DE1274168C2 - Videovorverstaerker fuer hochohmige signalquellen - Google Patents

Videovorverstaerker fuer hochohmige signalquellen

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DE1274168C2 DE1966F0050361 DEF0050361A DE1274168C2 DE 1274168 C2 DE1274168 C2 DE 1274168C2 DE 1966F0050361 DE1966F0050361 DE 1966F0050361 DE F0050361 A DEF0050361 A DE F0050361A DE 1274168 C2 DE1274168 C2 DE 1274168C2
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Description

Die Erfindung befaßt sich mit Videovorverstärkern für hochohmige Signalquellen, z. B. für Vidikon- oder Plumbikonröhren. In der Fernsehtechnik wird heute von Videovorverstärkern ein sehr hoher Störabstand gefordert, da das Rauschen des Verstärkers die Qualität des wiedergegebenen Fernsehbildes beeinträchtigt. Der Störabstand des Vorverstärkers spielt besonders bei Farbfernsehkameras eine erhebliche Rolle, bei denen tine verringerte Signalampütude wegen der Selektion bestimmter Farbanteile des Bildes vorliegt. Ferner ist es erwünscht, die Konturenschärfe des wiedergegebenen Fernsehbildes durch Anheben der hohen Frequenzanteile zu verbessern, was wiederum nur dann möglich ist, wenn der Störabstand des Vorverstärkers hinreichend groß ist.
Es ist an sich bekannt, daß man bei der Verstärkung Von Signalen aus einer hochohmigen Signalquelle einen hochohmigen Verstärkereingang benötigt, damit die dort entstehende Spannungsamplitude möglichst groß ist. Der Wahl des EingangSwiderstandes sind jedoch normalerweise Grenzen durch die Kapazität der Signalquellen und des Verstärkereingangs gesetzt. Das gilt vor allem, wenn es sich um die Verstärkung sehr breitbandiger Signale handelt Falls man einen sehr hohen Eingangswiderstand verwendet, z, B. einen Widerstand von 2 Megohm bei einer Eingangs-Kapazität von 2ß Picofarad (pF), so würde man zwar einen guten Störabstand erhalten, dagegen einen starken Abfall der Amplituden im oberen Frequenzbereich. Bei 5 MHz, der für Videosignale üblichen Bandbreite, ■, -ürde der Amplitudenunterschied 1250:1 betragen. Ein solcher Amplitudenunterschied ist für die meisten Zwecke untragbar.
Es ist versucht worden, zur Vermeidung des Amplitudenabfalls bei höheren Frequenzen die Kapazi-
!5 tat am Verstärker durch eine kapazitive Kopplung zu neutralisieren (US-PS 31 96 365 und DE-AS 11 90 978). Diese Neutralisierung bleibt jedoch im Grunde wirkungslos, da mit der durch die kapazitive Kopplung gegebenen Anhebung der Signalanteile höherer Frequenzen auch das Signalrauschen mit angehoben wird. Das Eigenrauschen des Verstärkers und der Verstärkerankopplung wird nicht verringert Den Schwierigkeiten versucht man auf zweierlei Weise zu begegnen:
Es wurde als Eingangsstufe eine Kaskodenstufe verwendet, vorzugsweise eine solche, deren Verstärker-Elemente durch Röhren gebildet wurden. Bei diesen Kaskoden ist das Versiirkerrauschen relativ gering. Mit Schaltungen dieser Art .iat sich Butler in der Zeitschrift »Wireless World«, März 1965. S. 124-128 beschäftigt.
Er empfiehlt, der Kaskodenstufe eine Impedanzwandlerstufe und dieser einen kapazitiv angekoppelten Transistorverstärker nachzuschalten. Bei mit Röhren ausgerüsteten Kaskodenstufen sind die inneren Kapazitäten wegen der Heizstromzuführungen ziemlich groß, bei Transistoren überwiegt das innere Rauschen. Auf Seite 126, Fig. 6 der genannten Literaturstelle ist eine Transistorkaskode dargestellt, bei der die Basispotentiale der Transistoren durch statische Spannungsteiler oder durch galvanische Gegenkopplung gewährleistet
■fo sind. Insbesondere wird der Eingang dei Kaskode über einen Gegenkopplungszweig von einigen 10OkQ mit einem niederohmigen Punkt des Verstärkers verbunden. Diese Gegenkopplung ist jedoch nicht im Hinblick auf eine Verringerung des Rauschens ausgelegt, denn einerseits wird der Gegenkopplungsfaktor durch einen 56-ki1-Widerstand klein gehalten und andererseits verursacht dieser 56-kQ-Widerstand zusätzliches Rauschen.
