-
Verstärker mit zweifacher Rückkopplung Den Gegenstand der Erfindung
bilden Verstärker, deren Eingangswiderstand mit Hilfe zweier Rückkopplungen verändert
und gleichzeitig stabilisiert wird.
-
Es ist bekannt, daß man durch eine negative Rückkopplung den Eingangswiderstand
eines Verstärkers verändern kann; führt man eine Spannung in Reihenschaltung auf
die Eingangsklemmen zurück, so steigt der Eingangswiderstand; führt man einen Strom
in Parallelschaltung auf die Eingangsklemmen zurück, so fällt der Eingangswiderstand.
In beiden Fällen erreicht man aber immer nur endliche Widerstandswerte, also niemals
die Werte Null oder Unendlich.
-
Es ist weiterhin bekannt, daß eine positive Rückkopplung die umgekehrten
Wirkungen wie eine negative Rückkopplung hat. Ferner kann man mit einer positiven
Rückkopplung Werte von Null bzw. Unendlich des Eingangswiderstandes erzeugen. Diese
lassen sich jedoch in der Praxis schwer verwirklichen, da durch die positive Rückkopplung
die Instabilität des Verstärkers erhöht wird, indem alle Schwankungen des Verstärkungsgrades
und des Ausgangswiderstandes über die positive Rückkopplung in erhöhtem Maße in
den veränderten Eingangswiderstand eingehen.
-
Nach der Erfindung werden für einen Verstärker gleichzeitig zwei verschiedene
Rückkopplungen verwendet, die dem Eingang in Reihen- und Parallelschaltung zugeführt
werden und von denen die eine positiv, die andere negativ ist. Mit ihnen kann man
nebeneinander folgende Wirkungen erzielen: Erstens Änderung des Eingangswiderstandes
nach beliebig
kleinen oder großen Werten hin, zweitens Stabilisierung
des dadurch erhaltenen Eingangswiderstandes, drittens Stabilisierung des Verstärkungsgrades.
-
Mit Hilfe von Verstärkern nach dem vorgeschlagenen Prinzip lassen
sich Meßinstrumente, wie z. B. Volt-, Ampere- und Wattmeter mit verschwindendem
Eigenverbrauch bauen. Ferner kommt z. B. Verstärkern mit extrem hohem Eingangswiderstand
ganz allgemein für die Verstärkung von Spannungen hochohmiger Quellen, wie von Photozellen,
Kondensatormikrophonen und Diodengleichrichtern, Bedeutung zu.
-
Im folgenden wird abgeleitet, wie die Rückkopplungen zu bemessen sind,
und daran anschließend werden Schaltungen von zweifach rückgekoppelten Verstärkern
der beschriebenen Art angegeben. .
-
Der Einfachheit halber sei schwache Aussteuerung des Verstärkers angenommen
und zunächst auch eine solche Frequenz, bei der die Phasendrehung im Verstärker
gleich Null ist. Dann läßt sich ein Verstärker durch folgende Größen kennzeichnen:
R, = Eingangswiderstand, Ri = Ausgangswiderstand, V" = Spannungsverstärkung (Verhältnis
von Ausgangsleerlaufspannung zuEingangsspannung), S" = Spannungs-Strom-Verstärkung
(Verhältnis von Ausgangskurzschlußstrom zu Eingangsspannung), V; = Stromverstärkung
(Verhältnis von Ausgangskurzschlußstrom zu Eingangsstrom), Si = Strom -Spannungs-Verstärkung
(Verhältnis von Ausgangsleerlaufspannung zu Eingangsstrom).
-
Betrachtet man als Beispiel eines Verstärkers eine Elektronenröhre,
so ist der Eingangswiderstand R. bei niedrigen Frequenzen in erster Näherung durch
ihren Gitterableitwiderstand gegeben. Ri stellt den Innenwiderstand dar. V" ist
der Verstärkungsfaktor
V'i und Si werden bei Elektronenröhren im allgemeinen nicht angegeben, sie können
aber z. B. bei Magnetronen oder Mikrophonverstärkern unmittelbare Bedeutung haben.
Während V" und Vi ohne Dimension sind, also Verstärkungsfaktoren darstellen, besitzen
S" und Si eine Dimension, können also nicht als Verstärkungsfaktoren bezeichnet
werden. Deshalb wird im folgenden für die vier Größen der Ausdruck Verstärkungskennwert
verwendet.
