DE859035C

DE859035C - Verstaerkerschaltung mit Gegenkopplung

Info

Publication number: DE859035C
Application number: DEG2670D
Authority: DE
Inventors: Leslie Ivan Farren
Original assignee: General Electric Co PLC
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 1935-08-28
Filing date: 1936-07-28
Publication date: 1952-12-11
Also published as: GB453246A

Description

Es sind mehrstufige Verstärker bekannt, die mit einem Rückkopplungskreis versehen sind, über den ein Teil der Ausgangsspannung der letzten Stufe dem Eingang der ersten Stufe zugeführt wird. Die Phase dieser Rückkopplungsspannung ist bezüglich der dem Eingang zugeführten Spannung so gewählt, daß innerhalb des Arbeitsbereiches der Verstärkungsgrad des gesamten Verstärkers kleiner ist als ohne Anwendung der Rückkopplung. Diese negative Rückkopplung hat in erster Linie den Zweck, die nichtlinearen Verzerrungen zu verringern.

Es ist bekannt, daß der Betrag der negativen Rückkopplung, der erreicht werden kann, und damit die erreichbare Verminderung nichtlinearer Verzerrungen durch die Phasendrehungen begrenzt ist, die in Abhängigkeit von der Frequenz innerhalb des Verstärkers und insbesondere in den Kopplungsmitteln der einzelnen Verstärkerstufen auftreten. Soll die Rückkopplung innerhalb des Nutzfrequenzbereiches negativ sein, so muß die Phasendifferenz zwischen der eingangsseitig zugeführten Spannung und der Rückkopplungsspannung größer als go° sein

*) Von der Patentsucherin ist als der Erfinder angegeben worden:

Leslie Ivan Farren, Wembley, Middlesex (Großbritannien)

und vorzugsweise ungefähr i8o° betragen. Für außerhalb des Nutzfrequenzbereiches liegende Frequenzen kann die Phasendifferenz kleinere Werte als 90 annehmen und unter Umständen o° betragen. In diesem Fall ist die Rückkopplung positiv. Es entstehen dann leicht Eigenschwingungen im Verstärker, die den Betrieb des Verstärkers unstabil machen können.

Die Erfindung bezweckt, den Betrag der negativen Rückkopplung zu vergrößern, ohne die Stabilität - des Verstärkers innerhalb des Nutzfrequenzbsreiches zu gefährden.

Hat der Verstärker einen Verstärkungsgrad μ und einen Rückkopplungsgrad ß, so besteht, wenn unter E die Ausgangsspannung der letzten Stufe des Verstärkers und unter β die Eingangsspannung der ersten Stufe verstanden wird, die Beziehung

E =

(ι)

τ-μβ ·

Eine negative Rückkopplung bewirkt also, daß der normale Verstärkungsgrad entsprechend dem

Faktor verkleinert wird, denn gemäß Fig. 1

ΐ—μβ

ist bei negativer Rückkopplung die Größe von μβ negativ. Unter Verstärkungsgrad wird der Faktor verstanden, mit dem die resultierende, dem Gitter der ersten Stufe des Verstärkers zugeführte Spannung multipliziert werden muß, damit das Produkt gleich der Ausgangsspannung der letzten Stufe des Verstärkers ist. Unter Rückkopplungsgrad ist derjenige - Faktor zu verstehen, mit dem die Ausgangsspannung der letzten Stufe des Verstärkers multipliziert werden muß, damit das Produkt gleich der rückgekoppelten Spannung ist, die dem Eingang der ersten Stufe zusätzlich zugeführt wird.

Infolge des Vorhandenseins von Reaktanzen in den Röhren und deren Kopplungsmitteln sind der Verstärkungsgrad μ und der Rückkopplungsgrad β und ihr Produkt μ · β komplexe Größen, die durch einen absoluten Wert und durch einen Phasenwinkel gekennzeichnet sind. Absoluter Wert und Phasenwinkel ändern sich mit der Frequenz. Der Phasenwinkel von μβ kann sich zwischen Null und 360⁰ ändern, so daß, wenn absoluter Wert und Phasenwinkel von μβ in üblicher Weise durch Polarkoordinaten dargestellt werden, eine geschlossene Kurve entsteht, deren verschiedene Punkte verschiedenen bestimmten Frequenzen entsprechen. Eine bekannte Kurve dieser. Art ist in Fig. 1 dargestellt. Die Länge des Radius ist mit μ · β und der Phasenwinkel gegen die Nullachse ist mit φ bezeichnet.

