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Telefunken Gesellschaft für drahtlose Telegraphie m. b. H., Berlin
Die Erfindung .betrifft eine Schaltung zur Erzeugung einer Hochfrequenzschwingung,
besonders zür Erzeugung einer frequenzmodulierten Hochfrequenzschwingung, mit einem
im wesentlichen die mittlere Frequenz bestimmenden Schwingungskreis, welcher vorzugsweise
einen piezoelektrischen Körper, z. B. einen Quarzkristall, als Frequenznormal enthält.
Um beim Röhrenwechsel .die Verstimmung durch die dabei unvermeidliche Kapazitätsänderung-
unter einer vorgegebenen Grenze zu halten, ist es notwendig, den frequenzbesti.mmeniden.
Schwingungskreis entsprechend lose an: die ausgangsseitig oder gitterseitig mit
ihm zusammenarbeitendenRöhren anzukoppeln. In diesem Fall reicht eine Rückkopplung
über eine einzige Röhre aber zur Schwingungsanfa.chung nicht mehr aus, und es ist
notwendig, einen Rückkopplungsverstärker zu verwenden, um die Rückkopplung einer
.in der Schaltung hinter dem frequenzbestimmen@den Kreis und dem genannten Verstärker
abgenommenen und auf eine vor diesem Kreis liegende Röhre zurückgeführten Spannung
entsprechend wirksamer zu machen.
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Abb. I zeigt das Prinzip einer derartigen Schaltung in einem Übersichtsschema..
Betrachtet man zunächst .den Teil .des Schaltbildes rechts von der strichpunktierten
Trennlinie, so ist darin eine rückgekoppelte Selbsterregungsschaltung mit der Röhre
r, dem lose angekoppelten. frequenzbestimmenden Filter 2 und dem Rückkopplungsverstärlcer
3 dargestellt, von dessen Ausgang eine Spannung zum Steuergitter der Röhre r zurückgeführt
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ist. Bei phasenreiner Rückkopplung stellt sich praktisch die Resonanzfrequenz des
Kreises :2 als Schwingungsfrequenz der Schaltung ein. Dann ist die am Gitter der
Röhre i über .die Rückkopplungsverbindung von 3 ankommende Spannung in Phase mit
dem Röhrenstrom iw. Hat der Verstärker 3 einen Phasenfehler - dcp, so stellt
sich eine andere, Schwingungsrfrequenz ein, für welche die Spannung am Gitter der
Röhre i wieder in Phase ist mit iw. Es wird dann nämlich am Kreis 2 eine Phasendrehung
-h dcp bewirkt, indem sich die Schwingungsfrequenz entsprechend neben der Resonanzfrequenz
von 2 einstellt.
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Man erkennt, daß jede Phasenänderung im Verstärker 3 eine Frequenzänderung
bedingt. Daher ergibt sich die Aufgabe, die Phasenlage der vom Rückkopplungsverstärker
zurückgelieferten Spannung während des Betriebes und auch beim Auswechseln der in
ihm vorhandenen Röhren möglichst unveränderlich zu halten. Mit dieser Aufgabe sowie
mit .damit zusammenhängenden Problemen befaßt sich die Erfindung.
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Von besonders großer Bedeutung ist .die Phasenkonstanz des Rückkopplungsverstärkers,
in Schaltungen zur Erzeugung einer frequenzmodulierten Hochfrequenzschwingung. Betrachtet
man in:Abb, i jetzt auch die links der Trennlinie befindlichen Teeile-, so ist die
Schaltung zu einer einfachen Anordnung für Frequenzmodulation erweitert. Der Hochfrequenzgenerator
4 wird von der Rückkopplungsleitung über das um 9o° phasendrehende Glied 5 gesteuert
und bei 6 und 7 .durch die Modulationsspannung Um moduliert, so daß er an
den Ausgangskreis 2 ,den mit U,n amplitudenm.odulierten Blindstrom iB abgibt. Aus
iw und iB ergibt sich der resultierende Strom, welcher dem Kreis 2 zufließt, als
in seiner Phase veränderlich mit Um. Da für jede Phasenlage des, dem Kreis
2 zufließenden Stromes die Rückkopplungsspannung am Gitter von i in Phase mit iw
sein muß, so stellt sich jeweils diejenige Schwingungsfrequenz neben. der Resonanzfrequenz
.des Kreises 2 ein, für welche mittels der zusätzlichen Phasendrehung der Spannung
am Kreis 2 .diese Bedingung erfüllt wird. Es kommt also zu einer Änderung der Frequenz
mit Um. Man erkennt, da.ß auch hier jeder Phasenfehler des Verstärkers 3
zu einer Verstimmung der mittleren. Frequenz führt. Darüber hinaus ergibt sich aber
bei Anordnungen zur Frequenemodulation durch diese Verstimmung der mittleren Frequenz
auch eine ungünstigere Modulationakennlinie, so daß Verzerrungen .die Folge sind.
