DE815198C

DE815198C - Schaltung zur Verstaerkung eines elektrischen Signals

Info

Publication number: DE815198C
Application number: DEP25637D
Authority: DE
Inventors: Gerard Hepp
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1946-03-30
Filing date: 1948-12-21
Publication date: 1951-10-01
Also published as: US2611039A; DE815199C; FR945473A; CH262681A; BE472251A; CH256971A; GB647196A; GB647195A; NL69054C; BE472252A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Verstärken eines elektrischen Signals, bei der dieses Signal nebst einer Hilfsschwingung einem elektrischen Kreis zugeführt wird, in dem ein Kondensator mit einem Dielektrikum liegt, dessen Eigenschaften von der über dem Kondensator auftretenden Spannung und/oder von dem durch den Kondensator fließenden Strom abhängig sind (Modulation). Einer der im Kreis auftretenden

ίο modulierten Schwingungen, insbesondere der modulierten Hilfsschwingung, wird dann durch Demodulation das verstärkte Signal entnommen. Erfindungsgetnäß wird das verstärkte Signal völlig oder teilweise, in positivem oder in negativem Sinne, nach dem \lodulatorteil der Schaltung rückgekoppelt, und zwar über eine in dem Kreise vorgesehene Impedanz, über der eine von einem Gleichrichter aus der Ausgangsenergie abgeleitete Spannung auftritt.

Bei einer positiven Rückkopplung wird die Verstärkung erhöht und bei einer negativen Rückkopplung werden eine mehr lineare Verstärkung und eine größere Stabilität erzielt.

Als Dielektrikum für den Kondensator können ein Seignettesalz oder KH₂PO₄ und einige hiermit isomorphe Verbindungen verwendet werden.

Günstige Ergebnisse werden auch mit Stoffen erhalten, die im wesentlichen aus Vertretern des ternären Systems BaTiO₃-SrTiO₃-PbTiO₃ bestehen. Es ist nicht erforderlich, daß die drei Komponenten des ternären Systems alle gleichzeitig vorhanden sind.

Sehr gute Ergebnisse werden mit Dielektriken erzielt, die im wesentlichen aus BaTiO₃ oder aus Vertretern des binären Systems BaTiO₃—SrTiO₃, z.B. aus Ba Ti O₃ mit höchstens 35MoL¹V₀ Sr Ti O₃ bestehen. Wenn die Schaltung bei Zimmertemperatur verwendet wird, ist es zweckmäßig, den Prozentsatz SrTiO₃ zwischen 15 und 30% zu wählen. Die verschiedenen binären und ternären Erzeugnisse bilden homogene Mischkristalle, die, ebenso wie die zusammengesetzten Rohmaterialien, eine Perowskitstruktur aufweisen.

Die Eigenschaften des Dielektrikums brauchen

nicht nur spannungs- und/oder stromabhängig zu sein. In der Regel weist die Dielektrizitätskonstante, häufig auch der Verlustwinkel und bisweilen beide diese Abhängigkeit auf.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

ao In Fig. 1 ist mit 1 die Quelle bezeichnet, die das zu verstärkende Signal, z. B. ein Niederfrequenzsignal, oder eine Gleichspannung liefert. Es ist im allgemeinen erwünscht, daß das Signal den Charakter einer Gleichspannung hat. Es kann z. B. aus der Überlagerung einer Wechselspannung und einer Gleichspannung bestehen, in der Weise, daß das kombinierte Signal immer die gleiche Polarität aufweist. Diese Polarität ist in der Figur angegeben. Unter bestimmten Verhältnissen kann die Polarität aber auch von entgegengesetztem Zeichen sein.

In dem Kreis, in dem sich die Quelle 1 befindet,

sind ferner noch ein Kondensator 2 mit einem Dielektrikum 3, die Sekundärwicklung 5 eines Transformators 4 und ein als Ausgangsimpedanz dienender Widerstand 8 eingeschaltet.

Der Primärwicklung des Transformators 4 wird eine Wechselspannung zugeführt. Folglich wird über die Sekundärwicklung 5 im obenerwähnten Kreis des Kondensators 2 eine Wechselspannung induziert, die in diesem Kreis als Hilfsschwingung wirksam ist.

Bei der Verstärkung von Niederfrequenzschwingungen, wozu sich die Schaltung besonders eignet, muß die Frequenz der Hilfsschwingung höher sein als und vorzugsweise hoch sein gegenüber der höchsten bei den zu verstärkenden Schwingungen vorkommenden Frequenz.

Als Dielektrikum 3 ist ein Stoff gewählt, dessen Eigenschaften von der über den Kondensator 2 auftretenden Spannung und/oder von dem durch diesen Kondensator fließenden Strom abhängig sind, z. B. Seignettesalz oder eines der obenerwähnten Perowskite. Diese Abhängigkeit ist häufig verwickelt, da die erwähnten Eigenschaften in der Regel nicht nur von der Signalspannung, sondern auch von der Hilfsspannung abhängig sind.

