DE875213C - Verstaerkeranordnung mit negativer Rueckkopplung fuer den zu verstaerkenden Frequenzbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf Verstärker mit negativer Rückkopplung und hat sich die Aufgabe gestellt, den Betrag der erwünschten nicht schwingungserzeugenden Rückkopplung, den man in derartigen Anordnungen erhalten kann, zu vergrößern, ohne daß diese Anordnungen durch eigenerregte unerwünschte Frequenzen beeinflußt werden.

Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß innerhalb des Rückkopplungsweges die außerhalb des zu verstärkenden Frequenzbandes liegenden Frequenzen abgetrennt und durch eine Begrenzungseinrichtung in ihrer Amplitude begrenzt.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Breitbandverstärker mit starker negativer Rückkopplung. Bei solchen Schaltungen und bei vielen andersgearteten Rückkopplungsanordnungen ist die Beseitigung von Eigenschwingungen ein vorherrschendes Problem. Allerdings kann man es häufig auf relativ einfache Weise erreichen, daß die Frequenz, für welche der Verstärker ins Schwingen gerät, unterhalb oder

außerhalb des verwendeten Frequenzbandes liegt-Beispielsweise kann die Eigenschwingungsfreqüenz bei einem Verstärker für ein Frequenzband von 12 bis 60 kHz gleich einer Frequenz von 1 MHz sein.

Der größte Nachteil, der durch die Eigenschwin-' gungen hervorgerufen wird, besteht darin, daß die Röhren überlastet werden, so daß die Modulation zu groß wird. Weiterhin wird die Übertragung durch den Verstärker geschwächt. Die Amplitude der eigenerregten Schwingungen kann jedoch auf einen Wert begrenzt werden, der so klein ist, daß die Verstärkerröhren noch nicht überlastet werden. Zu diesem Zweck wird eine Anordnung zur Begrenzung der Amplitude verwendet, die' nicht in dem zu verstärkenden Frequenzband wirksam ist. In diesem Falle kann der Verstärker andere Frequenzen ungestört von den Eigenschwingungen verstärken. Der Verstärker kann im Rückkopplungskreis außerhalb des verwendeten Frequenzbandes schwingen, da die Vorrichtungen zur Unterdrückung von Eigenschwingungen außerhalb des verwendeten Frequenzbandes recht umfangreich sind. Dabei wird die Amplitude der nicht erwünschten Eigenschwingungen im Rückkopplungskreis auf einen Wert begrenzt, der so klein ist, daß eine Überlastung des Verstärkers oder eine Verstärkungsverringerung vermieden wird. Dieser Wert kann beispielsweise so klein sein, daß eine merkliche Verringerung der Leistungsfähigkeit der Endröhre des Verstärkers trotz der Eigenschwingungen verhindert wird. Die Begrenzungseinrichtung für die Amplitude der Eigenschwingungen ist der Schleife beispielsweise über ein Bandunterdrückungsfilter, dessen Dämpfungsbereich in den verwendeten Frequenzbereich fällt, so zugeordnet, daß sie nicht merklich durch die Nutzfrequenzen des verwendeten Frequenzbandes beeinflußt wird. Infolgedessen stört die Begrenzungseinrichtung nicht die starke negative Rückkopplung, die innerhalb dieses Frequenzbandes besteht. Trotzdem kann für eine gegebene Rückkopplungsschleife und für eine bestimmte Frequenz die positive Rückkopplung groß sein, wobei das Rückkopplungsverhältnis kleiner als 1 bleiben muß, welches der Wert ist, bei welchem Eigenschwingungen auftreten. Die negative Rückkopplung kann 6 db nicht überschreiten, wenn die Größe des Rückkopplungsverhältnisses nicht die Einheit überschreitet. Die größte-Amplitude der Frequenzen des verwendeten Frequenzbandes kann die Amplitude der Eigenschwingungen beträchtlich übersteigen. Wenn beispielsweise der Verstärker zu Meßzwecken dient, kann die größte Amplitude andererseits viel kleiner sein als die Amplitude der Eigenschwingungen, trotzdem die negative Rückkopplung groß ist.

