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Kathoden-Netzwerk für regelbare Breitband -Verstärkerröhrenschaltungen
hoher Frequenzen Die Erfindung betrifft ein Kathoden-Netzwerk für regelbare Breitband-Verstärkerröhrenschaltungen
hoher Frequenzen mit frequenzlinearem Verhalten, vorzugsweise in Zwischenfrequenzverstärkern
sehr hoher Frequenzen.
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Ganz allgemein ist man bestrebt, einen Verstärker mit möglichst wenigen
Verstärkerstufen aufzubauen. Man verwendet daher Röhren mit großer Steilheit. Da
die Arbeitspunkte steiler Röhren von Fall zu Fall verschieden sind, ist man gezwungen,
eine hohe Gleichstromgegenkopplung in der Kathode vorzusehen, um Schwankungen des
jeweiligen Arbeitspunktes der einzelnen Röhren ausgleichen zu können. Diese Gleichstromgegenkopplung
ist für das zu verstärkende Frequenzband unwirksam zu machen. Dies geschieht durch
überbrückung des Kathodenwiderstandes mit einem Kondensator. Für Verstärker breiter,
hochfrequenter Bänder ergibt sich wegen der Zuleitungsinduktivitäten der Röhre,
insbesondere ihrer Kathodenzuführung, und zum anderen wegen der Frequenzabhängigkeit
des zum Kathodenwiderstand parallel zu schaltenden Kondensators eine frequenzabhängige
Gegenkopplung, die aber, soweit es sich um Verstärker mit konstantem Verstärkungsfaktor
handelt, durch einen entsprechenden Filterabgleich kompensiert werden kann.
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Wesentlich verwickelter sind jedoch die Zusammenhänge bei geregelten
Röhren für Breitbandverstärker hoher Frequenzen, da hierbei durch die frequenzabhängige
Gegenkopplung die scheinbare Steilheitsänderung in Abhängigkeit von der Frequenz
für den jeweils eingestellten Anodenstrom unterschiedlich ist und da außerdem noch
die Eingangskapazität der Röhre von dem jeweils eingestellten Anodenstrom bzw. Steilheit
abhängig ist.
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Eine Untersuchung der zur Verfügung stehenden Kondensatoren zeigt,
daß jeder Kondensator auch eine in Reihe zur Kapazität liegende Induktivität aufweist,
die sich bei höheren Frequenzen so stark bemerkbar macht, daß ein Kondensator bei
einer bestimmten Frequenz einen Serien-Resonanzkreis darstellt und bei noch höheren
Frequenzen einen induktiven Blindwiderstand hat. Je größer seine Kapazität ist,
um so tiefer liegt diese Serien-Resonanzfrequenz. Diesen zu dem Kathodenwiderstand
parallel liegenden Kondensator darf man deshalb weder zu groß wählen, um den durch
seinen induktiven Blindwiderstand für die oberen Frequenzen bedingten Steilheitsabfall
der Röhre zu vermeiden, noch darf man ihn zu klein wählen, da hierdurch ein großer
Steilheitsabfall bei den unteren Frequenzen eintreten würde. Da nun diese Frequenzabhängigkeit
der Steilheit, hervorgerufen durch die Gegenkopplung in der Kathode, von dem jeweils
eingestellten Anodenstrom bzw. von der eingestellten Steilheit verschieden ist,
kommt ihre Kompensation durch eine entsprechende Verstimmung der Kopplungsfilter
für geregelte Röhren nicht in Betracht. Dieses gilt um so mehr, als auch die Eingangskapazität
einer Röhre von dem eingestellten Anodenstrom bzw. Steilheit abhängig ist. Die Eingangskapazität
der Breitbandpentode D 3 a ändert sich beispielsweise von 14 pF bei einem Anodenstrom
von 4 mA auf 21 pF bei einem Anodenstrom von 22 mA, was eventuell eine unzulässig
große Verstimmung der Kopplungsfilter zur Folge haben würde.
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Es ist nun bekannt, durch eine zusätzliche und für die Betriebsfrequenz
wirksame Gegenkopplung in der Kathodenzuleitung die Eingangskapazität konstant zu
halten, indem man zu dem Kathodenkondensator in Serie einen Widerstand schaltet.
Dieses führt aber sowohl zu einer wesentlichen Verminderung der wirksamen Steilheit
als auch zu einer unerwünschten Verringerung des Eingangswiderstandes der Röhre.
Deshalb wählt man als Komprorniß zwischen günstiger Steilheit und hinreichender
Konstanz der Eingangskapazität, zumindest in dem in Frage kommenden Regelbereich
des Anodenstromes eine schwächere Gegenkopplung, indem dieser Widerstand etwas kleiner,
als es zur Erzielung einer völligen Konstanz der Eingangskapazität notwendig wäre,
gewählt wird.
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Erfindungsgemäß wird nun dieses so entstandene Kathoden-Netzwerk dadurch
im Arbeitsfrequenzbereich
weitgehend frequenzunabhänglg gemacht,
indem man zu ihm einen weiteren Kondensator parallel schaltet, dessen Eigenserienresonanz
oberhalb der Betriebsfrequenz liegt und dessen Kapazität so bemessen ist, daß er
durch den mit Induktivität behafteten Kondensator des Netzwerkes und der dazu in
Serie liegenden Kathodenzuleitungsinduktivität bedingten Frequenzgang der Gegenkopplung
für den Bereich der Betriebsfrequenz nahezu beseitigt.
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Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden: Fig.
