DE1090266B - Verstaerkeranordnung - Google Patents

Description

Es ist bekannt, in Fernsprechleitungen Verstärker mit negativer Impedanz zu verwenden. Bei solchen Verstärkern sind Eingang und Ausgang im allgemeinen identisch. Zwecks Vereinfachung der Bauweise und Erzielung einer größeren Stabilität und Zuverlässigkeit der Arbeitsweise ist nach der Erfindung ein Verstärker mit getrenntem Eingang und Ausgang vorgesehen.

Einige Schaltungen von Verstärkern mit negativer Impedanz sind schon früher bekanntgemacht und unter Patentschutz gestellt worden. Es sei auf die Schaltungen nach dem USA.-Patent 1 863 566, dem deutschen Patent 857 649 und dem britischen Patent 727 765 hingewiesen sowie auf eine Beschreibung der sogenannten E₂- und E₃-Verstärker von Merril, Rose und Smethurst in »Bell Syst. Tech. Journ.« vom September 1954 auf den S. 1055 bis 1092.

Das genannte USA.-Patent 1 863 566 bezieht sich auf eine bereits überholte Ausführung solcher Verstärker, welche die folgenden Nachteile aufweist:

a) Diese Art Verstärker macht die Verwendung einer Weiche erforderlich.

b) Es muß eine Leitungsnachbildung verwendet werden, um die Leitung, für welche der Verstärker eingesetzt werden soll, elektrisch zu kompensieren.

c) Die Anordnung arbeitet nicht als Impedanzwandler.

d) Sie besitzt keine Ausgleichsschaltung.

e) Sie arbeitet als ein Verstärker mit einem Anodenausgang ohne jegliche Gegenkopplung.

Verstärkeranordnung

Anmelder:

STIPEL Societä Telefonica

Interregionale Piemontese e Lombarda,

Turin (Italien)

Vertreter: Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Beanspruchte Priorität:
Italien vom 10. August 1955

Dr. Giovanni Tamburelli, Turin (Italien),
ist als Erfinder genannt worden

Bei den Schaltungen nach den beiden anderen erwähnten Patenten werden diese Nachteile zum Teil vermieden, jedoch befriedigen sie noch keineswegs in allen Anforderungen, die bezüglich der Verstärkung für Telephonleitungen zu stellen sind.

Es soll zuerst allgemein die Ausführung von stabil arbeitenden Verstärkern mit negativer Impedanzwandlung besprochen werden, die mit offenen Klemmen arbeiten. Diese weisen im wesentlichen zwei Nachteile auf:

1. Die Ankopplung an die Leitung muß aus Gründen der Symmetrie und des elektrischen Gleichgewichtes durch einen einzigen Transformator erfolgen. Dieser Transformator stellt eine Impedanz dar, durch welche die negative Impedanz des Verstärkers abgeschlossen ist und die der Anlaß zur Entstehung von Eigenschwingungen sein kann. Dies erklärt sich daraus, daß jeder Transformator bei der Frequenz »Null« einen Scheinwiderstandswert aufweist, der ebenfalls »Null« ist, daß aber noch ein zweiter Nullpunkt des Scheinwiderstandes bei einer verhältnismäßig hohen Frequenz auftritt und niedrige Scheinwiderstandswerte auch bei verhältnismäßig weit von diesen beiden Nullpunkten des Scheinwiderstandes entfernten Frequenzen zu finden sind. Als Folge davon geraten diese Verstärker mit besonderen Ausgleichsschaltungen leicht ins Schwingen, wenn der Stromkreis geöffnet ist, und in vielen Fällen liegt der praktisch erreichbare Wert der erzielten Verstärkung weit unter dem theoretisch errechneten Wert. So kommt es, daß zur Sicherstellung einer ausreichenden Stabilitätsreserve manchmal unbefriedigende Verstärkungsfaktoren in Kauf genommen werden müssen.

Es ist ferner nötig, auch während des Fließens von Rufstrom im Gebiet der Tonfrequenz eine hohe Impedanz des Leitungstransformators aufrechtzuerhalten, und daher dürfen während des Fließens von Rufstrom im Leitungstransformator keine Sättigungserscheinungen auftreten, anderenfalls der Verstärker ins Schwingen geraten kann. Der aus dem vorgenannten Grunde auf einem hohen Wert gehaltene Scheinwiderstand des Leitungstransformators bedingt eine erhebliche Dämpfung des Rufstromes auf seinem Wege über den Verstärker.

2. Um die Verzerrungen bzw. Nichtlinearitäten des Verstärkers genügend niedrig zu halten und um bei befriedigender Verstärkung eine ausreichende Stabilität zu erreichen, ist es nötig, zwei Elektronenröhren oder eine mit zwei Röhrensystemen ausgerüstete Doppelröhre zu verwenden, jedenfalls aber zwei verstärkende Glieder, wie z. B. Transistoren, die in Reihe oder in Gegentakt

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geschaltet sind. Diese Notwendigkeit hat sowohl eine - kein Gleichstrom fließt, können billige Ferritkerne für die Erhöhung des Anschaffungspreises als auch — besonders Transformatoren verwendet werden. In der Praxis ist im Falle der Verwendung von Elektronenröhren —- in aus den obengenannten Gründen daher die Verwendung den Betriebskosten zur Folge. Außerdem ist ein solcher von ,zwe.i Transformatoren im allgemeinen nicht teurer Verstärker teurer als der erfindungsgemäße infolge der 5 als die Anwendung nur eines Transformators aufwendigrößeren Anzahl von Einzelteilen. gerer Bauart.

