DE863087C - UEbertragungssystem fuer elektrische Signale mit zwei Verstaerkungswegen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Übertragungssehaltungen für elektrische Signale.

Bei dem bekannten Verstärker mit hohem Wirkungsgrad, der in der amerikanischen Patentschrift 2 210 Q2iS von Doherty beschrieben ist, sind zwischen einer Quelle von modulierten Träger schwingungen und einer Belastung zwei Übertragungswege vorgesehen. Im ersten Weg ist ein erster Vakuumröhrenverstärker, im zweiten Weg ein zweiter Vakuumröhrenverstärker eingeschaltet. Bei einer Form des Gerätes liegen diese Wege parallel, und der erste Verstärker besitzt eine solche Vorspannung, daß er als 5-Verstärker arbeitet, während der zweite eine solche Vorspannung besitzt, daß er als C-Verstärker arbeitet. Zwischen dem B -Verstärker und der Belastung ist ein Impedanz Wandlungsnetzwerk eingeschaltet, z. B. eine Übertragungsleitung von einer viertel Wellenlänge, oder eine gleichwertige Einrichtung mit konzentrierten Kreiselementen. Ein solches Netzwerk hat die Eigenschaft, daß seine Eingangsimpedanz umgekehrt proportional der Impedanz ist, mit der das Netzwerk abgeschlossen ist. Bei kleinen Signalpegeln arbeitet lediglich der B -Verstärker. Bei großen Signalpegeln tritt der C-Verstärker in Tätigkeit und liefert Leistung an die Belastung. Gleichzeitig wird hierdurch eine effektive Erhöhung der Belastungsimpedanz bewirkt, die durch das Impedanzwandlungsnetzwerk in eine scheinbare Verkleinerung der am B -Verstärker liegenden Belastungsimpedanz verwandelt wird, so daß dieser eine erhöhte Leistung an die Belastung ohne eine

entsprechende Erhöhung seiner Änodenspannung liefern kann. Der Wirkungsgrad dieser Kombination ist bekanntlich überaus hooh.

Bei einer zweiten Form, des Doherty -Verstärkers ist die Belastung in Reihe zwischen die Röhren geschaltet, und das Impedanzwandkmgsnetzwerk ist mit der als - C-Verstärker arbeitenden Röhre verbunden.

Das von Doherty verwendete Impedanzwandkmgsnetz'werk ergibt eine unvermeidliche Phasenverschiebung von 90°, die kompensiert werden muß. Diese Kompensation kann nur dadurch erreicht werden, daß in den Eingangskreis einer der Röhren ein zweites Impedanzwandlungsnetzwerk eingeschaltet wird, welches eine weitere Phasenverschiebung von 90⁰ bewirkt.

Der Doherty-Verstärker ist näher beschrieben in einem Aufsatz mit dem Titel »A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves« von ■ 20 W.H. Doherty, veröffentlicht in den »Proceedings of the Institute of Radio Engineers« vom September 1936 und in den »Acts of the International Congress for the Fiftieth Anniversary of Marconi's Discovery of Radio«.

Nun kann die Kombination der beiden Impedanzwandlungsnetzwerke mit dem zwischen ihnen liegenden Vakuumröhrenverstärker, zumindest in dem schmalen Frequenzband, in dem das Netzwerk die verlangte Impedanzwandlung durchführt, als duaies Gegenstück zu einem einfachen Vakuumröhrenverstärker betrachtet werden, d. h. ihre Eingangsimpedanz ist niedrig, die Verstärkung ist in erster Linie eine Stromverstärkung und keine Spannungsverstärkung, und ihre Ausgangsleistung nimmt mit wachsendem Belastungiswiderstand zu. Das Umgekehrte ist beim einfachen Vakuumröhrenverstärker der Fall. Infolgedessen ist irgendein anderes Netzwerk oder eine sonstige Einrichtung mit diesen Eigenschaften der Dohertyscben Kombination der beiden Impedanzwandlungsnetzwerke gleichwertig und kann diese ersetzen und dieselben Dienste leisten.

Nun ist der heutige Transistor viel eher das duäle Gegenstück als das Analogon zu einer Vakuumröhre. Wenn man daher weiß, daß man mit einer bestimmten Schaltung mit einer Vakuumröhre eine gute Wirkungsweise erreicht, so kann man eine vergleichbar gute Wirkungsweise von einer Transistorschaltung erwarten, welche das duale Gegenstück zu der bekannten Vakuumröhrenschaltung ist und welche einen Transistor enthält, der selbst ein angenähertes duaies Gegenstück zur Vakuumröhre darstellt.

Nach einem Merkmal der vorliegenden Erfindung besitzt ein Übertragungssystem für elektrische Signale Eingangsklemmen, die über zwei Verstärkungswege an eine Belastung angeschlossen sind, wobei der eine Verstärkungsweg so eingerichtet ist, daß er bei allen Signalpegeln arbeitet, während der andere nur bei Signalpegeln arbeitet, die ein festgelegtes Maximum-übersteigen. Hierbei sind die Verstärkungsiwege so an die Belastung angeschlossen, daß die Ausgangseignale der Wege an der Belastung addiert werden. Die Anordnung ist ferner so beschaffen, daß der zweite Verstärkungsweg eine Veränderung der effektiven Abschlußimpedanz bewirkt, welche dem ersten Verstärkungsweg dargeboten wird, so daß die vom ersten Weg gelieferte Leistung erhöht wird. Hierbei unterscheiden sich die von den Eingangsklemmen an die beiden Wege gelangenden Signale in der Phase um η π im Bogenmaß, wobei η Null oder eine ganze Zahl ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besitzt ein Übertragungssystem für elektrische Signale Signaleingangsklemmen, die über zwei Verstärkungswege an eine Belastung angeschlossen sind, von denen der eine mit .B-Verstärkung und der andere mit C-Verstärkung arbeitet, wobei der eine Weg einen Vakuumröhrenvenstärker und der andere einen Transistorverstärker enthält.