Die Begrenzungseinrichtung kann aus einem nicht linearen Element, beispielsweise aus einem Thyritelement, einem Trockenkontaktgleichrichter oder aus einer Entladungsröhre bestehen. Alle diese Einzelteile weisen eine nicht lineare Beziehung zwischen Strom und Spannung auf bzw. einen geeigneten temperaturabhängigen Widerstand, der sich in bekannter Weise beträchtlich ändert, wenn .sich die Temperatur ändert. Beispiele für solche temperaturabhängigen Widerstände oder sogenannte Thermistoren, bei denen sich die Größe des Widerstandes außerordentlich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wenn sie nur durch den Strom, der durch sie hindurchfließt, erwärmt werden, sind Widerstände aus Silbersulfid, Uran-Oxyd, Kobalt-Oxyd oder Bor. Der Ausdruck nichtlineares Element wird weiterhin ganz allgemein verwendet für einen Widerstand mit nicht linearer Charakteristik; es sind dabei Widerstände mit eingeschlossen, z. B. die obengenannten Thermistoren, die in dem Sinne linear sind, daß sie keine beträchtliche schädliche Modulation in dem verwendeten Nutzfrequenzbereich hervorrufen, weil die Zeit, die nötig ist, damit sich die Temperatur und damit der Widerstand ändert, merklich groß im Vergleich zu den viel schnelleren Schwingungen sämtlicher Frequenzen ist, die in den Nutzfrequenzbereich des Verstärkers fallen.

Die Begrenzungseinrichtung kann an irgendeiner Stelle in die Rückkopplungsschleife eingegliedert werden. Es ist jedoch vorzuziehen, die Begrenzungseinrichtung in den vorwärts gerichteten Weg des Verstärkers so nahe als möglich an den Ausgang einzuordnen. Die Einordnung in den vorwärts gerichteten Weg ist deswegen vorteilhaft, weil dann die gesamte Übertragung im Durchlaßbereich des Verstärkers am wenigsten durch Amplitudenänderungen der Eingangsfrequenzen beeinflußt wird. Das ist besonders wichtig, wenn diese Übertragung in einem Bereich von 0,01 oder 0,001 db gesteuert wird. Die Einordnung in der Nähe der Endröhre des Verstärkers ist deswegen außerordentlich vorteilhaft, weil die Begrenzungseinrichtung um so schwerer anspricht, je kleiner die Spannung ist, auf welche begrenzt werden soll. Wenn die Verstärkung des vorwärts gerichteten Verstärkerweges 120 db beträgt, so ist eine Begrenzung auf 1 Volt am Ausgang einer Begrenzung auf 0,000001 Volt am Eingang des Verstärkers äquivalent.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Der Verstärker nach Fig. 1 enthält einen Ver- · Stärkerweg mit einem Verstärker mit irgendeiner gewünschten Stufenzahl und einen Rückkopplungsweg/. G bezeichnet das Steuergitter der ersten Röhre und P die Anode der letzten Röhre sowohl in Fig. ι als auch in Fig. 2. In bekannter Weise wird der Verstärkungsweg als μ-Kreis und der Rückkopplungsweg als /?-Kreis bezeichnet.

Ein Eingangsbrückentransformator oder ein Ausgleichsübertrager 2 verbindet die ankommende Leitung und den Rückkopplungsweg / mit dem Eingang des Verstärkerweges. Ein Ausgleichsübertrager 3 für den Auegang des Verstärkers verbindet diesen mit der abgehenden Leitung und dem Rückkopplungsweg. Wenn es erforderlich ist, kann der Betrag der negativen Rückkopplung in dem verwendeten Frequenzbereich oder die Herabsetzung der Verstärkung durch die Rückkopplung sehr groß sein, μ β kann beispielsweise von der Größenordnüng einiger Vielfacher von 10 db sein.

Der Verstärker kann dafür bestimmt sein, ein Frequenzband, beispielsweise von 12 bis 60 kHz durchzulassen und zu verstärken. Wenn die Rückkopplungsverbindung hergestellt ist, kann der Verstärker im Rückkopplungskreis, beispielsweise bei einer Frequenz von 1 MHz, zu Eigenschwingungen erregt werden. In diese Eigenschwingungsschleife sind Vorrichtungen eingeordnet, durch die die Amplituden der eigenerregten Schwingungen auf einen Wert begrenzt werden, so daß die Röhren des Verstärkers noch nicht überlastet werden. Diese Vorrichtung besteht in einem nicht linearen Element 4, in einem Arm 5, einer Wheatstoneschen Brücke 6. Das Element 4 kann beispielsweise ein Thermistor von der bereits beschriebenen Art mit negativem Temperaturkoeffizienten sein oder ein Thyrit oder ein Trockenkontaktgleichrichter. Wenn. die Eingangsspannung der Brücke einen gewissen bestimmten Wert hat, wird das nicht lineare Element 4 die

ao Brücke ins Gleichgewicht bringen, so daß die Ausgangsspannung der Brücke gleich Null wird. Die Amplitude der eigenerregten Schwingungen am Eingang der Brücke wird infolgedessen ein wenig unterhalb des kritischen Wertes gehalten durch die

«5 Tätigkeit des Elementes 4.

