DE1039099B

DE1039099B - Counter-coupled tube amplifier stage with regulation of the degree of amplification by changing the control grid prestress

Info

Publication number: DE1039099B
Application number: DEN12140A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dahlmann
Original assignee: NORDWESTDEUTSCHER RUNDFUNK I L
Current assignee: NORDWESTDEUTSCHER RUNDFUNK I L
Priority date: 1956-04-20
Filing date: 1956-04-20
Publication date: 1958-09-18

Description

Gegengekoppelte Röhrenverstärkerstufe mit Regelung des Verstärkungsgrades durch Ändern der Steuergittervorspannung In der Breitbandtechnik, beispielsweise beim Fernsehen, ist es oftmals erforderlich, das Verhältnis von Eingangsamplitude zur Ausgangsamplitude eines Verstärkers, d. h. seinen Verstärkungsgrad, zu regeln. Bisher werden solche Regelungen so durchgeführt, daß man beispielsweise einem Kathodenverstärker einen veränderlichen oder abgreifbaren Kathodenwiderstand gibt, durch den die Ausgangsamplitude ohne Änderung des gesamten Verstärkungsweges geändert werden kann. Insbesondere sind solche Anordnungen im Fernsehstudio erforderlich, da man dort nur eine Spannung von einem oder wenigen Volt benötigt, um diese über ein Kabel oder eine Leitung weiterzuleiten. Über diesen Kathodenwiderstand wird jedoch das gesamte breite Frequenzband übertragen. Will man eine frequenzunabhängige Verstärkung erhalten, so müssen die schädlichen Kapazitäten und Induktivitäten so klein gehalten werden, daß bei Regelung über die gesamte Bandbreite keine Änderung des Frequenzganges entsteht.Counter-coupled tube amplifier stage with regulation of the gain by changing the control grid bias In broadband technology, for example When watching TV, it is often necessary to adjust the ratio of the input amplitude to the output amplitude of an amplifier, d. H. its gain to regulate. So far, such controls are carried out in such a way that, for example, a cathode amplifier there is a variable or tapped cathode resistance, through which the output amplitude can be changed without changing the entire gain path. In particular Such arrangements are necessary in the television studio, since there is only one voltage of one or a few volts is required to this via a cable or wire forward. However, the entire broad frequency band is over this cathode resistance transfer. If you want to get a frequency-independent gain, you have to harmful capacitances and inductances are kept so small that with regulation There is no change in the frequency response over the entire bandwidth.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, hat man Regelröhren verwendet und mit Hilfe einer Änderung der Gitterspannung die Röhrensteilheit und damit die Verstärkung geregelt Da man jedoch am Ausgang eines solchen Verstärkers Spannungen von wenigen Volt benötigt, muß die Linearität der Regelkennlinie so groß sein, daß bei einer Durchsteuerung der Röhre mit wenigen Volt die Krümmung der Charakteristik noch keine Rolle spielt. In Fernsehstudios werden oftmals Verstärker benötigt, die den Verstärkungsgrad 1 besitzen und von diesem aus heruntergeregelt werden. Bei solchen Verstärkern ist eine genügende Linearität der Röhrencharakteristik entweder nur bei kleinen Gittervorspannungen, d. h. bei großen Steilheiten, oder bei sehr großen Vorspannungen, d. h. bei kleinen Steilheiten, erreichbar. Im mittleren Bereich jedoch wird ihre Krümmung so groß, daß merkliche Verzerrungen auftreten. Man hat versucht, durch Gegenkopplungen diese Verzerrungen herabzudrücken. Dabei hat man auch den mit der Röhre verbundenen Gegenkopplungsweg gleichsinnig oder gegensinnig mitgeregelt. Im allgemeinen wird jedoch mit der Verstärkung auch die Gegenkopplung geändert, so daß man bei großen Steilheiten eine starke, bei mittleren Steilheiten eine schwächere und bei kleinen Steilheiten nur eine geringe Verbesserung der Linearität erreicht.In order to avoid these difficulties, control tubes have been used and with the help of a change in the grid voltage, the tube steepness and thus the Regulated amplification However, there are voltages at the output of such an amplifier of a few volts required, the linearity of the control characteristic must be so great that when the tube is controlled with a few volts, the curvature of the characteristic doesn't matter yet. In television studios, amplifiers are often required that have gain 1 and are regulated down from this. at for such amplifiers there is a sufficient linearity of the tube characteristics either only with small grid pre-stresses, d. H. with steep slopes, or with very large biases, d. H. with small steepnesses, achievable. In the middle area however, their curvature becomes so great that noticeable distortion occurs. One has tries to reduce this distortion by negative feedback. One has also the negative feedback path connected to the tube in the same direction or in opposite directions regulated. In general, however, as the gain increases, so does the negative feedback changed so that you get a steep slope with steep slopes and a steep slope with medium slopes a weaker and with small slopes only a slight improvement in linearity achieved.

