DE665022C - Widerstandskapazitaetsgekoppelter Verstaerker - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
16. SEPTEMBER 1938

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21a² GRUPPE 18

Radio Corporation of America in New York, V. St. A.

Widerstandskapazitätsgekoppelter Verstärker

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. April 1935 ab

ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft widerstandskapazitätsgekoppelte Verstärkerschaltungen, bei denen sich die Frequenz der zu übertragenden Signale innerhalb weiter Grenzen, beispielsweise zwischen 20 Hz und 1 Megahertz, bewegt.

Wie bekannt, enthält ein Verstärker der vorgenannten Art eine oder mehrere Stufenkopplungsanordnungen, die einen Ausgangs- oder Anodenkopplungswiderstand, einen Eingangs- oder Gitterkopplungswiderstand und einen Kopplungskondensator umfassen. Eine derartige Kopplungsanordnung kann beispielsweise verwendet werden zwischen zwei Verstärkerstufen oder zwischen einer Verstärkerstufe und einem Ausgangskreis, etwa einer Übertragungsleitung.

Beim Entwurf eines widerstandskapazitätsgekoppelten Verstärkers zur Übertragung eines breiten Frequenzbereiches spielt der Kopplungs- oder Gitterblockkondensator eine wichtige Rolle für die Lage sowohl der oberen wie der unteren Grenzfrequenz.

Der untere Teil der Frequenzkurve einer Kopplungsanordnung mit Widerstands- und Kapazitätsgliedern läßt sich zwar verbessern durch Vergrößerung des Kopplungskondensators, jedoch nicht ohne eine wesentliche Erhöhung der Kosten. Gegenstand der Erfindung sind dagegen Maßnahmen, um diese Verbesserung ohne Vergrößerung des Kopplungskondensators zu erzielen. Die Erfindung bezweckt außerdem eine Verbesserung eines widerstandskapazitätsgekoppelten Verstärkers hinsichtlich des Verstärkungsgrades und des gesamten Frequenzkurvenverlaufes.

Bei der Erläuterung des Erfindungsgedankens soll auf die Zeichnung Bezug genommen werden, die folgende Darstellungen enthält:

Abb. ι ist das Schaltungsbild eines Verstärkers mit einer Stufenkopplungsanordnung gemäß der Erfindung;

Abb. 2 ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild von Abb. 1;

Abb. 3 zeigt in einem Schaubild die Wirkung der in Abb. 1 und 2 verwendeten Kopplungsanordnung;

Abb. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine abgeänderte Schaltung gemäß der Erfindung.

In Abb. ι sind 10 und 11 Entladungsröhren mit großer Verstärkungsziffer (kleinem Durch-

grift), 12 die Eingangs- und 13 die Ausgangs klemmen eines Verstärkers. Die Verstärkerröhre in der ersten Stufe 10 ist eine Schirmgitterröhre und enthält ein Steuergitter eine Kathode 16, ein Schirmgitter 17 Ig eine Anode (Ausgangselektrode) 18. Steuergitter 15 ist mit einer der Eingang^'« klemmen 12 über den Kopplungskondensator 19 verbunden und mit einem Gitterableitwiderstand 20 versehen, der über einen Filterwiderstand 22 an die Erdung 21 angeschlossen ist. Die Kathode 16 ist mit einem Vorspannungswiderstand 23 ausgestattet, der ebenfalls an Erde liegt. Ein Überbrückungskondensator 24, der zwischen dem Widerstand 22 und der Kathode liegt, vervollständigt den Eingangskreis der ersten Stufe.

Das Schirmgitter erhält ein positives Potential aus einer nicht gezeichneten Spannungsquelle über die Speiseleitung 25; in ähnlicher Weise ist die Anode 18 über den Anodenkreis 26, in dem sich der Anodenkopplungswiderstand 27 und ein Filterwiderstand 28 befinden, an eine positive Anodenspannungsquelle angeschlossen. Der Filterwiderstand ist mit einem Überbrückungskondensator 29 versehen, der an Erde liegt und den Ausgangskreis der ersten Stufe vervollständigt.

