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Die Erfindung betrifft einen Verstärker für eine modulierte elektrische
Schwingung mit mindestens zwei eingangs- und ausgangsseitig über je eine Leitung
zusammengeschalteten Verstärkerelementen.
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Es ist bekannt, bei einer Fernmeldeverbindung eine Verstärker enthaltende
Ubertragungsschaltung an die sie speisenden Signalquellen derart anzupassen, daß
die von den Signalquellen abgegebene Ausgangsgröße insgesamt an die Ubertragungsschaltung
abgegeben wird, wodurch vermieden werden kann, daß ein Teil dieser Ausgangsgröße
reflektiert wird und mit der einfallenden Energie in Wechselwirkung tritt, wodurch
Amplituden- und Phasenverzerrungen der zu übertragenden Signale auftreten und die
Qualität der Verbindung erheblich vermindert werden kann. Es ist ferner bekannt,
daß die Anpassung einer Übertragungsschaltung an die Eingangssignalquelle keinerlei
Verminderung des Rauschfaktors der Übertragungsschaltung gestattet, sondern daß
eine solche Verminderung des Rauschens nur möglich ist, wenn man die Übertragungsschaltung
gegenüber der Signalquelle fehlanpaßt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Verstärkerschaltung
mit an die Eingangssignalquelle richtig angepaßter Übertragungsschaltung, bei welcher
das Verhältnis von Eingangsspannung zu Rauschspannung im Vergleich zu bekannten
Übertragungsschaltungen wesentlich verbessert wird, indem das von den Anpassungsimpedanzen
herrührende Rauschen unterdrückt wird, so daß es in dem von der Verstärkerschaltung
abgegebenen Ausgangssignal nicht auftritt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verstärker der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das durch die Anpassungsimpedanz der eingangsseitigen
Leitung verursachte Rauschen dadurch unterdrückt ist, daß die Länge der Leitungen
des Eingangs-und des Ausgangsleiters zwischen je zwei Verstärkerelementen ein Viertel
der Wellenlänge der elektrischen Schwingung oder ein ungradzahliges Vielfaches davon
beträgt, daß die Verstärkerelemente über je eine Leitung mit einer Länge von einem
Viertel der Wellenlänge der elektrischen Schwingung oder einem ungradzahligen Vielfachen
davon mit den Endpunkten der Leitungsabschnitte des Eingangsleiters verbunden sind
und daß der Wellenwiderstand der an die Eingänge der Verstärkerelemente führenden
Leitungen ausreichend größer als der Wellenwiderstand der eingangsseitigen Leitungsabschnitte
ist.
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Bei dieser Ausbildung treten die aus der Trägerfrequenz und deren
Modulationsseitenbändern bestehenden Nutzsignale am Ausgang der Verstärkerschaltung
in der gewünschten Weise verstärkt auf, da die Laufzeiten dieser Nutzsignale durch
die einzelnen Abschnitte des Eingangskettenleiters, durch die Einzelverstärker und
durch die Abschnitte des Eingangskettenleiters, durch die Einzelverstärker und durch
die Abschnitte des Ausgangskettenleiters gleich sind, so daß die gewünschte phasenrichtige
Addition der verstärkten Teilsignale eintritt. Demgegenüber sind die Laufzeiten
für die von den Anpassungsimpedanzen herrührenden Rauschanteile jeweils paarweise
um eine halbe Wellenlänge verschoben, so daß eine gegenseitige Auslöschung dieser
Rauschanteile erreicht wird und diese am Ausgang der Übertragungsschaltung nicht
mehr auftreten. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird damit gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen,
bei welchen diese Rauschanteile nicht kompensiert werden, wesentlich verbessert.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine
gerade Zahl von Verstärkern vorgesehen ist und daß die vom Ausgang der eingangsseitigen
Leitung über diesen, über die einzelnen Verstärkerelemente und über die ausgangsseitige
Leitung zu dessen Ausgang führenden Stromwege den gleichen Ubertragungsfaktor haben
derart, daß von der Anpassungsimpedanz erzeugtes Rauschen mit jeweils derselben
Amplitude am Ausgang erscheint.
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Bei Verwendung von mehr als zwei Verstärkerelementen beträgt die Länge
der eingangsseitigen und ausgangsseitigen vorzugsweise dämpfungsarmen Leitungsabschnitte
zwischen je zwei Verstärkerelementen sowie zwischen Verstärkerelementen und eingangsseitigen
Leitungsabschnitten A./2 n oder ein ganzzahliges Vielfaches davon, wobei n die vorzugsweise
gradzahlige Anzahl der Verstärkerelemente ist.