- Der Transistor ist selbst ein duaies Gegenstück zur Vakuumröhre. Die Dohertysche Kombination der beiden Impedanzwandlungsnetzwerke und der dazwischenliegenden Vakuumröhre ist ebenfalls unabhängig davon ein duaies Gegenstück zur Vakuumröhre, so daß ein Transistor der Dohertyschen Kombination äquivalent ist und für sie eingesetzt werden kann. Wenn das geschieht, erhält man eine Übertragungsschaltung mit zwei Wegen, die von einer gemeinsamen Quelle zu einer gemeinsamen Belastung führen. In einem Weg befindet sich ein Transistorverstärker, in dem anderen ein Vakuumröhrenverstärker, wobei einer der Verstärker mit i?-Verstärkung und der andere mit C-Verstärkung. arbeitet. Es hat sich gezeigt, daß die Kombination als Ganzes einen Signalverstärker mit hohem Wirkungsgrad darstellt. Außerdem braucht dieser Verstärker keine ' induktiven oder kapazitiven Schaltelemente zu enthalten, so daß er in einem großen Frequenzband arbeiten kann, wobei Verzerrungen vorzugsweise durch Verwendung eines Gegentakttransistorverstärkers in dem einen Weg und eines Gegentaktvakuumröhrenverstärkers im anderen Weg stark herabgesetzt wenden können.

Die Erfindung soll an Hand eines vorzugeweisen Ausführungäbeispiels mit Transistoren erläutert werden. Sie wird mit Hilfe der nachfolgenden ins einzelne gehenden Beischreibung und der Zeichnungen eines solchen Ausführungsbeispiels voll verständlich werden.

Fig. ι A ist ein schematisches Schaltbild einer Form des Doherty-Verstärkers, während

Fig. ι B die andere Form dieses Verstärkers darstellt;

Fig. 2 A ist ein sohematisches Schaltbild eines von Fig. ι A hergeleiteten Systems, wo die Vakuumröhre mit den. beiden Impedanzwandlungsnetzwerken durch einen Transistor mit einem Phasenumkehrtransformator ersetzt ist, während

Fig. 2 B dieselbe Abänderung des Ausgangskreises der Fig. 2 A darstellt, wie sie in Fig. 1B für Fig. ι A gezeigt ist;

Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild eines Systems, das von Fig. 2 A dadurch hergeleitet ist, daß der Transformator der Fig. 2 A durch eine

Phasenumkehreinrichtung an den Eingangsklemmen ersetzt ist und daß geeignete Vorspannungsquellen für den Vakuumröhrenverstärker und Vorstromquellen für den Transistorverstärker hinzugefügt sind;

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild, das von Fig. 3 durch Einfügung von abgestimmten Kreisen hergeleitet ist, damit die Schaltung der Fig. 3 praktisch bei einer Frequenz arbeitet;

Fig. 5 A ist ein schematisches Schaltbild, das dadurch von Fig. 3 hergeleitet ist, daß die Verstärker der Fig. 3 durch einen Gegentaktvakuumröhrenverstärker und durch einen Gegentakttransistorverstärker ersetzt sind;

Fig. S B zeigt eine Abänderung der Fig. 5 A, bei der die Belastung nicht parallel mit den Ausgängen der Vakuumröhren und der Transistoren liegt, sondern in Reihe mit ihnen;

Fig. 6 ist ein schematisches Schaltbild einer Abänderung der Übertragungsschaltung nach Fig. 4, wobei die Belasijung nicht parallel mit den Ausgängen einer Vakuumröhre und eines Transistors liegt wie in Fig. 4, sondern in Reihe mit ihnen;
Fig. 7 ist ein schematisches Schaltbild, bei dem in einem Weg zwei Transistoren in Gegentaktschal tung liegen und im anderen Weg ein Verstärker ' mit nur einer Vakuumröhre;

Fig. 8, 9, 10 und 11 sind schematische Schaltbilder, die verschiedene andere SchaltmögMchkeiten des Eingangs- und Ausgangskreises in bezug auf die Vakuumröhre und den Transistor in Fig. 3 darstellen;

Fig. 12 zeigt einen abgestimmten Modulator, der aus dem Verstärker nach Figr 6 durch Einführung eines Modulationssignals an geeigneten Stellen entsteht.

