<Desc/Clms Page number 1>
Mehrstufiger Gleichspannungsverstärker mit Gegen- und Mitkopplung Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Gleichspannungsverstärker mit Gegen- und Mitkopplung, das heisst negativer und positiver Rückkopplung. Eine solche Schaltung besitzt wesentliche Vorteile, insbesondere für manche Röhren- Messinstrumente in der Industrie, im Labor und in der Medizin, oder in Reguliersystemen, Stabilisatoren, Zählgeräten und andern Einrichtungen.
Bisher bekannte Verstärker für Gleichspannung sind kompliziert und lassen sich schwer einstellen, da eine Änderung der Grösse der Rückkopplung in den meisten Fällen auch die übrigen Parameter wesentlich beeinflusst. Bisher wurde eine kombinierte Mit- und Gegenkopplung hauptsächlich bei Wechselspannungsverstärkern, insbesondere für Tonfrequenzverstärkung, bei sogenannten Verstärkern mit getreuer Wiedergabe, angewendet. Solche Schaltungen von Wechselspannungsverstärkern sind jedoch für die Verstärkung von Gleichspannung oder von Wechselspannung mit sehr niedriger Frequenz ungeeignet. Die Anwendung einer kombinierten Rückkopplung ist bei Gleichspannungsverstärkern bloss prinzipiell bekannt.
Der Gleichspannungsverstärker gemäss der vorliegenden Erfindung kann auch für die Verstärkung von Wechselspannung angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist der neue Verstärker für die Verstärkung von niedrigen Frequenzen. Aber auch in Verstärkern höherer Frequenzen kann die neue Schaltung vorteilhaft angewendet werden, da Kopp- lungs- und Sperrkondensatoren erspart, die parasitären Kapazitäten herabgesetzt und unerwünschte Rückkopplungen und Phasenverzerrungen vermieden werden können.
Der erfindungsgemässe mehrstufige, mindestens dreistufige Gleichspannungsverstärker mit Gegen- und Mitkopplung, bei dem die Gegenkopplung über den gesamten Verstärker geführt ist, während die Mitkopplung nur die zweite und dritte Verstärkerstufe umspannt, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Mitkopplung das röhrenferne Ende des Anodenwiderstandes der ersten Stufe mit dem Anodenkreis der dritten Stufe gekoppelt ist, die ihrerseits eine Gitterbasisstufe ist und durch eine in Anodenbasisschaltung arbeitende Röhre gesteuert wird, deren Gitter unmittelbar an die Anode der Röhre der ersten Verstärkerstufe angeschlossen ist.
Vorteile dieser Schaltung sind Einfachheit und leichte Einsteilbarkeit. Sie besitzt auch alle Vorteile, mit denen theoretisch bei Verstärkern mit einer Gegenkopplung und einer sehr hohen, bis unendlich innern Verstärkung und also mit einem sehr hohen Produkt ss -A, gerechnet werden kann, wo ss der Koeffizient der Gegenkopplung und A die Verstärkung bei offener Gegenkopplung ist.
Die Stabilität dieser neuen Schaltung ist insbesondere dann sehr hoch, wenn im Verstärkereingang eine kompensiert geschaltete Röhre verwendet wird.
Der Verstärker kann für Spannungsverstärkung angewendet werden, wobei ein Eingangswiderstand, dessen Wert sehr hoch oder sogar negativ ist, erzielt werden kann. Bei Strommessungen kann, hingegen der Verstärker derart geschaltet werden, dass der dynamische Wert des Eingangswiderstandes Null oder negativ ist. Der Ausgangswiderstand des Verstärkers kann beliebig klein oder gross von Null bis unendlich, oder auch negativ eingestellt werden. Der erfindungsgemässe Verstärker kann also mit Vorteil entweder als selbständige Einheit oder als Bestandteil verschiedener Mess-, Stabilisierungs- oder Reguliereinrichtungen angewendet werden.
Ein. weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verstärkers besteht darin, dass er mit einer kleinen Anzahl von Verstärkerstufen eine hohe Verstärkung er-
<Desc/Clms Page number 2>
zielen lässt, wodurch Röhren erspart werden. Dies führt dann zu weiteren Ersparnissen. und Vorteilen, das heisst zu einer Verkleinerung der Speisequellen, der Abmessungen des Gerätes und seines Gewichtes, zu einer Verminderung der Störanfälligkeit, Ersparnis von Kopplungsgliedern und anderer Bestandteile, einem leichteren Service, Verminderung der Wärmeabfuhr usw.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt das prinzipielle Blockdiagramm eines erfindungsgemäss ausgebildeten Verstärkers und Fig. 2-7 verschiedene Ausführungsbeispiele. In dem in Fig. 1 dargestellten Blockdiagramm werden die Eingangsklemmen 1 und 1' mit einer Spannung ei gespeist. Von dieser Spannung wird die Spannung sseo subtrahiert, die von den Ausgangsklemmen 2 und 2' durch Gegenkopplung zurückgeführt wird, so dass am Eingang des ersten Verstärkers, dessen Verstärkung ohne Rückkopplung gleich A i ist, die Spannung e2 liegt.