Eine bekannte Bedingung für die Stabilität des

Verstärkers lautet, daß die μβ-Κητνβ den mit 1,0 bezeichneten Punkt nicht einschließen darf. Der Verstärker, zu dem die in Fig. 1 dargestellte Kurve gehört, ist also stabil.

Es ist ferner wünschenswert, daß innerhalb des Nutzfrequenzbereiches der Betrag des Verstärkungsgrades möglichst groß, beispielsweise größer als 100, ist und sich mit der Frequenz nur langsam ändert. Es wird ferner verlangt, daß der Phasenwinkel φ im Nutzfrequenzbereich ungefähr i8o° beträgt. Sollen diese Bedingungen eingehalten werden und soll ebenfalls der Betrag von μβ<.τ sein, wenn der Phasenwinkel φ ungefähr Null ist, so muß ein Bereich zwischen Null und i8o° vorhanden sein, innerhalb dessen sich der Betrag von μ schnell mit dem Phasenwinkel ändert, so daß ein verhältnismäßig starker Abfall des Betrages von μ für geringe Änderungen des Phasenwinkels stattfindet. Hier entstehen bekanntlich Schwierigkeiten, wenn es sich beispielsweise um einen mehrstufigen Verstärker handelt, der mit gleichartigen Widerstandskapazitätsgliedern zwischen den Stufen ausgerüstet ist. Bei derartigen Kopplungsgliedern sinkt das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung einer Röhre und der Ausgangsspannung der vorhergehenden Röhre bei einer Frequenz, die eine Phasenänderung von 6o° zwischen diesen Spannungen bewirkt, auf den Betrag ^x/₂. Es würden also drei gleiche derartige Kopplungsglieder den Verstärkungsgrad bei dieser Frequenz auf ein Achtel seines normalen Wertes verringern und dabei eine Gesamtphasendrehung um i8o° bewirken. Ein derartiger Verstärker, der für den Nutzfrequenzbereich voll negativ rückgekoppelt ist, ist also für diejenigen Frequenzen, für die der Phasenwinkel des Vektors μ' β ungefähr Null beträgt, instabil positiv rückgekoppelt, sofern nicht der Wert des Verstärkungsgrades kleiner als 8 ist. Dies wäre ein unerwünscht kleiner Wert.

Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten sind Schaltungen bekanntgeworden, bei denen außer einer mehrere Stufen umfassenden negativen Rückkopplung bei mindestens einer dieser Stufen zusätzlich eine negative Rückkopplung durchgeführt wird. Diese negative Rückkopplung ist so bemessen, daß nur bei Frequenzen außerhalb des Nutzfrequenzbereiches eine beträchtliche Verminderung des Verstärkungsgrades der betreffenden Stufen eintritt. Bei dieser bekannten Schaltung wurde die zusätzliche negative Rückkopplung mit Hilfe einer Parallelschaltung aus einer Induktivität, einer Kapazität und einem Ohmschen Widerstand erzeugt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die durch die zusätzliche negative Rückkopplung herbeigeführte Zusatzdämpfung oberhalb der Resonanzfrequenz des aus der Induktivität und der Kapazität gebildeten Schwingungskreises wieder abnimmt. Hierdurch ist die Gefahr gegeben, daß für die höheren Frequenzgebiete eine positive no Rückkopplung auftreten kann, sobald der resultierende Phasenwinkel einen ungünstigen Verlauf zeigt.

