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Negativer Impedanzwandler
Die Erfindung betrifft negative Impedanzwandler, die innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches eine Impedanz darbieten, welche in negativer Beziehung zu einer positiven Abschlussimpedanz steht.
In dem Aufsatz"Negative Impedances and the Twin 21-Type Repeater", von George Crisson im "Bell System Technical Journal", Juli 1931, Seiten 485 ff. wird ausgeführt, dass sich die negativen Impedanzen in zwei Kategorien einteilen lassen. Die erste Kategorie umfasst die negativen Impedanzen der sogenannten Serien- oder Spannungsumkehrtype. Solche negative Impedanzen sind leerlaufstabil und können im allgemeinen in Serie an eine Übertragungsleitung angeschlossen werden, um eine Verstärkung zu erzielen, ohne dass dabei die Leitung zur Selbsterregung kommt. Die zweite Kategorie umfasst die negativen Impedanzen der sogenannten Nebenschluss- oder Stromumkehrtype.
Solche negative Impedanzen sind kurzschlussstabil und können im allgemeinen im Nebenschluss an eine Übertragungsleitung angeschlossen werden, ohne dass diese zur Selbsterregung kommt.
Negative Impedanzen beider Typen werden häufig gemeinsam verwendet, um die Dämpfung einer Übertragungsleitung unter jenen Wert herabzusetzen, der bei Verwendung nur einer einzigen negativen Impedanz erzielbar wäre. Negative Impedanzen können zwar durch zahlreiche Schaltungsanordnungen erzielt werden, doch sind am günstigsten jene Schaltungen verwendbar, die als negative Impedanzwandler bekannt sind und als Zweipole eine Impedanz darbieten, die in negativer Beziehung zu einer positiven Abschlussimpedanz steht. Die positive Abschlussimpedanz kann dabei im allgemeinen innerhalb der durch die Stabilität des Wandlers und des Gesamtsystems gesetzten Grenzen beliebig geändert werden, um die jeweils erforderliche Kombination von Verstärkungsgrad und Phasenwinkel zu erzielen.
Die erwähnte negative Impedanz ergibt sich dabei natürlich nur innerhalb des ausgewählten Arbeitsfrequenzbereiches der verwendeten Übertragungsleitung.
Zu den besten bekannten negativen Impedanzwandlern mit Vakuumröhren bzw. Transistoren gehören die in der USA-Patentschrift Nr. 2, 878, 325 bzw. in der österr. Patentschrift Nr. 180960 beschriebenen. die mit positiver Rückkopplung arbeiten. Beide Patentschriften behandeln negative Impedanzwandler der Serien- und Nebenschlusstype zur Transformation positiver Abschlussimpedanzen in negative Impedanzen und die erstgenanntePatentschrift erläutert überdies, wie Wandler beider Typen gemeinsam verwendet werden können, um auf günstigste Weise einen für die Einschaltung in Telephonleitungen geeigneten Zwischenverstärker mit negativer Impedanz im Sprechfrequenzbereich aufzubauen.
Negative Impedanzwandler der erwähnten Art werden gewöhnlich mit zusammengesetzten Abschluss- impedanz-Netzwerken verwendet, die innerhalb des Signalfrequenzbandes eine genaue Anpassung an die Impedanz der mit ihnen verbundenen Übertragungsleitung bewirken. Die Einregelung der Verstärkung ist bei solchen Schaltungsanordnungen jedoch relativ kompliziert, weil der Verstärkungsgrad und der Phasenwinkel voneinander abhängig sind. Aus diesem Grunde erfordert jede zur Einregelung der Zwischenverstärkung dienende Änderung eines Wirkwiderstandes des Netzwerkes eine kompensierende Änderung eines Blindwiderstandes des Netzwerkes, wenn der Phasenwinkel im Zwischenverstärker konstant bleiben soll.
Diese Einregelvorgänge sind nicht nur zeitraubend, sondern erfordern auch eine relativ komplizierte Geräteausstattung und eine gute Schulung des Installations- und Bedienungspersonals.