In Fig. ι ist vor das Element 4 ein Netzwerk oder Filter 7 geschaltet, das die Frequenzen des verwendeten Frequenzbandes, d. h. also das Frequenzband von 12 bis 60 kHz dämpft oder unterdrückt, aber die anderen Frequenzen mit Einschluß der selbsterregten Schwingungsfrequenz von 1 MHz durchläßt, so daß infolgedessen der Verstärker bei dieser Schwingungsfrequenz nur schwach erregt wird. Wenn der Widerstand des Elementes 4 und die Widerstände der drei anderen Brückenarme die richtigen Werte haben, kann die Brücke unausgeglichen sein, wenn die Amplitude der Schwingungsfrequenz unterhalb des kritischen Wertes liegt. Wenn nun die Amplitude der selbsterregten Schwingungen zunimmt, erreicht die Brücke den Gleichgewichtszustand wegen der Widerstandsänderung des Elementes 4 und schließlich den Grenzpunkt, d. h. den Punkt, an welchem die Größe von μ β oder das Rückkopplungsverhältnis für die

selbsterregte Schwingung gleich 1 ist. Dies ergibt sich als Resultat der Wirkung der Brückenschaltung und des nicht linearen Widerstandes des Elementes 4. Durch Einregulieren derjenigen Brückenwiderstände, die nicht mit dem Element 4 in Verbindung stehen, kann die Gleichgewichtsstelle der Brücke gesteuert werden und auf diese Weise kann die Amplitudengrenze der selbsterregten Schwingungen beeinflußt werden. Auf diese Weise läßt sich die Amplitude der selbsterregten Schwingungen auf einen Wert begrenzen, der so klein ist, daß der Verstärker nicht überlastet wird und die Verstärkung nicht herabgesetzt wird. Beispielsweise kann dieser Wert gerade so klein sein, daß eine merkliche Verringerung der Leistungsfähigkeit des Verstärkers verhindert wird. Das Filter 7 hält die Frequenzen des verwendeten Frequenzbandes davon ab, einen merklichen Einfluß auf das Element 4 auszuüben.

Die Impedanz des Filters 7 kann vom Brückennetzwerk 6 aus gesehen außerhalb des verwendeten Frequenzbandes einen kleinen Wert haben. Ob die Impedanz einen hohen oder einen niedrigen Wert hat, beeinflußt entweder die Polung des Transformators oder den Brückenarm, in welchem die Impedanz eingeordnet ist. Infolgedessen kann das Filter 7 und die Begrenzungsanordnung 4 vorzugsweise in dem Brückenarm 5 angeordnet werden, und zwar besser als in dem gegenüberliegenden Arm, da der Arm 5 im μ-Kreis des Verstärkers liegt.

Der Verstärker der Fig. 1 schwingt mit eigenerregten Schwingungen von 1 MHz. Wenn dabei eine niedrige Frequenz von beispielsweise 100 Hz überlagert ist (d. h. überhaupt eine Frequenz unterhalb des verwendeten Frequenzbandes, wobei die Phasenverschiebung längs der Rückkopplungsschleife gleich Null ist und die Verstärkung längs dieser Schleife den Wert Null überschreitet), schwingt der Verstärker zur gleichen Zeit mit einer Frequenz von 1 MHz und mit einer Frequenz von 100 Hz, wenn in dem Brückenarm mit der Ampli-• tudenbegrenzungseinrichtung ein Begrenzer nach Fig. ι Α angeordnet ist.

In Fig. ι A ist der Brückenarm 5' dargestellt, der dem Brückenarm 5 der Fig. 1 entspricht. In diesem Arm 5' sind zwei Filter 7' und 7" angeordnet, wobei jedes dieser Filter mit einem entsprechenden nicht linearen Widerstand 4' und 4" versehen ist. Das Filter 7' ist ein Tiefpaßfilter für den Frequenzbereich von ο bis 12 kHz, so daß dem zugeordneten Element 4' Frequenzen unterhalb des verwendeten Frequenzbandes zugeführt werden, während die^anderen Frequenzen unterdrückt werden. Das Filter 7" ist ein Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von 60 kHz, das an das zugeordnete Element 4" Frequenzen oberhalb des verwendeten Frequenzbandes durchläßt und alle anderen Frequenzen unterdrückt.

Die Erfindung kann in Fällen angewendet werden, in denen unerwünschte Schwingungen ohne Störungen in das verwendete Frequenzband oder außerhalb des verwendeten Frequenzbandes fallen. Die Erfindung kann auch in solchen Fällen angewendet werden, bei denen die selbsterregte Schwingungsfrequenz in einem nicht verwendeten Frequenzbereich zwischen zwei Nutzfrequenzbändem liegt, ebenso in dem Fall eines Zweibandverstärkers für einen einzigen Verstärker bei einem Vielfachträgerfrequenztelephoniesystem.