Der in dem zuvor erwähnten Artikel in »Bell Syst. Was den oben angeführten Nachteil 2 früherer Schal-

Techn. Journ.« beschriebene stabile Verstärker mit über- tungen angeht, so sieht eine Ausführungsform der Erfinbrückten Anschlußklemmen weist außer den unter 2 dung die Verwendung nur einer einzigen Triodenröhre genannten Nachteilen noch folgende zwei Nachteile auf: io vor, um eine hohe Stabilität der Verstärkung und herab-

3. Der Verstärker ist über zwei Kondensatoren an die gesetzte Verzerrungen sicherzustellen. In dieser AusLeitung angekoppelt, die in Reihe mit der durch den führungsform wird die gewünschte hohe Spannungsver-Verstarker gebildeten negativen Impedanz liegen. Diese Stärkung durch einen der beiden Transformatoren erzielt, Kondensatoren wirken sich in einer Erhöhung des Schein- und die Triodenröhre hat nur die Aufgäbe einer Leistüngswiderstandes bei niedrigen Frequenzen aus und gefährden 15 verstärkung; es kann daher eine sehr hohe Spannungsauf diese Weise die Stabilität des Verstärkers. Bei dieser Gegenkopplung angewandt werden, wie sie z. B. in einer Art Verstärker muß daher zur Erzielung einer aus- Käthödenverstärkerstufe vorhanden ist. Weiterhin kann reichenden Stabilität die Verstärkung für niedrige Fre- der .Transformator, durch den der Ausgang der Verquenzen stark herabgesetzt werden, so. daß es häufig stärkerröhre aii die Leitung angekoppelt wird, sogar ein nicht möglich ist, Anlagen zu bauen, die den Forderungen 20 Übersetzungsverhältnis besitzen, das kleiner als »Eins« der C.C.I.F. entsprechen. ist, so daß der Ausgangswiderstand, welcher auf die

4. Der Verstärker ist unsymmetrisch, und es ist daher Leitung übertragen wird, in diese stark herabgesetzt einpraktisch unmöglich, ihn direkt in eine Übertragungs- g^ent> wodurch eine bessere Betriebsstabilität und eine leitung einzuschalten — und zwar selbst dann, wenn er verbesserte, Funktion des Verstärkers als impedänzmit einem E₂-Verstärker verbunden ist —, ohne daß 25 wandler sichergestellt werden.

zwei Entkopplungsverstärker vorgesehen werden. Ge- Ferner ist iri diesem neuen Verstärker das vollkommene

schieht dies nicht, so werden die Übertragungseigenschaf- Fehlen j eglicher elektrischer Parameter — ausgenommen

ten der Telephonieitung vollkommen verändert. die in ihrem Vorzeichen umzukehrende Impedanz —

Die erfinduhgsgemäße Verstärkeranordnung mit nega- festzustellen, besonders aber das Fehlen von Teilen, die

tiver Impedanz, für die die theoretischen Grundlagen 30 solche Parameter ergeben könnten und die Uiiter Arioderi-

dargelegt werden, beseitigt die angeführten Nachteile spannung stehen.

vollkommen und stellt eine bemerkenswerte Verbesserung Der stabile Verstärker mit überbrückten Anschlüssen

dar. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangs- gemäß der Erfindung wird mittels zweier getrennter

transformator und ein Ausgangstransformator und eine Transfbrmato'ren verwirklicht.

Verstärkerschaltung derart geschaltet sind, daß die 35 In ihm ist der unter 3 zuvor erwähnte Nachteil voll-Primärwicklung des Eingangstransformators und die kommen vermieden, da die Kondensatoren, welche die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators an die Sprechströme übertragen, paarweise vorhanden sind, und Leitung, deren Signale verstärkt werden sollen, so ange- zwar je einer in der Mitte der beiden Ausgangswicklungen schlossen sind, daß die an ihnen liegenden Spannungen der beiden Transformatoren. Dies wirkt sich so aus, daß entgegengesetzte Vorzeichen haben, die Sekundärwick- 40 die beiden Kondensatoren, anstatt mit der gesamten lung des Eingangstransformators mit dem Eingang und negativen Impedanz in Reihe, zu liegen, nur mit einigen die Primärwicklung des Ausgangstransformators mit dem Schaltelementen in Reihe geschaltet sind und daher sogar Ausgang der Verstärkerschaltung verbunden ist, und daß dazu beitragen; die Stabilität der negativen Impedanz das Zweipolnetzwerk, dessen Impedanz gewandelt werden bei niedrigen Frequenzen zu erhöhen, anstatt sie zu versoll, an die Sekundärwicklung des Eingangstransforma- 45 mindern. Der Verstärkungsverhist, den diese beiden tors angeschlossen ist. Kondensatoren bedingen, kann — zumindest ab einer

