DE963790C - Signalverstaerker mit Gegenkopplung zur Verminderung von Verzerrungen - Google Patents
Signalverstaerker mit Gegenkopplung zur Verminderung von VerzerrungenInfo
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Description
AUSGEGEBEN AM 16. MAI 1957
W11947 VIII al 21 αϊ
ist als Erfinder genannt worden
Die Erfindung betrifft Verstärker mit verstärkungsvermindernder Gegenkopplung zum Zwecke der
Verringerung von Verzerrungen und ergibt eine weitere Verringerung des Rauschens oder der Verzerrung
über das Maß hinaus, das durch die üblichen und bekannten Gegenkopplungsverfahren zu erreichen
ist.
Es ist in der Übertragungstechnik bekannt, daß der Verzerrungspegel im Ausgang eines Verstärkers durch
Gegenkopplung der Ausgangssignalschwingungen zum Eingang des Verstärkers verringert werden kann. Die
rückgekoppelten Schwingungen werden mit den Eingangsschwingungen kombiniert, wodurch sich
zunächst resultierende Schwingungen ergeben, die einen verhältnismäßig hohen Verzerrungspegel auf-'
weisen. Dieser Zustand der Schwingungen besteht von der Stelle an, an der diese resultierenden Schwingungen
entstehen, bis zum Gitter der letzten Stufe, gleichgültig, ob der Verstärker aus einer Stufe besteht oder
mehrere Stufen besitzt. Wegen dieses verhältnismäßig großen Verzerrungsinhalts gegenphasiger Schwingungen
im Verstärkungsweg vor dem Gitter der letzten Stufe entsteht bis zum gewissen Grade eine Aufhebung
der Verzerrung in der letzten Stufe, unter der Voraussetzung, daß im wesentlichen in dieser allein Verzerrungen
entstehen. Eine vollständige Beseitigung der Verzerrung wird jedoch bei dem üblichen Gegenkopplungsverstärker
nicht erreicht, und zwar im
70Ϊ 514/197
wesentlichen wegen des Größenunterschiedes zwischen der in der letzten Stufe erzeugten Verzerrung und der
rückgekoppelten Verzerrung.
Die Erfindung hat zum Ziel, die Verhältnisse im üblichen mit Gegenkopplung arbeitenden Verstärkers
auszunutzen, um eine im wesentlichen vollständige Beseitigung der in der Ausgangsstufe entstehenden
Verzerrung zu erreichen. Erfindungsgemäß wird ein Teil der am Eingang der Endstufe auftretenden
ίο Schwingungen über einen Hilfsverstärker unmittelbar
zu der Belastung übertragen, wobei der Verstärkungsfaktor des Hilfsverstärkers in noch zu erläuternder
Weise so gewählt ist, daß eine im wesentlichen vollständige Beseitigung der Verzerrungskomponenten
zustandekommt. Die Ausgangsspannung des Hauptverstärkers und die der letzten Stufe des Hilfsverstärkers
bzw. — bei Ausbildung des Hilfsverstärkers mit nur einer Stufe — deren Ausgangsspannung
werden in dem Belastungskreis addiert. Die Verstärkung des Hilfsverstärkers ist nun so gewählt,
daß die im Ausgang des Hilfsverstärkers auftretenden Verzerrungskomponenten der Größe nach im wesentlichen
gleich, in der Phase dagegen entgegengesetzt den restlichen Verzerrungskomponenten sind, welche
im Ausgang des Hauptverstärkers auftreten. Die Signalkomponenten in den Ausgängen des Hauptverstärkers
und des Hilfsverstärkers vereinigen sich jedoch in der Belastung in gleicher Phase. Die resultierende
äußere Verstärkung eines der Erfindung entsprechenden Verstärkers bleibt demgemäß die
gleiche wie diejenige des üblichen Gegenkopplungsverstärkers, wobei aber die im Belastungskreis
auftretende Verzerrung weitgehend herabgesetzt ist. Typische Schaltungen zur Anwendung der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Fig. i, 2 und 3 sind Blockschaltbilder, welche die Erfindung im Prinzip zeigen;
Fig. 4 ist das schematische Schaltbild einer Art von erfindungsgemäßem Verstärker;
Fig. 4 ist das schematische Schaltbild einer Art von erfindungsgemäßem Verstärker;
Fig. 5 ist ein ähnliches Schaltbild einer anderen Art von Verstärker, bei dem die Erfindung zur
Anwendung kommt.