- Die Röhre 11 der zweiten Stufe besitzt vorzugsweise ebenfalls eine hohe Verstärkungsziffer und enthält eine Kathode 30, ein Steuergitter 3X, ein Schirmgitter 32 und eine Anode 33, die über die Ausgangsleitung 34 mit einer der beiden Ausgangsklemmen 13 verbunden ist, deren andere über die Speiseleitung 35 an eine positive Spannungsquelle angeschlossen ist.

Der Eingangskreis der Röhre 11 in der zweiten Verstärkerstufe enthält eine Gitterzuleitung 36 und einen Gitter- oder Eingangskopplungswiderstand 37, dessen vom Gitter weiter entferntes Ende geerdet ist. Das Gitter 31 erhält eine negative Vorspannung über den Widerstand 37 aus einer geeigneten Quelle, etwa von dem im Kathodenkreis liegenden Widerstand 38. Das Schirmgitter 32 bezieht seine positive Spannung über eine Speiseleitung 39.

Der Ausgangskreis der ersten Verstärkerstufe ist mit dem Eingangskreis der zweiten Stufe durch den Kopplungskondensator 40 gekoppelt. Durch den Kopplungskondensator werden die an dem Widerstand 27 auftretenden Signalspannungen dem Eingangswiderstand 37 zugeführt. Bei einem Verstärker, der zur Übertragung eines breiten Frequenzbandes bestimmt ist, wird der Kopplungskondensator 40 zu einem wichtigen Faktor, auf den es bei der Erzielung einer guten Wiedergabetreue, insbesondere an der unteren Grenze des Hörfrequenzbereiches, wesentlich ankommt. Für eine bestimmte Verstärkerröhre _ 11 in der zweiten Stufe liegt der Höchstwert <|*|e.s Widerstandes 37 oder R_g fest, und das

Ipdukt Cgi?_s; das die Gitterkreisverzerrung

J eine bestjjrftite Frequenz angibt, kann •"-vergrößert werden durch Vergrößerung von Cg, wie fernerhin die Kapazität des Kondensators 40 genannt werden soll.

Da jedoch gleichzeitig die räumlichen Abmessungen von Cg zunehmen, erreicht man bald einen Punkt, wo eine Vergrößerung eine erhebliche Zunahme der Schaltungskapazität gegen Erde verursacht; diese wirkt parallel zu dem ParallelwiderstandR_p oder Widerstand 27 und zu Rg und bestimmt für eine gegebene Kombination die bei hohen Frequenzen auftretende Verzerrung. Bei gegebener Erdkapazität kann die Verzerrung für die höheren Frequenzen nur durch Verkleinerung des Parallelwiderstandes, gewöhnlich von R_p, herabgesetzt werden. Dies verringert aber nicht nur die Verstärkung der Röhre 10 in der ersten Stufe, sondern erfordert auch eine größere Filterkapazität 29 oder Cf. Daher ist es für gewöhnlich vorteilhaft, Cg so klein als möglich zu halten.

Es wurde festgestellt, daß die bei einem kleinen Wert des Produktes C_gR_g entstehende go Verzerrung durch Verwendung einer kleinen Filterkapazität Cf wesentlich vermindert werden kann. Im Grenzfall kann man dadurch, daß man sowohl die Filterimpedanz 28 oder R₁ als auch den Innenwiderstand r_p der ersten Verstärkerröhre 10 unendlich groß macht, die Verzerrung für die tiefen Frequenzen auf einen beliebigen Wert bringen und dadurch, daß man die Produkte C_gR_g und C_fR„ einander gleichmacht, sogar zu Null machen.

