoren* in Emitterschaltung dargestellt wurde, ist es offensichtlich, daß die Erfindung auch bei anderen Arten von Gegentakt-Halbleiter schaltungen angewandt werden kann; z. B. bei transistorisierten Gegentakt-Oszillatorschaltungen, usw. Diese anderen Schaltungen oder die Schaltung von Fig. können durch Fachleute abgewandelt werden, um andere Arten von Halbleitervorrichtungen zu verwenden, wie z. B-. lichtempfindliche Halbleitervorrichtungen, Vierschicht-Schaltdioden usw. Ausserdem ist dem Fachmann klar, daß diese anderen Schaltungen und/oder die Schaltung der Fig. so abgewandelt werden können, um andere Betriebsarten anzuwenden, wie z.B. Α-Betrieb, AB-Betrieb, C-Betrieb und/oder daß ausserdem andere Elektroden als gemeinsame Elektrode der jeweiligen Halbleitervorrichtung verwendet werden können, wie z.B. im Fall einer transistorisierten Schaltung die Basis - oder die Kollektorschaltung und daß andere Vorspannungswerte an den ausgewählten gemeinsamen Elektroden angelegt werden können. Ausserdem können die Schaltungen im Fall einer transistorisierten Gegentaktschaltung, die nach den Regeln der vorliegenden Erfindung arbeitet, so modifiziert werden, daß sie zwei PNP-Transistoren verwenden oder zwei komplementäre Transistoren verwendet werden, dem Fachmann bekannt ist. In diesen Fällen würden die verschiedenen Polaritäten der Voröpannungs- und Rückkopplungsspannungen den ausgewählten Transistortypen angepasst werden, und die Gleichrichter im Rückkopplungszwei würden entsprechend gepolt.

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Claims

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ι Patentansprüche

Gegentakt-Schaltung mit Halbleiter-Verstärkerelementen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Halbleiter-Verstärkerelement zur⁴ Vermeidung von durch gespeicherte Minoritätsträger bedingte Verzerrungen des Ausgangssignals eine Rückkopplungsverbindung (32; Fig. 1) aufweist, durch die das gesperrte Halbleiter-Verstärker element (10 bzw. 11) nach einem Polaritätswechsel des Eingangs signales noch so lange gesperrt bleibt, bis die gespeicherten Minoritätsträger des anderen, vor dem Polaritätswechsel des Eingangs signales leitenden Halbleiter-Verstärkerelements (11 bzw. 10) abgeflossen sind.

Gegentakt-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsverbindung jedes Verstärkerelementes aus der Reihenschaltung einer zusätzlich auf dem Ausgangsübertrager (28) angebrachten Wicklung (33 bzw. 34), deren zweite Klemme mit dem Erdpotential verbunden ist, einem Strombegrenzungswiderstand (39 bzw. 40) und einer Diode (37 bzw. 38) besteht, deren zweite Elektrode mit dem Eingangskreis des zugehörigen Halbleiter-Verstärkerelements verbunden ist.

Gegentakt-Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlich auf dem Ausgangsübertrager angebrachten Wicklungen gegensinnig gewickelt und die Dioden in beiden Rückkopplung s zweig en gleich gepolt .sind.

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