Es ist nun schon vorgeschlagen worden, diese komplizierten Einregelvorgänge durch Verwendung von Anpassungsnetzwerken zu vermeiden, welche die Leitungsimpedanzen an den Anschlusspunkten der Zwischenverstärker in praktisch reine Wirkwiderstände transformieren, so dass die negativen Impedanzwandler
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durch reine Wirkwiderstände anstatt durch komplexe Impedanzen abgeschlossen werden können. Die Zwischenverstärkung kann dann durch reine Wirkwiderstandsänderung eingeregelt werden, ohne dass dabei der Phasenwinkel beeinflusst wird. Diese Schaltungsanordnung ist zwar für viele Zwecke durchaus befriedigend, lässt aber noch Probleme offen, die sich dann ergeben, wenn Zwischenverstärker, die mit Impedanzwandlern sowohl der Serien- als auch der Nebenschlusstype ausgestattet sind, in Telephonleitungen im Sprechfrequenzband verwendet werden sollen.
Die Gleichstromimpulse der Wählsignale sowie sonstige Signalimpulse, die notwendigerweise über solche Leitungen übertragen werden müssen, werden nämlich durch die relativ grossen Blockkondensatoren, welche für mit Wirkwiderständen arbeitende Impedanzwandler der Nebenschlusstype benötigt werden, stark verzerrt.
Es wurde nun gefunden, dass kleinere Blockkondensatoren verwendet und die erwähnten Verzerrungen vermieden werden können, wenn die impedanzanpassenden Netzwerke die Leitungsimpedanz auf eine Impedanz transformieren, die sowohl eine kapazitive Blindkomponente als auch eine Wirkwiderstandskomponente enthält, und wenn die Wandler dementsprechend abgeschlossen sind. Die Abschlusskapazität des Netzwerkes vermeidet dabei eine unzulässige Dämpfung der Signalimpulse und erlaubt die Verwendung kleinerer Blockkondensatoren. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgeschlagen worden, die Leitungsimpedanz auf einen genormten Impedanzwert zu transformieren, der einer Serienschaltung eines 900 Ohm-Widerstandes mit einem 2 Mikrofarad-Kondensator entspricht.
Die Anwendung eines aus Widerstand und Kapazität zusammengesetzten Abschlussnetzwerkes für negative Impedanzwandler der Nebenschlusstype zwecks Lösung des Problems der einwandfreien Signalimpulsgabe hat jedoch das Wiederauftreten des Ausgangsproblems der Abhängigkeit von Verstärkungsgrad und Phasenwinkel zur Folge.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt demnach darin, die Verstärkungsregelung in Zwischenverstärkern, die mit einem oder mehreren negativen Impedanzwandlern ausgestattet sind, ohne Störung der Übertragung von Gleichstrom-Signalimpulsen zu vereinfachen. Ein weiteres und spezielleres Ziel der Erfindung ist es, den Phasenwinkel eins Zwischenverstärkers mit negativem Impedanzwandler unabhängig von der Einstellung der Zwischenverstärkung zu machen, ohne dadurch die Übertragung von Gleichstromimpulsen für die Signalgabe zu stören.
Die Erfindung löst diese Aufgaben dadurch, dass ein negativer Impedanzwandler mit positiver Rückkopplung mit einem im wesentlichen reinen Wirkwiderstand abgeschlossen wird und dass in den positiven Rückkopplungsweg ein festes phasenverschiebendes Netzwerk eingefügt wird. Der Wandler hat dann einen konstanten Phasenwinkel, der unabhängig vom Verstärkungsgrad ist, und die Einregelung der Verstärkung kann einfach durch Änderung des abschliessenden Wirkwiderstandes erfolgen. In Anwendung auf einen der Nebenschlusstype angehörenden Impedanzwandler eines Telephon-Zwischenverstärkers ermöglicht die Erfindung eine hinreichende Verminderung der Grösse des Blockkondensators, um eine Verzerrung der Gleichstromimpulse für die Signalgabe zu vermeiden.
Durch Anwendung geeigneter Anpassungsnetzwerke wird der wirksamen Leitungsimpedanz ein Phasenwinkel erteilt, der demjenigen des Wandlers im Anschlusspunkt des Zwischenverstärkers entspricht.
Bei einem Zwischenverstärker, bei dem negative Impedanzwandler sowohl der Serien- als auch der Nebenschlusstype (nachfolgend kurz Serien- bzw. Nebenschlusswandler genannt) vorgesehen sind, braucht der Phasenwinkel nach einem weiteren Merkmal der Erfindung nur durch den Nebenschlusswandler erteilt zu werden. Die Ziele der Erfindung werden auf diese Weise mit einem absoluten Minimum an Aufwand und bei äusserster schaltungstechnischer Einfachheit erreicht. Bei einer solchen Schaltungsanordnung wird der Serienwandler ohne phasenverschiebendes Netzwerk im positiven Rückkopplungsweg ausgebildet, aber doch auch mit einem im wesentlichen reinen Wirkwiderstand abgeschlossen. Der gesamte Phasenwinkel für den Zwischenverstärker wird durch das phasenverschiebende Netzwerk erzeugt, das in dem positiven Rückkopplungsweg des Nebenschlusswandlers vorgesehen ist.
