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Gegentakt-Kettenverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegentakt-Kettenverstärker.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Leistungsverstärkers ist
es bekannt, den Arbeitspunkt der Verstärkerelemente so einzustellen, daß der Verstärker
im B-Betrieb arbeitet, d. h. nahezu ohne Ruhestrom bei fehlender Aussteuerung. Ein
derartiger Verstärker muß, wenn eine unverzerrte Ausgangsspannung gefordert wird,
ein Gegentaktverstärker sein, sofern ein breites Frequenzband verstärkt werden soll.
Die Anwendung dieses Prinzips auf Kettenverstärker ist jedoch mit Schwierigkeiten
verbunden. Eine gegenphasige Aussteuerung zweier einfacher Kettenverstärker und
die ausgangsseitige Zusammenfassung der Laufzeitketten über einen Gegentakttransformator
ist zwar bereits beschrieben worden (z. B. in der deutschen Patentschrift 924 572
und in der deutschen Auslegeschrift 1122 590), es treten aber dabei Probleme auf,
die nur mit größerem Aufwand bewältigt werden können. So ist es z. B. sehr schwierig
und nur durch komplizierte Abgleichmaßnahmen möglich, eine exakte Gegenphasigkeit
der Steuerspannungen entlang der beiden eingangsseitigen Kettenleiter zu erhalten.
Wenn, wie es im Hinblick auf eine gute Spannungsausnutzung der Verstärkerelemente
wünschenswert wäre, die Grenzfrequenz des Ausgangskettenleiters nur wenig höher
als die höchste zu verstärkende Frequenz gemacht wird, ist die Zusammenfassung der
Ausgänge der ausgangsseitigen Kettenleiter über einen Gegentakttransformator nicht
mehr möglich, wenn die Verstärker im B-Betrieb arbeiten, weil die bei diesem Betriebszustand
vorhandenen Harmonischen des Anodenstromes jeder Röhre (bzw. des Kollektorstromes
jedes Transistors) nicht über den Kettenleiter abfließen können. Die beiden Röhren
oder Transistoren jeder Stufe müßten dann jeweils über einen Gegentakttransformator
zusammengefaßt werden, ein Verfahren, das wirtschaftlich nicht zu vertreten wäre.
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Angesichts dieser Komplizierungen besteht der Wunsch nach einer einfacheren
Lösung für eine Gegentakt-Kettenverstärkerschaltung, die Gegentakttransformatoren
entbehrlich macht und auch die Schwierigkeiten im Eingangskreis überwindet.
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Bekannte transformatorlose Gegentaktschaltungen mit Röhren eignen
sich prinzipiell nicht für eine Verwendung in Kettenverstärkern. In derTransistortechnik
ist eine Schaltung bekanntgeworden, deren Anwendung in einem Gegentaktkettenverstärker
überraschende Vorteile bringt. So ist in der deutschen Patentschrift 942 748 eine
Verstärkerschaltung beschrieben, die durch die Verwendung komplementär- -symmetrischerTransistoren
Gegentaktverhalten zeigt, ohne daß ein Eingangsgegentakttransformator oder eine
Phasenumkehrstufe und ein Ausgangsgegentakt transformator erforderlich wäre. Ausgehend
von dieser bekannten Schaltung, ist ein Gegentakt-Kettenverstärker nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung komplementärsymmetrischerTransistoren
als Gegentaktverstärkerelemente, deren Kollektoren durch Glieder eines ersten und
deren Basen durch Glieder eines zweiten gemeinsamen Kettenleiters verbunden sind.
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Die Verwendung von Komplementärtransistoren bringt neben dem Fortfall
der Gegentakttransformatoren vor allem den Vorteil, daß an Stelle von vier Kettenleitern,
die bei konventioneller Schaltungsweise benötigt werden, nämlich je zwei für die
Eingangs- und Ausgangskreise, nur deren zwei erforderlich sind, nämlich ein gemeinsamer
Kettenleiter im Steuerkreis und ein zweiter gemeinsammer Kettenleiter im Ausgangskreis.
