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Amplitudenbegrenzer Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer
erprobten Amplitudenbegrenzerschaltung nach Art der Schaltungen, die eine Anzahl
Vakuumröhren mit mehreren Elektroden verwenden und die Begrenzerwirkung dadurch
erreichen, daß die Röhren während eines Teiles jeder Halbwelle mit Anodenstrombegrenzung
arbeiten.
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Es sind bereits zahlreiche Amplitudenbegrenzerschaltungen vorgeschlagen
worden. Die Mehrzahl von ihnen erreicht die Begrenzerwirkung durch Anodenstrombegrenzung
in einer einzigen Mehrelektrodenröhre oder in zwei in Kaskade geschalteten Röhren.
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.'\ml>lituctenbegretizer der ersteren .\rt arbeiten meist mit automatischer
Einstellung der Gittervorspamitttig. indem das Steuergitter über einen Reihenkondensator
und einen Querwiderstand mit dem Eingangskreis verbunden ist. Alle Signale mit einer
Amplitude, die größer ist als die, die benötigt wird, um die Röhre bis zur Sperrung
des Anodenstromes vorzuspannen, werden begrenzt. Bei einem Begrenzer der zweiten
Art begrenzt die eine Röhre die Halbwellen der einen und die andere Röhre die Halbwellen
der anderen Polarität. Beide Arten stellen brauchbare Begrenzer für Koch-oder niederfrequente
Signale dar.
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Ein typischer Anwendungsfall aus der Niederfrequenztechnik ist z.
B. der, bei dem ein sinusförmiges Signal auf ein Begrenzersystem gegeben wird, um
ein Signal von rechteckiger Wellenform' zu erhalten. Eine solche Anordnung wird
gewöhnlich als Rechteckimpulsgenerator bezeichnet. In
diesen -und
anderen Anwendungsfällen haben einzelne Schaltelemente nun oft solche Zeitkonstanten,
daß die Entstehung eines flachen Kopfes in jeder Halbwelle des begrenzten Signals
verhindert wird. Mit anderen Worten, die Zeitkonstanten können bewirken, daß die
Stirnseiten der Halbwellen sich über den Grenzpegel hinausbewegen oder die flachen
Köpfe der begrenzten Halbwellen eine geneigte Charakteristik während des ganzen
Begrenzungsintervalls haben. Diese Zeitkonstanten können die Anordnung auch unwirksam
gegen gemeinsam mit den Nutzsignalen auftretende vorübergehende Störamplituden machen.
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Begrenzerschaltungen mit Gittergleichriciltung werden viel in der
Tecknik der Empfänger für frequenzmodulierte Wellen verwendet. Es ist jedoch sehr
schwierig, mit ihnen einen gleichmäßigen Begrenzungspegel in einem weiten Intensitätsspielraum
des Empfangssignals zu erhalten, und die Begrenzerwirkung wird gewöhnlich mehr oder
weniger durch die Störamplituden beeinflußt. Zudem werden drahtlose Signale meist
durch Resonanzkreise in Form von Bandfiltern mit einem bestimmten Durchlaßbereich
übertragen. Hierbei ergibt sich durch den Gitterstrom der Begrenzerröhre der Nachteil,
daß der Begrenzer eine uner-. wünschte Belastung für den Eingangsresonanzkreis ist,
die nicht nur die Bandfiltercharakteristik ändert und einen solchen Resonanzkreis
verstimmen kann, sondern zudem eine Belastung, die sich in _\hhängigkeit von der
Signalamplitude ändert.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Amplitudenbegrenzerschaltung, die keine
mit wirksamen Zeitkonstanten behafteten Kreise hat und daher eine ausgezeichnete
Begrenzerwirkung für vorübergehende Störungen und einen hohen Verstärkungsgrad bis
zu einem genau einregelbaren vorgegebenen Grenzpegel aufweist.