Die Verstärkungsregelung erfolgt dabei durch Änderung der abschliessenden Wirkwiderstände beider Wandler.
Ein wichtiger weiterer Vorteil, der durch die Anwendung der Erfindung auf den Nebenschlusswandler eines Zwischenverstärkers mit Serien- und Nebenschlusswandlern erzielt wird, liegt in dem günstigen Einfluss auf den Frequenzgang der Verstärkung des Zwischenverstärkers. Wenn nach den Lehren der Erfindung ein festes, phasenverschiebendes Netzwerk in den positiven Rückkopplungsweg des Nebenschlusswandlers eingefügt wird, so ergibt sich, dass die Steigung des Frequenzganges der Verstärkung des Zwischenverstärkers mit der Einstellung des Verstärkungsgrades veränderlich ist.
Da die Steigung des Frequenzganges der Dämpfung von üblichen Telephon-Übertragungsleitungen von der Länge und damit von der Dämpfung der Leitung abhängig ist, wird auf die geschilderte Weise nahezu eine ideale Arbeitsweise des Zwischenverstärkers erreicht.
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Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Ausführungsbeispielen genauer erläutert werden. In der Zeichnung stellt Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltschema eines erdunsymmetrischen, mit einem Transistor bestückten negativen Impedanzwandlers gemäss der Erfindung dar. Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltschema eines erfindungsgemässen, im Gegentakt geschalteten und mit Transistoren bestücken negativen Impedanzwandlers. Fig. 3 stellt schliesslich ein vollständiges Schaltbild eines transistorbestückten sprechfrequenten Zwischenverstärkers für eine Telephonleitung dar, bei dem erfindungsgemässe negative Impedanzwandler sowohl der Serien- als auch der Nebenschlusstype vorgesehen sind.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l wird nur ein einziger pnp-Transistor 10 verwendet. Der Einfachheit halber sind alle Vorspannungskreise weggelassen, und aus dem gleichen Grunde ist auch angenommen, dass der Transistor 10 eine nahezu ideale Kennlinie hat. Mit andern Worten ist angenommen, dass der Stromverstärkungsfaktor cx des Transistors 10 gleich 1 ist, so dass kein Basisstrom fliesst, und dass der innere Widerstand der Basis-Emitter-Strecke den Wert Null hat. Obgleich die tatsächlich verfügbaren Transistoren etwas von diesen idealen Eigenschaften abweichen, bleibt die Annahme doch hinreichend genau, um darauf gegründet Berechnungen als nützliche Annäherung für die tatsächliche Arbeitsweise der Schaltung verwenden zu können.
Selbstverständlich kann mit gleichem Erfolg auch ein Transistor der entgegengesetzten Leitfähigkeitstype verwendet werden.
In Fig. 1 ist zwischen dem Emitter, d. h. der stromemittierenden Elektrode des Transistors 10, und Erde ein veränderbarer Abschlusswiderstand 11 eingeschaltet. Da der Wandler im wesentlichen eine Zweipoleinheit darstellt, die zwischen zwei Klemmen in ähnlicher Weise wie eine gewöhnliche passive Impedanz eine Impedanz darbietet, die allerdings negativ ist, sind keine getrennten Ein- und Ausgangskreise vorgesehen. Die Ein- und Ausgänge sind vielmehr miteinander kombiniert und gemäss Fig. l zwischen dem Kollektor, d. h. der stromaufnehmenden Elektrode des Transistors 10, und Erde angeschlossen. Die Basiselektrode des Transistors 10, die als Steuerelektrode für den zwischen dem Emitter und dem Kollektor fliessenden Strom dient, liegt über die Primärwicklung eines phasenumkehrenden Transformators 12 an Erde.
Der für die Wirkungsweise des Wandlers erforderliche positive Rückkopplungsweg wird durch die Sekundärwicklung des Transformators 12 vervollständigt, welche einerseits mit dem Kollektor des Transistors 10 und anderseits mit Erde verbunden ist. Das phasenverschiebende Netzwerk, das gemäss der Erfindung vorgesehen wird, ist in diesen positiven Rückkopplungsweg eingeschaltet. Es besteht aus einem Wirkwiderstand 13, der direkt zwischen dem Kollektor des Transistors 10 und Erde liegt, und aus einem Kondensator 14, der in Serie zwischen dem Kollektor des Transistors 10 und der Sekundärwicklung des Transformators 12 eingeschaltet ist.
