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Verstärkerschaltung mit kombinierter Strom- und Spannungsgegenkopplung
Verstärker, die in Trägerfrequenzverbindungen verwendet werden, müssen im allgemeinen
hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Verzerrungseigenschaften erfüllen. Insbesondere
wenn es sich um Verstärker handelt, die mehrere Sprachkanäle gleichzeitig übertragen
sollen, dürfen die nichtlinearen Verzerrungen nur außerordentlich klein sein. Um
dieses Ziel zu erreichen, werden derartige Verstärker mit starker Gegenkopplung
betrieben. Gleichzeitig wird aber gefordert, daß der Innenwiderstand eines solchen
Verstärkers einen ganz bestimmten Wert hat. Um nun ein und denselben Verstärkertyp
an möglichst vielen Stellen einer Trägerfrequenzverbindung verwenden zu können,
macht man den Verstärkungsgrad einstellbar. Damit aber jeweils die maximal mögliche
Gegenkopplung vorhanden ist und die nichtlinearen Verzerrungen dadurch immer so
klein wie möglich gehalten werden können, ist es bekannt, die Verstärkungseinstellung
durch die Gegenkopplung vorzunehmen. Dies bedeutet aber, daß eine Änderung der Gegenkopplung
den Verstärkerinnenwiderstand nicht beeinflussen darf.
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Es ist bekannt, den Verstärkerinnenwiderstand dadurch unabhängig vom
angewendeten Gegenkopplungsgrad zu machen, daß, wie in Fig. z angegeben, der Ausgangskreis
des Verstärkers eine Brückenschaltung enthält, die vom Verbraucher aus gesehen sich
im Gleichgewicht befindet und von deren Nullzweig die Gegenkopplungsspannung abgenommen
wird. Diese setzt sich aus einer Strom- und einer Spannungsgegenkopplung zusammen.
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In Fig..z bedeutet B den eigentlichen Verstärker, dessen Innenwiderstand
ohne Gegenkopplung Ri beträgt. Ist
dann wirkt sich eine Änderung der Einstellung des in
den Gegenkopplungsweg
eingeschalteten Dämpfungsgliedes C zwar auf den Verstärkungsgrad des gegengekoppelten
Verstärkers aus, nicht aber auf den von Ra aus gesehenen Innenwiderstand.
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Die in Fig. 2 angegebene vereinfachte Darstellung des Ausgangskreises
läßt dies leicht erkennen. Bei Brückengleichgewicht, d. h. bei Ri-R2,=R1-R3 wird
der von Ra aus gesehene Innenwiderstand
durch irgendwelche Maßnahmen in- dem -Rc enthal= Lenden Diagonalzweig nicht beeinflußt.
Die an diesem ,Zweig abgenommene Gegenkopplungsspannung beeinflußt E, aber nicht
Ri. -Bei Brückenabgleich Ri - R2 = R, - R3 wird die durch die Spannungsgegenkopplung
bewirkte Herabsetzung des Verstärkerinnenwiderstandes infolge der entsprechenden
Heraufsetzung durch die Stromgegenkopplung gerade aufgehoben.
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Bei der praktischen Verwendung dieser Brückenschaltung im Ausgangskreis
zeigt sich nun, daß das Brückengleichgewicht für einen weiten Frequenzbereich mit
ausreichender Genauigkeit eingehalten werden kann. Bei der Fertigung von Verstärkern
mit einer solchen Brückenschaltung im Ausgangskreis ergab sich, daß zwar der Brückenabgleich
leicht ausreichend genau gemacht werden kann, daß aber die Größe des Verstärkerinnenwiderstandes
infolge der bei jeder Fertigung auftretenden Abweichungen der einzelnen Elemente
von ihren Sollwerten Schwankungen unterworfen ist, die gegebenenfalls über die zugelassenen
Toleranzen hinausgehen.
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Bei Verstärkern, die sich an möglichst vielen Stellen einer Trägerfrequenzverbindung
einsetzen lassen sollen, muß außerdem häufig die Möglichkeit vorhanden sein, den
Verstärkerinnenwiderstand wenigstens in gewissen Grenzen ändern bzw. einstellen
zu können.
