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Schaltung zur Verstärkung elektrischer Schwingungen mit wenigstens
zwei Rückkopplungen Es ist in der Verstärkertechnik vielfach erwünscht, Verstärkerstufen
derartig auszubilden, daß sie an ihrer Ausgangsseite einen geringen inneren Widerstand
aufweisen. Beispielsweise ist dies unter gewissen Umständen von Bedeutung bei Leistungsverstärkerstufen,
besonders in Niederfrequenzverstärkern, dabei kleinem Innenwiderstand der Zusammenhang
zwischen Ausgangsstrom und Klemmenspannung vorwiegend durch die Eigenschaften des
äußeren Verbraucherwiderstandes bestimmt ist und besonders bei Änderungen des Verbraucherwiderstandes,
beispielsweise mit der Frequenz, sich die Klemmenspannung verhältnismäßig wenig
ändert. Besondere Vorteile ergeben sich aus diesem Verhalten für Außenwiderstände,
welche einen nichtlinear mit der Spannung zusammenhängenden Strom aufnehmen, wenn
eine lineare Spannungsaussteuerung an diesem Widerstand gefordert ist. Dieser Fall
liegt bei der Aussteuerung großer Verstärkerendstufen oder 12odulatorstufen vor,
bei denen die Gitterwechselspannung den Einsatzpunkt des Gitterstromes in Richtung
positiver Gitterspannungen überschreitet, so daß ein merklicher Gitterstrom fließt.
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Es ist bekannt, daß man durch Rückkopplung die Eigenschaften von Verstärkerstufen
in weiten Grenzen beeinflussen kann. Für die rechnerische Behandlung solcher Schaltungen
macht man von entsprechend geänderten Röhrenkennwerten Gebrauch, mit deren Hilfe
man die Eigenschaften der rückgekoppelten Schaltung durch die einer nicht rückgekoppelten
Schaltung
ausdrücken kann. In dem-Buch »Grundlagen der Verstärkertechnik« von H. Bartels,
3.Aufl., S. 216, befindet sich eine Tabelle, in welcher die durch die verschiedenen
Formen von Rückkopplung sich ergebenden geänderten Röhrenkennwerte angegeben sind.
Insbesondere geht daraus hervor, daß man sowohl durch eine Strommitkopplung (Rückkopplungsfaktor
positiv, rückgekoppelte Spannung proportional dem Ausgangsstrom)- wie auch durch
eine Spannungsgegenkopplung (Rückkopplungsfaktor negativ, rückgekoppelte Spannung
proportional der Ausgangsspannung) eine Herabsetzung des inneren Widerstandes gegenüber
dem statisch- bestimmten Wert erzielen kann.
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Für die Verwirklichung einer Verstärkerstufe mit extrem kleinem Innenwiderstand
unter Einschluß des Wertes Null ist die Spannungsgegenkopplung grundsätzlich nicht
geeignet, da sich mit Vergrößerung des Rückkopplungsfaktors der scheinbare InnenwiderstandR;
nur asymptotisch dem Wert Null nähert und stets einen endlichen positiven Wert beibehält,
wobei die notwendige Eingangsspannung wegen der absinkenden Spannungsverstärkung
sehr große Werte annimmt.
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Weit aussichtsreicher scheint dafür zunächst die Anwendung einer Strommitkopplung.
Abb. i zeigt in einem grundsätzlichen Schaltbild eine derartige, an sich bekannte
Anordnung. Die Röhre i erzeugt an dem Außenwiderstand 2 die Ausgangsspannung U".
Zwischen den Eingangsklemmen erscheint der innere Widerstand irgendeiner Spannungsquelle,
welche die Eingangsspannung U, liefert. Am Widerstand 3 tritt eine dem Ausgangswechselstrom
proportionale Spannung auf, welche durch den nicht grundsätzlich erforderlichen
Transformator q. mit beispielsweise dem Übersetzungsverhältnis i : i phasengleich
mit U, auf den Gitter-Kathoden-Kreis rückgekoppelt wird; diese Spannung sei U",
. Für die Spannung zwischen Gitter und Kathode gilt U, = U, -f- U",.