Eine Gegenkopplung zum Kaskodeneingang wird
so auch bei einer Röhrenschaltung eines Fernseh-Eingangsverstärkers (siehe Kundendienstanleitung der Firma Philips EL 8521) beschrieben, zum Unterschied von der vorigen Literaturstelle jedoch ohne Ableitwiderstand am Eingang. Weitere mit Transistoren arbeitende Verstärkerschaltungen sind in der Zeitschrift »Electronics« vom 1. Januar 1957. S, 140 und vom 1. Februar, S. 171 dargestellt. In der ersteren Schaltung wird v/eder eine Gegenkopplung angewandt noch eine Kaskodenschaltung verwendet, so daß durch das höhere Eigenrauschen der üblichen Emitterschaltung Nachteile entstehen. Auch die Schaltung der F i g, 2 im Februar-Heft der »Electronics« verzichtet auf einen Kasködeiiverstärker, verwendet jedoch eine Gegenkopplung zwischen dem ersten und zweiten Transistor, welche zwar den Verstärkungsfaktor stabilisiert, jedoch auf den Räuschabstand keinen Einfluß hat.
Zusammenfassend haften also den bekannten Schaltungen folgende Mängel an: entweder ist die Verstär-
lcung ?'.i gering oder es besteht starke kapazitive Rückwirkung innerhalb des Verstärkers oder der Arbeitswiderstand der Signalqtielle wird durch Gegenkopplungs- oder Stabilisierungs-Widerstände kurzgeschlossen, daher zusätzliche Rauscheinströmung.
Die obengenannten Mängel können überwunden, und es können sehr günstige Signal/Rausch-Zahlen über ein breites Frequenzband bei relativ geringem Amplitudenabfall bei hohen Frequenzen erzielt werden, bei einem Videovorverstärker nach der Gattung des Patentanspruches I1 der durch die Kombination der im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist
Verbesserungen und Weiterbildungen sind in den L'nteransprüchen angegeben.
Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung beruht auf der gleichzeitigen Anwendung aller im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen. Die Kombination aus der Kaskode und dem Impedanzwandler erbringt eine hohe Verstärkung ohne wesentliche Phasendrehung. Der Eingang des Impedanzwandlers ist statisch hochohmig, praktisch rückwirki'ngsfrpi und durch die Gegenkopplung dynamisch niederohmig. Daher lassen sich nun sehr günstige Betriebsgrößen erreichen, die einen erheblichen technischen Fortschritt durch die Erzielung eines großen Störabstandes bei einer guten Linearität des Verstärkers erbringen. Diese Betriebsgrößen sind weitgehend unabhängig von Exemplarstreuungen der Bauelemente und Temperaturschwankungen.
Aus theoretischen Untersuchungen hat sich ergeben, daß günstige Rauscheigenschaften erhalten werden, wenn für tiefe Frequenzen die Beziehung erfüllt ist:
erhält und dieser aus Stabilitätsrücksichten
η
sein sollte. Aus dieser Beziehung geht hervor, daß es bei vorgegebenem C, nur auf das Verhältnis
Rauscheinströmung /rj eines dem Rauschen c-es Vorverstärkers entsprechenden Rausnhstromes ist
Rg — Gegenkopplungswiderstand,
V = Verrärkung,
η = Amplitudenverhältnis zwischen 10 Hz und 5 MHz bis 30:1,
ci)m = Grenzfrequenz 2 λ ■ 5 MHz,
Cc = Eingangskapazität.
Diese Beziehung resultiert daraus, daß man bei ausschließlicher Verwendung des Gegenkopplungswiderstandes als Arbeitswiderstand einen dynamischen Eingangswiderstand bei tiefen Frequenzen
ankommt. Es wurde gefunden, daß die Größe von Rg im niederfrequenten Bereich etwa bis 0,5 MHz von entscheidendem Einfluß fcüf das Rauschen ist. Die
J Ra =
ß = Bandbreite,
Rä = äquivalenter Rausch widerstand des Verstärkers.