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Es besteht daher der Wunsch,. eine Verstärkeranordnung zu schaffen,
bei der der Verstärkerinnenwiderstand auf einen gewünschten Wert einstellbar ist
und bei der anschließend an diese Einstellung die Verstärkung durch Änderung der
Gegenkopplung veränderbar ist, ohne den Innenwiderstand weiter zu beeinflussen.
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Eine Verstärkerschaltung mit gleichzeitiger Strom-und Spannungsgegenkopplung,
bei der der Innenwiderstand leicht geändert werden kann, ohne die Verstärkung zu
beeinflussen, ist ebenfalls bekannt .(Patent 726 o42). Es sind also Schaltungen
bekannt, mit denen sich jede der beiden genannten Forderungen einzeln erfüllen lassen,
d. h. entweder die Einstellbarkeit des Innenwiderstandes ohne Beeinflussung der
Verstärkung, oder die Änderung der Gegenkopplung und damit der Verstärkung ohne
Beeinflussung des Innenwiderstandes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung
mit kombinierter Strom- und Spannungsgegenkopplung zu schaffen, die sowohl eine
Einstellung des Innenwiderstandes, zumindest innerhalb. gewisser vorschreibbarer
Grenzen, als auch eine Verstärkungsgradänderung ohne weitere Beeinflussung des Innenwiderstandes
gestattet.
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Diese Aufgabe wird unter Verwendung der obengenannten bekannten Brückenschaltung
des Ausgangskreises eines Verstärkers, bei der die Arme der Brücke, von den Ausgangsklemmen
her gesehen, durch den Innenwiderstand der Endröhre Ri sowie drei Widerstände R1,
R, R3 gebildet werden, während in den Diagonalen einerseits der Belastungswiderstand
Rd, andererseits der Eingangswiderstand des Gegenkopplungsweges liegen, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Brückenelemente derart bemessen sind, daß die beiden Gleichgewichtsbedingungen
der- Brücke Ri R2 = R, R3 und Ra R, = R,R3 zumindest angenähert bzw. die eine genau
und die andere angenähert erfüllt sind.
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Bei einer deraitigen Bemessung der Brückenelemente und einer geringfügigen
Abwandlung der in Fig. z gezeigten Grundschaltung der Brücke kann ohne weiteres
erreicht werden, daß der Verstärkerinnenwiderstand einstellbar ist, ohne die Verstärkung
zu beeinflussen, und daß eine nach dieser Innenwiderstandseinstellung vorgenommene
Änderung der Gegenkopplung und damit der Verstärkung den Verstärkerinnenwiderstand
nicht mehr verändert.
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Die Lösung des Problems beruht auf der Erkenntnis, daß es für die
im Ausgangskreis des Verstärkers nach Fig. z enthaltene Brückenschaltung zwei voneinander
unabhängige Gleichgewichtsbedingungen gibt, und daß es für die Praxis genügt, die
eine dieser Bedingungen genau und die andere nur annäherungsweise zu erfüllen.
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Zeichnet man den Ausgangskreis in vereinfachter Form, so wie in Fig.
z angegeben, wobei Rd und R, (Eingangswiderstand des Gegenkopplungsweges) die Diagonalzweige
der Brückenschaltung bilden, dann besteht von Ra aus gesehen .Brückengleichgewicht,
wenn Ri R2 = R, R3 ist. Wie bereits ausgeführt, bewirkt die Erfüllung dieser Bedingung,
daß der von Rd aus gesehene Verstärkerinnenwiderstand unabhängig vom Gegenkopplungsgrad
wird.
