DE1015854B

DE1015854B - Kathodenverstaerkerschaltung mit verringertem Ausgangswiderstand

Info

Publication number: DE1015854B
Application number: DET11493A
Authority: DE
Inventors: James Ross Macdonald
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1954-10-25
Filing date: 1955-10-22
Publication date: 1957-09-19
Also published as: GB794841A; FR1143663A; BE542279A; US2965852A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Kathodenverstärkerschaltung zur Verbindung einer Signalstromquelle mit hohem Innenwiderstand mit einem Verbraucher geringen Widerstandes. Gemäß dem Hauptmerkmal der Erfindung wird bei dieser Kathodenverstärkerschaltung der Unterschied zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung verstärkt und derart gegengekoppelt, daß der Ausgangswiderstand der Schaltung verringert ist und gleichzeitig die Verzerrungen der Ausgangsspannung vermindert sind.

Es sind verschiedene Anordnungen bekannt, um die an einem hohen Widerstand abfallende Spannung einem Verbraucher geringen Widerstandes zuzuführen. Als solche Anordnung kann z. B. ein Übertrager dienen, dessen Primärwicklung in der Impedanz der Stromquelle und dessen Sekundärwicklung in der Impedanz dem Verbraucher angepaßt ist, indem jede Wicklung diejenige Windungszahl aufweist, welche erforderlich ist, um das gewünschte Impedanzübersetzungsverhältnis zu erzielen. Ein solcher »Abwärtsübertrager« hat aber im allgemeinen einen begrenzten Frequenzbereich. Bei Schaltungen, in welchen ein Teil der Ausgangsspannung zwecks Verzerrungsverminderung gegengekoppelt werden soll, begrenzen Zwischenübertrager außerdem den anwendbaren Gegenkoppltingsgrad.

Eine andere bekannte Anordnung zur Übertragung der an einem hohen Widerstand abfallenden Spannung an einen Verbraucher geringen Widerstandes ist der Kathodenverstärker. In einer Kathodenverstärkerschaltung ist der Anodenwiderstand weggelassen; die Ausgangsspannung wird am Kathodenwiderstand abgenommen und folgt also der ans Gitter angelegten Signal spannung. Der Kathodenverstärker weist bekanntlich zwei wesentliche Merkmale auf. Erstens nähert sich seine Spannungsverstärkung dem Wert /</(/*+1), wenn der Verbraucherwiderstand sehr groß wird. Die größtmögliche Spannungsverstärkung ist also etwas kleiner als 1, so daß der Kathodenverstärker als Spannungsverstärker nicht brauchbar ist. Zweitens hat sein Ausgangswiderstand etwa den Wert F₁₁

V) und nähert sich dem Wert 11 g_m, d.h.

dem reziproken Wert der Steilheit, wenn μ groß gegen 1 wird. Infolge dieses kleinen Ausgangswiderstands ist der Kathodenverstärker zur Speisung eines Verbrauchers mit geringem Widerstand brauchbar und findet ausgedehnte Anwendung als Impedanzwandler zwischen einer Signalspannungsquelle mit hohem Innenwiderstand und einem Verbraucher mit geringem Widerstand. Da die Ausgangsspannung nur wenig kleiner als die Eingangsspannung ist, vermeidet der Kathodenverstärker den beim Abwärtstransformator unumgänglichen Spannungsverlust und hat die Kathodenverstärkerschaltung
mit verringertem Ausgangswiderstand

Anmelder:

Texas Instruments Incorporated,
Dallas, Tex. (V. St. A.)

ίο Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,

Gräfelfing bei München, Aribostr. 14

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Oktober 1954

James Ross Macdonald, Dallas, Tex. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

zusätzlichen Vorteile eines ausgezeichneten Frequenzganges, eines hohen Eingangswiderstandes und geringer Verzerrungen. Ferner kann er trotz fehlender Spannungsverstärkung als Leistungsverstärker dienen, weil das \^erhältnis von Eingangswiderstand zu Ausgangswiderstand sehr groß ist.