Andererseits ist die von R9 erzeugte Rauscheinströmung
Durch quadratische Addition ergibt sich
Da aber R0 > Ra ist, kann man auch schreiben
Jr warnt = I 4 k T0 B -jr-.
Es ergibt sich also, daß für tiefe Frequenzen (bis 0,5 MHz) das Rauschen von R1 praktisch völlig vernachlässigbar ist und daß man durch möglichst großes Rg die Rauscheinströmung des Verstärkers im NF-Bereich — die im Fernsehgebiet den am meisten störenden Faktor darstellt — beliebig klein machen könnte. Grenzen sind einerseits für Rg durch technische Schwierigkeiten gesetzt, welche darin bestehen, daß die Kapazität von sehr hochohmigen Widerständen nicht mehr vernachlässigbar ist und die Gegenkopplung dann nicht mehr frequenzunabhängig wäre. Dem könnte aber teilweise dadurch abgeholfen werden, daß man die Kapazität durch Abschirmen des Widerstandes mit einem geerdeten oder mitgesteuerten Metallzylinder verringert. Zum anderen kann die Verstärkung im Rahmen der durch (1) gegebenen Bedingungen nicht beliebig hoch gewählt werden. Außerdem kann bei hoher Verstärkung auch Ri größer werden. Immerhin kommen Widerstände von 3 Megohm durchaus noch in Betracht. Damit lassen sich Rauscheinströmun^en von nur 0,05 pA/ /Hz erreichen. Erst ab 0,5 MHz wird der Rauschbeitrag von Ri etw?. ebensogroß. Die Größe von η wähl* n*an mit Rücksicht auf Formel (1) nach einem Kompromiß zwischen Rauschpegel und Stabilität des gesamten Verstärkeis. Bei sehr großem η ist ?war das Rauschen am Ausgang klem, jedoch läßt sich wegen der Notwendigkeit eines Amplitudenausgleichs eine Temperaturkonstanz und eine Frequenzunabhängigkeit der Amplitude am Ausgang nur schwer erreichen. Aus praktischen Vers jchön hat sich ergeben, daß Werte von 30 möglichst nicht überschritten werden sollten und daß Werte von η =» 5 bei hoher Verstärkung und starker Gegenkopplung durchaus erreicht werden können.
Bei Berücksichtigung der beanspruchten Maßnahmen kann man auch einen Videoverstärker unter ausschließlicher Verwendung von Halbleiterelementen bauen, der hinsichtlich seines Rauschabstaiides den besten bisher
bekannten Vorverstärkern mit Röhren wenigstens gleichwertig, wenn nicht überlegen ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der Videoverstärker in einer äußerst kleinen Raumeinheit untergebracht uhd damit auch in unmittelbarer Nähe der Signalelektrode artgeschlossen werden kann, so daß kaum nennenswerte Beitrüge an Eingangskapazität durch die Zuleitungen entstehen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, weiche ein Ausführungsbeispiel zeigt. In diesem Schaltungsbeispiel, in welchem bipolare Transistoren verwendet werden, ist der aus den Transistoren 1 und II bestehenden Kaskode eine Impedanzwandlerstufe IV vorgeschaltet, an deren Basis der Gegenkopplungs-Widerstand Rg angeschlossen ist. Dieser Widerstand ist zu einem Punkt K der Schaltung geführt, welcher den Arbeitspunkt der vorgeschalteten Impedanzwandlerstufe bestimmt. Das Netzwerk aus den Kopplungswiderständen R* und Rt sowie dem Parallelkondensator Crf liegt in dem Stromkreis einer zweiten m impedanzwandlerstufe mit dem Transistor III, welcher vom Kollektor des Transistors II angesteuert wird. Arbeitswiderstand der Kaskodenstufe I, II ist der Widerstand Ra, von welchem die Spannung zur Steuerung des Transistors III abgegriffen ist. Zur Erzielung der geeigneten Vorspannungen liegt R\ an - Ug und Rt, der Emitter-Widerstand der Vorstufe, an der Spannung — Ug1 wobei — Ug größer als — Ug' ist. Eine Verbesserung des Rauschverhaltens bei hohen Frequenzen wird noch erzielt, wenn man die Widerstände Ra, /^ mit Abschirmungen versieht.
