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Rückgekoppelte Verstärkerschaltung Rückkopplungen bei Röhrenschaltungen,
d. h. die Zurückführung von Energie aus dem Anoden- an den Gitterkreis, werden seit
langer Zeit angewendet. Sie dienen einerseits zur Erhöhung der Röhrengüte bzw. der
Verstärkung und andererseits zur Verringerung der durch die Röhre verursachten Verzerrungen;
,In ersterem Falle muß die Rückkopplung gleichsinnig mit der Steuerwechselspannung
arbeiten, in letzterem Falle dieser entgegenwirken (Gegenkopplung).
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Für die Durchführung der Rückkopplung gibt es zwei grundsätzliche
verschiedene Schaltungen, welche im folgenden als Strom-bzw. Spannungsrückkopplung
bezeichnet werden sollen. Da diese Unterscheidung für das Verständnis des Erfindungsgedankens
von Belang ist, sollen diese beiden Rückkopplungsarten an Hand von den in Abb. r
und 2 dargestellten Schaltbildern, welche demnach den Erfindungsgedanken noch nicht
enthalten, erläutert werden.
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In Abb. r, welche sich auf die sog. Stromrückkopplung bezieht, ist
die Verstärkerröhre mit V bezeichnet, deren Gitterkreis die zu verstärkende Spannung
an den Klemmen r und 2 zugeführt wird. Im Anodenkreis liegt in Reihe mit dem Nutzwiderstand
Ra der Rückkopplungswiderstand Rk. Die an letzterem auftretende Wechselspannung
wird mittels des Transformators T in den Gitterkreis übertragen. Der Transformator
T dient einerseits zur Herstellung der erforderlichen Phasenbeziehung und andererseits
zur gleichstrommäßigen Trennung von Anoden- und Gitterkreis. Die in den Gitterkreis
rückgeführte Energie ist bei dieser Schaltung abhängig vom Anodenwechselstrom. Charakteristisch
für diese Schaltung ist der Umstand, daß die Rückkopplung bei kurzgeschlossenem
Nutzwiderstand Ra am größten und bei unterbrochefiem Anodenkreis Null ist.
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Den Fall der Spannungsrückkopplung stellt die Abb. 2 dar, in welcher
für gleichwertige Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Abb. r verwendet sind.
Parallel zum Nutzwiderstand Ra liegt ein aus den Widerständen R, R' zusammengesetzter
(hochohmiger) Spannungsteiler, von dem die Rückkopplungsspannung abgegriffen und
über den Transformator T dem Gitterkreis zugeführt wird. In diesem Falle ist die
rückgeführte Spannung dann am größten, wenn der Nutzwiderstand Ra unendlich groß
ist, während die Rückkopplung für einen kurzgeschlossenen Außenwiderstand überhaupt
verschwindet.
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Es ist bei gegengekoppelten Verstärkern bereits bekannt, kombinierte
Strom- und Spannungsrückkopplungen zu verwenden. Die hierbei auftretenden Verhältnisse
unterscheiden sich aber wesentlich von den bei der positiven Rückkopplung auftretenden
Erscheinungen.
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Des weiteren ist bekanntgeworden, bei positiv rückgekoppelten Verstärkern-
eine kombinierte Strom- und Spannungsrücklcopplung
zu verwenden.
Jedoch ist die Spannungsrückkopplung nicht frequenzunabhängig gemacht. Die Anordnung
dient anderen Zwecken als denen, die reit dem Gegenstand' der Erfindung erzielt
werden sollen.
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Gemäß der Erfindung wird bei mit positi= ver frequenzunabhängiger
Rückkopplung arbeitenden Verstärkerschaltungen zur Übertragung von Frequenzbändern,
bei denen die Rückkopplungsspannungen von Ohmschen Widerständen abgegriffen werden,
gleichzeitig eine Stromrückkopplung, d. h. eine vom Anodenstrom abhängige, und eine
Spannungsrückkopplung; d. h. eine von der Anödenspannung abhängige Rückkopplung,
auf den Gitterkreis derselben oder eine vorhergehende Stufe angewendet.