Der erfindungsgemäße Verstärker mit offenen Klemmen Frequenz von 300 Hz — durch die Induktivität der

ist durch zwei getrennte Transformatoren an die Leitung Transformatoren ausgeglichen werden,

angekoppelt, so daß die von ihm dargestellte negative Es ist leicht einzusehen, daß der weiter oben unter 4

Impedanz durch die Impedanz der Leitung abgeschlossen 50 genannte Nachteil dadurch vermieden wird, daß die

ist. Es ist daher möglich, die maximale theoretisch beiden Transformatoren symmetrisch ausgeführt sind,

erreichbare Verstärkung voll auszunutzen, und auch bei Was den unter 2 genannten Nachteil angeht, so trifft

offenem Stromkreis gerät der Verstärker unter keinen für den erfindungsgemäßen Verstärker mit überbrückten

Umständen ins Schwingen. Anschlüssen das gleiche zu, was für den Verstärker mit

Es können ferner die beiden Transformatoren mit 55 offenen Klemmen ausgeführt wurde, ausgenommen, daß niedriger Induktivität ausgeführt werden, da dieser der Verstärker mit überbrückten Klemmen einen sehr Parameter für die Zwecke der Übertragung leicht durch hohen Impedanzwert am Ausgang der Röhre besitzt, einen mit dem Ausgleichsnetzwerk in Reihe geschalteten da er mit hoher Strom-Gegenkopplung arbeitet.
Kondensator ausgeglichen werden kann; meist ist j edoch Ein Verstärker in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein solcher Ausgleich nicht einmal nötig, denn die 60 besteht im wesentlichen aus einem Eingangstransforniedrige Induktivität der Transformatoren bewirkt eine mator, einem Ausgangstransformator, einer einzigen gegeringere Verstärkung bei niedrigen Frequenzen, die der heizten Elektronenröhre und einer in deren Gitterstromgeringeren Dämpfung des Kabels für diese Frequenzen kreis angeordneten Impedanz.

entspricht. Aus diesen Gründen ist die Herstellung der Der erfindungsgemäße Verstärker ermöglicht ferner

Transformatoren außerordentlich einfach. Die Transfer- 65 durch ein Vierpolnetzwerk im Eingangsstromkreis die

matoren besitzen außerdem neben ihrer niedrigen Induk- Umwandlung einer Übertragungsfunktion in eine Impe-

tivität auch einen niedrigen ohmschen Verlustwiderstand; danzfuhktion, d.h. daß der Verstärker in der Strom-

und da ihre Magnetkerne schnell gesättigt sind, wird eine leitung eine ungefähr von der Dämpfungsfunktion des

außerordentlich geringe Dämpfung der Rufströme erzielt. Vierpolnetzwerkes gegebene Impedanz aufweist, abge-

Besönders in Schaltungen, in denen während des Rufes 70 sehen von einem konstanten Dimensionsfaktor.

Der Verstärker gemäß der Erfindung läßt sich in drei ist, falls nichts anders angegeben, stets in der folgenden

verschiedenen Formen ausführen, nämlich Beschreibung vorausgesetzt. Angenommen, ein gegebener

1. als Verstärker mit negativer Impedanzwändlung mit ^St™™ ^/durchfließe die Leitung, und das Übersetzungsin Reihe geschaltetem getrenntem.Eingang und Aus- verhältnis des Transformators 3 (Fig. 1) sei

gang, im folgenden als Bauart »N« bezeichnet, ^ —-_Ζ?_

2. als Verstärker mit negativer Impedanzwandlung mit ^x F₁

parallel geschaltetem getrenntem Eingang und Aus- „. _T , _, , , w , .?- k j τ. j- τ· ·

gang, im folgenden als Bauart »NP« bezeichnet, ?^ie ^danzS habe den Wert J, Des durch die Pn-

ο ι Vt j.» τ u o.-u j · τ?- τ,- ·χ· j marwicklung des Transformators 3 fließende Strom I trifft

3. als Verstarker, bestehend aus einer Kombination der _{1Q unter der} ^^ _daß ^ Eingangsimpedanz des Ver-Bauarten »N« und »NP«; un folgenden als Bauart »NH« ζ bezeichnet. stärkers 4 unendlich ist, auf die Impedanz —\, und die

Im folgenden sind Äusführungsbeispiele dieser drei Spannung an den Klemmen der Primärwicklung des

grundlegenden. Bauarten des Verstärkers nach der , Transformators 3 beträgt deshalb Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben, und *5 Z_n\

zwar zeigt ...--. Fl ⁼ ~~~ ' ■* >

Fig. 1 ein Grundschaltbild eines Verstärkers der Bau- ^¹

art »N«, . , _ während die Spannung an den Klemmen der Sekundär-

Fig. 2 ein Grundschaltbild eines Verstärkers der Bau- wicklung

art »N«, der sich zur Umwandlung einer Übertragungs- ^ao Z_n Z_n funktion in eine Impedanzfunktion eignet, ** ⁼ —γ ·η_χ·I = ·I

Fig. 3 ein Grundschaltbild eines abgeglichenen Ver- n_x n_x

stärkers der Bauart »N«,_; . ist. Diese Spannung liegt am Gitter des Verstärkers 4 und

Fig: 4 ein Grundschaltbild eines Verstärkers der Bau- .. erscheint verstärkt, vermindert oder ungeändert an den

art »N« mit Kathodenausgang, ²5 Ausgangsklemmen des Verstärkers 4. Der Ausgang des