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung, die durch eine mehrere Stufen umfassende negative Rückkopplung linearisiert ist und bei der mindestens eine dieser Stufen zusätzlich derart negativ rückgekoppelt ist, daß nur bei Frequenzen außerhalb des Nutzfrequenzbereiches eine beträchtliche Verminderung ihres Verstärkungsgrades eintritt. Gemäß der Erfindung wird bei einer derartigen Anordnung die zusätzliche negative Rückkopplung für Frequenzen oberhalb des Nutzfrequenzbereiches mit Hilfe einer Impedanz erzeugt, die lediglich aus einer Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstandes und einer Induktivität besteht. Hierdurch wird erreicht, daß

die Dämpfung des Zusatzgliedes für die hohen Frequenzen zu einem bestimmten Wert ansteigt und diesen beibehält. Daher kann bei ungünstigem Verlauf des Phasenwinkels infolge der erhöhten Dämpfung eine Eigenschwingung nicht mehr entstehen. Die Erfindung sieht als Weiterbildung vor, eine zusätzliche Rückkopplung für die tiefen Frequenzen mit Hilfe einer weiteren Impedanz zu erzeugen, die aus einer Parallelschaltung aus einem Ohrnschen Widerstand

ίο und einem Kondensator besteht. Beide Impedanzen können beispielsweise in Reihe in die Kathodenzuleitung eingeschaltet werden. Es bssteht dabsi die Möglichkeit, den Ohmschen Widerstand, der zu dem Kondensator parallel liegt, gleichzeitig so zu bemessen, daß er zur Erzeugung der negativen Gittervorspannung benutzt werden kann. Es ist auch möglich, die Rückkopplungsimpedanz mit einem Widerstand in Reihe zu schalten und diese Reihenschaltung zu dem Belastungswiderstand parallel zu legen. Ein weiterer Weg, die gewünschte zusätzliche Rückkopplung zu erzielen, besteht darin, daß bei Verwendung einer Schirmgitterröhre die Impedanzen sowohl in den Steuergitter- als auch in den Schirmgitterkreis eingeschaltet werden.

Es sind Schaltungsanordnungen mit negativer Rückkopplung bekanntgeworden, bsi denen im Rückkopplungskreis ein Netzwerk eingeschaltet ist, das einen ähnlichen Dämpfungsverlauf aufweist wie die gemäß der Erfindung anzuwendende Impedanz.

Dieses Netzwerk zeigte aber, als Brückenschaltung aufgebaut, einen wesentlich höheren Aufwand an Schaltmitteln als die Impedanz gemäß der Erfindung. Außerdem machte sie die Einschaltung von Transformatoren und Entkopplungsbrückenschaltungen notwendig. Bei der bekannten Schaltung handelte es sich auch nicht um eine solche, die für die Erzeugung einer zusätzlichen Rückkopplung bei einer einzelnen Röhre innerhalb einer über mehrere Röhren negativ rückgekoppelten Kaskade vorgesehen ist.

In den Fig. 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens dargestellt. Die Figuren zeigen nur eine einzige Stufe eines Mehrstufenverstärkers mit negativer Rückkopplung. Der Stromkreis, der die negative Rückkopplung für die gesamte Verstärkerstufe bewirkt, ist nicht dargestellt.

In den beiden Figuren wird als Verstärker eine Schirmgitterröhre V verwendet, die mit der Impedanz Zi₁ belastet ist. Die an der Belastungsimpedanz auftretende Spannung ist einheitlich mit E₀ bezeichnet. In Fig. 2 besteht die zur Erzielung der zusätzlichen Rückkopplung erforderliche Impedanz aus dem Kondensator C, der Induktivität L und den beiden Parallelwiderständen R₁, A₂. Die an dieser Reihenschaltung auftretenden Spannungen liegen gleichzeitig im Gitterkreis, dem die Eingangsspannung e₀ zugeführt wird, so daß eine negative Rückkopplung entsteht. Der Gleichspannungsabfall an den Widerständen R₁ und R₂ bewirkt gleichzeitig die Erzeugung der zum Betrieb der Röhre erforderlichen negativen Gittervorspannung.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, bei der die zusätzliche Rückkopplung zwar auch von einer Reihenschaltung aus Kondensator und Induktivität abgegriffen wird, jedoch liegt diese Reihenschaltung zusammen mit einem weiteren Widerstand R₃ parallel zur Belastungsimpedanz. Zur Erzeugung der erforderlichen Gittervorspannung ist zwischen Kathode und Minuspol der Anodenbatterie eine weitere Widerstandskondensatorkombination eingeschaltet.