Es lässt sich nun auf einfache Weise erklären, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten negativen Impedanzwandler an den kombinierten Ein- und Ausgangsklemmen eine negative Impedanz entsteht. Das vom Widerstand 13 und vom Kondensator 14 gebildete phasenverschiebende Netzwerk sei bei dieser Erklärung zunächst vernachlässigt. Die Spannung, die an den Klemmen des Wandlers auftritt, wird vom Transformator 12 mit umgekehrter Phase an die Basiselektrode des Transistors 10 angelegt. Sie erscheint daher am Emitter praktisch ungeschwächt, zumal die innere Impedanz des Transistors zwischen Emitter und Basis niedrig ist. Diese Spannung bewirkt einen Stromfluss über den Abschlusswiderstand 11. Praktisch fliesst der gesamte Strom in den Emitter hinein und aus dem Kollektor des Transistors 10 wieder heraus.
Der vom Kollektor austretende Strom hat jedoch bezüglich des Stromes in der äusseren Leitung umgekehrte Phase. Die Wirkung der Schaltung besteht somit darin, dass an den Aussenklemmen eine negative Impedanz erscheint. Da der Strom, der aus dem Kollektor austritt, in der Phase umgekehrt ist, wird die beschriebene negative Impedanz zur Stromumkehrtype gezählt.
Bei der vorstehenden allgemeinen Erklärung der Arbeitsweise des Wandlers ist die vorliegende Erfindung noch nicht berücksichtigt worden. Die Auswirkung der Anwendung der Erfindung lässt sich am besten auf Grund von einfachen Berechnungen zeigen. Die Symbole für diese Berechnung sind in Fig. l angegeben.
Z ist die Impedanz, die vom Wandler an seinen kombinierten Ein- und Ausgangsklemmen dargeboten wird, V ist die Spannung an diesen Klemmen, iist der an der nicht geerdeten Wandlerklemme eintretende bzw. an der geerdeten Wandlerklemme austretende Strom, i ist der über den Abschlusswiderstand 11 und in der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 10 fliessende Strom, i, ist der über denKondensator 14 fliessende Strom, i4 ist der über den Widerstand 13 fliessende Strom, N ist der Betrag des Widerstandes 11, R ist der Betrag des Widerstandes 13 und-jX ist die Impedanz des Kondensators 14.
Definitionsgemäss ist
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Aus Fig. l ergeben sich ferner folgende Gleichungen : il = -i3, (2) =+. (3)
V = i2N, (4) und V=jigX+N. (5) Aus den Gleichungen (2), (3) und (4) folgt : V= ilN +u4N. (6) Aus den Gleichungen (2) und (5) folgt :
V= -jilX +i4R. (7) Löst man die Gleichungen (6) und (7) nach i. auf, so erhält man
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Aus den Gleichungen (1) und (8) ergibt sich schliesslich als Lösung für Z :
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Aus Formel (9) geht hervor, dass der Phasenwinkel von Z ausschliesslich durch die Beträge von R und X bestimmt wird und unabhängig von N ist.
Der Betrag von N kann daher beliebig geändert werden, um die Zwischenverstärkung einzuregeln, ohne dass dabei der Phasenwinkel der resultierenden negativen Impedanz beeinflusst wird. Das phasenverschiebende Netzwerk mit dem Kondensator 14 ermöglicht es überdies, relativ kleine Blockkondensatoren für den Wandler anzuwenden, weil der Kondensator 14 die Wirkung der Blockkondensatoren unterstützt. Es wird daher durch die ausserordentlich einfache erfindungsgemässe Schaltung sowohl eine vereinfachte Einregelung der Zwischenverstärkung als auch die Beseitigung einer störenden Verzerrung der Signalimpulse erzielt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten dadurch, dass es zwei Transistoren 20 und 21 umfasst, die so geschaltet sind, dass sie im Gegentakt arbeiten. Beide Transistoren gehören der gleichen Leitfähigkeitstype an. Die veränderbare Abschlussimpedanz 22 ist zwischen den Emitterelektroden dieser Transistoren eingeschaltet. Die kombinierten Ein- und Ausgangskreise des Wandlers sind zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 20 und 21 angeordnet. Bei dem negativen Impedanzwandler nach Fig. 2 wird der positive Rückkopplungsweg durch kreuzweise Kopplungsverbindungen vom Kollektorkreis eines jeden Transistors zur Basiselektrode des andern Transistors bewirkt.