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Ein Verstärker für eine modulierte elektrische Schwingung mit drei
eingangs- und ausgangsseitig über je eine Leitung zusammengeschaltete Verstärkerelemente
kann bei einer Alternative der Erfindung auch dadurch verwirklicht sein, daß man
das durch die Anpassungsimpedanzen der eingangsseitigen Leitung verursachte Rauschen
dadurch unterdrückt, daß die Eingangsleitung zwei in Serie geschaltete Leitungsabschnitte
enthält, deren Länge ein Viertel der Wellenlänge der elektrischen Schwingung oder
ein ungradzahliges Vielfaches davon beträgt und die am gemeinsamen Endpunkt mit
der Signalquelle verbunden sind, und daß der Ausgangsleiter einen einzigen Leitungsabschnitt
enthält, dessen Länge ein Viertel der Wellenlänge der elektrischen Schwingung oder
ein ungradzahliges Vielfaches davon beträgt und dessen eines Ende mit dem Ausgang
des mittleren Verstärkers und dessen anderes Ende mit den Ausgängen der beiden anderen
Verstärker verbunden ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen
im einzelnen erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer
Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen Verstärker in einer Fernmeldeverbindung,
F i g. 2 ein schematisches Schaltbild des in F i g. 1 dargestellten Verstärkers,
F i g. 3 ein schematisches Schaltbild einer speziellen Ausführungsform des Verstärkers
gemäß F i g. 2, F i g. 4 eine allgemeine Blockdarstellung einer Fernmeldeverbindung
mit dem erfindungsgemäßen Verstärker und F i g. 5 eine spezielle Ausführungsform
der Fernmeldeverbindung nach F i g. 4.
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Bekannterweise läßt sich bei Anpassung eines Verstärkers an die sie
speisende Eingangssignalquelle der Rauschfaktor nicht auf seinen Kleinstwert vermindern.
Das Rauschen am Ausgang des Verstärkers rührt in erster Linie her von dem durch
die Signalquellen übertragenen Rauschen, von dem dem Verstärker eigenen Rauschen
und vom Rauschen der Anpassungsimpedanzen. In dem einfachen Fall, daß eine Signalquelle
ein Spannungssignal E abgibt tlnd eine Rausch-EMK e besitzt, die an ihrem Innenwiderstand
R auftritt, daß weiter diese Quelle ein Verstärker mit angepaßtem Innenwiderstand
R speist, der eine Rausch-EMK e' aufweist, kann man in einfacher Weise berechnen,
daß das Verhältnis Signal/
Rauschen, das für die angegebene Quelle
E/e beträgt, für die Ubertragungsschaltung einen Wert annimmt, der praktisch gleich
Ele
ist, wenn e = e' ist; d. h., infolge der Anpassung des Verstärkers an die
Quelle tritt eine Verminderung um 3 db auf; dieser Verminderung des Verhältnisses
Signal/Rauschen entspricht eine Verschlechterung des Rauschfaktors der Ubertragung
ebenfalls um 3 db, die auf die Anpassung zurückzuführen ist.
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Der vorliegende Verstärker hat den zweifachen Vorteil der Anpassung
an die Eingangssignalquelle und eines wesentlich geringeren Rauschfaktors, als er
sich bei bekannten Verstärkerschaltungen gleichen Typs erreichen läßt, selbst wenn
diese nicht an ihre Signalquellen angepaßt sind. Bei der vorliegenden Verstärkerschaltung
wird dagegen verhindert, daß die Rauschleistung der Anpassungsimpedanzen zum Ausgleich
der Verstärkerschaltung übertragen wird, wo sie sich zu den von den Signalquellen
kommenden Rauschleistungen und zur Rauschleistung des Verstärkers selbst hinzufügen
würde.