Die Abb. 2 zeigt den inneren Widerstand r„ der ersten Verstärkerröhre 10 zusammen mit der von der Röhre 10 erzeugten Spannung μ · e_g in Parallelschaltung zu der Aus gangskopplungsimpedanzR_D und dem damit in Reihe liegenden Überbrückungskondensator C₁, die den einen Zweig des Ausgangskreises darstellen, dessen anderer Zweig aus dem Kopplungskondensator C_g und dem Git-

lerstand R_s besteht. Die längs des Röhrenwiderstandes bzw. zwischen Anode und Erde auftretende Spannung ist mit e_x und die Ausgangsspannung am Gitterwiderstand mit e₂ bezeichnet. Die in den beiden Anodenkreiszweigen fließenden Ströme sind mit I₁-115 und i_s. bezeichnet; der am inneren Röhrenwiderstand r_p erzeugte Spannungsabfall ist gleich der Vektorgröße (I₁ + J₂) · r_p. Die von der ersten Stufe oder Vorröhre erzeugte Spannung ist gleich

μ · e_g— e_x ■+· (i_t -\- i₂) · r_p . (1)

Durch Rechnung kann man nun an Hand des in Abb. 2 dargestellten Ersatzschaltbildes zeigen, daß die Spannung e_s durch den folgenden Ausdruck gegeben wird:

μ-eg'Rp.-Rp

ι · ω · Cf

wobei in die geschweiften Klammern der folgende Ausdruck einzusetzen ist:

i · ω · Rp- Cf [ω = Kreisfrequenz |

i- tO · R,r- Ca

Man erkennt daraus, daß für kleinstmöglicbe Verzerrung im tiefen Frequenzbereich das Produkt CgRg gleich sein muß dem Produktive,:

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, vereinfacht sich der Ausdruck für e₂ zu dem folgenden:

μ - e_g- R_p

R_p. R, + rp. (Rp

i · ω · Cf

Wenn man annimmt, daß r_O größer ist als R_n und Rg, was ja keine Einschränkung bedeutet, ist e₂, wenn die Gleichung (2) erfüllt ist, auch bei niedrigen Frequenzen im wesentlichen frequenzunabhängig. (In dem Ersatzschaltbilde ist der Widerstand R_f weggelassen, d.h. unendlich groß angenommen. Für endliches Rf, das aber groß ist gegenüber R₁, und R_g, wird die Betrachtung nicht wesentlich geändert.)

In einer gemäß Gleichung (2) bemessenen Schaltung kann der Kopplungskondensator eine minimale Kapazität aufweisen und trotzdem das niederfrequenzseitige Ende der Frequenzkurve auf eine verhältnismäßig große Höhe gebracht werden; in Abb. 3 ist die Verstärkung für niedrige Frequenzen durch die voll ausgezogene Kurve 42 dargestellt und zu vergleichen mit der gestrichelten Kurve 43, die für eine gewöhnliche Widerstandskapazitätskopplung gilt, bei der die vorerwähnte Verbesserung der Frequenzkurve nicht durchgeführt wurde.

Es ist beachtlich, daß man die Frequenzkurve 42 erhalten kann, ohne die Größe des zur Erzielung der Kurve 43 verwendeten Kondensators erhöhen zu müssen. Die Verbesserung läßt sich bei jedem Verstärker anbringen, der einen bestimmten Frequenzbereich überträgt, wobei der Nullpunkt der in Abb. 3 dargestellten Kurven die untere Grundfrequenz des gewählten Betriebsfrequenzbereiches darstellt. Für einen gewöhnlichen

Kondensator als Kopplungsglied ist die erzielte Verbesserung der Frequenzkurve in Abb. 3 durch die gewonnenen Frequenzbereiche A und B verdeutlicht, wobei der Bereich B die praktisch brauchbare Ausdehnung des Bereiches bis zu einem Punkt mit zulässiger Verzerrung darstellt. Aus einem Vergleich der Kurven ist zu entnehmen, daß eine erhebliche Verbesserung der Frequenzkurve im Gebiet niedriger Frequenzen erzielt wird, ohne daß zusätzliche Anordnungen oder Kosten aufgewendet werden müssen oder die-Frequenzkurve für die höheren Frequenzen verschlechtert wird.

In Abb. 4 ist eine Ausgangskopplungsanordnung für einen Verstärker zum Anschluß an eine Übertragungsleitung dargestellt.