Eine solche Anordnung, bei der nur die Gleichspannung geändert wird, hat gegenüber der eingangs beschriebenen Anordnung den Vorteil, daß man eine Fernbedienung einführen kann, ohne daß das gesamte breite Frequenzband über das Regelgerät geführt oder ein Servomechanismus zur Regelung-verwendet werden muß. Die bisher bekannten Schaltungen hierfür haben den Nachteil, daß entweder das gesamte breite Frequenzband über den Regelmechanismus geführt werden muß oder daß die Gegenkopplung mit Verringerung der Ausgangsamplitude auch kleiner wird und infolgedessen Verzerrungen durch Nichtlinearität auftreten.Such an arrangement, in which only the DC voltage is changed, has the advantage over the arrangement described above that you have a remote control can introduce without the entire broad frequency band passed through the control device or a servomechanism must be used for regulation. The ones known so far Circuits for this have the disadvantage that either the entire broad frequency band must be performed via the control mechanism or that the negative feedback with reduction the output amplitude also becomes smaller and, as a result, distortions due to non-linearity appear.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird bei einer gegengekoppelten Röhrenverstärkerstufe mit Regelung des Verstärkungsgrades durch Ändern der Steuergittervorspannung erfindungsgemäß der Strom im Gegenkopplungsweg nicht nur durch den Kathodenstrom der verstärkenden Röhre, sondern auch durch einen der Eingangsspannung proportionalen Strom derart beeinflußt, daß sich eine von der Lage des Arbeitspunktes der Röhre unabhängige Gegenkopplung und damit etwa bei konstanter Signaleingangsspannung eine konstante effektive Steuerspannung ergibt.To avoid these disadvantages, a tube amplifier stage with negative feedback is used with regulation of the gain by changing the control grid bias according to the invention the current in the negative feedback path not only through the cathode current of the amplifying Tube, but also by a current proportional to the input voltage affects that one of the position of the working point of the tube is independent Negative feedback and thus a constant signal input voltage, for example effective control voltage results.

Die neue Röhrenverstärkerstufe hat den Vorteil, daß die Linearisierung der Kennlinie der geregelten Röhren unabhängig von der eingestellten Verstärkung ist. Es läßt sich daher auch eine Röhre ohne Exponentialcharakteristik verwenden.The new tube amplifier stage has the advantage that the linearization the characteristic of the regulated tubes regardless of the set gain is. A tube without an exponential characteristic can therefore also be used.

Abb.1 zeigt beispielsweise eine Schaltung zur Durchführung der Erfindung; Abb.2 gibt Messungen des Verzerrungsgrades bei einer bekannten Regelanordnung mit Exponentialröhre und bei der Schaltung nach Abb. 1 zum Vergleich wieder; in Abb.3 ist beispielsweise eine vereinfachte Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt.Figure 1 shows, for example, a circuit for carrying out the invention; Fig. 2 gives measurements of the degree of distortion in a known control arrangement Exponential tube and again in the circuit according to Fig. 1 for comparison; in fig 3 for example, a simplified circuit according to the invention is shown.