(,W1 μ2 + μ1 μ3) e0
Die Schaltung gemäß Fig. ι ist in üblicher Weise aufgebaut mit Ausnahme des Hilfsverstärkers io und
der Art seiner Ankopplung an den Ausgangs- bzw. Belastungskreis 11 und an den Kreis 12 zwischen den
Stufen. Der Hilfsverstärker 10 erhält die Schwingungen aus den Stufen, in denen die Verzerrungskomponenten
infolge der Rückkopplungswirkung im Haupt-Verstärker verhältnismäßig groß sind, verstärkt diese
Schwingungen, kehrt ihre Phase in gleicher Weise um wie die Ausgangsstufe 13 und drückt sie der Leitung 11
in solcher Weise auf, daß sie zu den gewünschten Schwingungen bzw. dem Ausgangssignal beitragen,
aber die unerwünschten Schwingungen bzw. die Verzerrung in der Leitung 11 verringern. Dabei ist die
Ausgangskopplung so durchgeführt, daß kein Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers 10 an der Impedanz
β erscheint. Die Generatoren ex und ev stellen
die mit μ2 und μ,χ verbundenen Rausch- oder Verzerrungsquellen
dar.
Der Verstärker 13 liefert ein verstärktes Abbild des
Signals e2 zwischen den Stufen an den Ausgangskreis.
Die Forderung für den Abgleich, d. h. der Wert von μ3, der verhindert, daß ex und ey in es + e4 erscheinen,
ist leicht abgeleitet.
Es ergibt sich
62 = G1 μ1 -ρ 6y , (2J
P — Il P (i\
e3 — FZ e2 · \ol
ei = μ2 e2 + e„.
Aus (1) bis (4) läßt sich ableiten
&
=
fhfh e +
4 τ—μ1μ2β ° τ—μ1μ2β
(4)
(5)
e , Fs e , Fi Muß e
° τμμβ ν ϊβ "
τ.-μιμζβ
(6)
Hieraus ergibt sich die kombinierte Ausgangsspannung
μ3) ey + (ι + μχ μ3 β) ex
Wenn
μιβ
(8)
ist, verschwindet der Ausdruck Gx, und bei Vernachlässigung
von ev wird die Ausgangsspannung
es
Unter dieser Bedingung wird also durch den Hilfsverstärker die ursprüngliche äußere Verstärkung
des Rückkopplungsverstärkers nicht wahrnehmbar gestört.
In der Praxis ist es erwünscht, Abgleichabweichungen infolge Verstärkungsänderungen von Röhren zu
(7)
vermeiden. Zum Beispiel" braucht, wenn μχ als
Veränderliche eliminiert wird — d. h. μ1 = ι — der
Kreis μ3 nur gegen das passive Netzwerk β abgeglichen
zu werden. Weiter könnte der Kreis μ3, da die äußere
Verstärkung eines Rückkopplungsverstärkers sehr
nahe bei ~ liegt, durch einen Verstärker gebildet sein,
der gleich dem Hauptverstärker ist, und dabei ein Abgleich erreicht werden, der unempfindlich gegen
Röhrenänderungen ist.
Eine solche vereinfachte Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Hauptverstärker ist mit ^1 bezeichnet
und der Hilfsverstärker mit A2. Die Kathodenrückkopplungsanordnung
gestattet, daß der Eingang von A2 zwischen Gitter und Kathode der ersten Röhre des
Hauptverstärkers A1 geschaltet wird. Da A2 die
gleiche Kathodenrückkopplungsimpedanz Z β hat, liefert er eine Ausgangsspannung, deren Pegel für
Signale des Eingangstransformators um den Betrag der Gegenkopplung niedriger ist, und daher stört sein
Vorhandensein die Arbeitsweise von A1, abgesehen
von den hinzugefügten Röhrenkapazitäten, nicht merkbar. Pentodenausgangsstufen mit großem Anodenwiderstand
verhindern eine Wechselwirkung zwischen den kombinierten Ausgängen, während der abgeglichene
Ausgangstransformator die Verstärker in richtigem Sinne kombiniert.
