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Kaskodeverstärker für hohe Frequenzen Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Bandpaßverstärker für hohe Frequenzen mit einer in Kathodenbasisschaltung
arbeitenden ersten Röhre, einer in Gitterbasisschaltung arbeitenden zweiten Röhre
und einem die Anode der ersten Röhre mit der Kathode der zweiten Röhre verbindenden
Kopplungskreis, der einen auf eine Frequenz im Durchlaßbereich des Verstärkers abgestimmten
Serienresonanzkreis enthält.
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Bei einer bekannten Verstärkerschaltung dieser Art sind die beiden
Röhren gleichstrommäßig in Reihe geschaltet, und der Serienresonanzkreis enthält
als Kapazität einen an die Anode der ersten Röhre angeschlossenen Parallelresonanzkreis,
der auf eine relativ niedrige Frequenz abgestimmt ist und damit wie eine gleichstromdurchlässige
Kapazität wirkt. Die Induktivität des Serienresonanzkreises ist eine an die Kathode
der zweiten Röhre angeschlossene Spule. Der Verbindungspunkt zwischen Parallelresonanzkreis
und Spule ist über einen Kondensator mit blasse verbunden, um die Selektivität zu
erhöhen. Der Serienresonanzkreis soll dazu dienen, die störenden Einflüsse der Anodenkapazität
der ersten Röhre und der Kathodenkapazität der zweiten Röhre auszuschalten, dabei
sollen die Anodenkapazität in die Kapazität des Serienresonanzkreises und die Kathodenkapazität
(die bewußt klein gehalten wird) in die Eigenkapazität
der Spule
des Serienresonanzkreises eingehen (britische Patentschrift 415 o79, Fig. 4).
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Es sind ferner Verstärkerschaltungen mit einer in Kathodenbasisschaltung
arbeitenden ersten Röhre bekannt, deren Anode direkt mit der Kathode einer in Gitterbasisschaltung
arbeitenden zweiten Röhre verbunden ist (britische Patentschrift 427 384).
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Es war auch schon bekannt, daß Verstärkerschaltungen mit einer in
Kathodenbasisschaltung arbeitenden ersten Röhre und einer in Gitterbasisschaltung
arbeitenden zweiten Röhre sich bei hohen Arbeitsfrequenzen durch niedere Rauschzahlen
und relativ hohen Verstärkungsfaktor auszeichnen. Verwendet man in der Kathodenbasisstufe
eine Triode, so verhalten sich diese Verstärkerschaltungen, für die die Bezeichnung
»Kaskodeschaltung« üblich geworden ist, bezüglich des Rauschens wie eine Triode,
während der Verstärkungsgrad etwa dem einer Pentode entspricht.
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Bei den neueren Kaskodeschaltungen sind die beiden Röhren meist LC-
oder RC-gekoppelt. Die Anodeninduktivität der ersten Röhre kann dabei mit den in
der Schaltung vorhandenen Kapazitäten einen Parallelresonanzkreis bilden, der auf
eine Frequenz im Arbeitsbereich des Verstärkers abgestimmt ist. Die Resonanzkurve
ist jedoch sehr flach, da der Parallelresonanzkreis durch den niedrigen Eingangswiderstand
der Gitterbasisstufe sehr stark gedämpft ist. Die Dämpfung des Anodenkreises der
ersten Stufe durch den Eingangskreis der zweiten Stufe stellt ein wesentliches Merkmal
des Kaskodeverstärkers dar, da die in Kathodenbasisschaltung arbeitende erste Röhre
sonst bei höheren Frequenzen instabil würde (Proc. IRE, Juni 1948, S. 7oo bis 7o8).
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Es ist ferner bekannt, daß sich die Rauschzahl eines Kaskodeverstärkers
durch Vergrößerung der Eingangswiderstände der beiden Stufen herabsetzen läßt und
daß man hierzu Kopplungsschaltungen hoher Impedanz und Güte oder eine direkte Reihenschaltung
der beiden Röhren verwenden kann (Proc. IRE, Oktober 1948, S.1213, 1214).
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Der Kaskodeverstärker hat schon bald nach seiner Wiederentdeckung
in größerem Umfang Eingang in die Praxis gefunden. So ist es beispielsweise bekannt,
eine Kaskodeverstärkerschaltung als Antennenverstärker für Fernsehempfangsanlagen
zu verwenden, die unter ungünstigen örtlichen Bedingungen betrieben werden müssen.