Indessen ergeben sich trotz der allgemeinen Brauchbarkeit des Kathodenverstärkers als Impedanzwandler gewisse Grenzen seiner Anwendungsmöglichkeit. Eine dieser Grenzen liegt darin, daß für eine gegebene Eingangswechselspannung die Ausgangsspannung des Kathodenverstärkers bei negativen Spitzen abgeschnitten zu werden beginnt, wenn der Verbraucherwiderstand so klein ist, daß der Scheitelwechselstrom durch den Verbraucher dem Ruhestrom im Kathodenwiderstand gleichkommt. Wenn nämlich der Verbraucherwiderstand sehr klein ist, fließt der Anodenstrom hauptsächlich durch den Verbraucherwiderstand und kaum durch den Kathodenwiderstand. Da der Strom durch den Kathodenwiderstand den Spannungsschwankungen des Gitters folgt, ist der Strom im Verbraucherwiderstand auf den Ruhestrom durch den Kathodenwiderstand beschränkt, bis die Röhre sperrt. Auf diesem Niveau werden die negativen Scheitelspannungen dann abgeschnitten. Eine andere Begrenzung der Anwendung des Kathodenverstärkers liegt darin, daß bei · positiven Wechselspannungsspitzen der Kathodenverstärker zwar positive Spitzenströme liefern kann, die weit größer als sein Kathodenruhestrom sind, daß aber die Ausgangsspannung Verzerrungen zeigt, wenn der Verbraucherstrom einen Spannungsabfall am effektiven inneren Widerstand \lg_m

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erzeugt, der im Vergleich zur Eingangsspannüng einen merklichen Wert hat. Wenn also etwa der Wert des Verbraucherwiderstandes von der an ihm liegenden Spannung abhängt, fallen immer größere Bruchteile der Eingangsspannung am Innenwiderstand ab, wenn der Verbraucherwiderstand abnimmt, während immer geringere Bruchteile dem Verbraucher zugeführt werden. Diese Verzerrung kann teilweise dadurch kompensiert werden, daß man eine Gesamtgegenkupplung

dungsgemäße Treiberstufe in Kathodenverstärker schaltung aufzubauen.

Das Hauptziel der Erfindung ist somit die Verbesserung der Impedanzwandlereigenschaften eines 5 Kathodenverstärkers derart, daß der Ausgangswiderstand der Schaltung weiter erniedrigt wird, wodurch sie zur Verwendung zwischen einer Spannungsquelle mit hohem Innenwiderstand und einem Verbraucher mit außerordentlich kleinem Widerstand geeignet ist.

über die ganze Schaltung hinweg verwendet, derart, io Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, die Verdaß im Bereich merkbarer positiver Gitterströme in Zerrungen der Ausgangsspannung zu verringern und der Ausgangsröhre, wo der Kathodenverstärker zu die Stabilität der Schaltung zu verbessern, indem ein einer Begrenzung bei positiven Spitzen neigt, die Gegenkopplungsweg vorgesehen ist, der im wesent-Gegenkopplung die Gitterspannung des Kathodenver- liehen außerhalb des Hauptverstärkungsweges der stärkers und damit seine Ausgangsspannung erhöht. 15 ganzen Schaltung verläuft. Bei einer solchen getrenn-Hierdurch vermindert man die Begrenzung bei posi- ten Schleife mit Gegenkopplung des »aktiven Fehlers« tiven Spannungsspitzen. Die Grenzen dieses Korrek- kann eine stärkere Gesamtgegenkopplung angewandt turverfahrens rühren hauptsächlich von der begrenz- werden, als sie sonst möglich wäre, und hierdurch die ten Spannungsschwankung und den Verzerrungen der Gesamtverzerrung der Schaltung sehr stark verringert Röhre, die dem Kathodenverstärker vorangeht, her. 2° werden.

