DE927099C

DE927099C - Verstaerker mit negativem Widerstand

Info

Publication number: DE927099C
Application number: DEW11339A
Authority: DE
Inventors: Warren Perry Mason; William Shockley
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1952-08-01
Filing date: 1953-06-02
Publication date: 1955-04-28
Also published as: GB737526A; NL95547C; NL178570B; FR1080067A; US2775658A

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Schaltungen, bei denen ein negativer Widerstand verwendet wird. Ihre grundsätzliche Aufgabe besteht in der Verbesserung der elektrischen Stabilität solcher Schaltungen.

Zahlreiche Schaltungen sind bisher vorgeschlagen worden, bei denen ein negativer Widerstand verwendet ward, um einen Teil des positiven Widerstandes der Schaltung in wirksamer Weise aufzuheben und hierdurch den einen oder anderen gewünschten Effekt zu erzielen. Negative Widerstandselemente wurden z. B. in Signalübertragungsschaltungen verwendet, um als Zusatzverstärker für die übertragenen Signale zu dienen. Die Verstärkung ist um so größer, je genauer der negative Widerstand den positiven Widerstand aufhebt; es tritt jedoch Instabilität oder Schwingen auf, wenn der negative Widerstand gleich oder größer als der positive Widerstand wird. Um den genauen Ausgleich der negativen und positiven Widerstände zu vermeiden, war es bisher notwendig, einen Spielraum für die Inkonstanz entweder des negativen Widerstandes selbst oder des Widerstandes der zugehörigen Schaltungen vorzusehen. Die Änderungen des letzteren können gelegentlich sehr wesentlich sein, z. B. infolge Öffnens und Schließens von Telefonkreisen bei Schaltvorgängen. Dies erklärt zum Teil die seltene Verwendung der negativen elementaren oder Zweipolwiderstandselemente und die häufigere Verwendung der bekannten Vierpolvakuumröhrenverstärker bisher.

Speziellere Aufgaben der Erfindung bestehen also darin, einen fast genauen Ausgleich zwischen positivem und negativem Widerstand zu ermöglichen, eine

größere Sicherheit gegen Instabilität zu erhalten und günstigere Toleranzen für die positiven und negativen Widerstandselemente zu ermöglichen.

In Wechselstromschaltungen können nichtohmsche Elemente vorhanden sein, welche den durch den negativen Widerstand erzielten Nutzen bzw. die Verstärkung auch dann beschränken, wenn die nichtohmschen Elemente sich nicht ändern. Ein Gegenstand der Erfindung besteht also darin, diese Beschränkung zu beseitigen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches und billiges elektrisches Übertragungsglied zu schaffen, das Wechselstrom in einer Richtung leicht, in der anderen jedoch nicht durchläßt und das eine breite Frequenzcharakteristik hat, so daß es in Verbindung mit empfindlichen elektrischen Schaltelementen, z. B. mit negativen Widerstandselementen, verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß werden die erwähnten und andere noch abzuleitende Aufgaben erfüllt, in dem passive, nicht umkehrbare Übertragungsnetzwerke in solcher Weise mit negativen Widerstandselementen und anderen empfindlichen elektrischen Schaltelementen zusammengeschaltet werden, daß die Wirkung von Impedanzänderungen in einem Teil der Schaltung gegen die anderen Teile gesperrt wird und somit Effekte, welche die Stabilität beeinträchtigen, verringert werden. Insbesondere schlägt die Erfindung die Zwischenschaltung einer nicht umkehrbaren Schaltungseinheit mit richtungsmäßig unsymmetrischen Eigenschaften zwischen das negative Widerstandselement und die zugehörigen Elemente mit nicht konstanter Impedanz vor.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer Vielzahl von negativen Widerstandselementen, die mit nicht umkehrbaren Netzwerken der obenerwähnten Art abwechseln, um einen stabilen Verstärker mit hoher Verstärkung zu schaffen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Kombination einer instabilen oder veränderlichen elektrischen Impedanz mit einer nicht umkehrbaren Schaltungseinheit mit richtungsmäßig unsymmetrischen Eigenschaften, die einfach, passiv und stabil ist und eine breite Frequenzwiedergabe apfweist. Das Wesen der Erfindung und der verschiedenen Aufgaben, Merkmale und Vorteile, die zusätzlich zu den oben erwähnten vorhanden sind, wird an Hand der Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt sind, klar werden.

