DE1274168C2 - Videovorverstaerker fuer hochohmige signalquellen - Google Patents
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit Videovorverstärkern für hochohmige Signalquellen, z. B. für Vidikon- oder
Plumbikonröhren. In der Fernsehtechnik wird heute von Videovorverstärkern ein sehr hoher Störabstand
gefordert, da das Rauschen des Verstärkers die Qualität
des wiedergegebenen Fernsehbildes beeinträchtigt. Der Störabstand des Vorverstärkers spielt besonders bei
Farbfernsehkameras eine erhebliche Rolle, bei denen tine verringerte Signalampütude wegen der Selektion
bestimmter Farbanteile des Bildes vorliegt. Ferner ist es erwünscht, die Konturenschärfe des wiedergegebenen
Fernsehbildes durch Anheben der hohen Frequenzanteile zu verbessern, was wiederum nur dann möglich ist,
wenn der Störabstand des Vorverstärkers hinreichend groß ist.
Es ist an sich bekannt, daß man bei der Verstärkung Von Signalen aus einer hochohmigen Signalquelle einen
hochohmigen Verstärkereingang benötigt, damit die dort entstehende Spannungsamplitude möglichst groß
ist. Der Wahl des EingangSwiderstandes sind jedoch
normalerweise Grenzen durch die Kapazität der Signalquellen und des Verstärkereingangs gesetzt. Das
gilt vor allem, wenn es sich um die Verstärkung sehr breitbandiger Signale handelt Falls man einen sehr
hohen Eingangswiderstand verwendet, z, B. einen Widerstand von 2 Megohm bei einer Eingangs-Kapazität
von 2ß Picofarad (pF), so würde man zwar einen guten Störabstand erhalten, dagegen einen starken
Abfall der Amplituden im oberen Frequenzbereich. Bei 5 MHz, der für Videosignale üblichen Bandbreite, ■, -ürde
der Amplitudenunterschied 1250:1 betragen. Ein solcher Amplitudenunterschied ist für die meisten
Zwecke untragbar.
Es ist versucht worden, zur Vermeidung des Amplitudenabfalls bei höheren Frequenzen die Kapazi-
!5 tat am Verstärker durch eine kapazitive Kopplung zu neutralisieren (US-PS 31 96 365 und DE-AS 11 90 978).
Diese Neutralisierung bleibt jedoch im Grunde wirkungslos, da mit der durch die kapazitive Kopplung
gegebenen Anhebung der Signalanteile höherer Frequenzen auch das Signalrauschen mit angehoben wird.
Das Eigenrauschen des Verstärkers und der Verstärkerankopplung wird nicht verringert Den Schwierigkeiten
versucht man auf zweierlei Weise zu begegnen:
Es wurde als Eingangsstufe eine Kaskodenstufe verwendet, vorzugsweise eine solche, deren Verstärker-Elemente
durch Röhren gebildet wurden. Bei diesen Kaskoden ist das Versiirkerrauschen relativ gering. Mit
Schaltungen dieser Art .iat sich Butler in der Zeitschrift
»Wireless World«, März 1965. S. 124-128 beschäftigt.
Er empfiehlt, der Kaskodenstufe eine Impedanzwandlerstufe und dieser einen kapazitiv angekoppelten
Transistorverstärker nachzuschalten. Bei mit Röhren ausgerüsteten Kaskodenstufen sind die inneren Kapazitäten
wegen der Heizstromzuführungen ziemlich groß, bei Transistoren überwiegt das innere Rauschen. Auf
Seite 126, Fig. 6 der genannten Literaturstelle ist eine
Transistorkaskode dargestellt, bei der die Basispotentiale der Transistoren durch statische Spannungsteiler
oder durch galvanische Gegenkopplung gewährleistet
■fo sind. Insbesondere wird der Eingang dei Kaskode über
einen Gegenkopplungszweig von einigen 10OkQ mit einem niederohmigen Punkt des Verstärkers verbunden.
Diese Gegenkopplung ist jedoch nicht im Hinblick auf eine Verringerung des Rauschens ausgelegt, denn
einerseits wird der Gegenkopplungsfaktor durch einen 56-ki1-Widerstand klein gehalten und andererseits
verursacht dieser 56-kQ-Widerstand zusätzliches Rauschen.