Diese Anordnung liefert zusätzlich 3 Dezibel an Ausgangsleistung, doch ist der Rauschpegel wegen
der aufhebenden Wirkung nicht erhöht. Die Verbesserung wird auf Kosten eines zugefügten zweiten
Verstärkerkreises erreicht. Sollte überdies A1 ausfallen,
übernimmt der Verstärker A 2 den Kreis mit im wesentlichen derselben Verstärkung, aber mit der
Modulationswirkungsweise des einfachen Gegenkopplungsverstärkers.
Interessant ist die Wirkung des Hilfskreises auch auf das »Anfangsstufen«-Rauschen. Gemäß Fig. 3, bei
der an den Eingängen der beiden Verstärker zwei Rauschquellen enl und e„2 vorhanden sind, ergibt sich
ei — eo ~t~ P e2 τ eni>
\iJ-)
e2 = μ elt
(12)
1 + *» J - (13)
= —γ ieo
Durch Eliminieren von % erhält man
e, =
(r4)
e- =
So entsteht durch Addition von e2 und es eine
Ausgangsspannung, bei der
2+3~ β ° β
Somit ist das aus dem Eingang des Hauptver* stärkers herrührende Rauschen beseitigt. Übrigbleibt
nur noch das Rauschen des Hilfsverstärkers. Da aber der Hilfsverstärker im Vergleich zum Hauptverstärker
mit geringerer Verstärkung arbeitet, ,wird praktisch die Rauschzahl verringert.
Bei jeder der Fig. 1, 2 und 3 werden z. B. die Ausgänge der Haupt- und Hilfsverstärker über
Ausgleichstransformatoren mit der Belastung· gekop-
pelt, um ein unerwünschtes Übergehen von Schwingungen vom Ausgang des Hilfsverstärkers zum
/?-Kreis des Hauptverstärkers zu vermeiden.
Die Eingangsspannung der Hilfsröhre kann an irgendeinem Punkt des ,«-Kreises vor der Leistungsstufe
abgenommen werden. Wenn die Spannung am Eingang der ersten Stufe eines mehrstufigen Verstärkers
abgenommen wird, muß eine höhere Verstärkung im Kompensaiions- oder Hilfskreis angewendet
werden. Ein Vorteil, der sich bei der Abnahme der Hilfskreisspannung vor der ersten Stufe ergibt,
besteht darin, daß die Stabilität des gesamten Verstärkers durch den Hilfskreis verbessert wird. Wenn die
in der Leistungsstufe entstehende Verzerrung die Hauptstörungsquelle bildet, sollte die Spannung für
die Hilfsröhre unmittelbar vor der Leistungsstufe abgenommen werden.
Fig. 4 zeigt einen zweistufigen Verstärker mit negativer Rückkopplung von der Anode der zweiten
Stufe zur Kathode der ersten Stufe. Der Hauptverstärker besteht aus den Röhren 20 und 21, die als
Pentoden dargestellt sind, mit der Eingangskopplung 25, der Ausgangskopplung 26 und der Kopplung
zwischen beiden Stufen aus den ParaUelimpedanzen 28 und 29 sowie dem Reihenkopplungskondensator 30.
Die Gegenkopplung geht über einen Kondensator 23 zur ungeerdeten Klemme des Widerstands 24, der in
diesem Falle die /J-Impedanz ist, während das Gitter
der ersten Stufe zur Erde geführt ist. Der Hilfsverstärker besteht aus der Pentode 22, deren Gitter
an das Gitter der Röhre 21 und deren Anode an die Anode der Röhre 21 angeschlossen ist. Ihre Kathode
ist mit der Kathode der Röhre 20 verbunden.