Fig. ι stellt das Stromspannungsdiagramm eines negativen .Widerstandselementes dar;

Fig. 2 zeigt die Schaltung einer negativen Widerstandseinheit;

Fig. 3, 4 und 5 zeigen bekannte Kreise mit negativen Widerständen in Reihen-, Parallel- und kombinierter Anordnung;

Fig. 6 stellt ein richtungsmäßig unsymmetrisches ^Element unter Verwendung des Halleffekts bzw. einen Gyrator dar;

Fig. 7 zeigt einen nicht umkehrbaren oder einseitig gerichteten Kreis, bei dem ein Halleffektgyrator verwendet wird;

Fig. 8 zeigt die Verwendung eines nicht umkehrbaren Kreises, der zwei in Reihe liegende negative Impedanzen trennt;

-. Fig."9 zeigt zwei nicht umkehrbare Kreiselemente, die einen negativen Widerstand wirksam isolieren;

Fig. 10 und 11 zeigen mehrstufige Verstärker mit in Reihe geschalteten bzw. mit parallel geschalteten negativen Widerständen.

Bevor zu einer ins einzelne gehenden Beschreibung der Zeichnungen und einer mathematischen Untersuchung der enthaltenen Faktoren übergegangen wird, soll eine flüchtige Betrachtung der bei der Erfindung verwendeten elektrischen Elemente und Schaltungseinheiten vorgenommen werden.

Die beiden wichtigen beim Gegenstand der Erfindung verwendeten Elemente sind erstens negative Widerstandselemente und zweitens nicht umkehrbare Übertragungsglieder, welche in beiden Übertragungsrichtungen verschiedene Übertragungseigenschaften besitzen. Das typische Spannungsstrom-Diagramm eines negativen Widerstandselementes ist in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt, daß bei einem Strom I₀ die Spannung mit ansteigendem Strom kleiner wird und -umgekehrt. Es ist hieraus zu ersehen, daß die Einrichtung an dieser Stelle der Kennlinie bei Wechselstrom einen negativen Widerstand aufweist. Viele der einfacheren oder elementaren negativen Wider-Standselemente sind sehr empfindlich, vornehmlich wegen ihrer kritischen Betriebsbedingungen. Diese Neigung zur Instabilität hat ihre Verwendbarkeit begrenzt.

Ein Vierpolnetzwerk genügt dem Umkehrsatz, wenn eine an zwei Klemmen angelegte elektromotorische Kraft E einen Strom I an den beiden anderen Klemmen hervorbringt und dieselbe Spannung E, an der zweiten Stelle des Kreises angelegt, denselben Strom Γ an der ersten Stelle erzeugt. Ein lineares passives Vierpolsystem ist mit anderen Worten umkehrbar, wenn die Übertragungsimpedanzen in jeder Richtung gleich sind. Wenn die Stromspannungsabhängigkeit auf beiden Seiten eines Netzwerkes gegeben ist durch die Ausdrücke .

■Ei = "^n Ii + Zi₂I₂ und

-C₂ ⁼ ^21*1 ~T ^₂₂^₂ >

wobei E_x und I₁ Spannung und Strom an den Eingangsklemmen, E₂ und I₂ Spannung und Strom an den Ausgangsklemmen, Z₁₁ und Z₂₂ die Eingangs- und Ausgangseigenimpedanzen und Z₂₁ und Z₁₂ die Übertragungsimpedanzen vorwärts und rückwärts sind, so wird das Netzwerk umkehrbar gebannt, wenn die Übertragungsimpedanzen Z₁₂ und Z₂₁ gleich sind. Die meisten passiven Netzwerke sind umkehrbar. In der vorliegenden Erfindung werden jedoch gewisse nicht umkehrbare Übertragungsglieder betrachtet, deren Übertragungsimpedanzen in beiden Übertragungsrichtungen verschieden sind. Ein Beispiel eines nicht umkehrbaren Übertragungsgliedes ist ein richtungsabhängiger Phasenschieber, der ein Schaltelement des Vierpoltyps ist, das in einer Übertragungsrichtung eine andere Phasenverschiebung hat als in der entgegengesetzten Übertragungsrichtung.

