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Mehrstufiger Transistorverstärker Die Verwendung des Transistors in
mehrstufigen Verstärkern erfordert wegen der sehr verschiedenen Werte des Ein- und
Ausgangswiderstandes Übertrager, die den Eingangswiderstand einer Stufe an den Ausgang
der vorhergehenden Stufe anpassen, so daß kein Leistungsverlust infolge Fehlanpassung
auftritt. Um den Raumbedarf eines Transistorverstärkers wesentlich herabzusetzen
und so den Vorteil der geringen Abmessungen der Transistoren besser auszunutzen,
wäre es sehr erwünscht, derartige Anpassungsübertrager nicht verwenden zu müssen,
da selbst die kleinsten bisher bekanntgewordenen magnetisch wirkenden Übertrager
räumlich sehr viel größer als die Transistoren sind.
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Es ist bekannt, in aufeinanderfolgenden Transistorverstärkerstufen
die Transistoren in verschiedenen Schaltungen, die sich dadurch voneinander unterscheiden,
daß Basis, Emitter oder Kollektor jeweils als gemeinsame Elektrode für Ein-und Ausgangskreis
benutzt wird, zu verwenden. Die drei angeführten Schaltungsarten sollen im folgenden
kurz als Basis-, Emitter-oder Kollektorschaltung bezeichnet werden. Bei der Zusammenschaltung
von Transistoren wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß beispielsweise der Ausgangswiderstand
eines Transistors in der Basisschaltung genau denselben Wert wie der Eingangswiderstand
desselben Transistors in der Kollektorschaltung besitzt und daß der Ausgangswiderstand
in der Kollektorschaltung zwar nicht genauso groß, aber doch von derselben Größenordnung
wie der Eingangswiderstand in der Basisschaltung ist, so daß man zwischen dem Transistor
in Kollektorschaltung
und dein nachfolgenden Transistor in Basisschaltung
eine nicht allzu große Fehlanpassung erhält.
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Dabei wird jedoch meist übersehen, daß die an-. geführten Widerstandsbeziehungen,
streng genommen, nur bei Leerlauf am anderen Ende der Schaltung gelten und bei Anpassung
oder Fehlanpassung völlig anders -iverden können.
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Es ist sogar bei der Kollektorschaltung durchaus möglich, daß es infolge
der gegenseitigen Abhängigkeit der Anpassungsverhältnisse an Ein-und Ausgang grundsätzlich
gar nicht möglich ist, Anpassung an Ein- und Ausgang gleichzeitig zu erzielen.
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Der Transistorverstärker gemäß der Erfindung mit mehreren Verstärkerstufen
in Basis- oder Emitterschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Ankopplung
einer Verstärkerstufe an ihre folgende ein Anpassungstransistor in Kollektorschaltung
Verwendung findet, der derart gestaltet ist, daß er nach Formierung einen nahe hei
Eins liegenden Strornverstärkungsfaktor und ein Verhältnis des Ausgangsleitwertes
bei Leerlauf am Eingang zum Eingangsleitwert bei Leerlauf am Ausgang von einem sich
wesentlich von Eins unterscheidenden Wert besitzt, wobei das Verhältnis des Ausgangsleitwertes
bei Lerlauf am Eingang zum Eingangsleitwert bei Leerlauf am Ausgang des Anpassungstransistors
so eingestellt ist, daß der Eingangsleitwert des Anpassungstransistors an den Ausgangsleitwert
der vorangehenden Verstärkerstufe und/oder der Ausgangsleit-,,vert des Anpassungstransistors
an den Eingangsleitwert der nachfolgenden Verstärkerstufe genau angepaßt ist.
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Der Erfindung liegt die Erhienntnis zugrunde, daß der komplexe Eingangsleitwert
Y, = A i -I- jB1 eines Transistors, dessen Ausgangskreis mit einem äußeren
komplexen Leitwert Y" = Aa -I- jBa abgeschlossen ist, zwar im allgemeinen
in komplizierter Form von Aa und Ba abhängt, jedoch für den Sonderfall, daß die
Kurzschluß-Stabilität ö, K= i - k1 K k2 K klein gegen Eins ist, die einfache Form
Y1 = AlL -i- Y"/ü2 annimmt, wobei k1K und 112K die Stromverstärkungsfaktoren
in den beiden Betriebsrichtungen bei Kurzschluß und ü2 das Verhältnis des Ausgangsleitwertes
bei Leerlauf am Eingang zum Eingangsleitwert bei Leerlauf am Ausgang des Transistors
sind.