Eine Gegenkopplung zum Kaskodeneingang wird
so auch bei einer Röhrenschaltung eines Fernseh-Eingangsverstärkers
(siehe Kundendienstanleitung der Firma Philips EL 8521) beschrieben, zum Unterschied
von der vorigen Literaturstelle jedoch ohne Ableitwiderstand am Eingang. Weitere mit Transistoren
arbeitende Verstärkerschaltungen sind in der Zeitschrift »Electronics« vom 1. Januar 1957. S, 140 und vom 1.
Februar, S. 171 dargestellt. In der ersteren Schaltung wird v/eder eine Gegenkopplung angewandt noch eine
Kaskodenschaltung verwendet, so daß durch das höhere Eigenrauschen der üblichen Emitterschaltung Nachteile
entstehen. Auch die Schaltung der F i g, 2 im Februar-Heft
der »Electronics« verzichtet auf einen Kasködeiiverstärker,
verwendet jedoch eine Gegenkopplung zwischen dem ersten und zweiten Transistor, welche
zwar den Verstärkungsfaktor stabilisiert, jedoch auf den Räuschabstand keinen Einfluß hat.
Zusammenfassend haften also den bekannten Schaltungen
folgende Mängel an: entweder ist die Verstär-
lcung ?'.i gering oder es besteht starke kapazitive
Rückwirkung innerhalb des Verstärkers oder der Arbeitswiderstand der Signalqtielle wird durch Gegenkopplungs-
oder Stabilisierungs-Widerstände kurzgeschlossen, daher zusätzliche Rauscheinströmung.
Die obengenannten Mängel können überwunden, und es können sehr günstige Signal/Rausch-Zahlen über ein
breites Frequenzband bei relativ geringem Amplitudenabfall bei hohen Frequenzen erzielt werden, bei einem
Videovorverstärker nach der Gattung des Patentanspruches I1 der durch die Kombination der im
Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist
Verbesserungen und Weiterbildungen sind in den L'nteransprüchen angegeben.
Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung beruht auf der gleichzeitigen Anwendung aller im Kennzeichen des
Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen. Die Kombination aus der Kaskode und dem Impedanzwandler
erbringt eine hohe Verstärkung ohne wesentliche Phasendrehung. Der Eingang des Impedanzwandlers
ist statisch hochohmig, praktisch rückwirki'ngsfrpi
und durch die Gegenkopplung dynamisch niederohmig. Daher lassen sich nun sehr günstige Betriebsgrößen
erreichen, die einen erheblichen technischen Fortschritt durch die Erzielung eines großen Störabstandes bei
einer guten Linearität des Verstärkers erbringen. Diese Betriebsgrößen sind weitgehend unabhängig von
Exemplarstreuungen der Bauelemente und Temperaturschwankungen.
Aus theoretischen Untersuchungen hat sich ergeben, daß günstige Rauscheigenschaften erhalten werden,
wenn für tiefe Frequenzen die Beziehung erfüllt ist:
erhält und dieser aus Stabilitätsrücksichten
η
η
sein sollte. Aus dieser Beziehung geht hervor, daß es
bei vorgegebenem C, nur auf das Verhältnis
Rauscheinströmung /rj eines dem Rauschen c-es Vorverstärkers
entsprechenden Rausnhstromes ist
Rg — Gegenkopplungswiderstand,
V = Verrärkung,
η = Amplitudenverhältnis zwischen 10 Hz und 5 MHz bis 30:1,
ci)m = Grenzfrequenz 2 λ ■ 5 MHz,
Cc = Eingangskapazität.
Cc = Eingangskapazität.
Diese Beziehung resultiert daraus, daß man bei ausschließlicher Verwendung des Gegenkopplungswiderstandes
als Arbeitswiderstand einen dynamischen Eingangswiderstand bei tiefen Frequenzen
ankommt. Es wurde gefunden, daß die Größe von Rg im
niederfrequenten Bereich etwa bis 0,5 MHz von entscheidendem Einfluß fcüf das Rauschen ist. Die
J Ra =
ß = Bandbreite,
Rä = äquivalenter Rausch widerstand des Verstärkers.
Rä = äquivalenter Rausch widerstand des Verstärkers.
Andererseits ist die von R9 erzeugte Rauscheinströmung
Durch quadratische Addition ergibt sich
Da aber R0 > Ra ist, kann man auch schreiben
Jr warnt = I 4 k T0 B -jr-.