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Gemäß F i g. 1 ist eine Signalquelle 1 mit einer Verstärkerschaltung
3 über eine Leitung 2 verbunden. Der Verstärker 3 ist mit einer Anpassungsimpedanz
4 abgeschlossen. Die Signalquelle läßt sich schematisch durch eine Signal-EMK 5
der Größe S in Reihenschaltung, mit einer Rausch-EMK 6 der Größe B sowie einem Widerstand
7 vom Wert R, dem Innenwiderstand, darstellen. Der Verstärker 3 ist schematisch
durch einen Sechspol dargestellt, dessen Klemmen der Einfachheit halber zu drei
Polen zusammengefaßt sind. Ein Pol 10 ist mit dem Ausgang der Anschlußleitung
2 verbunden und bildet den Eingang des Verstärkers, ein Pol 11 bildet den Anschlußpol
für die Anpassungsimpedanz 4. Ein Pol 12 stellt den Ausgang der Verstärkerschaltung
dar und ist mit einem Widerstand 13 vom Wert R1 verbunden, der seinerseits die Abschlußimpedanz
der Verstärkerschaltung 3 darstellt, an die er gegebenenfalls angepaßt ist. Die
Anpassungsimpedanz 4 ist schematisch durch eine Rausch-EMK 8 vom Wert BL in Reihe
mit einem Widerstand 9 vom Wert R2 dargestellt.
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Die an dem Pol 12 der Verstärkerschaltung 3 auftretende Spannung setzt
sich aus dem Signal S und dem Rauschen B, die von der Signalquelle 1 ausgehend die
Verstärkerschaltung über die Klemmen 10 erreichen, und andererseits aus dem Rauschen
BL zusammen, das über den Pol 11 an die Verstärkerschaltung gelangt und von der
Anpassungsimpedanz R., herrührt.
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Wie oben angedeutet, besteht das allgemeine Prinzip der vorliegenden
Erfindung darin, die Wirkung des Rauschens BL der Anpassungsimpedanz 4 am Ausgang
12 der Verstärkerschaltung 3 auf einen Mindestwert herabzusetzen und wenn möglich
zu unterdrücken, ohne aber den Pegel des Signals S am Ausgang 12 irgendwie herabzusetzen,
derart, daß die Verstärkerschaltung 3 durch die Impedanz 4 angepaßt wird, ohne daß
sich diese Anpassung in einer Erhöhung seines Rauschfaktors auswirkt. Die erhaltenen
Vorteile bestehen also darin, daß der Verstärker mittels einer Impedanz angepaßt
wird, die kein Rauschen ergibt, was bislang nicht zu verwirklichen war.
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Dieses Prinzip läßt sich durch »Richtwirkungsbedingungen« zwischen
den verschiedenen Klemmen der Verstärkerschaltung verwirklichen. Es bestehen zwei
derartige Richtwirkungsbedingungen: 1. Das Rauschen Bi, das in der Verstärkerschaltung
3 über dem Pol 11 eintritt, darf nur auf den Pol 10 der Verstärkerschaltung
übertragen werden.
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2. Das Signal S und das Rauschen B, die einander überlagert
in die Verstärkerschaltung 3 über deren Pol 10 gelangen, müssen mindestens
teilweise an einen Ausgangspol 12 übermittelt werden, vorzugsweise derart, daß das
Signal S dort eine maximale Amplitude besitzt. Aus diesen beiden Bedingungen folgt,
daß die Impedanz 4 an dem Ausgangspol 12 der Verstärkerschaltung kein
Rauschen erzeugt. Das Verhältnis Signal/Rauschen am Ausgangspol 12 der Verstärkerschaltung
und damit der Rauschfaktor, verbessert sich somit um
oder 3 db, wenn beide Rauschquellen gleich groß sind.
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In seiner allgemeinsten Ausführungsform, deren Blockschaltbild in
F i g. 2 wiedergegeben ist, besteht die Verstärkerschaltung 3 im wesentlichen aus
einem Eingangskettenleiter 14, einem Ausgangskettenleiter 15 und einer beliebigen
Gesamtzahl von Einzelverstärkern 4 der Eingangskettenleiter 14 besitzt n
+ 2 Anschlüsse, von denen zwei Klemmen mit dem Pol 10 bzw. 11 der Verstärkerschaltung
3 verbunden sind, während die anderen mit 141 bis 14" bezeichnet sind. Der Ausgangskettenleiter
15 weist n + 1 Klemmen auf, von denen eine mit dem Pol 12 der Verstärkerschaltung
3 verbunden ist, während die anderen mit 151 bis 15" bezeichnet sind. Bei
jedem der n Einzelverstärker 3p ist der Eingang bzw. der Ausgang mit der Klemme
14p des Eingangskettenleiters und der Klemme 15p des Ausgangskettenleiters verbunden.
