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Kettenverstärker in Gegentaktanordnung
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zwei, vorzugsweise je drei Einzelverstärkern gleichen mechanischen Aufbaues bestehen, wobei Paare von Einzelverstärkern mit annähernd gleicher Grösse ihres gemessenen Intermodulationsabstandes zur Bil- dung der Gegentakt-Verstärkerstufe ausgewählt und gestaffelt nach der Grösse dieses Intermodulations- abstandes derart angeordnet sind, dass das Paar bzw. die Paare mit geringerem Intermodulationsabstand als Steuerverstärkerstufen und das Paar mit dem höchsten Intermodulationsabstand als Endverstärkerstufe geschaltet sind.
Bei der Herstellung von Kettenverstärkern ist es trotz sorgfältiger Vorauswahl der Schaltelemente nicht möglich, eine stets gleichbleibende Qualität zu erzielen. Anderseits ist die Nichtverwertung von Verstärkern, die aus nicht in Regeln fassbaren Gründen eine geringere Linearität aufweisen als andere, der gleichen Serie entstammende Einzelverstärker, wirtschaftlich nicht tragbar. Es werden daher im Sinn der Erfindung jene Einzelverstärker, bei welchen durch Messung des Intermodulationsabstandes eine geringere Linearität festgestellt wird, als Steuerverstärker verwendet, weil sich die Nichtlinearität infolge der geringen Aussteuerung dieser Verstärkerstufen dabei nur geringfügig auswirkt ; die Verstärkerkennlinie kann dabei als quasilinear angenommen werden.
Die hinsichtlich der Linearität besten Einzelverstärker einer Serie, welche einen grossen Intermodulationsabstand aufweisen, werden hingegen an der Stelle der erforderlichen grössten Aussteuerung, nämlich als Endverstärkerstufen benutzt. Durch diese gezielte Auswahl der Einzelverstärker ist erstmalig der Aufbau einer Kabelstrecke von etwa zehn Kilometer Länge ermöglicht worden, obwohl pro Kilometer eine Verstärkeranordnung nötig ist, so dass mehr als sechszig transistorisierte Einzelverstärker in diesen Breitband-Übertragungsweg eingeschaltet sind.
Weitere Merkmale der erfindungsgemässen Anlage sind an Hand der Zeichnungen im folgenden beschieben. In Fig. 1 ist die Zusammenschaltung von sechs Einzelverstärkern zu einem erfindungsgemä- ssen Kettenverstärker in Gegentaktanordnung schematisch dargestellt. Aus Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines Einzelverstärkers ersichtlich.
Gemäss Fig. 1 beginnt der Übertragungsweg eines erfindungsgemässenGegentakt-Verstärkers am Kabelausgang KA eines Kabelabschnittes von etwa 1000 m. Zur Bildung eines symmetrischen Gegentakt-Einganges mit einer der Kabelimpedanz von 60 n angepassten Impedanz ist ein Guanella-Leitungs- übertrager GÜE mit einem Verhältnis seiner Eingangsimpedanz zur Ausgangsimpedanz von 1 : 4 an den Kabelausgang KA angeschlossen. Die Gesamtimpedanz zwischen den beiden Ausgangsleitungen des Übertragers GÜE beträgt 240 n, die aus den beiden Teilimpedanzen von je 120 Q zwischen jeder Ausgangsleitung und der Bezugsleitung zusammengesetzt ist.
Durch diese symmetrische Aufteilung der beiden Impedanzen mittels der beiden gegenphasigen Ausgänge des Übertragers GÜE'ist der Beginn der beiden im Gegentakt arbeitenden Verstärkerzweige VZ1 und VZ2 gebildet. Die Impedanzen dieser beiden Übertragungswege werden zunächst mittels zweier gleicher Sparübertrager SÜ1 und SÜ2 mit Verhältnissen ihrer Impedanzen von 2 : 1 von 120 n auf die Norm von 60 Q gebracht, wodurch die Anpassung an die Eingänge El und E der Einzelverstärker EV1 und EV2 erfolgt, deren Eingangsketten EK1 und EK2 ebenfalls 60 a Impedanz aufweisen.