1 zeigt eine normale Gegenkopplungsschaltung, und Fig. 2 zeigt deren Frequenzabhängigkeit;
in Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Eingangskapazität vom eingestellten Anodenstrom
der Röhre dargestellt; Fig. 4 gibt eine Verbesserung der in Fig. 1 gezeigten Schaltung
wieder; Fig. 5 stellt die Schaltung eines vollständigen Kathoden-Netzwerkes gemäß
der Erfindung dar; Fig. 6 zeigt die Anwendung der Schaltung gemäß Fig. 5 für Breitbandpentoden
mit zwei Kathodenanschlüssen.
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Gemäß Fig. 1 wird durch den Kathodenwiderstand Rk in bekannter Weise
eine Gleichstromgegenkopplung erzielt, und für die Betriebsfrequenz wird diese Gegenkopplung
durch den parallel zum Widerstand geschalteten Kondensator Ck unwirksam gemacht.
Da dieser Kondensator jedoch infolge seiner zu seiner Kapazität in Serie liegenden
Induktivität L, nicht beliebig groß gewählt werden kann und eine Frequenzabhängigkeit
der Gegenkopplung zur Folge hat, läßt sich auch bei zweckmäßigster Wahl von Ck höchstens
der in der Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie dargestellte Steilheitsverlauf
in Abhängigkeit von der Frequenz erzielen. Die in der Fig. 3 strichpunktiert gezeichnete
Linie stellt den für die Schaltung der Fig. 1. gültigen Verlauf der Eingangskapazität
der Röhre in Abhängigkeit vom eingestellten Anodenstrom dar.
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Bekanntlich läßt sich mit der Schaltung gemäß Fig. 4 eine Verbesserung
dieses Verlaufes erreichen. Hierbei ist in Serie zu dem Kondensator Ck ein Widerstand
R1 geschaltet, wodurch eine für die Betriebsfrequenz wirksame Gegenkopplung zustande
kommt. Als Kompromiß zwischen günstiger Steilheit und hinreichend konstanter Eingangskapazität
wählt man diesen Widerstand R1 nur so groß, daß die Eingangskapazität C, zumindest
nur für den für die Regelfunktion in Frage kommenden Bereich des Anodenstromes annähernd
konstant bleibt. Andernfalls würde die wirksame Steilheit stark absinken und der
durch die Reihenschaltung von Gittereingangskapazität C, und Gegenkopplungswiderstand
R1 gebildete Eingangswiderstand der Röhre unzulässig erniedrigt. Unter diesem Gesichtspunkt
läßt sich praktisch der in der Fig. 3 gestrichelt gezeichnete Verlauf der Eingangskapazität
in Abhängigkeit vom Anodenstrom erzielen. Der entsprechende Steilheitsverlauf in
Abhängigkeit von der Frequenz ist aus der in der Fig. 2 gestrichelt gezeichneten
Kurve zu ersehen. Auch hier ist gegenüber der in der Fig. 2 strichpunktierten Kurve
durch den konstanten reellen Gegenkopplungswiderstand eine Verbesserung festzustellen.
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Eine nahezu vollständige Linearisierung des Frequenzganges des Kathoden-Netzwerkes
läßt sich nun erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß ein weiterer Kondensator Cl,
wie aus Fig. 5 ersichtlich, dem Netzwerk parallel geschaltet wird. Die Größe dieses
Kondensators wird so gewählt, daß sein kapazitiver Blindwiderstand im Frequenzbereich
der Betriebsfrequenz in die Größenordnung des induktiven Blindwiderstandes des induktiven
Anteils des Kondensators Ck und der Kathodenzuleitungsinduktivität kommt. Seine
Serien-Resonanz - auch er weist ja eine Eigeninduktivität auf - muß oberhalb des
zu verstärkenden Frequenzbandes liegen. Die so entstandene Gegenkopplung in der
Kathodenzuleitung der Röhre, bestehend aus R1, Ck und Cl, bildet also einen durch
R1 stark bed'ämpften Parallel-Resonanzkreis, der für die gesamte Breite des zu verstärkenden
Frequenzbereiches in Verbindung mit der Kathodenzuleitungsinduktivität einen annähernd
konstanten Widerstand darstellt. Somit gelingt es, die Gegenkopplung in der Kathodenzuleitung
nahezu frequenzunabhängig zu machen. In der Fig. 2 ist der Verlauf der Steilheit
über der Frequenz durch die ausgezogenen Kurven dargestellt. Ferner steigt durch
diese Kompensation auch der Eingangswiderstand wieder an, da Eingangswechselspannung
U, und Gitterwechselspannung U, nunmehr über den betrachteten Frequenzbereich praktisch
in Phase liegen.
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Moderne Breitbandverstärker sind meist mit zwei Kathodenzuleitungen
ausgestattet, um die Zuleitungsinduktivität für die Kathode zu vermindern.
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In der Fig. 6 wird die erfindungsgemäße Schaltung für eine derartige
Röhre dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Schaltung der Fig. 5 nur durch
die Dimensionierung der Werte für R1, Ck und Cl, die sich aus der Parallelschaltung
der Einzelelemente sinngemäß zu R1 a, R1 v, Ck 2, Cl a und Cl b ergeben.
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Beispielsweise ergab sich für die Breitbandpentode D3 a bei einer
Dimensionierung für Rk = 3600,
Cka = Ckb = 470 pF, R1 a = R1
b = 5,6 SZ und Cl a = Cl b = 62 pF bei einer Betriebsfrequenz
von 70 MHz und einer Bandbreite von 40 MHz ein Regelumfang von 10 db pro Stufe,
ohne daß die gesamte übertragungskurve beeinflußt wird.