DE1043421B - Rauscharmer Hochfrequenzverstaerker fuer sehr hohe Frequenzen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft elektronische Verstärker, die bei ultrahohen Frequenzen arbeiten.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Fernsehtechnik wurden Elektronenröhren entwickelt, die zur Verstärkung im Ultrahochfrequenzgebiet bestimmt sind. In solchen Röhren haben beispielsweise Gitter und Anode jeweils zwei Zuführungen, und die Elektroden sind so angeordnet, daß die gegenseitigen Kapazitäten der Elektrode sehr klein, beispielsweise in der Größenordnung 1 pF, werden.

Beim Versuch, die obere Grenzfrequenz dieser Röhren zu erhöhen, insbesondere sie über die Eigenresonanzfrequenz der verwendeten Röhre hinauszuschieben, ergeben sich jedoch verschiedene Schwierigkeiten, die davon herrühren, daß bei den betrachteten hohen Frequenzen die Elektrodenkapazitäten und die Kathoden-, Gitter- und Anodenzuleitungsinduktivitäten sich störend bemerkbar machen. Insbesondere ergibt sich, daß die verteilte Induktivität der Zuführungen zu den Steuerelektroden (Kathode und Gitter) zusammen mit der überbrückenden Kapazität und dem Widerstand zwischen den Steuerelektroden und Erde ein L-Dämpfungsglied bildet, derart, daß die dem Verstärkereingang zugeführte Signalenergie an den Steuerelektroden nur stark geschwächt auftritt, während die Rauschenergie ungeschwächt unmittelbar an den Steuerelektroden wirksam wird; daher haben derartige Röhren in dem betrachteten Ultrahochfrequenzbereich ein sehr schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch im Zusammenhang mit anderen Faktoren der Verwendungsbereich auf das unterhalb der Eigenresonanzfrequenz der Röhren liegende Gebiet eingeschränkt wird.

Die Erfindung betrifft einen rauscharmen Hochfrequenzverstärker für sehr hohe Frequenzen mit einer Triode, deren Gitter zwei Zuführungen aufweist, wobei der Eingangskreis an die Kathode geführt ist, die Anode mit dem Ausgangskreis und die beiden Gitterzuleitungen direkt mit Erde verbunden sind.

Zur Vermeidung der geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile sieht die Erfindung vor, daß ein derartiger Verstärker so ausgebildet wird, daß im Eingangskreis ein Schaltungsglied, welches die Signaldämpfung an der Kathode, die durch die Kathodenzuführungsinduktivität und die Gitter-Kathoden-Kapazität hervorgerufen wird, kompensiert und eine Reiheninduktivität mit einem Querkondensator umfaßt, die in Verbindung mit der inneren Kathodenzuführungsinduktivität ein Transformationsglied bilden, welches derart bemessen ist, daß Eingangssignale mit die Eigenresonanz der Triode übersteigenden Frequenzen in der vollen Größe an den Steuerelektroden der Röhre auftreten.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird der Rauscliarmer Hochfrequenzverstärker
für sehr hohe Frequenzen

Anmelder:

Standard Coil Products Co., Inc.,
Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. November 1953

Robert James Hannon,

Huntington Station, N. Y. (V. St. A.),

ist als Erfinder genannt worden

Eingangskreis aus einem L-Dämpfungsglied in ein T-Glied umgeformt, dessen Ersatzschaltung einen Transformator darstellt, durch den die Eingangssignale in den Eingangswideustand der Röhre transformiert und ungeschwächt den Steuerelektroden der Röhre zugeführt werden. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis des Verstärkers erheblich verbessert.

Dadurch kann man durch geeignete Bemessung erreichen, daß die Eigenresonanzfrequenz der Sekundärwicklung des genannten Ersatztransformators mit der Gitter-Kathoden-Kapazität weit oberhalb der höchsten Arbeitsfrequenz des Verstärkers Hegt; der Transformator kann dann als nicht abgestimmt angesehen werden, und seine Größen können bei Änderungen der Arbeitsfrequenz, die innerhalb gewisser Grenzen liegen, konstant bleiben. Durch die Erfindung wird somit ein Hochfrequenzverstärker geschaffen, der mit festen Schaltelementen im ganzen Ultrahochfrequenzband arbeitet.