Der Verstärker oder die Endstufe enthält zwei parallel geschaltete Verstärkerröhren 45 mit großem Innenwiderstand, denen die Signalspannungen über die Eingangsklemmen 46 und einen Kopplungskondensator 47 sowie eine Gitterimpedanz 48 zugeführt werden. In den Gitterkreisen sind Widerstände 49 zur Verhinderung der Rückkopplung vorgesehen; die Gitter erhalten eine Vorspannung aus einer geeigneten Quelle, etwa von dem in der gemeinsamen Kathodenleitung liegenden Vorspannwiderstand 50. Die Kreise werden, wie aus der Abbildung ersichtlich, über Erde geschlossen. Die Ausgangskreise der beiden Röhren 45 sind parallel geschaltet zu einem Ausgangskreis 51, in dem ein Ausgangskopplungswiderstand 52 oder R_p und eine Filter- n₀ impedanz 53 oder R_f, die im Beispielsfalle aus einer Niederfrequenzdrossel besteht, liegen. In Reihe mit der Impedanz R₁ liegen eine Hochfrequenzdrossel 54 und ein Strombegrenzungswiderstand 55. Der Kreis ist ebenso wie die Schirmgitterzuleitung 57 an eine zu einer positiven Spannungsquelle führende Speiseleitung 56 angeschlossen.

Ein Belastungskreis 58 ist an die Ausgangsklemmen 59 angeschlossen, die ihrerseits über den Kopplungskondensator 60 mit der

Ausgangskopplungsimpedanz R₁, verbunden sind.

Der Belastungskreis 58 wird durch eine Übertragungsleitung gebildet, die für Signalfrequenzen eine verhältnismäßig niedrige Impedanz besitzt. Die Belastungsleitung kann als Rg betrachtet werden, während der Kopp g
lungskondensator 60 als

anzusehen ist.

Der Kondensator 61 ist ein Teil des einen R₁, enthaltenden Zweigstromkreises und stellt C/ dar.

Mit einem Paar von Röhren der Type RCA 247 und einer Ausgangsleitung 58, deren Impedanz 50 Ohm beträgt, läßt sich mit R₁, gleich 50 Ohm und Kondensatoren C_g und C₁ von je 250 μ¥ ein Maximum der Empfindlichkeit bei tiefen wie bei hohen Frequenzen erzielen. Ohne Benutzung der dargestellten Anordnung benötigt man für den Kopplungskondensator C_g eine Kapazität von 750 μΡ und eine kleinere Impedanz R_p. Man sieht daher, daß man eine wesentliche Kostenersparnis und gleichzeitig eine Verbesserung der Frequenzkurve erzielt, wenn man von dem Erfindungsgedanken Gebrauch macht.

Beim vorliegenden Beispiel sind die Impedanz der Filterdrossel 53 und der innere Widerstand der Röhren 45 verhältnismäßig hoch, wie bei den vorhergehenden Abb. 1 und 2 angegeben. Da die Wirkung in der

Schaltung nach Abb. 5 dieselbe ist, dürfte sich eine weitere Erörterung darüber erübrigen.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   ι. Widerstandskapazitätsgekoppelter Verstärker mit Röhren mit hohem innerem Widerstand, vorzugsweise Schirmgitterröhren, bei dem sich der Anodenkreis in zwei Stromzweige gabelt, von denen der eine einen Ausgangskopplungswiderstand (R_p) und in Reihe damit eine Filterkapazität (C_f) und von denen der andere eine Kopplungskapazität (C _s) und einen damit in Reihe geschalteten Gitter- oder Belastungswiderstand (R_g) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Kapazität des Kopplungskondensators und dem Widerstand des Belastungswiderstandes im wesentlichen gleich ist dem Produkt aus dem Ausgangskopplungswiderstand und der Kapazität des Filterkondensators.
2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Wahl der Kreiskonstanten, daß die am Ausgangskopplungswiderstand auftretende Spannung im wesentlichen phasengleich mit der von der Vorröhre erzeugten Spannung ist.

   Hierzu r Blatt Zeichnungen