Dispositif électrique comprenant un amplificateur. La présente invention concerne un dis positif électrique et, notamment, un dispo sitif permettant la. réalisation d'appareils qui amplifient surtout soit une seule fréquence, soit plusieurs fréquences ainsi que d'appa reils qui amplifient d'une manière presque uniforme une bande de fréquences, et qui font, autant que possible, usage de résis tances et de capacités plutôt que d'indue tances.
Suivant l'invention, ce dispositif com prend un amplificateur pourvu d'au moins un élément de circuit de contre-réaction et d'au moins un élément de circuit de réaction, lesdits éléments produisant ensemble une re lation de phase et amplitude déterminée entre le signal d'entrée et le signal de sortie de l'amplificate=ur, de sorte qu'à. la sortie au moins une fréquence déterminée ou une bande de fréquences déterminée se trouve amplifiée.
De tels amplificateurs peuvent être uti lisés avec avantage soit dans des dispositifs de mesure ou de signalisation ou dans des installations de télécommunication à courants porteurs.
L'invention sera mieux comprise en se rapportant à la description suivante de cer tains exemples de réalisation représentés dans le dessin annexé, dans lequel les fig. 1 à 10 se rapportent à des amplificateurs sé lectifs et les fig. 11 à 26 à des dispositifs et amplificateurs passe-bande.
Pour obtenir un amplificateur sélectif, on peut utiliser en principe un amplificateur à contre-réaction, la valeur de cette dernière étant minimum pour la ou les fréquences à. amplifier. Donc, en se référant à la formule bien connue
EMI0001.0011
où C indique l'amplification résultante, l'amplification sans contre-réaction et B la transmission (affaiblissement ou amplifica tion) du circuit de contre-réaction, on obtient la forme voulue pour C en agissant sur B.
Si le circuit de réaction est constitué de ma nière à avoir un affaiblissement infini pour les fréquences que l'on désire amplifier, on pourra, à l'aide d'amplificateurs supplémen taires, placés- dans le circuit de réaction, di minuer beaucoup cet affaiblissement ou même obtenir une amplification pour les fréquences non désirées et dans les deux cas obtenir ainsi une forte contre-réaction, donc une ré duction très grande de l'amplification C.
Nous considérons d'abord des amplifica teurs sélectifs- pour une seule fréquence. Le circuit de réaction peut être constitué par une chaîne dont chaque cellule est composée d'une résistance et d'un condensateur et qui a pour but de produire un déphasage qui sera d'environ 180 pour la fréquence que l'on désire amplifier. La tension produite par cette chaîne, connectée à la sortie de l'amplificateur, est appliquée à l'entrée pour produire une réaction positive. Mais cette, tension est équilibrée en partie ou entière ment par une tension produisant une contre- réaction et qui est indépendante de la fré quence.
Les deux réactions sont choisies de manière que l'on obtienne pour la fréquence privilégiée le maximum d'amplification, pou vant dépasser l'amplification normale.
Une des manières les plus simples de réali ser un amplificateur sélectif de ce type est montrée par la fig. 1. L'amplificateur pro prement dit comprend une lampe Y, une ré sistance R, qui fournit la tension à l'anode et un condensateur de séparation Ci.
Aux bornes de sortie X et Y est connectée une c 'haî ine composée de résistances R et de con- i densateurs C. Ces résistances et condensa teurs peuvent avoir la même valeur ou non, et sont calculés de manière à obtenir un dé phasage de près de l80 pour la fréquence à amplifier.
La tension produite par cette chaîne est appliquée à la grille de la lampe et produit ainsi une réaction qui sera positive et à peu près en phase avec la tension appli quée à l'amplificateur. Cette tension de ré action est neutralisée par une tension de i contre-réaction, produite par la résistance R',.
Si nous désignons par A l'amplification normale de la lampe,<I>par D</I> (nombre com plexe) l'affaiblissement de la chaîne et par E l'affaiblissement correspondant à la ten sion de contre-réaetion (et qui sera égal à
EMI0002.0028
nous- aurons pour l'amplification résultante la formule
EMI0002.0030
On peut choisir D et E de manière que pour une fréquence donnée le produit<I>A</I> (D-E) ait une valeur maximum (inférieure à 1)
et que l'amplification résultante soit donc maxi- mum et ait une valeur inférieure, égale ou supérieure à A.
Pour toutes les autres fréquences, le dé phasage produit par la chaîne est tel que la valeur de<I>1-A</I> (D=E) est plus grande. On obtient ainsi une courbe d'amplification qui a la forme A de la fig. 2.
Si l'on intervertit la. position des résis tances et des condensateurs dans la chaîne, on obtient une courbe de la forme B.
On peut obtenir une forme symétrique pour la. courbe d'amplification en utilisant les deux types de chaîne à la fois, soit avec une seule lampe, ,soit avec deux lampes. La fig. 3 montre le principe d'un tel amplifi cateur (dans le cas d'une seule lampe). Les tensions fournies par les chaînes pourraient aussi être appliquées à deux grilles séparées de la même lampe.
Il est entendu que (de même que dans les circuits décrits plus loin), l'amplificateur pourrait comprendre plusieurs lampes (triodes, pentodes, etc.) et que les tensions de réaction pourraient être appliquées à l'entrée d'une manière différente, par exemple â. l'aide d'un transformateur ou d'un pont.
Le circuit de réaction peut aussi être constitué par un pont (ou plusieurs ponts) dont au moins deux bras sont composés de résistances et de capacités. Ce pont est con- neoté à la sortie de l'amplificateur et la ten sion entre les deux autres points de jonction du pont est renvoyée à l'entrée de l'amplifi cateur. Les éléments qui se trouvent dans les quatre bras du pont sont calculés! de manière à produire une amplification maximum pour la fréquence privilégiée.