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Bei der praktischen Anwendung derartiger Schaltungen hat sich aber
gezeigt, daß sehr kleine Innenwiderstände auch damit nicht verwirklicht werden können,
weil Unstabilitäten der Arbeitsweise die Anwendung ausreichender Rückkopplungen
verhindern. Die Zusammenhänge werden durch Abb. z verdeutlicht, in welcher durch
die Gerade 5 die Abhängigkeit des in Richtung der vertikalen Achse aufgetragenen
scheinbaren Innenwiderstandes R= von der Stärke der Rückkopplung dargestellt ist.
Als Maß für die Rückkopplung ist in der horizontalen Achse das Produkt S - R m aufgetragen,
worin S die statische Röhrensteilheit und R", die Größe des Widerstandes 3 bedeuten.
Ohne Rückkopplung hat die Röhre den Innenwiderstand iJS - D, wenn mit
D der Durchgriff bezeichnet wird. Durch die Strommitkopplung sinkt der Innenwiderstand
auf
Diese Abhängigkeit wird durch die Gerade 5 dargestellt, welche dieAbszissenachse
im Punkt S-R", = i schneidet, wo der scheinbare Innenwiderstand R' Z gleich Null
ist. Man erkennt, daß bei weiterer Vergrößerung der Rückkopplung der Innenwiderstand
negative Werte annimmt. Wird der Betrag des negativen Innenwiderstandes hierbei
größer als der Außenwiderstand Ra, so tritt Eigenerregung der Schaltung ein, was
für den zugrunde gelegten Verwendungszweck unzulässig ist.
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In Abb. 2 ist der negative Wert eines angenommenen Außenwiderstandes
Ra eingetragen. Man erkennt, daß die Grenze der Eigenerregung bereits -überschritten
wird, wenn die Stärke der Rückkopplung von dem Wert S - R", = i nur auf den benachbarten
Wert cl erhöht wird. Die Schaltung ist also zur Herstellung des scheinbaren Innenwiderstandes
Null ungeeignet, da derartige Schwankungen des Rückkopplungsgrades im Verhältnis
von i : cl in Abb.2 bereits im normalen Aussteuerungsbereich der Röhre infolge von
Änderungen der Steilheit eintreten können.
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Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch
gleichzeitige Anwendung zweier Rückkopplungsformen, welche jede für sich allein
zur Herstellung des Innenwiderstandes Null sich als ungeeignet erwiesen hatten,
dieses Ziel tatsächlich erreichbar ist. Besonders wird die bei der Strommitkopplung
mit der Verringerung des Innenwiderstandes auftretende Unstabilität durch die noch
hinzukommende Verringerung des Innenwiderstandes infolge einer, starken Spannungsgegenkopplung
nicht nur nicht erhöht, sondern sogar in einem praktisch verwertbaren Ausmaß verringert.
In einer Schaltung zur Verstärkung elektrischer Schwingungen mit wenigstens zwei
Rückkopplungen, vorzugsweise zur Leistungsverstärkung von Niederfrequenzschwingungen,
soll daher außer einer Spannungsgegenkopplung mit einem Rückkopplungsfaktor vom
Absolutwert Eins oder vorzugsweise größer als Eins eine Strommitkopplung von solcher
Stärke vorgesehen sein, daß der innere Widerstand der Ausgangsseite auf einen sehr
kleinen Wert, vorzugsweise wenigstens ungefähr auf Null gebracht ist. Vorzugsweise
soll dabei die Spannungsgegenkopplung.durch Ausbildung der Schaltung als Kathodenverstärker
bewirkt werden. Der Begriff des Rückkopplungsfaktors ist hierbei in bekannter Weise
definiert als derjenige Faktor, mit dem der Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung
multipliziert die rückgekoppelte Spannung ergibt. Im Falle der Spannungsgegenkopplung
ist der Rückkopplungsfaktor k eine negative dimensionslose Zahl, während bei der
Strommitkopplung sich für k eine positive Größe mit der-Dimension eines Widerstandes
ergibt.