Fig. ι A zeigt eine Grundform des Doherty-Verstärkers, bei dem eine Quelle 10 von mit Signalen • modulierten Trägerschwingungen über zwei Wege an eine Belastung angeschlossen ist. Der obere Weg enthält eine Vakuumröhre i, deren Vorspannung eine B -Verstärkung ergibt, und zwei impedanzumwandelnde Netzwerke N₁ und N₂. Der untere Weg enthält eine zweite Vakuumröhre 2, deren Vorspannung eine C-Verstärkung ergibt. Von der Belastung aus gesehen, liegen die Ausgangskreise beider Wege parallel. Bei der anderen Grundform des Doherty-Verstärkers liegt die Belastung in Reihe zwischen den beiden Ausgangskreisen, wie in Fig. ι B angegeben ist. Wenn man diese Änderung vornimmt, muß die obere Röhre in C-Schaltung und die untere in S-Schaltung arbeiten.

Der Verstärker nach Fig. iA ist insbesondere für amplitudenmodulierte Hochfrequenz geeignet. Seine Arbeitsweise kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Liegt am Eingang eine Hochfrequenz mit kleiner Amplitude, arbeitet die obere Röhre als B -Verstärker, während die untere Röhre unterhalb des Sperrpunktes vorgespannt ist, so daß sie unwirksam ist. Wenn die Amplitude des modulierten Signals kleiner als die Amplitude des unmodulierten Trägers ist, wird sie nur durch die obere Röhre verstärkt.

Diese obere Röhre liefert ihre Leistung an eine Belastung, deren wirksame Impedanz gerade die Hälfte desjenigen Belastungswdderstandes beträgt, an den die obere Röhre die maximale Leistung abgeben könnte. Diese Belastungsimpedanz wird durch das Netzwerk JV₁ in eine scheinbare Impedanz umgewandelt, deren Wert doppelt so groß ist wie die Impedanz, an die die obere Röhre ihre maximale Leistung liefern könnte. Unter diesen Bedingungen beginnt sich die Spannungsspitze der Schwingung in der oberen Röhre derAnodeiispannung zu nähern, wenn die hochfrequente Eingangsspannung einen Wert erreicht, der gleich dem unmodulierten Träger ist. Bei Eingangssignalen mit größerer Amplitude würde durch die obere Röhre eine Verzerrung im Ausgangssignal entstehen, wenn diese Röhre allein arbeitete. Jedoch beginnt die untere Röhre zu arbeiten, wenn das Eingangssignal einen dem unmodulierten Träger entsprechenden Wert überschreitet, und trägt auf zweierlei Weise zu einem linearen und proportionalen Anstieg des Ausgangssignals bei. Erstens arbeitet die untere Röhre als C-Verstärker und liefert von sich aus Leistung an die Belastung. Zweitens wirkt die untere Röhre infolge des Impedanzwandlungsnetzwerkes N₁ so, daß die wirksame Belastungsimpedanz von der oberen Röhre her gesehen vermindert wird. Hierdurch kann die obere Röhre mehr Leistung an die Belastung liefern, ohne daß die Anodenspannung vergrößert wird. Als Ergebnis bekommt man einen linearen Verstärker mit ungewöhnlich hohem Wirkungsgrad. .

Die unter zweitens genannte Art, wie die untere Röhre zur Vergrößerung des Ausgangssignals beiträgt, ist folgendermaßen zu erklären: Bei kleinen Signalen ist die untere Röhre im wesentlichen gesperrt. Von der oberen Röhre aus betrachtet, liegt ihre Ausgangsimpedanz parallel zur Belastung. Wenn sie im wesentlichen gesperrt ist, ist ihre Ausgangsimpedanz im wesentlichen unendlich, so daß an der oberen Röhre nur die Impedanz der Belastung liegt. Wenn das Signal größer wird, so daß die untere Röhre Leistung zu liefern beginnt, fängt ihre Ausgangsimpedanz an, geringer zu werden. Da sie jedoch keine Leistung von der Belastung aufnimmt, sondern Leistung an sie liefert, ist dieser geringere Widerstand negativ. Infolgedessen liegt no an der oberen Röhre eine Impedanz, die aus der Parallelschaltung des negativen Ausgangswiderstandes der unteren Röhre und des positiven Widerstandes der Belastung besteht, der kleiner ist. Der effektive Widerstand einer derartigen Parallelschaltung ist größer als der Widerstand der Belastung. Durch die Zwischenschaltung des Impedanzwandlungsnetzwerkes N₁ wird diese Vergrößerung der Belastungsimpedanz in eine scheinbare Verkleinerung umgewandelt, so daß die obere Röhre nunmehr imstande ist, eine größere Leistung ohne Vergrößerung der Anodenspannung zu liefern.

Die unvermeidliche Phasenverschiebung von 90⁰, die das Impedanzwandlungsnetzwerk N₁ mit sich bringt, wird beim Doherty-Verstärker durch ein zweites Impedanzwandlungsnetzwerk N₂ kompen-

siiert. Die.aus den beiden ImpedafizWändlungsnetzwerken JV₁ und N₂ und der B -Verstärkerröhre bestehende Schaltung ist in der Tat das duale Gegenstück zu einer in B-Schaltung arbeitenden Röhre. Nun ist aber ein Transistorverstärker in der Schaltung mit geerdeter Basiselektrode ein duales Gegenstück zu einer Vakuumröhre in der Schaltung mit geerdeter Kathode. Diese duale Beziehung ißt vollständig mit der einzigen Ausnahme, daß die ίο Röhre eine Phasenumkehr bewirkt, der Transistor aiber nicht. Daher kann die Dualität dadurch vervollständigt werden, daß ein Phasenumkebrtransformator eingeschaltet wird. Infolgedessen ist eine Schaltung mit einem Transistor 5 mit geerdeter -15 Basiselektrode und einem Transformator 6, wie sie im Kästchen 4 des oberen Zweiges des Schaltbildes Fig. 2 A dargestellt ist, vollständig gleichwertig dem Teil des oberen Zweiges der Fig. 1A, der in dem durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Kästchen 3 eingeschlossen ist, während der untere Zweig mit der Vakuumröhre 7 identisch mit dem unteren Zweig der Fig. 1A mit der Röhre 2 sein kann.

