DE1023487B

DE1023487B - Differenzverstaerker in Gegentaktschaltung

Info

Publication number: DE1023487B
Application number: DEN10090A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Klein
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1953-08-24
Filing date: 1955-01-20
Publication date: 1958-01-30
Also published as: US2780682A; BE531370A; DE971705C; FR1118236A; CH331260A; BE535111A; GB761298A; GB771083A; CH329089A; GB767997A; DE964331C; FR1112775A; FR1106637A

Description

DEUTSCHES

Bei verschiedenen Messungen, z. B. mittels Brückenschaltungen, bei Untersuchungen mittels Elektrokardiographen und auch bei anderen physiologischen Untersuchungen ist es oft erforderlich, kleine Spannungsunterschiede zwischen zwei Punkten zu bestimmen, die beide ein verhältnismäßig hohes veränderliches Potential gegen Erde aufweisen, das für die Messungen unwesentlich ist. Zur Verstärkung der zu messenden Differenzspannung kann man an sich bekannte Differenzverstärker verwenden. Die Erfindung bezieht sich nun auf einen speziellen Differenzverstärker in Gegentaktschaltung, bei dem in jedem Gegentaktzweig zwei Trioden gleichstrommäßig in Reihe geschaltet sind und die Eingangsdifferenzspannung den Steuergittern derjenigen Röhren zugeführt wird, deren Elektroden auf niedrigerem Potential liegen und deren Kathoden über einen gemeinsamen Widerstand mit der Speisequelle verbunden sind, während die Ausgangsspannung zwischen den Anoden derjenigen Röhren abgenommen wird, deren Elektroden auf höherem Potential liegen.

Zur Erläuterung der bei Differenzverstärkern auftretenden Verhältnisse sei vorerst eine bekannte einfache Schaltung an Hand der Fig. 1 der Zeichnung beschrieben.

An den PunktenJLund2, die über hohe Widerstände 7 und 8 mit Erde verbunden sind, sind die Spannungen wirksam, deren Unterschied gemessen werden soll. Diese Punkte sind mit den Steuergittern zweier Verstärkerröhren verbunden, die hier als Trioden 5 und 6 dargestellt sind. Die verstärkte Differenzspannung wird zwischen den Punkten 3 und 4 entnommen, die mit den Anoden der Röhren verbunden sind. Die Anoden sind über Kopplungswiderstände 9 und 10 mit der Plusklemme der Speisequelle verbunden. Die Kathoden sind miteinander verbunden und über einen gemeinsamen Widerstand 11 an die Minusklemme der Speisequelle angeschlossen, die ein verhältnismäßig hohes negatives Potential gegen Erde haben kann. Es können außerdem auch nicht gemeinsame Impedanzen in die Kathodenleitungen eingeschaltet werden.

Bei den an den Eingangsklemmen 1 und 2 auftretenden Spannungen ist es wichtig, einen Unterschied zwischen den einander gleichen Komponenten mit gleicher Phase (gleichphasige Spannungen) und den im absoluten Wert gleichen Komponenten mit verschiedener Polarität (ungleichphasige Spannungen) zu machen. Der Verstärker muß derart eingerichtet sein, daß nur die ungleichphasigen Spannungen verstärkt werden und die gleichphasigen Spannungen keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung ausüben. Dies wird bei dem dargestellten Verstärker zu einem gewissen Ausmaß dadurch erreicht, daß der gemeinsame Widerstand 11 vorgesehen ist. Werden den Steuergittern gleichphasige Spannungen zugeführt, so arbeiten die Röhren parallel, und der Widerstand 11 führt eine Gegenkopplung herbei. Bei ungleichphasigen Signalen gleichen die Stromänderungen der Röhren sich im Wider-

Differenzverstärker in Gegentaktschaltung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 25. Januar 1954

Gerrit Klein, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

stand 11 gegenseitig nahezu aus, so daß die miteinander verbundenen Kathoden ihr Potential nahezu nicht ändern und die Röhren auf normale Weise verstärken.