Fig. 5 ein Grundschaltbild eines Verstärkers der Bau- Verstärkers 4 wird durch eine Spannung F₃ dargestellt

art »NP«, und wird auf die Primärwicklung des Transformators 6

Fig. .6 ein Grundschaltbild eines Verstärkers der Bau- gegeben. Wird die Ausgangsspännung an der Sekundärart »NP«, der sich, zur Umwandlung einer Übertragungs- . wicklung des Transformators 6. mit F₄ und der Verfunktion in eine Impedanzfunktion eignet, 3° Stärkungsfaktor des Verstärkers 4 mit A bezeichnet, wobei

Fig. 7 ein Grundschaltbild eines stabilisierten Ver- , V₃ · , j ·. . -, γ γ, , - -,..,, . V₃

... ,,-ο , τ,ττ, ■ ·. /- τ , A= ~ ist und wobei η« das Übersetzungsverhältnis ~-

starkers der Bauart »NP« mit Gegenkopplung, V₂ ^{l b} V₁

Fig. 8 ein etwas . abgeändertes Grundschaltbild eines darstellt (vgl. Fig. 1), so gilt stabilisierten Verstärkers der Bauart »NP« mit Gegen- IZ

kopplung, 35 F₄ = - -A-V₂=—^-■ I ■ A.

Fig. 9 ein Grundschaltbild eines Verstärkers der ^^{2 w}i" ^n% »NP«-Bauart mit einem Spannungsteiler an der Sekundär- Es ist also F₄ die Spannung, die sich an den Sekundärseite des Eingangstransformators, klemmen des Transformators 6 ohne Belastung ergibt, Fig. 10 ein Grundschaltbild eines abgeglichenen sym- während tatsächlich zusätzlich zu F₄ der Spannungsabfall metrischen Verstärkers der Bauart »N«, 4° infolge des Stromes I hinzukommt. Da in seiner eigent-Fig. 11 ein Schaltbild eines äquivalenten Stromkreises liehen Definition A weder von R_u noch von Z_n abhängig für die »NH«-Bauart, ist, ist dieser Spannungsabfall in erster Annäherung

Fig. 12 ein Schaltbild eines Verstärkers der »NH«- j?

Bauart. . F₄' = ^--J,

In der folgenden Beschreibung der Erfindung sind 45 - »2

gleiche Elemente, die die gleiche Funktion ausüben, in den wenn mit R₁₁ die Summe des Ausgangswiderstandes von

verschiedenen Ausführungsbeispielen mit den gleichen Verstärker 4 und des Widerstandes der Primärwicklung

Bezugszeichen versehen. So sind die verschiedenen des Transformators 6 bezeichnet wird. Schaltelemente der Verstärker in NP-Bauart, die denen Die Gesamtspannung an den Klemmen der Verstärker-

der N-Bauart der Art und Funktion nach gleich sind, 5° anordnung mit negativer Impedanz ist daher durch die

mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, jedoch Summe der Spannungen gegeben, die gebildet wird aus

bei der NP-Bauart jeweils durch einen zusätzlichen Strich der Spannung an den Eingangsklemmen des Transforma-

gekennzeichnet, um eine bessere Unterscheidung in Fig. 12 tors 3, dem an den Ausgangsklemmen des Transformators 6

zu ermöglichen. auftretenden Spannungsabfall des Stromes I und der ver-

Das Grundschaltbild des Verstärkers der Bauart N zeigt 55 stärkten Spannung F₄. Werden die Wicklungen der Trans-

Fig. 1. Im Gegensatz zu den Verstärkern der Bauart E₁ formatoren 3 und 6 in geeigneter Weise verbunden, so

der Western Electric Company mit zusammenfallendem läßt sich immer erreichen, daß die Spannung F₄ in Gegen-

Eingang und Ausgang sind bei der Bauart N Eingang und phase zu den anderen beiden Spannungen liegt, und bei

Ausgang vollständig getrennt und in Reihe geschaltet. , Benutzung des negativen Vorzeichen ergibt sich an den

Wie Fig. 1 zeigt, wird ein Verstärker der Bauart N im 60 Klemmen der Verstärkeranordnung mit negativer Impe-

Falle der Anwendung in Telephonstromkreisen im all- danz die Gesamtspannung gemeinen in Reihe mit einer der Leitungen 25 und 26 7 7 ~R

geschaltet. ^v 5 — —— ■* — ^Ά ' ■ ^L ~~ —- * *■ ■

Wie ersichtlich, besteht der Verstärker aus. einem ^ . ⁿ\ ^ηχ·^ηζ ⁿi

Zweipolstromkreis, dessen Klemmen in Fig. 1 mit Ϊ und 2 Sg Der N-Verstärker verhält sich also wie eine Impedanz der

bezeichnet sind, und es läßt sich zeigen, daß unter be- Größe
stimmten Bedingungen diese Zweipolschaltung negative VZZ R_n

Impedanz aufweist. Z= —— = — A · 1 —.