Die Basis des Transistors Il ist wie bei Kaskoden üblich kapazitiv über den Kondensator C2 geerdet und mittels des Spannungsteilers Ri, R3 an einen betriebsgünstigen Arbeitspunkt gelegt.
Vorzugsweise wird die Abschirmung von R3 vom Emitter des zweiten Impedanzwandlers III mitgesteuert Man kann auch die Abschirmung selbst als röhrenförmigen gleich großen Widerstand ausbilden, dessen kaltes Ende mit demjenigen des abzuschirmenden Widerstands und dessen heißes Ende· mit einem niederohmigeh, gleichsinnige Wechselspannung führenden Punkt des Verstärkers verbunden ist.
In der gezeigten Schaltung ist die Abschirmung des Widerstandes A17 mit dem Emitter des Transistors III verbunden.
Eine bedeutende Verbesserung ergibt iiich aber, wenn die vorgeschaltete Impedanzwandlerstufe IV durch einen Feldeffekttransistor gebildet wird. Bei Feldeffekttransistoren hat man zwar zur Zeit noch keine so hohe Steilheit erreicht, wie sie bei Nuvistorröhren üblich ist, jedoch wird für die vorliegende Schaltung nicht so sehr die Verstärkung des Feldeffekttransistors, sondern sein gegenüber Junction-Transistoren günstiges Rauschverh.ilten in Abhängigkeit vom Generatorinnenwiderstand ausgenutzt. Bei Feldeffekttransistoren werden optimale Rauschzahlen gerade für tiefe Frequenzen bei Generatorinnenwiderständen von einigen Megohm erreicht, wie sie auch bei Vidikons gegeben sind. Auch die wünschenswerte (im Sinne der Rauschanpassung) Abnahme des Generatorinnenwiderstandes für höhere Frequenzen, welche durch den Einfluß der Eingangskapazität bedingt ist, wenn optimale Rauschzahlen gegeben sein sollen, wird durch den Feldeffekttransistor erfüllt
Allgemein ist also zu beachten, daß möglichst wenige und möglichst hochohmige Widerstände am Verstärkereingang liegen sollen und der vom Gegenkopplungswiderstand umfaßte Verstärkertei! eine möglichst hohe Verstärkung haben sollte. Zweckmäßig werden, außer dem Arbeitswiderstand der Signalquelle (Fernsehaufnahmeröhre) und dem Gegenkopplungswiderstand, keine weiteren Widerstände an den Eingang des Verstärkers angelegt; Kontroll- und Regelsignale für die Fernsehaufnahrneröhre werden daher nur am Fußpunkt des Arbeitswiderstandes zugeführt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Videnvorverstärker für hochohmige Signalquellen, z. B. Vidikon- oder Plumbikonröhren, mit einer mit bipolaren Transistoren bestückten Kaskadenstufe und einem hochohmigen Gegenkopplungswiderstand, über den die von einem niederohmigen Widerstand am Ausgang des Verstärkers abgegriffene Spannung an den Eingang des Verstärkers zurückgeführt ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) der Kaskodenstufe (I, II) ist eine Impedanzwandlerstufe (IV) vorgeschaltet,
b) der Gegenkopplungswiderstand (Rg) ist an die Steuerelektrode der Impedanzwandlerstufe (IV) geschaltet,
c) der Arbeitspunkt der unmittelbar auf die Signalqueile folgenden Impedanzwandlerstufe (!V) ist praktisch ausschließlich durch das Gieichstrompotentia! eines Abgriffes (K) bestimmt, an welchem das von der Impedanzwandlerstufe (IV) abgewendete Ende des Gegenkopplungswiderstandes (Rg) angeschloss.en ist, und
d) ein gegebenenfalls an der Steuerelektrode der Impedanzwandlerstufe (IV) wirksamer weiterer Widerstand (Ri) weist mindestens den Betrag des Gegenkopplungswiderstandes (Rg) auf.
2. Videovorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode der Impedanzwandlersfufe (IV) ms. der Signalqueile kapazitiv verbunden ist.
3. Videoverstärker nach Ans, uch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungskapazität am Verstärkereingang kleiner als 10 nF ist.
4. Videovorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwandlerstufe (IV) durch einen Feldeffekttransistor gebildet ist.
5. Videovorverstärker nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand (Rg) wenigstens 1 Megohm beträgt.
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