DE761814C - Verstaerker mit negativer Rueckkopplung - Google Patents

Description

Erteilt auf Grund der VO. vom 12. 5.1943 - RGBl. II S.

AUSGEGEBEN AM 16. MÄRZ 1953

RE ICHS PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 a² GRUPPE 1805

/ 5121O Villa/21 a*

Nachträglich gedruckt durch das Deutsche Patentamt in München

(§ 20 des Ersten Gesetzes zur Änderung und Überleitung von Vorschriften auf dem Gebiet des gewerblichen Rechtsschutzes vom 8. Juli 1949)

Western Electric Company, Incorporated, New York (V. St. A.)

Verstärker mit negativer Rückkopplung

Patentiert im Deutschen Reich vom 14. Dezember 1934 an

Patenterteilung bekanntgemacht am 14. Dezember 1944

Die Priorität der Anmeldung in den V. St. v. Amerika vom 21. Dezember 1933

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker mit negativer Rückkopplung, bei dem die Verstärkung und damit gleichzeitig die Verzerrung durch die negative Rückkopplung in dem ganzen Arbeitsbereich vermindert wird.

Die Erfindung geht aus von einem Verstärker mit negativer Rückkopplung, der selbst so gebaut ist, daß durch ihn bei Verstärkung ohne Rückkopplung von vornherein die durch die Leitung hervorgerufenen linearen Verzerrungen teilweise kompensiert werden. Bei Verstärkung mit negativer Rück

kopplung sollen bei ihm die nichtlinearen Verzerrungen bei allen Frequenzen unter einem festgelegten Wert gehalten werden. Die nichtlinearen Verzerrungen werden erfindungsgemäß dadurch auf den bei allen Frequenzen im wesentlichen gleich niedrigen Wert gebracht, daß der negative Rückkopp- »ο lungsweg ein Netzwerk enthält, welches bezüglich Frequenz und Phase so gebaut ist, daß sich die Verstärkung mit Rückkopplung in gleicher Weise in Abhängigkeit von der Frequenz ändert wie die Verstärkung ohne Rückkopplung.

Dadurch wird gegenüber den bisher bekannten Verstärkern mit negativer Rückkopplung der Vorteil erzielt, daß die durch die negative Rückkopplung bewirkte Verstärkungsverminderung geringer wird, und weiterhin, daß die vor Einschaltung des Netzwerkes nur teilweise kompensierten linearen Verzerrungen vollständig beseitigt sind.

Bei einem Verstärker mit negativer Rückkopplung bezeichnet man in bekannter Weise die Verstärkungsziffer ohne Rückkopplung mit //, einer komplexen Größe, mit der die Spannung an dem Gitter der ersten Röhre multipliziert werden muß, um die Phase und

iS die Amplitude der Gesamtspannung im x\nodenkreis der letzten Röhre zu erhalten. Das Verstärkungsverhältnis ist dann gleich dem absoluten Wert von μ. Mit β soll die komplexe Größe bezeichnet werden, mit der die Wechselspannung in dem Anodenkreis der letzten Röhre multipliziert werden muß, um die Spannung zu erhalten, welche die Anodenwechselspannung allein über den Rückkopplungsweg am Gitter der ersten Röhre erzeugt. Bei einem solchen Verstärker ist bekanntlich die Verstärkungsziffer mit Rückkopplung

Wenn die Verstärkungs-

ziffer oder der absolute Wert der Verstärkung in der Schleife groß ist, d. h. μ β S> 1,

ist die Verstärkung angenähert = ^-.

Solange die Verstärkung in der Schleife

groß ist, hat die Verstärkung des Verstärkers ohne Rückkopplung keinen Zusammenhang mit der Verstärkung mit Rückkopplung, da

die Verstärkung = ^- und daher unabhängig von μ ist. Die Verminderung der nichtlinearen

Verzerrung irgendeiner bestimmten Frequenz infolge der negativen Rückkopplung ist angenähert gleich der Verminderung der Verstärkung mit Rückkopplung gegenüber der Verstärkung ohne Rückkopplung bei der in Frage stehenden Frequenz. Die Verstärkung ohne Rückkopplung muß daher die Verstärkung mit Rückkopplung bei jeder benutzten Frequenz um einen Betrag übersteigen, der wenigstens gleich der verlangten Verminderung der Verzerrung ist. Meist ist die verlangte Verminderung der Verzerrung bei allen Frequenzen die gleiche. So sind z.B. bei einer Trägerfrequenzanlage mit mehreren Kanälen die durch einen Verstärker erzeugten Modulationsprodukte gleichmäßig über alle Kanäle verteilt, so daß sie gleichmäßig vermindert werden müssen. Wenn jedoch bei einem Verstärker der oben beschriebenen Art die Verstärkung ohne Rückkopplung nicht untersucht und berücksichtigt wird, muß man notwendigerweise die Verstärkungs- und damit die Verzerrungsverminderung bei einigen Frequenzen höher als bei anderen machen. Um eine genügende Verringerung der Verzerrung bei allen Frequenzen zu erhalten, muß daher die Verstärkungsverminderung bei einigen Frequenzen unnötig groß werden.