Das fest eingestellte phasenverschiebende Netzwerk gemäss der Erfindung besteht bei der Ausführung nach Fig. 2 aus einem Wirkwiderstand 23, der direkt zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 20 und 21 eingeschaltet ist, und aus Kondensatoren 24 und 25, die zwischen je einer Klemme des Widerstandes 23
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pnp-Transistoren angenommen worden. Es sei wieder zur Vereinfachung der Erklärung angenommen, dass ideale Transistoren vorliegen.
Die Arbeitsweise des erfindungsgemässen Gegentaktwandlers nach Fig. 2 kann in enger Anlehnung an die mathematischen Darlegungen bezüglich Fig. 1 erläutert werden. Es werden wieder die gleichen Symbole verwendet. Z ist die vom Wandler dargebotene Impedanz, V ist die Spannung an den Klemmen des Wandlers, il ist der in den Wandler eintretende und aus diesem wieder austretende Strom, i ist der über den Abschlusswiderstand 22 fliessende Strom, der auch die Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren 20 und 21 durchfliesst, is ist der über die Kondensatoren 24 und 25 fliessende Strom, i4 ist der Strom über den Widerstand 23, N ist der Betrag des Abschlusswiderstandes 22, R der Betrag des Widerstandes 23 im phasenverschiebenden Netzwerk und-jX ist die Impedanz eines jeden der Kondensatoren 24 und 25.
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Aus Fig. 2 ergeben sich die folgenden Gleichungen : i1=-is. (10) i2 =i3+i4' (11) V=N, (12) und V=ji, X+i R. (13) Man erkennt, dass die Gleichungen (10), (11), (12) und (13) identisch mit dem Gleichungen (2) bis (5) sind, welche für Fig. 1 gelten. Es ergibt sich also auch für Z die identische Lösung
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Während die in den Fig. l und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfachte negative
Impedanzwandler der Nebenschlusstype sind, zeigt Fig. 3 einen vollständigen sprechfrequenten Telephon-
Zwischenverstärker, bei dem sowohl Serien-als auch Nebenschlusswandler verwendet und mit einerübli- chen Zweidraht-Telephonleitung 30 verbunden sind. Der Phasenwinkel des in Fig. 3 gezeigten Zwischen- verstärkers wird ausschliesslich durch den Nebenschlusswandler bestimmt.
Der Verstärkungsgrad wird jedoch durch Änderung der Beträge der abschliessenden Wirkwiderstände beider Wandler geregelt. Die Zwischen- verstärkung wird durch Vergrösserung des Abschlusswiderstandes des Serienwandlers und durch Verkleinerung des Abschlusswiderstandes des Nebenschlusswandlers erhöht. Die Zwischenverstärkung wird also durch ge- gensinnige Änderung dieser beiden Widerstände geregelt.
Der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 verwendete Serienwandler umfasst auf jeder Seite der Gegentaktschaltung je zwei Transistoren, die dazu dienen, eine engere Anlehnung an eine ideale Transistor-
Kennlinie zu erzielen. Der resultierende Ci-Wert dieser Compound-Transistoren liegt näher bei 1 als der a-Wert eines einzigen Transistors, und der Verstärkungsgrad des Kreises wird unabhängig von normalen
Schwankungen der individuellen Verstärkungsfaktoren im wesentlichen konstant gehalten. Jeder Com- pound-Transistor arbeitet jedoch im wesentlichen wie ein Einfach-Transistor und kann daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie ein Einfach-Transistor behandelt werden.
Der Serienwandler nach Fig. 3 ist mit der Übertragungsleitung 30 über einen Transformator 31 gekop- pelt, der eine unterteilte Leitungswicklung hat, deren untereinander gleiche Wicklungshälften 32 und 33 in symmetrierter Serienschaltung im Zuge der Leitung 30 liegen. Die beiden Hälften der Leitungswick- lung sind mit Mittelanzapfungen für den Anschluss des Nebenschlusswandlers versehen. Die für den An- schluss des Serienwandlers bestimmte Wicklung 34 des Transformators 31 ist ebenfalls in der Mitte ange- zapft.