Ein anderes nicht umkehrbares Übertragungsglied, auf das bei der vorliegenden Erfindung wiederholt Bezug genommen wird, ist der Gyrator, ein Übertragungsglied, bei dem die Phasenverschiebungen in den beiden Fortpflanzungsrichtungen sich um i8o° unterscheiden. Wenn einem derartigen Übertragungsglied mit richtungsabhängiger Phasenverschiebung ein normales umkehrbares Element mit gleicher Phasenverschiebung in beiden Übertragungsrichtungen parallel geschaltet wird, wird der Strom in der Richtung, in der die Teilströme in Phase sind, erhöht, während der Strom in der Richtung, in der sie außer Phase sind, entweder teilweise oder vollständig ausgelöscht wird. Diese Art Einrichtung, die Wechselstromsignale in einer Richtung besser als in der anderen überträgt oder leitet, wird richtungsabhängiges Übertragungsglied genannt. Weiterhin zeigt sich, daß durch abwechselnde Anwendung von negativen Widerständen und richtungsabhängigen Übertragungsgliedern dieser Art die empfindlichen negativen Widerstände durch Isolierung wirksam stabilisiert werden und somit von viel größerem Nutzen sind, als sie bisher waren.

- Es soll nun zu einer mehr ins einzelne gehenden Betrachtung und Untersuchung der Erfindung übergegangen werden. Fig. 1 zeigt die typische Spannungsstromkennlinie eines negativen Widerstandselementes, und zwar eines schnell wirkenden Thermistors bekannter Art. Wenn der Thermistor so vorgespannt ist, daß ein Strom von I₀ Ampere fließt, erkennt man, daß ein geringes Vergrößern des Stromes eine Verkleinerung der Spannung am Thermistor hervorbringt und nicht die normale Vergrößerung des Spannungsabfalls, wie man sie bei positiven Widerständen findet. Der besondere, in Fig. 1 dargestellte schnell wirkende Thermistor zeigt die negative Widerstandskennlinie bis herauf zu etwa 100 kHz.

Ein anderes negatives Widerstandselement ist die Gasdiode. Bei Signalfrequenzen würden negative Widerstandselemente dieser Art geeignet sein. Für Betrieb bei sehr hohen Frequenzen kann ferner die negative Widerstandseigenschaft, die sich infolge von Laufzeiteffekten an einer dünnen Schicht eines HaIb-

leiters, wie Germanium, ergibt, ebenfalls verwendet werden. E. W. Harold erwähnt in einem Aufsatz in Bd. 23, Nr. 10, S. 1201, der »Proceedings of the I. R. Έ.« viele andere Einrichtungen, mit denen man einen negativen Widerstand erhält und die ebenfalls in erfindungsgemäßen Schaltungen verwendet werden können.

In Fig. 2 sind die Bestandteile eines negativen Widerstandselementes dargestellt, das dem Diagramm der Fig. 1 entspricht. Der Vorstrom für den Thermistor wird durch die Gleichspannungsquelle Eχ über den Widerstand Rb geliefert. Der UbergangskondensatorC beschränkt den Thermistorvorstrom auf den lokalen Kreis. In den Zeichnungen wird das Symbol für einen regulären Widerstand und die Bezeichnung —Rn verwendet, um negative Widerstandselemente der in den vorangehenden Abschnitten erwähnten Arten anzugeben.

Die einfachsten Verfahren zur Erreichung einer Verstärkung mit negativen Widerstandselementen sind in den Reihen- bzw. Parallelanordnungen der Fig. 3 und 4 dargestellt. Negative Widerstandselemente werden in reihenstabile oder parallelstabile eingeteilt und müssen dementsprechend in den Reihenoder Parallelanordnungen verwendet werden, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind. Für die Reihenanordnung ist die Stromverstärkung, die man durch Einschaltung eines negativen Widerstandes RjX₁ zwischen die Signalquelle mit ihrem Widerstand R₁ und den Belastungswiderstand R₂ erhält, welche als Abschlußwiderstände bezeichnet werden, gegeben durch

i\ R₁ + R₂

I₁ K₁ + K₂ KjX₁

wobei I₁ der Strom ohne und i\ der Strom mit negativem Widerstand Ry₁ im Kreis ist. Hieraus ergibt sich, daß eine sehr hohe Verstärkung erreicht wird, wenn RjX₁ die Summe von R₁ und R₂ nahezu aufhebt. Im Parallelfall der Fig. 4 ist die Verstärkung gegeben durch

¹ 2 H

(R₂-R_n.) (R₁ +R₂)

R₁R₂ — (-^i +

R₁R₂

(2)

— R_T

wobei i\ bzw. i₂ die Ströme mit bzw. ohne negativen Widerstand bezeichnen. Hieraus ergibt sich, daß ebenfalls eine stabile Verstärkung erreicht wird, wenn R_n,

J? 7?
dem Betrag nach etwas größer als -

ist.