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Diese Beziehung sagt aus, daß ein beliebiger Leitwert Y", der an .den
Ausgang des Transistors geschaltet wird, am Eingang desselben mit dem transformierten
Wert Y"/i!2 parallel zu dem Eigenleitwert AlL des Transistors bei Leerlauf erscheint.
Eine entsprechende Beziehung gilt auch für den umgekehrten Fall, daß ein Leitwert
Yi an den Eingang geschaltet wird. Er erscheint am Ausgang als transformierter Leitwert
Yi - ü2 parallel zum Eigenleitwert A2L.
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Die Erfindung basiert weiterhin auf der Erkenntnis, daß das Übersetzungsverhältnis
in Kollektorschaltung in der folgenden, sehr einfachen Weise mit dem Stromverstärkungsfaktor
des Transistors in Basisschaltung bei Kurzschluß am Ausgang kilA zusammenhängt:
Gemäß der Erfindung wird der Anpassungstransistor bei der Formierung so behandelt,
daß sein Stromverstärkungsfaktor
nahe bei Eins liegt, so daß ii.2 ein kleiner Wert wird, also das Übersetzungsverhältnis
wesentlich von Eins abweicht. Den Wert von ü2 kann man dann noch in gewissen Grenzen
durch Wahl des Arbeitspunktes verändern. Es ist nach der Erfindung also möglich,
die Größenordnung des Übersetzungsverhältnisses durch die Formierung des Transistors,
den genauen Wert des Ühersetzungsverhältnisses durch Wahl des Arbeitspunktes festzulegen.
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Ein so behandelter Transistor hat erfindungsgemäß den weiteren Vorteil,
daß die Lage seines Arbeitspunktes im Kennlinienfeld eine normale, annähernd vollständige
Aussteuerung erlaubt, was bei Transistoren, die in üblicher Weise auf hohe Leistungsverstärkung
in Basisschaltung formiert sind und z. B. im Falle des Spitzentransistors eine wesentlich
höhere Stromverstärkung als Eins aufweisen, nicht möglich ist, weil man bei diesen
den Arbeitspunkt mehr oder weniger in eine Ecke des Kennlinienfeldes verlegen muß,
um die richtigen Ühertragungseigenschaften zu erhalten, dann aber auf eine größer,--
Aussteuerung verzichten muß, um Verzerrungen zu vermeiden.
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Durch die Wahl des Stromverstärkungsfaktors klx .@i erreicht man weiterhin,
daß der Anpassungstransistor ohne besondere Vorkehrungen stabil arbeitet, was bei
größeren Werten des Stromverstärkungsfaktors nicht der Fall ist.
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Da bekanntlich die Leistungsübertragung verhältnismäßig unempfindlich
gegen Abweichungen von der genauen Anpassung der Widerstände ist, können Schwankungen
des Übersetzungsverhältnisses infolge kleiner Schwankungen des Arbeitspunktes im
Betriebe in der Regel in Kauf genommen werden. Bei sehr starker Herauf- oder Herabtransformierung,
also sehr kleinem ü2 können allerdings durch sehr kleine Änderungen von k ;,7 schon
sehr große Schwankungen von ii.2 verursacht werden. Für diesen Fall sieht die Erfindung
vor, den Arbeitspunkt des Anpassungstransistors zu stabilisieren. Dies geschieht
in der Weise, daß der Emitterstrom, von dem die Stromverstärkung am stärksten abhängt,
durch ein Regelglied, z. B. durch einen spannungsabhängigen Widerstand, in an sich
bekannter Weise konstant gehalten wird. Bei manchen Transistoren hängt das Übersetzungsverhältnis
auch vom Kollektorgleichstrom ab, und zwar im umgekehrten Sinne wie vom Emittergleichstrom.
In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Differenz beider Ströme, d. h. den über den
Basiskontakt fließenden Strom, konstant zu halten.
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An Hand der Figuren wird die Arbeitsweise des Anpassungstransistors
nach der Erfindung durch Schaltungsbeispiele genauer erläutert. Es zeigt Fig. i
einen Transistor in Kollektorschaltung,
Fig.2 das Ersatzschaltbild
desselben Transistors, wenn alle Größen auf die Eingangsseite bezogen sind, Fig.3
eine Verstärkerschaltung, in der Anpassungstransistoren verwendet sind, Fig.4 eine
besonders vorteilhafte Verstärkerschaltung unter Verwendung von Anpassungstransistoren.