Mit der Ausgangsspannung des Verstärkers A i wird an dessen Innenwiderstand die Spannung yeo, welche durch die positive Rückkopplung zugeführt wird, addiert, so dass in den Eingang des zweiten Verstärkers, dessen Verstärkung bei offenen Rückkopplungsschleifen A2 ist, die Spannung e.1 gelangt. Am Ausgang dieser Verstärkerstufe, und also am Ausgang der ganzen Schaltung tritt die Ausgangsspannung eo (an den Klemmen 2, 2@ auf. Ein Teil dieser Spannung sseo, welcher z. B. durch ein Potentiometer eingestellt wird, wirkt als Gegenkopplung, während ein anderer Teil dieser Spannung yeo als positive Rückkopplung wirkt.
Falls einfachheitshalber angenommen wird, dass dem Eingang des Verstärkers A2 die ganze Summe der Spannung e3 und yeo zugeführt wird, gilt für die angeführte Schaltung:
e2 = ei + sseo (1) es = e2A i (2) ei = es + yeo (3) eo = e4A2 (4) falls Ai < 0, A2>0, 0 < ssZl, 0 < yZlist. Daraus folgt e4 = (ei + sseo) A, + yeo e4 - eolA2 (6) e. (1/A2 - ssAi - y) - eiAi (7)
EMI2.50
Aus den angeführten Gleichungen folgt, dass sseo = -ei (9) falls y = 1/A2 gewählt wird.
Für einen einfachen Verstärker mit einer Verstärkung A (bei offenen Rückkopplungsschleifen), wo die Gegenkopplung durch sseo auf den Eingang und die Mitkopplung durch yeo auf den Eingang erfolgt, wo eo die Ausgangsspannung bezeichnet, gilt die einfachere Beziehung:
EMI2.62
Falls y = 1/A2 eingestellt ist und ändert sich aus irgendwelchen Gründen die Verstärkung der ersten Verstärkerstufe um einen Faktor K1 und die Verstärkung der zweiten Verstärkerstufe um einen Faktor K2, ändert sich die Verstärkung des ganzen Verstärkers von der ursprünglichen Verstärkung:
EMI2.71
auf den Wert:
EMI2.72
Würde die positive Rückkopplung auch über beide Verstärkerstufen A i und A2 geführt, das heisst vom Ausgang zum Eingang, wie die Gegenkopplung über die ganze Schaltung, würde die Verstärkung
EMI2.75
sein, und falls man die Grösse der positiven Rückkopplung y = 1/A1A2 einstellt, würde wieder eo/ei = -1 /ss sein.
Ändert sich die Verstärkung der beiden Verstär- kerstufen, wie im vorangehenden Falle, so ändert sich die Verstärkung der ganzen Schaltung auf
EMI2.82
Aus den Gleichungen (12) und (14) ist also zu ersehen, dass bei einem Verstärker, in dem die positive Rückkopplung bloss die Verstärkerstufe A2 umspannt, die Änderungen in der Verstärkung weniger kritisch sind. Um die besten Resultate erzielen zu können, ist eine hohe Verstärkung A i zweckmässig.
Diese Lösung wird in dem dreistufigen Verstärker der in Fig. 2 dargestellten Schaltung angewendet. Die Verstärkung der ersten Verstärkerstufe Ei kann ziemlich hoch sein; die Verstärkung der Röhren E.. und E;, wird durch die negative Rückkopplung an deren gemeinsamen Kathodenwiderstand R8 stabilisiert. Die Eingangsklemmen des Verstärkers sind mit 1 und 1', und dessen Ausgangsklemmen mit 2 und 2' bezeichnet. Die Röhre Ei ist in diesem Falle eine Pentode (es kann jedoch auch eine Triode, Heptode und dergleichen angewendet werden) mit einem Anodenwiderstand R.1, der an einen Teil des Anodenwiderstandes R, der Röhre E; angeschlossen ist.
Die Widerstände R" R8 und R7 bilden einen Spannungs- teiler für den Anschluss der Kathode und des Schirm-
<Desc/Clms Page number 3>
gitters der Röhre El. Die Röhre E2 arbeitet als Anodenbasis oder Kathodenfolgeschaltung und ihr Gitter ist unmittelbar an die Anode der Röhre E1 angeschlossen.