Es ergibt sich also, daß für tiefe Frequenzen (bis 0,5 MHz) das Rauschen von R1 praktisch völlig vernachlässigbar
ist und daß man durch möglichst großes Rg die Rauscheinströmung des Verstärkers im NF-Bereich —
die im Fernsehgebiet den am meisten störenden Faktor darstellt — beliebig klein machen könnte. Grenzen sind
einerseits für Rg durch technische Schwierigkeiten
gesetzt, welche darin bestehen, daß die Kapazität von sehr hochohmigen Widerständen nicht mehr vernachlässigbar
ist und die Gegenkopplung dann nicht mehr frequenzunabhängig wäre. Dem könnte aber teilweise
dadurch abgeholfen werden, daß man die Kapazität durch Abschirmen des Widerstandes mit einem
geerdeten oder mitgesteuerten Metallzylinder verringert. Zum anderen kann die Verstärkung im Rahmen
der durch (1) gegebenen Bedingungen nicht beliebig hoch gewählt werden. Außerdem kann bei hoher
Verstärkung auch Ri größer werden. Immerhin kommen
Widerstände von 3 Megohm durchaus noch in Betracht. Damit lassen sich Rauscheinströmun^en von
nur 0,05 pA/ /Hz erreichen. Erst ab 0,5 MHz wird der Rauschbeitrag von Ri etw?. ebensogroß. Die Größe von
η wähl* n*an mit Rücksicht auf Formel (1) nach einem
Kompromiß zwischen Rauschpegel und Stabilität des gesamten Verstärkeis. Bei sehr großem η ist ?war das
Rauschen am Ausgang klem, jedoch läßt sich wegen der Notwendigkeit eines Amplitudenausgleichs eine Temperaturkonstanz
und eine Frequenzunabhängigkeit der Amplitude am Ausgang nur schwer erreichen. Aus
praktischen Vers jchön hat sich ergeben, daß Werte von
30 möglichst nicht überschritten werden sollten und daß Werte von η =» 5 bei hoher Verstärkung und starker
Gegenkopplung durchaus erreicht werden können.
Bei Berücksichtigung der beanspruchten Maßnahmen kann man auch einen Videoverstärker unter ausschließlicher
Verwendung von Halbleiterelementen bauen, der hinsichtlich seines Rauschabstaiides den besten bisher
bekannten Vorverstärkern mit Röhren wenigstens gleichwertig, wenn nicht überlegen ist. Dadurch ergibt
sich der Vorteil, daß der Videoverstärker in einer äußerst kleinen Raumeinheit untergebracht uhd damit
auch in unmittelbarer Nähe der Signalelektrode artgeschlossen werden kann, so daß kaum nennenswerte
Beitrüge an Eingangskapazität durch die Zuleitungen entstehen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, weiche ein Ausführungsbeispiel zeigt. In
diesem Schaltungsbeispiel, in welchem bipolare Transistoren verwendet werden, ist der aus den Transistoren 1
und II bestehenden Kaskode eine Impedanzwandlerstufe IV vorgeschaltet, an deren Basis der Gegenkopplungs-Widerstand
Rg angeschlossen ist. Dieser Widerstand
ist zu einem Punkt K der Schaltung geführt, welcher den Arbeitspunkt der vorgeschalteten Impedanzwandlerstufe
bestimmt. Das Netzwerk aus den Kopplungswiderständen R* und Rt sowie dem Parallelkondensator
Crf liegt in dem Stromkreis einer zweiten m
impedanzwandlerstufe mit dem Transistor III, welcher vom Kollektor des Transistors II angesteuert wird.
Arbeitswiderstand der Kaskodenstufe I, II ist der Widerstand Ra, von welchem die Spannung zur
Steuerung des Transistors III abgegriffen ist. Zur Erzielung der geeigneten Vorspannungen liegt R\ an
- Ug und Rt, der Emitter-Widerstand der Vorstufe, an
der Spannung — Ug1 wobei — Ug größer als — Ug' ist.
Eine Verbesserung des Rauschverhaltens bei hohen Frequenzen wird noch erzielt, wenn man die Widerstände
Ra, /^ mit Abschirmungen versieht.
Die Basis des Transistors Il ist wie bei Kaskoden üblich kapazitiv über den Kondensator C2 geerdet und
mittels des Spannungsteilers Ri, R3 an einen betriebsgünstigen
Arbeitspunkt gelegt.