Jedoch hängt die auf diese Weise erreichte Verstärkung in großem Maße von den Stabilitätseigenschaften der negativen Widerstandselemente und auch von der Belastung ab. Um z. B. eine stabile Verstärkung von 60 db zu erhalten, die einem Verhältnis i\: i₂ von 1000 zu ι entspricht, muß, wie der Gleichung (1) zu entnehmen ist, R_Ni gleich 0,999 (-^i + ^2) ^sem ^ηη& darf nicht mehr als o,i°/₀ größer werden. Jede kleine Änderung von AJy₁ oder (R₁ + R₂), die den Gesamtwiderstand des Kreises negativ machen würde, bringt die Einrichtung zum Pfeifen oder Schwingen. Eine etwas geringere Änderung in dieser Hinsicht würde die Verstärkung um große Faktoren ändern. Das gleiche gilt für jede Kombination von negativen und positiven Impedanzelementen. Wenn man z. B. das T-Netzwerk aus negativen Widerstandselementen zwischen zwei gleichen Abschlußwiderständen R₁ betrachtet, wie in Fig. 5 dargestellt ist, so ist leicht zu zeigen, daß die Verstärkung, die man durch Einfügung der negativen Widerstände zwischen die beiden Widerstände R₁ erhält, beträgt

(-2R^)(R₁)

(3)

i₂ (R₁ — R_Ns) (R₁ -R₁X₂- 2 R_n)

Eine große stabile Verstärkung erhält man, wenn RjX₃ < IR₁ j und R_Ns > | R₁ — i?^_o | ist. Wenn eine Ver-Stärkung von 60 db erreicht werden soll, erhält

man die stabilsten Anordnungen aus negativen Widerstandselementen, wenn R^₃ = — 0,967 R₁ und 2 R_Nl = — 1,033 (-^i — R&n) ist- Unter diesen Bedingungen beträgt die Verstärkung

1.033

(R₁- R_Na) (R₁- R_n,- 2R_Nl) (4)

Die Summe der negativen Widerstandsausdrücke der Gleichung (4) darf 0,001 oder 0,1 °/₀ der obenerwähnten Werte nicht übersteigen. Eine Erhöhung der Stabilität ist durch Aufteilung des Verstärkungsvorgangs auf mehrere negative Widerstandselemente nicht zu erreichen. Für einen späteren Vergleich sei weiterhin bemerkt, daß jeder der beiden in Reihe geschalteten gleichen negativen Widerstände für eine stabile Verstärkung von 60 db nicht mehr als 0,2% größer werden darf.

Die Fig. 6 und 7 sollen im Augenblick übergangen werden. Die Fig. 8 bis 11 zeigen erfindungsgemäß angeordnete Schaltungen. Bei diesen Anordnungen wird die Instabilität, die Schaltungen mit einfachen negativen Widerständen beeinträchtigt, vermieden; d. h., stabile Verstärker mit großer Verstärkung enthalten negative Widerstände, Veränderungen der Abschlußimpedanzen haben eine vernachlässigbare Wirkung auf die empfindlichen negativen Widerstände, und zahlreiche andere vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt. Das Mittel zur Erreichung dieser bemerkenswerten Ergebnisse besteht in der Verbindung des obenerwähnten passiven richtungsabhängigen Übertragungsgliedes mit den negativen Widerständen. Man hat gefunden, daß diese billigen, einseitig leitenden Vierpolnetzwerke negative Widerstände wirksam gegen unerwünschte InstabiHtätswirkungen isolieren.

