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Verstärkerstufe in Kaskodeschaltung für Hoch- und Zwischenfrequenzschwingungen
mit verzögerter Verstärkungsregelung Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Schaltungsanordnung,
die es ermöglicht, die Verstärkung einer Verstärkerstufe verzögert zu regeln, ohne
daß die der Stufe zugeführte Regelspannung selbst verzögert ist.
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Die Wirkungsweise sei an Hand der heute in Fernsehempfängern als Eingangsstufe
vielfach verwendeten Kaskodestufe erläutert. Diese hat bekanntlich bei Verwendung
geeigneter Röhren den Torteil eines geringen Rauschens. Bei der in Fernsehempfängern
allgemein angewandten automatischen Verstärkungsregelung ist es üblich, neben der
Verstärkung der ZF-Stufen auch die der Eingangsstufe zu regeln. Soll nun die Rauscharmut
einer Kaskodestufe voll ausgenutzt werden, so ist es wichtig, die Regelung dieser
Stufe erst dann einsetzen zu lassen, wenn die Eingangsfeldstärke so groß ist, daß
der Nutzpegel am Eingang der Stufe genügend weit über dem Rauschpegel liegt. Es
ist also eine verzögerte Regelung der Kaskodestufe erforderlich.
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Es sind bereits Schaltungen bekannt, die unter Verwendung einer vorgespannten
Diode die Regel spannung für die Kaskodestufe so lange kurzschließen, bis sie einen
bestimmten Mindestwert übersteigt. Der damit gegebene Stand der Technik ist der,
daß man der Stufe, solange sie noch nicht geregelt werden soll, auch keine Regelspannung
zuführt
und erst nach Überschreiten eines bestimmten Mindestwertes, d. h. wenn die Stufe
geregelt werden soll, den Weg für die Regelspannung freigibt. Die schaltungstechnischen
Maßnahmen gemäß dem Stand der Technik erstrecken sich damit also auf den Teil der
Schaltung, in dem die Regelspannung erzeugt oder an die zu regelnde Stufe weitergegeben
wird.
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Dieses Verfahren setzt voraus, daß die Verzögerungsdiode über einen
Widerstand, der groß ist gegen den Innenwiderstand der Regelspannungsquelle, an
die letztere angeschlossen wird, damit durch den Kurzschluß, den die Diode vor überschreitendes
Mindestwertes darstellt, nichtdieRegelspannung unmittelbar an der Quelle herabgesetzt
wird, weil dadurch eine unbeabsichtigteVerzögerung der Regelung der unverzögert
zu regelnden Stufen erfolgen würde. Ist die Regelspannungsquelle relativ hochohmig,
so ergeben sich damit sehr hohe Werte für den Vorwiderstand zur Verzögerungsdiode.
Da dieser Vorwiderstand nach Überschreiten des Mindestwertes, also bei nichtleitender
Diode, den Gitterableitwiderstand des zu regelnden Gitters der Kaskodestufe darstellt,
würde damit der höchstzulässige Gitterableitwiderstand der für Kaskodestufen geeigneten
Röhren um ein Mehrfaches überschreiten.
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Um nun auch bei Vorliegen hochohmiger Regelspannungsquellen eine Verzögerung
der Vorstufe zu ermöglichen, ist eine Anordnung erforderlich, die eine verzögerte
Regelung gestattet, ohne daß die zugeführte Regelspannung verzögert wird. Auch vor
Überschreiten der Verzögerungsschwelle, d. h. wenn die Stufe noch nicht geregelt
werden soll, muß also die Regelspannung völlig ungehindert und unbeeinflußt der
Stufe zugeführt werden können, so als ob es sich um eine unverzögerte Regelung handele.
Dabei rriuß im Gegensatz zum Stand der Technik die Verzögerung dadurch erreicht
werden, daß man die Stufe selbst- so ausbildet, daß sie vor Überschreiten der Verzögerungsschwelle
sich nicht von der ihr zugeführten Regelspannung beeinflussen läßt. Demzufolge können
sich die schaltungstechnischen Maßnahmen zur Verwirklichung einer solchen Anordnung
nur auf die Stufe selbst erstrecken, indem die Spannungen bzw. Ströme an anderen
Röhrenelektroden als derjenigen, der die Regelspannung zugeführt wird, entsprechend
beeinflußt werden, denn nur so bleibt die Regelspannung selbst völlig unbeeinflußt.