Sind die Röhren völlig identisch, so ist der Ausgleich für gleichphasige Spannungen vollkommen, so daß, wenn auch die weiteren Stufen identisch sind und ein Aufzeichenorgan verwendet wird, das nur auf Spannungsunterschiede anspricht, tatsächlich nur Spannungsunterschiede zwischen den Eingangsklemmen aufgezeichnet werden. Wenn die Röhren nicht identisch sind, werden gleichphasige Spannungen an den Gittern im allgemeinen ungleichphasige Spannungen zwischen den Anoden veranlassen. Dies ist auch der Fall, wenn der Widerstand 11 einen sehr hohen Wert hat. Es ist bereits vorgeschlagen worden, diesen Widerstand als Pentode mit einem Widerstand in der Kathodenleitung auszubilden, der außerdem in den Gitterkreis eingeschaltet ist. Dabei kann bekanntlich der Wechselstromwiderstand, der bei diesen Verstärkern wesentlich ist, sehr hoch gemacht werden. Unter Wechselstromwiderstand wird hier das Verhältnis zwischen der Spannungsänderung an der Anode der Pentode und einer Änderung des Anodenstroms verstanden.

Als Maßstab für die Güte eines Differenzverstärkers kann an erster Stelle der sogenannte Rejektionsfaktor (H) dienen. Dieser wird als das Verhältnis zwischen einer gleichphasigen Spannung am Eingang, die eine bestimmte ungleichphasige Spannung am Ausgang hervorruft, und einer ungleichphasigen Spannung am Eingang, die eine gleiche ungleichphasige Spannung am Ausgang hervorruft, definiert. Es kann abgeleitet werden, daß für einen

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unendlich großen Wert des Wechselstromwiderstandes von 11 die Bedingung

2 μ*

H =

Δμ

(1)

gilt. Dabei bezeichnet μ den mittleren Verstärkungsfaktor der zwei Röhren und Δ μ den Unterschied zwischen den zwei Verstärkungsfaktoren.

Um einen hohen Rejektionsfaktor zu erhalten, könnten die Röhren selbstverständlich ausgewählt und in allen Stufen gleiche Röhren verwendet werden. In diesem Falle würde H unendlich groß sein. Man könnte die gegenseitigen Unterschiede bis zu einem gewissen Ausmaß ausgleichen, indem die statischen Spannungen an den Elektroden entsprechend verschieden gewählt werden. Dies ist jedoch umständlich und man muß daher stets einen Unterschied von etwa 10°/₀ zwischen den verschiedenen Röhrenwerten berücksichtigen. Bei Verwendung von Trioden erhält man in diesem Falle einen Rejektionsfaktor von etwa 1600, der für die Praxis häufig so zu niedrig ist. Im allgemeinen kann bei einem maximalen Unterschied von 10°/₀ zwischen den entsprechenden Röhrenwerten der minimale Rejektionsfaktor durch die Formel:

1 0,3 , O^ ₍₂₎

H.

min

SZ

ausgedrückt werden. Dabei bezeichnet S die mittlere Steilheit der Röhren, Z die Gesamtimpedanz zwischen dem gemeinsamen Punkt der Gegentaktschaltung und Erde und μ_1α den mittleren Verstärkungsfaktor von dem Eingangsgitter zu der Ausgangsanode. Wenn hier von einem hohen Rejektionsfaktor die Rede ist, ist der Wert dieses minimalen Rejektionsfaktors gemeint.

Es kann, wie ebenfalls bereits vorgeschlagen, eine Verbesserung erzielt werden, indem auf besondere Weise geschaltete Pentoden verwendet werden. Diese sind jedoch nicht verwendbar, wenn die Anforderung eines sehr geringen Rauschens vorliegt.

Die Erfindung bezweckt nun, einen Differenzverstärker in Gegentaktschaltung der eingangs genannten, an sich bekannten Art zu schaffen, bei dem nur Trioden zur Verstärkung verwendet werden und bei dem dennoch ein hoher Rejektionsfaktor erhalten wird.

Die Erfindung besteht darin, daß die Gitter der einander entsprechenden Röhren, deren Elektroden auf höherem Potential Hegen, miteinander verbunden sind und über ein Element, an dem eine konstante Spannung auftritt, mit dem Kathodenende des gemeinsamen Widerstandes in Verbindung stehen, über den die Kathoden derjenigen Röhren, deren Steuergittern die Eingangsspannungen zugeführt werden, mit der Minusklemme der Speisequelle verbunden sind.