Die neue Anordnung bietet weiter den Vorteil, daß die Eingangs signale der beiden Versitärkungseinrichtungen nun entweder in Phase oder um i8o° phasenverschoben sind, nicht aber um 90⁰ phasenverschoben, wie es infolge des Netzwerkes N₂ beim Doherty-Verstärker notwendig ist.

Die Funktion des Transformators 6 in Fig. 2 A besteht darin, die gesamte Phasenverschiebung im oberen Signal weg hervorzubringen, so daß die Ausgangssignale der beiden Wege an der Belastung addiert werden. Wenn die Belastung wie "in Fig. 2 A parallel zu den Ausgängen der beiden Verstärker angeschlossen ist, sind die . Aüsgangssignale in Phase. Wenn die Belastung 9 in Reihe mit den ■beiden Ausgängen.liegt, wie in Fig.2B, sollen die Ausgangssignale'18o° phasenverschoben sein. Es gibt noch-viele andere Verfahren zur Erreichung der richtigen Phasenbedingungen. Zum Beispiel kann wie in Fig. 3 die Phase des Eingangs an einem Weg durch einen Transformator 11 umgedreht werden. Fig. 3 ist sonst die gleiche wie Fig. 2 A, abgesehen 'davon, daß die Anoden- und Gitter-Spannungsquellen 12 und 13 für die Röhre und die Sammelelektroden- und Steuerelektrodenstromquellen 14 und 15 für den Transistor mit eingezeichnet sind. Die letzteren sind schematisch als Erzeuger konstanter Ströme I_e für die Steuerelektrode und I_c für die Sammelelektrode dargestellt. In 'der Praxis können geeignete Kombinationen von Batterien und. Widerständen als Erzeuger von konstanten Strömen verwendet werden. TJm die Parallele zwischen Fig. oc A und Fig. 3 aufrechtzuerhalten, muß die Gittervorspannung Bg der Röhre 7 im unteren Weg so gewählt werden, daß die Röhre mit C-Verstärkung arbeitet, während der Transistor 5 im oberen Weg einen solchen Vorstrom I_e der Steuerelektrode erhalten muß, daß er mit B -Verstärkung arbeitet.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3 ist genau gleich derjenigen nach Fig. 1, abgesehen davon, daß der Transistor $ als duales Gegenstück zur oberen Röhre l arbeitet und damit als Äquivalent der oberen Röhre 1 zusammen mit den beiden ImpedanzwandlungsnetzwerkenJViUndiVg. Das bedeutet, daß der Transistor 5 einen großen Steuerelektrodenvorstrom in Fluß richtung erhält, so daß dieSammelelektrodenspannung fast gesperrt ist. Unter diesen Umständen kann die Schaltung als linearer Verstärker arbeiten. Der Belastungswiderstand 8 ist wiederum gerade halb so groß wie derjenige, an den der Transistors die größtmögliche Leistung abgeben könnte. Der Transistor verstärkt allein die Eingangssignale der Quelle 10, die kleiner als der unmodulierte Träger sind, während die Vakuumröhre 7 im unteren Weg so vorgespannt ist, daß sie gesperrt ist. Wenn die Eingangssignale die Amplitude des unmodulierten Trägers übersteigen, beginnt sich der SammeMektrodenstrom des Transistors 5 dem Maximalwert zu nähern, den die Sammelelektrodenstromquelle liefern kann. Bei weiterem Anwachsen des Eingangssignals würde der Transistor allein kein größeres Ausgangssignal abgeben, sondern würde gesättigt werden. Jedoch beginnt bei weiterer Vergrößerung des Eingangssignals die Röhre 7 in C-Schaltung im unteren Weg auf zweierlei Weise zum Ausgangssignal beizutragen, wie bei der Schaltung in Fig. 1A. Erstens arbeitet sie als C-Verstärker und liefert unmittel-' go bar Leistung an die Belastung 8. Zweitens stellt sie einen negativen Widerstand dar, der die Belastung 8 überbrückt und dabei die Impedanz vergrößert, auf die der Transistor 5 arbeitet. Diese Impedanzvergrößerung erlaubt dem Transistor, eine größere Leistung ohne entsprechende Vergrößerung des Sammelelektrodenstroms zu liefern. Wenn das Eingangssignal seine maximale Amplitude erreicht hat, nämlich die doppelte Amplitude des unmodulierten Trägers, liefern die beiden Verstärker 5 und 7 die gleiche Leistung an die Belastung 8, wobei jeder Verstärker an einem optimalen Belastungswiderstand liegt.