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Zur Verwirklichung solcher Maßnahmen wird erfindungsgemäß die Möglichkeit
.ausgenutzt, das Gitter des Gitterbasissystems zu beeinflussen. Definitionsgemäß
versteht man unter einer gleichstromgekoppelten Kaskodestufe zwei in Reihe geschaltete
Röhren, vorzugsweise Trioden. Hierbei wird die erste Röhre, auf deren Gitter das
Eingangssignal gegeben wird, in Kathodenbasisschaltung betrieben und die zweite
Röhre, an deren Anode das verstärkte Signal abgenommen wird, in Gitterbasisschaltung,
Dabei ist die Anode des Kathodenbasissystems mit der Kathode des Gitterbasissystems
verbunden, wobei die Anodenspannung für die gesamte Stufe der Anode des Gitterbasissystems
zugeführt wird. Die Gittervorspannung für das Kathodenbasissystem wird durch die
zugeführte Regelspannung gebildet, während es zur Erzeugung der Gittervorspannung
für das Gitterbasissystem zwei Schaltungsarten gibt: Die erste, die in der Abb.
r veranschaulicht wird, besteht darin, in die Verbindung zwischen Anode des Kathodenbasissystems
z und Kathode des Gitterbasissystems 7 einen Widerstand 4 einzufügen, der für die
Wechselspannung durch einen Kondensator 3 überbrückt ist, und das Gitter des Gitterbasissystems
für die Gleichspannung über einen Widerstand 5 mit dem von der Kathode des Gitterbasissystems
abgewandten Ende des Kathodenwiderstandes 4 dieses Systems zu verbinden, wobei das
Gitter des Gitterbasissystems gemäß der Definition der Gitterbasisschaltung für
die Wechselspannung mit Hilfe eines Kondensators 6 auf Massepotential gelegt ist.
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Die. zweite Schaltungsart, die durch die Abb. z veranschaulicht wird,
besteht darin, das Gitter des Gitterbasissystems 4 an einen Punkt 6 mit festem positivem
Potential zu legen, derart, daß dieses Potential um den Betrag der für das Gitterbasissy
stem gewünschten Gittervorspannung niedriger ist als das Potential an der Kathode
des Gitterbasi-ssystems. Der Punkt mit festem positivem Potential wird in der Regel
durch einen Spannungsteiler 5, 7 zwischen der Betriebsspannung der Stufe und Masse
gebildet.
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Diese beiden Schaltungen, weisen unterschiedliche Regeleigenschaften
auf. Bei. Schaltungsart r wird durch Zuführung der Regelspannung an das Gitter des
Kathodenbasissystems der Anodenstrom, der beide Systeme nacheinander durchfließt,
dadurch verringert, daß der Innenwiderstand des Kathoderibasissystems sich erhöht.
Dadurch steigt die Spannung an der Anode des Kathodenbasissystems an, und infolgedessen
verringert sich die für das Gitterbasissystem wirksame Betriebsspannung. Gleichzeitig
verringert sich dabei infolge der Abnahme des gemeinsamen Anodenstromes beider Röhren
der Spannungsabfall an dem zwischen beiden Stufen eingefügten Widerstand und damit
die Gittervorspannung für das Gitterbasissystem. Durch das Zusammenwirken der Verringerung
der Betriebsspannung und der Gittervorspannung des Gitterbasissystems bleibt dessen
Verstärkung im wesentlichen konstant. Daraus ergibt sich, daß die Verstärkungsregelung
der gesamten Kaskodestufe allein durch Regelung des Kathodenbasissystems erfolgt.
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Bei der zweiten Schaltungsart, bei der, wie oben dargestellt, das
Gitter des Gitterbasissystems auf einem festen positiven Potential gehalten wird,
gleitet, ähnlich wie bei der ersten Schaltungsart, bei Zuführung einer Regelspannung
an das Gitter des Kathodenbasissystems die Anodenspannung des letzteren und damit
das Kathodenpotential des Gitterbasissystems hoch. Das bedeutet, weil das Gitterpotential
des Gitterbasissystems wie definiert festgehalten wird, daß die Spannungsdifferenz
zwischen
Gitter und Kathode des Gitterbasissy stems (also seine negative Gittervorspannung)
ansteigt und damit auch die Verstärkung des Gitterbasissystems geregelt wird. Obwohl
durch diese Regelung des Gitterbasissystems der Innenwiderstand des letzteren ansteigt
und damit dem Ansteigen seiner Kathodenspannung, also der Ursache der Regelung entgegengewirkt
wird, findet dennoch eine beträchtliche Regelung statt. Es werden also bei dieser
zweiten Schaltungsart sowohl das Kathodenbasissystem als auch das Gitterbasissystem
geregelt, wodurch die Regelwirkung einer Anordnung nach dieser zweiten Schaltungsart
wesentlich stärker ist als die Regelwirkung einer Anordnung nach der ersten Schaltungsart.
