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Verfahren zur Beseitigung von Verzerrungen in Verstärkern Es ist bekannt,
zwecks Verminderung von in Verstärkern auftretenden nichtlinearen Verzerrungen Gegenkopplungsschaltungen
anzuwenden.
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Allen Gegenkopplungsschaltungen ist gemeinsam, daß sie fähig sind,
den Klirrfaktor von Verstärkern herabzusetzen, ihn aber nicht zu Null machen zu
können, d. h., der Klirrfaktor Null kann nur asymptotisch angenähert werden.
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Ein weiterer Nachteil dieser Schaltungsanordnungen besteht darin,
daß dieser Annäherung durch die endliche Laufzeit in Verstärkern eine Grenze gesetzt
ist, da sie die Phasenlage der Gegenkopplungsspannung oder des Gegenkopplungsstromes
gegenüber den entsprechenden Eingangsgrößen verändert, so daß die Gegenkopplung
für manche Frequenz in eine Mitkopplung übergeht und der Verstärker instabil wird.
Diese Erscheinung setzt der Anwendung von Gegenkopplungsschaltungen vor allem bei
Breitbandverstärkern verhältnismäßig enge Grenzen. Aber gerade hier, z. B. bei Verstärkern
für Mehrkanal-Trägerfrequenzübertragungen, werden besonders hohe Anforderungen an
die Linearität der Verstärker gestellt. Mit den beschriebenen Gegenkopplungen ist
außerdem eine Verminderung des Verstärkungsfaktors verbunden.
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Die Verstärkungsverminderung kann man zwar dadurch umgehen, daß an
Stelle der Rückführung eines Teils des gesamten Ausgangsstromes und/oder der Ausgangsspannung
an den Verstärkereingang, nur die die Verzerrung darstellenden Anteile der Verstärkerausgangsenergie
auf den Verstärkereingang zurückgekoppelt werden; durch diese Maßnahme bleiben jedoch
die grundsätzlichen Mängel aller Gegenkopplungsschaltungen bestehen.
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Es ist bekannt, diese Mängel zu umgehen, indem man auf eine Gegenkopplung
verzichtet und die im Verstärker entstandenen Verzerrungen durch eine Kompensation
beseitigt. Dies geschieht durch eine derartige Differenzbildung zwischen einem Teil
der Eingangs- und der Ausgangsspannung, daß nur die Verzerrungen übrigbleiben. Diese
die Verzerrungen darstellende Spannung wird mittels eines zweiten Verstärkers so
hoch verstärkt, daß ihre Größe derjenigen der Verzerrungen im Ausgang des ersten
Verstärkers entspricht. Bei entsprechender Summation der Ausgangsspannung tritt
dann die erstrebte Kompensation der Verzerrungen ein. Die Erfindung geht von der
Erkenntnis aus, daß es unmöglich ist, mit der bekannten Kompensation der Verzerrungen
eines Verstärkers einen wirklichen technischen Fortschritt gegenüber den gebräuchlichen
Gegenkopplungsschaltungen zu erzielen.
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Erfindungsgemäß geschieht dies durch erstens eine derartige Bildung
der Differenzspannung, daß dadurch keine Rückwirkung vom Ausgang des ersten Verstärkers
auf seinen Eingang auftritt, zweitens durch eine derartige Zusammenfügung der Ausgangsspannungen
der beiden Verstärker bei der Kompensation der Verzerrungen, daß die Ausgangsspannung
des zweiten Verstärkers gegen das die Differenzspannung erzeugende Glied durch an
sich bekannte Brückenschaltungen oder Richtkoppler entkoppelt ist, und drittens
dadurch, daß die Wirkung der Laufzeiten in den beiden Verstärkern durch je ein Laufzeitglied
aufgehoben wird, wobei das dem ersten Verstärker entsprechende Laufzeitglied in
die Zuführungsleitung des ankommenden Signals zu dem die Differenzspannung erzeugenden
Glied und das dem zweiten Verstärker entsprechende Laufzeitglied zwischen den Ausgang
des ersten Verstärkers und das Kompensationsglied geschaltet wird.
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Die Wirkungsweise des Verfahrens und seine Vorteile lassen sich an
Hand der schematischen Darstellung der Abb. 1 wie folgt beschreiben: Das zu verstärkende
Signal wird dem Verstärker 1 zugeführt. Das verstärkte Signal gelangt einmal über
das Laufzeitglied 7 zu dem Addierglied 2 und zum anderen über ein Reduzierglied
3, z. B. einen Spannungsteiler, in dem das verstärkte Signal wieder auf seine ursprüngliche
Größe reduziert wird, zu dem Glied 4. Diesem wird gleichzeitig das ursprüngliche
Signal über das Laufzeitglied 6 zugeführt. Es stellt eine Nachbildung des Laufzeitverhaltens
des Verstärkers 1 dar und ermöglicht in dem Glied 4 eine genaue Differenzbildung,
d. h. eine genaue Isolierung der Verzerrungen des Verstärkers 1 auch in Frequenzgebieten,
in denen die Laufzeit des Verstärkers 1 mit der Schwingungsdauer vergleichbar wird.
