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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Signalpegelregler mit zwei Eingangsanschlüssen zur Aufnahme eines symmetrischen Eingangssignals IE und zwei Ausgängen zur Ausgabe eines symmetrischen Ausgangssignals IA mit einem Einstellelement, welches zwischen mindestens zwei Positionen hin und her geschaltet werden kann, wobei in der ersten Position IA = k1·IE und in der zweiten Position IA = k2·IE, wobei k2 ≠ k1 ist.
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Die symmetrische Signalübertragung wird insbesondere in der Audio- und Videotechnik verwendet, da sie eine störungsfreie Signalübertragung auch bei längeren Übertragungswegen gewährleistet. Die Signalübertragung erfolgt dabei über zwei Signalleiter, die im wesentlichen ein identisches Signal, jedoch mit entgegen gesetzter Polarität übertragen. Durch Differenzbildung können daher Störsignale, die im wesentlichen auf beide Signalleiter in gleicher Weise wirken, herausgefiltert werden.
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Ein Signalpegelregler der genannten Art kommt häufig in Audioverstärkern zum Einsatz und weist in der Regel nicht nur zwei, sondern eine Vielzahl, z.B. 48 Positionen auf. Solche Verstärker werden hauptsächlich zur Erhöhung von Spannungen, Stromstärken oder Signalstärken verwendet.
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Ein Linearverstärker liefert eine Signalverstärkung ohne oder mit sehr geringer Verzerrung, so dass die Ausgabe im Allgemeinen direkt proportional zur Eingabe ist. Lineare Verstärker werden unter anderem für Audio- und Videosignale genutzt. Insbesondere Audioverstärker, wie sie beispielsweise in Radios, Fernsehern, Funkgeräten und vor allem in HiFi-Anlagen anzutreffen sind, arbeiten normalerweise in Frequenzbereichen unterhalb von 20 kHz. Sie verstärken das elektrische Signal, das durch einen oder mehrere Lautsprecher in Töne umgewandelt wird.
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Elektrische Verstärker haben elektrische Eingangs- und Ausgangssignale. Dabei haben die sogenannten Audioverstärker die Aufgabe, kleine, zeitabhängige elektrische Signale (Spannungen oder Ströme) proportional zu verstärken. Die Ausgangsfunktion soll ein möglichst genaues Abbild der Eingangsfunktion sein, jedoch multipliziert mit einem konstanten Faktor. Da es jedoch in der Regel nicht gewünscht ist, jederzeit das Audiosignal mit dem gleichen Signalpegel an die Lautsprecher weiterzuleiten, sondern eine Lautstärkeeinstellung gewünscht ist, werden Signalpegelregler bzw. Lautstärkeregler der eingangs genannten Art verwendet. Dieser Regler weist im Allgemeinen ein Spannungsteiler auf, mit dessen Hilfe die Größe des Ausgangssignals schrittweise oder nahezu kontinuierlich reduziert werden kann.
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Ein Beispiel eines solchen Signalpegelreglers ist in 1 dargestellt. Hier wird das symmetrische Eingangssignal über die beiden Eingänge IN1 und IN2 eingekoppelt. Ein etwaig vorhandener Gleichspannungsanteil wird über die Widerstände R3 und R4 abgeleitet. Der Wechselspannungsanteil wird hingegen über die beiden Kondensatoren C1 und C2 eingekoppelt. Zur Lautstärkeregelung sind zwei symmetrische Widerstandskaskaden vorgesehen. Die erste Widerstandskaskade weist die Widerstände R6, R9, R11 und R22 auf, die mittels der Schalter K1 bis K4 in den Signalübertragungsweg geschaltet werden können. Die zweite Widerstandskaskade weist die Widerstände R7, R8, R10 und R21 auf, die ebenfalls durch die Schalter K1, K2, K3 und K4 in den Signalübertragungsweg geschaltet werden können. In der dargestellten Position sind die Schalter K2 bis K4 geöffnet, während der Schalter K1 geschlossen ist. In diesem Fall wird das Signal nicht abgeschwächt, sondern direkt über die Kondensatoren C7 und C8 an die beiden Ausgangsanschlüsse OUT1 und OUT2 übertragen. Soll das Signal nun abgeschwächt werden, kann beispielsweise der Schalter K1 geöffnet werden und der Schalter K2 geschlossen werden. Das Signal wird nun über die Widerstände R6 bzw. R7 abgeschwächt. Je nach gewünschtem Grad der Abschwächung können weitere Widerstände in den Signalübertragungsweg geschaltet werden. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind lediglich vier Widerstände gezeigt. In der Regel erlauben Lautstärkeregler jedoch eine weitaus abgestuftere Lautstärkeregelung, so dass die Verwendung von beispielsweise 48 Widerständen in einer Kaskade und mehr nicht ungewöhnlich ist.