Wegen der erhöhten Bedeutung, welche die Phasenkonstanz des Rückkopplungsverstärkers
bei Frequenzmodulationaschaltungen hat, befaßt sich die Erfindung such in besonderem
Maße mit solchen, Schal= tungen. Sie betrifft auch ein Verfahren zur Mnstellung
der Phase der vom Rückkopplungsverstärker zurückgeführten Spannung in einer Schaltung
zur Erzeugung einer frequenzmodulierten Höchfrequenzschwingung.
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Versuche und theoretische Überlegungen halben ergeben, daß hohe Anforderungen
an die Phasenkonstanz des Rückkopplungsverstärkers, wie -sie besonders bei Frequenzmodulationsschaltungen
gestellt -werden; müssen, durch einen sogenannten Resonanzverstärker nicht erfüllt
werden können. Kleine Kapazitätsänderungen, wie sie durch das Auswechseln von Röhren
oder durch Erwärmung vorkommen, rufen bei den üblichen Resonanzverstärkern schon
Phasenänderungen, von unzulässiger Größe hervor.
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Es wunde erkannt, (daß idiese scharfen Bedingungen erfüllbar sind,
wenn die Röhrenstufen des Rückkopplungsverstärkers auf Außenwiderstände von nahezu
9a° Phase, also annähernd auf Blindwiderstände arbeiten. Die- praktische Verwirklichung
ergibt sich mit einem kapazitiven Außenwiderstand, .der allein durch die Röhren-
und Schaltungskapazität oder bei Tieferen Frequenzen durch diese mit einem parallel
geschalteten Kondensator gebildet sein kann.
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Erfindungsgemäß sollen -daher Störungen der erwähnten Art, soweit
sie auf Phasenfehlern oder mangelnder Phasenkonstanz der vom '.Rückkopplungsverstärker
zurückgelieferten Spannung beruhen, dadurch vermindert werden, daß in, mindestens
einer Stufe des Rückkopplungsverstärkers der kapazitive Widerstand der natürlichen
Röhren-und Schaltungskapazität, gegebenenfalls mit einer dazu parallel geschalteten.
Kapazität, im wesentlichen den wirksamen Ausgangs,widerstan@d der Röhre bildet.
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Ist Ca .die für die Verstärkung einer Stufe maßgebende, Ausgangskapazität
und Ra der Widerstand, über den .der Anodenstrom zugeführt wird, so wird der Phasenwinkel,
um den die Verstärkerstufe die Phase dreht, bestimmt durch die Gleichung tnrPv=oi'Ca-
Rd, worin 9p,, die Phasendrehung und co .die Kreisfrequenz ist. Bei einer Kapazitätsänderung
in der betrachteten Stufe von der Größe 4C wird die Phasenänderung in einer Verstärkerstufe
Dia tg p,, im Nenner steht, wird die Schaltung also um so unempfindlicher gegen
kleine Kapazitätsänderungen., je größer tg (p" ward. Dieser Z us@ammenhang führt
zu .der Bemessung des Außenwiderstands gemäß der Erfindung. Um dabei der Phasendrehung
von 9o° im Ausgangskreis der Röhre möglichst nahe zu kommen:, ist es vorteilhaft,
den Röhrengleichstrom über einen Ohmschen Widerstand oder eine Drosselspule zuzuführen,
dessen bzw.derenWechselstromwiderstand groß ist gegenüber dem kapazitiven Ausgangswiderstand
der Röhre.