Il s'agit encore dans ce cas d'un certain équilibre entre des ten sions de réaction positive et de contre- réaction.
Une des manières les plus simples de réali ser un amplificateur sélectif suivant ce prin cipe est montrée par la fig. 4. L'amplificateur proprement dit comprend les deux lampes P et V'. Le pont de réaction est composé des quatre bras suivants:
<I>CR,</I> C1RI, <I>r</I> et<I>r,.</I> Ce pont est connecté, d'une part, à la sortie de l'amplificateur, d'autre part, les points de jonction ïtl et<I>N</I> sont connectés respective ment à. la grille et à la cathode de la lampe TT. Si l'amplification normale de l'amplifi cateur est représentée par A, l'affaiblissement des bras CR et C,R, par<I>D</I> et l'affaiblisse- lient des bras r et ri par E, on aura pour l'amplification résultante:
EMI0003.0004
cït _q, D et E sont (d'une manière générale) elles nombres complexes. Comme
EMI0003.0009
en peut aussi écrire
EMI0003.0011
Pour la fréquence privilégiée, on peut faire
EMI0003.0012
ou donner à cette réaction résultante une va- Icur différente de 0, telle que
EMI0003.0015
ait une valeur inférieure ou supérieure à l.. Ceci revient à produire, en plus de la réaction sélective, une réaction non sélective positive ou négative.
Pour obtenir le maximum de variation avec la<B>,</B> fréquence, la variation de
EMI0003.0017
devra. être aussi grande que possible. Ceci est réalisé lorsqu'on a Z = Z, pour la fré quence privilégiée et que le déphasage est le même pour les deux bras Z et Z, Pour que la variation de l'amplification en fonction de la fréquence soit encore plus grande, c'est-à-dire pour augmenter la, sélec tivité, on peut remplacer r par une combinai son semblable à celle du bras Z, et ri par une combinaison semblable à celle de Z.
Pour certaines applications, il est néces saire de varier la fréquence privilégiée. On peut le faire en variant soit la valeur des résistances B et R,, soit celle des conden sateurs. C et Ci, soit les deux à la fois. Il peut être utile dans un cas pareil de prendre P = r, et C --. Ci. Les résistances peuvent. par exemple, être changées par décades et les condensateurs graduellement de manière à obtenir une gamme de fréquences continue. On aura
EMI0003.0027
Dans certains cas, il peut être intéressant de changer la sélectivité, tout en conservait la même amplification pour la fréquence pri vilégiée.
Il-suffit, pour atteindre ce but, de faire varier la, tension de réaction. On peut alors connecter entre les points<I>M et N</I> de la fig. 4 un potentiomètre dont le contact mobile est relié à la grille de la première lampe, Comme montré par la fig, 5, l'entrée est connectée à une deuxième grille. La fig. 6 montre une autre solution, dans laquelle on fait usage d'un transformateur. On pourrait aussi employer un autre mode de-couplage, par exemple un deuxième pont à l'entrée de l'amplificateur. L'amplificateur propre ment dit peut du reste être stabilisé à l'aide d'une contre-réaction indépendante de la fré quence, ou variant suivant une loi déterminée différente de celle du circuit sélectif.
On peut aussi faire usage d'un amplifica teur supplémentaire dans le circuit de réaction. Dans le cas où l'amplification maximum dépasse l'amplification normale A, il faudra c 'han, ger pour chaque fréquence .les valeurs des éléments du pont,
de manière à obtenir une valeur constante pour cette amplification maximiun. 'Une solution plus simple est in diquée par le schéma de principe da la fig, 7. Pour faire varier la sélectivité, on déplace alors les points<I>M et N</I> de manière, à ce que la différence entre les affaiblissements D et E des deux côtés du pont reste égale pour toutes les positions.
Les dispositifs utilisant un ou plusieurs ponts, peuvent être généralisés, comme mon tré par la fig. 8. L'amplificateur AP est con necté à une chaîne, qui peut être constituée soit par une série de ponts, soit (comme montre la figure) par une série de ponts et d'amplificateurs auxiliaires. Les ponts B, et B= peuvent évidemment être constitués diffé- remment, par exemple, avoir dans deux bras des résistances seulement.
Si B, Bz... sont les affaiblissements produits par les ponts et Al, AZ... les amplifications des amplifica teurs et T l'affaiblissement ou le gain dû à la connexion du circuit de réaction à l'ampli ficateur, nous aurons pour l'amplification ré sultante:
EMI0004.0010
On pourra ainsi obtenir une sélectivité aussi grande que désirée.
Tous les amplificateurs peuvent être sta bilisés par contre-réaction et l'ensemble peut donc être d'une stabilité très grande. En gé néral, pour tous les cas précédents, les élé ments peuvent être très stables. Ainsi, pour les condensateurs peut-on connecter en pa rallèle deux éléments ayant un coefficient de température de signe opposé. On peut aussi choisir les condensateurs de manière à avoir un coefficient de température opposé à celui des résistances. -L'ensemble peut être placé dans un thermostat.
Dans ce qui précède, on ne s'est référé qu'à des amplificateurs sélectifs pour une seule fréquence. II peut être utile de cons truire des amplificateurs pour deux ou plu sieurs fréquences.
Pour obtenir ce résultat, on peut suivre les connexions de la fig. 8, mais ajuster chaque pont pour une fréquence différente. La contre-réaction pourra alors être repré sentée par la courbe I de la fig. 9 et l'am plification résultants par la courbe II de cette figure.