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Eine weitere Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, eine solche
Begrenzerschaltung vom symmetrischen Typ mit hoher Stabilität auszustatten, so daß
Selbsterregung verhindert wird; eine weitere darin, die Begrenzerwirkung auf einen
verhältnismäßig niedrigen Eingangspegel zu legen und bis zu weit höherem Eingangspegel
aufrechtzuerhalten, als bisher möglich war.
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In einer besonderen Ausführungsform besteht ein erfindungsgemäßer
Amplitudenbegrenzer aus zwei Röhrenverstärkern in Gegentaktschaltung mit gemeinsamem
Eingangs- und Ausgangskreis und einer in einem gemeinsamen Teil liegenden Impedanz,
die durch Gegenkopplung den Verstärkungsgrad jedes der Verstärker bei. Anodenstromunterbrechung
im anderen Verstärker begrenzt. Der Arbeitspunkt des Gegentaktverstärkers wird durch
eine Vorspannung derart eingestellt, daß mindestens die Spitzen aufeinanderfolgender
Halbwellen eines Signals, dessen Amplitude von der Anordnung begrenzt wird, die
Vorspannung bis zur Anodenstromunterbrechung vergrößern, so daß # das Signal auf
einen mit der Vorspannung eingestellten Pegel begrenzt wird.
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Im folgenden werden einige Ausführtxngsbei-
| spiele der Erfindung beschrieben und an einer |
| Zeichnung erläutert. In dieser bedeutet |
| Fig. i das Schaltbild eines Recllteckiillpulsgeile- |
| rators, |
| Fig. 2 eine Kennliilieildar:tcllung zti Fig. i, |
| Fig. 3 das Schaltbild eines Begrenzers in einem |
| Empfänger für frequenznlodtilierte Signale, |
| Fig. ,I das Schaltbild eines anderen Ausführungs- |
| beispiels, |
| Fig. 5 eine Kennliniendarst#2llliilg zu Fig. d, |
| Fig.6 das Schaltbild eines -,N-eitereil Ausfüh- |
| rungsbeispiels. |
| Das Schaltbild nach Fig. i stellt eilen Generator |
| zur Erzeugung rechteckiger Impulse dar. Er be- |
| steht aus einem Paar Röhrem-erstärkern lo, i i mit |
| Trioden, deren Kathoden 14, 1,5 miteinander ver- |
| banden und deren Gitter 12, 13 über einen im Ein- |
| gangskreis liegenden Widerstand 16 init Mittel- |
| anzapfung in Gegentakt geschaltet sind. Der Wider- |
| stand ist über Kondensatoren 17, 18 mit einem |
| Signalgenerator 1g gekoppelt. Dieser schwingt |
| mit einer veihältnistlläß_g niedrigen Frequenz im |
| Hörbereich und erzeugt eine sinusförinige Schwin- |
| gung, wie mit A angedeutet ist. Die Anoden der |
| Verstärker io, ii sind über einen aus einem Wider- |
| stand 22 bestehenden Ausgan-skreis in Gegentakt |
| geschaltet. Die Mittelanzapfung dieses Wider- |
| standes ist ntit der Anodenspainitlngsquelle + 13 |
| verbunden. |
| Die in einem gemeinsanieil Zweig aller Kreise |
| liegende Impedanz besWit aus einem \\' iderstand |
| 23 zwischen der gemeinsamen Kat:iodeilleituilg i.4, |
| 15 und Masse, dessen Widerstand mindestens ver- |
| gleichbar mit, vorzugsweise aber gröber als die |
| reziproke Steifheit der beiden \_erst<irker ist. |