Wenn man aber den Verstärkungsgrad des Verstärkers mit Rückkopplung innerhalb des Arbeitsbereiches sich gemäß der Erfindung in der gleichen Weise ändern läßt wie die Verstärkung ohne Rückkopplung, ist die Verstärkungs- und damit auch die Verzerrungsverminderung bei allen Frequenzen des iVrbeitsbereiches gleich. Dann wird auch leicht das Pfeifen des Verstärkers außerhalb des Arbeitsbereiches vermieden.

Der bekannteste Fall, in dem sich die Erfindung anwenden läßt, soll im folgenden erläutert werden. Die Dämpfung einer Leitung steigt gewöhnlich mit der Frequenz an. Es ist bekannt, diese Dämpfung durch einen Verstärker auszugleichen, dessen Verstärkung bei den höheren Frequenzen größer ist als bei den niedrigen. Wenn nun ein solcher Verstärker, dessen Verstärkung mit der Frequenz ansteigt, mit negativer Rückkopplung benutzt werden soll, behält man gemäß der Erfindung diese mit der Frequenz ansteigende Charakteristik dadurch bei, daß in den Rückkopplungsweg ein Netzwerk eingeschaltet wird, dessen Dämpfungscharakteristik die gleiche ist wie die der Leitung. Dann ändert sich die Verstärkung mit Rückkopplung in gleicher Weise in Abhängigkeit von der Frequenz wie die Verstärkung ohne Rückkopplung ansteigt.

Die Erfindung soll an Hand der Abbildungen erläutert werden.

Der Verstärker mit negativer Rückkopplung der Abb. 1 ist mit seinem Eingang über den Transformator T1 mit der Leitung L1 und mit seinem iVusgang über den Transformator T 2 mit der Leitung L 2 verbunden. Der Verstärker hat drei Stufen Si, S2 und S3 und einen Rückkopplungsweg, der sich von A nach B erstreckt. In den Rückkopplungsweg ist ein Blockkondensator C eingeschaltet, um das Hindurchfließen von Gleichstrom zu verhindern, und ein Dämpfungsausgleicher E finden Abgleich der Dämpfung der Leitung. Die Stufen Si, S2, J?3 enthalten Schirmgitterröhren 21, 22 und 23, die eine große Steilheit und eine geringe Elektrodenkapazität besitzen. Insbesondere ist die Kapazität zwischen der Anode und dem Steuergitter gering. Der Dämpfungsausgleicher E ist aus einer Parallelschaltung einer Induktivität 14, einem Widerstand 15 und einer Kapazität 16 gebildet. In Reihe mit diesem in den Rückkopplungsweg eingeschalteten Schwingungskreis liegt ein veränderlicher Widerstand 13. mit dem die Verstärkung geregelt werden kann.

Der Rückkopplungsweg und der Stromkreis L ι werden durch das Eingangsnetzwerk B ι des Verstärkers und der Rückkopplungsweg und der Stromkreis L 2 durch das Ausgangsnetzwerk Bz zu konjugierten Stromkreisen gemacht. Die Zweige der Brücke B 2. werden von den Widerständen Ro (Anodenwiderstand der Röhre 23), 17, 1 und 2 gebildet. Ebenso ist die Brücke B1 aus den Widerständen R1, 18, 19 und 20 zusammengeschaltet.

Die Schleifenverstärkung des Verstärkers in dem ganzen benutzten Frequenzbereich ist viel größer als 1. Die Wechselströme werden so rückgekoppelt, daß die Verstärkungsziffer unter den Wert gedruckt wird, den man ohne Rückkopplung erhält. Auf diese Weise wird die Verzerrung vermindert und der Verstärker stabiler gemacht als es ohne Rückkopplung der Fall sein würde.

Die Batterie P liefert die Spannung für die Anoden der Röhren. Die Widerstände 31, 32 und 33 mit den zugehörigen Kondensatoren 31', 32' und 33' dienen zur Entkopplung der Röhren.

Über dem Widerstand 11, zu dem ein Kondensator 11' parallel liegt, wird die negative Gitterspannung abgenommen. Die Kopplung zwischen den Röhren 21 und 22 erfolgt über den Widerstand 3, die Induktivität 4, den Gitterableitwiderstand 5 und Blockkondensator 6. Dieselbe Kopplungsart wird zwischen den Röhren 22 und 23 angewendet (Widerstand 7, Induktivität 8, Gitterableitwiderstand 9 und Blockkondensator 10).

Um eine hohe Verstärkung mit Rückkopplung über einen weiten Frequenzbereich, z. B. über einen Bereich von 50 bis 500 kHz zu erzielen, müssen Röhren mit großer Steilheit verwendet werden. Die Kopplungskreise zwischen den Röhren müssen auf die höchste Frequenz des Arbeitsbereichs, bei der die Dämpfung der Leitung am höchsten ist, abgestimmt werden. Diese Kopplungsmittel werden so eingestellt, daß eine Frequenzkurve für den Verstärker ohne Rückkopplung erzielt wird, die im wesentlichen parallel zu der Frequenzkurve der Leitung verläuft. Die Abhängigkeit der Verstärkung von der Frequenz ohne Rückkopplung und mit Rückkopplung ist durch die Kurven A und B der Abb. 2 veranschaulicht. Der Rückkopplungsweg hat eine geringe Impedanz. Der Dämpfungsausgleicher hat auch eine geringe Impedanz und eine solche Charakteristik, daß die Dämpfungsfrequenzkurve des¹ Rückkopplungskreises parallel mit der Dämpfungsfrequenzkurve der Leitung verläuft. Da die Verstärkung des Verstärkerkreises in erster Linie abhängig ist von der Dämpfung des Rückkopplungskreises und den Eingangs- und Ausgangstransformato>ren, kann die Verstärkung durch den im Rückkopplungskreis liegenden Dämpfungsausgleicher allein eingestellt werden,

Die Rückkopplungsverbindung zwischen g₅ den Widerständen 1 und 2 greift einen gewissen Teil der Ausgangsspannung der Stufe S3 entsprechend der Einstellung der Widerstände der Brücke B 2 ab und führt sie über den Dämpfungsausgleicher E zur Eingangs- ^₀ brücke, wo· die Rückkopplungsspannung und die ankommenden Zeichen miteinander vereinigt werden. In dem vollständigen Stromkreis, der sich von A über B nach A erstreckt, müssen folgende Bedingungen möglichst eingehalten werden: 1. Die Kopplungen zwischen den Röhren müssen so eingestellt sein, daß die höchste Verstärkung des Verstärkers ohne Rückkopplung bei der Frequenz auftritt, bei welcher die Leitung die größte Dämpfung zeigt. 2. Die Charakteristik des Dämpfungsausgleichers E muß so beschaffen sein, daß die Verstärkungsfrequenzcharakteristik für den Verstärker mit Rückkopplung parallel liegt zu der Verstärkungsfrequenzcharakteristik des Verstärkers ohne Rückkopplung. 3. Die Gesamtphasenverschiebung in den Elementen mit Ausnahme der in den Röhren erfolgenden Phasenverschiebung von i8o° muß weniger sein als i8o° über den gesamten Frequenz- _go bereich der Schleifenverstärkung, d. h. über den gesamten Frequenzbereich, an welchem die Aufwärtstransformierung der Spannung in dem sich von A über B nach A erstreckenden Stromkreis größer als 1 ist.

Wenn die Frequenz von einem weit unterhalb des Arbeitsbereiches liegendem Wert auf einen weit oberhalb dieses Bereiches liegenden Wert erhöht wird, ändert sich die Phasenverschiebung der Kopplungsmittel von + 90⁰ nach —90 ° und geht durch den Wert ο bei einer Frequenz, die abhängig ist von der Dimensionierung der Elemente 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 10. Die Wirkungsweise der Kopplungsmittel zwischen den Röhren hängt davon ab, an welchen Enden durch das Zusammenwirken der Induktivitäten 4 und 8 mit den vorhandenen Kapazitäten Resonanz eintritt. Die Justierung geschieht in der Weise, daß der maximale Wert der Kopplungsimpedanz" und die Phasenverschiebung 0 im wesentlichen bei der Frequenz auftreten, bei welcher die Leitung die größte Dämpfung hat. In der Abb. 3 stellen die Kurve B die Verstärkungsfrequenzcharakteristik des Verstärkers mit Rückkopplung und die Kurve P die Phasenverschiebungsfrequenzcharakteristik des Verstärkers, der aus den Stufen 5" 1, S2 und 6*3 besteht, · dar. Um zu verhindern, daß die Kurve P oberhalb oder unterhalb der Frequenz der maximalen Verstärkung den Wert ο oder 360⁰ zu schnell erreicht, sind die Gitter-