Man hat bereits bei für hohe Frequenzen bestimmten Verstärkern, beispielsweise bei Verstärkern in Kaskodeanordnungen, zwischen der Anode der ersten Stufe und der Kathode der zweiten, in Gitterbasisschaltung betriebenen Stufe Kopplungsglieder, beispielsweise abgestimmte Serienresonanzkreise, vorgesehen. Durch diese speziell für Kaskodeanordnungen bestimmten Maßnahmen soll die üblicherweise zur Kompensierung der Gitter-Anoden-Kapazität vorge-

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sehene Neutralisierung entbehrlich werden. Eine Transformation des Eingangssignals in den Eingangswiderstand der Röhre, die von der Frequenz weitgehend unabhängig ist und durch die das Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich verbessert und damit der Anwendungsbereich der Röhren über deren Eigenresonanz hinaus erweitert wird, war mit den bekannten Anordnungen nicht erstrebt und auch nicht erzielbar.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 das Schema einer Hochfrequenzröhre,

Fig. 1A die Ersatzschaltung der Röhre nach Fig. 1, unter Berücksichtigung der bei Ultrahochfrequenz wirksamen inneren Kapazitäten und Induktivitäten,

Fig. 2 eine Schaltung eines Hochfrequenzverstärkers, bei dem die Anode und Anodeninduktivitäten Teile des Ausgangsschwingkreises sind,

Fig. 2 A eine Schaltung des Verstärkers nach Fig. 2 mit den Zuführungsinduktivitäten,

Fig. 2 B das Ersatzschaltbild des Anodenkreises des Verstärkers nach Fig. 2 A,

Fig. 3 ein Schema des Ersatzeingangskreises des Verstärkers mit geerdetem Gitter,

Fig. 3 A ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Eingangskreises nach Fig. 3,

Fig. 4 ein Schema des T-Glied-Eingangskreises nach der Erfindung,

Fig. 4 A das Ersatzschaltbild des T-Glied-Eingangskreises nach der Erfindung und den sich ergebenden Ultrahochfrequenztransformator,

Fig. 5 eine vollständige Schaltung des Hochfrequenzverstärkers nach der Erfindung mit den Induktivitäten der Kathoden-, Gitter- und Anodenzuführungen.

Fig. 1 zeigt das Schema einer Hochfrequenzröhre, wie z. B. der amerikanischen Röhre 6 A F 4. Die Röhre

10 hat sieben Sockelstifte, von denen zwei als Anschlüsse für das Heizelement 12 dienen, einer als Anschluß für die Kathode 13, zwei weitere als Anschlüsse

11 für das Gitter 15 und die beiden letzten als Anschlüsse für die Anode 17.

Der Hauptunterschied zwischen dieser Röhre und den üblichen Röhren liegt also darin, daß Gitter 15 und Anode 17 der Röhre 10 je zwei Anschlüsse haben.

Wie bekannt, kann eine solche Röhre bei höheren Frequenzen arbeiten als übliche Röhren, da die Wirkungen der Induktivitäten der Gitter- und Anodenzuführungen herabgesetzt sind.

Fig. 1A zeigt die Zuführungsinduktivitäten L_K, L₀, Lp und die Zwischenelektrodenkapazitäten C^q, Cqp und C^p. Die Zuführungsinduktivitäten des Gitters und der Anode, nämlich L₀ und Lp, liegen nun beiderseits von Gitter 15 bzw. Anode 17, während die Kathode 13 nur eine einzige Induktivität L_K hat. Diese Induktivitäten rühren daher, daß Kathode 13, Gitter 15 und Anode 17 nicht unmittelbar, sondern über Zuführungen mit den Sockelstiften verbunden sind. Obwohl die Induktivitäten dieser Zuführungen bei niedrigen Frequenzen vernachlässigbar sein können, fallen sie bei höheren Frequenzen ins Gewicht und müssen bekanntlich berücksichtigt werden.