Die Einzelverstärker EV1 und EV2 bilden zusammen die erste Steuerverstärkerstufe des erfindungsgemässen Kettenverstärkers in Gegentaktanordnung und sind als Paar ausgewählt, welches eine annähernd gleiche Grösse des gemessenen Intermodulationsabstandes besitzt, u. zw. den kleinsten im Gesamtverstärker vorkommenden Abstand. Mit andern Worten ausgedrückt ist dieses Paar von Einzelverstärkern so ausgewählt, dass die Verstärker die am wenigsten linearen, jedoch untereinander möglichst gleichen Kennlinien aufweisen. Die Verstärkung in den einzelnen, als typisierte Baueinheiten hergestellten Einzelverstärkern erfolgt mittels je vier Verstärkerelementen, welche einerseits zwischen je einem Kettenglied an den Eingangskettenleiter EK1 bzw. EK2 und anderseits zwischen je einem Kettenglied an den Ausgangskettenleiter AK1 bzw. AK2 angeschlossen sind.
Die Ausgangskettenleiter AK1 bzw. AK2 sind hochohmig ausgeführt und besitzen eine Impedanz von 240 n, damit eine möglichst hohe Verstärkung erreicht wird. Es ist nämlich die Verstärkung in einem Kettenverstärker u. a. proportional den Impedanzen der Kettenleiter. Eine Erhöhung der Eigenimpedanz der Eingangskettenleiter ist wegen der Eigenschaften der als Verstärkerelemente verwendeten Transistoren nicht möglich. Aus diesem Grunde sind die Ausgangskettenleiter möglichst hochohmig ausgelegt, werden aber hinsichtlich ihrer Impedanz von 240 Q noch vor den Ausgängen Al und A2 mittels Guanella-Leitungsübertragern GÜ1 und GÜ2 mit den Verhältnissen ihrer Impedanzen von 4 : 1 wieder auf die genormten 60 Q herabgesetzt.
Die Übertrager GÜ1 und GÜ2 bilden eine bauliche Einheit mit den Einzelverstärkern, die auf Schaltleisten montiert sind.
An den Ausgang Al ist im Verstärkerzweig VZ1 der Eingang E3 des nächsten Einzel-
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verstärkers EV3 unmittelbar angeschlossen, an A2 im Verstärkerzweig VZ2 liegt E4 von EV4. Die Einzelverstärker EV3 und EV4 sind ebenso wie die in der Schaltung vorangehenden Verstärker EV1 und EV2 aufgebaut und dimensioniert ; sie sind jedoch als Paar von annähernd gleichem Intermodulationsabstand ausgewählt, welches eine bessere Linearität der Kennlinie aufweist, weil sie miteinander die zweite Steuerverstärkerstufe bilden, deren Aussteuerung schon höher liegt, so dass sich Nichtlinearitäten der Verstärker dort im Sinne von Intermodulationen und Kreuzmodulationen schon stärker auswirken müssten. An A3 ist schliesslich bei E5 der Einzelverstärker EV5 und an A4 ist mit E6 der Einzelverstärker EV6 angeschlossen.
EV5 und EV6 bilden die Endverstärkerstufe, die der gröss- ten Aussteuerung ausgesetzt ist. Dieses Paar von Verstärkern ist daher so ausgewählt, dass es den grössten Intermodulationsabstand, d. h. die beste Linearität der Verstärkerkennlinien aufweist.
An die Ausgänge A5 und A6 mit je 60 0 Impedanz ist eine Baueinheit angeschlossen, welche in umgekehrter Reihenfolge ihrer Schaltelemente der Eingangsschaltung in die Verstärkerzweige VZ1 und VZ2 entspricht. Zwei Sparübertrager SÜ3 und SÜ4 mit Verhältnissen ihrer Impedanzen von 1 : 2 heben die Impedanzen der beiden Zweigenden auf je 120 G an und leiten die Übertragungswege einem Guanella-Leitungsübertrager GÜA symmetrisch zur Bezugsleitung zu, so dass die dabei insgesamt vorhandenen 240 0 in Gegentaktschaltung wieder auf 60 0 reduziert werden, die dem Kabeleingang KE des nächsten Kabelabschnittes entsprechen.