| In der Schaltung ist «-eiter eine Vorspaiinungs- |
| quelie 2.4 vorgesehen, mittels derer die Gitter 12, |
| 13 entsprechend einem bestinunten \A'ert der i"-eg- |
| Kennlinie oberhalb des Anodenstronisperi-punktes |
| der Röhren io, i i derart vorgespatint werden, daß |
| die Spitzen der Halbwellen eines Signals, dessen |
| Amplituden den Begrenzerpegel überschreiten, den |
| Anodenstrom sperren, so daß die Gegenkopplung |
| wirksam wird und den Verst@irkun@sgrad herab- |
| setzt. Der Betrag dieser Vorspailnuilg wird vor- |
| zugsweise beträchtlich kleiner gewäült als der |
| gleichsinnige Spannungsabfall, der an dein Katlio- |
| denwiderstand 23 entstellt. \Venn auch jedem Ver- |
| stärker eine eigene Vorspannung gegeben «-erden |
| kann, so hat eine beiden geille:nsame Vorspannung |
| nicht nur den Vorzug großer Einfachheit und Wirt- |
| schaftlidhkeit, sondern stellt auch sicher, daß beide |
| Verstärker auf den gleichen .Arbeitspunkt ein- |
| gestellt werden, so daß die Begreilzerwirkung in |
| den positiven und negativen flailm-ellen gleich ist. |
| Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: |
| Zunächst sei angenommen, der gleichsinnige Span- |
| nungsabfall, hervorgerufen durch die Emissions- |
| ströme der beiden Röhreil io. ir am Kathoden- |
| widerstand 23 würde beide Gitter so weit negativ |
| vorspannen, daß die anodellströnle fast gesperrt |
| würden, wenn nicht die entsprechend gepolte Vor- |
| spannungsquelle 23 den Gittern eilte positive Vor- |
Spannung erteilen würde. In Fig. 2 bedeutet Kurve B die statische
i"-eg Kennlinie der Verstärkerröhre io für einen bestimmten Wert + B der Anodenspannung;
die Gitterspannung eg ist in üblicher Weise auf der Abszisse und der Anodenstrom
i auf der Ordinate aufgetragen. Die feste Vorspannung habe den Wert e, so daß sich
der Arbeitspunkt des Verstärkers io bei Punkt P der Kennlinie einstellt. Da die
Vorspannungsquelle 24 und der Kathodenwiderstand 23 beiden Verstärkern gemeinsam
ist, stellt sich entsprechend der Arbeitspunkt des Verstärkers i i auf den Punkt
P der Kennlinie C ein. Letztere ist mit den Koordinaten eg' und
i' gegensinnig
zu 13 gezeichnet, wie es für Gegentaktverstärkerstufen üblich ist.
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Um den Eitiftuß des Kathodenwiderstandes 23 auf den Verstärker io
zu erklären, sei zunächst angenommen. daß das Steuergitter 13 des Verstärkers
i i vom Eingangswiderstand 16 getrennt und mit denn positiven Pol der Spannungsquelle
24 verbunden ist. Unter dieser Annahme wird dann ein Signal des Sigciallgenerators
i9 nur dem Verstärker io aufgedrückt und das verstärkte Signal in Gegenphase in
den Eingangskreis desselben über den Kathodenwiderstand 23 gekoppelt. Die Arbeitskennliriie
des Verstärkers lo zeigt dann eine starke Gegenkopplungscharakteristik nach Kurve
D-D.
Wird nun dieselbe Annahme für den Verstärker i i gemacht, so ergibt sich
als dessen Arbeitskennlinie die Kurve D'-D'.