Zur Erläuterung sei angenommen, daß vollkommene, ^{%1 %1}' ^^{2 n%}

d. h. ideale Transformatoren vorhanden seien, und dies 70 Die Impedanz des Verstärkers besteht aus zwei Teilen,

nämlich einem positiven und einem negativen Teil; durch geeignete Wahl der Parameter kann der negative Teil viel größer als der positive Teil gemacht werden, so daß die Impedanz als Ganzes negativ wird.
Für eine gegebene Impedanz^», die der Transformator 3

gegenüber der Leitung in Z₇₁₁ = ~ verwandelt, ist die Impedanz des Verstärkers

W₂

Berücksichtigt man, daß der Ausdruck -^ bei Anwendung

einer hohen Spannungsgegenkopplung praktisch vernachlässigt werden kann, und zwar sowohl durch eine entsprechende Wahl des Verhältnisses W₂ als auch durch Einschaltung eines niederohmigen Widerstandes in Reihe mit Z₇₁₁, so ist festzustellen, daß der Verstärker als ein Impedanzwandler wirkt, der die Impedanz Z_ni mit einem

Faktor 1 ——..4 multipliziert. Es ist einleuchtend, daß

zur Erzielung eines negativen Vorzeichens für diesen Faktor es keineswegs unerläßlich ist, daß A größer als 1

sei, wenn nur das Verhältnis — entsprechend größer als 1

ist. Daher wird es möglich, trotz der Verwendung nur einer einzigen Röhre und der Anwendung einer sehr starken Spannungsgegenkopplung, wie der durch die Verwendung eines Kathodenausganges gegebenen, den Wert von A zu stabilisieren, R_u zu verkleinern und den Einfraß von dessen Schwankungen zu vermindern.

Fig. 2 enthält statt der Impedanz 5 ein Vierpolnetzwerk?. Angenommen, die Eingangsimpedanz sei die gleiche wie die Impedanz 5, nämlich Z_n, und zieht man in Betracht, daß die Beziehung der Ausgangsspannung Vu des Vierpols zur Eingangsspannung V₀ durch die Übertragungsfunktion F gegeben ist, wobei V_u = F (Ve) ist, so ergibt sich aus der Ableitung die Impedanz des N-Verstärkers zu

40 2__ Z_TO F-A-Z_n R_u

W₁ ² Wj · W₂ W₂ ²

Diese Gleichung läßt sich zusammenfassen zu

y

F-A\ R_u

W₁

W₂

(1)

Für genügend hohe Werte von W₁, bei denen

1 F-A - _Λ.,Ρ·Α
- etwa gleich —

W₁ W₂ W₂

45

50 gewonnen, werden wie mit einem gewöhnlichen Zweidrahtverstärker.

Bei der Anwendung in Telephonnetzen muß der Verstärker in N-Bauart mit abgeglichenem Stromkreis verwendet werden.

Fig. 3 zeigt, wie dies durch Einschalten der Transformatoren 3 und 6 in beide Übertragungsleitungen erreicht werden kann. Zwischen den Klemmen 8, 9 und 10 Hegen übliche Ausgleichs- und Filterschaltungen (nicht dargestellt).

Wie sich aus Gleichung (1) ergibt, kann sogar dann eine negative Impedanz erreicht werden, wenn der Verstärkungsfaktor A kleiner als 1 ist. Dieses Merkmal ist von besonderer Bedeutung, da bei wesentlicher Vereinfachung der Schaltung ein Kathodenausgang für den Verstärker gewählt werden kann. Bei einem solchen gewährleistet die vorhandene starke Gegenkopplung eine außergewöhnlich gute Stabilität.

Das Grundschaltbild eines Verstärkers mit Kathodenausgang bei einer geheizten Elektronenröhre 11 zeigt Fig. 4. Wieder ist zwischen die Klemmen 8, 9, 10 eine übliche Ausgleichsschaltung (nicht dargestellt) in den Gitterkreis eingeschaltet. Natürlich kann an Stelle des Kathodenausganges auch ein normaler Transformatorausgang verwendet werden und eine gewöhnliche Gegenkopplung der Röhre vorgesehen sein, wobei die Möglichkeit besteht, die Ausgleichsschaltung statt in den Gitterstromkreis in den Gegenkopplungskreis zu legen.

Für die Dimensionierung des Verstärkers ist es vor allem ratsam, einen Wert von W₂ zu wählen, für den die

Änderungen des Ausdrucks —~, die als Folge mangelnder

Stabilität der Ausgangsröhre auftreten, vernachlässigbar klein sind; nach Bestimmung des Wertes von W₂ ist der Maximalwert zu bestimmen, den Z_n annehmen darf und der so groß wie möglich sein soll, um den von den Kapazitäten eingenommenen Raum möglichst klein zu halten, aber andererseits wesentlich kleiner als die Eingangsimpedanz des Verstärkers 4 und die Impedanz der Sekundärwicklung des Transformators 3 bei offener Primärwicklung bleiben soll, um den Einfluß dieser beiden Impedanzen auf die Schaltelemente herabzusetzen, welche die Vorspannung der Röhre bestimmen. Nach Festlegung der Parameter Z_n und W₂ kann der Wert W₁, der die beste Verstärkung ergibt, durch Differenzieren der Gleichung für Z nach W₁ und Nullsetzen dieses Ausdruckes gewonnen werden. Hierdurch ergibt sich

dZ

(In₁

W₁ ² W₂

W₁ =

wird, und bei vernachlässigbar kleinem —~
Gleichung (1) annäherungsweise lauten

Z,

kann 2 w₂
A

55

Z =

-F-A.