Da das verstärkte und wieder auf seine ursprüngliche Größe
reduzierte
Signal sich von dem ursprünglichen durch die im Verstärker entstandenen Verzerrungen
unterscheidet, stellt die sich am Ausgang des Gliedes 4 ergebende Differenzspannung
die um den Verstärkungsfaktor V des Verstärkers 1 verkleinerten Verzerrungen am
Ausgang des Verstärkers 1 dar. Mittels des Verstärkers 5 wird die Differenzspannung,
also die Verzerrung, wieder auf die am Ausgang des Verstärkers 1 vorhandene Größe
gebracht und in dem Addierglied 2 der Ausgangsspannung in einem solchen Sinne addiert,
daß die im Ausgangssignal enthaltenen Verzerrungen theoretisch völlig kompensiert
«erden.
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Dies läßt sich jedoch nur erreichen, wenn das Laufzeitglied 7 das
Laufzeitverhalten des Verstärkers 5 aufweist. Zu diesem theoretischen Idealfall
gehört allerdings neben der richtigen Spannungsteilung im Reduzierglied 3 und der
entsprechenden Nachverstärkung ein völlig verzerrungsfreies Arbeiten des Verstärkers
5. Vollkommene Verzerrungsfreiheit kann man selbstverständlich nicht voraussetzen.
Für den Verstärker 5 wird sich jedoch leicht ein verzerrungsarmes Arbeiten erreichen
lassen, weil er nicht das Signal, sondern nur die Verzerrungen zu übertragen hat,
so daß er wesentlich geringer ausgesteuert wird als der Verstärker 1. Jedoch stören
geringe Verzerrungen des Verstärkers 5 die Funktion der Linearisierung nur sehr
wenig, weil das abgetrennte Signal nicht mitverzerrt werden kann, sondern nur die
Verzerrungen des Verstärkers 1. In der Ausgangsspannung der Gesamtschaltung bleiben
somit nur die Verzerrungen der Verzerrungen übrig, also eine sehr kleine Störspannung
im Verhältnis zum Nutzsignal. Man übersieht das an Hand der folgenden, leicht realisierbaren
Zahlenangaben: Würde der Verstärker 1 einen Klirrfaktor von 4 °/o liefern und der
Verstärker 5 - infolge seiner geringen Aussteuerung - nur 2 %, so würde in der Ausgangsspannung
der Gesamtanordnung nur der Anteil 0,04 - 0,02, d. h. 0,08 °/o an Verzerrungen übrigbleiben.
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Voraussetzung für das Zustandekommen der beschriebenen Wirkungsweise
ist jedoch erstens, daß bei der Differenzbildung im Glied 4 keine Rückwirkung vom
Ausgang des Verstärkers 1 auf seinen eigenen Eingang stattfindet, zweitens, daß
die Zusammenfügung der beiden Ausgangsspannungen in Addierglied 2 so geschieht,
daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 5 gegen das Glied 4 vollständig entkoppelt
ist, und drittens, daß die störenden Laufzeiten des Verstärkers 1 und des Verstärkers
5 bei der Differenzbildung in Glied 4 und bei der Kompensation der Verzerrungen
im Addierglied 2 unschädlich gemacht werden. Nur wenn die zu verstärkenden Frequenzen
so niedrig sind, daß die Laufzeiten in den Verstärkern keine Rolle spielen, kann
auf die Laufzeitglieder verzichtet werden.
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Am einfachsten lassen sich diese Entkopplungen in bekannter Weise
mit einer Brückenanordnung erreichen, wie dies z. B. in Abb. 2 dargestellt ist.
Ist die aus den Widerständen 8, 9 und 10 sowie dem Eingangswiderstand des Verstärkers
5 bestehende Brücke abgeglichen, so sind die an den Brückendiagonalen 11, il' und
12, 12' eingespeiste und verstärkte und die verstärkte von dem Reduzierglied 3 kommende
Spannung entkoppelt. In den Brückenzweigen fließen dann die Summen- oder Differenzströme.
Der Eingang des Verstärkers 5 wird in den Brückenzweig geschaltet, in dem die Differenzen
- also die Verzerrungen - auftreten. In entsprechender Weise ist das Addierglied
2 aufzubauen, damit die Verstärker 1 und 5 entkoppelt bleiben, und der Gesamtausgang
ist in den Spannungszweig zu legen. Bei einer gleicharmigen Brücke ist die abgegebene
Spannung bei einer Differenzbildung dann gleich der halben Differenz der Eingangsspannung.