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Für den Fall des Kathodenverstärkers spricht man auch von einer Spannungsgegenkopplung
von ioo °/o, da die Ausgangsspannung in voller Größe im Eingangskreis erscheint.
Dies bedeutet nichts anderes als k = - i im Sinne der oben angeführten Definition.
In Abb. 3 ist eine einfache Schaltung mit den Merkmalen der Erfindung dargestellt.
Hinsichtlich der Ausführung der Strommitkopplung entspricht sie der Abb. i, jedoch
liegt der Außenwiderstand 2 im Kathodenkreis. Eingangs- und Ausgangsspannung sind
miteinander phasengleich, und man erkennt, daß ohne Berücksichtigung der Mitkoppelspannung
U", die zwischen Gitter und Kathode- wirksame Spannung Ug durch die Differenz zwischen
Eingangs- und Ausgangs-
Spannung gebildet wird. Unter Einbeziehung
von U", ergibt sich: U, = U, - U" '- U",.
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Der scheinbare Innenwiderstand einer derartig geschalteten Röhre errechnet
sich zu
Stellt man diese Abhängigkeit in Abb. 2 dar, so ergibt sich die Gerade 6. Ohne Strommitkopplung
hat die Röhre ein R'i, welches durch die Spannungsgegenkopplung auf den Wert i/S
- (D -f- i) herabgesetzt ist; dort schneidet die Gerade 6 die Ordinatenachse. R'i
wird gleich Null bei S - R", = i, was ohne weiteres aus dem Ausdruck für R'i folgt.
Die Gerade 6 schneidet also die Nullinie im gleichen Punkt wie die Gerade 5, aber
unter einem wesentlich kleineren Winkel. Man erkennt, daß der nicht mehr zulässige
negative Wert von R'i jetzt erst bei der sehr viel größeren Mitkopplung c2 erreicht
wird. Es können also viel stärkere Schwankungen des Rückkopplungsmaßes S - R", zugelassen
werden, ohne daß die Stabilität dadurch gefährdet wird. Hierdurch wird es möglich,
Verstärker mit extrem kleinem Innenwiderstand, vorzugsweise mit dem Innenwiderstand
Null, zu realisieren.
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In den Abb. 4 bis 8 sind weitere Schaltbilder gezeigt, welche Ausführungsformen
des Erfindungsgegenstandes darstellen.
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In der Schaltung nach Abb.4 ist von der Möglichkeit Gebrauch gemacht,
die Spannungsgegenkopplung des Kathodenverstärkers durch einen die Gegenkoppelspannung
erhöhenden Verstärker entsprechend zu vergrößern; der Gegenkopplungsfaktor wird
dadurch über den Absolutwert Eins hinaus erhöht. Man erkennt in Abb. 4 ohne weiteres,
daß am Eingang des Verstärkers 7 die Differenz der Eingangs- und Ausgangsspannung
liegt. Die von ihm gelieferte erhöhte Spannung ist zwischen Gitter und Kathode der
Ausgangsstufe angelegt: Durch die Zwischenschaltung des Verstärkers 7 wird der Innenwiderstand
des Kathodenverstärkers i für die Mitkopplung Null von dem Wert i/S - (D + i) weiter
herabgesetzt auf den Wert i/S - (D -f- V), wobei V den Verstärkungsgrad
des Verstärkers 7 bezeichnet. Dadurch rückt der Schnittpunkt der Geraden 6 mit der
Ordinatenachse in Abb. 2 weiter nach unten, während der Schnittpunkt mit der Abszissenachse
bei S - R", = i erhalten bleibt. Die Gerade 6 dreht sich also um ihren Schnittpunkt
mit der Abszissenachse in einen noch flacheren Verlauf. Dies bewirkt eine weitere
Erhöhung der Stabilität, da der Schnittpunkt mit der Geraden - Rd entsprechend zu
höheren Werten der Strommitkopplung, also weiter nach rechts hinausrückt. Es ist
zu erwähnen, daß in Abb. 4 der Mitkoppelwiderstand 3 in den Kathodenkreis der Röhre
i aufgenommen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine Seite des Widerstandes
mit der Kathode, der Ausgangsröhre i verbunden sein kann, wodurch es ermöglicht
wird, die Strommitkopplung als Widerstands-Kondensator-Kopplung oder sogar als galvanische
Kopplung auszubilden.
