Mehrstufiger gegengekoppelter Verstärker. Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen gegengekoppelten Verstärker.
Bei vielen in Fernmeldeanlagen verwen deten Verstärkern besteht die Notwendigkeit die Verstärkung regeln zu können. Diese Regelung kann bei Gegenkopplungsverstär- kern vollkommen ausserhalb des Verstärkers erfolgen, in welchem Fall ihre Betätigung keinerlei Einfluss auf die Arbeitsweise des Verstärkers hat, oder sie kann durch Steue rung der Gegenkopplung vorgenommen wer den.
In diesem Fall wird die Arbeitsweise des Verstärkers beeinflusst und verbessert, wenn die Verstärkung durch eine erhöhte Gegen kopplung herabgesetzt wird. Der Gehalt an Oberwellen des Verstärkerausganges wird ver mindert und die Stabilität gegen Netzspan nungsschwankungen vergrössert .
Es bringt also oft viele Vorteile, die Ver stärkung durch Beeinflussung des Gegen kopplungsweges zu regeln. Es ergeben sich jedoch oft Schwierigkeiten in bezug auf Schwingungsstabilität in Verstärkern mit starker Gegenkopplung, da die nötige Ent zerrung der hohen Frequenzen bei variieren der Verstärkung nicht leicht zu verwirklichen ist. Wenn nämlich die Entzerrung bei maxi maler Gegenkopplung die richtige Wirkung hat, um wilde Schwingungen zu vermeiden, wird die Verstärkung im Arbeitsfrequenzbe reich bei erhöhter Verstärkung und schwä cherer Gegenkopplung beeinträchtigt. Ander seits ist eine Entzerrung, die bei minimaler Gegenkopplung eine richtige Übertragung des Nutzfrequenzbandes erlaubt, bei maxi maler Gegenkopplung ungenügend, um Eigenschwingungen zu verhindern.
Der erfindungsgemässe Verstärker ist ge kennzeichnet durch einen sämtliche Stufen umfassenden Haupt-Gegenkopplungsweg und einen eine beliebige Stufenzahl mit Ausnahme der ersten, jedoch einschliesslich der letzten Stufe umfassenden Nebengegenkopplungsweg, wobei Mittel vorgesehen sind, für die gleich zeitige Veränderung der Verstärkung des sämtliche Stufen umfassenden Vorwärtsver- stärkungsweges und der gegenläufigen Verän derung der Gegenkopplung ss des Hauptgegen- kopplungsweges, derart, dass das Produkt<B>ass</B> nach Amplitude und Phase wenigstens ange nähert konstant bleibt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der beigelegten Zeichnung ausführlich beschrieben. In dieser Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Blockschema eines Verstärkers, Fig. 2 ein Detailschema einer speziellen Ausführungsform und Fig. 3 ein Schaltbild der gleichzeitig in beiden Gegenkopplungswegen arbeitenden Ver- stärkungsregelungseinrichtung.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt der Einfachheit halber einen zweistufi gen Verstärker bei dem der Nebengegenkopp- lungsweg nur die letzte Stufe umfasst. Der Verstärker könnte jedoch eine beliebige An- zahl von Stufen aufweisen und der Neben gegenkopplungsweg kann neben der letzten Stufe jede beliebige Anzahl von Stufen mit Ausnahme der ersten Stufe umfassen.
Gegengekoppelte Verstärker bestehen aus einem Vorwärtsverstärkungsweg und einem Gegenkopphmgsweg. Das Spannungsverhält nis bei der Übertragung über den Vorwärts weg ist mit ,u und das über den Rückkopp lungsweg mit ss bezeichnet.
Das 'Produkt yss gibt das Verhältnis von gegengekoppelter Spannung zur Eingangs- spannung an, wobei ,u grösser als 1 und ss klei ner als 1 ist und das Produkt yss gewöhnlich gross gegen 1 gemacht wird, um die bekann ten Vorteile der Gegenkopplung zu erhalten. Das Produkt @css braucht in den Ausführungs beispielen der Erfindung nicht sehr gross gegen 1 zu sein.
Es ist zu beachten, dass, wenn ,uss gross ist, die tatsächliche Verstärkung des Verstär kers mit Gegenkopplung durch 1/ss bestimmt wird. Die wirksame Verstärkung kann somit durch die Vergrösserung von ss herabgesetzt werden, unter der Voraussetzung, dass den Stabilitätsbedingungen Genüge getan wird.
Bei der Vergrösserung des Produktes Ass wird der Stabilitätsbereich jedoch immer kleiner, und es bereitet erhebliche Schwierig keiten eine variable Gegenkopplung zu ent werfen, die bei starker Gegenkopplung eine genügende Korrektion gestattet, und die bei sehwacher Gegenkopplung gleichzeitig eine verzerrungsfreie Übertragung des Arbeitsfre quenzbandes gewährleistet.