Die negative Impedanz des Verstärkers ist demnach gleich dem Produkt, gebildet aus einer Übertragungsfunktion des Vierpolnetzwerks 7 und einer Impedanzfunktion.

Wenn in dem übertragenen Frequenzband sowohl A als auch Z_n konstant sind, so verwandelt der Verstärker die Übertragungsfunktion einer Vierpolschaltung in eine Impedanzfunktion. Durch Ausrüstung des Vierpolnetzwerks mit Filtern und Ausgleichsschaltungen üblicher Art können daher ähnliche Übertragungscharakteristiken Dabei darf aber nicht vergessen werden, daß auch für den Wert von W₁ Grenzen bestehen können, und zwar infolge der Notwendigkeit, die Primärwindungszahl des Transformators 3 so zu wählen, daß einerseits eine Sättigung des Kernes durch den Gleichstrom über die Leitung verhindert wird und um andererseits für diese Zwecke keinen übermäßig großen Kern verwenden zu müssen.

Das Grundschaltbild eines erfindungsgemäßen Verstärkers der NP-Bauart zeigt Fig. 5. Bei diesem Verstärker liegen Eingang und Ausgang nicht in Reihe mit jeder Leitung, sondern sind getrennt für sich zwischen die Leitungen 25 und 26 geschaltet. Die Einschaltung des Verstärkers in den Leitungszug kann dabei zweckmäßigerweise jedoch auch in Reihe erfolgen.

9 10

Die beiden Widerstände 12 und 13 im Grundschaltbild Spannung F. Bei Einführung des negativen Vorzeichens

, , . · -ti)- j. -K j -U-I- χ für den Strom J₂ ergibt sich der Gesamtstrom zu
haben ie einen Wert von -=- und ergeben einen Gesamt- * °

VZV
widerstand R, der groß genug sein muß, um die An- J = J₁ + J₂ -f- J₃ = — n₂ ■ S · —— · J + -5— · n₂ ²,

derangen der Impedanz der Primärwicklung des Trans- 5 K n_x R_n

formators 3' vergleichsweise vernachlässigen zu können. dem ein Gesamtleitwert des Verstärkers von

Die beiden Kapazitäten 14 und 15 haben nur die Aufgabe, * Zn²

den möglicherweise in der Übertragungsleitung auf- Y = — n₂ · S · —^- + -^- (3)

tretenden Gleichstrom zu blockieren, und werden im n_x· K K_n

übrigen so gewählt, daß sie eine vernachlässigbar kleine 10 entspricht. Durch Wahl der Parameter kann dieser

Reaktanz im Übertragungsband besitzen. In erster Leitwert vollständig negativ gemacht werden.

Annäherung ist daher der von der Leitung durch die Es ist weiter offensichtlich, daß durch eine zweckmäßige

Primärwicklung des Transformators 3' fließende Strom „,.,,,,, 1 , η J .

Wahl der Parameter —- und ~~- im wesentlichen vernach-

V j __ ^v 15 lässigbar gemacht werden können. Jedenfalls aber ist es

R immer möglich, diese Faktoren durch Einschaltung eines

niederohmigen Festwiderstandes in Reihe mit Z_n aus-Die Impedanz, welche die Primärwicklung des Trans- zugleichen. Auf diese Weise arbeitet der Verstärker als

formators 3' gegenüber dem Strom J₁ besitzt, ist -^-, ^em Wandler, der eine gegebene Impedanz in einen Leit-

■"-so wert überführt, der gleich dieser in ihrem Vorzeichen um-

WQbßi_% gleichIj- (vgl. Fig. 5) und wobei Z_n die Größe f^t^ ^ ⁶^ ^Konstante multiplizierten Im-

der Impedanz 5' ist. Die Spannung an den Enden der Wird an Stelle der Impedanz 5' ein Vierpolnetzwerk 7'

Primärwicklung ist daher eingeschaltet, wobei die Beziehung zwischen der Aus-

25 gangsspannung V₁₁ dieses Netzwerkes zur Eingangs-

γ __ Zn . j spannung V_e durch die Übertragungsfunktion F mit

¹ _n 2 ' V_u = F(V_e) gegeben ist, so ergibt sich, da die Eingangs

spannung F₂ ist (Fig. 6), V_u = F(V₂).

während die Spannung an den Klemmen der Sekundär- Kann erreicht werden, daß die beiden Ausdrücke mit

wicklung 30 positivem Vorzeichen der Gleichung (3) vernachlässigbar

_ Zn j- sind, so ergibt sich die Beziehung

^% ' Y=n₂-S-F.^, (4)

ist. Wird mit S die Steilheit des Verstärkers 4' als ^Ml

Verhältnis zwischen dem Wechselstrom, den der Ver- 35 wobei Z_n die Eingangsimpedanz des Vierpolnetzwerks

stärker mit kurzgeschlossenen Ausgangsklemmen ab- darstellt. Werden Zn und S konstant gehalten, so ergibt

gibt, und der entsprechend an seinen Eingang gelegten sich aus Gleichung (4), daß der erfindungsgemäße Ver-

Wechselspannung bezeichnet, so würde der Verstärker 4' stärker in NP-Bauart dazu benutzt werden kann, um

bei kurzgeschlossenen Klemmen den Strom unter Anwendung eines Proportionalitätsfaktors eine

40 Übertragungsfunktion in eine Leitwertfunktion umzu-

Ji = S-F = S · ^ⁿ ■ I wandeln.

