DE1124552B

DE1124552B - Cathode-coupled DC voltage amplifier in cascode connection

Info

Publication number: DE1124552B
Application number: DEH36628A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinz-Dieter Goeldner
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1959-06-12
Filing date: 1959-06-12
Publication date: 1962-03-01

Description

Kathodengekoppelter Gleichspannungsverstärker in Kaskodenschaltung Ein Gleichspannungsverstärker in Meßanordnungen soll bekanntlich Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Meßgrößen verstärken und zur Anzeige bringen, ohne der Meßstelle nennenswerte Energie zu entnehmen. Als Röhrenvoltmeter, Verstärker in p,1-Mr,ßgeräten usw. erfüllt er die Aufgabe eines hochwertigen Impedanzwandlers, an dessen Ausgang ein robustes Anzeigeinstrument angeschlossen werden kann. Ein- und Ausgangsspannung sind praktisch gleich groß, während der Eingangswiderstand des Verstärkers nahezu unendlich und sein Ausgangswiderstand nahezu Null ist.Cathode-coupled DC amplifier cascode A DC amplifier in measuring arrangements should reinforce known DC and AC measured quantities and bring to the display without removing the measuring appreciable energy. As a tube voltmeter, amplifier in p, 1-Mr, ß devices, etc., it fulfills the task of a high-quality impedance converter, to the output of which a robust display instrument can be connected. The input and output voltage are practically the same, while the input resistance of the amplifier is almost infinite and its output resistance is almost zero.

Es sind Gleichstromverstärker bekannt, die zum Beispiel mit Elektrometer-Eingangsröhren arbeiten, um auf diese Weise einen hohen Eingangswiderstand zu erreichen. Galvanisch gekoppelten Gleichstromverstärkern allgemein haftet der Nachteil an, daß sie zu unzulässigen Nullpunktswanderungen neigen. Nullpunktstabil sind dagegen Verstärker, die das Gleichstromsignal mit Hilfe von Modulatoren in eine Wechselspannung umwandeln, diese verstärken und schließlich wieder phasenrichtig gleichrichten. Solche Verstärker sind jedoch relativ kompliziert und geben vor allem bei Verwendung von mechanischen Modulatoren zu weiteren Fehlerquellen Anlaß. Es ist daher sehr wichtig, einen galvanisch gekoppelten Gleichstromverstärker so zu dimensionieren, daß er einen hochwertigen Impedanzwandler darstellt und gleichzeitig optimale Nullpunktskonstanz aufweist.DC amplifiers are known, for example with electrometer input tubes work to achieve a high input resistance in this way. Galvanically coupled DC amplifiers generally have the disadvantage that they too tend towards impermissible zero point shifts. On the other hand, amplifiers are zero-point stable, which convert the direct current signal into an alternating voltage with the help of modulators, amplify these and finally rectify them again in the correct phase. Such amplifiers However, they are relatively complicated and give especially when using mechanical Modulators give rise to further sources of error. It is therefore very important to have a galvanic dimensioned coupled DC amplifier so that it is a high-quality Impedance converter represents and at the same time has optimal zero point constancy.

Es ist ferner bekannt, daß sich Ein- und Ausgangswiderstand eines Verstärkers durch Gegenkopplung in Richtung höherer oder niedrigerer Werte ändern lassen. Diese Änderung ist um so größer, je höher der Gegenkopplungsgrad gewählt wird. Dies setzt voraus, daß die innere Verstärkung zur Erreichung einer hohen Gegenkopplung ebenfalls groß ist. Große innere Verstärkung wird entweder durch mehrere Verstärkerstufen oder durch starke Mtkopplung in den Eingangsstufen erzielt. Deshalb wurden z. B. in zweistufigen Gegentaktverstärkern mit Pentoden die Schirmgitter der Eingangsröhren mit der Anode bzw. über Serienwiderstände mit einem Abgriff des Anodenwiderstandes der jeweils symmetrischen Röhre verbunden. Aber auch solche Verstärker sind Nullpunktsschwankungen unterworfen, für welche hauptsächlich nicht übereinstimmende Alterungserscheinungen der Röhren, aber auch Anodenspannungs-und Heizstromschwankungen verantwortlich sind.It is also known that the input and output resistance of an amplifier can be changed by negative feedback in the direction of higher or lower values. This change is greater, the higher the degree of negative feedback is selected. This assumes that the internal gain to achieve a high level of negative feedback is also large. Large internal amplification is achieved either through several amplifier stages or through strong coupling in the input stages. Therefore z. B. in two-stage push-pull amplifiers with pentodes, the screen grids of the input tubes are connected to the anode or via series resistors to a tap of the anode resistance of the respective symmetrical tube. But such amplifiers are also subject to zero point fluctuations, for which mainly inconsistent aging phenomena of the tubes, but also anode voltage and heating current fluctuations are responsible.