Die gegenüberliegenden Enden der Wicklung 34des Transformators 31 sind mit den Emitterelektroden von im Gegentakt geschalteten pnp-Transistoren 35, 36 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren
35 und 36 sind direkt mit den zugeordneten Emitterelektroden eines weiteren, ähnlichen Paares von im
Gegentakt geschalteten pnp-Transistoren 37 und 38 verbunden. Die Kollektorelektroden der Transistoren
35 und 37 sind ebenso wie die Kollektorelektroden der Transistoren 36 und 38 untereinander verbunden.
Die Transistoren 35 und 37 wirken somit als ein Compound-Transistor und die Transistoren 36 und 38 bil- den einen zweiten Compound-Transistor.
Die Basiselektroden der Transistoren 35 und 36 sind miteinander über zwei seriengeschaltete Wider- stände 39 und 40 verbunden, und analog sind die Basiselektroden der Transistoren 37 und 38 miteinander über zwei seriengeschaltete Widerstände 41 und 42 verbunden. Diese Widerstände dienen nicht nur zur
Vorspannung der zugeordneten Transistoren auf ihre richtigen Arbeitspunkte, sondern auch zur Begrenzung der über die Transistoren fliessenden Ströme bei Auftreten von Spannungsstössen an der Übertragungslei- tung 30. Zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 39 und 40 und dem Verbindungspunkt der Wi- derstände 41 und 42 sind in Serie zwei Widerstände 43 und 44 eingeschaltet, die einen Spannungsteiler bilden.
Der erstgenannte Verbindungspunkt ist geerdet, wogegen der Verbindungspunkt der Widerstände
43 und 44 mit der Mittelanzapfung der Transformatorwicklung 34 verbunden ist.
Der Verstärkungsgrad des Serienwandlers wird durch die Einstellung des veränderbaren Abschlusswider- standes 45. festgelegt, der direkt zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 37 und 38 liegt. Um eine hohe Wechselstromimpedanz zur Kollektorspannungsquelle der Transistoren zu schaffen, ist zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 37 und 38 eine mittelangezapfte Spule 46 eingeschaltet. Paral- lel zu dieser Spule 46 liegt ein Kondensator 47. Die gesamte Parallelimpedanz aus Spule 46, Konden-
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sator 47 und veränderbarer Abschlussimpedanz 45 wird unter dem Betrag der Impedanz gehalten, welche der Transformatorwicklung 34 dargeboten wird, wodurch eine Stabilität gegen Selbsterregung des Serienwandlers erreicht wird.
Die Induktivität der Spule 46 liegt etwas unter der Selbstinduktivität der Transformatorwicklung 34. Die Wirkungen der beiden nahezu gleichen Induktivitäten heben sich daher weitgehend auf. Die Induktivität der Spule 46 wird kleiner gewählt, damit bei sehr niedrigen Frequenzen, wo die Einflüsse der Induktivitäten vorherrschend sind, Stabilität erzielt wird. Bei sehr hohen Frequenzen wird die Stabilität der Schaltung durch die Nebenschlusswirkung des Kondensators 47 sichergestellt.
Die Vorspannungsschaltung für den Serienwandler des Zwischenverstärkers nach Fig. 3 wird durch einen Widerstand 48 vervollständigt, der zwischen der Mittelanzapfung der Spule 46 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 41 und 42 eingeschaltet ist. Mit der Mittelanzapfung der Spule 46 ist eine normale Gleichstromquelle, angedeutet durch eine Batterie 49, verbunden. Die Widerstände 43,44 und 48 teilen die Spannung der Quelle 49, um die richtigen Vorspannungen für alle Transistoren zu erzielen. Schliesslich wird der für den Wandlerbetrieb erforderliche positive Rückkopplungsweg durch einen Koppelkondensator 59 gebildet, der mit der Basiselektrode des Transistors 37 und der Kollektorelektrode des Transistors 38 verbunden ist, sowie durch einen Koppelkondensator 51, der zwischen der Basiselektrode des Transistors 38 und der Kollektorelektrode des Transistors 37 liegt.