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Zeichnet man aber den Ausgangskreis in vereinfachter Form, so wie
in Fig.3 angegeben, wobei zwischen den - Schaltungen der beiden Figuren tatsächlich
kein Unterschied besteht, dann bilden jetzt Ri (mit E) und R2 die Diagonalzweige
der Brückenschaltung. Von Ri_ bzw. E aus gesehen besteht nun Brückengleichgewicht,
wenn R1 R3 = R" R,
ist. Wird diese Bedingung erfüllt, dann wird der Belastungswiderstand
des Ersatzgenerators mit der EMK E und dem inneren Widerstand Ri durch den Widerstand
belastet, und dieser Belastungswiderstand ist unabhängig
von der
Größe des Widerstandes R2. Eine Änderung von R2 beeinflußt also weder den Belastungswiderstand
des Ersatzgenerators noch den an R, auftretenden Spannungsabfall. Für die Schaltung
gemäß Fig. i bedeutet das, daß bei Erfüllung der Bedingung RiR3 = R" R,
die
Größe des Widerstandes R2 weder die Belastung des Verstärkerteiles B beeinflußt
noch die am Eingangswiderstand R, des Dämpfungsgliedes C liegende Spannung. Man
kann also R2 ändern, ohne die Verstärkung zu verändern. Da aber der Innenwiderstand
Ri* des gesamten gegengekoppelten Verstärkers, bezogen auf die Anodenseite der Endstufe,
von R2 abhängt, bewirkt eine Änderung des Widerstandes R2 auch eine Änderung des
Innenwiderstandes Ri*.
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Damit ist gezeigt, daß man mit der Brückenschaltung im Ausgangskreis
je nachdem, welche Abgleichbedingung erfüllt wird, entweder die Gegenkopplung und
damit die Verstärkung ändern kann, ohne den Innenwiderstand zu beeinflussen, oder
aber den Innenwiderstand ändern kann, ohne die Verstärkung zu beeinflussen.
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Bei der Schaltung nach Fig. i bedeutet U, die zu verstärkende Spannung,
Ui die Spannung am Eingang des Verstärkerteiles B, E die EMK der Ersatzspannungsquelle
des Ausgangskreises von B, deren innerer Widerstand Ri beträgt, Ur die dem
Ausgangskreis entnommene bzw. am Eingang des Dämpfungsgliedes C auftretende Gegenkopplungsspannung,
ß das Verhältnis der am Ausgang und Eingang von C auftretenden Gegenkopplungsspannungen.
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Im Eingangskreis A des Verstärkers kommt dann die Gegenkopplungsspannung
@ ß Ur zur Wirkung. Die Leerlaufverstärkung des Verstärkerteiles B sei
Von' den beiden Gleichgewichtsbedingungen der Brückenschaltung sei zunächst abgesehen.
Für den Innenwiderstand der Verstärkerschaltung gemäß Fig. i gilt allgemein die
Beziehung
Macht man die Dämpfung von C unendlich groß, so wird ß = o. Ohne Gegenkopplung,
aber bei sonst ungeänderter Schaltung, gilt daher für den Verstärkerinnenwiderstand
die Formel
Aus den beiden Formeln für Ri* und Rio ergibt sich das Verhältnis
zu
worin
und
bedeuten. Die Änderung der Gegenkopplung erfolgt durch Änderung von ß. Wird ß vergrößert,
dann ändert sich die Größe x proportional zu ß. x ist das Produkt von ß und einem
von den Eigenschaften des Verstärkerteiles B und den Widerständen der Brückenschaltung
abhängigen Faktor, der aus der oben angegebenen Formel zu ersehen ist.
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Die Funktion y = f (x) für verschiedene Werte von ö gibt also
ein Bild von der Abhängigkeit des Innenwiderstandes Ri* des gegengekoppelten Verstärkers
von der Gegenkopplung ß. Im Falle ö = i ist
daraus folgt Ri R2 = R, R3 . ö = i bedeutet, daß der Innenwiderstand Ri* unabhängig
von der Gegenkopplung ß ist.
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Für &<i überwiegt die Spannungsgegenkopplung, für ö>i die Stromgegenkopplung.
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Je genauer also die Bedingung Ri R2 = R, R3 erfüllt ist, um so weniger
weicht die Größe ö vom Wert i ab.
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In Fig. q. ist
für verschiedene Werte von ö dargestellt. Nach dem Vorhergehenden geht aus dieser
Darstellung hervor, wie sich der auf Rio bezogene Innenwiderstand Ri* des
gegengekoppelten Verstärkers ändert, wenn man die Dämpfung des Gegenkopplungsweges
verändert, bzw. wie der relative Innenwiderstand
von der Gegenkopplung (ß) abhängt.
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Parameter ist die Größe ö, die ein Maß für die Güte des Brückenabgleichs
zur Erzielung der Unabhängigkeit des Innenwiderstandes Ri* von der Gegenkopplung
darstellt.