Die Schaltung entspricht dabei praktisch in allen Einzelheiten der im vorletzten
Absatz erwähnten bekannten Schaltung (Electronics, November 1949 S. 72 bis 76).
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Es ist ferner ein Breitbandtuner für Fernsehgeräte bekannt, der für
das höherfrequente und das niedrigerfrequente Fernsehband jeweils eine Kaskodeverstärkerschaltung
enthält. Die Kopplungsglieder dieser Kaskodeverstärkerschaltungen sind als Filter
ausgebildet, um die Spiegelfrequenzsicherheit zu erhöhen und FM-Rundfunksignale
aus dem zwischen den Fernsehbändern liegenden FM-Rundfunkband auszuschalten. Bei
dem für das niedrigerfrequente Fernsehband bestimmten Kaskodeverstärker wird dabei
ein überbrücktes T-Filter verwendet, während das Filter im Kopplungskreis des für
das höherfrequente Band bestimmten Kaskodeverstärkers eine abstimmbare Induktivität
enthält, die einerseits mit dem an die Anode der ersten Röhre angeschlossenen Kopplungskondensator
und andererseits mit einer an die Kathode der zweiten Röhre angeschlossenen Kathodenkombination
verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Kopplungskondensator und der abstimmbaren
Induktivität ist außerdem über eine weitere Induktivität mit dem Gitter der ersten
Röhre gekoppelt, um die Gitter-Anoden-Kapazität der ersten Röhre herauszustimmen
(Eleetronics, Mai 195o, S. rot bis 1o6).
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Außer den obenerwähnten Kaskodeverstärkerschaltungen gibt es selbstverständlich
noch eine große Anzahl anderer Verstärkerschaltungen. So ist es beispielsweise bekannt,
als Hochfrequenzverstärker zwei Gitterbasisstufen zu verwenden, die durch ein bandfilterartiges
1T-Glied, das als Anpassungstransformator dient, gekoppelt sind (Proe. IRE, Juli
1944, S.425).
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Es ist weiterhin eine Verstärkerschaltung mit zwei Kathodenbasisstufen
bekannt, bei welcher der zwischen die Anode der ersten und das Gitter der zweiten
Röhre geschaltete Kopplungskondensator abstimmbar ist und einen auf eine Frequenz
im Arbeitsbereich des Verstärkers abgestimmten Serienresonanzkreis mit einer Induktivität
bildet, die zwischen das Gitter der zweiten Röhre und eine kapazitiv nach Masse
überbrückte Vorspannungsquelle geschaltet ist. Durch den Serienresonanzkreis soll
das Auftreten höherer Signalspannungen an der Anode der ersten Röhre verhindert
und damit eine Neutralisation überflüssig gemacht werden. Gleichzeitig wird an einem
Teilelement des Serienresonanzkreises die Steuerspannung für die Eingangselektrode
der zweiten Röhre abgenommen (deutsche Patentschrift 488 791).
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Es ist weiterhin ein Antennenverstärker mit zwei RC- oder LC-gekoppelten.
Kathodenbasisstufen bekannt, bei dem zwischen den Kopplungskondensator und das Gitter
der zweiten Röhre eine zusätzliche Drosselspule geschaltet ist, die mit der Eingangskapazität.der
zweiten Röhre einen Resonanzkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz an der oberen
Frequenzgrenze des Übertragungsbereiches liegt (Radio Helios, 1940, Nr. 10; S. 497)
Bei einer anderen bekannten Verstärkerschaltung mit zwei in Kathodenbasisschaltung
arbeitenden Röhren wird zur Frequenzbandbegrenzung eine Filterschaltung verwendet,
die im wesentlichen als TT-Filter angesehen werden kann. Der Anodenkreis stellt
ein RC-Glied mit parallelliegendem Serienresonanzkreis dar. Der durch die Anodenkapazität
gegebene Amplitudenabfall wird durch Resonanzüberhöhung der Spannung an der Eingangskapazität
der zweiten Röhre kompensiert. Zwischen die Anode der ersten Röhre und den zum Gitter
der zweiten Röhre führenden Kopplungskondensator ist dabei eine Induktivität geschaltet,
deren
Dämpfung durch einen Parallelwiderstand einstellbar ist (Dillenburger, »Einführung
in die neue deutsche Fernsehtechnik«, 1950, S. 43).