Der Ausgangskettenleiter braucht nämlich die Harmonischen der zu verstärkenden Frequenz
nicht übertragen zu können, da die Halbwellen bereits in jeder Verstärkerstufe richtig
zusammengesetzt werden. Da für den Eingangskreis nur ein einziger Kettenleiter verwendet
wird, ist die exakte Gegenphasigkeit in jeder Verstärkerstufe mit einfachsten Mitteln
gesichert, und die oben beschriebenen Schwierigkeiten treten gar nicht erst auf.
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Die Kettenleiter kann man, um mit einem Minimum an Spulen auszukommen,
als Tiefpässe ausführen, wobei in bekannter Weise von der Möglichkeit Gebrauch gemacht
werden kann, durch gliedweise Verringerung des Wellenwiderstandes des Ausgangskettenleiters
den Energiefluß nur zum Ausgang zu richten.
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Zur Erzielung einer möglichst frequenzunabhängigen Eingangsimpedanz
können Korrekturglieder in
die Zuleitungen von Emitter und Basis
der Transistoren eingefügt werden.
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F i g. 1 der Zeichnung zeigt das Prinzip einer bekannten Gegentaktverstärkerschaltung
mit komplementärsymmetrischen Transistoren; F i g. 2 ist das Prinzipschaltbild des
erfindungsgemäßen Kettenverstärkers.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 wird klar, wenn man
sich vergegenwärtigt, daß sich komplementäre Transistoren nur in der Polarität der
Spannungen und der Ladungsträger unterscheiden, so daß auch die Stromrichtungen
(bezogen auf die Elektroden) entgegengesetzt sind.
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Die beiden Transistoren T, und T,, von denen der eine ein npn-Typ,
der andere ein pnp-Typ ist, werden in Reihe von der Batterie B gespeist. Der in
Pfeilrichtung über den Emitter des pnp-Transistors T., fließende Strom JE z verzweigt
sich im Transistor so, daß ein kleiner Teil JB 2 über die Basis, der größere
Teil J , über den Kollektor abfließt. Dieser Kollektorstrom J., wird
unmittelbar dem Kollektor des npn-Transistors T1 zugeführt, vereinigt sich in diesem
mit dem Basisstrom J,;1, der dem Basisstrom JB, des Transistors T, gleich ist, ergänzt
sich wieder zu einem dem des Transistors T, gleichen Emitterstrom
JE 1
und fließt zur Minusklemme der Batterie zurück. Man sieht, daß im Ruhezustand
über den Lastwiderstand RL kein Strom fließt, wenn beide Transistoren symmetrisch
sind, d. h. wenn bei gleichem Basisstrom j JB : bei beiden Transistoren
der gleiche Kollektorstrom j J, fließt.
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Führt man nun der Eingangsklemme E einen Steuerstrom f, zu, wird der
Basisstrom des pnp-Transistors vermindert, der des npn-Transistors erhöht. Dadurch
werden die Kollektorströme der Transistoren in entgegengesetztem Sinne geändert,
wobei die Differenz beider Ströme durch den Lastwiderstand zur Mittelanzapfung der
Batterie B fließt. Bei gleichphasiger Ansteuerung der Basen ergeben sich gegenphasige
Ströme im Kollektorkreis, die Schaltung wirkt also als Gegentaktverstärker, ohne
daß eine Gegentaktansteuerung der Transistoren nötig ist. Wird der Arbeitspunkt
der Transistoren durch geeignete Einstellung der Basisvorspannung so eingestellt,
daß sie im B-Betrieb arbeiten, wird bei sinusförmiger Steuerspannung der pnp-Transistor
von der negativen Halbwelle, der npn-Transistor von der positiven Halbwelle ausgesteuert,
wobei sich die Halbwellen im Lastwiderstand RL wieder zusammensetzen.
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In gleicher Weise wirken die einzelnen Stufen des in F i g. 2 als
Schaltungsprinzip dargestellten erfindungsgemäßen Kettenverstärkers.
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Das zu verstärkende Signal wird an die Eingangsklemme E des Basiskettenleiters
KB gelegt. Die Glieder dieses Kettenleiters sind z. B. Tiefpaß-,-r-Glieder, deren
Längsinduktivitäten durch Spulen LB und deren Querkapazitäten durch die parallelgeschalteten
Eingangskapazitäten 2CB der Transistorpaare gebildet werden.
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Die verstärkte Leistung wird an der Klemme A des Kollektorkettenleiters
KC abgenommen und dem Verbraucher RL zugeführt. Der Kollektorkettenleiter kann im
einfachsten Fall, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, ebenfalls aus Tiefpaß-,-r-Gliedern
aufgebaut werden, die aber, im Gegensatz zum Basiskettenleiter, der aus Gliedern
gleichen Wellenwiderstandes besteht, in bekannter Weise einen von Stufe zu Stufe
abnehmenden Wellenwiderstand besitzen können, um den gesamten Leistungsfluß zum
Ausgang zu lenken. Im Bedarfsfalle kann überdies von den obengenannten bekannten
Mitteln zur Erhöhung der Spannungsausnutzung Gebrauch gemacht werden. Die Längsinduktivitäten
der Kettenglieder sind Spulen Lc 1, Lc ." LC 3, Lc,t, deren Induktivitätswerte
bei abnehmendem Wellenwiderstand zum Ausgang hin geringer werden. Als Querkapazitäten
dienen die parallelgeschalteten Kollektorkapazitäten 2C, der Transistorpaare,
die erforderlichenfalls durch Zusatzkondensatoren vergrößert werden. Zur Einstellung
des Arbeitspunktes der Transistoren sind die Widerstände Ri, R.., R1', R.,' vorgesehen;
die Widerstände R3 i, R41 (i = 1 ... n) sind Vorwiderstände, die ein Abfließen
der hochfrequenten Steuerströme über den niederohmigen Spannungsteiler Ri, R.; verhindern.
Die Batterien Bi, B, liefern den Speisegleichstrom für die Transistoren.
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Ein an den Eingang E des Basiskettenleiters gelegtes Signal pflanzt
sich in ihm mit einer durch die Dimensionierung der Kettenglieder bestimmten Ausbreitungsgeschwindigkeit
fort; die an den Verzweigungspunkten des Kettenleiters abgegriffenen Steuerspannungen
für die Verstärkerstufen sind also entsprechend der Laufzeit gegeneinander phasenverschoben.
Die Steuerspannung wird den Basen der beiden Transistoren einer Verstärkerstufe
gleichphasig über die Kondensatoren C zugeführt und bewirkt einander entgegengesetzt
gerichtete Änderungen der Kollektorströme (Einstellung auf A-Betrieb), wie es an
Hand der F i g. 1 erläutert wurde. Die Differenz der Kollektorströme wird in den
Kollektorkettenleiter Kc eingespeist. Stimmt die Laufzeit der einander zugeordnten
Glieder von Basis- und Kollektorkettenleiter überein, so addieren sich diese Ströme
phasenrichtig an den einzelnen Einspeisungspunkten.
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Bei Einstellung der Verstärkerstufen auf B-Betrieb ändert sich an
der Wirkungsweise des Verstärkers nichts, außer daß nun, z. B. bei Aussteuerung
mit einer Sinusschwingung, während einer Halbperiode jeweils ein Transistor einer
Stufe ausgesteuert wird, während der andere gesperrt bleibt, wobei der Transistor
vom pnp-Typ die negativen, der Komplementärtyp die positiven Halbwellen verarbeitet.
Da die Zusammensetzung der resultierenden unverzerrten Ausgangsschwingung aus den
durch den B-Betrieb verzerrten Teilschwingungen an Ort und Stelle, nämlich am Einspeisungspunkt
des Kettenleiters, erfolgt, interessiert auch das Verhalten des Kettenleiters bezüglich
der Harmonischen der Signalschwingung nicht.