^- % Um hohe Stabilität des Verstärkungsfaktors zu erreichen, ist die Verwendung einer Gegenkopplung zweckliefern. Andererseits wäre der Kurzschlußstrom in der mäßig. Die geeigneteste Form von Gegenkopplung ist hier Sekundärwicklung beim Kurzschließen der Sekundär- 45 die Strom-Gegenkopplung. Dies sei an Hand des Grundklemmen des Transformators 6' Schaltbildes Fig. 7 erläutert, wo der Verstärker 4' aus

7 einer Triode 11' mit Strom-Gegenkopplung besteht, die

J₂ = n₂ · S ■ V = n₂ ■ S · —— · J, (2) durch den Widerstand 16 mit der Größe Rg erzeugt wird.

^*¹ In den Gitterstromkreis ist eine übliche Ausgleichs-

, . V₃ , τ τ-,. r\ · j. τ-» j. j. ·· i_T Y j 5° schaltung (nicht dargestellt) zwischen die Klemmen 8', 9',

wobei_M2=-^-(vgl.Fig.5}i_St.Dertatsachhchvond_er ₁₀' eingeschaltet.

Sekundärwicklung des Transformators 6' in die Leitung Auf Grund der Theorie der Gegenkopplung ergibt sich

gesandte Strom ist auf Grund des Nortonschen Theorems der Ausgangswiderstand des Verstärkers zu

durch die Differenz zwischen dem durch Gleichung (2) _ _ _ _

bestimmten Kurzschlußstrom und dem von der Ausgangs- 55 ^{= rp} ^ ' '

impedanz des Verstärkers 4' aufgenommenen Strom wobei r_p den Wechselstrom-Anodenwiderstand und μ

gegeben, wobei die Ausgangsimpedanz als an die den Verstärkungsfaktor der Triode bedeutet. Die Steilheit

Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators 6' des Verstärkers ist daher

geschaltet und parallel zur Leitung liegend zu betrachten

ist. Dieser letztere Strom ist öo S= -£— = ~——-—. (5)

"'"■■".- R_u r_p + ßR_K + Rk

J₃ = -=r— · M₂ ²,- Ist die Gegenkopplung sehr stark und der Verstärkungs-

²⁴ faktor hoch genug, so daß die Beziehung besteht

wobei mit R« die Ausgangsimpedanz des Verstärkers ' _ ' , „ .

bezeichnet ist. " 65 μ * Rk^ (Ra + Rk) ,

Der gesamte von der Leitung aufgenommene Strom so wird Gleichung (5) näherungsweise zu
ist gleich der Summe der drei Ströme J₁, J₂, J3, von denen ^

der Strom J₂ durch geeignete Wahl der Anschlußrichtung S = ——, (6)

der Sekundärspule des Transformators 6' immer negativ ^K

gemacht werden kann, nämlich entgegengesetzt zur 70 und 5 ist von den Parametern der Röhre unabhängig.

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Die Parameter der Röhre erscheinen jedoch noch in Gleichung (3) in Gestalt des Ausdrucks -4-, der jedoch so

klein gemacht werden kann, daß die durch seine Änderungen hervorgerufenen Auswirkungen praktisch vernachlässigbar sind. Das Kriterium für die Dimensionierung des NP-Verstärkers liegt vor allem in einer solchen Wahl der Röhre und des Wertes Rk des Widerstandes 16, daß Gleichung (6) mit guter Annäherung erfüllt wird. Dabei kann jedoch der Widerstand Rk, da dieser auch zur Erzeugung und Stabilisierung der Triodenvorspannung dient, zu hoch werden, und in einem solchen Fall ist es zweckmäßig, den in Fig. 8 gezeigten bekannten Kunstgriff anzuwenden, wo an Stelle des Widerstandes 16 eine die Widerstände 17, 18 und 19 und die Kapazität 20 enthaltende Schaltung vorgesehen ist.

Für die weitere Dimensionierung ist es erforderlich,

W₂ so zu wählen, daß der Ausgangswiderstand —\

so hoch wird, daß seine von den Parametern der Röhre herrührende Instabilität praktisch vernachlässigbar ist. Nach Festlegen des Wertes von n₂ ergibt sich der Wert für M₁ zur Erzielung maximaler Verstärkung nach der Formel

wobei Z_n so gewählt wird, daß die Wirkungen der Eingangsimpedanz des Verstärkers 4' und die der Impedanz der Sekundärwicklung des Transformators 3' vernachlässigbar sind.

Der durch die Gleichung (7) gegebene Wert für W₁ ist im allgemeinen sehr groß, und es muß berücksichtigt werden, daß zu große %-Werte eine starke Herabsetzung des Wertes R der Widerstände 12 und 13 erforderlich machen, so daß die Stromaufnahme durch die Widerstände 12 und 13 groß werden und zu einer Übersteuerung des Verstärkers führen kann. Schließlich muß die Kapazität 15 den kleinstmöglichen Wert haben, der sich mit der obigen Bedingung eines sehr kleinen Widerstandes im übertragenen Frequenzband verträgt, um eine übermäßige Verformung der über die Leitungen 25 und 26 übertragenen Impulse zu vermeiden.