Die Arbeitsweise des Serienwandlers in Fig. 3 ist gerade entgegengesetzt der des Nebenschlusswandlers nach den Fig. l und 2. Praktisch fliesst der gesamte von der Leitung her in jeden Compound-Transistor eintretende Strom von den Kollektorelektroden in den Abschlusswiderstand 45. Die Spannung wird durch die Kondensatoren 50 und 51 kreuzweise zu den Basiselektroden der Transistoren zurückgeführt und gelangt von hier praktisch ungeschwächt zu den Aussenklemmen des Wandlers, weil zwischen den Emitter- und Basiselektroden des Transistors nur eine niedrige Impedanz besteht. Demnach ist die Spannung an den Ausgangsklemmen des Wandlers praktisch das negative Ebenbild der Spannung an den Klemmen des Abschlusswiderstandes 45 und die vom Impedanzwandler an seinen Klemmen dargebotene Impedanz ist daher das negative Ebenbild des Widerstandes 45.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird durch den Serienwandler der Phasenwinkel nicht beeinflusst.
Der Nebenschlusswandler beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine vollständigere Ausführung des negativen Impedanzwandlers nach Fig. 2. Er enthält gemäss der Lehre der Erfindung im positiven Rückkopplungsweg ein fest eingestelltes phasenverschiebendes Netzwerk, um einen vom Verstärkungsgrad des Zwischenverstärkers unabhängigen Phasenwinkel zu bewirken.
Der Nebenschlusswandler nach Fig. 3 enthält zwei im Gegentakt geschaltete pnp-Transistoren 60 und 61 und ein zweites Paar von im Gegentakt geschalteten pnp-Transistoren 62 und 63. Die Transistoren 60, 62 und 61,63 sind in je eine Compound-Schaltung einbezogen. Die Kollektorelektroden der Transistoren 60 und 62 sind ebenso wie die Kollektorelektroden der Transistoren 61 und 63 untereinander verbunden.
Die Emitterelektrode des Transistors 60 ist direkt mit der Basiselektrode des Transistors 62 verbunden.
Analog ist die Emitterelektrode des Transistors 61 direkt mit der Basiselektrode des Transistors 63 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren 60 und 61 sind über Serienwiderstände 64 und 65, die Basiselektroden der Transistoren 62 und 63 über ähnliche Serienwiderstände 66 und 67 zusammengeschaltet. Alle vier dieser Widerstände dienen nicht nur zur Vorspannung der Transistoren auf ihre richtigen Arbeitspunkte, sondern auch zur Verminderung von Stromstössen, die infolge von Blitzschlägen od. dgl. an der Übertragungsleitung 30 auftreten können.
Zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 64 und 65 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 66 und 67 ist ein Widerstand 68 eingeschaltet. Der erstgenannte Verbindungspunkt ist über einen Vorwiderstand 69 mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die durch eine Batterie 70 angedeutet worden ist, wogegen der zweitgenannte Verbindungspunkt geerdet ist. Zwischen den Emitterelektroden der Transistoren 62 und 63 sind in Serie zwei relativ grosse Widerstände 71 und 72 eingeschaltet und der Verbindungspunkt zwischen diesen Widerständen ist ebenfalls geerdet. Die Widerstände 71 und 72 vervollständigen den Emittervorspannungskreis für die Transistoren 62 und 63, während die Widerstände 68 und 69 zusammenwirken, um den richtigen Emitterstrom und die richtigen Vorspannungen für die Kollektoren aller Transistoren des Nebenschlusswandlers festzulegen.
Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist der negative Nebenschlusswandler nach Fig. 3 nicht nur mit einem im wesentlichen reinen Wirkwiderstand als veränderbare Abschlussimpedanz versehen, sondern auch mit einem Rückkopplungskreis, der ein fest eingestelltes phasenverschiebendes Netzwerk enthält. Der veränderbare Abschlusswiderstand 73 ist direkt zwischen den Emitterelektroden der Transistoren 62 und 63 eingeschaltet. Der positive Rückkopplungsweg wird beim Nebenschlusswandler nach Fig. 3 mit Hilfe von zwei Transformatoren 74 und 75 gebildet. Der Transformator 74 bewirkt keine Phasenumkehr ; seine Sekundärwicklung 76 ist in Serie mit einem phasenverschiebenden Netzwerk-Konden-
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sator 77 direkt zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 60 und 61 eingeschaltet.
Der Transformator 75 bewirkt anderseits eine Phasenumkehr ; seine Sekundärwicklung 78 ist in Serie mit einem Koppelkondensator 79 direkt zwischen den Basiselektroden der Transistoren 60 und 61 eingeschaltet. Diese Schaltung wird durch zwei relativ grosse Widerstände 80 und 81 des phasenverschiebenden Netzwerkes vervollständigt, die in Serie zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 60 und 61 liegen. Der Verbindungspunkt der Widerstände 80 und 81 ist mit einer negativen Spannungsquelle verbunden, die durch eine Batterie 82 angedeutet worden ist.
