DE1018155B - Roehrenverstaerker zur Messung schwacher Stroeme - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Elektronenröhrenverstärker zur Verstärkung insbesondere schwacher Ströme, deren Quelle einen hohen Innenwiderstand besitzt.

Solche Verstärker haben bekanntlich die Eigenart, daß sie mit der Verstärkung des als Spannung oder Strom eintretenden Signals parasitäre Spannungen oder Ströme erzeugen, die man üblicherweise als Störgeräusche bezeichnet. Handelt es sich um die Verstärkung schwacher Ströme einer Spannungsquelle hohen Innenwiderstandes, - so setzt sich das Eingangsgeräusch im wesentlichen aus zwei Faktoren zusammen, nämlich einmal aus dem Gitterstrom der Eingangsröhre bzw. aus dessen Pulsationen in Abhängigkeit vom zu verstärkenden Frequenzband (welcher Faktor für ein gegebenes Frequenzband vom Eingangswiderstand unabhängig ist) und zum anderen aus dem Wärmerauschen des Eingangswiderstandes, das einem diesen Widerstand durchsetzenden Strom entspricht, welcher der Wurzel dieses Widerstandes umgekehrt proportional ist.

Handelt es sich um die Verstärkung sehr schwacher Signalströme, so kann das Verhältnis von Signal zu Störgeräusch ein Ausmaß annehmen, daß es am Verstärkerausgang nicht mehr möglich ist, beide voneinander zu unterscheiden. Dieser Übelstand fällt besonders schwer bei Anlagen ins Gewicht, die zur Verstärkung so schwacher Signale bestimmt sind, wie sie z.B. von einem Massenspektrograpben oder auch von einer Ionisationskammer herrühren.

Die Erfindung hat Verbesserungen an Verstärkern für schwache Ströme zum Gegenstand, durch welche das Verhältnis von Signal zu Störgeräusch wesentlich günstiger gestaltet und daher die Empfindlichkeit des Verstärkers bedeutend erhöht wird.

Am Eingang solcher Verstärker ist der Signalpegel selbst unabhängig vom Eingangswiderstand des Verstärkers. Hingegen nimmt eine der beiden Störgeräuschkomponenten, wie bereits erwähnt, mit wachsendem Eingangswiderstand ab. Das Verhältnis von Signal- zu Störpegel am Eingang' —= und-damit auch am Verstärkerausgang — kann also dadurch verbessert werden, daß man einerseits den Eingangswiderstand vergrößert und andererseits den Gitterstrom der Eingangsröhre und dessen Pulsationen durch Wahl einer geeigneten Röhrentype herabsetzt, wodurch beide Komponenten des Eingangsstörgeräusches zugleich verkleinert werden, ohne daß das Signal selbst beeinflußt wird.

Freilich würde man bei Verwendung der üblichen Eingangskreise oder -schaltungen mit der Vergrößerung des Eingangswiderstandes auch die Zeitkonstante des Eingangskreises und somit den zur Durchführung der Messung benötigten Zeitaufwand erhöhen, weshalb die Erhöhung des Eingangswiderstandes bei den üblichen Schaltungen sehr bald ihre praktische Grenze findet.

Es läßt sich aber zeigen, daß man durch Verwendung Röhrenverstärker zur Messung
schwacher Ströme

Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. G. W. Lotterhos und Dr.-Ing. H. W. Lotterhos,
Patentanwälte, Frankfurt/M., Lichtensteinstr. 3

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 7. April 1951

Joseph Taieb, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

einer. Schaltung mit Gegenkopplung die Zeitkonstante des Eingangskreises verringern kann, die durch folgenden Ausdruck gegeben ist:

sofern

Hierin bedeutet C₁ die Eingangskapazität des Verstärkers, C₀ die Kapazität zwischen den Enden des Widerstandes R im Verstärkereingang,- Γ die Summe der längs dieses Widerstandes verteilten Einzelkapazitäten und A die Spannungsverstärkung der von dem Verstärker und dem Kreis mit Gegenkopplung gebildeten Kette. -

Aus diesen Beziehungen ergibt sich, daß die Gegenkopplung bei einem hinreichend großen Verstärkungs-

grad den Faktor ~- beliebig zu verkleinern gestattet,

ohne daß sie für die Größen C₀ und Γ von Einfluß wäre. Andererseits ist, von sehr seltenen Ausnahmefällen

abgesehen, der Wert von Γ bedeutend kleiner als die

Größe C₀ und selbst als der Ausdruck

C₁

C₀

Um in einem Verstärker mit negativer Rückkopplung das Verhältnis von Signal zu Störpegel und somit die Empfindlichkeit wesentlich zu verbessern, indem man einen im Vergleich zu den üblichen Verstärkerschaltungen bedeutend größeren Widerstand im Verstärkereingang wählt, ohne damit gleichzeitig in unzulässigem Ausmaß

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die Zeitkonstante des Eingangskreises zu erhöhen, ist es also erforderlich, die Größe C₀ zu verringern. Die Möglichkeit dieser Verringerung wird aber nur durch die Existenz von Γ und durch die Notwendigkeit begrenzt, der Ungleichung (2) zu genügen.

Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, daß die Kapazität zwischen den Enden des Widerstandes im Verstärkereingang auf einen extrem kleinen Wert herabgesetzt wird.

Eingangsklemme 13 des Verstärkers enthält. Diese Klemme ist durch einen Leiter 14 mit der Eingangsröhre 15 verbunden, die in einem dicken Metallschirm 16 gehaltert ist. Der Übersicht halber sind die inneren Verbindungen und Schaltung der Röhre 15 in der Zeichnung nicht enthalten. In der Nähe des Randes der Schirmplatte 16 befinden sich zwei diametral gegenüberliegende Bohrungen 17, durch welche die Säulen 10 hindurchgeführt sind, indem der Schirm 16 auf diesen Säulen

Das wird dadurch erreicht, daß bei einem Röhren- io mittels Schwammgummiringen 18 in seiner Lage geverstärker zur Messung schwacher Ströme mit sehr halten wird. Der Schirm ist über eine biegsame Leitung 19 hohem Widerstand im Eingangskreis, der zugleich in
einem Gegenkopplungskreis liegt und Maßnahmen zur

statischen Abschirmung der Eigenkapazitäten der Ein-

mit Masse verbunden, so daß er an der Erdleitung des Verstärkers liegt.

Der hochohmige Widerstand 20, der einerseits über gangsschaltung enthält, erfindungsgemäß eine ebene, 15 die Verbindung 21 an der Eingangsklemme 13 und auf Erdpotential befindliche metallische Scheibe, die andererseits über die Verbindung 22 an dem (in Fig. 3 senkrecht zur Achse des hochohmigen Widerstandes im
Eingangskreis liegt, sowohl von diesem Widerstand als
auch von der Eingangsverstärkerröhre durchsetzt ist.
Die metallische, senkrecht zur Achse des hochohmigen ao
Widerstandes im Verstärkereingang liegende Abschirmplatte wird zweckmäßigerweise elastisch angeordnet und
verhältnismäßig dick ausgebildet. Abgesehen von der
Abschirmwirkung ist diese Metallplatte gleichzeitig der

und 4 nicht dargestellten) Gegenkopplungskreis liegt, befindet sich innerhalb einer Glashülle 23, die in einer Bohrung 24 der Schirmplatte 16 ruht.

Die Platte 16 wirkt sowohl als Schirm gemäß der Erfindung, um die Kapazität C₀ zwischen den Klemmen des Widerstandes 20 ganz oder auf ein Minimum zu kompensieren, als auch wie eine Abschirmung, die den Eingangskreis völlig gegen die anderen Kreise des Ver-

Sockel der Eingangsröhre, welche bekanntlich infolge 25 stärkers isoliert, wodurch zugleich deren parasitäre Ein

flüsse auf den Eingangskreis ausgeschaltet werden, und schließlich als schwerer Sockel für die Röhre 15, deren akustische Beeinflussung auf diese Weise stark gedämpft wird.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung sei die Verwendung eines Verstärkers mit Gegenkopplungskreis erwähnt, bei welchem der gesamte Verstärkungsfaktor der von dem Verstärker und dem Rückkopplungskreis gebildeten Kette 500 beträgt und als Eingangsröhre ein

der hohen Verstärkungsgrade sehr mikrophonempfindlich ist. Durch die große Masse der Metallplatte, die überdies elastisch aufgehängt ist, erreicht man einen Schutz des Verstärkers gegen akustische Rückkopplung oder mechanische Fremdeinflüsse.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist die schematische Darstellung eines üblichen Verstärkers mit negativer Rückkopplung;

Fig. 2 zeigt in entsprechender Darstellung einen Ver- 35 als Pentode geschalteter Typ »954« verwendet ist und stärker gemäß der Erfindung; die üblichen Vorkehrungen gegen parasitäre Beein-

Fig. 3 läßt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in flussung des Eingangskreises getroffen sind, perspektivischer Teilansicht erkennen, während Mit einem hochohmigen Widerstand von 500 Megohm