Fall es erforderlich ist, können Filterkreise den Verstärker mit den ankommenden und abgehenden Leitungen verbinden, um die schwachen, selbsterregten Schwingungen von den Leitungen fernzuhalten. Beispielsweise kann der Verstärker der Fig. ι mit Tiefpaßfiltern 8 und 9 ausgestattet werden, deren Grenzfrequenzen bei 60 kHz liegen. In iao den Fällen, in welchen die selbsterregte Schwingung innerhalb oder unterhalb des verwendeten Frequenzbereiches von 12 bis 6okHz liegt, können die Filter zu diesem Zweck geeignet gewählt werden. Beispielsweise können Bandfilter für ein Band von 12 bis 60 kHz oder Hochpaßfilter verwendet

werden, die die Frequenzen unterhalb* von 12 kHz dämpfen. Eines der Filter am Eingang oder am Ausgang oder beide Filter können weggelassen werden, wenn es die spezielle Anwendung des Verstärkers gestattet.

Bei dem Verstärker der Fig. 2 ist das Filter 7, das mit dem nicht linearen Widerstand 4 verbunden ist, parallel zum Anodenkreis der letzten Röhre und in den μ-Kreis der Verstärker rückkopplung geschaltet. In diesem Falle wird die Eingangsimpedanz des Filters 7, vom Verstärker aus gesehen, für den verwendeten Frequenzbereich vorzugsweise groß gemacht. Der Verstärker kann beispielsweise ebenfalls für einen Frequenzbereich von 12 bis 60 kHz mit negativer Rückkopplung wie bei dem Verstärker der Fig. 1 bestimmt sein. In Fig. 2 sind ein Eingangsbrückennetzwerk 15 und ein Ausgangsausgleichernetzwerk 13 dargestellt. Diese beiden Schaltungen entsprechen Schaltungen, die durch die

amerikanische Patentschrift 1 993 758 bekanntgeworden sind. Die Netzwerke 15 und 13 werden an Stelle der Eingangs- und Ausgangsbrücke 2 und 3 nach Fig. 1 verwendet. Die Ausgleicher-' brücke enthält Arme, die mit R₀, Z₂₁, R und Z₁₁ wie

in der amerikanischen Patentschrift bezeichnet sind und eine solche Wirkung haben, wie sie in dieser '■ Patentschrift auseinandergesetzt ist. Der Verstärker arbeitet in der gleichen Weise wie der Verstärker der Fig. 1, der nicht lineare Widerstand 4

begrenzt die Amplitude der selbsterregten Schwingungen, und das Filter 7 dient dazu, die Frequenzen des verwendeten Frequenzbereiches daran zu hindern, daß sie den nicht linearen Widerstand 4 merklich beinflussen. Falls erforderlich oder wegen der Modulation nötig, kann das Filter 7 parallel

" zum ,α-Kreis in einer vorhergehenden Stufe ange-" bracht werden. Der Nachteil, die Begrenzungseinrichtung an einer vorhergehenden Stufe in den μ-Kreis einzuordnen, besteht darin, daß derEnergie-

pegel der Schwingungen kleiner ist; der Vorteil besteht darin, daß; für die ganze Begrenzungseinrichtung im Interesse der Nichtlinearität geringere Anforderungen gelten.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   r. Verstärkeranordnung mit negativer Rückkopplung für den zu verstärkenden Frequenzbereich, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (7) innerhalb des. Rückkopplungsweges, welche außerhalb des zu verstärkenden Frequenzbandes" liegende Frequenzen abtrennt und durch eine Begrenzungseinrichtung (4) in ihrer Amplitude begrenzt, um selbsterregte Schwingungen außerhalb des zu verstärkenden Frequenzbereicb.es zu unterdrücken.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung die Amplitude unerwünschter Frequenzen unterhalb desjenigen Wertes hält, der zu einer Überlastung der Anordnung führt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtung mit dem vorwärts gerichteten Verstärkerweg über ein Filter verbunden ist, welches eine hohe Impedanz für Frequenzen des Frequenzbereiches hat.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Amplitudenbegrenzer vorhanden sind, die auf verschiedene Frequenzen ansprechen, um die Amplitude selbsterregter Schwingungen dieser Frequenzen zu begrenzen.
5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht linearer Widerstand mit dem vorwärts gerichteten Verstärkerweg über ein Hochpaßfilter und ein anderer nicht linearer Widerstand mit dem vorwärts gerichteten Verstärkerweg über ein Tiefpaßfilter verbunden sind.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

   I 5101 4.53