DEC0005252MA

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Publication number: DEC0005252MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 11. Januar 1952 Bekanmtgamacht am 30. August 1956Registration date: January 11, 1952 Bekanmtgamacht on August 30, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

Bekanntlich kann man den Verstärkungsgrad eines Verstärkers weitgehend konstant machen, wenn man eine Gegenkopplung genügender Stärke anwendet. Allerdings wird hierdurch einerseits der Verstärkungsgrad vermindert, und andererseits entstehen leicht Schwingungen, und zwar um so eher, je mehr Stufen der Verstärker umfaßt.It is well known that the gain of an amplifier can be made largely constant, if a negative feedback of sufficient strength is used. However, this on the one hand the gain decreases, and on the other hand, vibrations are easily generated, namely around so sooner, the more stages the amplifier comprises.

Es ergeben sich demnach erhebliche Schwierigkeiten, wenn man einen Verstärker mit zugleich hohem und konstantem Verstärkungsgrad bauen will. Damit nämlich der Verstärker trotz der Gegenkopplung genügend verstärkt, muß er mehr als zwei Stufen aufweisen. Dann werden aber die Phasendrehungen der den Verstärker durchlaufenden Wechselströme so groß, daß die am Ausgang der letzten Stufe abgenommene und dem Eingang der ersten Stufe wieder zugeführte Rückkopplungsspannung für Frequenzen, die auf den Planken der Durchlaßkurve des Verstärkers liegen, eine Phase und eine Amplitude aufweist, die zur Selbsterregung führen kann. Um diese Selbsterregung zu vermeiden, ist man gezwungen,There are therefore considerable difficulties when you use an amplifier at the same time want to build a high and constant level of reinforcement. With it namely the amplifier in spite of the Sufficiently amplified negative feedback, it must have more than two stages. But then the Phase rotations of the alternating currents passing through the amplifier are so great that the am Feedback voltage taken from the output of the last stage and fed back to the input of the first stage has a phase and an amplitude for frequencies that lie on the slopes of the amplifier's transmission curve, which can lead to self-excitement. To avoid this self-excitement one is forced to

609 61*6/345609 61 * 6/345

C 5252 VIII al 21 a² C 5252 VIII al 21 a ²

den Gegenkopplungsgrad herabzusetzen, um die Amplitude der Rückkopplungsspannungen mit falscher Phase unter die Selbsterregungsschwelle herabzudrücken. Dies bewirkt aber seinerseits eine Verminderung der Stabilisierungswirkung, die durch die Gegenkopplung herbeigeführt werden soll, so daß der Verstärkungsgrad nicht mehr ■ die gewünschte Konstanz aufweist.reduce the degree of negative feedback in order to reduce the amplitude of the feedback voltages with incorrect Phase below the self-excitation threshold. But this in turn causes a reduction in the stabilizing effect brought about by the negative feedback should, so that the degree of gain no longer ■ has the desired constancy.

Der erfindungsgemäße Verstärker kann demgegenüber einen Verstärkungsgrad besitzen, der gleichzeitig hoch und konstant ist. Dieser Verstärker ist mit mehreren Stufen ausgestattet, die von einer gemeinsamen Betriebsspannungsquelle mit Gleichspannung versorgt werden, und weist eine Gegenkopplungsschleife vom Ausgang der letzten Stufe zum Eingang der ersten Stufe auf. Die Anordnung kennzeichnet sich dadurch, daß sie aus vier Stufen besteht, die paarweise als zwei zweistufige in Kaskade geschaltete Teilverstärker angeordnet sind, die ihrerseits in Parallelschaltung von der gemeinsamen Gleichspannungsquelle gespeist werden. Hierbei ist Sorge dafür getragen, daß die Gleichspannungsquelle in an sich bekannter Weise einen sehr kleinen inneren Widerstand aufweist. In contrast, the amplifier according to the invention can have a gain that is high and constant at the same time. This amplifier is equipped with several stages that come from a common operating voltage source are supplied with DC voltage, and has a negative feedback loop from the output of the last step to the entrance of the first step. The arrangement is characterized in that it consists of four stages, which are paired as two two-stage sub-amplifiers connected in cascade are arranged, which in turn are fed in parallel from the common DC voltage source. Care is taken to ensure that that the DC voltage source has a very low internal resistance in a manner known per se.