Die Einzelverstärker 3p haben einen beliebigen Aufbau, insbesondere sind sie der
Größe und der mittleren Frequenz des zu übertragenden Frequenzbandes angepaßt. Bezeichnet
man mit S1 die Summe des Signals S und des Rauchens B, die von der Signalquelle
1 zu dem Pol 10 der Verstärkerschaltung 3 übermittelt werden, so ergibt sich, daß
das elementare Signal, das an dem Pol 12 nach Ubermittlung von dem Eingangskettenleiter
14 zu dem Ausgangskettenleiter 15 durch den Einzelverstärker 3, erscheint,
folgenden Wert hat: Se (-aa+ar-av) -j(ar+aa+a,,) (11 p 11 Das resultierende
Signal, das an dem Pol 12 auftritt, ist die algebraische Summe der verschiedenen
Elementarsignale S', die durch die verschiedenen Einzelverstärker 3p übermittelt
wurden. Sein Wert ist daher:
In diesen Gleichungen bezeichnen ap und a. die Dämpfung in Neper und die Phasenverschiebung,
die das Eingangssignal S1 zwischen dem Eingangspol 10
der Ubertragungsschaltung
3 und der Klemme 14, seines Eingangskettenleiters 14 erfahren hat; aP und ap bezeichnen
die Verstärkung in Neper und die Phasenverschiebung des Signals zwischen dem Eingang
und
dem Ausgang der Einzelverstärker 3p; ap und ap schließlich bezeichnen
die Dämpfung in Neper bzw. die Phasenverschiebung des Elementarsignals zwischen
der Klemme 15p des Ausgangskettenleiters 15 und dessen Ausgangspol 12.
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Dem durch die Anpassungsimpedanz 4 zur Eingangsklemme 11 der Verstärkerschaltung
3 übertragenen Rauschen Bi entsprechen an .dem Ausgang der Verstärkerschaltung 3
ebenso viele elementare Rauschanteile BP, wie Einzelverstärker 3, vorhanden
sind, von denen jeder folgenden Wert besitzt: - B@ - B e(-b,-
a,-a,) j(Y7+an+a,) l (3)
p 1 Das resultierende Rauschen an dem Pol
12 der Verstärkerschaltung 3 infolge der Anpassungsimpedanz 4 ist folglich durch
die Gleichung gegeben:
Die in den Gleichungen (3) und (4) benutzte Bezeichnungsweise ist dieselbe wie bei
den Gleichungen (1-) und (2), wobei b, und ß, die Dämpfung in Neper bzw. die Phasenverschiebung
des Rauschens Bi zwischen dem Eingangspol 11 der Verstärkerschaltung 3 und
der Ausgangsklemme 14, des Eingangskettenleiters 14 bezeichnen.
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Mit einer geläufigen Bezeichnungsweise können die Gleichungen (2)
und (4) auch in folgende Form gebracht werden:
Die weiter oben angegebenen Richtwirkungsbedingungen sind den beiden untenstehenden
Gleichungen äquivalent: S' + 0. (5) B' = 0. (6) Die Erfüllung dieser beiden Gleichungen
ist die notwendige und hinreichende Bedingung dafür, daß der Eingangskettenleiter
14 und der Ausgangskettenleiter 15 der Verstärkerschaltung derart realisiert werden
können, daß die erwähnten Richtwirkungsbedingungen erfüllt sind und die angegebenen
Vorteile erzielt werden. Die Erfüllung wird im allgemeinen Fall wie folgt bewiesen:
Es ist stets möglich, den Faktoren Xp, Y, beliebige Werte derart zu geben, daß die
reellen und imaginären Teile des zweiten Gliedes der Gleichung (2') nicht gleichzeitig
Null sind. Sind diese willkürlichen Werte der Faktoren Xp, Y, schon in das zweite
Glied der Gleichung (4') eingeführt, so wird die Gleichung (6) eine komplexe Gleichung,
deren reelle Unbekannten die Ausdrücke ap, b., ap, ß, sind, die ausschließlich vom
Eingangskettenleiter 14 der Verstärkerschaltung 3 abhängen. Es ist im allgemeinen
möglich, die Kennwerte des' Eingangskettenleiters 14 derart zu wählen, daß die resultierenden
Werte der Ausdrücke ap, a., ß, bp reelle Wurzeln der komplexen Gleichung (6) sind.