Für Gleichspannungsverstärker sind auch bereits symmetrische kathodengekoppelte Schaltungen bekannt, bei welchen zu beiden Eingangsröhren je eine weitere Röhre in Serie geschaltet ist. Aber auch diese sogenannte Kaskodenschaltung genügt nicht allen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Höhe ihres Eingangswiderstandes, welche an hochwertige Meßverstärker gestellt werden müssen.For DC amplifier already symmetrical cathode coupled devices are known, in which connected to two input tubes per another tube in series. But even this so-called cascode circuit does not meet all requirements, in particular with regard to the level of its input resistance, which must be placed on high-quality measuring amplifiers.

Der Erfindungsvorschlag ermöglicht nun den Bau eines außerordentlich stabilen, empfindlichen Gleichstromverstärkers ohne die Nachteile der bekannten Anordnungen. Die Erfindung geht aus von einem kathodengekoppelten Gleichspannungsverstärker in Gegentaktschaltung, bei welchem zu jeder der beiden Eingangsröhren eine weitere Röhre hinsichtlich der Speisespannung in Reihe geschaltet ist, so daß ihre Kathode, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Widerstandes, an der Anode der Eingangsröhre liegt. Die Erfindung besteht darin, daß an die Steuergitter der beiden zusätzlichen Röhren jeweils an ein vom Anodenstrom der dazu symmetrisch liegenden Röhren abgeleitetes Potential angelegt sind.The proposed invention now enables the construction of an extraordinary stable, sensitive DC amplifier without the disadvantages of the known Arrangements. The invention is based on a cathode-coupled DC voltage amplifier in push-pull circuit, in which each of the two input tubes has a further Tube is connected in series with regard to the supply voltage, so that its cathode, possibly with the interposition of a resistor at the anode of the input tube lies. The invention consists in that to the control grid of the two additional Tubes each to one derived from the anode current of the symmetrically positioned tubes Potential are applied.

Zweckmäßig werden als Eingangsröhren die beiden Systeme einer Doppelröhre, vorzugsweise einer Doppeltriode, verwendet. Ferner ist es vorteilhaft, als weitere Verstärkerstufe eine aus zwei Röhren aufgebaute symmetrische Kathodenverstärkerstufe vorzusehen und deren freien Ausgang an das Steuergitter der mittelbar gesteuerten Eingangsröhren in gegenkoppelndem Sinne anzulegen.The two systems of a double tube are expediently used as input tubes, preferably a double triode is used. It is also advantageous as a further Amplifier stage a symmetrical cathode amplifier stage made up of two tubes to be provided and their free output to the control grid of the indirectly controlled To create input tubes in a counter-coupling sense.

Ein Ausführungsbeispiel eines unter Benutzung des Erfindungsgedankens aufgebauten Verstärkers zeigt die Abbildung. Die beiden Eingangsröhren Röla und Rölb, vorzugsweise die beiden in einem Glaskolben untergebrachten Systeme einer Doppeltriode, sind mit ihren Kathoden über einen gemeinsamen Kathodenwiderstand R 10 an die Minusklemme der Anodenspannungsquelle gelegt. In Reihe mit der Röhre Rö 1 a liegt eine Röhre Rö 2 a derart, daß ihre Kathode mit der Anode der Röhre Rö la verbunden ist. Ebenso ist mit der Anode der Röhre Rölb die Kathode einer weiteren Röhre Rö 2 b verbunden, wobeiRö2a und Rö2b wieder eine Doppeltriode mit gemeinsamem Glaskolben bilden können. Die Anoden der Röhren Rö2a und Rö2b sind über je einen WiderstandR3 und R13 mit der positiven Klemme der Anodenspannungsquelle verbunden. Die Anode der Röhre Rö2a ist ferner über einen Spannungsteiler aus den WiderstäridenR4 und R12 mit dem negativen Pol der Anodenspannungsquelle verbunden, ebenso liegt ein Spannungsteiler aus den WiderständenR11, R5 und R6 zwischen der Anode der Röhre Rö 2 b und dem Minupol. Der Widerstand R 5 besitzt einen veränderlichen Abgriff.An embodiment of an amplifier constructed using the inventive concept is shown in the figure. The two input tubes Röla and Rölb, preferably the two systems of a double triode housed in a glass bulb, have their cathodes connected to the negative terminal of the anode voltage source via a common cathode resistor R 10. In series with the tube Rö 1 a is a tube Rö 2 a such that its cathode is connected to the anode of the tube Rö la. Also, the tube Rölb is connected to the anode the cathode of another tube Ro 2 b connected wobeiRö2a Rö2b and can form a double triode with common glass flask again. The anodes of the tubes Rö2a and Rö2b are each connected to the positive terminal of the anode voltage source via a resistor R3 and R13. The anode of the tube Rö2a is also connected via a voltage divider comprising the WiderstäridenR4 and R12 connected to the negative pole of the anode voltage source as a voltage divider from the WiderständenR11, R5 and R6 between the anode of the tube Ro 2 b and the Minupol. The resistor R 5 has a variable tap.