Im allgemeinen genügt es, in jeder Gegentaktstufe zwei gleichstrommäßig in Reihe geschaltete Trioden zu verwenden, die eine sogenannte Kaskode bilden, d. h. die Kaskadenschaltung einer Triode in Kathodenbasisschaltung und einer Triode in Gitterbasisschaltung. Diese Schaltung verhält sich bekanntlich wie ein Pentodenverstärker, ohne daß das sogenannte Verteilungsrauschen eintritt. Im Gegensatz zu den bekannten, nicht ohne weiteres als Differenzverstärker geeigneten Kaskoden werden nun die Gitter der Röhren mit dem höheren Potential auf konstanter Spannung gehalten.

Das erwähnte Element ist vorzugsweise eine Gasentladungsröhre, z. B. eine Glimmentladungsröhre (Neonröhre), deren Stabilisationseigenschaften an sich bekannt sind. Die nicht mit dem gemeinsamen Kathodenwiderstand verbundene Elektrode der Glimmentladungsröhre ist über einen hohen Widerstand mit einem Punkt positiven Potentials verbunden. Dieser Speisewiderstand führt nur den Entladungsstrom der Glimmentladungsröhre, der sehr gering sein kann, so daß der Widerstand einen hohen Wert z. B. von 1 MOhm haben kann. Dies ist von Bedeutung, da dieser Widerstand den Rejektionsfaktor mitbestimmt. Ist der erwähnte Wert nicht hinreichend hoch, so kann der Widerstand durch eine Schaltung mit gesteuerten Röhren ersetzt werden, wodurch die Spannungsänderung am negativen Ende nahezu keine Stromänderung herbeiführt.

Die Erfindung wird an Hand der Fig. 2 und 3 der Zeichnung näher erläutert, die Ausführungsbeispiele darstellen.

Die Schaltung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß jede der Trioden durch die Reihenschaltung zweier Trioden 5, 12 bzw. 6, 13 ersetzt ist. Jede Reihenschaltung bildet eine Kaskode, bei der die Eingangsspannungen den Gittern der Trioden 5 und 6 zugeführt werden und erfindungsgemäß die miteinander verbundenen Gitter der Trioden 12 und 13 eine konstante Spannung gegenüber den miteinander verbundenen Kathoden der Trioden 5 und 6 haben. Diese konstante Spannung ergibt sich dadurch, daß die Gitter der Trioden

12 und 13 über eine Neon-Glimmentladungsröhre 14 mit den erwähnten Kathoden verbunden sind. Diese Glimmentladungsröhre wird über den Widerstand 15 gespeist. Dieser Widerstand kann einen sehr hohen Wert aufweisen, da er nur von dem Entladungsstrom der Glimmentladungsröhre durchflossen wird, der etwa 0,03 mA betragen kann.

Die Röhrenpaare 5, 12 und 6, 13 sind einzeln dargestellt; sie sind jedoch vorzugsweise zu einer einzigen Doppeltriode vereint. Es ist auch möglich, die Röhren 12,

13 bzw. 5, 6 zu Doppeltrioden zu vereinen.

Es kann abgeleitet werden, daß bei einem unendlich hohen Wert für die Impedanz zwischen den Kathoden der Röhren 5 und 6 und Erde der Rejektionsfaktor für die Schaltung nach Fig. 2 durch

TT

μι

Δμ₂

gegeben ist.

Für normale Werte der Impedanz gilt wieder die Formel (2). Die Größe ,M₁₀ ist nun jedoch bedeutend größer als bei Verwendung einer einzigen Röhre. Dabei bezeichnen μ_χ und μ₂ die mittleren Verstärkungsfaktoren der Röhren 5 und 6 bzw. 12 und 13 und Δμ₁ und Δμ₂ die gegenseitigen Unterschiede der Verstärkungsfaktoren dieser Röhrenpaare.