Eine Möglichkeit zur Herstellung solcher nicht

umkehrbarer Netzwerke ergibt die Halleffektplatte oder der Gyrator. Es kann leicht gezeigt werden, daß der Gyrator allein, wenn er symmetrisch ist, dargestellt werden kann durch Gleichungen der Art

E₁ = R_n I₁ + R₁₂ i_a E₂ = 2?₂₁ h + R-sxH >

(5)

wobei R₂₁ = — R₁₂ ist, und daß diese Werte bis zu io¹⁰ Hz und darüber unabhängig von der Frequenz sind. Bei einem permanenten Magnet mit einem Feld von 17 500 Gauß und bei Verwendung eines Hallelements aus Germanium von 5,59 mm² Fläche und 1,04 mm Dicke wurden Werte von R₁₁ — 340 Ohm und R₂₁ = 78 Ohm erreicht. Die tatsächlichen Werte von Ji₁₁ hängen von der Form und dem spezifischen Widerstand des Materials ab, doch ist das Verhältnis R₁₁ : R₂₁ durch die Art des Materials und den Wert des magnetischen Feldes festgelegt. Fig. 6 zeigt die Richtung der Spannungen und Ströme. Die Betriebsdämpfung eines solchen Gyrators zwischen den Anpassungswiderständen beträgt 18,9 db in jeder Richtung.

Um eine Übertragung in einer Richtung, nicht aber in der anderen zu erhalten, sind die Eingangsund Ausgangsklemmen durch Parallelwiderstände Rs verbunden. Wenn die Ströme und Spannungen die in Fig. 7 dargestellten Richtungen haben, lauten die zu Gleichung (5) hinzukommenden Gleichungen

= i_x 4- i_A ; i₀ = i₂— i_A; E₁ = 2i_AR_s +

(6)

Wenn man die Gleichungen in (5) einsetzt und nach Ii₁ und E₂ abhängig von I₁ und J₀ auflöst, so findet man

E₂ = t₀ R\_x

R\

(7)

21 >

wobei

■2?¹·,, =

R\

2 R\

2 22,

R₁

Ro

das heißt, es ist ein Kopplungswiderstand R\_t in einer Richtung, jedoch kein Kopplungswiderstand in der anderen Richtung vorhanden. Der Wert des Parallelwiderstandes 2Rs, der diesen Abgleich erzeugt, beträgt

(8)

2?»

Die Betriebsdämpfung, die durch Einfügung des abgeglichenen Gyrators zwischen die Abschlußwiderstände, welche gleich den Eigenwiderständen R¹^₁₁ sind, entsteht, ist gegeben durch die Gleichung (9):

22¹,

2 2?¹·

III

Ί596"

== 0,186

(9)

oder 14,6 db, wenn die Werte von 22_U = 340 Ohm und von 2?₂i = — 22₁₂ = 78 Ohm betragen. Dies stellt eine Verstärkung dar, die um 4,3 db größer als diejenige des Gyrators allein ist, infolge der -zusätzlichen Übertragung über die Parallelwiderstände 22^. In der anderen Richtung ist 22^a ₂₁ durch 22^Χ ₁₂ ersetzt. Da dieser Widerstand aber in Gleichung (7) Null ist, ist die Dämpfung in der Gegenrichtung unendlich. Tatsächlich tritt bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung zwischen der Übertragung in den beiden Richtungen eine Differenz von etwa 60 db auf.

Außer aus Halleffektplatten können richtungsabhängige Übertragungsglieder auch aus anderen Elementen bestehen. Bekannt ist z. B. bereits eine Einheit aus, einem Kristall und einem magnetischen Übertragungsglied, die mechanisch gekuppelt sind, die in einem beschränkten Frequenzband Gyratoreigenschaften hat. Andere Möglichkeiten sind in dem Aufsatz von C. L. Hogan, »The Microwave Gyrator« in Bell System Technical Journal, Bd. XXXI, Januar 1952, S. 1 bis 31, vorgeschlagen. In diesem Aufsatz wird ferner auf S. 25 eine besondere Art von richtungsabhängigem Übertragungsglied zur Verwen-

dung bei Mikrowellenfrequenzen geschildert, bei dem ein richtungsabhängiges, die Polarisationsebene verschiebendes Element mit Faradayeffekt benutzt wird. In diesem Zusammenhang ist die Bemerkung interessant, daß eine polarisierende Kraft, die bei mehreren der vorliegenden Beispiele ein magnetisches Feld ist, das asymmetrisch auf ein Element im Übertragungsweg wirkt, den physikalischen Grund für die einseitigen Leitungseigenschaften dieser richtungsabhängigen