Bei vielen Schaltungen, z.B. in Niederfrequenz- Der erfindungsgemäße Kathodenverstärker kann als

verstärkern, ist es sehr erwünscht, den Endröhren Treiberstufe für die Endröhren einer einfachen oder Leistung mit hohem Wirkungsgrad zuzuführen. Unter Gegentaktverstärkerschaltung verwendet werden: Bei den zahlreichen Möglichkeiten einer großen Leistungs- diesem Kathodenverstärker ist der Verbraucherwiderübertragung mit hohem Wirkungsgrad besteht eine ^a5 Standsbereich, in welchem eine im wesentlichen undarin, die Endröhren in Gegentakt-A-, AB- oder verzerrte Ausgangsspannung auftritt, erheblich ver-B-Schaltung zu betreiben. Alle diese Betriebsarten größert, so daß er insbesondere bei Verbrauchern machen es aber erforderlich, daß die Gitter der End- verwendet werden kann, die aus einem Gitterkreis röhren positiv beaufschlagt werden und während bestehen, der während eines Teiles der Signalperiode eines Teiles jeder Periode Gitterströme führen. Bei 3Q erhebliche positive Gitterströme führt, dem gewöhnlichen Kathodenverstärker ist die Tat- Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich

sache, daß seine Ausgangs spannung bei negativen aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Scheitel werten abgeschnitten wird, wenn der Ver- Zeichnung. Hierin ist

braucherwiderstand genügend klein ist, von keiner Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der erfindungs-

Bedeutung, wenn der Kathodenverstärker als Treiber- 35 gemäßen Kathodenverstärkerschaltung, bei der eine stufe verwendet wird, da die vom Gitter der Endröhre Röhre parallel zum Kathodenverstärker geschaltet ist, dargestellte Belastung sehr gering ist, bis die Gitterspannung der Endröhre sich dem Wert Null nähert
und diesen überschreitet. Dagegen ist die Verzerrung
der Ausgangsspannung des Kathodenverstärkers, 40 spannung am Kathodenwiderstand R_k allein (norwenn der Verbraucherstrom einen erheblichen Span- mierte Ausgangsspannung) in Abhängigkeit vom Verbraucherwiderstand für die Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 die Kurve des theoretischen und experimentellen Verhältnisses der Fehlerspannung, normiert in 45 bezug auf die Eingangsspannung, in Abhängigkeit vom Verbraucher widerstand für die Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer Kathodenverstärkerschaltung, bei der eine Röhre in Reihe mit

deren Verbindung zwischen Kathode und Erde oder 5° dem Kathodenverstärker geschaltet ist, und einem festen negativen Potential in üblicher Weise Fig. 5 die Darstellung der Zwischenmodulations-

ein Widerstand eingeschaltet ist, sowie eine parallel verzerrung in Abhängigkeit von der effektiven Ausoder in Reihe mit der ersten Röhre geschaltete zusatz- gangsspannung für eine bekannte Kathodenverstärkerliche Röhre. Die Eingangsspannung wird dem Gitter Treiberstufe, für die verbesserte Kathodenverstärkerder ersten Röhre zugeführt, wodurch sich eine Aus- 55 Treiberstufe in Reihenschaltung, für die verbesserte gangsspannung ergibt, die etwas kleiner als die Ein- Kathodenverstärker-Treiberstufe in Parallelschaltung, gangsspannung ist. Die Differenz zwischen Eingangsund Ausgangsspannung wird dann einem Differentialverstärker zugeführt. Die verstärkte »Fehlerspannung« wird auf das Gitter der zusätzlichen, parallel 6°
oder in Reihe geschalteten Röhre gegeben, und zwar
mit derartiger Phasenlage, daß der »Fehler« am Ausgang der ersten Röhre verringert wird. Durch diese
Gegenkopplung wird also der Ausgangswiderstand
und die Verzerrung der Ausgangs spannung des 65 geführt, die in der Schaltung beispielsweise die eine Kathodenverstärkers herabgesetzt. Es sei daraufhin- Hälfte einer Doppeltriode ist. Die Röhre V 2, die gewiesen, daß zwar die Erfindung in bezug auf andere Hälfte der Doppeltriode, ist mittels der Elektronenröhren beschrieben ist, daß aber ebenso Leitung 13, welche die beiden Anoden verbindet, gut geeignete Transistoren, z. B. auch Feldeffekt- parallel zur Röhre Vl geschaltet. Die Anodengleichtransistoren, verwendet werden können, um die erfin- 7° spannung der beiden Röhren wird von einer Gleich-