Ebenso wie beim Doherty-Verstärker abgestimmte Kreise für die bestmögliche Arbeitsweise notwendig sind, kann auch die Einrichtung der Fig. 3 durch Einschalten von geeigneten Kreisen, die auf die Arbeitsfrequenz abgestimmt sind, mit der geringsten Verzerrung betrieben werden. Fig. 4 zeigt eine derartige Einrichtung, bei der ein Parallelschwingkreis, bestehend aus einer Spule 18 und einem Kondensator 19, an die Anode und die Kathode der Röhre 7 parallel zur Belastung 8 abgeschlossen ist. Da der Transistor das duale Gegenstück zur Röhre ist, muß er genau genommen als Stromverstärker angesehen werden. Der geeignete Schwingkreis ist daher ein Reihenschwirigkreis aus einer Spule 20 und einem Kondensator 21, der zwischen die Sammelelektrode des Transistors 5 und der Belastung 8 gelegt ist.

In Fig. 4 müssen die Wicklungen 23 bis 216 des Eingangstransformators in der durch die Plus- und Minuszeichen in der Zeichnung dargestellten Weise gepolt sein. Daß die Vorzeichen richtig angegeben sind, ergibt sich aus folgender Betrachtung: Angenommen, das Signal sei zu einem bestimmten Augen-

blick so gerichtet, daß eine positive Spannung an den oberen Enden der Wicklungen 23 und 24 und eine negative an dem unteren Ende liegt. Damit liegt eine positive Spannung an der Steuerelektrode des Transistors 5 und eine negative am Gitter der Röhre 7. Der Transistor bewirkt keine Phasenumkehr, während die Röhre das tut. Also ist das Ausgangssignal des Transistors am rechten Ende des Belastungswiderstandes 8 positiv, während das Ausgangssignal der Röhre, das ebenso am rechten Ende des Belastungswiderstandes 8 liegt, gleichfalls positiv ist. Somit addieren sich die vom Transistor und von der Röhre kommenden Signale an der Belastung.

Die Doherty-Schaltung nach Fig. ·ΐ Α eignet sich im wesentlichen für eine Frequenz oder ein schmales Frequenzband, und zwar deshalb, weil die Netzwerke N₁ und N₂ unter Verwendung von abgestimmten Schaltelementen gebaut werden können. Die Beschränkung gilt jedoch nicht für die erfindungsgemäße Schaltung. Das ergibt sich aus der Tatsache, daß Fig. 3 kein scharf abgestimmtes Schaltelement enthält und vollkommen einwandfrei arbeitet, abgesehen von der Verzerrung, die von der Unfähigkeit einer der Verstärker herrührt, die negativen hochfrequenten Signalschwingungen zu übertragen. Solche Verzerrung kann weitgehend vermieden werden, und ein einwandfreier Breitbandverstärker kann gebaut werden, wenn man ein Transistorpaar 30., 31 in Stromgegentaktschaltung im oberen Weg und ein entsprechendes Vakuumröhrenpaar 32, 33 in Spannungsgegentaktschaltung im unteren Weg verwendet. Eine solche Anordnung ist in Fig. S A dargestellt. Die Transistoren 30 und 3'i arbeiten wie oben als B-Verstärker und die Vakuumröhren 32 und 33 als C-Verstärker. Es sei nebenher bemerkt, daß die Gegentaktverbindungen sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis der beiden Vakuumröhren in üblicher Weise vorgenommen sind, wobei die Kathoden an die Mittelanzapfungen 35 und 36 der Wicklungen der Eingangs- und Ausgangstransformatoren 37 und 38 angeschlossen sind. Bei den Transistoren 30 und 31 verlangt die Stromgegentaktschaltung im Gegensatz dazu keine solchen Verbindungen. Vielmehr gelangt die im Eingangstransformator 39 durch die Signalquelle 29 erzeugte Eingangsspannung an die Steuerelektroden der beiden hintereinandergeschalteten Transistoren 30 und 31, während die Belastung über den Ausgangstransformator 40 zwischen die Sammelelektroden der beiden Transistoren geschaltet ist. Es sei ferner bemerkt, daß die Signalquelle 29 nicht mehr auf eine mit Signalen modulierte Trägerquelle beschränkt ist. Der breitbandige Verstärker mit hohem Wirkungsgrad nach Fig. 5 ist zur übertragung von Signalen geeignet, deren Frequenz und Amplitude sich in weiten Grenzen ändern können, z. B. von .Signalen einer Tonquelle oder einer Fernsehkamera.
Bei Fig. iA war festgestellt worden, daß die Röhre 2 mit C-Verstärkung, die von der Röhre 1 mit B-Verstärkung aus gesehen die Belastung überbrückt, als negativer Widerstand parallel zur Belastung arbeitet, so daß sie eine Erhöhung des Belastungswiderstandes bewirkt, wenn sie in Tätigkeit tritt. Diese Erhöhung wird durch das Impedanzwandlungsnetzwerk N₁ in eine Verkleinerung des scheinbaren Belastungswiderstandes für die Röhre mit B-Verstärkung umgewandelt. Wenn die Röhre mit C-Verstärkung jedoch mit der Belastung in Reihe geschaltet ist, dann stellt sie eine offene Stelle in Reihe mit der Belastung dar, wenn sie nicht in Tätigkeit ist, wobei die Abgabe von Leistung an die Belastung durch die Röhre mit B-Verstärkung verhindert wird. Wenn daher Doherty, wie die Schaltung in Fig. 1B zeigt, die Ausgangskreise der oberen und der unteren Röhre in Reihe mit der Belastung legt, ist es zweckmäßig, die Rollen der oberen und der unteren Röhre hinsichtlich der B- bzw. C-Verstärkung zu vertauschen. Das volle Gegenstück hierzu findet man bei der erfindungsgemäßen Anordnung in Fig. 6, wo die Belastung 9 in Reihe zwischen die Anode der Röhre 7 als Ausgang des unteren Wegs und die Sammelelektrode des Transistors 5 al/s Ausgang des oberen Wegs geschaltet ist. Hier soll der Transistor 5 mit C-Verstärkung und die Vakuumröhre 7 mit B- Verstärkung arbeiten, was durch Einstellung der Größe des Steuerelektrodenvorstroms I_c und der Gittervorspannung Eg in bekannter Weise zu erreichen ist. Außerdem ist die Belastung 9 nunmehr gerade doppelt so groß wie der Widerstand, an den die Röhre 7 die größte Leistung liefern würde.