In der Schaltung nach Abb. 1 werden zwei Röhren verwendet (Trioden 1 und 2), von denen die Hauptröhre 1 eine veränderliche, negative Gittervorspannung, beispielsweise über das Potentiometer 3, erhält. Die Eingangsspannung UE wird den Gittern leider Röhren zugeführt. die Ausgangsspannung ('A am Anodenwiderstand 4 der Röhre 1 abgenommen. Die Kathoden beider Röhren sind miteinander verbunden. Wird die Gittervorspannung an der Hauptröhre 1 negativer gemacht, so wird der Strom in der Föhre 1 und damit der Gleichspannungsabfall über den Widerstand 5 kleiner, so daß die Röhre 2 relativ eine positivere Gittergleichspannung bekommt und in einen steileren Teil ihrer Charakteristik gelangt. Die von der Hauptröhre 1 über den Kathodenwiderstand 5 abfallende Gegenspannung wird kleiner, die von der Röhre 2 dagegen größer, so daß sie insgesamt etwa konstant bleibt.In the circuit according to Fig. 1, two tubes are used (triodes 1 and 2), from which the main tube 1 receives a variable, negative grid bias voltage, for example via the potentiometer 3. Unfortunately, the input voltage UE is fed to the grids in tubes. the output voltage ('A is taken from the anode resistor 4 of the tube 1. The cathodes of both tubes are connected to one another. If the grid bias voltage on the main tube 1 is made more negative, the current in the Föhre 1 and thus the DC voltage drop across the resistor 5 becomes smaller, so that the tube 2 receives a relatively more positive grid direct voltage and reaches a steeper part of its characteristic. The counter voltage dropping from the main tube 1 via the cathode resistor 5 becomes smaller, that of the tube 2, however, larger, so that it remains approximately constant overall.

Der Abfall der Wechselspannung am Widerstand 5 stellt die Gegenkopplung dar, deren Änderung mit Verringerung des Verstärkungsgrades in der Röhre 1 durch eine gegenläufige Änderung in der Röhre 2 ausgeglichen wird, so daß die Gegenspannung und damit auch die Wechselspannung zwischen Gitter und Kathode beider Röhren annähernd konstant und genügend klein bleibt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Gittervorspannung der N ebenröhre 2 zu regeln.The drop in the alternating voltage across the resistor 5 represents the negative feedback represents, their change with a decrease in the gain in the tube 1 by an opposite change in the tube 2 is compensated, so that the counter voltage and thus also the alternating voltage between the grid and cathode of both tubes approximately remains constant and sufficiently small. Of course, it is also possible to use the To regulate the grid bias of the secondary tube 2.

Die Abb. 2 zeigt in Kurve 6 den bekannten Verlauf des Klirrfaktors einer Röhre ohne Gegenkopplung. bei der auf der Abszisse der Verstärkungsgrad, auf der Ordinate der Klirrfaktor, d. h. die Verzerrungen in Prozent der Steilheitsänderungen über den Aussteuerungsbereich dargestellt sind. Die Kurve 6 zeigt, d;iß in der Nähe des Verstärkungsgrades 1 eine kleine Verzerrung vorhanden ist, die bei der Verstärkung 0,8 bereits 10% erreicht hat, bei 0,3 ihren Höchstwert von 13 bis 14°/o erreicht und dann wieder abfällt. Es ist daraus deutlich zu ersehen, daß im mittleren Verstärkungsbereich von etwa 0,2 bis 0.5, wie bereits oben erläutert, die größten Verzerrungen auftreten. Die Kurve 7 stellt die Verzerrungen der Schaltung entsprechend der neuen Schaltung nach Abb. 1 dar. Die Verzerrung ist bis zu einem Verstärkungsgrad von 0,5 so klein, daß sie nicht praktisch feststellbar ist und steigt dann erst an, so daß sie bei einem Verstärkungsgrad von 0,05 erst 10% erreicht, also innerhalb dieses Bereiches wesentlich kleiner ist als die Verzerrungen nach der Kurve 6.In curve 6, Fig. 2 shows the known profile of the distortion factor a tube without negative feedback. where on the abscissa the degree of amplification, on the ordinate is the distortion factor, d. H. the distortion as a percentage of the slope changes are shown over the modulation range. Curve 6 shows that it is in the vicinity of gain 1, there is a little distortion that occurs in the gain 0.8 has already reached 10%, at 0.3 it has reached its maximum of 13-14 ° / o and then falls off again. It can be clearly seen from this that in the middle gain range from about 0.2 to 0.5, as already explained above, the greatest distortions occur. The curve 7 represents the distortion of the circuit according to the new circuit according to Fig. 1. The distortion is so small up to a gain of 0.5, that it is not practically detectable and only then increases, so that it at a gain of 0.05 only reaches 10%, i.e. within this range is much smaller than the distortion according to curve 6.