Die Zuführungsinduktmtäten L_K, Lq und Lp und die Zwischenelektrodenkapazitäten C^_G, C_GP und C_KP beeinflussen die Arbeitsweise dieser Abstimmeinrichtung bei höheren Frequenzen, z. B. im Ultrahochfrequenzgebiet, da sie eine Eigenresonanzfrequenz bestimmen, bei der die Röhre 10 in Resonanz kommt, wenn keine weiteren Schaltteile außer den Stromzuführungen mit ihr verbunden sind.

Bei dem Versuch, die Röhre 10 oberhalb ihrer Eigenresonanzfrequenz in einem üblichen Verstärker arbeiten zu lassen, stellt sich heraus, daß die Zufülirungsinduktivitäten von Anode, Kathode und Gitter das an den Elektroden wirksame Hochfrequenzsignal gegenüber der von außen zugeführten Größe stark dämpfen und daher das Signal-Rausch-\"erhältnis erheblich schlechter machen als bei niedrigen Frequenzen.

Das Signal-Rausch-Verhältnis eines solchen Verstärkers wird bei höheren Frequenzen erheblich verschlechtert, weil die zugeführten Hochfrequenzspannungen stärker gedämpft werden als das Rauschen, welches an den Elektroden auftritt.

Fig. 2 zeigt einen Hochfrequenzverstärker mit der Röhre 10 nach Fig. 1 und 1A, bei dem der Anodenkreis so abgewandelt ist, daß die Anode 17 und ihre (selbstverständlich verteilten) Zuführungsinduktivitäten Lp ein Teil des Ausgangsschwingkreises sind. Die Wirkung der Kapazität der Anode 17 und der Zuführungsinduktivitäten Lp wird mit einbezogen.

In Fig. 2 sind die Teile der Röhre 10 mit den gleichen Nummern wie in Fig. 1 bezeichnet. Die Röhre 10 ist als- Verstärker mit geerdetem Gitter geschaltet, und zwar sind beide Anschlüsse 11 des Gitters 15 mit Erde verbunden. Die Kathode 13 ist mit den Eingangsklemmen 20 und dem Uberbrückungswiderstand 21 verbunden, der zwischen Kathode 13 und Erde liegt und an dem das Eingangssignal auftritt.

Der eine Anschluß 8 der Anode 17 von Röhre 10 ist über eine Hochfrequenzdrossel 12 mit der Anodenspannungsquelle E_bb und ferner mit Erde über ein LC-Reihenglied verbunden, das aus einer Induktivität 24 und einem Abstimmkondensator 25 besteht. Der andere Anschluß stift 9 der Anode 17 ist durch den Kopplungskondensator 27 mit der Belastung 7 dieses Verstärkers verbunden. Die Belastung selbst liegt parallel zur Spule 29.

Das Ausgangssignal der Röhre 10 tritt an der Spule 29 und daher auch an der Belastung auf.

Das Reihenglied 24-25 macht die Zuführungsinduktivitäten Lp und die Anode 17 der Röhre 10 zu Teilen des Ausgangsschwingkreises 24-25, wie dies Fig. 2 A zeigt, die die Schaltung der Fig. 2 mit der verteilten Induktivität von Kathode 13, Gitter 15 und Anode 17 darstellt.

Tritt ein Signal an den Eingangsklemmen 20ⁱ des Hochfrequenzverstärkers nach Fig. 2 und 2 A auf, so schwächen, wie unten im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 beschrieben, die Kathoden- und Gitterinduktivitäten die Signalenergie durch eine Art von Spannungsteilung. Die Anodeninduktivitäten Lp, die nun Teile des Ausgangsschwingungskreises sind (s. auch das Ersatzschaltbild in Fig. 2B), verändern jedoch das verstärkte Signal nicht nennenswert oder, mit anderen Worten, beeinflussen die Arbeitsweise dieses Verstärkers bei hohen Frequenzen nicht mehr wesentlich, z. B. bei Frequenzen im Ultrahochfrequenzbereich, nämlich von ungefähr 400 bis etwa 2000 MHz.