Die Verwendung von vier Verstärkerstufen erzielt einen hohen Verstärkungsgrad insbesondere deshalb, weil die erfindungsgemäße Gruppierung der Stufen störende Kopplungen verhindert, die zu Selbsterregungen bei tiefen Frequenzen führen können. Hierdurch kann also ohne die Gefahr dieser Art von Selbsterregung (Blubbern) ein erheblicher Gegenkopplungsgrad verwendet werden, wodurch die Verstärkung weitgehend konstant wird.The use of four amplifier stages achieves a high degree of amplification in particular because the inventive grouping of the stages prevents disruptive couplings can lead to self-excitement at low frequencies. This way you can do this without the danger this type of self-excitation (bubbling) uses a considerable degree of negative feedback, whereby the gain is largely constant.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Darin zeigtFurther details of the invention emerge from the following description with reference to the Drawing. In it shows

Fig. ι das vereinfachte Schaltbild eines erfindungsgemäßen Verstärkers undFig. Ι the simplified circuit diagram of an inventive Amplifier and

Fig. 2 das Schaltbild einer besonderen Ausführungsform der Erfindung.2 shows the circuit diagram of a particular embodiment of the invention.

Der in Fig. ι dargestellte Verstärker enthält vier paarweise angeordnete Stufen 36, 37, 38 und 39, die zwei in Kaskade geschaltete Teilverstärker A₁ und A₂ bilden. Die Anodengleichspannung wird diesen Teilverstärkern von einer gemeinsamen Spannungsquelle S geliefert, die in an sich bekannter Weise so ausgelegt ist, daß sie einen geringen inneren Widerstand aufweist. Die Spannungsquelle 5 speist in Parallelschaltung die beiden Teilverstärker A_x und A₂. Zu diesem Zweck ist ihr positiver Pol 34 über zwei getrennte Leitungen 55 und 56 mit den Siebgliedern der Teilverstärker A₁ und A₂ verbunden. Diese Siebglieder haben den üblichen Aufbau. Dasjenige für den Teilverstärker A₁ besteht aus den Widerständen 41 und 42 und den Kondensatoren 43 und 44, während das Siebglied für den Teilverstärker A₂ aus den Reihenwiderständen 45 und 46 und den Parallel-So kondensatoren 47 und 48 besteht.The amplifier shown in Fig. Ι contains four stages 36, 37, 38 and 39 which are arranged in pairs and which form two sub-amplifiers A ₁ and A ₂ connected in cascade. The anode DC voltage is supplied to these sub-amplifiers from a common voltage source S , which is designed in a manner known per se so that it has a low internal resistance. The voltage source 5 feeds the two sub-amplifiers A _x and A ₂ in a parallel connection. For this purpose, its positive pole 34 is connected to the filter elements of the sub-amplifiers A ₁ and A ₂ via two separate lines 55 and 56. These sieve members have the usual structure. That for the sub-amplifier A ₁ consists of the resistors 41 and 42 and the capacitors 43 and 44, while the filter element for the sub-amplifier A ₂ of the series resistors 45 and 46 and the parallel capacitors 47 and 48 consists.

Außerdem besitzt der Verstärker eine Gegenkopplungsschleife C₁, die vom Ausgang der letzten Stufe 39 zum Eingang der ersten Stufe 36 führt.The amplifier also has a negative feedback loop C ₁ , which leads from the output of the last stage 39 to the input of the first stage 36.

Diese Schleife ist so ausgelegt, daß sie eine Gegenkopplung sehr hohen Kopplungsgrades liefert, um den Verstärkungsgrad praktisch konstant zu halten.This loop is designed to have negative feedback delivers a very high degree of coupling in order to keep the degree of gain practically constant.

Wie oben ausgeführt, existiert aber ein kritisches Rückkopplungsverhältnis, das nicht überschritten werden kann, ohne daß der Verstärker ins Schwingen gerät. Bei den bekannten vierstufigen Verstärkern ist das kritische Rückkopplungsverhältnis deshalb sehr niedrig, weil störende Kopplungen über die Speisekreise auftreten, die ihre Wirkung der von der Schleife C₁ erzeugten Rückkopplung überlagern. Hierdurch kann schon eine Selbsterregung auftreten, wenn die von der Schleife C₁ gelieferte Rückkopplungsspannung allein noch nicht zur Anregung von Schwingungen ausreichen würde.As stated above, however, there is a critical feedback ratio which cannot be exceeded without the amplifier starting to oscillate. In the known four-stage amplifiers, the critical feedback ratio is very low because disruptive couplings occur via the feed circuits, which superimpose _{their effect on the feedback generated by the loop C 1.} As a result, self-excitation can already occur if the feedback voltage supplied by loop C ₁ alone would not be sufficient to excite oscillations.