Aus dieser Formel folgt, daß eine große Verbesserung gegenüber der Schaltung mit Einzeltrioden erhalten wird. Wenn angenommen wird, daß die zulässigen Abweichungen von den Verstärkungsfaktoren 10 % in derselben Richtung sind, was den ungünstigsten Fall darstellt, so ergibt sich für die Schaltung nach Fig. 2 ein Rejektionsfaktor H, der ^x/₂ μ₂ mal größer ist als bei der Schaltung nach Fig. 1. Es ist also vorteilhaft, für die Trioden, deren Elektroden das höchste Potential haben, einen hohen Verstärkungsfaktor von z. B. 60 anzuwenden.

Die Anforderung, daß die Gesamtimpedanz zwischen den Kathoden und Erde hoch sein soll, kann dadurch erfüllt werden, daß in die Kathodenleitung eine Schaltung eingefügt wird, die eine Regelwirkung in dem Sinne hat, daß der Strom konstant gehalten wird; Fig. 3 stellt ein Beispiel dieser Ausführungsform dar. Diese Schaltung besteht aus den in Reihe geschalteten Trioden 16 und 17, deren Steuergitter an Punkte eines Spannungsteilers 18, 19, 20 angeschlossen sind, der teilweise durch Spannungsstabilisatoren, z. B. Glimmentladungsröhren, gebildet sein

kann. Der Widerstand 11 kann hier kleiner sein als bei den Schaltungen nach den Fig. 1 und 2. Der Potentialunterschied zwischen den gemeinsamen Kathoden und dem Minuspol der Speisequelle ist bei der Schaltung nach Fig. 3 bedeutend geringer als bei der nach Fig. 2 bei 5 gleichen Wechselstromwiderständen. Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich im übrigen nicht von der nach Fig. 2.

Auch für den Widerstand 15 kann eine Schaltung mit gesteuerten Röhren verwendet werden, die derart eingerichtet ist, daß eine Änderung der Spannung an den Gittern der Röhren 12 und 13 nahezu keine Änderung des Stroms durch den Widerstand 15 herbeiführt. Die Anforderung für die den Widerstand 15 ersetzende Regelschaltung ist jedoch weniger hoch als für den Widerstand 11, da die Stromstärke bedeutend geringer ist. Die geschilderten Verstärker nach der Erfindung eignen sich besonders für Gleichspannungsverstärkung.

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzverstärker in Gegentaktschaltung, bei dem in jedem Gegentaktzweig zwei Trioden gleichstrommäßig in Reihe geschaltet sind und die Eingangsdifferenzspannung den Steuergittern der j enigen Röhren zugeführt wird, deren Elektroden auf niedrigerem Potential liegen und deren Kathoden über einen gemeinsamen Widerstand mit der Speisequelle verbunden sind, während die Ausgangsspannung zwischen den Anoden derjenigen Röhren abgenommen wird, deren Elektroden auf höherem Potential liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergitter der einander entsprechenden Röhren (12, 13) mit höherem Elektrodenpotential miteinander und über ein Element (14), an dem eine konstante Spannung auftritt, mit dem gemeinsamen Widerstand (11) in Verbindung stehen, über den die Kathoden derjenigen Röhren (5, 6), deren Steuergittern die Eingangsspannung zugeführt wird, mit der Speisequelle verbunden sind (Fig. 2).

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine konstante Spannung aufweisende Element (14) eine Glimmentladungsröhre ist.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Kathodenwiderstand wenigstens zum Teil aus der Reihenschaltung zweier Trioden (16, 17) besteht, deren Steuergitter am Punkt eines Spannungsteilers zwischen den Polen der Speisequelle angeschlossen sind (Fig. 3).

4. Differenzverstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glimmentladungsröhre an Stelle eines hochohmigen Widerstandes (15) über eine Schaltung mit gesteuerten Röhren gespeist wird, die derart eingerichtet ist, daß die Stromstärke in der Glimmentladungsröhre nahezu konstant gehalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 853 297;
USA.-Patentschriften Nr. 2 424 893, 2 428 295;
„Archiv für Technisches Messen", Z 634-9 (Sept. 1952) ; „Frequenz", 1952, H. 10, S. 305 bis 312;
„Electronic Engineering", 1949, Okt.-H., S. 355 bis 359.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 70J877/1S2 1.58