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Kathodenverstärker mit extrem kleiner Eingangskapazität Die Erfindung
betrifft einen Kathodenverstärker in Pentodenschaltung mit extrem kleiner Eingangskapazität.
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Es ist schon lange bekannt, zur Verkleinerung der dynamischen Eingangskapazität
von Verstärkern die erste Röhre als Kathodenstufe auszubilden (F i g. 1). Eine solche
Kapazitätsverminderung erreicht man dadurch, daß zufolge der am Kathodenwiderstand
Rx entstehenden Ausgangsspannung Uk die Gitterspannung U9 bezüglich der Eingangsspannung
Ue entsprechend der Beziehung Ua = Ue - Uk verkleinert wird. Das Verhältnis
der Änderung der beiden Spannungen U9 zu Ue ist dabei bekanntlich ein Maß
für die Verkleinerung der dynamischen Gitter-Kathoden-Kapazität Cglk.
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Die beschriebene Anordnung ermöglicht zunächst noch keine Verkleinerung
der dynamischen Kapazität zwischen dem Gitter G1 und der folgenden Elektrode, bei
der vorliegenden Triode der Anode A.
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# Man ist daher bekanntlich dazu übergegangen, als Kathodenstufe eine
Pentode zu verwenden und deren Schirmgitterspannung U$ dadurch »nachzuschieben«,
daß man von der Kathode K bzw. dem Kathodenwiderstand Rk an das Schirmgitter Ga
bzw. den Schirmgitterwiderstand R einen Kondensator C legt (F i g. 2). Da bei genügend
großer Kapazität des Kondensators C das Schirmgitter Ga wechselstrommäßig das Potential
der Kathode K annimmt, erreicht man, daß auch die dynamische Gitter-Schirmgitter-Kapazität
C9,9, im Verhältnis der obigen Spannungen verkleinert wird.
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Diese bekannte Schaltung versagt aber bei größeren Kathodenwiderständen
Rk. Dann stehen sich nämlich zwei durch die Schaltung- unerfüllbare Forderungen
gegenüber: Einerseits soll der SchirmgitterwiderstandR groß im Vergleich zum Kathodenwiderstand
Rk sein; zum anderen ist wegen der durch die Bauart der veryyendeten Röhre
festgelegten Stromverteilung auch eine Mindestgröße des Schirmgitterstromes I$ gegenüber
4em Kathodenstrom Ix vorgeschrieben, woraus sich wiederum ein höchst zulässiger
Schirmgitterwiderstand ableitet. Wird dieser überschritten, dann sinkt . die Schirmgitterspannung
U8 auf unzulässig niedere Werte. .
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Zur Erzielung eines hohen Eingangswiderstandes ist ein Mikrophonverstärker
bekanntgeworden, bei dem das Schirmgitter an einer höheren Spannung liegt äls die
Anode und in dem der Schirmgitterwiderstand und Kathodenwiderstand denselben Wert
haben. Es wurde nun gefunden, daß .sich die eingangs genannten Forderungen gleichzeitig
erfüllen lassen und sich damit auch bei ungünstigen Arbeitspunkten eine extrem kleine
Eingangskapazität erzielen läßt, wenn man allgemein in einem Kathodenverstärker,
bei dem zwischen Kathode und Schirmgitter ein Kondensator mit im betrachteten Frequenzbereich
vernachlässigbar kleinem Widerstand geschaltet ist und bei dem das Schirmgitter
in an sich bekannter Weise über einen Schirmgitterwiderstand an einer Gleichspannung
liegt, die höher als die Anodengleichspannung ist, erfindungsgemäß den Kathodenwiderstand
so groß wie im Hinblick auf den Arbeitspunkt, bzw. die Anodenspannung möglich wählt,
den Schimgitterwiderstand um ein mehrfaches größer als den Kathodenwiderstand macht
und die Höhe der Schirmgittergleichspannung so wählt, daß das Potential von .Schirmgitter.
und Anode ungefähr gleich groß ist.
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Im folgenden wird aus der Arbeitsweise der Schaltung die angedeutete
Regel abgeleitet und die Notwendigkeit der erwähnten Maßnahme bewiesen. Zur Vereinfachung
ist dabei in den meisten Figuren auf die Darstellung der bekannten Mittel. zur Erzeugung
der konstanten Gittervorspannung verzichtet worden. 1. Gleichstromverhalten Wird
im betriebsbereiten Zustand der Anordnung nach F i g. 2 der Kondensator C als Batterie
mit der Spannung U8 und dem Strom Ic
= O angesehen, dann gelangt der Schirmgitterstrom
I8 von der Spannungsquelle Uo über den Widerstand R an das Schirmgitter Ga der Röhre
und ergibt- in Verbindung mit dem Anodenstrom
I in der Kathode
K den Strom Ix, wobei bekanntlich I8
= oc
- Ix ist. Darin bedeutet
a einen für
| die verwendete Röhre charakteristischen Wert, der |
| im allgemeinen wesentlich kleiner als 1-ist. Wird.weiter- |
| hin ihre Steilheit S genannt, der Durchgriff vom Steuer- |
| gitter G, zur Anode A als vernachlässigbar klein an- |
| gesehen und der Durchgriff des Gitters G, zum |
| Schirmgitter G2 mit DZ bezeichnet, dann steht bekannt- |
| lich der Kaeƒdenstrom 1k mit-der Gitterspanpung Ug |
| über die Formel Ix = S (Ug -j- D2 - U") in -Beziehung. |
| 2.--Wechselstrornverhalteü- . - |
| Im folgenden wird das Wechselstromverhalten der |
| Schaltung näher untersucht..Im Gegensatz zu den bis- |
| herigen Gleichspannungen bzw. -strömen werden dabei |
| die Wechselspannungen bzw. -ströme mit kleinen |
| Buchstaben bezeichnet. |
| Wird an das- Steuergitter- G,- der Röhre eine Wechsel- |
| spannung u, gelegt, dann wird nach. F i g. 3.übei den |
| Kondensator C ein Wechselstrom ie, fließen. Ist dieser |
| Kondensator -voraussetzungsgemäß genügend groß, |
| dann ist der Spannungsabfall an ihm für die be- |
| trachteten Frequenzen vemachlässigbar klein (u" = O), |
| und der Wechselstrom in..der Kathode folgt dem ein- |
| fachen Gesetz |
| ik=S-ug- |
| Über den Schirrrigitterwiderstand R fließt somit |
| ein- Wechselstrom-(is - fo)- und erzeugt -an ihm die |
| Wechselspannung |
| ur=(is-iG)-R, |
| während der Schirmgitterstrom !s mit dem Kathoden- |
| strom ik wieder über |
| is = a --ix |
| in Beziehung steht. |
| Ebenso fließt im Kathodenwiderstand Rk der |
| Wechselstrom (ix - io), wodurch an ihm die Wechsel- |
| spannung |
| - (ik ^ 1c) - Rk |
| entsteht. |
| Da weiterhin nach K i r c h h o f f |
| uc - uk -f_ ug, |
| uk -f- Ur = 0 |
| ist, erhält man aus den vorstehenden Gleichungen |
| nach einer einfachen Zwischenrechnung das dynami- |
| sche Spannungsverhältnis |
und damit die dynamische EingangskapazitätderRöhre C,=
v - (Cglk -% Cg1gz)
-Man sieht zunächst, daß dieses Verhältnis v dann klein ist, wenn der aus der Parallelschaltung
des Kathodenwiderstandes Rk mit dem Schirmgitterwiderstand R resultierende Widerstandswert
so .groß wie möglich gemacht wird. Die durch die Erfindung gewonnene Regel besagt
daher, daß es gar nicht genügt, den Schirmgitterwiderstand allein groß zu wählen,
sondern daß die Parallelschaltung beider Widerstände maßgeblich ist.
| - -3. Bedingungen für die Stromverteiiüng - -- - |
| Wie die folgenden Ausführungen zeigen, muß zur |
| Erfüllung dieser Regel aber noch eine spezielle Maß- |
| nahme ergriffen- werden. _ |
| Wird nämlich die Stromverteilung der.Anordnung |
| nach F i g. 2 näher untersucht, dann erhält man, da |
| der Widerstand Rk nach F i g. 4 bekanntlich mit |
| der Spannungsquelle U" vertauscht werden kann, die |
| Gleichungen |
| Ua+Rx-Ix= Uo, |
| Us -f- R - 1s = Ua, |
| _IS-=a.Ik- .. |
| und daraus einerseits die Bedingungen |
| a) . U.-- U, - Rk - 1i _ |
| _ Us - U0..- (Rk + _ a . R) ' 1k . |
| Demgegenüber folgt die bekannte Grundschaltung |
| einer Verstärkerröhre, nach F i g. 5_ bei Verwendung |
| eines Anodenwiderstandes-Ra und eines S_chirmgitter- |
| widerstandes Rs den Gleichungen , - - _ |
| UO = Ua + Ra-- h |
| -.Uo-UB_+Rs#Is, |
| Ix=I-i-Is@ |
| I' ä : Ik' , _ |
| woraus sich andererseits die Bedingungen - |
| ) Ua-Ua-(1@a)'P11. -1k' |
| Us- Uo-,x. Rs-Ik |
| ableiten. |
| Wie müssen nunmehr die Widerstände Rk und R |
| in der Anordnung nach F i ,g. 4 gewählt werden, |
| damit bei gleicher Spannungsquelle U, in ihren |
| Zweigen dieselben Gleichströme fließen wie in der |
| Grundschaltung nach F i g. 5. |
| Aus den beiden angegebenen Bedingungen a) und b) |
| erhält man zunächst nach einer einfachen Zwischen- |
| rechnung |
| Rk =(1-a)-Ra, |
womit sich die Schaltelemente der Anordnung nach F i g. 4 durch die Werte der Grundschaltung
nach F i g. 5 ausdrücken lassen.
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Da jedoch mit höheren Betriebsspannungen UO der Strom 1 dem Wert
und der Strom 1s dem Wert
zustrebt, nähert sich auch das Verhältnis -
dem Wert
und man erhält
Damit wird aber in der obigen Gleichung R=0. Um die gleichstrommäßigen Voraussetzungen
für eine einwandfreie Arbeitsweise der Anordnung nach
F i g. 4 zu
erfüllen, müßte daher der Schirmgitterwiderstand R gleich Null sein, eine Forderung,
die zunächst im Gegensatz zur abgeleiteten Regel steht. 4. Folgerungen Als zusätzliche
Maßnahmen zur erfindungsgemäßen Regel, nämlich einen möglichst hohen Widerstandswert
für die Parallelschaltung der beiden Widerstände Rk und R anzustreben, muß daher,
um überhaupt einen von Null verschiedenen Schirmgitterwiderstand R verwenden zu
können, nach F i g. 6 die Speisung des Schirmgitters Ga aus einer Spannungsquelle
Uö = U, + Uz erfolgen, deren Potential um den Betrag UZ höher liegt als dasjenige
von Uo, wobei sich die Größe dieser Zusatzspannung Uz aus einem angenommenen Widerstand
R und dem Schirmgitterstrom I" zu Uz =Is-R bestimmt.
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Setzt man weiterhin R=a-Rk, wobei a entsprechend größer als 1 zu wählen
ist, dann erhält man Uz= Uö - Uo-a.a- Uk.
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In den meisten Fällen wird man nach dem vorhergehenden dabei diese
Zusatzspannung Uz in der Größenordnung der beschriebenen Gleichspannung Uk wählen.
Man erhält somit für den Faktor der Verkleinerung den Wert
Um die dynamische Eingangskapazität Ce der Schaltungsanordnung nach F i g. 6 möglichst
stark zu verkleinern und um dementsprechend kleine Werte für v zu erhalten, muß
einerseits bei möglichst hoher Spannung U, der Kathodenwiderstand Rk so groß wie
möglich gemacht werden. Andererseits ist die Parallelschaltung des so erhaltenen
Kathodenwider-Standes Rx mit dem Schirmgitterwiderstand R so, hochohmig wie nur
möglich zu machen, was bedeutet, daß R entsprechend größer gewählt werden muß als
Rk, und zwar um den beschriebenen Faktor a. Um diese Forderung überhaupt
erfüllen zu können, muß aber in an sich bekannter Weise der Schirmgitterwiderstand
R an eine Spannungsquelle Uö geschaltet werden, deren Potential entsprechend höher
liegt als dasjenige der Spannungsquelle Uo, wobei der Schirmgitterwiderstand R in
dem Maße größer als Rk
gemacht werden kann, als diese Spannungsquelle Uö höher
gewählt wird als die Spannungsquelle Up.
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Zwecks Erzeugung der negativen Gittervorspannung kann man beispielsweise
auf die übliche Art den Kathodenwiderstand Rk in zwei Teile auftrennen, wobei der
zur Kathode führende Teil derartig gewählt wird, daß an ihm in Verbindung mit dem
Kathodenstrom der Röhre die gewünschte Gittervorspannung entsteht. An diese Trennstelle
wird der Fußpunkt des nach bekannten Gesichtspunkten gewählten Gitterwiderstandes
Rg gelegt.