-
Ein Verstärker ist durch die Angabe dreier der obigen sechs Größen
RB ... Si in seinen Eigenschaften festgelegt, die übrigen drei lassen sich
daraus berechnen. Nimmt man z. B. Re, Ri und V" als gegeben an, dann ergibt sich
Es sind vier verschiedene Rückkopplungen möglich, die jede für sich einen der genannten
vier Verstärkungskennwerte beeinflussen. Diese Rückkopplungen kommen dadurch zustande,
daß man i. von der Ausgangsspannung U" den Bruchteil K" auf den Eingang in Reihenschaltung
zurückführt; die rückgeführte Spannung hat dann also den Wert Ur = K" U.,
(4)
2. durch den Ausgangsstrom I, an einem Widerstand Rk einen Spannungsabfall
U, erzeugt und diesen auf den Eingang in Reihenschaltung zurückführt Ur =
Rx 1., (5)
3. von dem Ausgangsstrom I" den Bruchteil K; auf den Eingang in
Parallelschaltung zurückführt; der rückgeführte Strom hat dann also den Wert
Ir = KiI., (6)
4. durch die Ausgangsspannung U" in einem
Widerstand einen Strom I, erzeugt und diesen auf den Eingang in Parallelschaltung
zurückführt: I r = Gx U,. . (7)
Durch jede dieser vier Rückkopplungen
(K", Rk, ki, Gl,) wird, gleichgültig ob sie einzeln oder gemeinsam angewendet werden,
je ein zugehöriger Verstärkungskennwert verändert. Bezeichnet man die geänderten
Verstärkungskennwerte mit einem Strich, so ergibt sich
Hierin sind positive Rückkopplungen mit positivem Vorzeichen einzusetzen, negative
mit negativem Vorzeichen.
-
Der geänderte Eingangswiderstand RB ergibt sich unter Verwendung der
Gleichung (8) bis (ii) zu
Hierin bedeutet R, den an den Ausgang angeschlossenen Verbraucherwiderstand. Man
erkennt, daß jede der vier möglichen Rückkopplungen den Eingangswiderstand verändert.
Zur Erläuterung der Art, wie die Gleichung (i2) ausgewertet werden kann, sollen
im folgenden acht Extremfälle behandelt werden, von denen vier sich auf den Eingangswiderstand
Null, die anderen vier auf den Eingangswiderstand Unendlich beziehen.
Um
den Eingangswiderstand Null zu erzielen, muß der Zähler in Gleichung (I2) Null werden.
Dies erreicht man durch positive Rückkopplung. Verwendet man z. B. eine positive
Rückkopplung RA, so daß S.'< 0 wird, und läßt V" durch Rückkopplung
unverändert, d. h. Vü = V., so muß
werden. Der Verstärkungsgrad und damit die Instabilität des Verstärkers werden durch
die positive Rückkopplung erhöht. Diesen Nachteil kann man beseitigen, indem man
eine negative Rückkopplung Kt oder Gk einführt. Dadurch wird nämlich der Nenner
in Gleichung (I2) größer als ohne negative Rückkopplung, d. h. selbst wenn der Zähler
nicht genau gleich Null ist, wird der Wert von RB durch den großen Nenner niedrig
gehalten.
-
Man kann andererseits, um den Zähler in Gleichung (I2) zu Null zu
machen, auch eine positive Rückkopplung K. verwenden, während S. unbeeinflußt bleibt.
Dann lautet die Bedingung
Man hat also die Möglichkeit, für den Eingangswiderstand Null entweder die Verstärkungskennwerte
S" oder V. durch positive Rückkopplung sowie entweder Vi oder St durch negative
Rückkopplung zu beeinflussen. Durch Kombination dieser Möglichkeiten entstehen vier
Verstärkerschaltungen, die in der unten folgenden Tafel als Schaltung Nr. I bis
4 aufgeführt sind.
-
Will man andererseits den Eingangswiderstand Unendlich erzielen, dann
muß man den Nenner in Gleichung (I2) zu Null machen. Dies erreicht man durch positive
Rückkopplung Ei oder Gx, d. h. man macht entweder
oder
Gleichzeitig reduziert man den erhöhten Verstärkungsgrad und die Instabilität des
Verstärkers durch negative Rückkopplung Rk oder K., so daß der Zähler in Gleichung
(I2) größer wird als ohne negative Rückkopplung.