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Es kann natürlich im Ausgangskreis der Röhre immer nur eine Annäherung
an den. Phasenwinkel 90° erreicht werden, da ja stets Wirkwiderstand vorhanden ist.
Eine solche, im Sinne der Erfindung weit getriebene Annäherung ist für die angestrebte
Verbesserung der Phasenkonstanz auch ausreichend:
Es ist aber in
vielen. praktischen Fällen, besonders bei vielstufigen Verstärkern, erwünscht, für
einzelne oder alle Stufen eine Phasendrehung von vollen 9o° pro Stufe zu erhalten.
In solchen Fällen kann man den Rest der Phasendrehung, der im Anodenkreis an go°
fehlt, .durch zusätzliche Mittel an anderer Stelle bewirken. Wenn also :die Phasendrehung
im Anodenkreis ungefähr gleich go° gewählt ist, indem beispielsweise das Produkt
aus der Ausgangskapazität Ca und dem Widerstand, über den der Röhrenstrom zugeführt
wird, genügend groß gemacht ist, kann zusätzlich in die Steuergitterzuleitung ein
Längswiderstand geeigneter Größe eingeschaltet werden. Dieser bewirkt zusammen mit
der natürlichen Eingangskapazität der Röhre oder auch mit einer zugeschalteten Querkapazität
eine zusätzliche Phasendrehung.
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Ein siolcher Längswiderstand oder ein passend gewähltes Widerstandskondensatorglied
kann auch zur Einstellung der gesamten Phasendrehung über den, ganzen Verstärker
verwendet werden. Um N achregelungsmöglichkeiten zu haben, ist es vorteilhaft, ein,
zur Einstellung der gesamten Phasendrehung vorgesehenes Mittel, beispielsweise einen
Längswiderstand oder einen Querkondensator, einstellbar auszubilden.
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Ein Phasenwinkel von nahezu go° kann auch erzielt werden, wenn als.
Querglied und vo,rzugsw@eise als Ausgangskreis einer Röhrenstufe ein mit seiner
Eigenresonanz genügend weit ab von der mittleren Betriebsfrequenz abgestimmter Paralle@lresonanzkreis
vorgesehen ist. Zum Unterschied vom Resonanzverstärker arbeitet der Kreis hier nicht
mit Phasenwinkeln in der Umgebung von o°, also bei oder in der Nähe der Resonanz,
wo der Phasenwinkel mit kleinen Änderungen der Kreiswerte sehr große Änderungen
erfährt, sondern in dem weniger gegen. Änderungen. empfindlichen Bereich großer
Phasenwinkel. Vorteilhafterweise wird. der Kreis mit seiner Eigenresonanz unter
der mittleren Betriebsfrequenz abgestimmt; im Arbeitsfrequenzbereich überwiegt dann
der kapazitive Leitwert der Parallelschaltung von Spule und Kondensator. Darüber
hinaus nimmt die Scheinkapazität des Kreises in derb in Betracht kommenden Bereich
mit der Frequenz zu, was in Frequenzmodulationsanordnungen fier das Wegsieben der
Oberwellen und Vermeidung von Verzerrungen ausgenutzt werden kann.
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Überschreitung der linearen Aussteuerungsbereiche in unkontrollierter
Weise kann neben Verzerrungen auch zu Phasenfehlern führen. Es ist daher im Zusammenhang
mit dem Erfindungsgedanken unter Umständen wichtig, im Rückkopplungsverstärker Mittel
zur Am.plitudeebegrenzung, beispielsweise eine Anordnung zur selbsttätigen Verstärkungsregelung
in Abhängigkeit von der Ausgangsamplitude oder eine Begrenzung durch Gitter- bzw.
Anodengleichrichtung in einer Röhrenstufe vorzusehen.
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Es ist zweckmäßig, für den Rückkopplungsverstärker eine Röhrentype
mit einem großen Verhältnis der statischen Steilheit S der Gitterspannungs-Anodenistrom-Kennlinie
zur natürlichen Kapazität C der Ausgangselektroden zu verwenden.