Vorzugsweise wird die Abschirmung von R3 vom
Emitter des zweiten Impedanzwandlers III mitgesteuert Man kann auch die Abschirmung selbst als
röhrenförmigen gleich großen Widerstand ausbilden, dessen kaltes Ende mit demjenigen des abzuschirmenden
Widerstands und dessen heißes Ende· mit einem niederohmigeh, gleichsinnige Wechselspannung führenden
Punkt des Verstärkers verbunden ist.
In der gezeigten Schaltung ist die Abschirmung des Widerstandes A17 mit dem Emitter des Transistors III
verbunden.
Eine bedeutende Verbesserung ergibt iiich aber, wenn
die vorgeschaltete Impedanzwandlerstufe IV durch einen Feldeffekttransistor gebildet wird. Bei Feldeffekttransistoren
hat man zwar zur Zeit noch keine so hohe Steilheit erreicht, wie sie bei Nuvistorröhren üblich ist,
jedoch wird für die vorliegende Schaltung nicht so sehr die Verstärkung des Feldeffekttransistors, sondern sein
gegenüber Junction-Transistoren günstiges Rauschverh.ilten in Abhängigkeit vom Generatorinnenwiderstand
ausgenutzt. Bei Feldeffekttransistoren werden optimale Rauschzahlen gerade für tiefe Frequenzen bei
Generatorinnenwiderständen von einigen Megohm erreicht, wie sie auch bei Vidikons gegeben sind. Auch
die wünschenswerte (im Sinne der Rauschanpassung) Abnahme des Generatorinnenwiderstandes für höhere
Frequenzen, welche durch den Einfluß der Eingangskapazität bedingt ist, wenn optimale Rauschzahlen
gegeben sein sollen, wird durch den Feldeffekttransistor erfüllt
Allgemein ist also zu beachten, daß möglichst wenige
und möglichst hochohmige Widerstände am Verstärkereingang liegen sollen und der vom Gegenkopplungswiderstand
umfaßte Verstärkertei! eine möglichst hohe Verstärkung haben sollte. Zweckmäßig werden, außer
dem Arbeitswiderstand der Signalquelle (Fernsehaufnahmeröhre) und dem Gegenkopplungswiderstand,
keine weiteren Widerstände an den Eingang des Verstärkers angelegt; Kontroll- und Regelsignale für die
Fernsehaufnahrneröhre werden daher nur am Fußpunkt des Arbeitswiderstandes zugeführt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Videnvorverstärker für hochohmige Signalquellen, z. B. Vidikon- oder Plumbikonröhren, mit einer
mit bipolaren Transistoren bestückten Kaskadenstufe und einem hochohmigen Gegenkopplungswiderstand,
über den die von einem niederohmigen Widerstand am Ausgang des Verstärkers abgegriffene
Spannung an den Eingang des Verstärkers zurückgeführt ist, gekennzeichnet durch
die Kombination folgender Merkmale:
a) der Kaskodenstufe (I, II) ist eine Impedanzwandlerstufe
(IV) vorgeschaltet,
b) der Gegenkopplungswiderstand (Rg) ist an die Steuerelektrode der Impedanzwandlerstufe
(IV) geschaltet,
c) der Arbeitspunkt der unmittelbar auf die Signalqueile folgenden Impedanzwandlerstufe
(!V) ist praktisch ausschließlich durch das Gieichstrompotentia! eines Abgriffes (K) bestimmt,
an welchem das von der Impedanzwandlerstufe (IV) abgewendete Ende des Gegenkopplungswiderstandes (Rg) angeschloss.en
ist, und
d) ein gegebenenfalls an der Steuerelektrode der Impedanzwandlerstufe (IV) wirksamer weiterer
Widerstand (Ri) weist mindestens den Betrag des Gegenkopplungswiderstandes (Rg) auf.
2. Videovorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode der Impedanzwandlersfufe
(IV) ms. der Signalqueile kapazitiv verbunden ist.
3. Videoverstärker nach Ans, uch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungskapazität am
Verstärkereingang kleiner als 10 nF ist.
4. Videovorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwandlerstufe (IV)
durch einen Feldeffekttransistor gebildet ist.
5. Videovorverstärker nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand
(Rg) wenigstens 1 Megohm beträgt.
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