Damit eine Verzerrungskompensation möglich wird, ist es notwendig, die Verstärkung
des Verstärkers 5 doppelt so groß zu wählen wie diejenige des Verstärkers
1.
Bei Verwendung ungleicharmiger Brücken muß je nach dem Verhältnis der Brückenzweige
die Verstärkung des Verstärkers 5 vergrößert oder verkleinert werden und die Spannungsteilung
entsprechend gewählt werden.
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Man ist indessen nicht auf Brückenanordnungen beschränkt, denn es
sind verschiedene andere Schaltungsanordnungen, sogenannte Richtkoppler, bekannt,
mit deren Hilfe aus zwei Spannungen die ungestörte Summe bzw. Differenz ohne gegenseitige
Rückwirkung gebildet werden kann.
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In Fällen, wo der am Gesamtausgang angeschlossene Verbraucher hochohmig
ist, können die Ausgänge der Verstärker 1 und 5 mit je einem Transformator 13 und
14 abgeschlossen werden (Abb. 3), deren Sekundärwicklungen 15 und 16 in Serie geschaltet
sind. Die Gesamtausgangsspannung kann dann an den Klemmen 17 und 18 abgenommen werden.
Da der hier angeschlossene Verbraucher voraussetzungsgemäß hochohmig ist, fließt
in den Sekundärwicklungen 15 und 16 praktisch kein Strom, so daß Rückwirkungen vermieden
sind.
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Sind die Verstärker 1 und 5 in ihren Endstufen mit Pentoden bestückt,
so kann man sie einfach parallel schalten. Jeder der beiden Verstärker 1 und 5 arbeitet
dann auf den gemeinsamen Außenwiderstand und den ihm parallel geschalteten Innenwiderstand
des jeweils anderen. Da der Innenwiderstand eines Verstärkers nichtlinear ist, könnte
er als Nebenschluß zum Ausgangswiderstand die Ausgangsspannung des anderen Verstärkers
verzerren. Wegen der Größe des Innenwiderstandes von Pentoden wird diese Verzerrung
jedoch verschwindend klein, d. h., bei der Parallelschaltung der Ausgänge der Verstärker
i und 5 tritt im Falle der Verwendung von Pentoden als Endstufen eine ungestörte
Addition der Ausgangsströme ein.
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Obwohl also nur die beiden Ausgangsströme, nicht aber die beiden Ausgangsspannungen
der Verstärker 1 und 5 entkoppelt sind, erhält man durch die Parallelschaltung eine
Gesamtspannung, die so groß ist, wie die Summe der beiden Ausgangsspannungen wäre,
wenn sie gegeneinander entkoppelt wären.
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Da nun ferner die vom Ausgang des Verstärkers 1 abgegriffene Teilspannung
von der Ausgangsspannung des Verstärkers 5 nicht beeinflußt werden darf, darf das
Reduzierglied 3 nicht aus einem Spannungsteiler bestehen, sondern die Teilspannung
muß, wie ebenfalls in Abb. 3 gezeigt ist, an einem Shunt 19 im Ausgangskreis des
Verstärkers 1 entnommen werden; da sie durch den Ausgangsstrom des Verstärkers 1
beeinflußt wird, nicht aber durch die mit der Ausgangsspannung des Verstärkers 5
verkoppelte Ausgangsspannung des Verstärkers 1, genügt diese einfache Schaltungsanordnung
im Falle der Verwendung von Pentoden den gestellten Forderungen.
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Zweckmäßig wird für die erfindungsgemäß erforderliche Differenzbildung
eine Anordnung gewählt, die im Unterschied zu der beschriebenen Brückenanordnung
nicht einen bestimmten Bruchteil, sondern die Differenzspannung selbst erzeugt.
Es ergibt sich dann der Vorteil, die beiden Verstärker 1 und 5 gleich aufbauen zu
können. Neben der dadurch möglichen Austauschbarkeit und kleineren Lagerhaltung,
ergibt sich dabei ein neuer, nicht ohne weiteres vorherzusehender, wesentlicher
Vorteil. Fällt nämlich einer der beiden Verstärker 1 oder 5 aus, so fällt damit
nicht auch die Verstärkung aus, sondern nur die Kompensation der Verzerrungen, d.
h., es wird selbsttätig ein Notbetrieb aufrechterhalten. Ferner kann ein etwa ausgefallener
Verstärker durch einen anderen ersetzt werden, ohne daß der Betrieb unterbrochen
werden
müßte. Fällt dagegen ein Verstärker nur teilweise aus, d.
h. nimmt seine Verstärkung ab, wobei es ebenfalls gleichgültig ist, um welchen der
beiden Verstärker es sich handelt, so bleibt die Verstärkung der gesamten Anordnung
trotzdem konstant. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt also eine nicht ohne weiteres
vorauszusehende vollkommene Stabilisierung der Verstärkung. Es unterscheidet sich
damit vorteilhaft von Gegenkopplungsschaltungen, die je nach dem getriebenen Aufwand
nur eine mehr oder weniger angenäherte Stabilisierung des Verstärkers zu erreichen
gestattet. Diese Vorteile sind vor allem in der kommerziellen Nachrichtentechnik
von ganz besonderer Bedeutung, weil sie eine sehr wesentliche Vergrößerung der Betriebssicherheit
darstellen.
