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Verstärkerschaltung mit gleichzeitiger Strom- und Spannungsgegenkopplung
Die Verwendung von Gegenkopplungen in Verstärkerschaltungen zur Verringerung der
nichtlinearen Verzerrungen, zur Verstärkungsgradregelung sowie zur Veränderung des
Verstärkerinnenwiderstandes ist allgemein bekannt. In der Verstärkertechnik liegt
nun häufig die Aufgabe vor, zur Anpassung an den Verbraucher einen bestimmten Innenwiderstand
einzustellen, wobei bekanntlich durch eine Stromgegenkopplung eine Erhöhung, mittels
einer Spannungsgegenkopplung dagegen eine Herabsetzung des Innenwiderstandes erzielt
werden kann. Dabei ist es in der Regel erwünscht, daß dieser Einstellvorgang ohne
Einfluß auf den Verstärkungsgrad bleibt. Andererseits soll auch oft der Verstärkungsgrad
regelbar sein, ohne den Innenwiderstand zu verändern. Diese gegensätzlichen Forderungen
lassen sich mit den bekannten Mitteln nicht ohne weiteres gleichzeitig realisieren.
Es ist bereits eine Schaltungsanordnung für Verstärker bekannt, die mit Hilfe gleichzeitiger
Strom-und Spannungsgegenkopplung eine wahlweise Einstellung des Innenwiderstandes
ohne Beeinflussung der Verstärkung ermöglicht, und zwar wird dies dadurch erreicht,
daß man die Gesamtgegenkopplungsspannung an dem die Stromgegenkopplung erzeugenden
Kathodenwiderstand der Endröhre abnimmt, dem eine die Gegenkopplungsspannung liefernde
Spannungsquelle (in Gestalt eines Rückkopplungsübertragers) in Reihe mit einem veränderbaren
Widerstand parallel geschaltet ist, wobei deren Spannung gleich dem Spannungsabfall
an dem vom Anodenwechselstrom durchflossenen Kathodenwiderstand gemacht ist. Diese
bekannte Schaltungsanordnung ist in Fig. z dargestellt. Die Forderung konstanter
Verstärkung bei Veränderung des Innenwiderstandes wird dabei erfüllt, wenn
Rk
= 1, - Ra ist, worin das Übersetzungsverhältnis des Gegenkopplungsübertragers
darstellt. Der Innenwiderstand läßt sich dann durch Veränderung des Widerstandes
R" in weiten Grenzen ändern, ohne daß der Verstärkungsgrad däbei geändert wird.
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Es sind auch Schaltungsanordnungen bekannt bzw. vorgeschlagen worden,
bei denen umgekehrt die kombinierte Strom- und Spannungsgegenkopplung eine Veränderung
des Verstärkungsgrades ohne Beeinflussung des Innenwiderstandes ermöglicht. Eine
bekannte Schaltung dieser Art erreicht dies dadurch, daß der Ausgangskreis des Verstärkers
mittels zusätzlicher Widerstände zu einer Brückenschaltung ergänzt wird, die, vom
Verbraucher aus gesehen, sich im Gleichgewicht befindet, und daß vom Nullzweig dieser
Brückenschaltung die in den Eingangskreis des Verstärkers zurückführende Gegenkopplungsspannung
abgenommen wird. Andere bekannte bzw. vorgeschlagene Anordnungen besitzen einen
ähnlichen Schaltungsaufbau wie die oben beschriebene umgekehrt wirkende Schaltungsanordnung,
erreichen das erstrebte Ziel jedoch nur unvollkommen, z. B. nur bei hohen Gegenkopplungsgraden
oder mit Hilfe zusätzlicher Schaltungselemente. Keine der bekannten bzw. vorgeschlagenen
Gegenkopplungsanordnungen ermöglicht jedoch eine Vereinigung der beiden Aufgaben
in einer Schaltung.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Verstärkerschaltung zu schaffen, bei
der unter Zuhilfenahme einer kombinierten Strom- und Spannungsgegenkopplung sowohl
eine Einstellung des Innenwiderstandes, wenigstens innerhalb gewisser Grenzen, als
auch eine Verstärkungsgradänderung ohne Beeinflussung des Innenwiderstandes möglich
ist.