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Die Abb. 3 zeigt die Abhängigkeit der Verstärkung der gesamten Kaskodestufe
von der dem Kathodenbasissystem zugeführten Regelspannung für eine Anordnung nach
Schaltungsart i (Kurve a) und für die Anordnung nach Schaltungsart; 2 (Kurve b).
Für beide Kurven ist auf der Abszisse die dem Kathodenbasissystem zugeführte negative
Regelspannung aufgetragen und auf der Ordinate die relative Verstärkung. Man sieht,
daß bei der gleichen Regelspannung bei der Anordnung nach Schaltungsart 2 (Kurve
b) die Verstärkung auf einen wesentlich niedrigeren Wert abgesunken ist als bei
der Anordnung nach Schaltungsart i (Kurve a). Beispielsweise ist die Abnahme der
Verstärkung bei=-4 V Regelspannung bei Schaltungsart i noch vernachlässigbar klein
(etwa ioo/o), während bei Schaltungsart 2 bei der gleichen Regelspannung die Verstärkung
bereits auf die Hälfte abgesunken ist.
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Die Tatsache, daß man eine Kaskodestufe in den obigen beiden Schaltungsarten
betreiben kann, wird von der Anordnung gemäß der Erfindung, deren Schaltung in Abb.
4 wiedergegeben ist, ausgenutzt. Die Erfindung, die im folgenden beschrieben wird,
sieht vor, eine Schaltung der ersten Art zu benutzen und darüber hinaus das Gitter
der Gitterbasisstufe,7 über einen nicht linearen Widerstand, im vorliegenden Falle
eine Diode 8, an einen Punkt io mit festem positivem Potential zu legen, der beispielsweise
durch einen möglichst niederohmigen Spannungsteiler 9, i i von der Betriebsspannung
nach Masse gebildet wird. Die Polung der Diode 8 ist derart, daß ihre Anode mit
dem Gitter des Gitterbasissystems und ihre Kathode mit dem Punkt io festen positiven
Potentials verbunden wird, wobei dieses Potential so zu wählen ist, daß es für den
Fall des ungeregelten Betriebszustandes um einen gewissen Betrag höher ist als das
Potential des Gitters des Gitterbasissystems.
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In diesem Zustand sperrt die Diode, und die Anordnung stellt eine
Schaltung der ersten Art dar. Führt man jetzt dem Kathodenbasissystem eineRegelspannung
zu, so steigt daspositive Potential an .dessen Anode. Damit steigt auch das Potential
am Gitter des Gitterbasissystems so lange, bis es gleich der festen positiven Spannung
der Kathode der Diode ist. Von jetzt ab leitet die Diode und stellt annähernd einen
Kurzschluß des Gitters des Gitterbasissystems nach dieser festen positiven Spannung
hin dar, auf deren Wert das Gitter des Gitterbasissystems nunmehr festgehalten wird.
Es steigt jetzt nur noch die Anodenspannung des Kathodenbasissystems und damit das
Kathodenpotential des Gitterbasissystems. Die Anordnung zeigt daher jetzt das Verhalten
der Schaltungsart 2, d. h. sie regelt viel stärker als vor dem Öffnen der Diode.
Durch Wahl des Wertes der festen positiven Spannung kann eingestellt werden, bei
welcher negativen Regelspannung dieser Übergang der Anordnung von einem Betriebszustand
in den anderen stattfindet und damit die eigentliche stark wirksame Regelung einsetzen
soll. Es findet zwar vor Überschreiten dieser Verzögerungsschwelle bereits eine
schwache Regelung statt, diese ist jedoch bei einer in der Praxis in Frage kommenden
Dimensionierung sö gering, daß sie vernachlässigbar klein ist.
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Die Kurve c in Abb. 3 zeigt die Abhängigkeit der relativen Verstärkung
von der zugeführten Regelspannung für die erfindungsgemäße Anordnung, wobei für
diese Kurve der Spannungsteiler 9, i i (Abb. 4) an der Kathode der. Diode so bemessen
ist, daß -bei einer Regelspannung am Gitter das Kathodenbasissystems von -4 V die
Diode zu leiten beginnt. -Man sieht, daß bis zu diesem Spannungswert das Verhalten
der Anordnung dem der Schaltungsart i (Kurve a) entspricht, d. h. daß eine vernachlässigbar
kleine Regelung von etwa io°/a stattfindet, während bei größeren negativen Spannungen
die Kurve c der erfindungsgemäßen Anordnung von der Kurve cc stark abweicht und
in ihrem Verlauf der Kurve b ähnlich wird. Letztere erscheint praktisch um den Betrag
der Verzögerungsschwelte (hier - 4 V) nach links verschoben, was dem Prinzip der
verzögerten Regelung entspricht.