On obtient ainsi un amplifica teur multi-sélectif pour n fréquences et il suffirait de diminuer la contre-réaction (d'une manière uniforme pour toutes les fré quences) pour obtenir un multi-oscillateur pour n fréquences. Ces fréquences peuvent être aussi rapprochées ou éloignées que l'on veut et, dans le cas de l'oscillateur, on peut les séparer à la sortie à l'aide de circuits accordés ou de filtres.
On peut, dans ce cas, aussi utiliser des demi-ponts, dont deux branches sont consti- tuées par une résistance, comme dans le cas des fig. 4 et 5 et combiner ces résistances avec l'amplificateur proprement dit.
Comme il suffit de réduire la contre- réaction à un degré suffisant pour obtenir un oscillateur avec n'importe lequel des dispo- sitifs décrits pour l'amplificateur sélectif, on comprend que les particularités décrites en relation avec l'amplificateur sélectif s'appli quent également à l'oscillateur. En prévoyant un amplificateur auxiliaire dans le circuit de contre-réaction,
on peut augmenter consi dérablement la contre-réaction pour toutes les fréquences excepté celles pour lesquelles le dispositif oscille. En plus de la contre- réaction sélective, on peut prévoir une contre- réaction indépendante de la fréquence ou variant suivant une autre loi que la contre- réaction sélective.
Comme pour l'amplifica teur sélectif, on peut obtenir une variation de la sélectivité en changeant la tension de contre-réaction. La tension de contre-réaction peut être obtenue à l'aide de chaînes ou de ponts. Ces chaînes et ces ponts sont consti tués de préférence par des résistances et des condensateurs. On peut également prévoir un amplificateur auxiliaire dans le circuit de contre-réaction pour compenser les affaiblis sements introduits par les ponts et pour aug menter la sélectivité.
La fig. 10 donne un exemple d'un am plificateur (ou oscillateur) à deux fréquences. Ce circuit est analogue à celui ele la fig. 4, mais au lieu de connecter le pont de réaction montré sur cette dernière figure directement au circuit de sortie de la lampe V', on a intercalé un deuxième pont. On peut, de cette manière, produire en même temps des oscil lations aux deux fréquences de ,résonance" de ces deux ponts-. L'entrée pourrait être con nectée à une deuxième grille, comme dans la fig. 5.
Pour obtenir une grande sélectivité, il faut une grande amplification. Si l'on ne désire pas dépasser une certaine valeur d'am plification pour l'appareil dans son ensemble, on peut placer des amplificateurs auxiliaires dans le circuit de réaction, comme déjà mon tré par la fig. $, Ceci sera d'autant plus nécessaire dans le cas de plusieurs fréquences (iii ii7 pont calculé pour une des fréquences cause un affaiblissement non désiré pour les autre.
Dans le cas d'amplificateurs dont le cir cuit de réaction comprend un ou plusieurs mplificateurs, plusieurs ponts ou autres élé- inents, on peut aussi appliquer le réglage de sélectivité indiqué ci-dessus (fig. 5 à 7) pour des cas plus simples. Ce réglage pourra. être commun pour toutes les fréquences ou indi viduel pour chaque fréquence.
Pour obtenir un dispositif passe-bande. on utilise en principe un amplificateur à eontre-réaction, la valeur de cette dernière étant minimum dans la bande de fréquences à amplifier. Il est bien connu que la caracté- r,stique de transmission du circuit de réac tion détermine la caractéristique d'amplifica tion.
Dans le cas présent, le circuit de ré etion devra. donc avoir un affaiblissement très grand et uniforme dans toute la bande des fréquences et, si l'on veut une coupure brusque, il faudra d'une manière générale que le circuit de réaction aussi présente une telle coupure brusque. On peut obtenir ce réultat en plaçant. dans ce circuit de réaction un filtre à élimination de bande d'un des types connus, mais il faudrait alors un grand nombre de bobines et de condensateurs pour obtenir une caractéristique relativement rec tangulaire.
LTn des buts de la présente in vention est de simplifier ce filtre ou d'uti liser autant que possible des résistances et des condensateurs. Il se peut alors que l'am plificateur passe-bande avec son filtre sim plifié ou son filtre comprenant des résis tances puisse remplacer avantageusement un filtre passe-bande d'un des types connus.
L'idée directrice pour arriver à un tel résultat est de construire un circuit de ré- actioii qui a un affaiblissement infini pour un certain nombre de fréquences de la. bande et un affaiblissement encore très grand pour ies autres fréquences de la bande. On peut alors amplifier énormément le courant pas sant par un tel circuit tout en gardant une contre-réaction très faible dans la bande. Par contre, cette amplification très grande pro duit une forte contre-réaction hors de la bande, donc une faible amplification résul tante.
On peut ainsi, à l'aide d'un filtre à élimination de bande ne présentant pas- de coupure brusque, obtenir une caractéristique d'amplification à coupure très brusque. Au trement dit, on simplifie la construction du filtre et l'on peut aussi se servir de résis- uznces pour constituer ce filtre.
Un circuit de réaction présentant des affaiblissements infinis peut être réalisé de , diverses manières, le principe étant toujours d'obtenir dans un circuit une tension nulle entre deux points pour une certaine fré quence. Un exemple est donné par des ponts (c'est-à-dire des filtres en treillis). Les bran- f ches peuvent comprendre des bobines de self, des condensateurs et des résistances. Dans d'autres cas on produit, à l'aide de deux cir cuits non connectés sous forme de pont, des tensions égales et opposées.
La présente description donne comme exemple, à l'exclusion des filtres habituels, un certain nombre de solutions de tels cir cuits de réaction.