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Diese Aufgabe wird unter Verwendung der obergenannten bekannten Schaltungsanordnung
zur Erzielung eines konstanten Verstärkungsgrades, also einer Schaltung mit einem
Gegenkopplungsübertrager, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit einem Widerstand
dem Kathodenwiderstand der Röhre parallel geschaltet ist, erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß der Reihenwiderstand (R") und die am Kathbdenwiderstand (Rk) abgegriffene
resultierende Gegenkopplungsspannung derart veränderbar sind, daß die Bedingung
für konstanten Verstärkungsgrad Rk = A - Ra bei Änderung der resultierenden
Gegenkopplungsspannung erhalten bleibt, wobei Z, das Übersetzungsverhältnis des
Gegenkopplungsübertragers und Ra den Belastungswiderstand darstellen.
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Die Erfindung beruht einmal auf der Erkenntnis, daß die bekannte Schaltungsanordnung
zur Einstellung des Innenwiderstandes eines Verstärkers mit
worin ß = S - Ri (Steilheit - Innenwiderstand der Endröhre) ist. Hilfe einer kombinierten
Gegenkopplung ohne jede schaltungsmäßige Änderung, lediglich durch geeignete Bemessung
der Schaltungselemente, auch umgekehrt zur Änderung des Verstärkungsgrades ohne
Beeinflussung des Innenwiderstandes benutzt werden kann, und ferner darauf, daß
sich der Innenwiderstand bei wachsendem Gegenkopplungsgrad zunächst stark, dann
aber immer weniger ändert und einem Grenzwert zustrebt.
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Im folgenden soll an Hand der Fig. 2 und 3 zunächst einmal nachgewiesen
werden, auf welche Weise man bei Verwendung der bekannten Schaltungsanordnung eine
Änderung des Verstärkungsgrades ohne Beeinflussung des Innenwiderstandes ermöglichen
kann und wie man darüber hinaus verfahren muß, um trotzdem auch den Innenwiderstand
in gewissen Grenzen ändern zu können, ohne den eingestellten Verstärkungsgrad zu
beeinflussen.
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In der Fig. 2 ist schematisch ein gegengekoppelter, mehrstufiger Verstärker
dargestellt.
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Er besteht aus dem als Blockdiagramm gezeichneten Vorverstärker
A und der Endstufe B, deren Schaltungsanordnung wenigstens bezüglich
der Erzeugung der Gegenkopplungen in ihren Einzelheiten gezeigt ist. Außerdem ist
in dieser Figur die Rückführung der resultierenden Gegenkopplung von derEndstufe
auf den Verstärkereingang dargestellt, wobei angenommen ist, daß in diesen Gegenkopplungsweg,
der sich über den gesamten Verstärker (A + B) erstreckt, ein regelbares
Dämpfungsglied eingeschaltet ist.
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In dieser Schaltung ist die Verstärkung des Vorverstärkers
die durch das Dämpfungsglied C bewirkte Spannungsteilung
Bezeichnet man mit
das Übersetzungsverhältnis des Gegenkopplungsübertragers der Endstufe und mit Ri
den inneren Widerstand der Endröhre ohne Gegenkopplung, gegebenenfalls auch den
durch eine zusätzliche urveränderbare Spannungsgegenkopplung herabgesetzten inneren
Widerstand der Endröhre, dann ergibt sich der Innenwiderstand des gesamten gegengekoppelten
Verstärkers, bezogen auf die Anodenseite (w1) der Endstufe zu:
Setzt
man nun
dann bekommt man aus der Innenwiderstandsbeziehung die Gleichung
y = f (x) für verschiedene Werte von ö ergibt die in Fig. 3 dargestellte
Kurvenschar.