Bei diesen Verstärkern ist nämlich die Verbindung 55 nicht vorhanden. Dafür hat man zwischen den Widerständen 41 und 46 eine punktiert in Fig. ι eingezeichnete Verbindung 57. Unter diesen Umständen schließen sich die Anodenströme der Stufen 36 und 37 zu einem kleinen Teil über die Widerstände 46 und 45 und den Innenwiderstand der Spannungsquelle 5". Infolge der Anwesenheit der Kondensatoren 43, 44, 47 und 48 ist dieser Anteil zwar sehr gering, für die niedrigen Frequenzen der Durchlaßkurve jedoch nicht vernachlässigbar. Andererseits treten in diesen Frequenzbereichen Phasenbeziehungen auf, die zur Selbsterregung führen können. So stimmt die Phase der Ausgangsströme der Stufen 36 und 38 einerseits und der Stufen 37 und 39 andererseits überein. Wenn nun beispielsweise der Strom im Widerstand 45 zunimmt, wird hierdurch die Anodenspannung der Stufe 37 erhöht, wodurch der Strom im Ausgangskreis der Stufe 37 anwächst und infolgedessen die Stromänderung im Widerstand 45 verstärkt wird. Es ergibt sich also eine positive Rückkopplung, die einen Verstärker, der wegen der Rückkopplungissehleife C₁ bereits in der Nähe des Selbsterregungspunktes ist, sehr wohl zu Schwingungen anregen kann.This is because connection 55 is not present in these amplifiers. For this purpose, there is a dotted connection 57 between the resistors 41 and 46, shown in FIG With the presence of capacitors 43, 44, 47 and 48, this proportion is very small, but not negligible for the low frequencies of the transmission curve. On the other hand, phase relationships occur in these frequency ranges which can lead to self-excitation 36 and 38 on the one hand and stages 37 and 39 on the other hand. If, for example, the current in resistor 45 increases, this increases the anode voltage of stage 37, whereby the current in the output circuit of stage 37 increases and consequently the change in current in resistor 45 is increased So there is a positive feedback that an amplifier that we gene of the feedback loop C _{1 is} already in the vicinity of the point of self-excitation, can very well stimulate vibrations.

Bei dem erfindungsgemäßen Verstärker kann die störende Rückkopplung über die Widerstände 45 und 46 nicht auftreten, da die Verbindung 57 fehlt. Nur über die Spannungsquelle S kann noch eine Rückkopplung zustande kommen. Da diese aber leicht so gestaltet werden kann, daß ihr Innenwiderstand nur etwa 1 Ohm beträgt, während die Widerstände 45 und 46 mehrere 1000 Ohm aufweisen müssen, ist es klar, daß die. Kopplung über die Spannungsquelle 5" weit weniger imstande ist, eine Selbsterregung des erfindungsgemäßen Verstärkers hervorzurufen, als die Kopplung über die Widerstände 45 und 46 bei den bekannten Verstärkern. In the amplifier according to the invention, the disruptive feedback via the resistors 45 and 46 cannot occur since the connection 57 is missing. Feedback can only come about via the voltage source S. But since this can easily be designed so that its internal resistance is only about 1 ohm, while the resistors 45 and 46 must have several 1000 ohms, it is clear that the. Coupling via the voltage source 5 ″ is far less capable of causing self-excitation of the amplifier according to the invention than the coupling via the resistors 45 and 46 in the known amplifiers.

Demnach kann ein erfindungsgemäßer Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad und erheblichem Gegenkopplungsgrad betrieben werden. Beispielsweise kann die Gesamtverstärkung (d. h. die Verstärkung ohne Gegenkopplung) 170 db und der Gegenkopplungsgrad 40 db betragen. Unter diesen Umständen hat der Verstärker einenAccordingly, an amplifier according to the invention with a high gain and significant Degree of negative feedback are operated. For example, the overall gain (i.e. the gain without negative feedback) is 170 db and the degree of negative feedback is 40 db. In these circumstances the amplifier has one

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C 5252 VIIIal21a?C 5252 VIIIal21a?