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Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Rückkopplungsverstärkers
3 .der Abb. i. Mit 2 ist der schon erwähnte frequenzbestimmende Schwingungskreis
bezeichnet, der an die hier nicht dargestellte rückgekoppelte, Röhre i lose angekoppelt
ist. Der Verstärker enthäilt :die Röhrenstufe 8 und g. Durch die gestrichelt eigezeichneten
Kondensatoren Ca sind: die Kapazitäten der Ausgangselektroden mit den parallel dazu
erscheinenden Schaltungskapazitäten angedeutet. Für die Röhre 8 wird der wirksameAusgan:gswiderstand
im wesentlichen durch den kapazitiven Widerstand von C" gebildet, während bei der
Röhre g Ca in .die Abstimmung des Kreises, 1q., 15 mit eingeht, dessen Resonanzfrequenz
unterhalb des Arbeits,frequenzbereichs gewählt ist, so daß er ebenfalls bei fast
go° Phase arbeitet. Der Anodenwiderstand i i ist groß gegenüber dem kapazitiven
Ausgangswiderstand gewählt. io und 12 sind Längswiderstände in den; Steuergitterzuleitungen;
durch welche die Phasendrehung pro, Stufe oder über .den ganzen Verstärker auf den,
gewünfschten. Wert gebracht werden, kann. In der Röhre! g soll durch Gittergleichrichtung
eine Ampd°itudenbegrenzung stattfinden. Das. Instrument 13 erlaubt es, den Einsatz
des Gitterstroms festzustellen. Im Kreis 14, 15 ist die Indu Aktivität einstellbar
angedeutet; dies bietet ebenfalls ein Mittel, die Phase .der Verstärkerspannung,-
welche über die vom Kreis 1q:, 15 ausgehende Leitung zurückgeführt wird (z. B. auf
die Röhre i, der Abb. i), in @bequemer Weise einzustellen. Mittels des bei 16 eingeschalteten
Telephons kann die Amplitudenmo,dulation. abgehört werden. Wird die dargestellte
Schaltung in einer Anordnung zur Frequenzmodulation per-.wendet, so. bietet sich
eine Möglichkeit, durch die richtige Einstellung der Phase im Rückkopplüngsve-rstärker
während des Betriebes die Verzerrungen im günstigen Sinn zu beeinflussen.
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Bezeichnet man in Abb. i mit 99, den größten vorkommenden.
Phasenwinkel der Resultierenden von iB und iw gegenüber iw und ist A(p der Phasenfehler
der vom Verstärker 3 zurückg@Iieferten Spannung, so ergibt die Rechnung, daß bei
voller Modulation, eine zusätzliche Amplitudenmodulation auftritt von der Größe
AM =Ap#to'pa. Ferner ergibt sich eine quadratische Verzerrung; der
entsprechende, Klirrfaktor ist bei voller Modulation
AM und k2 sind also dem Phasenfehler proportional. Über die Verstimmung der
mittleren Frequenz durch .den Phasenfehler wurde schon gesprochen. Es kann nachgewiesen
werden, daß diese dem Phasenfehler ebenfalls praktisch propdrtional ist. Überwacht
man daher die Amplituden,modulation und bringt sie mit Hilfe einer Phasenkorrüktur
auf
Null, so verschwinden auch Verstimmung und quadratischer Klirrfaktor.
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Das Verfahren zur Einstellung der Phase der vom Rückkopplungsverstärker
zurückgeführter Spannung besteht .demgemäß darin, :daß ein im Rückkopplungsverstärker
vorgesehenes, die Phasendrehung beeinflussendes Übertragungselement auf das erreichbare
Minimum der Amplitudenmo-dulation eingestellt wird. Dies kann beeispielsweise mittels
des Telephons 16 in Abb. 2 geschehen.
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Für Modulationsanordnungen mit großen Frequenzhüben kann es vorteilhaft
sein:, die, Modulation@skennlinie zu beobachten, beispielsweise oszillographisch,
und die Phase mittels eines im Rückkopplungsverstärker vorgesehenen. Übertragungselements
.derartig einzustellen; daß sich für die Modulationskennlinie die größtmögliche
Annäherung an die Linearität ergibt.