Es muß nun noch eine andere Änderung vorgenommen werden, wenn die Anordnung mit Reihenbelastung verwandt werden soll. Diese Änderung ist in Fig. 6 durch die Plus- bzw. Minuszeichen an den Sekundärwicklungen der Eingangstramsformatoren 43 und 44 dargestellt. Daß diese Vorzeichen ■bei dieser Anordnung richtig sind, geht aus folgender Überlegung hervor: Angenommen, die Spannung des Generators 10 ist zu einem bestimmten Zeitpunkt so, wie es durch die Vorzeichen an den Primärwicklungen dargestellt ist. Damit sind positive Signale an die Steuerelektrode des Transistors und ans Gitter der Röhre angelegt. Da der Transistor keine Phasenumkehr bewirkt, entsteht eine positive Spannung am oberen Ende des Belastungswiderstandes 9. Da aber die Vakuumröhre eine Phasenumkehr zur Folge hat, entsteht ein negatives Signal am unteren Ende des Belastungswiderstandes. Die beiden Signale sind also so beschaffen, daß sie an der Belastung addiert werden.

Die Wirkungsweise des Systems der Fig. 6 kann folgendermaßen erklärt werden: Wie oben festgestellt wurde, arbeitet hier die Vakuumröhre 7 als .B-Verstärker, während der Transistor dadurch mithilft, daß er die Signalspitzen durch eine C-Verstärkung verstärkt. Bei kleinen Eingangspegeln stellt der Transistor einen Kurzschluß in Reihe mit der Belastung dar. Die Röhre arbeitet auf eine Impedanz, die gerade doppelt so groß ist wie der Wert, an den die Röhre ihre maximale Leistung liefern kann.

Wenn das Eingangssignal den Trägerpegel überschreitet, tritt der Transistor in Tätigkeit und trägt

auf zweierlei Weise zur Erhöhung der Ausgangsleistung bei. Erstens liefert sie unmittelbar Leistung an die Belastung 9, und zweitens wirkt sie ale negativer Widerstand in Reihe mit der Belastung·, wobei die Impedanz, auf die die Röhre arbeitet, verkleinert wird und die Röhre eine größere Leistung ohne entsprechende Erhöhung der Anodenspannung liefern kann. Wenn das Signal seine Maximalamplitude erreicht, die bei einem mit Signalen modulierten Träger doppelt so groß ist wie die Trägeramplitude, liefern die beiden Verstärker die gleiche Leistung : an die Belastung; an jedem Verstärker liegt dabei der optimale Widerstand.

Die Anordnung der Fig. 6 hat den Vorteil, daß die Röhre der Verstärker ist, der stets arbeitet, während der Transistor, der wenigstens zur Zeit . eine beschränkte Leistungskapazität besitzt, nur bei Signalspitzen arbeiten muß.

Die unsymmetrische Schaltung mit schmalem Frequenzband der Fig. 6 enthält "zwei abgestimmte Kreise, wovon einer ein Parallelschwinigkreis 18, 19 zwischen Anode und Kathode der Röhre 7 und parallel zur Belastung 9 -und der andere ein Reihenschwingkreis 20,2/1 in Reihe mit der Sammelelektrode des Transistors 5 und der Belastung 9 ist, die bei einer Frequenz oder in einem schmalen Frequenzband arbeiten. Ebenso wie die Anordnung mit paralleler Belastung bei der ersten Form des Doherty-Verstärkers in Fig. 1A kann auch die An-Ordnung mit Reihenbelastung bei der zweiten Form in Fig. ι B für die Anwendung bei breiten Frequenzbändern in oben bei Fig. S A beschriebener Weise geeignet gemacht werden. Es braucht nur der Belastungskreis verändert zu werden, und zwar indem die Belastung in Reihe zwischen die Ausgangswicklungen der beiden Transformatoren gelegt wird (s. Fig. 5 B) und indem die Rollen der Transistoren 30 und 31 und der Röhren 32 und 33 vertauscht .werden, so daß die Transistoren mit C-Verstärkung und die Röhren mit B-Verstärkung arbeiten. Wie vorher müssen die Wicklungen der Eingangstransformatoren 37 und 39 so gepolt sein, daß die Ausgangsisignale der Transistoren und der Röhren an der Belastung addiert werden.