Das Gitter der Röhre Rö2b ist nun an die Verbindung der Widerstände R4 und R12 angelegt, das Gitter der RöhreRö2a an den verschiebbaren Ab- griff des Widerstandes R5. Die Steuergitter der RöhreRö2a und Rö2b sind noch über die Widerstände R 7, R 8 und R 9, von welchen der WiderstandR8 veränderlich ist, verbunden. Durch diese Schaltung wird das Steuergitter der RöhreRö2a an ein vom Anodenstrom der symmetrisch dazu liegenden Röhre Rö 2 b abhängiges Potential gelegt und das Gitter der Röhre Rö2b an ein vom Anodenstrom der RöhreRö2a abgeleitetes Potential. Dadurch ergibt sich eine starke Mitkopplung, welche den inneren Verstärkungsfaktor des Verstärkers außerordentlich hoch macht.The grid of the tube Rö2b is now applied to the junction of resistors R4 and R12, the grid of the RöhreRö2a to the movable handle waste of the resistor R5. The control grids of the tube Ro2a and Ro2b are also connected via the resistors R 7, R 8 and R 9, of which the resistor R8 is variable. By this circuit, the control grid of the RöhreRö2a is placed 2 b dependent potential to an anode current of the tube is located symmetrically to Ro and the grid of the tube to a Rö2b derived from the anode current of the RöhreRö2a potential. This results in a strong positive feedback, which makes the internal gain factor of the amplifier extremely high.

Zwischen dem negativen Pol der Anodenspannungsquelle und der Anode der Röhre Rö2a ist noch ein Spannungsteiler aus den Widerständen R 1 und R 21 angeschlossen. Ein weiterer Spannungsteiler aus den Widerständen R 14 und R 16 liegt zwischen dem negativen Pol der Anodenspannungsquelle und der Anode der Röhre Rö 2 b. Der Verbindungspunkt der Widerstände R 14 und R 16 ist über einen Widerstand R 17 an das Gitter des Systems a einer als Kathodenverstärker geschalteten Doppelröhre Rö 3 gelegt, das Gitter des Systems b der Röhre Rö 3 liegt über einen Widerstand R 20 am Verbindungspunkt der Widerstände R 1 und R 21. Die Anoden der beiden Röhren Rö 3 a und Rö 3 b liegen unmittelbar am positiven Pol der Anodenspannungsquelle, die Kathode von Rö 3 a ist über einen Widerstand R 18, diejenige von Rö 3 b üb--r einen Widerstand R 19 mit dem negativen Pol der Anodenspannungsquelle verbunden. Die Ausgangsspannung wird an den Kathoden der beiden Röhren Rö 3 a und Rö 3 b abgenommen. Während das Gitter der Eingangsröhre Rö la mit der Meßspannungsquelle verbunden ist, ist das Gitter der dazu symmetrischen Röhre Rölb über den Widerstand R 15 mit der Kathode der Röhre, Rö 3 a und somit mit der freien Ausgangsklemme verbunden. Dadurch ergibt sich eine starke Gegenkopplung der Ausgangsgröße auf den Eingang des Verstärkers. A voltage divider consisting of resistors R 1 and R 21 is connected between the negative pole of the anode voltage source and the anode of the tube Rö2a. Another voltage divider from the resistors R 14 and R 16 is between the negative pole of the anode voltage source and the anode of the tube Rö 2 b. The connection point of the resistors R 14 and R 16 is connected via a resistor R 17 to the grid of system a of a double tube Rö 3 connected as a cathode amplifier, the grid of system b of the tube Rö 3 is connected to the connection point of the resistors R via a resistor R 20 1 and R 21. The anodes of the two tubes Rö 3 a and Rö 3 b are located directly on the positive pole of the anode voltage source, the cathode of Rö 3 a is via a resistor R 18, that of Rö 3 b via a resistor R 19 connected to the negative pole of the anode voltage source. The output voltage is taken from the cathodes of the two tubes Rö 3 a and Rö 3 b . While the grid of the input tube Rö la is connected to the measuring voltage source, the grid of the symmetrical tube Rölb is connected via the resistor R 15 to the cathode of the tube, Rö 3 a and thus to the free output terminal. This results in a strong negative feedback of the output variable to the input of the amplifier.