Le genre de pont représenté par la. fig. 11 ; peut rendre certains services. Nous l'appele- rons dans la suite "pont BC". Il permet de réaliser, comme mentionné ci-dessus, un am plificateur sélectif pour une seule fréquence, ou en connectant plusieurs ponts en série, un E amplificateur sélectif pour plusieurs fré quences. Il est plus difficile de réaliser un bon circuit de réaction pour amplificateur passe-bande, car pour que la bande ait quel que largeur, il faut plusieurs ponts en série, E demandant une amplification totale énorme.
On peut aussi faire usage d'un certain nom bre de ponts<B>BC</B> et de circuits oscillants sim ples, ainsi que le montre la fig. 12. L'affai blissement de transition obtenu à la jonction s des divers éléments contribue à obtenir la ca ractéristique finale voulue. Les fréquences de résonance peuvent être choisies comme mon tré par la fig. 13.
On peut aussi, à l'aide de un, deux ou E plusieurs de ces ponts, améliorer les carac- téristiques d'un filtra à élimination de bande FEB qui ne présente pas une variation assez brusque à ses bords. Un exemple d'une telle combinaison est montré par la fig. 14.
D'autre part, on peut faire remarquer que ce genre de pont présente certaines caracté ristiques d'un circuit oscillant composé d'une inductance en parallèle avec une capacité. Dans les filtres classiques on pourra donc, dans une certaine mesure, remplacer un tel circuit oscillant par un pont<B>BC.</B> Ceci sera mieux compris en se référant aux fig. 15 et 16. La première montre que le pont BC in diqué à la droite de cette figure d'une ma nière schématique est semblable, sous certains rapports, à un quadripole composé de deux circuits oscillants montré à la partie gauche de la, figure.
La fig. 16 montre qu'un filtre en treillis d'une des formes classiques est semblable à deux ponts<B>BC.</B>
Un des types dQ filtres à élimination de bande peut ainsi être exécuté suivant la fig. 17. On pourra y ajouter, ainsi qu'il a été dit ci-dessus, deux autres ponts <B>BC,</B> qui produiront une coupure plus brusque aux bords de la bande. La fig. 18 montre un autre exemple.
Il est entendu que l'on n'ob tient plus l'effet habituel des déphasages de filtres non dissipatifs. Dans les divers circuits mentionnés, ci- dessus, on peut réduire le nombre d'éléments en utilisant des demi-ponts (deux branches étant constituées par des résistances, comme déjà montré dans le cas des fig. 4, 5, 6 et 10). La tension de sortie d'un tel demi-pont n'est que la moitié de celle d'un pont com plet.
En effet, dans un pont complet, comme montré par la fig. 11, les vecteurs repré sentant les différences de potentiel des quatre bras forment un parallélogramme, dont la grande diagonale représente la tension d'en trée au pont et la petite diagonale la tension de sortie. Dans le cas du demi-pont, les quatre vecteurs forment un triangle déter miné par deux côtés du parallélogramme et sa grande diagonale. La tension de sortie est alors la médiane de ce triangle qui corres- pond à la moitié de la petite diagonale.
Ce qui précède veut dire aussi que l'affaiblisse ment en tension d'un tel pont est doublé et que, pour obtenir le même effet dans un cir cuit, l'amplification de tension devra être le double de l'amplification nécessaire dans le cas d'un pont complet.
Pour obtenir une coupure brusque, il fau dra prévoir une amplification très élevée. Ainsi, dans le cas où l'amplificateur est prévu pour donner un gain maximum de 60 db, il peut être nécessaire d'inclure dans le circuit de réaction un ou plusieurs ampli ficateurs auxiliaires donnant encore par exemple 120 db. Le schéma de principe d'un tel amplificateur passe-bande est montré par la fig. 19, dans laquelle AP représente l'am- plificateur principal,
AA l'amplificateur auxiliaire et FEB un filtre à élimination de bande.
La nécessité de cette grande amplifica tion peut constituer une objection sérieuse contre l'usage d'un tel appareil. Cette objec tion est éliminée dans le cas où l'on a be soin de plusieurs bandes de fréquences comme dans les systèmes à courants porteurs. En effet, on peut employer alors ces amplifica teurs pour plusieurs bandes de fréquences, de manière que le nombre de lampes par bande devient relativement faible. La fig. 20 montre le circuit de principe. Le circuit de réaction est composé d'une série de filtres à élimination de bande du type à bobines ou d'un des types décrits plus haut et d'une série d'amplificateurs.
Ce circuit de réaction donne une caractéristique de la forme indi quée par la courbe I de la fig. 21 et il en résulte une caractéristique d'amplification montrée par la courbe II. Il est vrai que chaque élément de filtre cause un affaiblisse ment indésiré aux autres éléments, et que l'amplification totale devra donc être aug mentée, mais il reste que le gain total né cessaire sera beaucoup inférieur au gain total dans le cas d'appareils séparés. On peut ainsi obtenir avec trois ou quatre lampes par bande une très bonne caractéristique d'ampli fication.
Des exemples de l'usage des' ponts BC et de filtres de types connus à faible dissipa tion dans le cas de bandes multiples sont don nés par les fig. 22 et 24. Les fig. 23 et<B>25</B> montrent en traits pleins la caractéristique (l'amplification (ou d'affaiblissement) obte nue par les circuits<B>BC.</B> Des filtres à élimi- nation de bande, ayant une caractéristique montrée en- pointillé contribuent à obtenir la. caractéristique finale désirée. Les filtres à.
élimination de bande pourraient aussi être, en partie ou en totalité, constitués par des ponts BC.