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Bei dieser Ausführungsform werden hohe Anforderungen an die Schalter K1 bis K4 gelegt. So ist es nicht nur notwendig, dass der Schalter K1 beide Anteile des symmetrischen Signals exakt gleichzeitig schaltet, es ist darüber hinaus zusätzlich notwendig, dass mit dem Öffnen des Schalters K1 gleichzeitig einer der Schalter K2 bis K4 geschlossen wird. Erfolgt die Schaltung nicht exakt synchron, so kann dies zu Spannungsspitzen im Übertragungssignal führen, die zu unerwünschten Geräuschentwicklungen in an den Ausgangsanschlüssen angeschlossenen Lautsprecher führen können.
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Darüber hinaus weist dieser Aufbau eine große Anzahl von Kontakten auf, die sich im Allgemeinen nicht „ideal“ verhalten. In der Regel zeigen Kontakte erst dann ein „ideales“ Verhalten, d. h. der Stromfluss durch den Kontakt ist proportional zur Eingangsspannung, wenn eine gewisse Spannung erreicht wird. Durch die Kontakte kommt es somit zu einer Verzerrung des Ausgangssignals, die allein durch die Anwesenheit von zumindest einem Kontakt herrührt und auch durch einen idealen Verstärker nicht beseitigt werden kann. Mit anderen Worten kann jedem Kontakt innerhalb eines Verstärkers ein Klirrfaktor zugewiesen werden. Die Verzerrung erfolgt aufgrund des erhöhten Übergangswiderstandes unmittelbar auf den strom- bzw. spannungslosen Zustand folgend. Dieser erhöhte Übergangswiderstand nach Nulldurchgang findet sein mechanisches Analogon in der gegenüber der Gleitreibung erhöhten Haftreibung bei der Reibung von mechanischen Körpern.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pegelstärkeregelung bzw. Lautstärkeregelung und einen Verstärker mit einer solchen zur Verfügung zu stellen, die die genannten Probleme nicht zeigt oder zumindest deutlich reduziert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Signalpegelregler der eingangs genannten Art gelöst, der zwei Übertragungsleitungen aufweist, deren eines Ende jeweils mit einer Stromquelle verbunden ist, wobei jeder Übertragungsleitung ein Koppelglied zugeordnet ist, mit dessen Hilfe der Stromfluss durch die Übertragungsleitungen beeinflusst werden kann, wobei das erste Koppelglied mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden ist und durch ein Wechselspannungssignal, welches an dem ersten Eingangsanschluss anliegt, gesteuert wird, und das zweite Koppelglied mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden ist und durch ein Wechselspannungssignal, welches an dem zweiten Eingangsanschluss anliegt, gesteuert wird, wobei der erste Ausgangsanschluss über ein drittes Koppelglied mit der ersten Übertragungsleitung verbunden ist und der zweite Ausgangsanschluss über ein viertes Koppelglied mit der zweiten Übertragungsleitung verbunden ist.
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Auf den Übertragungsleitungen fließt daher immer ein Strom, wobei das Eingangssignal den Strom über die Übertragungsleitungen beeinflusst. Ein Spannungsnulldurchgang im Eingangssignal führt daher nicht zu einem Nulldurchgang des Stroms über die Übertragungsleitungen. Es ist daher nun möglich, die die Lautstärke bestimmenden Schalter, über welche entsprechende Widerstände in die Übertragungsstrecke geschaltet werden können, mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, so dass es zu keinem Nulldurchgang kommt und der Klirrfaktor der Kontakte deutlich reduziert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist daher das Einstellelement mindestens zwei Widerstandspaare auf, wobei in der ersten Position des Einstellelementes jede Übertragungsleitung über je einen Widerstand des ersten Widerstandspaares mit Masse verbunden ist und in der zweiten Position des Einstellelementes jede Übertragungsleitung über je einen Widerstand des zweiten Widerstandspaares mit Masse verbunden ist. Ein Widerstandspaar kann sehr kleine Widerstände aufweisen, die beispielsweise durch den Leitungswiderstand der Leitung, die die Übertragungsleitung mit Masse verbindet, gebildet werden. Sind die Übertragungsleitungen über diese Widerstände mit Masse verbunden, so liegt der sogenannte „Mute“-Zustand vor, d.h. das Signal auf den Übertragungsleitungen wird auf Null oder nahezu Null abgeschwächt.
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Werden stattdessen die höheren Widerstände des anderen Widersandspaar zwischen Übertragungsleitung und Masse geschaltet, so wird das Signal nicht so stark abgeschwächt.
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Da die beiden Übertragungsleitungen mit einer Stromquelle verbunden sind, legen die Widerstände des Widerstandspaares, über die die Übertragungsleitungen mit Masse verbunden sind, das Potential fest, auf dem sich die beiden Übertragungsleitungen befinden.
