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Verstärker Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker mit einer einen
Transistor mit Kollektorbelastungswiderstand aufweisenden Transistorstufe und mit
einer einen Kathodenwiderstand und einen Anodenbelastungswiderstand enthaltenden
Röhrenstufe, dessen Steuergitter mit dem Kollektor des Transistors unmittelbar zusammengeschaltet
ist, während die Basisvorspannung des Transistors vom Kathodenwiderstand der Röhre
abgegriffen wird, so daß zwischen der Kathode der Röhre und der Basis des Transistors
ein im wesentlichen konstantes Gleichspannungsverhältnis und damit für den Transistor
eine im wesentlichen konstante Basis-Kollektor-Vorspannung vorhanden sind.
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Da Transistoren günstigere Rauschverhältnisse aufweisen als Röhren
und da die Verminderung des Rauschens in der ersten Stufe wichtiger als in den nachfolgenden
Stufen ist, zeigt ein Verstärker mit einer Transistor- und einer Röhrenstufe sehr
gute Rauscheigenschaften, wenn der Transistor in der ersten Stufe unter günstigen
Bedingungen arbeitet.
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Es ist auch bekannt, eine geeignete Vorspannung für den Transistor
der ersten Stufe vom Kathodenkreis der zweiten Stufe dadurch abzunehmen, daß man
den Kollektor des Transistors unmittelbar an das Steuergitter der Röhre in der zweiten
Stufe und die Basis des Transistors gleichstromleitend an eine geeignete Stelle
des Kathodenkreises der zweiten Stufe anschaltet.
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Durch die Erfindung wird eine weitere Verbesserung für die Vorspannungsanordnungen
des Transistors durch eine weitere Röhrenstufe mit einer zweiten Röhre in Kathodenfolgeschaltung
erzielt, an deren Kathodenkreis der Emitter des Transistors über einen Widerstand
angeschaltet ist.
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Eine solche Schaltung ist aus zwei Gründen besonders vorteilhaft.
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Obwohl der Anschluß der Basis des Transistors an den Kathodenkreis
der ersten Röhre weitgehend die Vorspannung für den Transistor liefert, »schwimmt«
der Transistor gewissermaßen, und jeder Fehler in den Werten der Kreiskomponenten
führt zu einem solchen im Transistor als ganzem, wodurch sich auch das Steuergitter
der ersten Röhre auf einer unrichtigen Spannung befindet. Diese Neigung wird jedoch
voll durch den Anschluß des Transistoremitters an den Kathodenkreis der zweiten
Röhre kompensiert und korrigiert, und infolgedessen stabilisiert diese Schaltung
den Gleichstromzustand der ersten Röhre.
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Außerdem kann - und dies ist der zweite Vorteil - die Gleichstromverbindung
zwischen dem Transistoremitter und dem Kathodenkreis der zweiten Röhre auf einen
Widerstandwert ausgelegt werden, so daß diese Verbindung eine Signalrückkopplungsschaltung
bildet, welche das Verstärkungsmaß des Verstärkers bei sehr niedrigen Frequenzen
begrenzt, so daß er eine Niederfrequenzstabilität erhält, die ein Verstärker mit
hohem Verstärkungsgrad im gewünschten Frequenzbereich vor Anwendung anderer Rückkopplungsschaltungen
aufweisen muß.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Verstärkers gemäß der Erfindung
ist in der Zeichnung wiedergegeben.
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Bei dem in der Zeichnung wiedergegebenen Verstärker sind -die beiden
Leitungen 11 und 12 an die Klemmen einer Spannungsquelle gelegt, die die Spannung
V liefert. Die erste Stufe des Verstärkers ist eine Transistorstufe mit einem p-n-p-Transistor
13, einem Emitterwiderstand 14 und einem Kollektorbelastungswiderstand 15, über
die Emitter und Kollektor an die Leitungen 12 bzw. 11 angeschaltet sind. Der Emitter
des Transistors 13 ist über einen Kondensator 16 an ein Ende eines Widerstandes
17 angeschlossen, dessen anderes Ende an der Leitung 11 liegt. Der Emitter wird
dadurch, außer für bestimmte Rückkopplungssignale, die später noch näher erläutert
werden, entkoppelt. Der Kollektor des Transistors 13 ist unmittelbar an das Steuergitter
einer ersten Röhre, nämlich einer Triode 18, gelegt, die in der zweiten Stufe, einer
Röhrenstufe, des Verstärkers liegt. Die Gleichstromverbindung zwischen dem Kollektor
des Transistors 13 und dem Steuergitter der Röhre 18 hält den Kollektor und das
Steuergitter
auf gleichem Potential und ist als Beispiel für eine
erste Verbindung gewählt, die eine im wesentlichen konstante Gleichspannungsbeziehung
zwischen Kollektor und Steuergitter aufrechterhält. Die Anode der Röhre
18 ist an die Leitung 12 über einen Anodenwiderstand 19 geschaltet, und die
Kathode, die durch einen Kondensator 20 an die Leitung 11 entkoppelt ist, ist außerdem
an die Leitung 11 über zwei in Reihe liegende Widerstände 21 und 22 angeschaltet.