Fig. 4 ein senkrechter Axialschnitt durch Fig. 3 ist. würde die Bandbreite ohne Anwendung einer Ab-In Fig. 1 ist der Verstärker mit dem Verstärkungs- 40 schirmung gemäß der Erfindung 300 Hz betragen; mit faktor μ mit 1 bezeichnet; er enthält den Gegenkopp- einer klassischen Schaltung ohne Gegenkopplung würde lungskreis 2 mit dem Verstärkungsfaktor S. Der Wider- sie etwa nur 20 Hz umfassen. Verwendet man hingegen stand im Eingang des Verstärkers vom Betrage R ist eine Abschirmung gemäß der Erfindung, so kann die bei 3 dargestellt. Ferner sind in gestrichelten Linien als hindurchgehende Bandbreite bis auf 6700 Hz vergrößert Ersatzgrößen die Eingangskapazität C₁, die zwischen den 45 werden, wobei das gesamte Störgeräusch im Eingang — Klemmen des Widerstandes 3 vorhandene Gesamt- in Einheiten des Stromes ausgedrückt — nur in der kapazität C₀ und die Summe Γ des längs dieses Wider- Größenordnung von 1,1 · 10~¹² A (effektiv) liegt. Standes verteilten Einzelkapazitäten dargestellt. Der zu Mit einem Widerstand von 1000 Megohm ist es durch

verstärkende Strom wird den Verstärkereingangsklem- Anwendung einer Abschirmung gemäß der Erfindung men 4 zugeführt, während die verstärkte Spannung an 50 gelungen, die innerhalb einer klassischen Schaltung hinden Ausgangsklemmen 5 abgegriffen wird. durchtretende Bandbreite von 10 Hz auf 4300 Hz zu

Wie bereits dargelegt, kann der

Ausdruck -jr- in

Gleichung (1) beliebig verkleinert werden, indem man die Charakteristik des Verstärkers 1 und des Gegenkopplungskreises 2 derart bestimmt, daß der Verstärkungsfaktor A = μ · β der von 1 und 2 gebildeten Kette gegenüber C₁ hinreichend groß wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung gemäß der Erfindung, in welcher die einander entsprechenden Teile 60 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind, ist nun der Widerstand 3 von einem geerdeten oder mit dem Chassis verbundenen Schirm 6 umgeben, dessen Ebene senkrecht zur Achse des Widerstandes verläuft und welcher die Größe C₀ praktisch auf Null zu ver- 65 ringern gestattet.

In den Fig. 3 und 4 sind nur die Teile des Verstärkereingangs dargestellt. Diese werden von zwei Säulen 10 getragen, deren Oberenden mittels Schrauben 12 mit einer isolierenden Platte Il verbunden sind, welche die 70

erhöhen, wobei das gesamte Störgeräusch im Eingang nur 10-¹² A (effektiv) betrug.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Röhrenverstärker zur Messung schwacher Ströme mit einem zugleich in einem Gegenkopplungskreis liegenden hochohmigen Widerstand im Verstärkereingang und Maßnahmen zur statischen Abschirmung der Eigenkapazitäten der Eingangsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine ebene, auf Erdpotential befindliche metallische Scheibe senkrecht zur Achse des hochohmigen Widerstandes im Verstärkereingang sowohl von diesem Widerstand als auch von der Eingangsverstärkerröhre durchsetzt ist (Fig. 2).

2. Röhrenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit eine isolierende Platte (11) aufweist, die an ihrem Rand mit Hilfe von Schrauben (12) auf zwei vertikalen Säulen (10) befestigt ist und in der Mitte die Eingangsklem-

me (13) eines Verstärkers trägt, sowie einen dicken Metallschirm (16) enthält, durch den am Rande die Säulen (10) unter Zwischenschaltung von isolierenden Hülsen (18) hindurchgehen und der in der Mitte von der Eingangsverstärkerröhre (15) durchsetzt wird, deren Eingangselektrode mit der Klemme (13) und mit dem oberen Ende des hochohmigen Widerstandes (20) des Verstärkers verbunden ist, der sich innerhalb einer Glashülle (23) befindet, die in einer Bohrung (24) des Metallschirmes (16) sitzt, wobei das andere Ende des

Widerstandes mit dem Gegenkopplungskreis und der Schirm (16) mit Masse verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 746 522; schweizerische Patentschrift Nr. 152 099; Elektrot. Zeitschr., 1941, H. 22., S. 493 bis 497: Funk u. Ton, 1950, H. 7, S. 358 bis 368; ATM, Bl. V 30—4, 1950; Elektro-Post, 1950, H. 20, S. 301 bis 303.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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