Der Nebenschlusswandler nach Fig. 3 ist mit Hilfe der Primärwicklung der Transformatoren 74 und 75 an die Übertragungsleitung 30 angeschlossen. Die Primärwicklung 83 des Transformators 74 ist in Serie mit einem zweiten phasenverschiebenden Netzwerk-Kondensator 84 zwischen den Mittelanzapfungen der Wicklungen 32 und 33 des Leitungstransformators 31 eingeschaltet. Eine ähnliche Serienschaltung wird durch die Primärwicklung 85 des Transformators 75 und einen zweiten Koppelkondensator 86 gebildet. Im Nebenschluss zur Wicklung 85 liegt ein Widerstand 87.
Das erfindungsgemäss im Nebenschlusswandler vorgesehene phasenverschiebende Netzwerk wird durch die Kondensatoren 77 und 84 und die Widerstände 80 und 81 gebildet. Die Grösse R in der in Verbindung mit Fig. 2 abgeleiteten Gleichung (14) ist gleich dem Gesamtwert der Serienwiderstände 80 und 81, während die Grösse X gleich der Serienkapazität der Kondensatoren 77 und 84 ist. Der auf diese Weise der negativen, vom Nebenschlusswandler erzeugten Impedanz erteilte Phasenwinkel ist unabhängig von der Verstärkungseinstellung jedes der beiden Wandler.
Die beiden Transformatoren 74 und 75 liegen zwar im Rückkopplungsweg des Nebenschlusswandlers nach Fig. 3, doch sind ihre Widerstände und Induktivitäten so bemessen, dass sie keinen erheblichen Einfluss auf den Phasenwinkel im Sprechfrequenzband ausüben. Beide Transformatoren dienen auch zur Sperrung von Längsströmen (Gleichtaktströmen), die an der Übertragungsleitung 30 auftreten können, und verhindern, dass diese Ströme die Vorspannungen der Transistoren störend beeinflussen. Der Transformator 75 bewirkt natürlich auch die erforderliche Phasenumkehr für den positiven Rückkopplungsweg um die beiden Compound-Transistorkreise.
Die Kondensatoren 84 und 86 werden relativ klein bemessen, damit die Ausbildung eines Nebenschlussweges für die Signal- und Wählimpulse vermieden wird, welche dämpfungsfrei über den Zwischenverstärker übertragen werden sollen. Die Kondensatoren 77 und 79 verhindern, dass die beiden Transformatoren 74 und 75 die Transistorvorspannungen beeinflussen, und sind ebenfalls verhältnismässig klein bemessen.
Beide Wandler des Zwischenverstärkers nach Fig. 3 sind für alle Frequenzen ausserhalb sowie auch innerhalb des Sprechfrequenzbandes bei beliebigen Abschlussbedingungen, die in der Praxis auftreten können, stabil. Als unmittelbares Ergebnis der Erfindung wird der gesamte Zwischenverstärker in seiner Schaltung und Arbeitsweise viel einfacher als irgendein vergleichbarer Zwischenverstärker nach dem Stande der Technik. Die Verstärkung wird ausschliesslich durch Einregelung von Wirkwiderständen geändert, wobei der Phasenwinkel, der die Anpassung an die Leitung besorgt, stets unverändert bleibt.
Wegen der relativ kleinen Blockkondensatoren und phasenbeeinflussenden Kondensatoren, die im Nebenschlusswandler benötigt werden, tritt überdies praktisch keine Beeinflussung der Signal-und Wählimpulse an der Übertragungsleitung auf.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele nur den Grundgedanken der Erfindung erläutern sollen und im Rahmen der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zulassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transistorbestückter negativer Impedanzwandler, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode und eine der übrigen Elektroden eines Transistors über eine veränderbare Abschlussimpedanz gekoppelt sind, die im wesentlichen als reiner Wirkwiderstand ausgebildet ist und zur Festlegung des Verstärkungsgrades des Wandlers dient, dass die Basiselektrode und die andere der übrigen Elektroden des Transistors durch kombinierte Ein- und Ausgangskreise verbunden sind und dass von der Kollektorelektrode zur Basiselektrode ein positiver Rückkopplungsweg verläuft, dem ein kapazitiv phasenverschiebendes Netzwerk eingeführt ist, wobei die Kapazität dieses Netzwerkes den Phasenwinkel des Wandlers festlegt.