ίο Übertragungsglieder mit Faraday- oder Halleffekt bildet. Die Möglichkeit der Herstellung gewisser anderer spezieller Übertragungsglieder mit Leitung in einer Richtung ist in dem Buch von W. P. Mason mit dem Titel ^Electromechanical Transducers and Wave Filters«, 2. Ausgabe, D. van Nostrand Co., Inc. 1948, auf S. 344 bis 356, beschrieben. Es sei bemerkt, daß bestimmte Gyratoranordnungen nur bei einer einzigen Frequenz genau abgeglichen und in einer Richtung leitend sind, wenn sie auch in einem breiteren Bereich brauchbare, nicht umkehrbare Eigenschaften aufweisen. Ebenso sind die nicht umkehrbaren Eigenschaften des Halleffektgyrators zusammen mit Widerständen auch dann brauchbar, wenn Impedanzabweichungen einen genauen Abgleich verhindern. Der Ausdruck richtungsabhängiges' Übertragungsglied umfaßt somit einen Gyrator und die zusätzlichen Elemente oder den abgeänderten Aufbau, die erforderlich sind, um die Übertragung in einer Richtung besser werden zu lassen als in der anderen. Dieser Ausdruck umfaßt abgeglichene Gyratoren, die im wesentlichen einseitig leitende Übertragungsglieder mit einem Gyrator sind. Das Symbol für richtungsabhängige Übertragungsglieder aller obenerwähnten Arten ist ein Kästchen mit dem eingeschriebenen Symbol G , wobei der Pfeil die Richtung

der besseren Leitung angibt. Der begrenztere Ausdruck W richtungsabhängiger Gyrator bedeutet ein richtungsabhängiges Übertragungsglied mit einem Gyratorelement.

Wenn man negative Reihenwiderstände Ry_n und Rx₁. an den beiden Enden des abgeglichenen Gyrators einfügt, wie in Fig. 8 gezeigt, ist die Betriebsdämpfung, die durch Einschalten der Kombination zwischen die beiden Abschlußimpedanzen Z T₁ und Zτ, verursacht wird,

t₁ + -

Z _Wl — R_Ni) (10)

Wenn die Abschlußimpedanzen ohmsche Widerstände und die negativen Widerstände R_n _t und R_Ne so bemessen sind, daß die Summe

22a·, —22J₁=

und ebenso

= Δ R₂

(12)

ist, so wird die Betriebsdämpfung (die eine Verstärkung ist, wenn A R₁ und A R₂ klein sind)

t₁ +

AR₁X AR₂

(13)

und die durch jeden negativen Widerstand entstehende Verstärkung ist unabhängig vom anderen Widerstand. Hieraus ergibt sich, daß die Verstärkungen hintereinander folgen können, ohne daß mehr Instabilität entsteht als durch jeden Widerstand an und für sich auftritt.

Wenn insbesondere eine Verstärkung von 60 db zwischen zwei Verstärkungsstufen mit R_Ne und R_Ns aufgeteilt wird, dann braucht jeder negative Widerstand zur Verhinderung der Schwingung nur auf etwa 3,2 °/₀ genau eingehalten zu werden, verglichen mit der Zahl von 0,2 °/₀, die vorher für den Zustand abgeleitet wurde, bei dem das nicht umkehrbare Gyratorelement nicht zwischengeschaltet war. Auch bei den zur Zeit verfügbaren Gyratoren mit verhältnismäßig hohen Verlusten ist eine Verbesserung der Stabilität um den Faktor 5 bei einem bloß zweistufigen Verstärker zu verwirklichen.

Der Gleichung (10) ist zu entnehmen, daß bei Vorhandensein einer nichtohmschen Komponente im Abschlußwiderstand die Summe 22¹U + Zt₁ — Rn_s nicht gegen Null gehen kann. Es kann gezeigt werden, daß durch Verwendung eines Gyrators vor dem negativen Widerstand und eines weiteren dahinter, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, die Betriebsdämpfung der Kombination gleich

-^21(2) (Zt₁ +

+ Zt₁) (Rum + 22₁₁₍₂₎ — R_nJ (22₁₁₍₂₎ +

(14)

wird, wobei 22₁₁₍₁₎ und R₂₁^ die Konstanten des ersten Gyrators, 22₁₁₍₂, und i?₂₁₍₂₎ diejenigen des zweiten Gyrators und Zt₁ undZ₂>., die Abschlußimpedanzen sind. Hieraus folgt, daß dadurch, daß man die Summe

Rum + ^R:

11(2) '

■x,

(15)

klein macht, eine große Verstärkung zu erreichen ist, ohne Rücksicht auf die Werte oder Änderungen der Abschlußimpedanzen Z_Tl und Z_T„. Infolgedessen ist der negative Widerstand effektiv gegen die Wirkungen der Abschlüsse isoliert. Durch Einfügung von weiteren Gyratoren mit dazwischenliegenden negativen Widerständen, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, können Verstärkungen ohne Rücksicht auf die Abschlüsse hintereinanderfolgen, wobei die Stabilität nur von Summen nach Art der Gleichung (15) abhängt.