Es wurde oben erwähnt, daß die Induktivitäten L^ und L₀ der Steuerelektroden in dem Verstärker mit geerdetem Gitter, wie er im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde, dazu beitragen, die Signalenergie zu schwächen, wenn diese, wie allgemein üblich, den Sockelstiften der Steuerelektrode 15 und der Kathode 13 zugeführt wird.

Insbesondere sieht man an dem Eingangskreis des betrachteten und in Fig. 3 abgebildeten Verstärkers und seinem Ersatzkreis nach Fig. 3 A folgendes: Wird der Signalgenerator 40 zwischen den Anschluß 6 der

Claims (1)

1. 5 6

   Kathode 13 und Anschluß 11 des Gitters 15 gelegt, so kreis, sondern auch das T-Glied und den Eingangswird die Signalenergie tatsächlich einer Reihenschal- kreis.

   tung bzw. dem Eingang eines L-Dämpfungsgliedes Nach Fig. 5 ist der Kathodenstift 6 außerdem über zugeführt, die bzw. das aus den Steuerelektroden- eine Hochfrequenzdrossel 48 mit einem Gittervorspaninduktivitäten L/< und L₀ und der Überbrückungs- 5 nungswiderstand 49 und seinem Überbrückungskonkapazität C_KG und dem Überbrückungswiderstand R_in densator 50 verbunden. Der Kreis 49-50 bestimmt die besteht. richtige Arbeitsvorspannung des Verstärkers, und die

   Die von dem Signalgenerator 40 erzeugte Signal- Hochfrequenzdrossel 48 sperrt die Hochfrequenz von energie wird stark geschwächt, ehe sie an die An- der Vorspannungsquelle 49-50 ab.
   Schlüsse A und B der eigentlichen Steuerelektroden io Durch diesen Kreis wird es möglich, bei ultrahohen gelangt, an die man sich den Rauschgenerator 41 un- Frequenzen mit Rauschfaktoren zu arbeiten, die ermittelbar angeschlossen denken kann. Während also heblich kleiner sind, als sie mit herkömmlichen Verder Ersatzrauschgenerator 41 unmittelbar zwischen Stärkerschaltungen erreichbar sind.
   Kathode 13 und Gitter 15 dieses Verstärkers geschal- Während bei einem herkömmlichen Verstärker beitet ist, ist dem Signalgenerator ein Dämpfungsglied 15 spielsweise ein Rauschfaktor von 18 db gemessen vorgeschaltet, dessen Ausgang zwischen Kathode 13 wurde, wurde bei dem erfindungsgemäßen Hochfreund Gitter 15 dieses Verstärkers liegt. Bei diesem her- quenzverstärker ein Rauschfaktor von 10,5 db bei kömmlichen Kreis wird also die Signalenergie ver- 887 MHz gemessen. Arbeitet der Verstärker bei einer ringert, während die Rauschenergie unverändert Frequenz, die weit unter der Eigenschwingungsfrebleibt. Infolgedessen wird das Signal-Rausch-Verhält- 20 quenz der Sekundärwicklung 45 des Ersatztransfornis für diesen Verstärker ungünstig. mators 47 mit der Gitter-Kathoden-Kapazität C_KG

   Fig. 3 A zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild des Hegt, so kann der Transformator 47 als unabgestimmt Eingangskreises des Verstärkers nach Fig. 3. Da der angesehen werden, und seine Teile können bei Ver-Eingangs-Leitwert G = -l/i?,-„ ungefähr gleich G_m ist, änderung, insbesondere Verminderung der Arbeitswenn μ+l ungefähr gleich μ ist, könnten die über- 25 frequenz, konstant bleiben.

   brückenden Elemente C_KG und R_1n als Teile eines Bei der Schaltung nach Fig. 5 wurden folgende