Fig. 2 die Kurve des theoretischen und experimentellen Verhältnisses der Ausgangsspannung bei einem Gesamtverbraucherwiderstand R_L zu der Ausgangs-

nungsabfall am effektiven inneren Widerstand i/g_m zu erzeugen beginnt, wesentlich, da der positive Gitterstrom, den der Kathodenverstärker dem Endröhrengitter liefern kann, begrenzt ist.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, einige der erwähnten Nachteile zu überwinden, und befaßt sich also mit einem verbesserten Kathodenverstärker. Die erfindungsgemäße Schaltung enthält eine Röhre, in

jeweils bei Belastung mit dem Gitter einer Endröhre, und für eine verbesserte Kathodenverstärker-Treiberstufe in Parallelschaltung bei Leerlauf.

Die erfindungsgemäße Kathodenverstärkerschaltung mit parallel geschalteter Hilfsröhre ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die Eingangsspannung e_v deren anderer Pol an Erde oder Masse liegt, wird über die Leitung 10 dem Gitter der Röhre Vl zu-

Spannungsquelle auf die gemeinsame Verbindung 13 gegeben. Der gemeinsame Kathodenwiderstand 11 ist mittels einer Leitung 14 in Reihe mit der Röhre V1 und mittels einer Leitung 15 in Reihe mit der Röhre V 2 geschaltet. Die Ausgangspannung e_k wird an den Klemmen des Widerstandes 11 abgenommen und über die Leitung 12 einem Verbraucher mit niedrigem Widerstand zugeführt.

Um die Kathodenverstärkerwirkung der Röhre Vl zu verbessern, wird die Eingangsspannung e_t außerdem über den Widerstand 17 und die Leitung 16 dem Gitter der Röhre V 3 zugeführt, während gleichzeitig die Ausgangsspannung e_k über die Leitung 18 auf das Gitter der Röhre Vi gelangt. Die Kathoden der Röhren V3 und Vi sind über eine Leitung 20 in Reihe *5 mit dem gemeinsamen Widerstand 19 geschaltet. Die Anode der Röhre V 3 ist unmittelbar an eine Spannungsquelle angeschlossen, während die Anode der Röhre Vi über den Anodenwiderstand 21 mit einer zweiten Spannungsquelle in Verbindung steht. Die aus den Röhren VZ und Vi und den Widerständen 19 und 21 bestehende Schaltung verstärkt die Differenz zwischen der Eingangsspannung e_t und der Ausgangsspannung e_k in an sich bekannter Weise. Die Röhre V 3 ist als Kathodenverstärker geschaltet, so daß die an ihrem Gitter auftretende Eingangsspannung e_x mit sehr wenig Spannungsverlust an die Kathode der Röhre VA gelangt. Die Röhre Vi arbeitet dagegen als üblicher Spannungsverstärker mit negativ vorgespanntem Gitter. Der Unterschied zwisehen der Eingangsspannung e_t und der Ausgangsspannung e_k wird somit verstärkt und gibt am Widerstand 21 das verstärkte Fehlersignal vom Werte (g_t e_x — g₂ e_k) oder näherungsweise giß^ — e^). Diese Fehlerspannung ergibt eine hohe Stabilität und vermindert Verzerrungen, wenn sie auf den Kathodenverstärker V 2 gegengekoppelt wird. Ferner verläuft dieser Gegenkopplungsweg außerhalb des Hauptverstärkungsweges und gestattet deshalb eine größere Gesamtgegenkopplung ohne Verstärkung der etwa von den Vorstufen der Kathodenverstärkerschaltung herrührenden Verzerrungen.