Neben dem Vorteil der Verringerung der Verzerrung bei Nichtvorhandensein von abgestimmten Kreisen durch Verstärkung sowohl der negativen als auch der positiven Signalspitzen besitzt eine Gegentaktanordnung den weiteren Vorteil, daß das Verstärkerpaar im wesentlichen die doppelte Leistung hergeben kann wie ein einfacher Verstärker der gleichen Art. Die derzeitigen Vakuumröhren können vielfach so viel Leistung abgeben als die derzeitigen Transistoren, so daß es manchmal vorteilhaft sein kann, in einem Weg z-wei Transistoren im Geigentakt und im anderen Weg eine Vakuumröhre zu verwenden. Eine solche Anordnung mit zwei Transistoren 30 und 31 in Stromgegentaktschaltung ist in Fig. 7 dargestellt, wo, da die unsymmetrisch arbeitende Röhre 7 einen Parallelschwingkreis 18, 19 verlangt, im Transistorverstärker ein Reihenschwingikreis mit der Spule und dem Kondensator 21 eingeschaltet ist.

Infolge des-Abstimmkondensators 21 sind getrennte Vorstromquelkn 45 und 46 für die Sammelelektroden der beiden Transistoren erforderlich.

Fig. 8 zeigt schematisch unter Weglassen der Spannungs- und Stromversorgungsquellen, welche in einer bei anderen Figuren dargestellten Art eingeschaltet werden können, eine Abänderung der Fig. 2 A und 3, wobei der Transistor 5 und die Vakuumröhre 7 zwar auch parallel zur Belastung 8 geschaltet sind, wobei jedoch eine Phasenumkehr der Belastungsanschlüsise vorgenommen ist, die durch eine entsprechende Phasenumkehr an den Eingangsklemmen des Systems kompensiert werden kann.

In ähnlicher Weise zeigen die. Fig. 9, Vo und 11 drei Abänderungen der Anordnung mit Reihenbelastung der Fig. 6. Bei allen diesen Figuren liegen die Ausgangskreise der beiden Verstärker in Reihe mit der Belastung 9, ein Unterschied besteht nur in der Lage der Belastung und der beiden Verstärker zueinander und in der Polung der Eingänge der beiden Verstärker, die so sein muß, daß die Ausgangssignale an der Belastung addiert werden. Die Erfindung kann leicht von Verstärkern auf Modulatoren ausgedehnt werden, und zwar analog der Ausdehnung des Doherty-Verstärkers auf einen Vaküumröhrenmodulator, wie er in der amerikanischen Patentschrift 2 226 258 beschrieben ist. Fig. 12 zeigt eine solche Anordnung, welche von Fig. 6 hergeleitet ist. Hier ist die Belastung 9 in Reihe zwischen die Anode der Vakuumröhre 7 und die. Sammelelektrode des Transistors 5 geschaltet, wobei der Transistor in C-Schaltung und die Röhre in 5-Schaltung arbeitet. Über Elngamgstramsformatoren 43 und 44 werden Hochfrequenzsignale, die z. B. von einer Trägerfrequenzquelle 48 herrühren, an das Gitter der Röhre 7 und an die Steuerelektrode des Transistors 5 gelegt, während Signale mit niedriger Frequenz von einer anderen Quelle 52, z. B. einer tonfrequenten Signalquelle, über andere Transformatoren 50 und 51 an das Gitter der Röhre 7 und an die Steuerelektrode des Transistors 5 gelangen. Wegen der dualen Beziehung zwischen den Eigenschaften der Eingangskreise des Transistors und der Röhre ist es zweckmäßig, die Modulationss'ignale in Reihe mit dem Gitter der Röhre und parallel zur Steuerelektrode des Tran-S'istors zu legen. Es ist ferner wünschenswert, daß die Quelle der Modulationssignale eine Impedanz darstellt, die klein im Vergleich zur Eingangsimpedanz der Röhre und groß im Vergleich zur Eingangsimpedanz des Transistors ist. Wegen des sehr großen Unterschieds zwischen den Eingangsimpedanzfen der Röhre und des Transistors (der erste liegt in der Größenordnung von Millionen Ohm, der zweite von einigen hundert Ohm oder weniger) bildet eine Impedanz der Quelle mit einem mittleren Wert, z. B. 50 000 Ohm, eine gute Annäherung an den Idealzustand, da dieser Wert klein ;egen die Eingangsimpedanz der Röhre und groß ;egen die Eingangsimpedanz des Transistors ist.

Die andere Form der Erfindung, bei der die Röhre und der Transistor parallel zur Belastung liegen,

kann ebenfalls auf Modulatoren ausgedehnt werden, und zwar in der gleichen Weise, wie die Ausdehnung des Verstärkers der Fig. 6 auf den Modulator der Fig. 12 geschieht.

Andere Erweiterungen und Abänderunigen der als Beispiele gezeigten Schaltungen werden dem mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann leicht einfallen.

Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlieh, daß die wichtigsten Merkmale der Erfindung die folgenden sind: Der Verstärker im ersten Weg arbeitet bei allen Signalpegeln; der Verstärker im zweiten Weg arbeitet nur bei Signalen oberhalb eines bestimmten Pegels, er arbeitet nicht bei Signalen unterhalb dieses Pegels; der Verstärker im ersten Weg ist dadurch gekennzeichnet, daß seine Ausgangsleistung steigt, wenn sein Abschluß widerstand durch die Lieferung der Leistung des zweiten Verstärkers verändert wird; die beiden Verstärker sind so an die Belastung angeschlossen, daß ihre Ausgangssignale an der Belastung addiert werden. Diese Merkmale gelten sowohl bei der Reihenform als auch bei der Parallelform der Erfindung, bei Breitbandverstärkern und bei Schmalbandverstärkern, bei Gegentaktverstärkern und bei einfachen Verstärkern.