Bei dem im folgenden beschriebenen Ver stärker wird bei der Erhöhung von ss für die Herabsetzung der wirksamen Verstärkung, gleichzeitig der Wert von ,u durch die Ver grösserung der Gegenkopplung im Neben gegenkopplungsweg derart reduziert, dass das Produkt ,uss nach Grösse und Phase praktisch konstant bleibt.
Dies gestattet nicht nur eine in weiten Grenzen erfolgende Änderung der wirksamen Verstärkung unter Beibehaltung des gleichen Stabilitätsbereiches, sondern setzt infolge der Nebengegenkopplung den Oberwellengehalt des Ausganges herab.
In Fig. 1 schliesst der Umriss A den Ver stärker ein, welcher einen im Umriss B ent haltenen Vorwärtsverstärkungsweg ,u und einen Gegenkopplungsweg fl aufweist. Der Vorwärtsverstärkungsweg enthält eine An zahl von Stufen, deren Verstärkung mit ,cc, bezeichnet ist und eine Anzahl weiterer Stu fen, die im Umriss C enthalten sind und deren Verstärkung ,uz beträgt. Über die letz teren ist ein Gegenkopplungsweg ss, geschal tet.
Der am Ausgang der Stufen ,u. bei nicht arbeitendem Gegenkopplungsweg ss und ss, erzeugte Klirrfaktor ist mit D und der bei nicht arbeitender ss-Gegenkopplung auftre tende Klirrfaktor des 7.c-Weges mit d bezeich net.
Hieraus folgt, dass
EMI0002.0064
,u. ist das der wirksamen Verstärkung des ganzen Verstärkers A entsprechende Span nungsverhältnis also
EMI0002.0067
Der entsprechende Klirrfaktor ist:
EMI0002.0069
Wenn, wie es gewöhnlich der Fall ist,<I>,</I><B>ass</B> gross gegen 1 ist, ist die wirksame Verstär- kiuig des Verstärkers 1/ss, wobei ss zur Ein stellung der Verstärkung entsprechend ge ändert wird.
Es ist, wie bereits erwähnt, von Vorteil ,uss praktisch konstant zu halten, so dass ,u umgekehrt proportional zu ss geändert werden muss.
Wenn ,uss gross gegen 1 ist, gilt ange nähert:
EMI0002.0079
und wenn. ,uss durch die gleichzeitige Ände rung von ssi und ss konstant gehalten wird, nimmt der Gehalt an Oberwellen d" bei ab nehmender wirksamer Verstärkung ab.
Wenn ,u_ss, ebenfalls gross gegen 1 ist, so findet diese Abnahme im gleichen Verhältnis wie die Abnahme von ,cc statt; sonst ist diese Abnahme etwas kleiner.
Die gleichzeitige Änderung von ss und ss.r erfolgt mit Vorteil durch eine mechanische Kopplung der Regelorgane, obwohl jede andere Kopplungsanordnung verwendet wer den kann. Die benötigten Dämpfungsnetz- werke sind infolge der gestellten Bedingung verhältnismässig kompliziert, je nach dem Grad der für yss geforderten Konstanz.
Fig. 2 zeigt die Einzelheiten eines einen zweistufigen Verstärker darstellenden Aus führungsbeispiels.
Die über die Leitung zugeführten Signale gelangen an den Eingangstransformator T1, welcher aus einem bekannten Dreiwicklungs- oder Differentialtransformator besteht. Von dort werden die Signale an das Steuergitter der ersten Röhre V1, die eine Pentode sein kann, angelegt.
Nach der Verstärkung in V1 gelangt das Signal an das Steuergitter der zweiten Röhre V2, die ebenfalls eine Pentode sein kann und werden dann über den symmetrischen Diffe rentialübertrager TZ der abgehenden Leitung zugeführt.
Die Anode und das Schirmgitter von V1 sind durch den -#V iderstand R7 und den Kon densator C3, bzw. durch den Widerstand R6 und den Kondensator Cl, entkoppelt. Das Schirmgitter von V3 ist durch den Wider stand R. und den Kondensator C4 entkoppelt.
Die Hochspannungsspeisung der Anode von VZ verläuft über die hochohmige Wicklung des Differentialübertragers T, und ist mit dem Ableitkondensator C6 versehen. Die Git- tervorspannung von V1 wird mittels des Kathodenwiderstandes R1 mit dem Parallel kondensator C, erhalten, während die Gitter vorspannung von<U>V.,</U> durch den über den Gitterwiderstand R, angelegten Spannungs abfall an einem Teil des Kathodenwiderstan des R1, erfolgt.
Die Kopplung der beiden Stufen erfolgt, über die Induktivität L1 und den Widerstand R3 im Anodenkreis von V1, wobei der Kondensator C3 die Anode von V, und das Gitter von V, koppelt. Ein Teil der Ausgangsspannung gelangt über den Haupt gegenkopplungsweg ss zum Eingang des Ver stärkers. Dieser Gegenkopplungsweg verläuft zwischen den beiden Differentialübertragern und ist den Eingangs- und Ausgangsleitun gen mittels der Symmetrierungs-Widerstände angepasst.