Die. Röhre 20 arbeitet gewissermaßen auf eine äußere Impedanz 27, die aus Wirk- oder Blindimpedanz
oder aus einer Kombination von Wirk- und Blindimpedanzen bestehen kann, je nachdem was
notwendig ist, um dem Verstärker als Ganzem eine gewünschte Charakteristik zu verleihen. Die an der
Impedanz 27 entstehende Spannung wird einerseits an die Eingangsklemmen der Röhre 22 angelegt,
andererseits, ergänzt durch die Spannung am Gegenkopplungswiderstand 24, an den Eingang der Röhre 21.
Der Ausgangskreis der Röhre 21 enthält den Kondensator
23 und den Widerstand 24. Der Ausgangskreis der Röhre 22 enthält den Kondensator 23, jedoch
nicht den Gegenkopplungswiderstand 24. Beim Betrieb der Schaltung der Fig. 4 können die Endkopplungen 25
und 26 zu Breitbandübertragungseinrichtungen, wie Koaxialkabeln, geführt werden, bei denen Bandbreiten
von einigen Megahertz verwendet werden.
Die negative Rückkopplung wird mit einem solchen Betrag vorgesehen, daß die Verstärkung im ganzen
Band nahezu gleich dem reziproken Wert des Rückkopplungsverhältnisses ist. Mit Hilfe der Gegenkopplung
wird somit ein hoher Grad von Linearität und Stabilität erreicht. Eine weitere Verbesserung
der Linearität und der Stabilität wird durch Verwendung des erfindungsgemäßen Hilfsverstärkers 22
in der bereits in Zusammenhang mit den Fig. 1, 2 · und 3 beschriebenen Weise erzielt. Schwingungen an
einem Punkt zwischen den Stufen, die Veränderliche, wie Verzerrungen, Rauschen und Instabilitätseffekte,
enthalten, welche im Endausgang durch die negative Rückkopplung verringert sind, werden an das Gitter
der Hilfsröhre 22 angelegt, deren Ausgangselektrode effektiv an die Ausgangskopplung 26 angeschlossen
ist. Da in der Röhre 22 die gleiche Phasenumkehr der Schwingungen auftritt, findet in der Kopplung 26
eine teilweise Aufhebung der Verzerrungen, des Rauschens und der Instabilitätsveränderlichen statt,
die trotz der Gegenkopplungswirkung im Haupt-
verstärker übrigbleiben. Somit ist eine beträchtliche Verbesserung des Pegels der Störenergie im Ausgangskreis
erzielt.
Es sei bemerkt, daß der Hilfsverstärker 22 tatsächlieh
nicht parallel zur Stufe 21 geschaltet ist; die Röhre 21 enthält nämlich die Gegenkopplungsimpedanz
24 in ihrem Anodenkreis, dagegen Röhre 22 nicht. Die Röhre 22 nimmt daher an der Gegenkopplung
des Hauptverstärkers nicht teil, sondern
ergänzt vielmehr die Gegenkopplung durch eine weitere Verbesserung der Arbeitsweise des Hauptverstärkers.
In Fig. 5 besteht der Hauptverstärker aus den Röhren 20 und 21, während die Hilfsröhre mit 22
dargestellt ist, wobei die Anordnung im allgemeinen derjenigen nach Fig. 4 analog ist. Die Gegenkopplungsimpedanz Z1 Hegt im Ausgangskreis der Röhre 21,
und der Eingangskreis der Röhre 20 ist so eingerichtet, daß eine negative Rückkopplung der Ausgangsschwingungen
von der Röhre 21 zum Gitter der Röhre 20 stattfindet. Der Gegenkopplungsweg führt
von der Anode der Röhre 21 über den Ausgangskopplungskondensator 38, die an die Ausgangsleiter 34
angeschlossene (nicht dargestellte) Belastungsimpe-
danz, Erde und Z1 zur Kathode der Röhre 21. Die
an der Impedanz Z1 entstehende Gegenkopplungsspannung wird zwischen der Kathode der Röhre 20,
die über den ÜberbrückungsKondensator geerdet ist, und dem Gitter in solchem Sinne angelegt, daß die
Verstärkung des zweistufigen Verstärkers verringert wird. Die Anodenkopplungsimpedanz Z2 zwischen
beiden Stufen kann, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde, ein Wirkwiderstand oder
ein Blindwiderstand oder beides sein. Die an Z2 entstehende Spannung zwischen Erde und Anode der
Röhre 20 wird an das Gitter der Röhre 21 und auch an das Gitter der Röhre 22 gelegt. Die Rückführung
zur Erde geht über die Impedanz Z1 zur Kathode der Röhre 21 und über eine Impedanz Z3 zur Kathode der
Röhre 22. Diese Impedanz Z3 ergibt eine negative Rückkopplung zwischen Anoden- und Gitterkreis der
Röhre 22, um diese Röhre zu linearisieren. Die Anoden der Röhren 21 und 22 sind unmittelbar miteinander
verbunden. Die Impedanz Z1 liegt im Gegenkopplungskreis
des Hauptverstärkers, nicht aber in einem etwaigen Rückkopplungskreis der Röhre 22. Daher
nimmt die Hilfsröhre 22 wie bei den vorher beschriebenen Ausführungen nicht an der Gegenkopplung des
Hauptverstärkers teil, sondern ergänzt die Gegenkopplung durch einen weiteren Beitrag zur Verbesserung
der Arbeitsweise des Hauptverstärkers.
Die Erfindung kann schaltungsmäßig vielfach verändert werden, wobei die Prinzipien angewendet
und die Vorteile der Erfindung erreicht werden, so daß die hier offenbarten Ausführungen nur als
Beispiele aufzufassen sind.
Claims (2)
1. Mehrstufiger Signalverstärker mit einem Gegenkopplungsweg vom Ausgangs- auf den
Eingangskreis, derart, daß der Verzerrungspegel im Ausgangskreis herabgesetzt wird, und einer an
den Ausgang angekoppelten Belastung, gekennzeichnet durch einen Hilfsverstärker, dessen
Eingang an den Signalverstärker vor derjenigen Stufe angekoppelt ist, in welcher hauptsächlich
Verzerrung auftritt, dessen Ausgang ohne Kopplung zum Gegenkopplungsweg in Phase mit dem
Ausgang des Signalverstärkers an die Belastung angekoppelt ist, dessen Verstärkung im wesentliehen
gleich dem negativen Reziprokwert des Produkts aus dem Rückkopplungsfaktor des Gegenkopplungsweges und der Verstärkung des
Signalverstärkerteiles vor dem Abzweig zum Hilfsverstärker ist und dessen Phasenwinkel derart
bemessen ist und ein solches Vorzeichen hat, daß die Verzerrungen des Signalverstärkers in der
Belastung weitgehend eliminiert sind (Fig. 1).
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stufe des Signalverstärkers, vor der der Hilfsverstärker angekoppelt ist, aus einer
Elektronenröhre und der Hilfsverstärker ebenfalls aus einer Elektronenröhre besteht, die zumindest
die Elemente einer Triode aufweisen, während ihre Steuergitter sowie ihre Anoden miteinander verbunden
sind, und daß ein Weg für die Signalschwingungen von der gemeinsamen Anodenverbindung
über die Belastungskopplung zur Kathode der Hilfsverstärkerröhre und über die Gegenkopplungsverbindung zur Kathode der Endröhre
des Signalverstärkers führt (Fig. 4, 5).
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 826758;
USA.-Patentschrift Nr. 2 226 945 (Fig. 8);
britische Patentschrift Nr. 536 616;
französische Patentschriften Nr. 909 493 (Fig. 1), 634.
Deutsche Patentschrift Nr. 826758;
USA.-Patentschrift Nr. 2 226 945 (Fig. 8);
britische Patentschrift Nr. 536 616;
französische Patentschriften Nr. 909 493 (Fig. 1), 634.
Hierzu ι Blatt Zeichnungen
© 609 709/286 11.56 (709 514/197 5.57)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US311580A US2751442A (en) | 1952-09-26 | 1952-09-26 | Distortionless feedback amplifier |
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ID=23207535
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