Durch eine Herabsetzung der Anodenspannung der Röhre 1 bei kleinen Ausgangsspannungen läßt sich der steile Anstieg der Verzerrungen nach Kurve 7 noch weiter verringern. Da die Herabsetzung der Anodenspannung auch nur eine Gleichspannungsänderung darstellt, läßt sie sich auf einfache Art und Weise automatisch erzeugen und mit dem gleichen Knopf bedienen, der auch die Gitterspannung regelt. plan nutzt den gegenläufigen Verlauf des Röhrenstromes der Röhre 2 zu diesem Zweck aus. Dazu ist es nur erforderlich. in die gemeinsame Anodenleitung der Röhren 1 und 2 einen Widerstand 8 zii legen und die über ihn abfallende Wechselspannung über einen Kondensator 9 kurzzuschließen. Den sich dann ergebenden Verlauf der Verzerrung zeigt Kurve 15 in Abb.2, aus der deutlich ersichtbar ist, daß die Verzerrung bis zu einem Verstärkungsgrad kleiner als 0.1 unter 10/9 bleibt.By reducing the anode voltage of the tube 1 at low output voltages, the steep rise in the distortion according to curve 7 can be reduced even further. Since the reduction of the anode voltage represents only a change in DC voltage, it can be generated automatically in a simple manner and operated with the same button that also regulates the grid voltage. plan uses the opposite course of the tube current of the tube 2 for this purpose. For this it is only necessary. Place a resistor 8 in the common anode line of tubes 1 and 2 and short-circuit the AC voltage drop across it via a capacitor 9. The resulting course of the distortion is shown by curve 15 in Fig. 2, from which it can be clearly seen that the distortion remains below 10/9 up to a gain level of less than 0.1.

Selbstverständlich ist es auch möglich, durch einen zweiten veränderlichen Widerstand, der mit dem Regelknopf für die Verstärkung gekoppelt ist, die Änderung der Anodenspannung hervorzurufen.Of course, it is also possible to change it with a second one Resistance coupled to the gain control knob, the change the anode voltage.

Die Schaltung nach Abb. 1 läßt sich weiter vereinfachen, wie in Abb. 3 mit nur einer Röhre (Triode) dargestellt ist. Die Eingangsspannung L'E liegt an einem aus zwei Widerständen 10 und 11 bestehenden Spannungsteiler. von denen der Widerstand 11 gleichzeitig im Kathodenkreis der Röhre 12 liegt. Zu dein Widerstand 11 liegt also der Ausgangsscheinwiderstand auf der Kathodenseite der Röhre 12 parallel. Dieser Ausgangsscheinwiderstand ist bekanntlich umgekehrt proportional der Steilheit. so daß sich das Spannungsteilerverhältnis an den Widerständen 10 und 11 mit der Gittervorspannung der Röhre 12 - einstellbar durch das Potentiometer 14 - ändert. An der Anode der Röhre 12 wird an dem Widerstand 13 wiederum die Ausgangsspannung U,,i abgenommen. Gleichzeitig fließt durch den Widerstand 11 der Kathodenwechselstrom der Röhre 12, der - mit abnehmender Röhrensteilheit verkleinert wird, während der Scheinwiderstand des Widerstandes 11 mit der parallel liegenden Kathodenstrecke mit abnehmender Röhrensteilheit vergrößert wird. Die Widerstände 10 und 11 lassen sich also so abgleichen, daß die Gitterwechselspannungen der Röhre 12 bei Änderung des Verstärkungsgrades etwa konstant bleibt, da Spannungsteilerverhältnis und Gegenkopplung sich gegenläufig verhalten. Diese Röhrenanordnung läßt sich nur dort verwenden, wo der Ausgangswiderstand des Generators L'E genügend groß und konstant ist. Da der Abgleich konstanter Steuergitterspannung nur bei einem sehr kleinen Widerstand 10 zu erreichen ist, kann bei genügend kleinem Ausgangswiderstand des Generators UE der Hauptanodenstrom, von der Kathode kommend, über den Widerstand 10 und den Ausgangswiderstand des Generators fließen und damit eine Umkehrung hervorrufen, so daß die Verstärkung negative und positive Werte annehmen kann.The circuit according to Fig. 1 can be further simplified, as shown in Fig. 3 is shown with only one tube (triode). The input voltage L'E is present a voltage divider consisting of two resistors 10 and 11. of which the Resistor 11 is at the same time in the cathode circuit of the tube 12. To your resistance 11 the output impedance on the cathode side of the tube 12 is parallel. This output impedance is known to be inversely proportional to the slope. so that the voltage divider ratio at the resistors 10 and 11 with the Grid bias of the tube 12 - adjustable by the potentiometer 14 - changes. At the anode of the tube 12, the output voltage is again applied to the resistor 13 U ,, i decreased. At the same time, the cathode alternating current flows through the resistor 11 of the tube 12, which - is reduced in size with decreasing tube steepness, during the Impedance of resistor 11 with the parallel cathode path is enlarged with decreasing tube slope. The resistors 10 and 11 leave So adjust so that the alternating grid voltages of the tube 12 when changing of the gain remains approximately constant because of the voltage divider ratio and negative feedback behave in opposite directions. This tube arrangement can only be used there where the output resistance of the generator L'E is sufficiently large and constant. There the adjustment of constant control grid voltage only with a very small resistance 10 can be achieved if the output resistance of the generator is sufficiently small UE the main anode current, coming from the cathode, via the resistor 10 and the Output resistance of the generator flow and thus cause a reversal, so that the reinforcement can take on negative and positive values.