Man erkennt aus Fig. q. folgendes: Je weniger die Größe
8 vom Wert i abweicht, um so geringer kann die kleinste Gegenkopplung sein, von
der ab eine Vergrößerung der Gegenkopplung nur noch eine praktisch nicht mehr ins
Gewicht fallende Änderung des Innenwiderstandes Ri* verursacht.
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Verstärker, die aus Gründen der Verzerrungsfreiheit mit Gegenkopplung
betrieben werden und bei denen die Einstellung bzw. Änderung des Verstärkungsgrades
durch Änderung der Gegenkopplung vorgenommen wird, legt man im allgemeinen so aus,
daß auch bei der größten einstellbaren Verstärkung noch Gegenkopplung vorhanden
ist. Die kleinste in Betracht kommende Gegenkopplung bestimmt dann einen Bereich
für die Größe ö. Wählt man E so, daß es innerhalb dieses Bereiches liegt, dann hat
man immer die Gewähr dafür, daß eine Vergrößerung der Gegenkopplung von der kleinsten
in Frage kommenden aus keine ins Gewicht fallende Änderung des Innenwiderstandes
mehr verursacht.
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Wird nun eine Änderung von 8 vorgenommen, beispielsweise durch Änderung
von R2, dann gibt es dem erwähnten Bereich von 8 entsprechend auch einen R2 Bereich.
Für jeden Wert von R2 innerhalb dieses Bereiches bewirkt dann eine Vergrößerung
der Gegenkopplung eine praktisch nicht ins Gewicht fallende Änderung des Innenwiderstandes
Ri*.
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Oben wurde gezeigt, daß bei Erfüllung der Bedingung R1R3 = Ra Rc der
Widerstand R2 geändert werden kann, ohne den Verstärkungsgrad zu beeinflussen. Wird
nun diese Bedingung R1 R3 = R"Rc erfüllt und wird für R2 lediglich ein Änderungsbereich
vorgesehen, der dem vorher erwähnten E-Bereich entspricht, so daß für jeden Wert
von R2 innerhalb dieses Bereiches eine Vergrößerung der Gegenkopplung von der kleinsten
in Betracht kommenden aus den Innenwiderstand Ri* praktisch nicht mehr bzw. nur
unwesentlich beeinflußt, so hat man das gewünschte Ziel erreicht. Man hat damit
einen Verstärker, bei dem der Innenwiderstand einstellbar ist ohne die Verstärkung
zu beeinflussen, und bei dem eine nach der Innenwiderstandseinstellung vorgenommene
Änderung der Gegenkopplung und damit der Verstärkung den Innenwiderstand nicht mehr
verändert.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist in Fig.
5 gezeigt. Es ist hier ein dreistufiger Verstärker dargestellt, bei dem die Ausgangsschaltung
durch die Widerstände R1, R2 und R3 zu der bekannten Brückenschaltung ergänzt ist
und bei dem die erfindungsgemäßen Bemessungsregeln angewendet sind. Außerdem weist
die Schaltung eine zusätzliche Spannungsgegenkopplung über den Widerstand R4 auf,
mit deren Hilfe der Innenwiderstand der Endröhre auf einen geeigneten Wert herabgesetzt
wird. An Stelle dieser Spannungsgegenkopplung kann auch eine entsprechende Strommitkopplung
angewendet werden. Zur Einstellung des Innenwiderstandes ist ein Teil des Brückenwiderstandes
R2, nämlich R2", veränderlich gemacht: Die Verstärkungseinstellung erfolgt durch
einen veränderlichen Abgriff an einem Teil des Spannungsteilers Ro.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt,
sie kann vielmehr in mancherlei Beziehung abgewandelt werden, ohne daß diese Bemessungsregeln
dadurch betroffen werden. Dies gilt insbesondere für die Ausbildung des Gegenkopplungsweges
selbst, der an Stelle des in dem Ausführungsbeispiel gezeigten Spannungsteilers
mit variablem Abgriff beispielsweise ein regelbares Dämpfungsglied enthalten kann.
Ferner können die Schaltungselemente des Gegenkopplungsweges auch frequenzabhängig
ausgebildet sein.