Die Einzelverstärker 3, und der Ausgangskettenleiter 15 lassen sich folglich
derart festlegen, daß die Werte der Ausdrücke ap, ap, ap, aP bei Beachtung der durch
die Ausdrücke ap, bp, a., ßp bestimmten Werte die Beziehung (5) erfüllen.
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Ist z. B. die Verstärkerschaltung 3 so aufgebaut, daß jedes Elementarsignal
S, zwischen dem Eingangspol 10 und dem Ausgangspol 12 eine Gesamtdämpfung
in Neper bzw. eine Gesamtphasenverschiebung der Werte ao und ao unabhängig von der
Ordnung p des das betrachtete Elementarsignal übermittelnden Elementarempfängers
erfahren hat, so können die Gleichungen (2) und (4') in die folgende Formei gebracht
werden:
Durch Elimination von S' aus den Gleichungen (2") und (4") erhält man
Die Gleichung (6) wird ersetzt durch
deren Auflösung in ap, bp, ap und ß, die Bestimmung des Eingangskettenleiters
14 des Verstärkers 3 gestattet.
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Die beiden Gleichungen - ap + ap -d,' = ao ap
+ an + an = ao (T.) können leicht erfüllt werden, indem z. B. die Verstärkung
ap und die Phasenverschiebungen ap der Elementarverstärker 3p als Funktion der Dämpfungen
und Phasenverschiebungen, die durch den Eingangskettenleiter 14 und den Ausgangskettenleiter
15 des Verstärkers bzw. zwischen dem Eingangspol 10 oder Ausgangspol 12 und den
mit dem Einzelverstärker der Ordnung p verbundenen Klemmen hervorgerufen werden,
eingestellt werden.
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In dem noch spezielleren Fall, wo der Eingangskettenleiter 14 des
Verstärkers durch eine künstliche Ubertragungsleitung gebildet ist, deren Enden
mit dem Pol 10 bzw. 11 der Verstärkerschaltung 3 verbunden sind, während ihren Anschlüsse
14p so ausgelegt sind, daß sie unendliche Ausgangsimpedanzen besitzen, die bezüglich
der verhältnismäßig niedrigen Eingangsimpedanzen der Einzelverstärker 3p, mit denen
sie verbunden sind, fehlangepaßt _sind, gestatten die zusätzlichen Gleichungen ap
+ bp = aö (8)
ap + ßp = ap (8') die Gleichung (6') in
die Form zu bringen:
Nimmt man an, daß der Eingangskettenleiter 14
reine Blindwiderstände
aufweist und folglich für beliebiges p der Wert a, = 0 ist, so folgt:
Diese Gleichung bestimmt die Lage der n Anschlüsse 14p an dem Eingangskettenleiter
14.
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In dem noch spezielleren Fall, wo sämtliche Teile des Eingangskettenleiters
14 untereinander identisch sind und folglich eine gleiche Phasenverschiebung
hervorrufen, gestattet die Gleichung a. = px (9)
die Gleichung (6 "')
in die Form zu bringen:
deren Lösungen sind:
mit k als einer ganzen Zahl, die kein Vielfaches von n
darstellt.
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Beispielsweise ergibt sich bei n = 2 Einzelverstärkern
mit k' als beliebiger ganzer Zahl, woraus hervorgeht, daß die aus den Klemmen 14,
142 des Eingangskettenleiters 14 abgehenden Signale um 90° phasenverschoben sein
müssen.
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Die Ausführungsform der Verstärkerschaltung gemäß F i g. 3 entspricht
diesem letzten Beispiel. Sie ist derart ausgelegt, daß sie in eine Fernmeldeverbindung
eingefügt werden kann, bei der ein Frequenzband übertragen wird, dessen Mittelfrequenz
in der Gegend von 130 MHz liegt. Der Eingangskettenleiter 14 ist durch eine künstliche
Verzögerungsleitung gebildet, die aus drei A/4-Leitungselementen besteht: Das Element
16 mit einer Impedanz von 50 Ohm liegt zwischen dem Eingangspol
10 und dem Pol 11,
mit welchem der Anpassungswiderstand R2 mit einem
Wert von 50 Ohm verbunden ist; die Elemente 17 und 18, jeweils mit einer Impedanz
von 75 Ohm, liegen zwischen den Polen 10 und 11 einerseits sowie den
Polen 141 und 142 andererseits, mit denen die betreffenden Eingänge der Verstärker
31 und 32 verbunden sind. Die beiden Verstärker sind sehr ähnlich aufgebaut und
so ausgelegt, daß sie im Frequenzbereich von 130 MHz ein Verstärkungsmaximum aufweisen.
Jeder der Verstärker ist im wesentlichen durch eine Elektronenröhre 19, 19' gebildet,
deren Gitter an Masse liegt. Das an den Klemmen 141 bzw. 142 des Eingangskettenleiters
14 auftretende Signal gelangt auf die Kathode der Röhre 19 bzw. 19' über einen Impedanzwandler
20, 20' mit einem Übersetzungsverhältnis größer Eins, dessen eine Klemme mit der
Gittervorspannungsklemme der Röhre 19, 19' über ein Verstärkerregelungspotentiometer
21, 21'
verbunden ist. Die von den Röhren 19, 19' verstärkten Signale werden
in ihren Anodenkreisen über Ubertrager 22, 22' abgenommen, deren Übersetzungsverhältnis
noch merklich höher als das der Eingangsimpedanzwandler 20, 20' ist (beispielsweise
Übersetzungsverhältnisse 3 für die Übertrager 20, 20' und Übersetzungsverhältnis
12 für die Übertrager 22, 22'). Der Ausgangskettenleiter 15 ist durch ein
einziges A/4-Leitungselement 23 einer Impedanz von 50 Ohm gebildet, dessen Enden
einerseits mit den Klemmen 151,
152 verbunden sind, die ihrerseits mit den
Ausgängen der Verstärker 31, 32 in Verbindung stehen und von denen andererseits
das eine Ende mit dem Ausgangspol 12 der Verstärkerschaltung und das andere
Ende mit einer Anpassungsimpedanz 24 des Leitungselements 23 von ebenfalls
50 Ohm verbunden sind. Bekanntlich weisen die Röhren 19 und 19', deren Gitter an
Masse liegen, in ihren Kathodeneingangskreisen niedrige Impedanzen auf, die an den
Klemmen 14, und 142 der beiden Verstärker 31, 32 über die Übertrager 20, 20' mit
dem Übersetzungsverhältnis größer Eins noch geringer erscheinen. Hieraus folgt,
daß die Impedanzen an den Anschlußstellen zwischen den A/4-Elementen 17, 18 und
dem künstlichen Element 16 sehr hohe Werte besitzen. Da diese Anschlußstellen außerdem
ihrerseits eine Viertel-Wellenlänge von dem Element 16 entfernt sind, kompensieren
sich die von ihnen geführten Störungen praktisch, und das Element 16 erscheint an
seinem Eingang 10 als exakt an den Widerstand R2 angepaßt, dessen Wert gleich dem
Wellenwiderstand des Elements, beispielsweise 50 Ohm, ist. Der Eingangswiderstand
der Verstärkerschaltung nach F i g. 3 ist dennoch praktisch gleich dem Anpassungswiderstand
4. Im Gegensatz hierzu werden die niedrigen Impedanzen der Enden der mit
den Verstärkern 31, 32 verbundenen A/4-Elemente 17, 18 durch die Eingangsimpedanzwandler
20, 20' in höhere Impedanzen transformiert, woraus sich eine Fehlanpassung
bezüglich der Verstärker ergibt. Bekanntlich ist diese Eingangsfehlanpassung für
eine Verminderung des Rauschfaktors jedes Einzelverstärkers 31, 32 günstig. Es ist
leicht einzusehen, daß jedes an den Eingangspol 10 der Verstärkerschaltung
angelegte Signal S am Ausgangspol 12 zwei Elementarsignale Si und SZ auftreten läßt,
welche die Einzelverstärker 31 bzw. 32 durchlaufen haben und die durch entsprechende
Einstellung der Verstärkungen der Verstärker in Phase und Amplitude annähernd gleich
sind. Das über den Anpassungswiderstand 4 zum Pol 11 der Verstärkerschaltung übertragene
Rauschen Bi ergibt hingegen am Ausgangspol 12 der Schaltung zwei Komponenten Bi
und Bi, die gegeneinander um zweimal
in der Phase verschoben, d. h. gegenphasig sind. Da außerdem ihre Amplituden näherungsweise
gleich sind, setzen sie sich auf eine Art und Weise zusammen, die dadurch vervollständigt
werden kann, daß die relativen Werte der Verstärkung der Einzelverstärker 31, 32
entsprechend einjustiert werden. Daher tritt am Ausgangspol 12 der Schaltung keine
Rauschkomponente infolge des Anpassungswiderstandes 4 auf.
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Die im vorstehenden an Hand der F i g. 3 beschriebene Schaltung wies
eine Gesamtverstärkung von 11 db auf, und ihre Eingangsimpedanz von 50 Ohm hatte
ein unteres Stehwellenverhältnis von 1,2. Bei Verwendung als Vorverstärker für einen
üblichen Empfänger mit einem Rauschfaktor von 5,5 db ermöglicht die entsprechend
der Erfindung angepaßte Verstärkerschaltung
einen Gesamtrauschfaktor
in der Gegend von 1,5 db.
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Die allgemeinste Ausführungsform der Verstärkerschaltung nach der
Erfindung, die in F i g. 4 dargestellt ist, hat folgenden Aufbau: Der Eingangskettenleiter
14 besitzt n +p Klemmen, von denen die Eingangsklemmen 241 bis 24, mit Signal- oder
Rauschquellen oder gegebenenfalls zusammengesetzten Quellen S1 bis Sp über als rauschfrei
angenommene Impedanzen Z1 bis Zp verbunden sind. Die den Signalquellen S,
zugeordneten Impedanzen ZJ stellen die Innenwiderstände der Quellen dar. Die den
Rauschquellen Sj zugeordneten Impedanzen Zj stellen Anpassungsimpedanzen dar, die
Rauschanteile entsprechend den ihnen zugeordneten Quellen erzeugen. Die Klemmen
141 bis 14" des Eingangskettenleiters 14 sind mit den Eingängen der Einzelverstärker
3, verbunden, welche Information nur in einer Richtung von ihren Eingängen
zu ihren Ausgängen zu übermitteln vermögen. Die Ausgänge dieser n Einzelverstärker
sind mit Klemmen 151 bis 15" eines Ausgangskettenleiters 15 verbunden, der m Ausgänge
251 bis 25", aufweist, mit denen Impedanzen Zk verbunden sind. Bestimmte Impedanzen
Zk können Empfangsorgane der betrachtenden Fernmeldeverbindung darstellen, andere
Anpassungswiderstände des Ausgangskettenleiters 15. Das Hauptmerkmal dieser Schaltung
ist folgendes: Der Eingangskettenleiter 14 und der Ausgangskettenleiter 15 sind
derart ausgelegt, daß an allen Ausgängen 25k der Schaltung, die mit den Empfangsimpedanzen
Zk verbunden sind, die von den Signalquellen Sj kommenden und . über die verschiedenen
Einzelverstärker 3, übermittelten Signale untereinander Phasen- und Amplitudenbeziehungen
derart aufweisen, daß das resultierende Signal eine Maximalamplitude besitzt, während
die von den Anpassungsimpedanzen Zj herrührenden und in gleicher Weise über die
Einzelverstärker 3p übertragenen Rauschanteile im Gegensatz hierzu an den Verstärkerausgängen
Phasen- und Amplitudenverhältnisse derart aufweisen, daß das resultierende Rauschen
eine Minimalamplitude besitzt und vorzugsweise Null ist. Dieses Kennzeichen kann
mathematisch übersetzt werden, und zwar ausgehend von dem Ausdruck des resultierenden
Signals Sk, das an den Klemmen der Verstärkerschaltungsimpedanz Z, auftritt und
durch die Gleichung gegeben ist:
in der Ej die EMK der Signal- oder Rauschquelle S, und hJ einen Koeffizienten darstellt,
der vom Eingangs- und Ausgangskettenleiter 14 bzw. 15, von den Einzelverstärkern
3p und von der Frequenz der übermittelten Signale abhängt. In dieser Gleichung übersetzt
sich die Richtwirkung der Schaltung von ihren Eingängen' 24q, 241, 24, beispielsweise
auf ihre Ausgangsklemme 25k derart, daß alle Parameter hk mit Ausnahme der Parameter
h2, hk, hk im betrachteten Beispiel Null sind. Sind die ausschließenden Richtwirkungsbedingungen
erfüllt, so werden die von den Quellen S4, S1, S,. abgegebenen Signale mit einer
von Null verschiedenen Amplitude an den Ausgang 25k der Schaltung übertragen, während
im Gegensatz hierzu irgendwelche von den Anpassungsimpedanzen ZJ=_erzeugte -Rauschanteile,
die mit anderen als den EWgangslclemmen 24q, 241, 24r des Empfängers verbunden sind,
nicht zur Ausgangsklemme 25k übertragen werden.