Die Wirkung der vorbeschriebenen Schaltungen ist derart, daß bei tiefen Frequenzen unterhalb des Nutzfrequenzbereiches der Widerstand R₁, der für diese Frequenzen durch den Kondensator C nicht mehr kurzgeschlossen ist, eine negative Rückkopplungsspannung erzeugt und somit den Verstärkungsgrad herabsetzt. Für Frequenzen oberhalb des Nutzfrequenzbereiches wirkt die Induktivität L als Rückkopplungswiderstand, während der Widerstand R₁ durch den Kondensator kurzgeschlossen ist. An der Induktivität L tritt für diese Frequenzen eine negative Rückkopplungsspannung auf.

Ist die geringe, durch den Kondensator C im unteren Bereich herbeigeführte Phasendrehung unerwünscht, so läßt sich diese praktisch völlig vermeiden, wenn die an dem Widerstand R₁ auftretende Spannung dem Steuergitter nicht unmittelbar sondern über einen aus einer Induktivität und einem Widerstand bestehenden Spannungsteiler zugeführt wird. Es ist für diesen Fall zweckmäßig, die zusätzliche Rückkopplung für die oberen Frequenzen mit einer Induktivität herbeizuführen, die in den Schirmgitterkreis eingeschaltet ist. Für diesen Fall würde also bei dem Beispiel in Fig. 2 die Parallelschaltung aus dem Widerstand R₂ und der Induktivität L in Fortfall kommen, dafür aber eine· Induktivität in den Schirmgitterkreis eingeschaltet werden. Der Widerstand R₁ wäre zur Vermeidung der unerwünschten Phasendrehung in der beschriebenen Weise durch eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Induktivität zu überbrücken, wobei der Widerstand an das kathodenseitige Ende von R₁ anzuschließen ist. Die zu verstärkende Spannung ist dann zwischen dem Gitter und dem der Kathode abgekehrten Ende des Überbrückungswiderstandes zuzuführen.

Mit den vorbeschriebenen Schaltungen ist es möglieh, die Linearisierung durch Erhöhen des Grades der negativen Rückkopplung beträchtlich weiterzutreiben als bei negativ rückgekoppelten Verstärkern ohne eine zusätzliche, gemäß der Erfindung gestaltete Kopplung an den einzelnen Röhren. no

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verstärkerschaltung, die durch eine mehrere Stufen umfassende negative Rückkopplung linearisiert ist und bei der mindestens eine dieser Stufen zusätzlich derart negativ rückgekoppelt ist, daß nur bei Frequenzen außerhalb des Nutzfrequenzbereiches eine beträchtliche Verminderung ihres Verstärkungsgrades eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche negative Rückkopplung für Frequenzen oberhalb des Nutzfrequenzbereiches mit Hilfe einer Impedanz erzeugt wird, die lediglich aus einer Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstandes und einer Induktivität besteht.
2. Verstärkerschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzaichnet, daß eine weitere zusätzliche Rückkopplung für die tiefen Frequenzen mit Hilfe einer Impedanz erzeugt wird, die lediglich aus der Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstandes und eines Kondensators besteht.
3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz bzw. die Impedanzen mit dem Belastungswidersland des Verstärkers in Reihe geschaltet sind.
4. Verstärkerschaltung nach Anspruch i'oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz bzw. die Impedanzen mit einem Widerstand in Reilie liegen und die Reihenschaltung parallel zum Belastungswiderstand des Verstärkers gelegt ist.
5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz oder die Impedanzen in Reihe miteinander in die Kathodenzuleitung der betreifenden Röhre zwischen Kathode und negativem Pol der Anodenstromquelle eingeschaltet sind.
6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung des durch einen Kondensator überbrückten Widerstandes, daß die an diesem Widerstand auftretende Spannung gleichzeitig als Gittervorspannung dient.
7. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz zur Erzeugung der zusätzlichen Rückkopplung für die tiefen Frequenzen in der Kathodenzuleitung und die Impedanz zur Erzeugung der zusätzlichen Rückkopplung für die hohen Frequenzen im Schirmgitterkreis liegt.
8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Rückkopplungsspannung für die tiefen Frequenzen dem Steuergitter über einen aus einer Induktivität und einem Widerstand bestehenden Spannungsteiler zugeführt wird.

Angezogene Druckschriften:

USA.-Patentschriften Nr. 1994486, 2 on 566;

deutsche Patentschriften Nr. 391549, 393 254, 551589, 610482;

britische Patentschriften Nr. 323 823, 337 830, 709.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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