Die Fehlerspannung wird von der Röhre Vi über die Leitung 22, den Kondensator 26 und die Leitung 25 auf das Gitter der Röhre V 2 gegeben. Der Kondensator 26 stellt einen wechselstrommäßigen Kurzschluß des Widerstandes 23 dar. Da der Widerstand 24 einen beträchtlichen Wert im Vergleich zu dem Blindwiderstand des Kondensators 26 bei den Signalfrequenzen aufweist, wird die Fehlerspannung mit vernachlässigbarem Spannungsabfall am Widerstand 24 auf das Gitter der Röhre V2 gegeben. Dieses Gitter ist mit einer negativen Gleichspannung vorgespannt, die gleich derjenigen des Gitters der Röhre Vl ist, und zwar mittels eines Spannungsteilers, der aus den Widerständen 23 und 24 besteht. Die positive Spannung am Widerstand 21 wird nämlich dem anderen Ende des Spannungsteilers zugeführt, so daß der Spannungsabfall am Widerstand 23 die negative Spannung am Widerstand 24 auf den geeigneten Gleichspannungswert für das Gitter der Röhre V 2 herabgesetzt.

Aus der beschriebenen Schaltung ergibt sich folgendes: Wenn bei steigendem Verbraucherstrom die Ausgangsspannung e_k abnimmt, bildet sich eine erhöhte Fehlerspannung, die verstärkt und dem Gitter der parallel geschalteten Röhre V2 zugeführt wird. Da die Röhre V 2 ebenfalls einen Kathodenverstärker darstellt, nimmt die Spannung am Widerstand 11 zu, wodurch der vom Verbraucher aufgenommene Strom ersetzt wird und die Fehlerspannung sinkt. In Formeln ausgedrückt ergibt die Rückkopplung der verstärkten Fehlerspannung auf die parallel geschaltete Röhre V2 eine Leerlauf-Spannungsverstärkung für den Kathodenverstärker gemäß der Erfindung vom Werte

r. _ ^e* - P I¹ + Si)

Hierbei ist

μ = Verstärkungsfaktor der Röhren Vl und V2

an sich,
g₂ = Spannungsverstärkung vom Gitter zur Anode

der Röhre Vi, gx — Spannungsverstärkung vom Gitter der Röhre

V 3 zur Anode der Röhre V4,
r„ = Innenwiderstand der Röhren Vl und V 2 (als

identisch angenommen),
R_k = Kathodenwiderstand der Röhren Vl und V2 (Widerstandll).

Da μ, Jf₁ und g₂ groß gegen Eins sind und ^₁ etwa mit g₂ übereinstimmt, ergibt sich (unter zulässiger Vernachlässigung von -?-)

Hierbei sind Jf₁ und g₂ durch ihren Mittelwert g ersetzt.

In bezug auf den Spannungsabfall an der Schaltung ergibt sich ihr Innenwiderstand T₁ bzw. ihr Ausgangswiderstand bei Anpassung näherungsweise zu

U 1 1

= fü .

Im Vergleich zu diesem Widerstand eines gewöhnlichen Kathodenverstärkers, der etwa Vg_m beträgt, ist somit durch die erfindungsgemäße Schaltung dieser Widerstandswert um den Faktor g verringert. In Zahlenwerten bedeutet dies eine Verringerung des Ausgangswiderstandes von etwa 200 bis 400 Ohm beim gewöhnlichen Kathodenverstärker auf etwa 5 Ohm für den Kathodenverstärker gemäß Fig. 1.

Zur weiteren Prüfung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 wird auf die Kurven in Fig. 2 und 3 verwiesen. In Fig. 2 ist das Verhältnis der Ausgangsspannung e_k bei einem Gesamtverbraucherwiderstand R_L zur Ausgangsspannung am Kathodenwiderstand Rj₁ allein (Leerlauf in Abhängigkeit vom gesamten Verbraucherwiderstand R_L) dargestellt. Die ausgezogene Linie, welche die berechnete Spannungsverstärkung darstellt, zeigt, daß für kleine Werte des gesamten Verbraucherwiderstandes die Spannungsverstärkung verhältnismäßig gering ist. Wenn jedoch der Verbraucherwiderstand zunimmt, wächst die Spannungsverstärkung bis zu einem Wert 1. Die dreieckigen Punkte stellen Meßwerte dar. Die Übereinstimmung der Meßwerte mit der berechneten Kurve zeigt, daß die Theorie der erfindungsgemäßen Schaltung sich im praktischen Betrieb bewährt.