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Um die Vorteile dieser Maßnahme erkennen zu können, soll zunächst
kurz auch die Wirkung der Strom- bzw. Spannungsrückkopplung und der Verlauf des
mit der Röhre aufgenommenen Kennlinienfeldes betrachtet werden. Die Rückkopplung
wird zweckmäßig als Bestandteil der Röhre und nicht der Schaltung aufgefaßt. ' Dann
kann man das im rückgekoppelten Zustand . aufgenommene Kennlinienfeld als Ergebnis
einer Ersatzröhre mit geänderten Kenngrößen betrachten. Als Güte einer Röhre bezeichnet
man das Verhältnis wobei die Steilheit S definiert ist durch
(Ei, - const) und der Durchgriff D bestimmt ist durch
(I" = const). Ferner versteht man unter dem inneren Widerstand Ri eine Größe, welche
gegeben ist durch
(E9 = conat) . Wenn man zunächst mit der nicht rückgekoppelten Röhre Kennlinien,
welche den Zusammenhang zwischen Anodenstrom und Anodenspannung darstellen, unter
Einführung der Gitterspannung als Parameter aufnimmt und dann dieselbe Messung mit
einer rückgekoppelten Röhre wiederholt, so bemerkt man, daß bei Verwendung einer
Stromruck-Dopplung der resultierende Durchgriff gleich dem Durchgriff der nicht
rückgekoppelten Röhre ist, während die Steilheit zugenommen und der innere Widerstand
im gleichen Verhältnis abgenommen hat. Umgekehrt beobachtet man, daß die Vornahme
einer Span-:nungsrückkopplung die Steilheit der Röhre uriverändert läßt, hingegen
den Durchgriff Verkleinert und den inneren Widerstand im gleichen Verhältnis heraufsetzt.
In beiden Fällen wird die Güte, d. h. die Verstärkungsfähigkeit der Röhre vergrößert,
wobei diese Wirkung im Falle der Stromrückkopplung auf eine Erhöhung der Steilheit
und im Falle der Spannungsrückkopplung auf eine Verkleinerung des Dürchgriffs zurückzuführen
ist. Man erkennt, daß sich in beiden Fällen der innere Widerstand Ri zwangsläufig
proportional bzw. umgekehrt proportional zu der erzielten Verstärkungserhöhung ändert.
Diese Tatsache kann die Anpassungsverhältnisse und auch die auftretenden Verzerrungen
(Klirrfaktor) ändern. Durch Anwendung des Erfindungsgedankens ist es möglich, eine
Unabhängigkeit zwischen der Verstärkungserhöhung und den Röhrendaten, insbesondere
dem inneren Widerstand, herzustellen. Es gelingt auf diese Weise, den inneren Widerstand
Ri entweder konstant auf dem gleichen Wert, den er bei der nicht rückgekoppelten
Röhre besitzt, zu halten oder auf einen beliebigen Wert zu bringen. Besonders klar
werden diese Verhältnisse durch Verwendung mathematischer Formeln, welche leicht
abgeleitet werden können. Der Rückkopplungsfaktor der Stromrückkopplung soll bei
Stromrückkopplung mit h2 und bei Spannungsrückkopplung mit k1 bezeichnet werden.
Unter dieser Voraussetzung ergibt sich für Spannungsrückkopplung
D' -D-k,, S'=S,
für Stromrückkopplung RZ-Ri(I-k-,S), D'= D,
Wenn man nun erfindungsgemäß beide Rückkopplungsarten gleichzeitig zur Anwendung
bringt, so multipliziert sich ihre Witküng, und
man erhält in mathematischer
Form folgende Beziehungen:
Während die bisherigen Betrachtungen lediglich die durch die Rückkopplung erzielte
Erhöhung der ,Verstärkung bzw. Vergrößerung der Röhrengüte zum Gegenstand hatten,
soll nunmehr auch der Einfluß der gleichzeitigen Anwendung der beiden Rückkopplungsarten
auf die nichtlinearen Verzerrungen behandelt werden. Es wurde eingangs darauf hingewiesen,
daß man bereits vorgeschlagen hat, die Rückkopplung zum Linearisieren des Kennlinienverlaufs
zu verwenden, um die nichtlinearen Verzerrungen herabzusetzen. Man kann, wie sich
aus den vorstehenden Ableitungen ergibt, durch die Stromrückkopplung die Steilheit
der Röhre beeinflussen, während der Durchgriff davon nicht berührt wird. Insbesondere
ist es durch Verwendung einer amplitudenabhängigen Stromrückkopplung möglich, den
Verlauf der Kennlinien im benutzten Arbeitsbereich zu linearisieren. Andererseits
haben die vorhergehenden Betrachtungen ergeben, daß man mit Hilfe der Spannungsrückkopplung
den Durchgriff der Röhre beeinflussen und dadurch mit Bezug auf das I" E"-Kennlinienfeld
die für gleiche Gitterspannungsunterschiede gültigen Kennlinien durch nichtlineare
Spannungsrückkopplung äquidistant machen kann.