Die an der Kathode erregte Röhre E3 (Gitterbasisstufe), welche an den gemeinsamen Kathodenwiderstand R8 angeschlossen ist, besitzt einen Anodenwiderstand R1, der aus zwei Teilen R9 und RIO zusammengesetzt ist, um für die positive Rückkopplung bloss einen Teil yeo der Ausgangsspannung anwenden zu können.
An die Anode der Röhre E3 ist die Ausgangsklemme 2 und der Spannungs- teiler R2 angeschlossen, welcher aus zwei Widerständen R11 und R12 zusammengesetzt ist, so dass die negative Rückkopplung durch einen Teil sseo der Ausgangsspannung gebildet wird. Dieser Teil der Ausgangsspannung wird der Eingangsklemme 1' zugeführt.
In Fig. 3, 4 und 5 sind verschiedene Ausführungen einer einstellbaren positiven Rückkopplung dargestellt.
In Fig. 3 ist ein Teil des Anodenwiderstandes der Röhre E?, als Potentiometer R1o ausgebildet, an welches der Anodenwiderstand der Röhre Ei in Fig. 2 angeschlossen ist. In der Schaltung nach Fig. 4 befinden sich in den Anodenzuleitungen der Röhren E2 und E3 Widerstände R1o und R14, die derart geschaltet sind, dass an ihnen im Ruhezustand, das heisst bei kurzgeschlossenen Eingangsklemmen, der gleiche Spannungsabfall liegt. An diese Widerstände ist das Potentiometer R13 angeschlossen, an dessen Abzweigung der Anodenwiderstand der Röhre E1 in Fig. 2 angeschlossen wird.
Durch den Widerstand R13 wird die Grösse der positiven Rückkopplung gesteuert.
In ähnlicher Weise wird bei der Schaltung nach Fig. 5 durch Änderung des Widerstandes R13 die Verstärkung der Stufe E3 am Widerstand Rlo geän- dert (ohne dass die Gleichspannung geändert wird, falls sich am zweiten Ende des Widerstandes R13 dieselbe Ruhespannung befindet), und dadurch wird die Grösse der positiven Rückkopplung gesteuert.
Fig. 6 zeigt eine Verstärkerschaltung, bei der die negative Rückkopplung sseO der Kathode der ersten Verstärkerstufe El zugeführt wird. Im Ausgang des Verstärkers, liegt eine Röhre E, in Anodenbasisschaltung mit einem Kathodenwiderstand R,9 und R20. Da zur Erregung der Verstärkerstufe E4 eine Spannung notwendig ist, die zur Spannung an der Anode der Röhre E? gegenphasig ist, wird in den Anodenkreis der Röhre E2 ein Anodenwiderstand R21 geschaltet, und das Gitter der Röhre E,
1 ist an die Anode der Röhre E2 über einen Spannungsteiler, der aus den Widerständen R22 und R23 besteht, angeschlossen.
In Fig. 7 ist eine Verstärkerschaltung dargestellt, in der vor dem vorstehend beschriebenen Verstärker noch als Vorverstärker eine Anodenbasisstufe EO eingeschaltet ist, von der die Kathode der ersten Verstärkerstufe E1 mit einem gemeinsamen Katho- denwiderstand R5 erregt wird, wobei die negative Rückkopplung dem Gitter der Röhre der ersten Ver- stärkerstufe zugeführt wird.
Mit Hilfe der Kapazitäten Cl und C2 kann die Eingangskapazität kompensiert werden. Durch die Kapazitäten C3 und C4 und C5, welche an den Spannungsteiler R16, R17 und R12 -angeschlossen sind, kann die Frequenzcharakteristik des Verstärkers korrigiert werden.
Bei geeigneter Ausbildung des erfindungsgemässen Verstärkers können annähernd Bedingungen erfüllt werden, welche an ideale Spannungs- oder Stromverstärker gestellt werden, das heisst bei einem Spannungsverstärker ein unendlich hoher Eingangswiderstand und bei einem Stromverstärker ein dynamischer Null-Eingangswiderstand. Die Stabilität des Verstärkers ist dabei sehr gut.
Der erfindungsgemässe Verstärker kann auch in einer geeigneten Schaltung als Spannungs- oder Strom-Röhrenstabilisator verwendet werden, wenn beim Spannungsstabilisator ein unendlicher Stabilisierungsfaktor und ein Null-Ausgangswiderstand, oder wenn beim Stromstabilisator ein unendlicher Ausgangswiderstand erreicht werden soll.