DE971308C

DE971308C - Amplifier with a high degree of amplification and strong negative feedback as well as with measures to prevent self-excitation at low frequencies

Info

Publication number: DE971308C
Application number: DEC5252A
Authority: DE
Inventors: Rene Boucherot; Gaspard Jelensperger; Frederic Mathieu
Original assignee: CIE RADIO CINEMA SA
Current assignee: CIE RADIO CINEMA SA
Priority date: 1951-01-12
Filing date: 1952-01-12
Publication date: 1959-01-08
Also published as: GB709235A; CH301270A; BE508233A

Description

AUSGEGEBEN AM 8. JANUAR 1959ISSUED JANUARY 8, 1959

C 5252 Villa/21 a² C 5252 Villa / 21 a ²

bei tiefen Frequenzenat low frequencies

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 Rückkopplurigsspannung für Frequenzen, die auf den Flanken 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 Output of the last stage removed and the. Feedback voltage fed back to the input of the first stage has a phase and an amplitude for frequencies that lie on the flanks of the amplifier's transmission curve, which can lead to self-excitement. To avoid this self-excitement one is forced to

809 701/12809 701/12

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 are supplied with direct voltage from a common operating voltage source, and has creates a negative feedback loop from the output of the last stage to the input of the first stage. The arrangement is characterized in that it consists of four stages, in pairs as two two-stage sub-amplifiers connected in cascade are arranged, which in turn are connected in parallel are fed by 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. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Darin zeigtThe 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 means that 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. Further details of the invention result from the following description with reference to the drawing. In it shows

Fig. ι das vereinfachte Schaltbild eines erfindungsgemäßen Verstärkers und Fig. 2 das Schaltbild einer besonderen Ausführungsform der Erfindung.Fig. Ι the simplified circuit diagram of an inventive Amplifier and FIG. 2 shows the circuit diagram of a particular embodiment of the invention.

Der in Fig. 1 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 6" geliefert, die in an sich bekannter Weise so ausgelegt ist, daß sie einen geringen inneren Widerstand aufweist. Die Spannungsquelle S speist in Parallelschaltung die beiden Teilverstärker A₁ 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 Parallelkondensatoren 47 und 48 besteht.The amplifier shown in FIG. 1 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 6 ″, which is designed in a manner known per se so that it has a low internal resistance. The voltage source S feeds the two sub-amplifiers A ₁ and A _{2 in parallel} its positive pole 34 is connected via two separate lines 55 and 56 to the filter elements of sub-amplifiers A ₁ and A _2. These filter elements have the usual structure. The one for sub-amplifier A ₁ consists of resistors 41 and 42 and capacitors 43 and 44, while the filter element for sub-amplifier A ₂ consists of series resistors 45 and 46 and parallel capacitors 47 and 48.

Außerdem besitzt der Verstärker eine Gegenkopplungsschleife C₁, die vom Ausgang der letzten Stufe 39 zum Eingang der ersten Stufe 36 führt.In addition, the amplifier 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. 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.This loop is designed in such a way that it provides a negative feedback of a very high degree of coupling in order to keep the gain practically constant. 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 S. 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 Widerstand45 verstärkt wird. Es ergibt sich also eine positive Rückkopplung, die einen Verstärker, der wegen der Rückkopplungsschleife 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, there is a connection 57 drawn in dotted lines in FIG. 1 between the resistors 41 and 46. Under these circumstances, they close. the anode currents of the stages 36 and 37 to a small extent via the resistors 46 and 45 and the internal resistance of the voltage source S. Due to the presence of the capacitors 43, 44, 47 and 48, this proportion is very low, but for the low frequencies of the transmission curve not negligible. On the other hand, phase relationships occur in these frequency ranges that can lead to self-excitation. So the phase of the output currents of the stages 36 and 38 on the one hand and the stages 37 and 39 on the other hand coincide. If, for example, the current in resistor 45 increases, this increases the anode voltage of stage 37, as a result of which the current in the output circuit of stage 37 increases and, as a result, the change in current in resistor 45 is increased. This results in a positive feedback which can very well excite an amplifier to oscillate because of the feedback loop C _1.

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 6* 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 und46 mehrere 1000 Ohm aufweisen müssen, ist es klar, daß die Kopplung über die Spannungsquelle 5¹ 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. A feedback can only come about via the voltage source 6 *. 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 ^{1 is} far less capable of self-excitation of the invention Cause amplifier than the coupling via the resistors 45 and 46 in the known amplifiers.

Der erfindungsgemäße Verstärker kann demgemaß einen Verstärkungsgrad aufweisen, der gleich- zeitig hoch und konstant ist. Gemäß der Erfindung ist ein gegengekoppelter mehrstufiger Verstärker hohen Verstärkungsgrades, dessen Gegenkopplungsschleife vom Ausgang der letzten Stufe zum Einang der ersten Stufe führt, wobei jede Stufe mitThe amplifier according to the invention can accordingly have a degree of amplification that is simultaneously is high and constant. According to the invention is a negative feedback multi-stage amplifier high gain, its negative feedback loop from the output of the last stage to the input the first stage leads, with each stage having

einem eigenen Siebglied versehen ist, über das ihr die Anodenspannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker vier Stufen enthält, die zwei in Kaskade geschaltete Teilverstärker in der Weise bilden, daß die zwei Siebstufen jedes dieser Teilverstärker in an sich bekannter Weise in Reihe geschaltet sind und die Teilverstärker in Parallelschaltung von der gemeinsamen Sp.annungsquelle gespeist werden, dieis provided with its own filter element, through which the anode voltage is fed, characterized in that that the amplifier contains four stages, the two sub-amplifiers connected in cascade form in such a way that the two sieve stages each of these sub-amplifiers in a known per se Way are connected in series and the sub-amplifiers in parallel from the common Voltage source are fed, the

ίο in an sich bekannter Weise so ausgelegt ist, daß sie einen geringen Innenwiderstand aufweist.ίο is designed in a manner known per se so that it has a low internal resistance.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung entspricht dem Schaltbild der Fig. i, 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 Teilwiderstanden 10 und 11, dessen Abgriff M jeweils an das Schirmgitter der Pentode angeschlossen ist, während.-die 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.The embodiment of the invention shown in FIG. 2 corresponds to the circuit diagram of FIG. I, 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 between the anodes and the decoupling capacitors 43, 44, 47 lie. 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 'on the other. , 49 ", 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

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS:

i. Negative feedback, multi-stage amplifier with a high gain, the negative feedback loop of which leads from the output of the last stage to the input of the first stage, each stage being provided with its own filter element via which the anode voltage is fed to it, characterized in that the amplifier has four stages (36 to 39 ) which form two cascade-connected sub-amplifiers (A ₁ , A ₂ ) in such a way that the two .Siebstufe each of these sub-amplifiers are connected in series in a manner known per se and the sub-amplifiers are connected in parallel from the common voltage source (S) are fed, which is designed in a known manner so that it has a low internal resistance (Fig. 1).

2. Amplifier according to claim 1, in which the 6c 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. each of these stages via a voltage divider are fed, the ends of which are at ground or at the connection point between the load resistor and the decoupling capacitor, and its resistors 7c 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 technology", 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, VIira / 2ia ² (patent 8r 260);

Swiss patent specification No. 236 494.

1 sheet of drawings