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Die obenerwähnten bekannten Kaskodeverstärkerschaltungen sind verhältnismäßig
kompliziert im Aufbau, soweit sie besondere Kopplungskreise zwischen den beiden
Röhren enthalten. Hierdurch werden nicht nur die Kosten erhöht, sondern es treten
in der Praxis häufig auch Schwierigkeiten durch Störresonanzen u. dgl. auf. Bei
einer einfachen Reihenschaltung beider Röhren trägt der zwischen den Röhren liegende
Teil überhaupt nicht mehr zur Selektivität bei. Eine Kombination eines Kaskodeverstärkers
mit den bekannten Filterschaltungen, insbesondere TT-Filtern ist nicht ohne weiteres
möglich, da die erste Röhre instabil wird, wenn man ihren Anodenwiderstand durch
einen Transformator oder einen äquivalenten Kreis an den Eingangswiderstand der
Gitterbasisstufe anpaßt.
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Die Erfindung betrifft also einen Kaskodeverstärker für hohe Frequenzen
mit einer in Kathodenbasisschaltung arbeitenden ersten Röhre, einer in Gitterbasisschaltung
arbeitenden zweiten Röhre und einem die Anode der ersten Röhre mit der Kathode der
zweiten Röhre verbindenden Kopplungskreis, der eine in Reihe zwischen der Anode
und der Kathode liegende Induktivität enthält.
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Gemäß der Erfindung wird die Schaltung so getroffen, daß die Induktivität
mit der Kathodenkapazität der zweiten Röhre und gegebenenfalls einem dieser Kathodenkapazität
parallelgeschalteten zusätzlichen Kondensator einen Serienresonanzkreis bildet,
der auf eine Frequenz innerhalb des zu verstärkenden Nutzfrequenzbandes abgestimmt
ist, und daß der Kopplungskreis zusätzlich noch einen Parallelresonanzkreis enthält,
der eine zwischen die Anode der ersten Röhre und einen hochfrequenzmäßig auf Masse
liegenden Schaltungspunkt geschaltete zweite Induktivität und die dieser Induktivität
parallelliegenden Teile des Serienresonanzkreises enthält und auf eine Frequenz
abgestimmt ist, die unterhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises, jedoch
noch innerhalb des zu verstärkenden Frequenzbandes liegt.
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Durch die Erfindung wird eine Kaskodeschaltung geschaffen, bei der
die guten Eigenschaften hinsichtlich eines günstigen Rauschverhaltens und einer
hinreichenden Verstärkung erhalten bleiben. Weiterhin wird durch ein Netzwerk mit
zwei Resonanzstellen der Übertragungsbereich weiter bzw. der Verstärkungsgrad für
alle Frequenzen des Bereiches gleichmäßiger gemacht. Dabei werden eine Parallelresonanz
und eine Serienresonanz an verschiedenen Stellen des Übertragungsbereiches vorgesehen,
und zur Bildung beider Resonanzkreise werden einige Schaltelemente gemeinsam benutzt.
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Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Kaskodeverstärkerschaltungen
gemäß der Erfindung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung enthält zwei Röhren 33, 35. Die
Kathode der Röhre 33 liegt hochfrequenzmäßig an Masse, das Gitter 32 ist mit einem
Eingangskreis 37 verbunden. Die Anode 51 der Röhre 33 ist an eine Anzapfung 89 eines
Autotransformators 85 angeschlossen und über den Teil 5o des Autotransformators
gleichstrommäßig mit der Kathode 52 der Röhre 35 in Serie geschaltet. Das Gitter
der Röhre 35 liegt über einen Kondensator 56 hochfrequenzmäßig an Masse, es ist
außerdem über einen Gitterableitwiderstand 6o mit der Kathode 52 verbunden. An die
Anode der Röhre 35 ist ein geeigneter Ausgangskreis 77 angeschlossen.
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Die Teilinduktivität 5o bildet mit der Kathodenkapazität der Röhre
35 und einem nötigenfalls dieser parallelgeschalteten Kondensator 83 einen Serienresonanzkreis,
dessen Resonanzfrequenz im Durchlaßbereich des Verstärkers liegt. Durch diese Maßnahme
wird die Eingangsspannung an der Kathode 52 der Röhre 35 und damit die Gesamtverstärkung
der Schaltung erhöht.
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Der Blindwiderstand der zwischen der Kathode 52 der Röhre 35 und Masse
wirksamen Kapazität muß kleiner sein als der Blindwiderstand der Gitter-Anoden-Kapazität
der Röhre 33, die bei einer Triode etwa 1,5 pF beträgt. Man vermeidet dadurch das
Auftreten einer störenden Serienresonanz in dem durch die Teilinduktivität 5o und
die Gitter-Anoden-Kapazität der Röhre 33 gebildeten Serienresonanz-Schwingkreis.