Dans le cas de téléphonie à courants por teurs, on transmet par exemple 12 voies entre les fréquences de 12 à 60 kc/s. On peut alors: construire un amplificateur à plu sieurs bandes qui sont comprises entre les limites de 12 à 60 kc/s et qui sont produites par une simple modulation de fréquences por teuses par du courant à fréquence vocale pro venant de plusieurs circuits téléphoniques.
On peut aussi construire l'amplificateur pour des bandes de fréquences supérieures, à 60 kc/s, comprises par exemple entre 60 et 108 ke/s et produites par simple modulation, tout le groupe des bandes transmises par l'amplificateur étant ensuite ramené entre 12 et 60 hc/s par une deuxième modulation de groupe.
Le schéma de principe d'une installation à. 12 voies à amplificateurs multi-bandes AMBl est montré par la fig. 26. On prévoit, par exemple, un tel amplificateur pour les six voies impaires et un autre pour les six voies paires. Les bandes originales à fré quence vocale sont filtrées et modulées de manière à produire deux bandes latérales de largeur voulue. Les six modulateurs 1111. etc., sont connectés en parallèle et l'amplificateur multi-bande élimine les bandes de modulation non désirées, ainsi que les porteurs.
La sortie., ayant le niveau voulu, peut être connectée directement au câble.
On procède de même pour les six voies paires. Dans le cas où l'on désire déplacer les voies dans une autre région des fré quences, il faudra. affaiblir d'abord, puis pas- ser par un modulateur de groupe et ampli fier de nouveau. Il n'est pas, en effet, dési rable de fournir une trop grande énergie à l'entrée du modulateur, surtout s'il est com posé d'éléments redresseurs. Il faudrait non seulement prévoir un modulateur plus cher, mais l'énergie du courant porteur appliqué au modulateur devrait alors aussi être beau coup plus grande.
On peut aussi diviser les douze voies en trois groupes de quatre et faire usage de trois amplificateurs passe- bande, ce qui faciliterait le filtrage à basse fréquence.
L'opération inverse se fait à la réception. Les 12 bandes sont envoyées dans deux am plificateurs multi-bandes AiIIB2 qui laissent passer, l'un les bandes impaires, l'autre les bandes paires. Une série de démodulateurs D1VI1, etc. ramène les bandes à la fréquence vocale. Il est nécessaire d'insérer un filtre passe bas pour éliminer les bandes non dési rées produites par la démodulation. On uti lise aussi un amplificateur pour donner le niveau voulu au réseau à fréquence vocale. Il faudra ajouter éventuellement un démo- dulateur de groupe.
Il est à remarquer que, dans une telle installation, on peut obtenir une très grande stabilité, car, d'une part, les amplificateurs peuvent tous opérer avec une forte contre- réaction fixe et, d'autre part, la plupart des organes sont des résistances et des conden sateurs qui peuvent être facilement rendus stables. Le fait de n'avoir qu'une seule modu lation par voie contribue aussi beaucoup à assurer une bonne stabilité. On obtient donc une stabilité comparable à celle des -systèmes à filtres à cristaux.
Le fait d'employer un organe à lampes ne doit pas constituer une objection puisque, de toute manière, de tels systèmes à courants Porteurs comportent un grand nombre d'amplificateurs.
D'une manière semblable, les amplifica teurs multi-bandes peuvent être utilisés pour réaliser une installation télégraphique à voies multiples. Les courants porteurs de ces installations pourront du reste être produits par des multi-oscillateurs. Dans les exemples décrits ci-dessus, les ponts ou circuits pourraient être constitués à l'aide d'un plus grand nombre de résis tances et de capacités, disposées d'une ma s mère plus compliquée.
Electrical device comprising an amplifier. The present invention relates to an electrical device and, in particular, to a device allowing the. production of devices which mainly amplify either a single frequency or several frequencies as well as devices which amplify in an almost uniform manner a band of frequencies, and which make, as much as possible, use of resistors and capacitors rather that indue tances.
According to the invention, this device comprises an amplifier provided with at least one feedback circuit element and at least one feedback circuit element, said elements together producing a phase and amplitude relationship determined between the input signal and output signal from the amplifier = ur, so that. the output of at least one determined frequency or a determined frequency band is amplified.
Such amplifiers can be used with advantage either in measuring or signaling devices or in powerline telecommunication installations.
The invention will be better understood by referring to the following description of certain exemplary embodiments shown in the appended drawing, in which FIGS. 1 to 10 relate to selective amplifiers and figs. 11 to 26 to bandpass devices and amplifiers.
To obtain a selective amplifier, it is in principle possible to use a feedback amplifier, the value of the latter being minimum for the frequency or frequencies at. amplify. So, referring to the well-known formula
EMI0001.0011
where C indicates the resulting amplification, amplification without feedback and B the transmission (attenuation or amplification) of the feedback circuit, the desired shape for C is obtained by acting on B.
If the feedback circuit is constructed in such a way as to have an infinite attenuation for the frequencies which it is desired to amplify, it will be possible, with the aid of additional amplifiers, placed in the feedback circuit, to greatly reduce this attenuation or even obtain an amplification for the unwanted frequencies and in both cases thus obtain a strong feedback, therefore a very large reduction of the amplification C.
We first consider selective amplifiers - for a single frequency. The feedback circuit can be formed by a chain, each cell of which is made up of a resistor and a capacitor and which aims to produce a phase shift which will be about 180 for the frequency that is to be amplified. The voltage produced by this chain, connected to the output of the amplifier, is applied to the input to produce a positive feedback. But this voltage is partly or entirely balanced by a voltage producing a feedback and which is independent of the frequency.