In Fig. 3 ist die auf die Eingangsspannung e_t bezogene Fehlerspannung e₂ in Abhängigkeit vom gesamten Verbraucherwiderstand R_L dargestellt. Die ausgezogene, theoretisch berechnete Kurve zeigt, daß für kleine Werte des Verbraucherwiderstandes die Fehlerspannung im Vergleich zur Eingangsspannung groß ist und daß sie abnimmt, wenn der Verbraucherwiderstand wächst. Auch zeigen die durch kleine

Dreiecke dargestellten Meßwerte, daß die tatsächlichen Verhältnisse bei der erfindungsgemäßen Schaltung dem berechneten Verhalten weitgehend entsprechen.

Eine andere Anordnung zur Verbesserung eines Kathodenverstärkers ist in Fig. 4 dargestellt. Hier wird die Eingangsspannung e_x dem Gitter der Röhre

V 5 über eine Leitung 40 zugeführt. Die Kathode dieser Röhre ist über den Widerstand 41 mit einem festen negativen Potential verbunden. Die Röhre V5 ist hier jedoch in Reihe mit der Röhre V9 geschaltet, und zwar über die Verbindung 50 zwischen der Anode der Röhre V 5 und der Kathode der Röhre

V 9. Die am Widerstand 41 abfallende Ausgangsspannung e_k ist über eine Leitung 42 einer Endröhre V10 zugeführt.

Wie bei dem Kathodenverstärker in Parallelschaltung gemäß Fig. 1 wird die Differenz zwischen der Eingangsspannung e_x und der Ausgangsspannung e_k in einem Differentialverstärker verstärkt. Dies geschient dadurch, daß die Ausgangsspannung e_k über eine Leitung 43 dem Gitter der Röhre V 7 zugeführt wird. Die Eingangsspannung e_x gelangt auf das Gitter einer Kathodenverstärkerröhre V 8. Der Spannungsabfall am Kathodenwiderstand 45 dieser Röhre wird über die Leitung 46 auf das Gitter der Röhre V 6 gegeben. Die Röhren V6 und V7 stellen identische Hälften einer Doppeltriode dar, haben einen gemeinsamen Kathodenanschluß 47 und sind in Reihe mit einem Widerstand 48 an ein festes negatives Potential angeschlossen. Der Unterschied zwischen den beiden Hälften der Doppeltriode liegt darin, daß die Röhre

V 6 ein Kathodenverstärker ist, während die Röhre

V 7 einen Anodenverstärker darstellt. Der Unterschied zwischen den Spannungen e_x und e^ tritt also als Spannungsabfall am Anodenwiderstand 49 verstärkt auf. Wie in dem Kathodenverstärker in Parallelschaltung gemäß Fig. 1 ist die Spannungsverstärkung der Röhre

V 7 gleich (^₁ e_x — g₂ e_k), was im wesentlichen gleich

g (e_x — e_fc) ist. Diese verstärkte Fehlerspannunge.₂ wird dann über die Leitung 51 auf das Gitter der Röhre V9 gegeben. Der Kathodenverstärker in Reihenschaltung ist also ebenfalls mit einer Fehlergegenkopplung versehen, welche seine Stabilität erhöht und seine Verzerrungen vermindert. Der aktive Gegenkopplungsweg verläuft ebenfalls außerhalb des Hauptverstärkungsweges der Schaltung.