Es ist daher möglich, mit dieser Anordnung den Verstärkungsgrad 0 einzustellen. Die Widerstände 10 und 11 müssen also zusammen mit dem Ausgangswiderstand des Generators l-'E abgeglichen werden. Daher läßt sich diese Anordnung nur dort verwenden, wo nicht verschiedenartige Spannungsquellen vorgeschaltet werden können.It is therefore possible to set the gain 0 with this arrangement to adjust. The resistors 10 and 11 must therefore together with the output resistance of the generator l-'E are adjusted. Therefore this arrangement can only be found there use where different types of voltage sources cannot be connected upstream.

Die Schaltungen zur Durchführung der Erfindung lassen sich beliebig erweitern und überall dort mit Vorteil anwenden, wo eine Regelung des Verstärkungsgrades verzerrungsfrei über einen großen Bereich erfolgen soll. Sie haben den Vorteil, daß die Verstärkungsänderung nur durch Gleichspannungsänderungen erreicht wird, so daß eine einfache Fernbedienung möglich ist.The circuits for carrying out the invention can be arbitrary expand and use wherever there is a regulation of the gain should take place without distortion over a large area. You have the advantage that the gain change is only achieved by changing the DC voltage, so that a simple remote control is possible.

Claims

PATENT CLAIMS 1. Counter-coupled tube amplifier stage with control the gain by changing the control grid bias, characterized in that that the current in the negative feedback path not only through the cathode current of the amplifying Tube, but also by a current proportional to the input voltage It is influenced that one of the position of the working point of the tube is independent Negative feedback and thus a constant signal input voltage, for example effective control voltage results.

2. amplifier stage according to claim 1, characterized in that that the tube to be controlled (1) a second tube (2) is connected in parallel, the a current proportional to the input voltage through the unbridged cathode resistor (5) generated and this is dimensioned so that its total signal voltage drop a results in constant negative feedback for the control tube (Fig. 1).

3rd amplifier stage according to claim 2, characterized in that it runs concurrently with the change in gain the anode DC voltage of the control tube (1) is changed.

4th amplifier stage after Claim 3, characterized in that the change in the anode DC voltage of the Control tube automatically through a resistor (8) dimensioned in this way in the common anode voltage line is effected. that the gain is the least Has distortions.

5. amplifier stage according to claim 1, characterized in that that the cathode of the control tube has a resistor that is also effective for alternating current (11) is connected to ground and at the same time via a small resistor (10) to the grid-side Signal input terminal is connected so that a current proportional to the input voltage flows through the resistor (11), and that both resistors together with the generator internal resistance the signal source are dimensioned such that the total voltage drop across the Cathode resistance (11) of the size of the grid bias through the potentiometer (14) is hardly influenced. Considered publications Austrian patent specification No. 174421; H. P i t s ch, "Textbook of radio reception technology", 1948, § 344.