ableitwiderstände 5 und 9 so klein wie möglich gemacht, ohne daß dadurch die Verstärkung wesentlich beeinflußt wird. Auch die Widerstände 3 und 7 sind so gewählt, daß die richtige Form der Kurve A der Abb. 2 und der richtige Frequenzwert der Spitze der Kurvet erreicht wird. Die kleinen Kapazitäten 11', welche parallel zu den Widerständen 11 geschaltet sind, rufen eine kleine " 10 Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen hervor, wie es bei α in der Kurve P der Abb. 3 angedeutet ist, ohne daß die Verstärkung dadurch nennenswert beeinträchtigt wird.

Der Verstärker ohne Rückkopplungskreis liefert eine Verstärkung entsprechend der Kurve A der Abb. 2 und hat eine Phasenverschiebung, die größer als iSo° unterhalb der Frequenz f 2 und kleiner als i8o° oberhalb der Frequenz/2 ist. Die Dämpfung des sich von A nach B erstreckenden Rückkopplungskreises ist ein Maximum bei /2. Diesen Wert kann man dadurch erhalten, daß man den Resonanzkreis, der aus den Elementen 14. 15 und 16 aufgebaut ist, auf die gewünschte Frequenz abstimmt. Die Höhe und Form der Kurve B der Abb. 2 kann innerhalb gewisser Frequenzen durch die Widerstände 13 und 15 festgelegt werden. Der Kreis E hat die weitere Eigenschaft, daß er eine negative Phasenverschiebung unterhalb und eine positive Phasenverschiebung oberhalb der Resonanzfrequenz erzeugt und auf diese Weise den Einfluß der Kopplungselemente korrigiert. Die Phasenverschiebungsfrequenzcharakteristik des Kreises E ist durch die Kurve D der Abb. 3 gekennzeichnet. Die Widerstände 1, 17, 18 und 19 haben so niedrige Werte wie möglich, um weiter die Wirkung von Parallelkapazitäten in dem Rückkopplungskreis, welche störende Phasenverschiebungen hervorrufen, zu vermindern. Der Widerstand 13 . muß also so niedrig wie möglich sein. Wenn die kritische Frequenz des Dämpfungsausgleichers von der Frequenz /2 auf die Frequenz f 4 (s. Abb. 3) erhöht wird, wie es durch die punktierte Kurve D' veranschaulicht ist, erreicht die nicht dargestellte Resultierende der ,Kurven P und D' den Wert ο bei einer Frequenz in der Nähe der Frequenz /3. Wenn dann eine Schleifenverstärkung bei der der Phasenverschiebung ο entsprechenden Frequenz vorhanden ist, pfeift der Verstärker. Diese Pfeif- ; gefahr wird vermieden, wenn die kritische Frequenz des Dämpfungsausgleichers mit der höchsten Frequenz des Arbeitsbereichs des Verstärkers zusammenfällt, wie es durch die Kurve D dargestellt ist.

Die negative Rückkopplung vermindert die Phasenverzerrung dadurch, daß die gesamte Phasenverschiebung" über dem Arbeitsbereich so lange vermindert wird, wie der Wert der Rückkopplung noch nennenswert ist. Dies ist von besonderer Wichtigkeit für Verstärker, die in Fernsehanlagen benutzt werden.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verstärker mit negativer Rückkopplung, der selbst so gebaut ist, daß durch ihn bei Verstärkung ohne Rückkopplung die durch die Leitung hervorgerufenen linearen Verzerrungen teilweise kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Verzerrungen bei allen Frequenzen dadurch auf einen festgelegten, im wesentlichen gleich niedrigen Wert gebracht werden, daß der negative Rückkopplungsweg ein Netzwerk enthält, welches bezüglich Frequenz und Phase so gebaut ist, daß sich die Verstärkung mit Rückkopplung in gleicher Weise in Abhängigkeit von der Frequenz ändert wie die Verstärkung ohne Rückkopplung.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk aus einer Parallelschaltung einer Induktivität, einer Kapazität und eines Widerstandes besteht, dessen Resonanzfrequenz wenigstens so hoch ist wie die obere Grenze des Arbeitsbereiches.

3. Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die __ Verstärkerröhren miteinander durch Selbstinduktionsspulen enthaltende Stromkreise gekoppelt sind, deren Resonanzfrequenz mit der höchsten Frequenz des Arbeitsbereichs zusammenfällt.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Französische Zusatz-Patentschrift Nr. 39849:

französische Patentschrift Xr. 754021.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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