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Die Anodenbelastung der Röhre 33 wird durch die zwischen der Anzapfung
89 und Masse wirksame Teilinduktivität 84 gebildet. Zwischen den Autotransformator
85 und Masse ist noch ein Kondensator 86 geschaltet, der den Gleichstromweg nach
Masse sperrt.
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Die Induktivität 5o zwischen der Anzapfung 89 und der Kathode 52 bildet,
wie erwähnt, mit dem Kondensator 83 und der Kathodenkapazität der Röhre 35 einen
Serienresonanzkreis. Der untere Teil 84 des Autotransformators 85 hat wegen der
sehr viel höheren Impedanz keinen nenenswerten Einfluß auf das hochfrequenzseitige
Ende des Durchlaßbereiches des Verstärkers. Die gesamte Induktivität des Autotransformators
85 bildet jedoch mit dem Kondensator 83 einen Parallelresonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz
am unteren Ende des Frequenzbandes liegt. Durch diese Ausbildung des Kopplungsgliedes
wird der Röhre 33 eine gleichmäßigere Belastung dargeboten, auch wenn die Impedanz
des Kondensators 83 sehr groß wird. Die Parallelresonanz wird daher vorzugsweise
an das obere Ende des unteren Teiles des Frequenzbandes gelegt, welches beispielsweise
die Fernsehkanäle 2 bis 6 enthalten kann.
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Da der Transformator 85 als Autotransformator geschaltet ist, .ist
die Signalspannung an der Anode 51 niedriger, als es bei einem direkt an der Anode
der Röhre 33 liegenden Parallelresonanzkreis sein würde. Dies kommt besonders bei
tieferen Frequenzen zur Geltung, bei denen die Induktivität des Spulenteiles 5o
vernachlässigt werden kann. Trotz hoher Signalspannungen an der Kathode 52 der Röhre
35 benötigt man also weder bei
tiefen Frequenzen, bei denen der
Serienresonanzkreis einen hohen Scheinwiderstand hat, noch bei hohen Frequenzen
bei denen der Serienresonanzkreis einen niedrigen Scheinwiderstand besitzt, eine
Neutralisation der Röhre 33 zwischen deren Anode 5 i und Gitter 32.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung sind die Gleichstromwege
der beiden Röhren 33 und 35 getrennt. Für die Röhre 33 braucht man hinsichtlich
der Betriebsgleichspannung nicht auf die Röhre 35 Rücksicht zu nehmen. Als zweite
Röhre kann dann beispielsweise eine Pentode 35' verwendet werden. Natürlich kann
auch an die Stelle der Triode 33 eine Pentode treten, wenn Rauschprobleme von sekundärer
Bedeutung sind.
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Die Anode der Röhre 33 ist mit der Kathode der Röhre 35' wie in Fig.
I über einen aus einer Induktivität 5o und einem Kondensator bestehenden Serienresonanzkreis
gekoppelt. Die zur Anodenstromzuleitung dienende Spule 87 bildet mit dem Kondensator
83 einen Parallelresonanzkreis bei tieferen Frequenzen, wodurch der Frequenzgang
des Verstärkers eingeebnet wird. Der Gleichstromweg durch die Röhre 35' wird durch
einen zwischen die Kathode und Masse geschalteten Widerstand 92 geschlossen. die
Anode (51) der ersten Röhre und einen hochfrequenzmäßig auf Masse liegenden Schaltungspunkt
geschaltete zweite Induktivität (87, 84) und die dieser Induktivität parallelliegenden
Teile des Serienresonanzkreises (50, 83) enthält und auf eine Frequenz abgestimmt
ist, die unterhalb der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises, jedoch noch innerhalb
des zu verstärkenden Frequenzbandes liegt.
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2. Verstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen
der Anode (51) der ersten Röhre (33) und der Kathode (52) der zweiten Röhre (35)
liegende Induktivität (5o) den kleineren Teil der Wicklung eines Autotransformators
(85) bildet und daß das diesem Teil (5o) abgewandte Ende des Autotransformators
über einen Kondensator (86) an Masse angeschlossen ist.
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3. Verstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelresonanzkreis
aus einer zwischen die Anode der ersten Röhre und einem hochfrequenzmäßig mit Masse
verbundenen Schaltungspunkt geschalteten Induktivität (87), der Serieninduktivität
(5o), einem in Reihe zu der Serieninduktivität liegenden Kondensator (9o) und der
Eingangskapazität (83) der zweiten Röhre (35') gebildet ist.