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Sind jedoch beide Verstärker mit dem Eingangskreis 16 bis i9 verbunden,
wie Fig. i zeigt, so sind die von beiden Verstärkern io, ii am Kathodenwiderstand
aus den verstärkten Signalen erzeugten Spannungen dem Betrage nach gleich und in
der Phase entgegengesetzt, so daß sie einander aufheben, solange nicht der Augenblickswert
des aufgedrückten Signals eine der Röhren sperrt. Es sei nun angenommen, daß die
Signalamplitude einen solchen Wert erreicht, daß die Spitzen der Halbwellen einer
Polarität den Verstärker i i sperren und die Spitzen der Halbwellen entgegengesetzter
Polarität den anderen Verstärker io. Der Kathodenwiderstand 23 erzeugt dann eine
Gegenkopplung während der Intervalle, in denen einer der beiden Verstärker gesperrt
ist, so daß die Arbeitskennlinie der Gegentaktschaltung nach Kurve D',
E, F, G, D (Fig.2) verläuft. Die Schaltung begrenzt also die Amplituden auf
einen Pegel, der durch die Größe der Vorspannung 24 gegeben ist, und erzeugt im
Ausgangskreis ein Signal von begrenzter Amplitude und angenähert rechteckiger Kurvenform,
wie mit Kurve H in Fig. i angedeutet.
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Damit wird deutlich, daß die Verstärker io, ii in üblicher G°gentaktschaltung
alle Signalamplituden verstärken, deren Augenblickswert unterhalb einer vorbestimmten
Grenze liegen, dagegen solche Amplituden sehr wenig verstärken, die diese Grenze
überschreiten. Diese Grenze kann leicht durch Wahl des Widerstandes 23 und des `'Wertes
der Vorspannungsquelle 24 eingestellt werden. Die Begrenzung des Signals in der
Schaltung nach Fig. i ist symmetrisch dank der Tatsache, daß Widerstand 23 und Vorspannungsquelle
24 beiden Verstärkern gemeinsam sind.
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Fig. 3 zeigt die Schaltung (z. T. als Blockschaltbild) eines vollständigen
Empfängers für den Empfang frequenzmodulierter Signale mit einer etwas abgewandelten
Schaltung eines Begrenzers, der dem nach Fig. i im wesentlichen ähnlich ist; übereinstimmende
Elemente tragen gleiche Bezugszeichen, ähnliche Elemente einfach gestrichene. Der
Empfänger besitzt einen Oszillatormodulator 26, dessen Eingangskreis mit dem Antennensystem
27 und dessen Ausgangskreis mit dem Zwisc'henfrequenzverstärker 28 gekoppelt ist.
Mit dem Ausgangskreis des letzteren sind in der Reihenfolge der Aufzählung in Kaskade
geschaltet: ein Amplitudenbegrenzer 29, der noch näher beschrieben wird, ein Frequenzdetektor
30, ein Niederfrequenzverstärker 31 und ein elektroakustischer Wandler 32.
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Die verschiedenen Einheiten können bis auf den Begrenzer von bekannter
Art sein, so daß sich ihre Beschreibung erübrigt. Die Arbeitsweise des Empfänger
als Ganzes ist kurz folgende: In dem Oszillatormodulator 26 wird eine gewünschte
frequenzmodulierte Welle ausgesiebt und in ein frequenzmoduliertes Zwischenfrequenzsignal
umgewandelt, das in dem Zwischenfrequenzverstärker 28 verstärkt, in dem Amplitudenbegrenzer
29 auf eine vorgegebene konstante Amplitude begrenzt und in dem Frequenzdetektor
3o demoduliert wird. Die so erhaltene Modulationsfrequenz wird in dem Niederfrequenzverstärker
31 verstärkt und von dem Wandler 32 in bekannter Weise in akustische Schwingungen
umgesetzt.
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Der Amplitudenbegrenzer 29 soll das Zwischenfrequenzsignal beschneiden.
Er besitzt einen Eingangsresonanzkreis aus einer Spule 33 mit Mittelanzapfung und
einem Kondensator 34, der auf einen Mittelwert der Zwischenfrequenz abgestimmt und
mit dem abgestimmten Ausgangskreis des Zwischenfrequenzverstärkers 28 gekoppelt
ist. Der Eingangskreis 33, 34 ist mit dem Gegentaktverstärker iö , i i' gekoppelt.