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Abb. 5 zeigt, wie der Verstärker 7 in Abb. 4 im einzelnen aufgebaut
sein känn, Er enthält die Röhre 8, deren Eingangsspannung am Kathodenwiderstand
g zugeführt wird. Die an ihrem Ausgangswiderstand io auftretende Spannung liegt
zwischen Gitter und Kathode der Röhre i. In diesem Schaltbild sind, wie auch in
den noch folgenden, die Gleichspannungsquellen weggelassen worden. Die Mitkoppelspannung
wird dem Gitter der Röhre 8 zugeführt.
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Eine noch höhere Verstärkung der Differenz zwischen Eingangs- und
Ausgangsspannung als der einstufige Verstärker 7 in Abb. 5 liefert der zweistufige
Verstärker ii in Abb. 6, welcher die Röhren 12 und 13 enthält. Die Mitkoppelspannung,
welche an dem im Ausgangskreis liegenden Widerstand ,3 abgeleitet wird, wirkt hier
auf das Gitter der zweiten Verstärkerstufe 13.
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Abb. 7 zeigt einen zweistufigen Verstärker 14 zur Verstärkung der
Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung mit den Röhren 15 und 16, welche
miteinander in Kathodenkopplung über den Widerstand 17 verbunden sind. Die Strommitkopplung
wird am Gitter der Röhre 16 wirksam. Der Ausgangswiderstand 2 der Röhre i ist hier
aufgeteilt in einen linearen .Zweig 2" und einen nichtlinear mit der Spannung stromaufnehmenden
Zweig 2b, und die Mitkoppelspannung ist von dem Strom in dem nichtlinearen Zweig
abgeleitet. Der Zweig 2" kann beispielsweise im wesentlichen durch die Kathodendrosselspule
der Röhre i gebildet sein, während 2b die nichtlineare Belastung durch die Gitter-Kathoden-Strecke
der nachfolgenden Stufe darstellt. Da nur für diese nichtlineare Strombelastung
der Innenwiderstand klein zu sein braucht, wird die rückgekoppelte Spannung mittels
des Widerstandes 3 auch nur aus dem nichtlinearen Zweig 2b entnommen.
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Die Schaltungen nach den Abb. 5 bis 7 kommen ohne Übertrager im Rückkopplungsweg
aus. Darüber hinaus kann es zur Übertragung der durch den Gitterstrom der nachfolgenden
Stufe hervorgerufenen Gleichstromkomponente erwünscht sein, den gesamten Rückkopplungsweg
mit galvanischer Kopplung auszubilden, was mit an sich bekannten Mitteln möglich
ist.
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Für die Verstärkung der Mitkoppelspannung können auch Vorverstärkerstufen
mit herangezogen werden, welche im Zuge des Hauptverstärkungsweges vor sämtlichen
Stufen des Kathodenverstärkers liegen. Abb. 8 zeigt eine entsprechende Schaltung,
in welcher die Mitkoppelspannung dem Eingang des Vorverstärkers 18 zugeleitet wird.
Der Rückkopplungsgrad S - R", = i, welcher R'i = o bewirkt, kann infolge der Verstärkung
der Mitkoppelspannung durch 18 schon mittels eines entsprechend kleineren Mitkoppelwiderstandes
erzielt werden.