Ähnliche Ergebnisse lassen sich mit hintereinanderfolgenden negativen Parallelwiderständen erzielen, wie es in Fig. ii gezeigt ist. Eine ähnliche Gleichung wie (14) für die Verstärkung durch Einfügung eines negativen Parallelwiderstandes zwischen zwei abgeglichene Gyratoren lautet

■K2KI) -^21(2) (Zt₁ + Zt.)

Infolgedessen wird eine hohe Verstärkung unabhängig von den Abschlüssen erzielt, wenn R_n etwas größer als

um

ie.

(17)

11(1)

Ml (2)

Das Vorangegangene ist eine Darlegung des Wertes des Erfindungsgegenstandes, wie er bei einigen der in den Zeichnungen dargestellten Systemen angewendet wird. Beim Zusammenfassen der wichtigeren Vorteile dieser Art Schaltung, wie sie oben entwickelt wurde, ergibt sich, daß Änderungen der Abschlußimpedanzen isoliert werden können, daß negative Widerstände als Verstärker verwendet werden können, auch wenn die Abschlußimpedanzen nicht ohmisch sind, und daß empfindliche, negative Widerstände ohne schädliche Rückwirkungen durch Impedanz-' änderungen in anderen Stufen aufeinanderfolgen können. Die Brauchbarkeit der Erfindung in einem breiten Frequenzband, das sich bis in die Mikrowellenfrequenzen erstreckt, muß ebenso betont werden.

Selbstverständlich sind die oben beschriebenen Anordnungen nur Beispiele für die Anwendung der Prinzipien der Erfindung, zahlreiche andere Anordnungen können durch den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann vorgeschlagen werden, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verstärkerschaltung, die einen negativen Widerstand enthält und deren Stabilität für Wechselströme erhöht ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht umkehrbare Einheit zwischen das negative Widerstandselement und die Schaltelemente mit nicht konstanter Impedanz geschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht umkehrbare Einheit eine Halleffektplatte ist mit zwei Eingangs- und zwei Ausgangsklemmen sowie Mitteln, um ein magnetisches Feld an die Platte anzulegen und daß H (I) -fell (2)

(16)

li (2)

2 R,

das negative Widerstandselement an ein Klemmenpaar der Platte angeschlossen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht umkehrbare Einheit ein Halleffektgyrator mit einem Eingangsklemmenpaar und einem Ausgangsldemmenpaar ist, bei dem ein erster Parallelwiderstand zwischen eine Eingangsklemme und eine Ausgangsklemme und ein zweiter Parallelwiderstand zwischen die andere Eingangsklemme und die andere Ausgangsklemme geschaltet ist, und daß das negative Widerstandselement an den Gyrator angekoppelt ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Parallelwiderstand die Größe

Jl 2 _]_ ^j 2

hatj wobei R₁₁ der Widerstand zwischen den Eingangsklemmen bzw. zwischen den Ausgangsklemmen und R₂₁ der Übertragungswiderstand zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen ' des Gyrators ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1 und 2 mit einer Vielzahl von nicht umkehrbaren Einheiten und einer Vielzahl von negativen Widerstandselementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten und die negativen Widerstandselemente schaltungsmäßig abwechselnd geschaltet sind.

6. Schaltung nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes negative Widerstandselement parallel zu der nicht umkehrbaren Einheit geschaltet ist.

7. Schaltung nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes negative Widerstandselement in Reihe mit der nicht umkehrbaren Einheit geschaltet ist.

8. Schaltung nach einem der vorgenannten Ansprüche, die in jeder Stufe eines mehrstufigen Verstärkers vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht umkehrbaren Einheiten in jeder Stufe sämtlich in der gleichen Richtung gepolt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

9620 4.55