Zur Einstellung des Verstärkers wird mit Hilfe des Widerstandes R 8 die Höhe der Nfitkopplung eingesteR4 mittels des Widerstandes R 5 können Unsymmetrien ausgeglichen und damit der Nullpunkt eingestellt werden. Zum Abgleich wird zweckmäßig eine niederohmige Spannungsquelle an den Eingang des Verstärkers gelegt und die Ein- und Ausgangsklemmen mit einem hochohmigen, empfindlichen Spannungsmesser verbunden, so daß direkt eine, Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung gemessen werden kann. Nach erfolgtem NuRabgleich wird die Mitkopplung am Widerstand R 8 so lange erhöht, bis trotz Verändern der Eingangsspannung die zwischen Eingang und Ausgang gemessene Differenz gleich Null ist und keine Abweichungen über den Aussteuerungsbereich auftreten. In diesem Falle ist die äußere, Verstärkung gleich Eins.To adjust the amplifier, the level of the Nfit coupling is adjusted with the aid of the resistor R 8 , and the resistor R 5 can be used to compensate for asymmetries and thus to set the zero point. For adjustment purposes, a low-resistance voltage source is applied to the input of the amplifier and the input and output terminals are connected to a high-resistance, sensitive voltmeter so that a difference between the input and output voltage can be measured directly . After the zero adjustment has been carried out, the positive feedback at the resistor R 8 is increased until the difference measured between the input and output is equal to zero despite the change in the input voltage and no deviations occur over the modulation range. In this case the external gain is equal to one.

Gegenüber z. B. unter Verwendung von Pentoden im Eingang symmetrisch aufgebauten, galvanisch gekoppelten Differenzversfärkem mit hoher Gegenkopplung besitzt der Verstärker nach der Erfindung noch den Vorteil einer größeren Rauschfreiheit.Compared to z. B. symmetrical using pentodes in the entrance built-up, galvanically coupled differential amplifiers with high negative feedback the amplifier according to the invention still has the advantage of greater freedom from noise.

Claims

PATENT CLAIMS. ' 1. Cathode-coupled DC voltage amplifier in push-pull circuit, in which a further tube is connected in series with regard to the supply voltage for each of the two input tubes, so that its cathode, optionally with the interposition of a resistor, lies at the anode of the input tube, characterized in that the control grid of the two additional tubes are each applied to a potential derived from the anode current of the tubes symmetrical thereto.

2. DC voltage amplifier according to claim 1, characterized in that the two systems of a double triode are used as input tubes. 3. DC voltage amplifier according to spoke 1 or 2, characterized gekennzeichne4 that the control grid of the additional tubes are applied to voltage dividers between the anode of each symmetrical additional tube and the common cathode potential. 4. Two-stage DC voltage amplifier, characterized in that the input stage according to spoke 1 or one of the following is followed by a symmetrical cathode amplifier stage. 5. DC voltage amplifier according spoke 4, characterized in that the free output of the cathode amplifier stage is guided to the control grid of the indirectly controlled input tube in a negative feedback sense. Publications considered: magazine "Funkschau.", 1957, issue 2, pp. 45 to 46; "Elektronik" magazine, 1958, No. 8; Electronics magazine, February 1954, pp. 176 to 179, especially FIG. 4; "Wireless World" magazine, August 1957, pp. 373 to 377.