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Fig. i stellt schematisch einen Transistor in Kollektorschaltung dar,
dessen Eingangsklemmen mit i und dessen Ausgangsklemmen mit 2 bezeichnet sind. 3
ist die Basis, 4. der Emitter, 5 der Kollektor und 6 der Halbleiterblock.
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Fig. 2 ist das Ersatzschaltbild des Anpassungstransistors, wobei bereits
die besonderen, oben erläuterten Arbeitsbedingungen berücksichtigt sind. Der Querleitwert
7 ist gleich dem Eingangsleitwert AiL bei Leerlauf, d. h. bei offenen Klemmen 2,
bei i hereingemessen. 3-l ißt man bei offenen Klemmen i den Leitwert an den Klemmen
2, so erhält man beim wirklichen Anpassungstransistor (Fig, i) den Leitwert AL,
beim Ersatzschaltbild nach Fig. 2, wenn man alle Leitwerte auf den Eingangskreis
bezieht, den Leitwert A2 L/242 = A1 L.
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Fig.3 zeigt einen Transistorverstärker gemäß der Erfindung mit mehreren
Verstärkerstufen in Basisschaltung, bei dem zum Zwecke der Ankopplung einer Verstärkerstufe
an die nächstfolgende ein Anpassungstransistor in Kollektorschaltung Verwendung
findet. Die Eingangsklemmen sind mit 31 bezeichnet. Der Kollektorstrom aller Transistoren,
der Verstärkertransistoren T i und T-2 sowie der Anpassungstransistoren AT
i und AT 2, wird aus einer einzigen Spannungsquelle geliefert. Diese braucht
nicht über hohe Widerstände oder über eine Speisedrossel mit den Transistoren verbunden
sein. Vielmehr erlaubt die Schaltung gemäß der Erfindung eine solche Betriebsweise
der Anpassungstransistoren, daß die Anschlüsse 33 und 33' der Stromversorgung wechselstrommäßig
an Erde liegen.
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Die Emittergleichströme werden gemäß der Erfindung von einem hochohmigen
Spannungsteiler 3.4 über ebenfalls hohe Widerstände 35 bzw. 35' den Emitteranschlüssen
36 bzw. 36' der Anpassungstransistoren zugeführt. Die Emitterströme für die Verstärkertransistoren
T i bzw. T 2 werden in an sich bekannter Weise mittels durch Kondensatoren
abgeblockter Widerstände 37 bzw. 37' über die Widerstände 38 bzw. 38' zugeführt,
wobei die Widerstände 38 bzw. 38' groß gegen die kleinen Eingangswiderstände der
Verstärkertransistoren sind. Die Kapazitäten der Koppelkondensatoren 39, 31o, 311,
312 und 313 sind für die zu verstärkenden Frequenzen genügend groß, so daß sie vernachlässigbareWechselstromwiderstände
darstellen. Die Widerstände 35 und 35' können erfindungsgemäß spannungsabhängig
sein oder spannungsabhängige Teile enthalten, die die Emitterströme der Anpassungstransistoren
und damit deren Übersetzungsverhältnisse konstant halten. Die Übersetzungsverhältnisse
der Anpassungstransistoren AT i und AT 2 können je nach den verschiedenen
Erfordernissen der Anpassung von einer Verstärkerstufe T i zur nächsten,
T 2, oder von der letzten, T2, an den Außenwiderstand, der an die Ausgangsklemmen
3 2 angeschlossen werden soll, verschieden sein.
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Fig.,. zeigt eine Verstärkerschaltung, die gegenüber der in Fig.3
dargestellten Schaltungsanordnung weitere Vereinfachungen und Verbesserungen aufweist.
Wenn man die Widerstände q.5, ,115 und 45', die die Emitteranschlüsse mit der Erdklemme
.43 verbinden, so wählen kann, daß die gewünschten Emitterströme, die in der Regel
zwischen 0,5 und 2 1nA liegen, fließen, kann der in Fig. 3 dargestellte Spannungsteiler
34 entbehrt werden. Wenn dasselbe auch für den Emitter des Transistors T 2 gilt,
kann das RC-Glied, in Fig. 3 mit 37' bezeichnet, entfallen. Die Widerstände 47 und
.48 dienen zur Einstellung der Gleichstromdaten des Transistors T i. Die Stromversorgung
erfolgt dann lediglich von der Klemme 43' über den Regelwiderstand .414. Analog
zu der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung bezeichnen in der Schaltungsanordnung
nach Fig. q. .41 die Eingangsklemmen, 42 die Ausgangsklemmen, 4.9, 410, 4.11, 412
und 413 die Koppelkondensatoren.