Dieser Gegenkopplungsweg ver läuft von T4 aus über ein Impedanzanpas- sungsnetzwerk mit den drei Widerständen R" Rlo und R11, das ebenfalls für die Verbindung zwischen dem symmetrischen Differential übertrager T. und dem restlichen, nicht sym metrischen Stromkreis dient, ferner über einen Teil des Lautstärkereglers C A, der aus einem variablen Brücken-T-Dämpfungsglied besteht, und über ein unveränderliches Netzwerk mit den Widerständen Rh, R13 und R14.
Das variable Dämpfungsnetzwerk besteht aus den festen Seriewiderständen R,;; und R,, dem variablen Parallelwiderstand R37 und aus dem variablen Brückenwiderstand R, mit dem parallel geschalteten variablen Kondensa tor C11. Alle diese variablen Teile sind me chanisch gekoppelt.
Das feste Netzwerk ist mit den Kondensatoren C7 und C, versehen, um eine Korrektion der Gegenkopplungs- schleife im obern bzw. untern Frequenzbe reich hervorzurufen. _, Der Nebengegenkopplungsweg ss2 für die Röhre Va enthält einen variablen, in Serie zur Kathode geschalteten Widerstand R1,, dessen variabler Teil mit einem kleinen par allel geschalteten Kondensator C, versehen ist.
Dieses Netzwerk hat die Aufgabe, der Cxegenkopplung für die Röhre V, bei jeder Einstellung des Lautstärkcreglers im ss-Weg die richtige Grösse und Phase zu erteilen, in dem der Kondensator C, einen regelbaren Teil von R1, für die Tonfrequenzen kurzschliesst. Die Einstellung von R1, ist mechanisch mit den variablen Organen des andern Dämp- fungsnetzwerkes gekoppelt.
Mit der Verklei nerung des wirksamen Teils von R1, nimmt die Wirkung des kleinen parallel geschalteten Kondensators C, ab, so dass sowohl die Phase als auch die Amplitude der Gegenkopplung ss2 gleichzeitig geändert wird.
Der Kondensator Cl,. bewirkt eine weitere Steuerung der Phasenverschiebung im obern Frequenzbereich. und wird gleichzeitig mit den Widerständen des Netzwerkes eingestellt, wodurch eine günstigere Phasencharakteristik erhalten wird. Es wurde festgestellt,
dass in der Praxis für einen Lautstärkeregler mit beispielsweise 10 Stufen von je 1 dB nur zwei oder drei verschiedene Werte für diesen Kon densator notwendig sind. Jede gewünschte Genaiügkeit der Korrektion könnte selbstver ständlich erreicht werden, wenn eine kompli zierte Schaltung in Kauf genommen wird.
In Fig. 3 sind die Einzelheiten eines Aus- führungsbeispiels des Lautstärkereglers GA (Fug. 2) dargestellt. Die Klemmen des Re glers sind in beiden Figuren mit den gleichen Überweisungszeiehen versehen.
Der Regler enthält vier Umschalter S" S2, S3 und S4, die mechanisch gekoppelt sind und von denen jeder 11 Stufen mit einem Einstellbereich von beispielsweise <B>0-10</B> dB aufweist.
Die Schalt arme von S1, SZ und S3 steuern das Brücken- T-Netzwerk im fl-Weg und variieren R.7, R27 bzw. C, Der Schaltarm S4 steuert den Wi derstand R" in ssyWeg. Die Stufen des Schalters S,
. sind mit den entsprechenden Verstärkungswerten des Verstärkers in Dezibel gemäss dem obigen Einstellbereich bezeichnet und man erkennt, dass durch eine Drehung im Gegenuhrzeigersinn die Verstärkung her abgesetzt wird.
Der variable Kondensator C" besteht aus drei einzelnen festen Kondensatoren CiiA, C1,R und C"c, von denen einer je nach der Schalterstellung parallel zu R, geschaltet ist. Wie bereits erklärt, ' sind die Werte dieser Kondensatoren derart gewählt, dass eine ge nügende Phasenkorrektion für jede Einstel- lung des Lautstärkereglers im Frequenzbe reich oberhalb des vom Verstärker durchge lassenen Bandes erfolgt.
Der Schaltarm S4 ist mit dem festen Parallelkondensator 0"o versehen und ändert bei seiner Einstellung die Amplitude und Phase der Verstärkung im ,u-Weg. Die festen Serienwiderstände R2, und BZ, des Brücken-T-Netzwerkes sind zwischen den Klemmen 1 und 3 mit dem Schaltarm des Schalters S1 verbunden.
Im Interesse einer nicht zu komplizierten Ausführung der Netzwerke ist es im allge meinen von Vorteil, auf eine vollständige Konstanthaltung von yss für die verschiede nen Einstellungen zu verzichten. Wenn also von einem praktisch konstanten yss gespro chen wird, so ist dabei mit einer gewissen Toleranz zu rechnen.