Gegebenenfalls kann an Stelle der beiden Widerstände 12 und 13 in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators ein einziger Widerstand 21 in Reihenschaltung mit der Sekundärwicklung gemäß Fig. 9 eingeschaltet sein. Diese Ausführung hat jedoch den Nachteil, daß für den Transformator 3' eine Wicklung mit hoher Windungszahl erforderlich ist.

Durch Reihenschaltung eines N-Verstärkers und Parallelschaltung eines NP-Verstärkers in die bzw. zu den Übertragungsleitungen ergibt sich eine Vierpolschaltung, als NH-Bauart bezeichnet, die den großen Vorteil eines positiven Wellenwiderstandes hat. Das zweckmäßigste Vorgehen besteht darin, zunächst den N-Verstärker zu symmetrieren und abzugleichen und dann den NP-Verstärker in die zwischen den beiden Leitungsdrähten liegenden Mittelpunkte des N-Verstärkers einzuschalten.

Fig. 10 zeigt ein Schaltbild des symmetrischen und abgeglichenen N-Verstärkers; der NP-Verstärker wird an die beiden Mittelpunkte der beiden sekundären Halbwicklungen des Ausgangstransformators angeschaltet, die in Fig. 10 mit 21 und 22 bezeichnet sind.

Der auf diese Weise gebildete und in der Zeichnung vereinfachte äquivalente Stromkreis ist in Fig. 11 dargestellt, in welcher die beiden negativen Impedanzen 23 und 24 des N-Verstärkers und des NP-Verstärkers einzeln gezeichnet sind.

Fig. 12 zeigt die Schaltung eines NH-Verstärkers, der aus einem Triodenverstärker mit Kathodenausgang der Bauart N und aus einem Triodenverstärker mit Strom-Gegenkopplung der NP-Bauart besteht.
Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich zwar auf bestimmte Schaltungen, doch können diese natürlich im Rahmen der Erfindung die verschiedensten Änderungen und Abwandlungen erfahren.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verstärkeranordnung mit negativer Impedanz, beruhend auf dem Prinzip der Impedanzwandlung in einem Zweipolnetzwerk durch Multiplikation mit einer dimensionslosen Zahl, Umkehrung des Vorzeichens und gegebenenfalls Einführung des reziproken Wertes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangstransformator und ein Ausgangstransformator und eine Verstärkerschaltung derart geschaltet sind, daß die Pri-

ao märwicklung des Eingangstransformators und die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators an die Leitung, deren Signale verstärkt werden sollen, so angeschlossen sind, daß die an ihnen liegenden Spannungen entgegengesetztes Vorzeichen haben, die Sekundärwicklung des Eingangstransformators mit dem Eingang und die Primärwicklung des Ausgangstransformators mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung verbunden ist, und daß das Zweipolnetzwerk, dessen Impedanz gewandelt werden soll, an die Sekundärwicklung des Eingangstransformators angeschlossen ist.

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß' die Primärwicklung des Eingangstransformators und die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators in Reihe mit der Leitung liegen (Fig. 1).

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Eingangstransformators und die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators in Parallelschaltung an der Leitung liegen, wobei in die Mitte jeder der beiden Wicklungen ein Kondensator eingeschaltet ist und wobei ein in Reihe mit der Primärwicklung des Eingangstransformators liegender Widerstand so bemessen ist, daß bei konstanter Leitungsspannung ein

⁺5 im wesentlichen konstanter Strom durch die Wicklung fließt (Fig. 5).

4. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,, daß zwischen die Sekundärseite des Eingangstransformators und den Eingang des Verstärkerstromkreises ein Vierpolnetzwerk eingeschaltet ist, dessen Übertragungsfunktion in eine Impedanzfunktion bzw. eine Leitwerksfunktion umgewandelt wird, die gleich der Übertragungsfunktion multipliziert mit einem konstanten Dimensionsfaktor ist (Fig. 2 und 6),

5. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerstromkreis eine Röhre mit Kathodenausgang enthält (Fig. 4).

6. Verstärkeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkerstromkreis eine Röhre mit Strom-Gegenkopplung in der Kathode enthält (Fig. 7 und 8). .

7. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese je eine Mittelanzapfung an jeder der beiden Sekundär-Halbwicklungen des Ausgangstransformators besitzt, an die eine Verstärkeranordnung in Parallelschaltung nach Anspruch 3 angeschlossen ist, und daß die Primärseite des Eingangstransformators aus vier Teilwicklungen besteht, von denen je zwei in symmetrischer Anordnung mit je

einer Hälfte der Sekundärwicklungen des Ausgangstransformators sinngemäß in Reihe geschaltet sind, wobei jede dieser Reihenschaltungen ihrerseits in Reihe mit einem der beiden Stromleiter des Zweidrahtsystems liegt (Fig. 12).

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In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 857 649; britische Patentschrift Nr. 727 765; USA.-Patentschrift Nr. 1 863 566; BeU Syst. S. T. L, 1954/IX, S. 1055 bis 1092.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen