DE1224369B - Verstaerker mit einem nichtlinearen dielektrischen Element - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl..

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/08

Nummer: 1224 369

Aktenzeichen: C 33272 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 30. Juni 1964

Auslegetag: 8. September 1966

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Verstärker für Gleichspannung und niederfrequente Wechselspannung mit einem nichtlinearen, von einem Hochfrequenzspannungsgenerator in den selbststabilisierten Zustand erwärmten dielektrischen Element, an welches eine Reihenimpedanz angeschlossen ist, wobei zwischen den Verstärkereingang und den HF-Generator eine Trennimpedanz eingeschaltet ist.

Bei den bisher bekannten Verstärkern solcher und auch anderer Art kann hohe Empfindlichkeit gemeinsam mit langzeitiger Nullpunktstabilität nur in komplizierter Weise erreicht werden. So werden etwa Thermostaten zur Temperaturstabilisierung eingesetzt (radio mentor, Heft 1, 1954, S. 052) wodurch entsprechend Bauvolumen und Anfälligkeit der Anordnung vergrößert werden, oder aber bei Gleichspannungsverstärkern mechanische Vorrichtungen zur Kommutation der Eingangsspannung verwendet, ν as gleichfalls Aufwand und Anfälligkeit erhöht.

Doch diese aufwendigen Maßnahmen lösen selbst bei Inkaufnahme gewisser Einschränkungen, wie beispielsweise einer Verengung des Bereichs der Eingangsspannung, nicht das Problem einer langzeitigen Verläßlichkeit.

Erfindungsgemäße Aufgabe ist es, einen Verstärker für Gleichspannung und niederfrequente Wechselspannung zu schaffen, der sich durch langzeitige Nullpunktstabilität, minimales Rauschen, große Empfindlichkeit, großen Eingangswiderstand, kleines Bauvolumen, Erschütterungsfreiheit der Bauteile und g-oße elektrische Belastbarkeit auszeichnet.

Dies wird dadurch erreicht, daß an die Reihenimpedanz (Z₁) des nichtlinearen Kondensators (C_n) wenigstens ein Resonanzkreis (O) angeschlossen und diesem Resonanzkreis (O) ein Detektor (D) nachgeschaltet ist, dessen Belastungskreis (R_d, C_d) den Verirkerausgang bildet, wodurch die Abhängigkeit des halts an Harmonischen im autostabilisierten nicht- \ iearen Kondensator von der angelegten Spannng zur Messung derselben ausgenutzt werden ■ünn.

Der nichtlineare Kondensator, der ein wesentlicher Jjstandteil eines solchen Verstärkers ist, enthält ein irroelektrisches Dielektrikum mit geringer Wärmebfuhr an seine Umgebung und wird durch dielekische Verluste im Zustand der Temperaturautostailisation gehalten. Für ihn wurde der Name TANDEL« (Temperatur-öutostabilisierendes rachttteares dielektrisches Element) geprägt (vgl. Publiation im »Journal of Applied Physics«, 35 [1964)], Dn Glanc, Malek, Mastner, Nowak, Straj-

Verstärker mit einem nichtlinearen
dielektrischen Element

Anmelder:

Ceskoslovenska akademie ved, Prag

Vertreter:

Dipl.-Ing. K. Siebert, Patentanwalt,

Starnberg bei München, Ahneidaweg 12

Als Erfinder benannt:
Jiri Noväk,
Edvard Rechziegel,
Zdenek Vojta, Prag

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 10. Juli 1963

(3985, 3986, 3987, 3988)

blova (I, S. 1870) und Dvorak, Malek, Mastner, Janovec, Glanc (II, S, 1875).

Die an dieses Element gelegte Hochfrequenzspannung liefert dem nichtlinearen Element die Heizleistung und ändert dabei periodisch dessen Kapazität. Der Zustand der Temperaturautostabilisation entsteht lim Temperaturgebiet des in Abhängigkeit von der Temperatur sinkenden Verlaufes der imaginären Komponente der Permittivität oberhalb der Curie-Temperatur des Dielektrikums, wo die Hysteresis und die zonale Struktur verschwinden. Wenn das Maximum der Temperaturabhängigkeit der realen Komponente der Permittivität mit der Zone des temperaturautostabilisierten Zustandes coinzidiert, kann die periodische Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ein stellenmäßig größeres Verhältnis erreichen. Die Stabilisierte Temperatur kann durch geeignete Wahl der Bedingungen der Speisung auf einen Optimalwert eingestellt werden und dadurch die Verschiebung des Null-Pegels des ein solches Element enthaltenden Verstärkers in vernachlässigbaren Werten (gehalten werden. Infolge der Abwesenheit der Domänenstruktur im autostabilisierten Zustand sind die Rauscheigenschaften des Elementes sehr günüstig.

Die Abhängigkeit der Kapazität dieses nichtlinearen Elementes von der angelegten Spannung im erwähnten Zustand entspricht der Abhängigkeit der

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realen Komponente der komplexen Permittivität von stand hält. Die Eingangespannung wird den Element der angelegten Spannung mit einem ausgeprägten ten Qr, Z₁ über eine Isolierimpedanz Z₃ zugeführt^ Maximum bei der Nullspannung, das symmetrisch die die Hochfrequenzspannung des Generators G von für beide Polaritäten der angelegten Spannung 'bis zu dem Eingangskreis isoliert. Die Trennimpedanz Z₂ einem kleinen Mindmalwert abfällt. 5 verhindert das Schließen des Stromkreises von der

Infolge der durch die hochfrequente Heizspannung Eingangsspannungsquelle über den inneren Widerhervorgerufenen beträchtlichen Kapazitätsänderun- stand des Hochfrequenzgenerators G. An der Impegen wird der Zeitverlauf des durch das nichtlineare danz Z₁ erscheint das Spannungsbild des hochfreElement fließenden Stromes stark zu einer Form von quenten Stromes, der durch den nichtlinearen Konscharfen Impulsen verzerrt, welche im Augenblick i₀ densator C_n verzerrt ist, und zwar bei einer NuIlder Nulldurchgänge .der hochfrequenten Heizspan- Vorspannung vorwiegend durch ungeradzahlige Harnung entstehen. monische. An die Impedanz Z₁ ist eine Serien- oder

Wenn die Polarisationsspannung gleich Null ist, Parallelresonanzkreis O angeschlossen, der auf eine liegt die hochfrequente Heizspannung zur Nullachse geradzahlige harmonische Frequenz abgestimmt ist. symmetrisch, und die Stromverzerrung enthält nur ₁₅ Wie vorher erläutert, vergrößert der mit der wachgerade Harmonische: Wird aber eine Gleichspan- senden Eingangsgleichspannung wachsende Gehalt nung im diskutierten Zustand angelegt, dann wird der der Harmonischen die in diesem Resonanzkreis· entVerlauf der hochfrequenten Heizspannung zur Null- stehende Schwingungsspannung. Diese Spannung linie unsymmetrisch, wodurch auch die Symmetrie _wird mittels des Detektors D gleichgerichtet, und an der Stromimpulse zerstört wird, was ein Merkmal der ₂₀ seinem die Parallelkombination Rd, Cd enthaltenden Anwesenheit der ungeraden Harmonischen ist. .·. Belastungsimpedanzkreis erscheint die verstärkte Gleichzeitig sinkt auch die. Amplitude der Strom- Spannung, impulse. Diese Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß

Diese Erscheinung wird gemäß vorliegender Erfin- _sj_{e am} Ausgang nicht der Polarität der Eingangsdung zum Aufbau eines Verstärkers verwertet, indem ₂₅ spannung folgen kann. Diese Mängel beseitigt der man an die Belästangsimpedanz des nichtlinearen Verstärker gemäß F i g. 3 in welchem an die Reihendielektrischen Elementes wenigstens einen auf eine impedanz Z₁ zwei Resonanzkreise O₁ und O₂ angeharmonische Frequenz abgestimmten Resonanzkreis schlossen sind, von denen einer auf eine geradzahlige, anschließt; die in diesem Resonanzkreis entstandene, der andere auf eine ungeradzahlige Harmonische der mit wachsender Vorspannung durch den Gehalt an ₃₀ Hochfrequenzspannung abgestimmt ist. Die in den Harmonischen wachsende Schwingungsspannung ■ Resonanzkreisen entstehenden Schwingungsspannunwird sodann gleichgerichtet und bildet am Ausgang _{gen wer}den mittels der Detektoren D₁ und D₂ so der Belastungeimpedanz die verstärkte Spannung. gleichgerichtet, daß die an den Belastungskreisen

Die beiliegenden Zeichnungen erläutern näher die r^ Cd₁ und Rd₂, Cd₂ erscheinenden Spannungen Erfindung, ohne 'ihren Umfang zu beschränken: ₃₅ voneinander subtrahiert werden. In dem Eingangs-

F ig.l zeigt den Verlauf des Hochfrequenzstromes ^j₈ j_sj ^₆ Vorspannungsquelle B solchen Wertes ohne Gleichstromvorspannung und mit stufenweise eingeschaltet, daß ohne Eingangsspannung die wachsender Vorspannung (Kurven a, b, c, d), Schwingungsspannungen beider Resonanzkreise

Fig. 2 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Ver- gleich groß sind, d.h., daß die Ausgangsspannung stärkers mit einem Resonanzkreis, ₄₀ nach Gleichrichtung und Subtraktion Null ist.

Fig. 3 das Schaltschema eines Verstärkers mit _Die Bandbreite der beschriebenen Verstärker ist

zwei Resonanzkreisen und einer Hilfsspannungs- durch die physikalischen Eigenschaften des Dielektriquelle; kums der nichtlinearen Kondensatoren bestimmt, die

Fig. 4 erklärt die Abhängigkeit der maximalen die Wirkungsweise der Verstärker bedingen. Um Werte der Hochfrequenzstromimpulse im dielektri- _{45 eme} größere Bandbreite des Verstärkers mit einem sehen Element von der angelegten Gleichspannung. dielektrischen Element nach Erfindung zu erreichen, Es ist auch der Einfluß der periodisch veränderlichen _muß ,die Frequenz der Speise-(Heiz-)Spannung erVorspannung, eventuell mit einer Gleichspannungs- höht werden. Im solchen Falle sind .die bisher bekomponente, auf die Form der Modulationsumhül- schriebenen Schaltungen nicht mehr geeignet, da der lenden der Stromdmpulse dargestellt, und _{50 Iim}alt der Harmonischen dm durch das Dielektrikum

Fig. 5 und 6 zeigen zwei Varianten des erfin- fließenden Strom mit der Frequenz der Speise-(Heiz)-dungsgemäßen Verstärkers mit Wechselvorspannung. Spannung rasch abnimmt. Es kann aber die andere,

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird ohne Gleich- aus Fig. 1 ersichtliche Eigenschaft des dielektrischen sttomvorspannung die Verzerrung der Kosinusstrom- Elementes, nämlich die Abhängigkeit des Maximalkurve eines nichtlinearen dielektrischen Elementes ₅₅ wertes des Stromes im dielektrischen Element von durch den Gehalt der ungeradzahligen Harmonischen der angelegten Spannung .ausgenutzt werden. Diese verursacht (Kurve a). Wird der Hochfrequenzspeise- Abhängigkeit ist in Fdg. 4 dargestellt. Wenn sich die spannung eine Gleichspannungskomponente überla- an das nichtlineare" Element dm beschriebenen Zugert, verschiebt sich der Schwerpunkt der Verzerrung stand angelegte Spannung ändert, z. B. sinusoidal mit in der Richtung zu den geradzahligen Harmonischen 6o einer stets kleineren Frequenz als die der Speise-(Kurye b, c, d), und das Maximum der Kurve wird (Heizspannung (Modulationsfrequenzverlauf A niedriger. ohne Vorspannung, Verlauf B mit größerer, Ver-

In dem nach diesem Prinzip arbeitenden Verstär- lauf C mit kleinerer Vorspannung), dann hat die Umker gemäß Fig. 2 ist die Reihenschaltung des nicht- hüllende der Amplituden des Hochfrequenzstromes linearen Kondensators C_n und der Impedanz Z₁ über 65 die Form einer mehr oder weniger verzerrten Sinuseine Trenndmpedanz Z₂ an den Heizgenerator G oide (Verlauf A' entspricht den A, B' dem B, C, dem einer hochfrequenten Speisespannung angeschlossen, C). Die Hochfrequenzstromamplitude ist nun durch der den Kondensator C_n im selbststabililierten Zu- die Vorspannungsänderungen mit niedriger Frequenz

moduliert. Es ist ersichtlich, daß die Amplitude der Modulationsumhüilenden des Hochfrequenzstromes des nichtlinearen Elementes bei der konstanten Amplitude der niedrigen Frequenz — der Modulationsfrequenz — der Vorspannung des Elementes proportional ist. Außerdem ändert sich der Inhalt der höheren Harmonischen mit der Vorspannung auch. So z. B. ist die Modulationsumhüllende A' entsprechend der Nullvorspannung A in ihrer Frequenz verdoppelt infolge der Symmetrie. Der Inhalt der zweiten Harmonischen nimmt mit der wachsenden Vorspannung ab.

Wenn die Vorspannung z. B. sinusförmig mit einer Frequenz geändert wird, die jeweils niedriger ist als die Speise-(Heiz-)Spannungsfrequenz (die Wechselvorspannung wird im weiteren als niederfrequente Modulationsspannung bezeichnet), wird gemäß Fig. 4, A, die Frequenz des Modulationsstromes verdoppelt. Auf der Modulationsumhüilenden des hochfrequenten Speisestromes tritt daher Verdoppelung der Modulationsfrequenz auf. Wird jetzt die Hochfrequenzspeisespannung, der bereits eine niederfrequente Modulationskomponente überlagert ist, noch durch eine Gleichstromvorspannung entsprechender Größe ergänzt, entsteht die in F i g. 4, B, veranschaulichte Kurve. In diesem Falle entfällt die Frequenzverdoppelung. Wir können also die Gleichstromvorspannung als Eingangsspannung des Verstärkers betrachten und die Frequenzänderung der Modulationsumhüilenden des Hochfrequenzstromes registrieren, die ein Maß für die verstärkte Gleichspannung bildet.

Das Schaltbild eines auf diesem Prinzip beruhenden Verstärkers ist in F i g. 5 dargestellt. In gleicher Weise wie vorstehend ist die Reihenschaltung des nichtlinearen Kondensators C_n und der Impedanz Z₁ über eine Trennimpedanz Z₂ an den Generator G angeschaltet, der eine mit einer niederfrequenten Modulationsspannung überlagerte und den nichtlinearen Kondensator dm selbststabilisierten Zustand haltende Hochfrequenzspannung liefert. Die Eingangsgleichspannung wird der Reihenschaltung C_n, Z₁ über die Isolierimpedanz Z₃ zugeführt, die das Eindringen der Hochfrequenzgeneratorspannung in den Eingangskreis verhindert. Die Trennimpedanz Z₂ wirkt dem Stromschluß aus der Gleichspannungsquelle über den inneren Widerstand des Generators beider überlagerter Wechselspannungen entgegen. An der Impedanz Z₁ erscheint das Spannungsbild des Hochfrequenzstromes, der ohne Gleichstromvorspannung mit der Doppelfrequenz der niederfrequenten Überlagerungskomponente, bei Vorhandensein einer wachsenden Vorspannung mit einem Verlauf mit anwachsendem Gehalt der niederfrequenten Grundwelle moduliert wird, wie in F i g. 4, C, dargestellt. Die Modulationsumhüllende der hochfrequenten Spannung an der ImpedanzZ₁ wird mittels des Detektors!^ demoduliert. Zu seiner Belastungsimpedanz Rd₁, Cd₁ ist ein auf diese Modulationsgrundwelle mit niedriger Frequenz abgestimmter Serien- oder Parallelresonanzkreis angeschlossen. Der Anstieg der Schwingungsspannung des Resonanzkreises macht sich als eine Gleichspannung an der die Belastungsimpedanz des Detektors D₂ bildenden Impedanz Rd₂, Cd₂ bemerkbar.

Da der beschriebene Verstärker am Ausgang nicht der Polarität der Eingangsspannung folgen kann, kann seine Konstruktion gemäß F i g. 6 so abgeändert werden, daß an die Belastungsimpedanz Rd₁, Cd₁ des an die Impedanz Z₁ des nichtlinearen Kondensators C_n angeschlossenen Detektors D₁ zwei •Serien- oder Parallelresonanzkreise O₁ und O₂ an-

geschlossen sind.

Einer dieser Kreise ist auf die Grundfrequenz, der andere auf die zweite harmonische Komponente und Modulationsspannung abgestimmt. Die Schwingungsspannungen beider Resonanzkreise werden mit den

ίο Detektoren D₂, D₃ gleichgerichtet, wobei die Belastungsimpedanzkreise Rd₂, Cd₂ und Rd₃, Cd₃ so miteinander verbunden sind, daß die gleichgerichteten Spannungen subtrahiert werden. In dem Eingangskreis ist eine Glaichspannungsquelle B solchen Wertes angeordnet, daß in Abwesenheit der Eingangsspannung die Schwingungsspannungen beider Resonanzkreise gleich groß sind, d. h., daß die Ausgangsspannung nach Gleichrichtung und Subtraktion an beiden Lastimpedanzen der Detektoren D₂

und D₃ gleich Null ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verstärker mit einem nichtlinearen, von einem Hochfrequenzspannungsgenerator in den selbststabilisierten Zustand erwärmten dielektrischen Element, an welches eine Reihenimpedanz angeschlossen ist, wobei zwischen den Verstärkereingang und den HF-Generator eine Trennimpedanz eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,daß an die Reihenimpedanz (Z₁) des nichtlinearen Kondensators (C^) wenigstens ein Resonanzkreis (O) angeschlossen und diesem Resonanzkreis (O) ein Detektor (D) nachgeschaltet ist, dessen Belastungskreis (Rd, Cd) den Verstärkerausgang bildet.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis (C) auf eine geradzahlige Harmonische des Generators (G) abgestimmt ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Reihenimpedanz (Z₁) zwei Resonanzkreise (O₁, O₂) mit ihren Detektoren (D₁, D₂) und Belastungskreisen (Rd₁, Cd₁, Rd₂, Cd₂) angeschlossen sind, von denen der eine auf eine geradzahlige und der andere auf eine ungeradzahlige Harmonische der Hochfrequenzspannung des Generators (G) abgestimmt ist und die Detektoren (D₁, D₂) gleichsinnig gepolt sind, so daß die gleichgerichteten Spannungen zwischen den Ausgangsklemmen subtrahiert werden (s. Fig. 3).

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzspannung des Generators (G) eine niederfrequente Hilfsmodulationsspannung überlagert und der auf dieser Hilfsfrequenz abgestimmte Resonanzkreis (O) an die Reihenimpedanz (Z₁) des nichtlinearen Kondensators (C_n) über einen parallelen Detektor (D₁) der Hochfrequenzkomponente ange-

schlossen ist, wobei mit dem Resonanzkreis (O) ein weiterer Detektor (D₂) mit seinem Belastungskreis (Rd₂, Dd₂) gekoppelt ist (s. F i g. 5).

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Reihenimpedanz (Z₁)

des nichtlinearen Kondensators (C_n) über den Hochfrequenzdetektor (D₁) nebst dem auf die Grundwelle der niederfrequenten Modulationsspannung abgestimmten Resonanzkreis (O₁) ein

weiterer, auf die zweite Harmonische der Modulationsspannung abgestimmter Resonanzkreis (O₂) parallel zum erstgenannten Resonanzkreis (O₁) angeschlossen ist, wobei die Detektoren (D₂, D₃) der Resonanzkreise (O₁, O₂) gleichsinnig so gepolt sind, daß die gleichgerichteten Spannungen an den Belastungskreisen (Rd₂, Cd₂; Rd₃, Cd_s) subtrahiert werden (s. Fig. 6).

6. Verstärker nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sein Eingangskreis eine Gleichvorspannungsquelle (B) solchen Wertes enthält, daß die Ausgangsspannung ohne Eingangssignal gleich Null ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 009 238, 1075195, 1044167;

deutsche Patentschriften Nr. 815 198, 815 199, 846414;

»radio-mentor«, Heft 1, 1954, S. 52; »ÖTF«, Jahrgang 9, Heft 5/6, 1955, S. 75; »Funk-Technik«, Nr. 16, 1954, S. 447/448;

»radio und fernsehen«, Nr. 21, 1956, S. 644 bis 647;

»Journal of the Franklin Institute«, 1952 (Dezember), S. 254.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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