Dadurch, daß die Fehlerspannung dem Gitter der Röhre V9 über die Leitung 51 zugeführt wird, wird die Kathodenverstärkerwirkung der Röhre V5 auf folgende Weise verbessert: Wenn ein Verbraucher mit niedrigem Widerstand, z. B. das Gitter der Endröhre Z^lO in positivem Zustand, einen hohen Strom aufnimmt, nimmt der Spannungsabfall in der Röhre V 5 zu. Jedes Absinken des Innenwiderstandes wird aber durch eine Zunahme der Anodenspannung der Röhre

V 5 kompensiert, die von der Fehlerspannung e_t bewirkt wird, welche dem Gitter der Röhre V 9 zugeführt wird. Dieser Kompensationseffekt setzt sich so lange fort, wie die Belastung zunimmt, bis das Gitter der Röhre V 9 keine negative Vorspannung mehr gegen die Kathode aufweist. An dieser Stelle wird die Koripensationswirkung begrenzt, da der Spannungsabfall an der Röhre V9 nicht weiter absinken kann.

Im Vergleich zu der parallel ergänzten Kathodenverstärkerschaltung ist der Aüsgangswiderstand der in Reihe ergänzten Kathodenverstärkerschaltung erheblich höher, nämlich etwa 50 bis 70 Ohm gegenüber 5 Ohm. Jedoch erhöht der Kathodenverstärker in Reihenschaltung den Bereich der Verbraucherwiderstände erheblich, über welchen eine unverzerrte AuS-: gangsspannung erzielt werden kann; im Vergleich zudem normalen Kathodenverstärker nämlich von etwa' 200 bis 400 Ohm auf 60 Ohm.

Die mathematische Behandlung dieses Kathodenverstärkers in Reihenschaltung an Hand seiner Ersatzschaltung zeigt, daß die Leerlaufspannungsverstär^ kung vom Gitter zur Kathode etwa folgenden Wert hat:

μι

Hierbei ist

g_t die Spannungsverstärkung vom Gitter der Röhre V 8 zur Anode von V 7,

g₂ die Spannungsverstärkung vom Gitter dej Röhre V 7 zur Anode von V 7 und

/Z₁ der Verstärkungsfaktor der Röhren V 5 und V9, der als für beide Röhren identisch angenommen ist.

Da g_x und g₂ sich sehr nahe kommen und in der Praxis erheblich großer als Eins sind, wird G₁ praktisch zu Eins. Der Ausgangswiderstand der Röhre VB ist näherungsweise

γ 1

ρ ι

Da der Ausgangswiderstand des normalen Kathodenverstärkers gleich l/g_m ist, verringert also der erfindungsgemäße Kathodenverstärker in Reihenschaltung den Ausgangswiderstand um den Faktor (1 -l· g%l μ_χ)·

Um die Wirkung zu verdeutlichen, welche die erfmdungsgemäße Schaltung auf die Verzerrung hat, sind in Fig. 5 einige Kurven dargestellt. Es ist die Zwischenmodulation in Prozent für im Verhältnis 4:1 gemischte Frequenzen von 60 und 5600 Hz in Abhängigkeit von der effektiven Ausgangsspannung aufgetragen. Die Kurve für einer bekannte Treiberstufe in Kathodenverstärkerschaltung (CFD) zeigt, daß die Verzerrung bei einer Ausgangsspannung von 30 \^Aolt eff., d. h. bei der Spannung, bei welcher das Endröhrengitter positiven Gitterstrom zu führen beginnt, etwa 0,24°/» beträgt. Nimmt die Ausgangsspannung zu, so wächst die Zwischenmodulationsverzerrung schnell an, bis sie bei einer Ausgangsspannung von 45 Volt etwa 8.0 °/o beträgt. Von hier wächst die Zwischenmodulationsverzerrung etwas langsamer, bis die Diodenlinie der Endröhre erreicht ist, und nimmt von da wieder schnell zu. Die Diodenlinie ist erreicht, wenn das Gitter der Endröhre so stark positiv ist, daß es keine Steuerwirkung mehr auf den Anodenstrom ausübt, so daß die Röhre als Diode arbeitet. Die Kurve für die Treiberstufe in Reihenschaltung gemäß Fig. 4 (SACFD) zeigt eine beträchtliche Verzerrung in dem Bereich zwischen etwa 30 Volt und der Diodenlinie, jedoch ist ihre Verzerrung immer noch erheblich kleiner als diejenige einer bekannten Treiberstufe. Die Kurve für die Treiberstufe in parallel ergänzter Kathodenverstärkerschaltung (PACFD) zeigt eine Zwischenmodulationsverzerrung von weniger als 0,2% zwischen 30 und 50 Volt, während weiterhin die Zwischenmodulationsverzerrung niemals über 0,9% steigt, bis die Ausgangsspannung den Punkt erreicht, an welchem die Endröhre als Diode zu arbeiten beginnt. Die letztere Kurve verläuft ein Stück weit wie die Leerlaufkurve für den Kathodenverstärker in Parallelschaltung, welche die Verzerrung bei verschwin-