Die Anode der Röhre 18 liegt in Kathodenfolgeschaltung unmittelbar am Steuergitter
einer zweiten Röhre, nämlich einer Triode 23 in einer zusätzlichen Stufe des Verstärkers.
Die Anode der Röhre 23 ist unmittelbar an die Leitung 12 gelegt, während die Kathode
der Röhre über zwei in Reihe liegende Widerstände 24 und 25 an die Leitung 11. geschaltet
ist.
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Die durch die geschilderte Schaltung zu verstärkenden Eingangssignale
werden zwischen der Erdleitung 11 und einer Eingangsklemme 26 aufgebracht, die über
einen Eingangskondensator 27 und einen Eingangswiderstand 27' an der Basis des Transistors
13 liegt. Die Ausgangssignale entstehen an einem Ausgangswiderstand 28' zwischen
der Erdleitung 11 und einer Ausgangsklemme 28, an die die Kathode der Röhre 23 über
einen Ausgangskondensator 29 angeschaltet ist.
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Die gewünschte Basis-Kollektor-Vorspannung für den Transistor 13 erhält
man dadurch, daß die Basis des Transistors 13 über ein gleichstromleitendes Verbindungselement
(einen Widerstand 30) an die Verbindung der Widerstände 21 und 22 zwischen der Kathode
der Röhre 18 und der Erdleitung 11 geschaltet ist. Das durch den Widerstand 30 gebildete,
gleichstromleitende Verbindungselement bildet für die wiedergegebene Schaltung ein
zweites Verbindungselement, welches eine im wesentlichen konstante Gleichspannungsbeziehung
zwischen der Basis des Transistors 13 und der Kathode der Röhre 18 aufrechterhält.
Der Kollektor des Transistors 13 ist über das oben beschriebene erste Verbindungselement
unmittelbar an das Steuergitter der Röhre 18 geschaltet, und infolgedessen erhält
man die Basis-Kollektor-Vorspannung für den Transistor 13 als algebraische Summe
der Spannung zwischen dem Steuergitter und der Kathode der Röhre 18 und den Spannungsabfällen
an den Widerständen 21 und 30. Nimmt man die Werte aller anderen Komponenten als
fest an, dann läßt sich die Basis-Kollektor-Vorspannung des Transistors 13 in erwünschter
Weise in weiten Grenzen nur durch die geeignete Wahl der Werte und/oder der Relativwerte
der Widerstände 21 und 22 bestimmen. Dies bedeutet, daß die auf einen Transistor
in -einem Vorverstärker aufgebrachte Basis-Kollektor-Vorspannung verhältnismäßig
klein ist (weniger als 2 Volt), so daß das Röhrenrauschen von selten des Transistors
auf einem minimalen Wert gehalten wird. Nunmehr soll das Gitter der Röhre 18 negativ
bezüglich der Kathode werden, und man erhält die maximale Basis-Kollektor-Vorspannung
für den Transistor 13 durch unmittelbare Verbindung des Widerstandes 30 mit
der Kathode der Röhre 18. Da das Potential des Gitters der Röhre 18 bezüglich
der Kathode negativ und bezüglich der Erdleitung 11 positiv ist, gibt es längs der
Kathodenwiderstände einen Punkt, an dem das Potential gleich dem des Gitters ist.
Die Verbindung des Widerstandes 30 mit diesem Punkt macht die Basis-Kollektor-Vorspannung
für den Transistor 13 zu Null. Die Widerstände 21 und 22 sind so gewählt, daß ihre
Verbindung bei einem bestimmten Potential oberhalb dieses Punktes liegt, wodurch
man die gewünschte Basis-Kollektor-_-erhält. Da die zweite, die Röhre 18 enthaltende
Stufe des Verstärkers leicht so eingerichtet werden kann, daß sie mit etwa 2 Volt
negativer Gittervorspannung arbeitet, läßt sich leicht ein geeigneter Wert der Basis-Kollektor-Vorspannung
des Transistors 13 zwischen 0 und 2 Volt erzielen.
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Eine negative Gesamtrückkopplung mit einer Rückkopplungsschaltung,
die schematisch bei 31 angedeutet ist, führt von der Ausgangsstelle 28 zur Verbindung
vom Kondensator 16 und Widerstand 17 zurück. Die Rückkopplungsschaltung 31 kann
beliebig aufgebaut sein, um eine gewünschte Rückkopplungscharakteristik und Verstärkungscharakteristik
zu erzielen. Zwischen dem Emitter des Transistors 13 und der Verbindungsstelle der
beiden Widerstände 24 und 25 liegt ferner noch ein `@ IderStand 32, dessen Wirkungsweise
später noch näher beschrieben werden soll.