Die Verstärkerröhren sind vorzugsweise vom Pentodentyp. Ihre Schirmgitter 35 dienen
dazu, die Rückkopplung der Signalenergie aus dem Ausgangs- in den Eingangskreis
herabzusetzen. Die Ausgangskreise sind in Gegentaktschaltung mit der mittelangezapften
Spule 36 verbunden, die mit zwei in üblicher Weise auf ein Seitenband abgestimmten
Eingangskreisen 37, 38 des Frequenzdetektors 30 gekoppelt ist. In dem vorliegenden
Begrenzer besteht die Gegenkopplungsimpedanz aus einer mit einem kleinen Widerstand
24 in Serie im gemeinsamen Kathodenkreis liegenden Spule 23'. An dem Widerstand
24 entsteht eine in einer Richtung wirkende Vorspannung, die den gewählten Arbeitspunkt
der Kennlinien beider Verstärker bestimmt. Die Kapazität der Kathoden der Röhren
iö , i i' gegen Masse bildet für die Zwischenfrequenz einen Nebenschluß zu der Gegenkopplungsimpedanz.
Deshalb sind Spule 23' und Widerstand 24 durch einen Trimmer 39 überbrückt, der
zusammen mit der Induktivität
der Spule 23' und den Kathodenkapazitäten
einen Parallelresonanzkreis für die Zwischenfrequenz bildet. Ein solcher Resonanzkreis
hat bekanntlich einen höhen Widerstand und verringert in der Schaltung den Einfluß
der Kathodenkapazitäten.
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Die Wirkungsweise des Amplitudenbegrenzers 29 ist ganz ähnlich dem
in Fig. i beschriebenen. Die Gegenkopplung durch die Spule 23' begrenzt den Verstärkungsgrad
der Verstärker iö, i i', sobald einer von ihnen durch das aufgedrückte Zwischxnfrequenzsignal
bis zur Sperrung des Anodenstroms negativ vorgespannt wird. Die Schirmgitter 35
der beiden Verstärkerröhren verhindern eine kapazitive Kopplung zwischen den Steuergittern
und Anoden, die sonst die Begrenzerwirkung verschlechtern würde.
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Fig. 4 zeigt die Schaltung eines Begrenzers, der bis auf eine Erweiterung
den in Fig. i und 3 dargestellten sehr ähnlich ist. Er besitzt zusätzlich zu dem
Gegentaktverstärker iö , i i' ein weiteres Röhrenverstärkerpaar 41, 42, deren Gitter
mit dem Eingangskreis 33, 34 und deren Anoden mit der Spule 36 verbunden sind. Die
Schaltung erfolgt jedoch gegenüber dem Verstärker i ö , i i' über Kreuz, indem die
Steuergitter mit denselben Seiten des Eingangskreises, die Anoden aber mit entgegengesetzten
Klemmen der Spule 36 verbunden sind. Der Verstärker 41 besitzt einen gegenkoppelnden
Kathodenwiderstand 43, dessen Wert vorzugsweise weit größer als die reziproke Steilheit
des Verstärkers ist, so daß dessen Arbeitskennlinie angenähert dieselbe Neigung,
wenn auch mit entgegengesetzter Richtung, hat wie der Verstärker iö und wie sie
durch die Kurve D-D in Fig.2 dargestellt ist. Der Verstärker 42 besitzt einen ähnlichen
Kathodenwiderstand 44, dessen Wert gleich dem des Widerstandes 43 ist. Eine Spule
45 liegt mit einem Kondensator 46 in Reihe parallel zu dem Widerstand 43 und bildet
mit der Kathodenkapazität der Röhre 41 einen Paral'lelresonanzkreis mit einem großen
Widerstand gegen Masse, so daß die Nehenschlußwirkung der Kathodenkapazität zu dem
Widerstand 43 für die Zwischenfrequenz verringert wird. Eine entsprechende Spule
47 und entsprechender Kondensator 48 liegen im Kathodenkreis des Verstärkers 42.