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In den vorstehenden Gleichungen bedeutet Rio den Innenwiderstand der
Endstufe allein bzw. den Innenwiderstand des Verstärkers bei ß = 0. x ist das Produkt
aus dem Spannungsverhältnis
wird. Daraus folgt aber die Bedingung für konstanten Innenwiderstand bei Änderung
des Verstärkungsgrades
Betrachtet man nun nochmals die Kurvenschar der Fig.3, welche der Gleichung
für verschiedene Werte von ö genügen, so erkennt man folgendes Die Änderung der
Größe y wird bei einer bestimmten prozentualen Änderung von x um so geringer, je
höher der untere Grenzwert des Änderungsbereiches von x liegt und j e geringer gleichzeitig
die Abweichung der Größe ö von dem Wert i ist, also dem Wert, bei welchem die Gleichung
Rd = Ri - A, erfüllt ist. Dies bedeutet, daß eine Änderung der Verstärkung durch
Änderung der Gegenkopplung derart, daß die Größe ß verändert wird, den Innenwiderstand
um so weniger beeinflußt, je besser die Bedingung R, = Ri -
;. erfüllt ist.
Die geringste Gegenkopplung, von der ab eine weitere Vergrößerung der Gegenkopplung
praktisch keine Innenwiderstandsänderung mehr hervorruft, kann daher um so kleiner
sein, je mehr man sich der Bedingung R,
= Ri
- 2, nähert.
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Damit ergibt sich aber die Möglichkeit, bei Verwendung der bekannten
Schaltungsanordnung, die sich durch außerordentliche Einfachheit auszeichnet, ohne
zusätzlichen Aufwand in gewissen Grenzen den Innenwiderstand zu ändern bzw. einzustellen
und weiterhin auch den Verstärkungsgrad durch Änderung der und dem von den Schaltelementen
des übrigen Verstärkers abhängigen Faktor
Ändert man den Verstärkungsgrad, indem man ß ändert, dann ändert sich auch x proportional
zu ß.
ist das Verhältnis des Innenwiderstandes des über alle Stufen gegengekoppelten Verstärkers
zum Innenwiderstand desselben Verstärkers ohne die sich über alle Stufen erstreckende
Gegenkopplung (ß = 0).
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y = f (x) bedeutet daher die Abhängigkeit des auf Rio bezogenen
Verstärkerinnenwiderstandes Ri* von der sich über alle Stufen erstreckenden Gegenkopplung
(ß).
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Ist ö = i, so kann man das Dämpfungsglied C beliebig einstellen, ohne
daß dadurch der Verstärkerinnenwiederstand Ri* beeinflußt wird. Ist ö < i, so
bedeutet das ein Überwiegen der Spannungsgegenkopplung, ö = 0 entspricht einer reinen
Spannungsgegenkopplung, während ein Überwiegen der Stromgegenkopplung durch ö >
i dargestellt wird.
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Aus den oben angezogenen Gleichungen ergibt sich, daß für ö = i Gegenkopplung
zu ändern, ohne den einmal gestellten Innenwiderstand merkbar zu beeinflussen.
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Praktisch wird dies dadurch erreicht, daß man die bekannte Bedingung
Rk = A. - Ra erfüllt und außerdem die oben abgeleitete neue Bedingung
Rz, = A, - Ri so weit annähert, wie eine Einstellbarkeit des Innenwiderstandes gewünscht
wird. Je größer nun derjenige Gegenkopplungsgrad ist, der der größten einstellbaren
Verstärkung entspricht, um so größer kann auch der Änderungsbereich des Widerstandes
R, und damit des Innenwiderstandes sein, wie aus der Kurvenschar ohne weiteres erkennbar
ist.
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Man erzielt damit den Vorteil, daß man zunächst den Verstärkungsgrad
bei einer ganz bestimmten Stellung der Verstärkungsregeleinrichtung auf einen vorschreibbaren
Wert einstellen kann, dann den Innenwiderstand ebenfalls auf einen Sollwert, ohne
dadurch den vorher eingestellten Verstärkungsgrad zu ändern. Betätigt man hinterher
den Verstärkungsregler, wobei die Bedingung Rk = A, - Ra nicht gestört
wird, so ändert sich nur noch der Verstärkungsgrad, der Innenwiderstand dagegen
nicht mehr.