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Das Zustandekommen dieser Wirkung wird durch folgende Überlegung verständlich.
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Ist der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 1 gleich na,
wird
seine Ausgangsspannung im Reduzierglied 3 auf n reduziert und weist der Verstärker
5 den Verstärkungsfaktor o auf, so ist die Ausgangsspannung U am Addierglied 2,
wie eine einfache Rechnung zeigt,
wenn das Eingangssignal mit f (t) und die im Verstärker 1 entstehenden Verzerrungen
mit V bezeichnet werden. Für den Fall, daß die Verstärkungsfaktoren der beiden Verstärker
1 und 5 gleich sind und daß das Reduzierglied 3 das verstärkte Eingangssignal wieder
auf seine ursprüngliche Größe reduziert, ist m=n=o. Es wird also U = m f (t).
Läßt
die Verstärkung des Verstärkers 5 nach, so gilt In =n>0. Es ist dann
d. h., die Gesamtverstärkung bleibt erhalten, während die Kompensation der Verzerrungen
nicht mehr ganz vollkommen ist.
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Läßt dagegen die Verstärkung des Verstärkers 1 nach, so gilt m<n=o.
Also ist U=n f (t),
d. h., auch in diesem Falle bleibt die Gesamtverstärkung
erhalten, darüber hinaus jedoch auch noch die Verzerrungskompensation.
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Daß bei vollkommenem Ausfall eines der beiden Verstärker 1 oder 5
der verbleibende einen Notbetrieb, d. h. Verstärkerbetrieb ohne Verzerrungskompensation,
automatisch aufrechterhält, ist ohne weiteres aus der Abb. 1 zu erkennen. Das gleiche
Ergebnis erhält man durch Nullsetzer der Verstärkungsfaktoren m oder o in Gleichung
(1).
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Da bei Gegenkopplungsschaltungen die Wirkung der Laufzeit des Verstärkers
nicht rückgängig gemacht werden kann, ist die Gegenkopplung auf solche Verstärker
oder solche Frequenzbereiche beschränkt, in denen die Laufzeit relativ klein ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fehlt diese Beschränkung. Die zu entzerrenden
Verstärker können daher im allgemeinen ohne besondere Rücksichtnahme auf ihr Laufzeitverhalten
für große Frequenzbereiche und/oder besondere Frequenzgänge ausgelegt werden, ohne
daß dadurch die Möglichkeit der Verzerrungskompensation eingeschränkt oder gar unmöglich
gemacht werden könnte.
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Bei sinngemäßer Anwendung des Laufzeitausgleiches läßt sich das erfindungsgemäße
Verfahren in einer Verstärkeranlage mehrfach anwenden. So ist es z. B. möglich,
den zweiten Verstärker, d. h. den Verstärker für die abgetrennten Verzerrungen,
in sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu entzerren. In der Addierstufe bleiben
dann nicht, wie bisher beschrieben, die Verzerrungen der Verzerrungen, sondern nur
noch die Verzerrungen dieser Größe übrig.
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Ferner ist es möglich, bei in Kaskade geschalteten Verstärkern jede
einzelne Stufe nach dem beschriebenen Verfahren zu entzerren. Zu besonders guten
Ergebnissen gelangt man, wenn man die Verzerrungen der einzelnen Stufen nicht durch
Differenzbildung ihrer Ausgangsspannungen gegen ihre Eingangsspannungen, sondern
gegen die Eingangsspannung der ersten Stufe gewinnt. Es muß dabei aber mit bekannten
Mitteln dafür gesorgt werden, daß in den Ketten von Laufzeitgliedern keine Reflexionen
stattfinden.
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Außer den genannten Beispielen läßt sich noch eine große Anzahl Variationen
finden, die von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf mit Elektronenröhren
bestückte Verstärker beschränkt, sondern läßt sich auch bei anderen, z. B. magnetischen,
dielektrischen oder Transistorverstärkern anwenden. Insbesondere solche Verstärker,
die an sich stark verzerren und daher für viele Verwendungszwecke unbrauchbar sind,
können durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Ausweitung ihres Anwendungsbereiches
erfahren.