-
Durch Kombination der letztgenannten Möglichkeiten entstehen wiederum
vier Verstärkerschaltungen, die in der Tafel als Schaltung Nr. 5 bis 8 aufgeführt
sind.
-
In den Fig. I bis 8 sind Schaltungen gezeigt, die die Verstärker der
Tafel realisieren. In Fig. = sind I, 2 die Eingangsklemmen des .rückgekoppelten
Verstärkers. 3 ist der eigentliche Verstärker, welcher in Pfeilrichtung verstärkt.
Die Polung von Eingang und Ausgang ist durch Plus- und Minuszeichen kenntlich gemacht.
R" stellt den Verbraucherwiderstand dar. Diese Verhältnisse bzw. Bezeichnungen gelten
auch für die folgenden Schaltbilder. R3 liefert einen dem
| Wert von R, / Bedingungen für Schaltung Nr. |
| Yu @ Su Vi @ St |
| 0 - S.' < 0 I 0 < hi < Vi |
| _ Su'<0 j O<Si'<Si 2 |
| V.' <0 0<Vi <Vx _ 3 |
| Vu'<0 0<Si'<Si 4 |
| 00 0 < S.' < S, Vi < 0 I-
5 |
| --_ |
| 0<Vu'<V, Yi'<0 6 |
| i 0 < S.' < S. I
St' < 0 7 |
| 0<V.'<V. I Si' <0 8 |
Ausgangsstrom proportionalen Spannungsabfall in positiver Rückkopplung an den Eingang
zurück. An Ra und R3 entsteht ebenfalls ein Spannungsabfall, der dem Ausgangsstrom
proportional ist; von diesem wird über den hochohmigen Widerstand R1 ein Strom in
negativer Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
-
In Fig.2 liefert R6 eine dem Ausgangsstrom proportionale Spannung
in positiver Rückkopplung an den Eingang zurück; R4 führt einen der Ausgangsspannung
proportionalen Strom auf den Eingang zurück, und zwar in negativer Rückkopplung.
In Fig. 3 liegt der Spannungsteiler Re, Ra parallel zum Verbraucherwiderstand R";
von hier wird eine Spannung, die der Ausgangsspannung proportional ist, in positiver
Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt. Über R7 und RB wird ein Strom, der dem
Ausgangsstrom proportional ist, in negativer Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
-
In Fig. 4 wird von dem Spannungsteiler R11, R, eine Spannung, die
der Ausgangsspannung proportional ist, in positiver Rückkopplung auf den Eingang
zurückgeführt. Über Rlo wird ein Strom, der der
Ausgangsspannung
proportional ist, in negativer Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
-
In Fig. 5 wird über R1, ein Strom, der dem Ausgangsstrom mit Hilfe
von R14 und R15 proportional ist, in positiver Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
Von R" wird eine Spannung, die dem Ausgangsstrom proportional ist, in negativer
Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
-
In Fig. 6 wird über R19 und R" ein Strom, der dein Ausgangsstrom proportional
ist, in positiver Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt. Vom Spannungsteiler
R1; und R1, wird eine Spannung, die der Ausgangsspannung proportional ist, in negativer
Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
-
In Fig. 7 wird über R..9 ein Strom, der der Ausgangsspannung proportional
ist, in positiver Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt. Von R21 wird eine
Spannung, die dem Ausgangsstrom proportional ist, in negativer Rückkopplung auf
den Eingang zurückgeführt.
-
In Fig. 8 wird über R22 ein Strom, der der Ausgangsspannung proportional
ist, in positiver Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt. Vom Spannungsteiler
R23, R24 wird eine Spannung, die der Ausgangsspannung proportional ist, in negativer
Rückkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
-
Bei einer oder mehreren Frequenzen ist die Phasendrehung eines Verstärkers
im allgemeinen gleich Null (oder 18o'). Je mehr die Frequenz jedoch hiervon abweicht,
desto größer werden die Abweichungen der Verstärkungskennwerte nach Betrag und Phase
von ihren Werten bei der Phasendrehung Null (bzw. 18o°). Um mit .einer positiven
Rückkopplung einen Verstärkungskennwert über einen möglichst weiten Frequenzbereich
gleichmäßig zu verändern, kann man die Rückkopplung mit bekannten :Mitteln so gestalten,
daß sie nach Betrag und Phase in dem betreffenden Frequenzbereich einen entgegengesetzten
Verlauf zu dein betreffenden Verstärkungskennwert des eigentlichen Verstärkers aufweist.