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Bei der Bestimmung der Arbeitsbedingungen des Verstärkers bei gegebener
Arbeitsspannung V werden die Widerstände 14 und 1.5 so ausgewählt, daß sie in einem
Verhältnis zueinander stehen, welches das Gitterpotential der Röhre 18 auf einem
Wert zwischen 10 und 20 Volt oberhalb der Erdleitung 11 festlegt. Bei gegebener
Röhre 18 werden die Widerstände 19
und 21 -I- 22 so gewählt,
daß sie gleichzeitig eine negative Gittervorspannung von beispielsweise 2 Volt und
einen Spannungsabfall von etwa V/2 am Widerstand 19 liefern. Der kombinierte Widerstandswert
der Widerstände 24 und 25 ist dann so gewählt, daß die Röhre 23 einen geeigneten
Kathodenstrom liefert, wobei infolge der Rückkopplungsschaltung 31 die Wechselstrombelastung
an der Kathode der Röhre 23 bei bestimmten Frequenzen klein sein kann. Nachdem dann
der kombinierte Widerstandswert der Widerstände 21 und 22 bestimmt ist, wird das
Verhältnis zwischen den beiden Widerständen, wie oben beschrieben, ausgewählt, um
die gewünschte Basis-Kollektor-Vorspannung für den Transistor 13 zu erhalten. Nachdem
der kombinierte Widerstandswert der Widerstände 24 und 25 ebenfalls bestimmt ist,
wird ihr Verhältnis so gewählt, daß das Potential an der Verbindungsstelle annähernd
gleich dem gewünschten Potential des Emitters des Transistors 13 ist. Wenn infolge
von Toleranzen der Komponenten diese Potentiale tatsächlich nicht völlig gleich
sind, liefert die Gleichstromrückkopplung über den Widerstand 32 die entsprechende
Kompensation mit Ausgleich der Potentiale durch Stromzuführung zum Emitter des Transistors
13 und damit zur wirksamen Einstellung des Verhältnisses der Widerstände 14 und
15 derart, daß das gewünschte Gleichstrompotential für die Kathode der Röhre 23
im wesentlichen auf dem gewünschten Wert gehalten wird.
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Die Rückkopplungsschaltung infolge des Widerstandes 32 hat noch eine
weitere Funktion, nämlich die Begrenzung und Stabilisierung des Verstärkungsgrades
des Verstärkers vor Aufbringung weiterer Rückkopplung durch die Schaltung 31 bei
Null und sehr niedrigen Frequenzen. Dies verhindert eine Überverstärkung von Frequenzen
unterhalb des gewünschten Frequenzbereiches und beseitigt eine Instabilität bei
niedrigen Frequenzen, das sogenannte Blubbern. Der Wert des Widerstandes 32 wird
im
Hinblick auf seine Wechselstromfunktion gewählt, und aus diesem
Grunde wird die Gleichspannung an diesem Widerstand gewöhnlich so gewählt, daß sie
im wesentlichen Null ist.
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Der Kondensator 29 und der Widerstand 28' liefern ein Hochpaßfilter
zur Beseitigung von niederfrequenten Geräuschen, Plattentellerschwingen usw., und
der Widerstand 27' liefert eine niederfrequente Phasenverschiebung in der Basis-Kollektor-Vorspannung.
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Bezüglich der Gleichstrombedingungen erkennt man also zwei wirksame
Vorspannungskreise. Der erste Kreis führt vom Kollektor zur Basis des Transistors
13 und enthält das Steuergitter und die Kathode der Röhre 18, zwischen denen eine
konstante Vorspannung vorhanden ist. Der zweite Kreis enthält den Emitter und Kollektor
des Transistors 13, das Steuergitter und die Anode der Röhre 18 und das Gitter und
die Kathode der Röhre 23. Die Kombination dieser beiden Vorspannungskreise und das
gelieferte Verhältnis der Widerstände 14 und 15 steuert die gesamten Spannungsarbeitsbedingungen
des Verstärkers und ermöglicht die Verwendung von Elementen mit üblichen Toleranzen
ohne besondere Auswahl der Röhren und Transistoren, so daß man einen billigen Verstärker
mit den Vorteilen einer Transistoreingangsstufe erhält.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Schaltung wurden als Betriebsspannung
V 210 Volt, als Transistor 13 ein XA-102-Transistor und als Röhren 18 bzw.
23 Röhren vom Typ 12AU7 gewählt. Die anderen Elemente des Kreises haben folgende
Werte: Widerstand 14 . . . . . . . . . . . . 720 kOhm Widerstand 15 . . .
. . . . . . . . . 47 kOhm Widerstand 17 . . . . . . . . . . . . 150 Ohm Widerstand
19 . . . . . . . . . . . . 44 kOhm Widerstand 21 . . . . . . . . . . . . 220 Ohm
Widerstand 22 . . . . . . . . . . . . 4,7 kOhm Widerstand 24 . . . . . . . . . .
. . 18 kOhm Widerstand 25 . . . . . . . . . . . . 3,3 kOhm Widerstand
27 ' . . . . . . . . . . . . 1,5 kOhm Widerstand 28' . . . . . . . . . .
. . 1,5 kOhm Widerstand 30 . . . . . . . . . . . . 56 kOhm Widerstand 32 . . . .
. . . . . . . . 4,7 kOhm Kondensator 16 . . . . . . . . . . . 100 @F Kondensator
20 . . . . . . . . . . . 250 wF Kondensator 26 . . . . . . . . . . . 4 N.F Kondensator
29 . . . . . . . . 2