Es ist außerdem eine Folge des Weglassens der Impedanzwandlungsnetzwerke, daß die Eingangswerte der beiden Verstärker nicht wie beim Doherty - Verstärker 90⁰ Phasenverschiebung haben, sondern in Phase oder in 'Gegenphase sind.

Claims (15)

1. Patentansprüche:

   i. Übertragungssystem für elektrische Signale mit Eingangsklemmen, die über zwei Verstärkungswege mit einer Belastung verbunden sind, wobei der eine Verstärkungsweg so beschaffen ist, daß er bei allen Signalpegeln arbeitet, und der andere Verstärkungsweg so, daß er nur bei Signalpegeln oberhalb eines bestimmten Minimums arbeitet, wobei ferner die Verbindung der Verstärkungswege mit der Belastung so vorgenommen ist, daß die Ausgangssignale der Wege sich an der Belastung addieren, und wobei schließlich der andere Verstärkungsweg so arbeitet, daß er die Abschluß impedanz für den einen Verstärkungsweg in der Weise ändert, daß die durch den einen Weg gelieferte Leistung erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Eingangsklemmen an die beiden Wege gelangenden Signale um η π im Bogenmaß in der Phase verschoben sind, wobei η Null oder eine ganze Zahl ist.
2. 2. Übertragungssystem für elektrische Signale nach Anspruch 1 mit Eingangsklemimen, die über zwei Verstärkungswege mit einer Belastung verbunden sind, wobei der eine Verstärkungsweg mit 5-Verstärkung arbeitet und der andere mit C-Verstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärkungsweg einen Vakuumröhrenverstärker und der andere einen Transistorverstärker enthält.
3. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen des einen Wegs parallel zur Belastung vom anderen Verstärker aus betrachtet liegen.
4. 4. System nach Anspruch .1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen des einen Wegs in Reihe mit der Belastung vom anderen Weg aus betrachtet liegen.
5. 5. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Verstärkungsweg bzw. der Weg mit B-Verstärkung so beschaffen ist, daß seine maximale Ausgangsleistung steigt, wenn seine Belastung vergrößert wird, und der andere Verstärkungsweg bzw. der Weg mit C-Verstärkung so beschaffen ist, daß er eine große Ausgangsimpedanz besitzt, wenn er nicht arbeitet.
6. 6. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Verstärkungsweg bzw. der Weg mit B-Verstärkung so beschaffen ist, daß seine maximale Ausgangsleistung größer wird, wenn seine Belastung kleiner wird, und der andere Verstärkungsweg bzw. der Weg mit C-Verstärkung eine sehr kleine Ausgangsimpedanz hat, wenn er nicht arbeitet.
7. 7. System nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung einen Widerstand besitzt, der im wesentlichen halb so groß ist wie der Widerstand, an dem der eine Verstärkungsweg bzw. der Weg mit B-Verstärkung seine maximale Leistung liefern könnte.
8. 8. System nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung einen Widerstand besitzt, der im wesentlichen doppelt so groß ist wie der Widerstand, an den der eine Verstärkungsweg bzw. der Weg mit B-Verstärkung seine maximale Leistung liefern könnte.
9. 9. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumröhrenverstiärker mit geerdeter Kathode und der Transistorverstärker mit geerdeter Basiselektrode arbeitet.
10. 10. System nach Anspruch 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorverstärker einen solchen Vorstrom erhält, daß er als B-Verstärker arbeitet und die Vakuumröhre eine solche Vorspannung erhält, daß sie als C-Verstärker arbeitet.
11. 11. System nach Anspruch 2 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorverstärker einen solchen Vorstrom erhält, daß er als C-Verstärker arbeitet, und der Vakuumröhrenverstärker eine solche Vorspannung, daß er als 5-Verstärker arbeitet.
12. 12. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgangs-Anoden-Kathoden-Kreis des Vakuumröhrenverstärkers ein Parallelresonanzkreis und in Reihe mit dem Ausgangs-Sammelelektroden-Steuerelektroden-Kreis des Transistorverstärkers ein Reihenresonanzkreis geschaltet ist.
13. 13. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorverstärker zwei Transistoren in Stromgegentaktschaltung enthält.

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14. 14. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuuimröhrenverstärker zwei Röhren -in Spannungsgegentaktschaltung enthält.
15. 15. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Anlegen eines Trägersignals an den Gitterkreis des Vakuumröhrenverstärkers und an den Steuerelektrodenkreis des Transistorverstärkers vorgesehen sind, daß weiter Mittel zum Anlegen eines Modulationssignals als Spannung in Reihe mit dem Gitterkreis des Vakuumröhrenyerstäfkers· und als Strom parallel zum Steuerelektrodenkreis des Transistorverstiärkers vorgesehen sind.

    ■ιό. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Quelle der Modulationssignale in ihrer Größe in der Mitte zwischen der Eingangsimpedanz des Vakuumröhrenverstärkers und der Eingangs impedanz des Transistorverstärkers liegt.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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