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Es empfiehlt sich, den Gitterableitwiderstand 5 (Abb. 4) für das Gitterbasissystem
so groß zu wählen, wie für die Röhre zulässig ist, damit nach Überschreiten der
Verzögerungsschwelle, d. h. bei festgehaltenem Gitterpotential des Gitterbasissystems,
nicht über den Gitterableitwiderstand dem Ansteigen des Anodenpotentials des Kathodenbasissystems
und damit der Regelung des Gitterbasissystems entgegengewirkt wird.
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Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ermöglicht also eine Verzögerung
der Regelung von Kaskodestufen auch bei hochohmiger Regelspannungsquelle, weil alle
zur Verzögerung erforderlichen Maßnahmen sich nur auf solche Röhrenelektroden erstrecken,
die nicht mit der Regelspannung in Verbindung stehen und dadurch die Regelspannung
selbst in keiner Weise beeinflußt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Gitter
des Gitterbasissystems einmal mit dem von der Kathode abgewandten Ende des Kathodenwiderstandes
dieses Systems verbunden ist und weiter über einen als Schalter wirkenden nicht
linearen Widerstand mit einem Punkt festen Potentials, wodurch erreicht wird, daß
bei Regelspannungen, die einen bestimmten Wert überschreiten, das
Potential
des Gitters des Gitterbasissystems konstant ist, während es bei Regelspannungen
unterhalb dieses Wertes gleich dem jeweiligen Potential des der' Kathode des Gitterbasissystems
abgewandten Endes des Kathodenwiderstandes dieses Systems ist. Dadurch arbeitet
die Stufe wahlweise in zwei Betriebszuständen, nämlich bei Regelspannungen unterhalb
eines gewissen Mindestwertes in einem Zustand mit kleiner Regelsteilheit und bei
Regelspannungen oberhalb eines bestimmten Wertes in einem Zustand mit großer Regelsteilheit.
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Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Anordnung, nämlich.die Tatsache,
daß trotz Zuführung einer unverzögerten Regelspannung eine verzögerte Verstärkungsregelung
dadurch erreicht wird, daß die Stufe wahlweise in zwei verschiedenen Betriebszuständen
mit unterschiedlicher Regelsteilheit arbeitet, wobei die Umschaltung von einem Zustand
in den anderen mit Hilfe eines nicht linearen Widerstandes vorgenommen wird, ohne
daß die Regelspannung selbst irgendwie beeinflußt wird, läßt sich nicht nur bei
Kaskodestufen anwenden. Eine Pentode beispielsweise regelt bei gleitender Schirmgitterspannung,
d. h. wenn das Schirmgitter über einen Vorwiderstand gespeist wird, schwächer als
bei fester Schirmgitterspan@ nung, d. h. wenn das Schirmgitter z. B. von einem Spannungsteiler
gespeist wird.
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Man kann nun unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Prinzips das Schirmgitter
über einen Vorwiderstand speisen und es zusätzlich noch mit der Anode einer Diode
verbinden, wobei an die Kathode dieser Diode eine feste positive Spannung gelegt
wird, die um einen gewissen Betrag höher ist als die Schirmgitterspannung der Pentode
im ungeregelten Zustand. Solange die Pentode ungeregelt ist, sperrt die Diode, und
die Röhre arbeitet mit gleitender Schirmgitterspannung. Führt man nun der Stufe
eine Regelspannung zu, so gleitet die Schirmgitterspannung hoch, bis sie den Wert
der Spannung an der Kathode der Diode erreicht hat. Nun leitet die Diode, und die
Schirmgitterspannung wird bei weiter steigender Regelspannung festgehalten. Damit
wird erreicht, daß vor dem öffnen der Diode mit steigender Regelspannung die Verstärkung
der Röhre erst relativ wenig abnimmt, nach dem öffnen der Diode dagegen wesentlich
stärker. Auch bei dieser als Beispiel genannten Anordnung des Erfindungsprinzips
findet somit eine verzögerte Verstärkungsregelung statt, ohne daß die Regelspannung,
die der zu regelnden Stufe zugeführt wird, verzögert wird. Um vor Überschreiten
der Verzögerungsschwelle möglichst wenig Regelung zu erhalten, wird man für diese
Schaltung zweckmäßigerweise Röhrentypen wählen, deren Regelspannungsbedarf für eine
bestimmte Steilheitsverminderung bei gleitender Schirmgitterspannung möglichst groß
ist und bei fester Schirmgitterspannung möglichst klein ist.