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Wenn daher in einem Kennlinienfeld die Steilheit der Röhre abhängig
vom Anodenstrom und der Durchgriff der Röhre abhängig von der Anodenspannung ist,
so wird man durch Anwendung einer gemeinsamen nichtlinearen Strom- und nichtlinearen
Spannungsrückkopplung die nichtlinearen Eigenschaften des Kennlinienfeldes kompensieren
bzw. veiringern können. - Bei der Berechnung der nichtlinearen Rückkopplungswiderstände
geht man folgendermaßen vor: Man bestimmt zuerst für die Stromrückkopplung den amplitudenabhängigen
Rückkopplungswiderstand aus dem Kennlinienfeld der Röhre derart, daß die Steilheit,
d. i. die Änderung des Anodenstromes mit der Gitterspannung linear, d. h. nicht
mehr von dem Absolutbetrag des Anodenstromes abhängig ist. Durch diese nichtlineare
Stromrückkopplung erhält man daher eine Röhre mit folgenden Eigenschaften: Die Steilheit
ist durch die nichtlineare Stromrückkopplung lineari@iert worden, der Durchgriff
ist, wie oben erwähnt, aber erhalten geblieben, d. h. wie früher noch abhängig von
der Anodenspannung. Durch weitere Anwendung einer nichtlinearen Spannungsrückkopplung
wird auch der Durchgriff des Kennlinienfeldes linearisiert, d. h. mit beiden Rückkopplungen
ist sowohl die Steilheit als auch der Durchgriff und somit das ganze Kennlinienfeld
der Röhre linearisiert worden.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist in der Abb. 3
dargestellt. Es bezeichnet V wieder die rückgekoppelte Röhre, welcher die zu verstärkende
Spannung an den Klemmen i und :2 zugeführt wird. Im Anodenkreis liegt der Nutzwiderstand
3i", mit welchem einerseits ein Widerstand Rin" in Reihe geschaltet und andererseits
ein aus den Widerständen R und Rk" bestehender (hochohmiger) Spannungsteiler parallel
geschaltet ist. Die Größe des Widerstandes RI;., bestimmt den Grad der Stromrückkopplung,
während die Spannungsrückkopplung durch das Verhältnis des Widerstandes RI" zum
Gesamtwiderstand des Spannungsteilers gegeben ist. Der Anschluß der Primärwicklung
des Transformators T ist so gewählt, daß sie gleichzeitig die von beiden Rückkopplungswiderständen
abgegriffenen Spannungen in den Gitterkreis überträgt. Durch den Transformator wird
die für eine zur Erhöhung der Verstärkung dienende Rückkopplung notwendige Phasendrehung
erzielt. Man kann jedoch in an sich bekahnter Weise auf die Verwendung eines Transformators
bzw. auf die gegensinnige Wicklung desselben verzichten, wenn man die Rückkopplung
auf den Gitterkreis einer vorhergehenden Stufe vornimmt. Die Rückkopplungswiderstände
Rkl bzw. RiH" werden als Ohmsche Widerstände ausgebildet, um frequenzabhängige Phasendrehungen
zu vermeiden. Falls man außer der Verstärkungserhöhung auch eine -Entzerrung der
nichtlinearen Eigenschaften der Röhre erreichen will, verwendet man amplitudenabhängige
Rückkopplungswiderstände, wobei deren Stromspannungsbeziehung so zu wählen ist,
daß die verschiedenen Verzerrungen bzw. Nichtlinearitäten gerade aufgehoben werden.
Geeignete nichtlineare Widerstände besitzt man beispielsweise in Kontaktdetektoren,
Sperrschichtgleichrichtern oder auch Entladungsstrecken, z. B. Elektronenröhre mit
zwei oder mehr Elektroden. Durch Anlegung geeigneter Hilfsspannungen kann man den
Verlauf der Stromspannungscharakteristik der Widerstandselemente in gewünschtem
Sinn beeinflussen.