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Fig. 5, die der Einfachheit halber nur die Kennlinien der einen Hälfte
des. Begrenzers zeigt, erklärt die Wirkungsweise. Kurve D-D der Figur entspricht
der gleichbezeichneten Kurve in Fig. 2 und stellt die Gegenkopplungscharakteristik
des Verstärkers iö dar. - Kurve K-K von gleicher, aber entgegengesetzter Neigung
ist die Charakteristik des Verstärkers 41; die entgegengesetzte Neigung ergibt sich
aus der Kreuzschaltung zwischen Eingang und Ausgang der Schaltung. Die resultierende
Charakteristik für beide Verstärker iö und 41 hat also die Neigung Null, wie die
gestrichelte Linie P-L veranschaulicht. Dadurch haben die positiven und negativen
Halbwellen des begrenzten Signals zu allen Zeitpunkten sehr gleichmäßige Amplituden,
gleich ob der Verstärker iö oder i i' gesperrt ist. Solange in den beiden Verstärkern
io', i i' Anodenstrom fließt, ist der Einfluß der Verstärker 41, 42 Wegen ihrer
großen und konstanten Gegenkopplung vernachlässigbar. Im übrigen entspricht die
Wirkungsweise dieser Schaltung der vorher an Fig.3 besprochenen.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Schaltung
nach Fig.3; gleiche Schaltelemente sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet,
ähnliche durch doppelt gestrichene. Diese Schaltung verwendet die Gitterbasisschaltung,
bei der die Gitter 12" und 13" der Verstärker iö' bzw. i i" über die Vorspannungsquelle
an Masse liegen, während die Kathoden 1:' und 15" mit entsprechenden Polen des Eingangsresonanzkreises
33", 34' verbunden sind. Die Kathodenimpedanz 23" ist allgemein mit Z bezeichnet
und kann.entweder als Kathodenwiderstand nach Schaltung Fig. i oder als Kathodeninduktivität
nach Fig.3 und 4 ausgeführt sein. Sie liegt zwischen der Mittelanzapfung der Wicklung
33" und Masse. Die Abstimmkondensatoren 34" des Eingangskreises liegen zwischen
den Klemmen der Spule 33" und Masse. Diese Kondensatoren, zusammen mit den Kathodenkapazitäten
der Röhren io" und i i", stimmen den Eingangskreis auf die mittlere Frequenz des
empfangenen Signals all und verringern zugleich die Nebenschlußwirkung der Kathodenkapazitäten.
Die Erdung der Gitter 12" und 13" über die Vorspannung 2.1 trägt wesentlich dazu
bei, die Rückkopplung von Energie aus dem Ausgangsin den Eingangskreis über die
Anoden-Kathoden-Kapazitäten der Röhren zu verringern. Iin übrigen entspricht die
Wirkung des Amplitudenbegrenzers dem nach Schaltung der Fig. 3.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Amplitudenbegrenzers ist, daß er
weder im Eingangs- noch im Ausgangskreis Zeitkonstantenglieder besitzt, so daß er
auch kurzzeitige Störsignale sehr wirksam begrenzt. Ein weiterer Vorzug besteht
darin, daß die Begrenzerröhren einen praktisch unendlich höhen Eingangswiderstand
aufweisen, weil die Begrenzerwirkung eintritt, ohne daß die Steuergitter dem Eingangskreis
Strom entnehmen; dadurch wird die unerwünschte Belastung des Eingangskreises mit
ihren Folgen der Änderung der Bandfiltereigenschaften oder einer Verstimmung vermieden.
Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen und genauen Einstellmöglichkeit für
den Begrenzerpegel auf jeden gewünschten \\'ert und im der Stabilität. Schließlich
liefert der erfindungsgemäße Amplitudenbegrenzer einen praktisch gleichmäßigen Begrenzerpegel
in einem wesentlich weiteren Bereich des Eingangssignalpegels, als mit bekannten
Schalttangen zu erreiclaen war.