Wenn, wie im Vorstehenden bereits angegeben wurde, die kombinierte Signalspannung den Charakter einer Gleichspannung aufweist, deren Polarität dauernd gleich bleibt und die Hilfsspannung einen konstanten Wert hat, ergibt sich, daß die Dielektrizitätskonstante ε der erwähnten Dielektriken im allgemeinen bei Zunahme der Signalspannung abnimmt. Bei den erwähnten Perowskiten gibt es aber auch Gebiete, in denen gerade das Umgekehrte stattfindet. Bei der praktischen Anwendung der erwähnten Dielektriken muß dieser Umstand naturgemäß berücksichtigt werden.

Infolge der nichtlinearen Eigenschaften des Kondensators 2 wird unter anderen die Hilfsschwingung mit dem Signal in der Amplitude moduliert. Der modulierten Hilfsschwingung kann sodann durch Demodulierung das verstärkte Signal entnommen werden. Dies erfolgt mittels einer Diode 12 in .Verbindung mit der Parallelschaltung eines Widerstandes 13 und eines Kondensators 14. Das verstärkte Signal kann dem Widerstand 13 entnommen werden.

Gemäß der Erfindung wird eine Rückkopplung des verstärkten Signals dadurch erreicht, daß die über den Widerstand 8 auftretende, durch Gleichrichtung erhaltene Spannung auf den Modulatorteil zurückwirkt.

Auch wenn kein Signal vorhanden ist, tritt über dep Widerstand 8 eine Gleichspannung auf, welche durch die Gleichrichtung der Hilfsschwingung entsteht; die Polarität dieser Spannung ist in der Figur angegeben. Im Nachfolgenden wird einfachheithalber angenommen, daß diese Spannung die Polarität der über den Kondensator auftretenden Gesamtsignalspannung nicht beeinflußt, was z. B. dadurch erreicht werden kann, daß man die zum Signal gehörende konstante Vorspannung genügend groß wählt oder die beiden Spannungen in gleicher Richtung wirken läßt (siehe Fig. 1).

Die positive oder negative Rückkopplung ergibt sich aus den über den Widerstand 8 auftretenden Spannungsänderungen, welche infolge des Vorhandenseins des Signals entstehen.

Wird angenommen, daß bei zunehmender Signalspanriung die Dielektrizitätskonstante ε, also die Kapazität des· Kondensators abnimmt und damit die Impedanz des Kreises zunimmt, so werden bei Zunahme der Signalspannung der Strom der Hilfsschwingung und auch die gleichgerichtete Spannung über den Widerstand 8 abnehmen. Es tritt daher eine negative Rückkopplung (Gegenkopplung) auf.

Wird die Diode in umgekehrter Richtung geschaltet oder wird die Polarität des zu verstärkenden Signals umgedreht, so tritt eine positive Rückkopplung auf. Durch die Anwendung einer positiven Rückkopplung wird eine größere Verstärkung erreicht, während durch die Anwendung einer negativen Rückkopplung eine mehr lineare Verstärkung öder eine größere Stabilität der Schaltung erzielt wird.

Die Schaltung nach Fig. 2 entspricht teilweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung. Der Kreis des Kondensators 2 ist in diesem Falle aber mittels eines Transformators 15 mit dem Kreis induktiv gekoppelt, in dem sich die Diode 12 befindet. Auf diese Weise ergibt sich eine größere Spannungsverstärkung und folglich eine bessere Rückkopplung. Um den durch den Transformator 15 fließenden

Strom mit der Frequenz der Hilfsschwingung möglichst herabzusetzen, ist die Schaltung in Gegentakt ausgeführt, was dadurch erreicht ist, daß parallel zur Reihenschaltung der Sekundärwicklung 5 und des Kondensators 2 eine zweite Reihenschaltung angebracht wird, die aus einer weiteren Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 und einem veränderlichen Kondensator 9 mit einem nichtspannungsabhängigen Dielektrikum, beispielsweise mit Luft als Dielektrikum, besteht. Der Kondensator 9 wird derart eingestellt, daß bei Abwesenheit eines Signals kein Strom oder nahezu kein Strom mit der Frequenz der Hilfsschwingung durch den Kreis der Schaltung fließt, in dem die Primärwicklung des Transformators 15 eingeschaltet ist. Diese Einstellung kann auch dadurch verbessert werden, daß, wie in der Figur angegeben, parallel zu dem Kondensator 9 eine aus einem veränderlichen Kondensator 10 und einem Widerstand 11 bestehende Reihenschaltung angebracht wird.

Durch eine geeignete Einstellung des Kondensators 10 und des Widerstandes 11 können die Verluste des Kondensators 2 nachgebildet werden, so daß ein nahezu völliger Ausgleich des Stroms der Hiltsschwingung erreichbar ist.

Ein noch etwas besserer Ausgleich ergibt sich dadurch, daß der veränderliche Kondensator 9 und die Reihenschaltung des Widerstandes 11 und des veränderlichen Kondensators 10 durch einen in der Figur nicht dargestellten Kondensator ersetzt werden, der die gleiche Dielektrikumart besitzt wie der Kondensator 2 und dadurch, daß in Reihe mit den Kondensatoren Gleichspannungsquellen angebracht werden, die über die entsprechenden Kondensatoren Vorspannungen herbeiführen, die einen höheren Wert haben als die Signalspannung und für die beiden Kondensatoren von entgegengesetztem Zeichen sind. Folglich nimmt bei Zunahme des Signal wertes der Absolutwert der Spannung in einem Schaltungszweig zu und im anderen Schaltungszweig ab. Die Schaltung wird derart eingestellt, daß, wenn die Spannung der Quelle 1 gleich Null ist, die Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren einander gleich sind. Diese Schaltung bietet den Vorteil, daß Temperaturänderungen den Ausgleich nicht beeinflussen.

Die beschriebenen Schaltungen eignen sich nicht nur zum Verstärken von Niederfrequenzsignalen und Gleichspannungen, sondern auch zum Verstärken von einer Trägerwelle aufmodulierten Signalen und können z. B. auch in Rundfunkempfängern verwendet werden.

Es ist unter Umständen zweckmäßig, im Kreis einen oder mehrere Schwingungskreise anzubringen, die auf die Frequenz der Hilfsschwingung oder auf eine Harmonische dieser Frequenz oder auf die Differenzfrequenz der Hilfsschwingung und des zu verstärkenden Signals abgestimmt sind. Den über diese Kreise auftretenden modulierten Schwingungen kann, gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung, durch Demodulierung das verstärkte Signal entnommen werden.

Es ist nicht erforderlich, die Signalquelle, die Hilfsschwingungsquelle, den Kondensator und die Ausgangsimpedanz oder den Demodulator im elektrischen Kreis in Reihe zu schalten. Es ist auch möglich, eine Anzahl dieser Elemente parallel zu schalten, vorausgesetzt, daß das Auftreten unerwünschter Kurzschlüsse für die in den Kreisen wirksamen Schwingungen vermieden wird.

Wird eine positive Rückkopplung von ausreichender Stärke verwendet, so lassen sich im Kreis Schwingungen erzeugen; wird die Erzeugung sinusförmiger Schwingungen gewünscht, so muß im Kreis ein geeigneter Schwingungskreis eingeschaltet werden.

Zur besseren Spannungsverstärkung können eine Anzahl von Kondensatoren mit einem spannungs- und/oder stromabhängigen Dielektrikum im Kreis angebracht werden, die beispielsweise von der Signalquelle in Parallelschaltung und von der Hilfsspannungsquelle in Reihenschaltung gespeist werden.

Claims

Patentansprüche:

ι. Schaltung zum Verstärken eines elektrischen Signals, bei der dieses Signal nebst einer Hilfsschwingung einem elektrischen Kreis zugeführt wird, in den ein Kondensator mit einem Dielektrikum eingeschaltet ist, dessen Eigenschaften von der über dem Kondensator auttretenden Spannung und/oder dem durch den Kondensator fließenden Strom abhängig sind (Modulation) und einer der im Kreis auftretenden modulierten Schwingungen, insbesondere der modulierten Hilfsschwingung, durch Demodulierung das verstärkte Signal entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreise eine Impedanz vorgesehen ist, über der eine von einem Gleichrichter aus der Ausgangsenergie abgeleitete Spannung auftritt, wobei diese Spannung in positivem oder in negativem Sinne der zu verstärkenden Signalspannung überlagert wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im erwähnten Kreis ein Widerstand angebracht ist, an dem die vom Demodulator gelieferte Signalspannung auftritt.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschaltung in Gegentakt ausgeführt wird, und zwar in der Weise, daß bei Abwesenheit eines Signals keine oder nahezu keine Spannung der Hilfsschwingung über den Demodulator bzw. über die Impedanz auftritt, mit deren Hilfe die modulierten Schwingungen auf den Demodulator übertragen werden.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gegentaktzweig der obenerwähnte Kondensator und im anderen Gegentaktzweig eine oder mehrere Kapazitäten und gegebenenfalls ein oder mehrere Widerstände angebracht sind, wobei die Einstellung

derart ist, daß bei Abwesenheit eines Signals die Schaltung sich hinsichtlich der Hilfsschwingung in Gegentakt befindet.
5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gegentaktzweigen je ein Kondensator und eine Gleichspannungsquelle angebracht sind, wobei die Kondensatoren mit dem gleichen spannungs- und/oder stromabhängigen Dielektrikum versehen sind und die Gleichspannungsquellen den Kondensatoren Vorspannungen von entgegengesetztem Zeichen geben und ferner die Gleichspannungen einen höheren Wert haben als die Signalspannung.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einschließlich, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum ein Seignettesalz oder ein Stoff verwendet wird, der im wesentlichen aus einem Vertreter des ternären Systems

BaTiO₃—

SrTiO₃-Pb Ti O₃ besteht.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum im wesentlichen ein Stoff verwendet wird, der aus BaTi O₃ mit höchstens 35 Mol.°/o SrTiO₃ besteht.
8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum im wesentlichen ein Stoff verwendet wird, der aus einem Mischkristall von BaTiO₃ und zwischen 15 und 30%> SrTiO₃ besteht.
9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine positive Rückkopplung von solcher Stärke verwendet wird, daß das Signal im Kreis selbst erzeugt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 1556 9.