dendem Gitterstrom der Endröhre darstellt. Die letztere Verzerrung rührt fast vollständig von der Vorverstärkerstufe (nicht dargestellt) her. Es ergibt sich also, daß bezüglich der Verzerrung der Ausgangsspannung der Kathodenverstärker in Parallelschaltung sowohl der Treiberstufe in Reihenschaltung als auch der normalen Kathodenverstärkerschaltung weit überlegen ist, während der Kathodenverstärker in Reihenschaltung immerhin eine Verbesserung gegenüber dem bisher bekannten Kathodenverstärker darstellt. Die gestrichelte Linie zeigt, daß die Treiberstufe in Parallelschaltung Endröhrengitterströme bis zu 100 mA liefern kann, wenn eine Zwischenmodulationsverzerrung von weniger als 10% in der Endröhre zugelassen ist.

In den beiden Schaltbildern nach Fig. 1 und 4 sind spezielle Widerstandswerte, Röhrentypen und Vorspannungen angegeben, um ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzuführen, ohne jedoch die Allgemeingültigkeit dieser Schaltungen im Rahmen der Erfindung einzuschränken.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kathodenverstärkerschaltung mit verringertem Ausgangswiderstand und verringerter Ausgangsspannungsverzerrung, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Röhre in Kathodenverstärkerschaltung (Vl) eine zweite Kathodenverstärkerröhre (V2) parallel geschaltet ist, auf deren Gitter die verstärkte Differenz (Fehlerspannung e₂) aus der Eingangsspannung (^₁) und der Ausgangsspannung (e_k) gegengekoppelt ist (Fig. 1).

2. Kathodenverstärkerschaltung gemäß der Gattung des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Röhre (V 5) in Kathodenverstärkerschaltung eine zweite Röhre (V 9) derart in Reihe geschaltet ist, daß die Anode der ersten Röhre unmittelbar mit der Kathode der zweiten Röhre verbunden ist, während auf das Gitter der zweiten Röhre die verstärkte Differenz (Fehlerspannung e₂) aus der Eingangsspannung (^₁) und der Ausgangsspannung (e_k) gegengekoppelt ist (Fig. 4).

3. Kathodenverstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerspannung in einem Differentialverstärker verstärkt wird.

4. Kathodenverstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker aus zwei Röhren (V3, F 4 bzw. V6, Vl) besteht, deren Kathoden über einen gemeinsamen Widerstand (19, 48) an festem Potential liegen, während die erste Röhre als Kathodenverstärker und die zweite Röhre als Anodenverstärker geschaltet ist (Fig. 1, 4).

5. Kathodenverstärkerschaltung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (^₁) sowohl der Kathodenverstärkerstufe (Vl) als auch der ersten Röhre des Differentialverstärkers (V3) unmittelbar zugeführt wird (Fig. 1).

6. Kathodenverstärkerschaltung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung der ersten Röhre (V 6) des Differentialverstärkers über eine weitere Kathodenverstärker röhre (V8) zugeführt wird (Fig. 4).

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Archiv für Technisches Messen«, Z 631-2
1948).

(Juni

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen