DE820151C

DE820151C - Schaltung zur Verstaerkung elektrischer Spannungen oder Stroeme

Info

Publication number: DE820151C
Application number: DEN1726A
Authority: DE
Inventors: Johannes Meyer Cluwen; Frederik Hendrik Stieltjes
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1949-08-30
Filing date: 1950-08-27
Publication date: 1951-11-08
Also published as: GB673604A; BE497790A; FR1025054A; NL148404B; CH285605A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Verstärkung elektrischer Spannungen oder Ströme unter Zuhilfenahme einer Anzahl kaskadengeschalteter Stufen. Sie bezweckt insbesondere eine Schaltung zu schaffen, mittels der Spannungen oder Ströme eines besonders weiten Frequenzbereichs, einschließlich der Frequenz Null (Gleichspannung oder Gleichstrom) verstärkt werden können.
Es ist an sich allgemein bekannt, eine elektrische

ίο Spannung unter Zuhilfenahme einer elektrischen Entladungsröhre zu verstärken. Sollen jedoch eine Anzahl von Verstärkern mit je einer elektrischen Entladungsröhre in Kaskade geschaltet werden, so tritt die Schwierigkeit auf, daß der Gleichspannungspegel der Ausgangsspannung des einen Verstärkers wesentlich über den Gleichspannungspegel hinausgeht, auf dem diese Spannung dem nächstfolgenden Verstärker zugeführt werden soll. Auf diese Weise sind gesonderte Vorspannungsquellen zwischen jedem Verstärkerpaar erforderlich zur Herabsetzung des Gleichspannungs- ao pegels dieser Ausgangsspannung auf den erforderlichen Gleichspannungspegel der Eingangsspannung, oder aber es müßte eine galvanische Trennung unter Zuhilfenahme von Sperrkondensatoren vorgesehen werden, in welchem Fall keine Gleichspannungen (Fre- as quenz o) verstärkt werden können.

Ein ähnliches Bedenken gilt bezüglich eines Verstärkers zum Verstärken einer elektrischen Spannung mittels eines Transistors, d. h. eines Verstärkers, der aus einem Kristall mit einer Basiselektrode, einer Emissions- oder Eingangselektrode und einem Kollektor oder einer Ausgangselektrode besteht. Die zu ver-

stärkende Spannung wird z. B. mit geringer positiver Vorspannung gegenüber der Basiselektrode der Eingangselektrode zugeführt, während die verstärkte Spannung der z. B. auf einer hohen negativen Vorspannung gehaltenen Ausgangselektrode entnommen wird.

Ein solcher Transistor hat gegenüber einer elektrischen Entladungsröhre den Vorzug, daß eine besondere Heizstromspeisung unterbleibt, so daß die ίο Zeit, die zwischen dem Einschalten des Verstärkers und seiner Inbetriebnahme verstreicht (Einschaltzeit), praktisch vernachlässigbar ist. Daher wurden bisher als Verwendungsgebiet für einen Transistor stets Schaltungen angesehen, die keine anderen Verstärkerelemente als Transistoren enthielten.

Demgegenüber eröffnet die Erfindung ein bedeutend weiteres Verwendungsgebiet für einen Transistor. Ihr j liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Transistor nur ein Schaltelement mit für bestimmte Schaltungen, namentlich für eine Schaltung von der vorstehend beschriebenen Art, besonders zusagenden Eigenschaften ist, da es sich als auf einfache Weise möglich erweist, die Gleichspannungseinstellungen eines Transistors derart zu wählen, daß, wenn seine Eingangsspannung dem Ausgang einer vorgeschalteten elektrischen Entladungsröhre entspricht, eine verstärkte Ausgangsspannung erzeugt werden kann, die gerade den erforderlichen Gleichspannungspegel hat, um als Eingangsspannung einer folgenden elektrischen Entladungsröhre wirksam zu sein. Auf diese Weise wird eine Kaskade von Verstärkerstufen ermöglicht, bei der keine zusätzlichen Vorspannungsquellen oder galvanische Trennungen vorgesehen zu werden brauchen. Eine ähnliche Aufgabe ergibt sich, wenn eine einfache Eingangsspannung in zwei Gegentaktspannungen umgewandelt werden soll, durch die ein Gegentaktverstärker gesteuert werden soll. Sollen dabei zusätzliche Vorspannungsquellen oder Sperrkondensatoren vermieden werden, so muß der Gleichspannungspegel der beiden Gegentaktspannungen gleich sein.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Vereinigung eines ersten, eine elektrische Entladungsröhre enthaltenden Verstärkers, eines zweiten, einen Transistor enthaltenden Verstärkers, einer Quelle zu verstärkender Spannungen oder Ströme, die in den Eingangskreis eines der beiden Verstärker eingefügt ist, einer galvanischen Kopplung zwischen dem Ausgang dieses Verstärkers und dem Eingang des anderen Verstärkers, in dessen Ausgang die verstärkte Schwingung erzeugt wird.

Infolge der Abwesenheit von Sperrkondensatoren bleiben unerwünschte Phasendrehungen der zu verstärkenden Schwingungen praktisch aus, so daß es möglich ist, eine Rückkopplung zwischen dem Aus- und dem Eingang der Kaskade der Verstärker vorzusehen, ohne daß Selbst schwingen in irgendwelcher Frequenz auftritt. Es ist dabei vorteilhaft, eine positive Rückkopplung zwischen dem Aus- und dem Eingang z. B. einer jeden gesonderten Verstärkervereinigung und eine negative Rückkopplung zwischen dem Aus- und dem Eingang der ganzen Kaskade vorzusehen, weil dabei ■ bei gleichbleibendem Verst ärkungsfaktor die Verzerrung wesentlich geringer wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 stellen Verstärkerschaltungen nach der Erfindung dar, bei denen ein Transistor der N-Type verwendet ist.

Die Fig. 3 und 7 stellen Schaltungen dar, bei denen der Transistor von der P-Type ist. '

Die Fig. 4 und 5 stellen die Kaskade einer Anzahl von Verstärkerschaltungen nach der Erfindung dar.

Die Fig. 6 und 7 stellen Schaltungen dar, bei denen eine Gegentaktstufe durch eine Verstärkerschaltung nach der Erfindung gesteuert wird.

Einander entsprechende Schaltelemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugziffern bezeichnet.

Nach Fig. 1 werden die zu verstärkenden Schwingungen über Eingangsklemmen 1-1 dem Steuergitter einer elektrischen, als erster Verstärker wirksamen Entladungsröhre 2 zugeführt. In den Anodenkreis der Entladungsröhre 2 ist ein Widerstand 3 eingefügt, über den eine verstärkte Spannung entsteht. Diese verstärkte Spannung liegt jedoch auf einem Gleichspannungspegel, der weitaus zu hoch ist, um als Eingangsspannung eines folgenden (nicht dargestellten) Verstärkers wirksam zu sein.

Gemäß der Erfindung ist nun eine galvanische Kopplung zwischen diesem Anodenwiderstand 3 und einem folgenden, einen Transistor 5 enthaltenden Verstärker, angebracht. Der Transistor 5 hat eine Basiselektrode 6, eine Emissions- oder Eingangselektrode 7 und eine Sammel- oder Ausgangselektrode 8. Er ist von der N-Type, d. h. daß die Eingangselektrode 7 eine niedrige, positive Vorspannung gegenüber der Basiselektrode 6 haben muß, während die Ausgangselektrode 8 eine hohe negative Vorspannung gegenüber dieser Basiselektrode 6 haben muß. Die erforderlichen Vorspannungen werden für diese Transistortype beschafft, indem auf die angegebene Weise die Basiselektrode 6 über einen Basiswiderstand 9 mit der Plusklemme der Speisespannungsquelle verbunden wird, wobei die Ausgangselektrode 8 über einen Ausgangswiderstand 10, über den die verstärkte Spannung erzeugt und Ausgangsklemmen 12-12 zugeführt wird, mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle verbunden ist. Da diese verstärkte Spannung etwa den gleichen Gleichspannungspegel wie die Eingangsspannung aufweist, wird es ermöglicht, die Ausgangsklemmen 12 mit einer ahnliehen Verstärkerkombination wie die bereits beschriebene zu verbinden.

Entsprechend der üblichen Verstärkertechnik könnte erwartet werden, daß der Basiswiderstand 9 eine große negative Rückkopplung für die zu verstärkenden Schwingungen herbeiführen würde, so daß, da auch der Eingangswiderstand eines Transistors klein ist, praktisch keine Verstärkung erfolgen würde. Es ergibt sich jedoch, daß dies bei angemessener Wahl des Ausgangswiderstands 10 nicht der Fall ist, wie weiter unten näher erläutert wird.

Für einen Transistor kann bei bestimmter Gleichstromeinstellung die Beziehung zwischen den Spannungsänderungen C₁ bzw. e₂ und den Stromveränderungen I₁ bzw. i₂ an der Eingangselektrode 7 bzw. der Ausgangselektrode 8 gegenüber der Basiselektrodeo

durch nachfolgende Gleichungen wiedergegeben werden:

^ei = ^Rnh

wobei die /ί-Werte durch die Transistoreigenschaften bedingt sind. Dabei erweisen sich A₁₁ und R₁₂ als klein im Verhältnis zu Ti₂₁ und A₂₂.

Weiden die Spannungsänderungen e_x und e₂ gegenüber der Plusklemme der Speisespannungsquelle betrachtet, so muß Rücksicht auf den weiter unten mit dem Symbol R₀ bezeichneten Widerstand 9 genommen werden, wodurch sich die Beziehungen:

e, = (R_n + RJi₁ + (R₁₂ + RJi₂,

e₂ = (R₂₁ + RJi₁ + (R₂₂ + RJi₂,

ergeben. Weiter gilt e₂ = —i₂ R_u, wobei R„ den Wert des Widerstands 10 bezeichnet, so daß sich eine Ausgangsspannung

e» =

ergibt.

Ru + R22 +

Weiter ergibt sich, daß der Transistor für Spannungsänderungen einen Eingangswiderstand R zwischen der Leitung 4 und der Plusklemme der Spannungsquelle gleich:

a + xR₀

R = ■■- -—— ---— , aufweist, wobei

Ru + R22 + Ro

_a — ftf? -i- (R R R R)A-R(R R

und χ = R_u — i?₂₁ + R₂₂ ist.

Nun zeigt sich, daß bei einem Transistor der Ausdruck .R₁₁, R₂₂ — .R₁₂, .R₂₁ einen geringen positiven oder manchmal einen negativen Wert annimmt; weiter ist der Ausdruck Zi₁₁ — R₁₂ stets klein und positiv. Daher ist der Wert α üblicherweise verhältnismäßig klein, da auch A₁₁ klein ist. Hingegen kann der Ausdruck A₂₁ — R₂₂ einen wesentlichen positiven Wert annehmen, so daß erst bei größeren Werten des Ausgangswiderstands R₁₄ die Größe χ positiv ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird R_u etwa gleich R₂₁ — .R₂₂ gewählt, so daß die Größe χ etwa gleich Null ist. In diesem Fall ergibt sich, daß die Größe des Widerstands R₀, d. h. des Basiswiderstandes 9, praktisch keinen Einfluß auf die des EingangswideiStandes R ausübt, die in diesem Fall besonders klein ist und für Spannungsänderungen den Widerstand 3 praktisch kurzschließt. Die Gleichspannungseinstellung des Transistors wird aber doch unter Zuhilfenahme des Widerstands 9 beeinflußt; da dieser Widerstand sowohl vom Ausgangs- als auch vom Eingangsstrom durchflossen wird und da der Ausgangsstrom i₂ negativ und üblicherweise das Zweibis Dreifache des Eingangsstroms I₁ ist, kann ein wesentlicher Spannungsverlust am Widerstand 9 herbeigeführt werden.

Da die Spannung am Ausgangswiderstand R_u zu der Eingangsspannung in Gegenphase ist, kann z. B. unter Zuhilfenahme der Widerstände 15 und 16 eine positive Rückkopplungsspannung über dem Kathodenkreis, hingegen unter Zuhilfenahme der Widerstände 18 und 19 eine negative Rückkopplungsspannung über dem Gitterkreis wirksam gemacht werden.

Fig. 2 stellt eine Abart der Schaltung nach Fig. 1 dar, die darin verschieden ist, daß der Eingangselektrode 7 des Transistors 5 über eine galvanische Verbindung 4 die Spannung über einen Kathodenwiderstand 3 der Röhre 2 zugeführt wird. Die Eingangsspannung kann bei dieser Schaltung auf einem höheren positiven Pegel anfangen. Bei dieser Schaltung kann der Widerstand 3 gegebenenfalls ganz wegfallen. In der Regel kann, wenn eine negative Eingangsspannung zur Verfügung steht, diese zwischen dem Steuergitter und der Anode der Röhre 2 (Klemmen 1'—■ 1") wirksam gemacht werden; in diesem Falle kann die Ausgangsspannung den Klemmen 12' —12" entnommen werden und sie weist den angemessenen Gleichspannungspegel auf, um als Eingangsspannung einer ähnlichen Verstärkerkombination wirksam zu sein.

Fig. 3 stellt eine Schaltung dar, die sich für einen Transistor 5 der P-Type gut eignet, d. h. daß die Eingangselektrode 7 in geringem Maße negativ ist, während die Ausgangselektrode 8 in wesentlichem Maße positiv gegenüber der Basiselektrode 6 eingestellt sein muß. Die Schaltung bildet dabei das Pendant der Schaltung nach Fig. 1. Im linken Teil der Fig. 6 ist eine ähnliche Schaltung für einen P-Transistor dargestellt, die das Pendant der Schaltung nach Fig. 3 bildet.

Die Fig. 4 und 5 stellen Kaskadenschaltungen von Verstärkerkombinationen 20 und 21 dar, die der Schaltung nach Fig. 2 entsprechen, und Verstärkerkombinationen 23 und 24, die der Schaltung nach Fig. ι entsprechen. Die durch die Widerstände 18 herbeigeführten positiven Rückkopplungen jeder Kombination in Fig. 5 werden durch eine negative Rückkopplung unter Zuhilfenahme der Widerstände 25-26-16 ausgeglichen, wodurch die Verstärkung ebenso groß ist wie wenn keine Rückkopplung vorhanden gewesen wäre, wodurch sich jedoch eine wesentliche Verzerrungsverringerung ergibt.

Die Schaltungen geben weiter die Möglichkeit, Gegentaktspannungen zu erzeugen, deren Gleichspannungspegel etwa gleich ist. Es können z. B. bei angemessener Wahl des Widerstands 9 Spannungen der Basiselektrode und der Eingangselektrode 7 des Transistors 5 entnommen werden, die einander gegenphasig sind. Die Spannung am Widerstand 9 ist ja

gleich: eR„ = e_x

x Ro

xR₀+a

. Durch die Wahl χ R₀

= — ¹J₂U wird eR₀ = —e_x gefunden, d.h. daß die am Widerstand 9 erzeugte Wechselspannung gleich und gegenphasig zu der am Widerstand 3 ist, und außerdem ist der Gleichspannungspegel der beiden Wechselspannungen praktisch gleich, da die Gleichspannung zwischen den Elektroden 7 und 6 nur von der Größenordnung von wenigen Zehntel Volt ist. Diese Spannungen werden bei der Schaltung nach Fig. 6 einer Gegentaktstufe 27, 28 mit gemeinsamem Kathodenwiderstand 29 zugeführt, der einen angemessenen Gleichspannungspegel der Kathode der Röhren besorgt, ohne Gegenkopplung zu bewerk-

stelligen. Gegebenenfalls besorgt ein kleiner in den Kathodenkreis der Röhre mit der höchsten Gittergleichspannung eingefügter Widerstand 30 genaue Gleichheit der Gittervorspannungen der Röhren gegenüber ihren Kathoden. Die hier hervorgerufene geringe Gegenkopplung kann durch etwas andere Wahl der Widerstände 9 und/oder 10 ausgeglichen werden.
Ähnliche Abarten sind in den anderen Schaltungen möglich.

Fig. 7 stellt weiter eine Verstärkerschaltung mit einem P-Transistor dar, dessen Ein- und Ausgangsspannung einer ähnlichen Gegentaktstufe 27, 28 zugeführt werden.

Die durch die Erfindung gegebenen neuen Anwendungsmöglichkeiten eines Transistors machen den mechanischen Zusammenbau eines Transistors mit einer elektrischen Entladungsröhre zu einer besonders handlichen Kombination. Es können dabei die Transistorelektroden mit gesonderten Kontaktstiften des Röhrenfußes der elektrischen Entladungsröhre verbunden werden, oder auch kann eine der Elektroden des Transistors, z. B. die Ein- oder Ausgangselektrode im Innern, mit einer der Elektroden der Entladungsröhre verbunden werden, so daß ein einziger Kontaktstift erspart wird. Es kann z. B. bei der Schaltung nach Fig. 1 oder 5 die Eingangselektrode 7 mit der Anode der Entladungsröhre 2 verbunden werden. Gemäß Fig. 2 und 3 hat auch eine Kombination Zweck, bei der diese Eingangselektrode 7 des Transistors mit der Kathode der Entladungsröhre 2 verbunden ist. Da jedoch gemäß Fig. 4 und 5 auf die angegebene Verstärkerschaltung auch eine ähnliche Schaltung folgen kann, hat eine Vorrichtung, bei der ein Transistor 5 mechanisch mit einer elektrischen Entladungsröhre 2 zusammengebaut ist und bei der die Ausgangselektrode 8 des Transistors 5 galvanisch mit dem Gitter der elektrischen Entladungsröhre' 2 verbunden ist, ihre Bedeutung. Es wird daher, je nach dem mit der Verstärkerkombination angestrebten Zweck, die eine oder die andere Wahl eines solchen mechanischen Zusammenbaus getroffen werden.

Claims

Patentansprüche:

i. Schaltung zum Verstärken elektrischer Spannungen oder Ströme, gekennzeichnet durch die Vereinigung eines ersten, eine elektrische Entladungsröhre enthaltenden Verstärkers, eines zweiten, einen Transistor enthaltenden Verstärkers, einer Quelle zu verstärkender Spannungen oder Ströme, die in den Eingangskreis eines der beiden Verstärker eingeschaltet ist, und einer galvanischen Kopplung zwischen dem Ausgang dieses Verstärkers und dem Eingang des anderen Verstärkers, in dessen Ausgang die verstärkte Spannung (Strom) erzeugt wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Widerstand, dessen eine Seite mit der Basiselektrode des Transistors verbunden ist, wobei der anderen Seite dieses Widerstands und der Eingangselektrode des Transistors die Ausgangsspannung der elektrischen Entladungsröhre zugeführt wird und wobei eine verstärkte Spannung an einem Widerstand im Kreis der Ausgangselektrode des Transistors erzeugt wird.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswiderstand etwa gleich R_u = b (R₂₁ — R₂₂) gewählt ist, wobei

e₂ die Spannungsänderung

zwischen der Ausgangselektrode und der Basiselektrode, I₁ die Eingangsstromänderung und i₂ die Ausgangsstromänderung des Transistors und b eine Konstante zwischen 0,5 und 1,2 ist.
4. Schaltung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode oder die Anode der elektrischen Entladungsröhre galvanisch mit der Eingangselektrode eines N-Transistors verbunden ist, dessen Basiselektrode über einen Widerstand mit der Plusklemme der Speisespannungsquelle und dessen Ausgangselektrode über einen Widerstand, über dem die Ausgangspannnug erzeugt wird, mit der Minusklemme der Speisequelle verbunden ist.
5. Schaltung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode oder die Anode der elektrischen Entladungsröhre galvanisch mit der Eingangselektrode eines P-Transistors verbunden ist, dessen Basiselektrode über einen Widerstand mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle und dessen Ausgangselektrode über einen Widerstand, über dem die Ausgangsspannung erzeugt wird, mit der Plusklemme der Speisespannungsquelle verbunden ist.
6. Schaltung zum Verstärken elektrischer Schwingungen, gekennzeichnet durch die Kaskade von Verstärkerschaltungen nach den vorangehenden Ansprüchen mit galvanischen Verbindungen zwischen dem Aus- und Eingang aufeinanderfolgender Verstärker.
7. Schaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine positive Rückkopplung zwischen dem Aus- und Eingang mindestens einer der gesonderten Verstärkerschaltungen und eine negative Rückkopplung zwischen dem Aus- und Eingang der ganzen Kaskade.
8. Vorrichtung für eine Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den mechanischen Zusammenbau einer elektrischen Entladungsröhre und eines Traisistors.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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