effektiven Verstärkungsgrad von 130 db, und dieser Verstärkungsgrad ist infolge der erheblichen angewandten Gegenkopplung praktisch konstant, auch bei verhältnismäßig sehr erheblichen Änderungen der Verstärkereigenschaften. Hierdurch können Präzisionsmessungen äußerst geringer Ströme vorgenommen werden, ohne daß die Eichung dauernd nachgeprüft werden muß.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung entspricht dem Schaltbild der Fig. 1, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Elemente bedeuten. Die Schaltung ist im übrigen in bekannter Weise aufgebaut und braucht nicht im einzelnen erläutert zu werden. Die drei ersten Stufen 36, 37 und 38 sind mit Pentoden bestückt, deren Arbeitswiderstände R₁, R₂, R₃ zwischen den Anoden und den Entkopplungskondensatoren 43, 44, 47 liegen. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält jede der drei ersten Stufen einen Spannungsteiler aus zwei Teilwiderständen 10 und 11, dessen Abgriff M jeweils an das Schirmgitter der Pentode angeschlossen ist, währenddie Endpunkte der Spannungsteiler einerseits an Masse und andererseits an die Verbindungspunkte 49/, 49", 49'" der Arbeitswiderstände und der Entkopplungskondensatoren: der entsprechenden Stufen angeschlossen sind. Ferner ist dafür gesorgt, daß die Widerstände 10 und 11 jedes Spannungsteilers klein gegen den Innenwiderstand der Kathoden-Schirmgitter-Strecke der Pentode sind.effective gain of 130 db, and this gain is practically constant due to the considerable negative feedback used, even with relatively very significant changes in the amplifier properties. In this way, precision measurements of extremely low currents can be carried out without the calibration having to be checked continuously.
The embodiment of the invention shown in FIG. 2 corresponds to the circuit diagram of FIG. 1, the same reference symbols denoting corresponding elements. The circuit is otherwise constructed in a known manner and does not need to be explained in detail. The three first stages 36, 37 and 38 are equipped with pentodes, the load resistances R ₁ , R ₂ , R _{3 of which are} between the anodes and the decoupling capacitors 43, 44, 47. According to a further embodiment of the invention, each of the three first stages contains a voltage divider made up of two partial resistors 10 and 11, the tap M of which is connected to the screen grid of the pentode, while the end points of the voltage divider are connected to ground on the one hand and to connection points 49 /, 49 "on the other. , 49 '"of the load resistors and the decoupling capacitors: of the corresponding stages are connected. It is also ensured that the resistors 10 and 11 of each voltage divider are small compared to the internal resistance of the cathode-screen grid section of the pentode.

Die Vorspannungsgewinnung des Schirmgitters einer Pentode mit Hilfe einer Potentiometerschaltung ist an sich bekannt. Jedoch verbessert die beschriebene besondere Bemessung noch die Stabilität der hier betrachteten Verstärker, denn sie bewirkt eine große Konstanz der Schirmgittervorspannungen. The biasing of the screen grid of a pentode with the help of a potentiometer circuit is known per se. However, the particular dimensioning described improves that Stability of the amplifier considered here, because it causes a great constancy of the screen grid bias voltages.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Negative feedback multi-stage amplifier of high gain, the negative feedback loop from the output of the last stage to the input of the first stage, characterized in that it contains four stages (36 to 39), the two cascaded partial amplifiers (A ₁ , A ₂ ) in form in such a way that the sub-amplifiers are fed in parallel from the common voltage source (S) , which is designed in a manner known per se so that it has a low internal resistance (Fig. 1). ■

2. Amplifier according to claim 1, in which the first three stages are equipped with pentodes, their working resistances on the one hand to the anodes, on the other hand via decoupling capacitors are connected to ground, characterized in that the screen grids of these stages each have a voltage divider are fed, the ends of which to ground or at the connection point between the Working resistance and the decoupling capacitor lie, and its resistances are each small compared to the internal resistance of the cathode screen grid line of the pentode (Fig. 2).

Considered publications:
H. Pitsch »Textbook of radio reception

techmik ", 2nd edition, 1950, pp. 533, 548 (Fig. 550), 549, 736 (Fig. 802a), 751 (Fig. 815);

German patent applications T 455, VIII a / 21 a ²

. (Patent 805047), ρ 53180, VIIIa / 2ia ² (Patent 260); Swiss Patent No. 236 494.

1 sheet of drawings