Die Notwendigkeit dieser übertragungsanordnung ergibt sich aus dem Aufbau des Übertragungsweges, in dessen Verlauf stossstellenfreie Übergänge von dem 60 0 Kabel auf die beiden schaltungssymmetrisch und im Gegentakt arbeitenden Verstärkerzweige mit je 60 0 Eingangsimpedanz und wieder zurück von den 60 0 Ausgängen dieser Verstärkerzweige auf das Kabel gebildet werden müssen. Die klassische Anordnung von Symmetrieübertragern für Gegentaktverstärkung ist hiebei im Hinblick auf die geforderte grosse Übertragungsbandbreite nicht benutzbar. Ein Gegentaktübertrager üblichen Aufbaues, der den Abschluss der beiden Eingänge der Verstärkerzweige unter Anpassung ermöglicht. und z.
B. primär 5 Windungen, sekundär hingegen 2x 7 Windungen besitzt, wobei das Verhältnis der Impedanzen, welches dem Quadrat des Windungszahlverhältnisses entspricht, 2 : 1 beträgt, hat einen für diese Zwecke unbrauchbaren Frequenzgang. Die Ursache hiefür ist in erster Linie in den Eisenverlusten des Übertragerkernes zu suchen, die beträchtlich sind, weil die gesamte zu übertragende Energie in einen Magnetfluss umgewandelt und in dieser Energieform der Sekundärspule vom Eisenkern übermittelt werden muss. Hiebei treten unzulässig starke frequenzabhängige Dämpfungen bzw. unter Umständen auch Resonanzen auf.
Bei den sogenannten Sparübertragern sind diese Nachteile prinzipiell nicht vorhanden, weil nur ein geringer Teil der Energie über den Kern übertragen wird, während der übrige Teil überhaupt nicht übertragen werden muss, da der Spulenabschnitt, welcher mit diesem Energieteil beaufschlagt ist, sowohl dem Primär- als auch dem Sekundärkreis angehört. Indes ist ein Sparübertrager als Symmetrieübertrager für den Aufbau eines Gegentaktverstärkers nicht verwendbar.
Günstiger liegen die Verhältnisse bei der Verwendung von sogenannten Guanella-Übertragem. Diese Übertrager funktionieren nicht allein nach dem Induktionsgesetz ; es ist ihre Funktion an Hand der Leitungstheorie erklärbar, vgl. z. B. die deutsche Auslegeschrift 1159527. Solche Guanella-Leitungs- übertrager benötigen nicht unbedingt einen Eisenkern ; falls ein solcher angeordnet wird, dient er in erster Linie der Verkürzung der parallel nebeneinander verlaufenden Leitungen. Die einfachen Bauweisen von derartigen Leitungsübertragern ergeben aber ganz bestimmte, insbesondere ganzzahlige Verhältnisse der Impedanzen am Eingang und am Ausgang der Übertrager, z.
B. 4 : 1 bzw. 1 : 4, und auch beikompli- zierteren Schaltungen kann trotz etwas höherer Übertragungsverluste nicht jedes beliebige Verhältnis erzielt werden. Es ist daher zur Übertragung mit grosser Bandbreite die geschilderte Zusammenschaltung eines Guanella-Übertragers mit zwei Sparübertragern zu je einer Übertragergruppe zweckmässig, damit die gleiche, der Norm entsprechende Impedanz, z. B. von 60 n, auch an den Ein- und Ausgängen der Verstärker beibehalten werden kann.
Sämtliche Übertrager sind in der Ferritkerntechnik hergestellt, wobei jeder der kleinen Flachkerne (15x15x7 mm) äusserlich ein etwa elliptisches Profil mit abgeflachten Schmalseiten und an den Stellen der Ellipsenbrennpunkte die Achsen von zylindrischen Kanälen aufweist. Durch diese Kanäle sind im Falle der Benutzung dieser Flachkerne zum Aufbau der Guanella-Leitungsübertrager beiderseits je zwei Schleifen einer zweiadrigen Litze über die Aussenstege herumgeführt. Bei den Sparübertragern sind über den innenliegenden Mittelsteg sieben Schleifen eines einadrigen Drahtes gewickelt, wobei diese Wicklung eine Anzapfung nach fünf Windungen aufweist. Die Sparübertrager SÜ1-SÜ4 sind paarweise räumlich und elektrisch symmetrisch zu den Übertragern GÜE bzw. GÜA angeordnet.