   ^-Gliedes verwendet werden. Das ist jedoch keine sehr Werte für die Schaltteile verwendet:

   befriedigende Lösung, wenn nicht R_1n genügend groß Ankopplungskondensator 51 12OpF

   ist gegenüber W_L. Das ist schwer zu erreichen, da q 0 5 bis 3 0 pF

   R_in ungefähr gleich 1/G_m und daher im allgemeinen 30 tÄerbrückungsköndensator 50 12OpF

   klein ist. Wenn nämlich G_m=10Vs und μ+l unge- Röhre 10 6AF4

   fähr gleich μ ist, dann wird R_in ungefähr 100 Ohm Kondensator 27............. 120 pF

   ^sein- „ , r, · , -J--J Kondensator 25 0,5 bis 3-,OpF

   Da also C_m und R_in nicht genügend geändert wer- Durchführungskondensator 55

   den können, bleibt als einziger Teil, der so bestimmt 35 _{für den} Anodenstrom 1000 pF

   werden kann, daß die Arbeitsweise dieses Verstärkers Anodenspannune ... 150 Vodt

   verbessert wird, die Induktivität L (s. Fig. 3 A), die Widerstand 49 ...'.'.'.'.'.'.'...'.. 200 Ohm
   die Summe der Kathodenzuführungsinduktivität L%

   und der Gitterzuführungsinduktivität L₀ ist. Patentanspruch·

   Nach der Erfindung wird diese Induktivität L da- 40

   durch zu einem Teil einas T-Giedes (s. Fig. 4) ge- Rauscharmer Hochfrequenzverstärker für sehr

   macht, daß man ihr eine äußere Induktivität L₇- und hohe Frequenzen mit einer Triode, deren Gitter

   eine Überbrückungskapazität C_T, z. B. einen Abstim- zwei Zuführungen aufweist, wobei der Eingangs -

   mungskondensator, hinzufügt. kreis an die Kathode geführt ist, die Anode mit

   Das aus den Teilen L_T, L und C_T bestehende T-Glied 45 dem Ausgangskreis und die beiden Gitterzuleitunentspricht einem Transformator, und (s. Fig. 4A) die gen direkt mit Erde verbunden sind, dadurch geSekundärwicklung 45 dieses Ersatztransformators 47 kennzeichnet, daß im Eingangskreis ein Schalist unmittelbar mit den Anschlüssen A und B von tungsglied, welches die Signaldämpfung an der Kathode 13 bzw. Gitter 15 verbunden, an die man Kathode, die durch die Kathodenzuführungsinduksich, wie oben erwähnt, den Rauschgenerator 41 an- 50 tivität und die Gitter-Kathoden-Kapazität hervorgeschlossen denken kann. gerufen wird, kompensiert und eine Reiheninduk-

   Die Primärseite 46 dieses Ersatztransformators 47 tivität mit einem Querkondensator umfaßt, die in für das Γ-Glied L₇-L-C'_T ist, wie Fig. 4 A zeigt, mit Verbindung mit der inneren Kathodenzuführungsdem Signalenergiegenerator 40 verbunden. Die aus C^₀ induktivität ein Transformationsglied bilden, wel- und R_in bestehende Überbrückung bildet den Aus- 55 ches derart bemessen ist, daß Eingangssignale mit gangsabschluß des Ersatztransformators 47 und be- die Eigenresonanz der Triode übersteigenden Frestimmt zusammen mit seinem Übersetzungsverhältnis quenzen in der vollen Größe an den Steuerelektroden Eingangswiderstand des Verstärkers. den der Röhre auftreten.

   Die Primär- und Sekundärwicklungen 46 und 45

   des Ersatztransformators 47 sind durch einen Blind- 60 In Betracht gezogene Druckschriften:

   widerstand 44 miteinander verbunden (Fig. 4A). Philips Research Reports, 2, 1947, S. 126 bis 135;

   Fig. 5 zeigt die vollständige Schaltung des Verstär- RCA-Review, März 1951, S. 19/20;

   kers, und zwar nicht nur den neuen Ausgangsschwing- Funk-Technik, 1953, Nr. 14, S. 426 bis 428.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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