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Im folgenden sollen noch einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher beschrieben werden, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist,
vielmehr kann die Schaltungsanordnung für die Abnahme der variablen Gesamtgegenkopplung
in mancherlei Weise abgewandelt werden, ohne daß die der Erfindung zugrunde liegenden
Bemessungsregeln für die einzelnen Gegenkopplungen dadurch betroffen werden. Andererseits
ist auch eine absolut strenge Erfüllung der Bedingung Rk = A, - Ra in manchen
Fällen nicht unbedingt erforderlich, vielmehr kann, wenn gewisse
Schwankungen
des Innenwiderstandes innerhalb vorschreibbarer Toleranzgrenzen bei Änderung des
Verstärkungsgrades zulässig sind, eine entsprechend gute Annäherung an diese Bedingung
ausreichend sein.
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Fig.4 zeigt die Schaltungsanordnung eines einstufigen Verstärkers
mit einer kombinierten Strom-und Spannungsgegenkopplung gemäß der Erfindung. Die
Stromgegenkopplung ist so eingestellt, daß Rk = A - Ra ist, außerdem ist
der aus R." und Rva zusammengesetzte Widerstand R7, so bemessen, daß die Bedingung
R,, = A, - Ri in vorbestimmtem Maße angenähert erfüllt ist. Mit Hilfe
eines veränderbaren Teils R." kann der Innenwiderstand Ri innerhalb bestimmter Grenzen
eingestellt werden. Der eine Anschluß der Sekundärseite des Eingangsübertragers
ist direkt an das Gitter der Röhre gelegt, das andere Ende an einen einstellbaren
Abgriff des Widerstandes Rk geführt. Durch Änderung dieses Abgriffs wird die im
Gitterkreis wirksame Gegenkopplungsspannung ohne Beeinträchtigung der Bedingung
R,,. = A, - Ra geändert und damit die Einstellbarkeit des Verstärkungsgrades
erzielt.
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Fig. 5 zeigt eine ähnliche Schaltungsanordnung, die wechselstrommäßig
der Fig. q. gleichwertig ist, falls die Elemente CQ und R, entsprechend gewählt
werden. Handelt es sich um verhältnismäßig geringe Regelbereiche des Verstärkungsgrades
und spielt dabei eine kleine Änderung des Arbeitspunktes der Röhre keine Rolle,
so kommt man mit den in Fig. q. gezeigten einfachsten Mitteln aus, soll aber der
Regelbereich groß sein und will man keine Änderung des Arbeitspunktes durch die
Verstärkungsregelung zulassen, so kann man dies immer, z. B. in der in Fig. 5 gezeigten
Weise, leicht verhindern.
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Durch die Dimensionierung R., = A, - Ri wird der Verstärkerinnenwiderstand
zu
falls nun A, nicht in die Größenordnung von Z oder darüber fällt, sondern-wesentlich
kleiner bleibt, wird bei der Gegenkopplung der Innenwiderstand nur verhältnismäßig
wenig herabgesetzt. In der Praxis wählt man in der Regel schon deshalb A. < z,
um möglichst wenig Leistung in der Gegenkopplungseinrichtung zu verbrauchen. Soll
der Verstärkerinnenwiderstand dabei erheblich kleiner sein als der Innenwiderstand
der Röhre, dann kann man leicht durch Einführung einer zusätzlichen unveränderlichen
Spannungsgegenkopplung eine entsprechende Herabsetzung des Innenwiderstandes erzielen.
Hierdurch wird die Röhre mit ihrem gegebenenfalls hohen inneren Widerstand gewissermaßen
in eine solche mit wesentlich niedrigerem Wert Ri' umgewandelt, auf die dann die
kombinierte Strom- und Spannungsgegenkopplung gemäß der Erfindung angewendet werden
kann. Die Bedingung für konstanten Innenwiderstand ist dann auf diesen bereits herabgesetzten
Wert zu beziehen, also R, = A, . Ri'.