Durch die Verwendung der zahlreichen Übertrager innerhalb einer Gesamtverstärkerstufe treten keine erheblichen
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Nachteile auf ; sie werden jedenfalls bei weitem übertroffen durch die Vorteile, die sich durch die dadurch ermöglichte Anwendung des Baukastenprinzipes ergeben, das wieder die erfindungsgemässe Auswahl der Einzelverstärkerpaare möglich macht und auch in herstellungstechnischer Hinsicht unübertreff- lich ist.
In Fig. 2 ist ein Detailschaltbild eines Einzelverstärkers EV wiedergegeben. Der Eingang E führt zum Eingangskettenleiter EK mit einer Impedanz von 60 n. Diesem Kettenleiter sowie der Basislei- tung der vierTransistoren Ts1-Ts4 ist über die Klemme Sp Potential zugeführt. Der Ausgangsketten- leiter AK mit 240 n ist an den Guanella-Leitungsübertrager GÜ angeschlossen, der wieder die Impedanz von 60 ss am Ausgang A herstellt.
Bei einer Benutzung von Siliziumtransistoren der Type MMF 850 kann bei einer Gesamtstromaufnahmevon zirka 125 mA desEinzelverstärkers EV undbeieinerverstärktenausgangsspannungvon etwa 200 mV ein Frequenzbereich von 20 bis 95 MHz erzielt werden. Bei der beachtlichen Kabellänge von 1000 m eines Kabels vom Typ 2, 2 mm Kernleiterdurchmesser und 9, 5 mm Manteldurchmesser wird ein Bereich von 24 bis 72 MHz bei einer Pegelabweichung von nur einem Dezibel erzielt.
Die Messung des Intermodulationsabstandes der Einzelverstärker erfolgt unter Anspeisung des Verstärkereinganges mit zwei diskreten Frequenzen gleicher Amplitude, wobei die verstärkten Spannungen einer dieser Frequenzen und einer Intermodulationsfrequenz z. B. unter Zwischenschaltung von jeweils nur eine dieser Frequenzen durchlassenden Filtern gemessen und in Verhältnis gesetzt werden.
Die gleich grossen Eingangsspannungen der beiden eingespeisten Frequenzen werden bei der Prüfung der einzelnen Verstärker vorzugsweise so gewählt, dass der Intermodulationsabstand 60 dB beträgt. Dieser Intermodulationsabstand wird im Qualitätsbereich der Gruppe von Verstärkern, welche die geringste noch brauchbare Linearität aufweisen, z. B. bei Ausgangsspannungen der beiden eingespeisten Frequenzen zwischen 100 und 150 mV erreicht ; die mittlere Qualitätsgruppe erreicht 150-200 mV, während die beste Gruppe der Verstärker trotz gleichbleibendem Intermodulationsabstand von 60 dB bereits mit so hohen Eingangsspannungen angespeist werden kann, dass die Ausgangsspannungen 200-350 mV betragen.
Die Grenze von 350 mV wird allerdings in der Praxis selten erreicht. Durch die Benutzung der Ausgangsspannungen als Kriterium für die Qualität der Verstärker-Linearität wird die Notwendigkeit der Berücksichtigung der pro Verstärker etwas unterschiedlichen Gesamtverstärkung vermieden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kettenverstärker in Gegentaktanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verstärkerzweige (VZ1, VZ2) aus mindestens je zwei, vorzugsweise je drei Einzelverstärkern (EV1-EV6) gleichen mechanischen Aufbaues bestehen, wobei Paare von Einzelverstärkern mit annähernd gleicher Grösse ihres gemessenen Intermodulationsabstandes zur Bildung der Gegentakt-Verstärkerstufen ausgewählt und gestaffelt nach der Grösse dieses Intermodulationsabstandes derart angeordnet sind, dass das Paar bzw. die Paare (EV1 und EV2, EV3 und EV4) mit geringerem Intermodulationsabstand als Steuerverstärkerstufen und das Paar (EV5 und EV6) mit dem höchsten Intermodulationsabstand alsEndverstärkerstufe geschaltet sind.