DE963790C - Signalverstaerker mit Gegenkopplung zur Verminderung von Verzerrungen - Google Patents

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

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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. 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 e_x und e_v 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 e_x und e_y in e_s + e₄ erscheinen, ist leicht abgeleitet.

Es ergibt sich

6₂ = G₁ μ₁ -ρ 6y , (2J

P — Il P (i\

^e3 — FZ ^e2 · \ol

e_i = 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 ° τ_μμβ ^ν ϊβ "

τ.-_μιμ_ζβ

(6)

Hieraus ergibt sich die kombinierte Ausgangsspannung

μ₃) e_y + (ι + μ_χ μ₃ β) e_x

Wenn

μιβ

(8)

ist, verschwindet der Ausdruck G_x, und bei Vernachlässigung von e_v 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 μ_χ 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 e_nl und e„₂ vorhanden sind, ergibt sich

^ei — ^eo ~t~ P ^e2 τ ^eni> \^iJ-)

e₂ = μ e_lt (12)

1 + *» J - (13)

= —γ i^eo

Durch Eliminieren von % erhält man

e, =

(^r4)

e- =

So entsteht durch Addition von e₂ und e_s 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)

PATENTANSPRÜCHE:

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.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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