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Bei der in F i g. 5 veranschaulichten Anordnung sind eine einzige
Signalquelle 27 mit der EMK S1 und dem Innenwiderstand Ro sowie zwei identische
Anpassungsimpedanzen 26, 26' vorgesehen, von denen jede durch eine Rauschquelle
der EMK Bi in Reihe mit einem Widerstand dargestellt werden kann, dessen Wert gleich
dem doppelten Innenwiderstand der Signalquelle 27, z. B. Rfl ist. Der Eingangskettenleiter
14 ist durch zwei d/4-Leitungselemente 28, 28' gleichen Wellenwiderstandes Ro gebildet.
Der den Elementen 28 und 28' gemeinsame Punkt ist mit der Eingangsklemme 242 des
Eingangskettenleiters 14 verbunden, an welche die Signalquelle 27 angeschlossen
ist, sowie mit der Ausgangsklemme 142 des Eingangskettenleiters 14.
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Die nicht miteinander in Verbindung stehenden Enden der Elemente 28,
28' sind mit Eingangsklemmen 241 bzw. 243 des Eingangskettenleiters 14 verbunden,
an welchen die Anpassungsimpedanzen 26, 26' angeschlossen sind, sowie mit den Ausgangsklemmen
141, 143 des Eingangskettenleiters 14. Die drei Einzelverstärker 31 bis 33, deren
Eingänge mit den Ausgängen 141 bis 143 des Eingangskettenleiters
14
verbunden sind, haben Verstärkungen G, 2 G und G. Ihre Ausgänge sind mit
Eingangsklemmen 151 bis 153 des Ausgangskettenleiters 15 verbunden, das durch ein
einziges ;,/4-Leitungselement 29 mit einer Wellen-, Impedanz ZO gebildet ist, dessen
eines Ende mit der Eingangsklemme 152 des Ausgangskettenleiters 15 und gleichzeitig
mit seiner Ausgangsklemme 252 verbunden ist, während sein anderes Ende zugleich
mit zwei Eingangsklemmen 151 und 153 und der Ausgangsklemme 251 in Verbindung steht.
An die Ausgangsklemme 251 und 252 des Ausgangskettenleiters 15 sind zwei Anpassungsimpedanzen
30, 30' angeschlossen, deren Wert gleich der Wellenimpedanz ZO des 2/4-Elements
29 ist. Dieser spezielle Fall läßt sich aus dem allgemeinen Fall nach F i g. 4 ableiten,
indem man den Indizes n und p den gleichen Wert 3 und dem Index m den Wert 2 gibt.
Die durch die Bauelemente 14, 15 und 31 bis 33 der F i g. 5 gebildete Verstärkerschaltung
ist an ihre Signalquelle 27 über die beiden Impedanzen 26, 26' exakt angepaßt. Die
von jedem der Anpassungsimpedanzen 26, 26' abgegebenen und über die verschiedenen
Einzelverstärker 31 bis 33 übermittelten Rauschanteile am Ausgang 251 weisen derartige
Amplituden und Phasen auf, daß sie sich genau kompensieren. Im Gegensatz hierzu
besitzen die von den Anpassungsimpedanzen 26, 26' ausgehenden resultierenden Rauschanteile
an der Klemme 252 Amplituden und Phasen derart, daß sie sich ohne Auslöschung addieren.
Hieraus folgt, daß alle durch die Anpassungsimpedanzen 26, 26' erzeugten Rauschanteile
von der Verstärkerschaltung nach F i g. 5 ausschließlich an die Impedanz 30' abgegeben
werden, während die Impedanz 30 keinen Rauschanteil erhält. Im Gegensatz hierzu
sind die aus der Übermittlung des durch die Quelle 27 über die drei Einzelverstärker
31 bis 33 erzeugten Signals S1 resultierenden Elementarsignale an der Ausgangsklemme
251 in Phase, wo sich ihre Amplituden addieren, während sie sich an der Klemme 252
in Gegenphase befinden und solche Amplituden besitzen, daß sie sich auslöschen.
Das von der Quelle 27 abgegebene Signal wird daher ausschließlich zur Impedanz 30
abgegeben, wobei die Impedanz 30' ausgeschlossen wird.
Es ist möglich,
mehrere entsprechend der vorliegenden Erfindung angepaßte Verstärkerschaltungen
hintereinander zu schalten und dabei eine erhebliche Verbesserung des Rauschfaktors
zu erreichen.