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Wie bereits aus dem der Ableitung der Dimensionierungsbedingungen
zugrunde gelegten Schaltbild Fig. 2 ersichtlich, ist die Erfindung grundsätzlich
auch bei mehrstufigen Verstärkern anwendbar, deren Endstufe entsprechend Fig. z
geschaltet ist, und bei denen die @ Gegenkopplung sich über mehrere Stufen erstrecken
kann. Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform für die Regelung des Verstärkungsgrades.
An Stelle des in Fig. 2 schematisch angedeuteten Dämpfungsgliedes ist hier .ein
Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen Rx, und Rk3 vorgesehen, von dem
ein Teil der in der Endstufe an Rk, auftretenden Wechselspannung abgegriffen und
dem Verstärkereingang so zugeführt wird, daß sie der angelegten zu verstärkenden
Spannung entgegenwirkt. Die Änderung des Verstärkungsgrades durch Verändern des
Abgriffes an dem Widerstand RA., stellt eine besonders einfache Lösung dar.
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Auch beim mehrstufigen Verstärker läßt sich eine zusätzliche Gegenkopplung
einführen, die unveränderbar ist und nur dazu dient, einen gewünschten Verstärkerinnenwiderstand
bequem und ohne Leistungsverlust zu erhalten. Diese Einsteilung des Innenwiderstandes
hat mit der Einstellmöglichkeit gemäß der Erfindung an sich nichts zu tun und wird
nur dann vorgesehen, wenn der Innenwiderstand der Röhre gegenüber dem z. B. aus
Anpassungsgründen erwünschten Wert sehr groß ist. Diese zusätzliche Gegenkopplung
kann beispielsweise eine Spannungsgegenkopplung innerhalb der Endstufe selbst sein,
sie kann sich aber auch über mehrere Stufen erstrecken.
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Ein Beispiel hierfür zeigt die in Fig. 7 wiedergegebene Schaltungsanordnung
eines dreistufigen Verstärkers. Die Endstufe weist wieder die der Erfindung zugrunde
gelegte Schaltung mit der kombinierten Gegenkopplung auf. Außerdem ist aber durch
den zwischen den Anoden der beiden letzten Röhren liegenden Widerstand R" noch eine
zusätzliche Spannungsgegenkopplung eingeführt, um auf bequeme Weise einen Verstärkerinnenwiderstand
zu erzielen, der erheblich kleiner ist als der innere Widerstand der Endröhre. Die
am Kathodenwiderstand Rk der Endröhre auftretende Gegenkopplungsspannung wird über
ein veränderbares Dämpfungsglied C an die Kathode der ersten Röhre geführt, also
in den Eingangskreis des Verstärkers. Wählt man wieder R7, = Ri - 2,, wobei Ri den
durch RZ bereits herabgesetzten Innenwiderstand der Endröhre bedeutet, dann ist
der vom Verbraucher Ra aus gesehene Innenwiderstand des Verstärkers unabhängig von
der Einstellung des Dämpfungsgliedes C und damit auch unabhängig vom Grad der sich
über alle Stufen erstreckenden Gegenkopplung und der davon abhängigen Verstärkung.
Diese zusätzliche Gegenkopplung läßt sich auch auf verschiedene andere bekannte
Weise realisieren.
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Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß man bei der Erfüllung
der Bedingung R" = ? - Ri für den Widerstand Rk auch einen frequenzabhängigen Widerstand
verwenden oder eine an Rk abgenommene Spannung über ein frequenzabhängiges Glied
einer Vorröhre des Verstärkers zuführen kann. Der Innenwiderstand des Verstärkers
wird dabei durch die frequenzabhängige Gegenkopplung nicht beeinflußt. Man kann
also durch geeignete Ausbildung der Gegenkopplung dem Verstärkungsgrad noch einen
bestimmten
I'requenzgang erteilen, der sich auf den Innenwiderstand
nicht auswirkt.