The two reactions are chosen so that the maximum amplification is obtained for the preferred frequency, which can exceed the normal amplification.
One of the simplest ways of realizing a selective amplifier of this type is shown in fig. 1. The amplifier proper comprises a lamp Y, a resistor R, which supplies the voltage to the anode and a separation capacitor Ci.
To the output terminals X and Y is connected a chain composed of resistors R and capacitors C. These resistors and capacitors may or may not have the same value, and are calculated so as to obtain a phase shift of close to l80 for the frequency to be amplified.
The voltage produced by this chain is applied to the gate of the lamp and thus produces a reaction which will be positive and roughly in phase with the voltage applied to the amplifier. This feedback voltage is neutralized by a feedback voltage produced by resistance R ',.
If we denote by A the normal amplification of the lamp, <I> by D </I> (complex number) the weakening of the chain and by E the attenuation corresponding to the counter-reaction voltage (and which will be equal to
EMI0002.0028
we will have for the resulting amplification the formula
EMI0002.0030
We can choose D and E so that for a given frequency the product <I> A </I> (D-E) has a maximum value (less than 1)
and that the resulting amplification is therefore maximum and has a value less than, equal to or greater than A.
For all other frequencies, the phasing produced by the chain is such that the value of <I> 1-A </I> (D = E) is greater. An amplification curve is thus obtained which has the form A of FIG. 2.
If we invert the. position of the resistors and capacitors in the chain, we obtain a curve of the form B.
We can get a symmetrical shape for the. amplification curve using both types of chain at the same time, either with a single lamp, or with two lamps. Fig. 3 shows the principle of such an amplifier (in the case of a single lamp). The voltages supplied by the strings could also be applied to two separate grids of the same lamp.
It is understood that (as in the circuits described later) the amplifier could include several lamps (triodes, pentodes, etc.) and that the feedback voltages could be applied to the input in a different way, for example â. using a transformer or a bridge.
The reaction circuit can also be constituted by a bridge (or several bridges) of which at least two arms are composed of resistors and capacitors. This bridge is connected to the output of the amplifier and the voltage between the other two junction points of the bridge is returned to the input of the amplifier. The elements that are in the four arms of the bridge are calculated! so as to produce maximum amplification for the preferred frequency.
In this case, it is again a question of a certain equilibrium between the voltages of positive reaction and of negative reaction.
One of the simplest ways of realizing a selective amplifier according to this principle is shown in fig. 4. The amplifier itself comprises the two lamps P and V '. The reaction bridge is made up of the following four arms:
<I> CR, </I> C1RI, <I> r </I> and <I> r ,. </I> This bridge is connected, on the one hand, to the output of the amplifier, to on the other hand, the junction points ïtl and <I> N </I> are respectively connected to. the grid and the cathode of the TT lamp. If the normal amplification of the amplifier is represented by A, the weakening of the arms CR and C, R, by <I> D </I> and the weakening of the arms r and ri by E, we will have for the resulting amplification:
EMI0003.0004
cït _q, D and E are (generally speaking) them complex numbers. As
EMI0003.0009
can also write
EMI0003.0011
For the privileged frequency, we can do
EMI0003.0012
or give this resulting reaction a value other than 0, such that
EMI0003.0015
has a value less than or greater than 1. This amounts to producing, in addition to the selective reaction, a positive or negative non-selective reaction.
To obtain the maximum variation with the <B>, </B> frequency, the variation of
EMI0003.0017
will have to. be as big as possible. This is done when Z = Z, for the privileged frequency and the phase shift is the same for the two arms Z and Z, so that the variation of the amplification as a function of the frequency is even greater, c That is to say, to increase the selectivity, one can replace r by a combination similar to that of the Z arm, and ri by a combination similar to that of Z.
For some applications, it is necessary to vary the preferred frequency. This can be done by varying either the value of resistors B and R, or that of the capacitors. C and Ci, or both at the same time. It may be useful in such a case to take P = r, and C -. Ci. Resistances can. for example, to be changed by decades and the capacitors gradually so as to obtain a continuous range of frequencies. We will have
EMI0003.0027
In some cases, it may be interesting to change the selectivity while keeping the same amplification for the preferred frequency.
To achieve this goal, it suffices to vary the reaction voltage. We can then connect between the points <I> M and N </I> of fig. 4 a potentiometer whose movable contact is connected to the grid of the first lamp, As shown in FIG. 5, the input is connected to a second grid. Fig. 6 shows another solution, in which use is made of a transformer. One could also use another mode of coupling, for example a second bridge at the input of the amplifier. The amplifier itself can moreover be stabilized by means of a feedback independent of the frequency, or varying according to a determined law different from that of the selective circuit.
It is also possible to use an additional amplifier in the feedback circuit. If the maximum amplification exceeds the normal amplification A, it will be necessary to manage for each frequency the values of the elements of the bridge,
so as to obtain a constant value for this maximum amplification. 'A simpler solution is indicated by the schematic diagram of fig, 7. To vary the selectivity, we then move the points <I> M and N </I> so that the difference between the D and E debuffs on both sides of the bridge remains equal for all positions.
The devices using one or more bridges can be generalized, as shown in FIG. 8. The AP amplifier is connected to a chain, which can be either a series of bridges or (as shown in the figure) a series of bridges and auxiliary amplifiers. The bridges B, and B = can obviously be made differently, for example, having only resistors in two arms.
If B, Bz ... are the attenuations produced by the bridges and Al, AZ ... the amplifications of the amplifiers and T the attenuation or gain due to the connection of the feedback circuit to the amplifier, we will have for the resulting amplification:
EMI0004.0010
As great a selectivity as desired can thus be obtained.
All the amplifiers can be stabilized by feedback and the whole can therefore be very stable. In general, for all the preceding cases, the elements can be very stable. Thus, for the capacitors can one connect in parallel two elements having a temperature coefficient of opposite sign. We can also choose the capacitors so as to have a temperature coefficient opposite to that of the resistors. -The whole can be placed in a thermostat.
In the above, reference has only been made to amplifiers selective for a single frequency. It may be useful to construct amplifiers for two or more frequencies.
To obtain this result, we can follow the connections of fig. 8, but adjust each bridge for a different frequency. The feedback can then be represented by curve I in FIG. 9 and the resulting amplification by curve II of this figure.
A multi-selective amplifier is thus obtained for n frequencies and it would suffice to reduce the feedback (in a uniform manner for all the frequencies) to obtain a multi-oscillator for n frequencies. These frequencies can be as close or as far apart as you want and, in the case of the oscillator, you can separate them at the output using tuned circuits or filters.
In this case, it is also possible to use half-bridges, two branches of which are constituted by a resistance, as in the case of FIGS. 4 and 5 and combine these resistors with the amplifier itself.
As it suffices to reduce the feedback to a sufficient degree to obtain an oscillator with any of the devices described for the selective amplifier, it is understood that the features described in relation to the selective amplifier apply. also to the oscillator. By providing an auxiliary amplifier in the feedback circuit,
the feedback can be considerably increased for all frequencies except those for which the device oscillates. In addition to the selective feedback, it is possible to provide a feedback independent of the frequency or varying according to a law other than the selective feedback.
As with the selective amplifier, a variation in selectivity can be obtained by changing the feedback voltage. Feedback voltage can be achieved using chains or bridges. These chains and these bridges are preferably formed by resistors and capacitors. It is also possible to provide an auxiliary amplifier in the feedback circuit to compensate for the attenuations introduced by the bridges and to increase the selectivity.
Fig. 10 gives an example of a two-frequency amplifier (or oscillator). This circuit is analogous to that ele in fig. 4, but instead of connecting the reaction bridge shown in the latter figure directly to the output circuit of the lamp V ', a second bridge has been inserted. In this way, oscillations can be produced at the same time at the two resonant frequencies of these two bridges. The input could be connected to a second grid, as in Fig. 5.
To obtain great selectivity, great amplification is required. If one does not wish to exceed a certain amplification value for the apparatus as a whole, auxiliary amplifiers can be placed in the feedback circuit, as already shown in fig. $, This will be all the more necessary in the case of several frequencies (iii ii7 bridge calculated for one of the frequencies causes an unwanted attenuation for the others.
In the case of amplifiers whose reaction circuit comprises one or more amplifiers, several bridges or other elements, the selectivity setting indicated above can also be applied (fig. 5 to 7) for simpler cases. . This setting may. be common for all frequencies or individual for each frequency.
To obtain a bandpass device. in principle, a feedback amplifier is used, the value of the latter being a minimum in the frequency band to be amplified. It is well known that the transmission characteristic of the reaction circuit determines the amplification characteristic.
In this case, the reaction circuit should. therefore have a very large and uniform attenuation over the entire frequency band and, if a sudden cut-off is desired, it will generally be necessary for the reaction circuit to also have such a sudden cut-off. This can be achieved by placing. in this feedback circuit a band-elimination filter of one of the known types, but a large number of coils and capacitors would then be required to obtain a relatively rec tangular characteristic.
One of the aims of the present invention is to simplify this filter or to use resistors and capacitors as much as possible. It may then be that the band-pass amplifier with its simplified filter or its filter comprising resistors can advantageously replace a band-pass filter of one of the known types.
The guiding idea to achieve such a result is to construct a feedback circuit which has infinite attenuation for a number of frequencies of the. band and a still very large attenuation for the other frequencies of the band. We can then greatly amplify the current not sant by such a circuit while keeping a very low feedback in the band. On the other hand, this very large amplification produces a strong feedback outside the band, and therefore a low resulting amplification.
It is thus possible, by means of a band elimination filter not exhibiting a sudden cut-off, to obtain an amplification characteristic with a very sharp cut-off. In other words, the construction of the filter is simplified and it is also possible to use resistors to constitute this filter.
A feedback circuit exhibiting infinite attenuations can be implemented in various ways, the principle always being to obtain in a circuit a zero voltage between two points for a certain frequency. An example is given by bridges (i.e. lattice filters). The branches can include choke coils, capacitors and resistors. In other cases, equal and opposite voltages are produced using two unconnected circuits in the form of a bridge.
The present description gives as an example, to the exclusion of the usual filters, a number of solutions of such reaction circuits.
The kind of bridge represented by the. fig. 11; can render certain services. We will call it in the following "bridge BC". It makes it possible, as mentioned above, to produce a selective amplifier for a single frequency, or by connecting several bridges in series, a selective amplifier E for several frequencies. It is more difficult to make a good feedback circuit for a band-pass amplifier, because for the band to have any width, several bridges in series are needed, E requiring an enormous total amplification.
A number of <B> BC </B> bridges and simple oscillating circuits can also be used, as shown in fig. 12. The transition weakening obtained at the junction of the various elements contributes to obtaining the desired final characteristic. The resonant frequencies can be chosen as shown in fig. 13.
It is also possible, with the aid of one, two or more of these bridges, to improve the characteristics of an FEB strip elimination filter which does not exhibit a sharp enough variation at its edges. An example of such a combination is shown in fig. 14.
On the other hand, it can be pointed out that this kind of bridge has certain characteristics of an oscillating circuit composed of an inductance in parallel with a capacitor. In conventional filters it will therefore be possible, to a certain extent, to replace such an oscillating circuit by a <B> BC. </B> bridge. This will be better understood by referring to figs. 15 and 16. The first shows that the bridge BC shown at the right of this figure in a schematic way is similar in some respects to a quadrupole composed of two oscillating circuits shown at the left part of the figure.
Fig. 16 shows that a trellis filter of one of the classical forms is similar to two <B> BC. </B> bridges.
One of the types of band-elimination filters can thus be executed according to FIG. 17. Two other <B> BC, </B> bridges can be added to this, as has been said above, which will produce a more abrupt cut at the edges of the strip. Fig. 18 shows another example.
It is understood that the usual effect of the phase shifts of non-dissipative filters is no longer obtained. In the various circuits mentioned above, the number of elements can be reduced by using half-bridges (two branches being formed by resistors, as already shown in the case of fig. 4, 5, 6 and 10) . The output voltage of such a half bridge is only half that of a full bridge.
Indeed, in a complete bridge, as shown in fig. 11, the vectors representing the potential differences of the four arms form a parallelogram, the large diagonal of which represents the input voltage at the bridge and the small diagonal the output voltage. In the case of the half-bridge, the four vectors form a triangle determined by two sides of the parallelogram and its large diagonal. The output voltage is then the median of this triangle which corresponds to half of the small diagonal.
The above also means that the voltage drop of such a bridge is doubled and that, to obtain the same effect in a circuit, the voltage amplification should be double the amplification required in the case of a full deck.
To obtain a sudden cut-off, it will be necessary to provide a very high amplification. Thus, in the case where the amplifier is designed to give a maximum gain of 60 db, it may be necessary to include in the feedback circuit one or more auxiliary amplifiers still giving, for example, 120 db. The block diagram of such a band-pass amplifier is shown in fig. 19, where AP is the main amplifier,
AA the auxiliary amplifier and FEB a band elimination filter.
The need for this large amplification may constitute a serious objection against the use of such an apparatus. This objec tion is eliminated if more than one frequency band is needed, such as in powerline systems. In fact, these amplifiers can then be used for several frequency bands, so that the number of lamps per band becomes relatively low. Fig. 20 shows the principle circuit. The feedback circuit is made up of a series of coil type band-elimination filters or one of the types described above and a series of amplifiers.
This feedback circuit gives a characteristic of the form indicated by curve I in FIG. 21 and this results in an amplification characteristic shown by curve II. It is true that each filter element causes unwanted attenuation to the other elements, and therefore the total amplification will have to be increased, but the fact remains that the total gain needed will be much less than the total gain in the case of devices. separated. It is thus possible to obtain with three or four lamps per strip a very good amplification characteristic.
Examples of the use of BC bridges and filters of known types with low dissipation in the case of multiple bands are given in FIGS. 22 and 24. Figs. 23 and <B> 25 </B> show in solid lines the characteristic (the amplification (or attenuation) obtained by the circuits <B> BC. </B> Band elimination filters, having a characteristic shown in dotted lines contributes to obtaining the desired final characteristic.
Tape elimination could also be, in part or in whole, formed by BC bridges.
In the case of carrier current telephony, for example 12 channels are transmitted between the frequencies of 12 to 60 kc / s. We can then: construct an amplifier with several bands which are between the limits of 12 to 60 kc / s and which are produced by a simple modulation of carrier frequencies by current at voice frequency coming from several telephone circuits.
The amplifier can also be constructed for higher frequency bands, at 60 kc / s, for example between 60 and 108 ke / s and produced by simple modulation, the whole group of bands transmitted by the amplifier then being brought back between 12 and 60 hc / s by a second group modulation.
The block diagram from installation to. 12 channels with multi-band amplifiers AMB1 is shown in fig. 26. For example, such an amplifier is provided for the six odd channels and another for the six even channels. The original voice-frequency bands are filtered and modulated to produce two sidebands of desired width. The six modulators 1111, etc., are connected in parallel and the multi-band amplifier eliminates unwanted modulation bands, as well as carriers.
The output, having the desired level, can be connected directly to the cable.
The same is done for the six even channels. In the event that one wishes to move the channels to another frequency region, it will be necessary. weaken first, then go through a group modulator and proud amp again. It is not, in fact, desirable to supply too much energy to the input of the modulator, especially if it is composed of rectifying elements. It would not only be necessary to provide a more expensive modulator, but the energy of the carrier current applied to the modulator would then also have to be much greater.
You can also divide the twelve channels into three groups of four and make use of three bandpass amplifiers, which would facilitate low frequency filtering.
The reverse operation is done at reception. The 12 bands are sent to two AiIIB2 multi-band amplifiers which pass, one the odd bands, the other the even bands. A series of D1VI1 receivers, etc. brings the bands back to voice frequency. It is necessary to insert a low pass filter to eliminate the unwanted bands produced by the demodulation. An amplifier is also used to give the desired level to the voice frequency network. You may need to add a group demodulator.
It should be noted that, in such an installation, one can obtain a very great stability, because, on the one hand, the amplifiers can all operate with a strong fixed feedback and, on the other hand, most of the components are resistors and capacitors which can be easily made stable. The fact of having only one modulation per channel also contributes a lot to ensuring good stability. A stability comparable to that of crystal filter systems is therefore obtained.
The fact of using a tube member should not constitute an objection since, in any case, such Carrier current systems include a large number of amplifiers.
In a similar way, multi-band amplifiers can be used to realize a multi-channel telegraph installation. The carrier currents of these installations can moreover be produced by multi-oscillators. In the examples described above, the bridges or circuits could be formed using a larger number of resistors and capacitors, arranged in a more complicated mother.