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Wird nun mit Hilfe des Einstellelementes der Widerstand zwischen Übertragungsleitungen und Masse dadurch vergrößert, dass ein größerer oder ein weiterer Widerstand zwischengeschaltet wird, wird dies zum Einen das Potential, auf dem sich die Übertragungsleitungen befinden, verändern, zum Anderen wird dadurch auch der über die Koppelglieder für die Übertragungsleitung eingekoppelte Wechselspannungsanteil des Signals verstärkt bzw. abgeschwächt. Durch die Einstellung der Widerstände mit dem Einstellelement kann somit die Lautstärke bzw. der Signalpegel verändert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Widerstände eines Widerstandspaares gleich groß.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Stromquellen, welche mit einem Ende der Übertragungsleitungen verbunden sind, jeweils durch einen Transistor, vorzugsweise einen pnp-Transistor, dessen Emitteranschluss über einen Widerstand mit einer ersten Spannungsquelle, die ein erstes Potential bereitstellt, und dessen Basisanschluss gegebenenfalls über einen Widerstand mit einer zweiten Spannungsquelle, die ein zweites Potential bereitstellt, welches sich von dem ersten Potential unterscheidet, verbunden ist, gebildet. Hierbei sind am besten das erste und das zweite Koppelglied jeweils als Kondensator ausgebildet, wobei jeweils eine Seite des Kondensators mit dem ersten bzw. dem zweiten Eingangsanschluss verbunden ist und die andere Seite des Kondensators mit dem Basisanschluss des Transistors der jeweiligen Stromquelle verbunden ist.
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Das an den Basisanschlüssen anliegende zu übertragende Signal bestimmt somit, in welchem Umfang Strom von der Stromquelle von dem Emitteranschluss zum Kollektoranschluss durchgelassen wird. Die Stromquelle ist somit eine steuerbare Stromquelle, bei der die Steuerung durch das am entsprechenden Eingangsanschluss anliegende Signal erfolgt.
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Hierdurch ist sichergestellt, dass alle Kontakte immer mit einem bestimmten Gleichstrom durchflossen sind, der gegebenenfalls durch ein Wechselspannungssignal überlagert wird.
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Es versteht sich, dass die Stromquelle derart dimensioniert wird, dass ein Eingangssignal es nicht vermag, den über die Übertragungsleitungen fließenden Strom auf Null zu reduzieren. Da der Signalpegelregler für bestimmte zu erwartende Eingangssignalpegel ausgelegt ist, muss sichergestellt werden, dass die Potentialdifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Potential abzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors größer als der maximal zu erwartende Eingangssignalpegel ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das dritte und vierte Koppelglied jeweils einen Transistor, vorzugsweise einen pnp-Transistor auf, wobei die erste und die zweite Übertragungsleitung mit dem Basisanschluss von jeweils einem der Transistoren verbunden ist, die Emitteranschlüsse gegebenenfalls über einen Widerstand mit einer Spannungs- oder Stromquelle verbunden sind und die Kollektoranschlüsse über einen Kondensator mit dem ersten bzw. zweiten Ausgangsanschluss verbunden sind. In dieser Ausführungsform dient das dritte und vierte Koppelglied nicht nur zum Auskoppeln des Signals, sondern ist gleichzeitig ein Differenzverstärker, mit dessen Hilfe das Signal verstärkt wird. Diese Ausführungsform ist somit ein verstärkender Signalpegelregler.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Einstellelement zumindest ein Schalterpaar auf, mit dem das Widerstandspaar im Wesentlichen gleichzeitig von der ersten in die zweite Position und zurück gebracht werden kann. Dies können beispielweise Relais sein.
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Allerdings gelingt es nicht, die Relais exakt gleichzeitig zu schalten, was zu einem unerwünschten „Knacken“ auf dem zu übertragenden Signal führen kann.
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Daher ist in einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das Schalterpaar durch zwei MOSFETs, vorzugsweise durch ein Dual-MOSFET gebildet wird. MOS-FETs (Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) sind für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen ausgelegt. MOSFETs weisen eine deutlich schnellere Schaltzeit auf. Insbesondere bei der Verwendung eines Dual-Transistors bzw. Dual-MOSFETs, bei der zwei Transistoren auf einem Substrat angeordnet sind, kann durch Schalten der Gate-Anschlüssen ein gleichzeitiges Schalten des Schalterpaars gewährleistet werden.
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Bevorzugt sind daher die Übertragungsleitungen jeweils mit einem Drain-Anschluss eines MOS-FETs verbunden, die Source-Anschlüsse der MOSFETs sind mit Masse verbunden, und die Gate-Anschlüsse sind mit Hilfe der Einstellvorrichtung wahlweise mit einer Steuerspannung beaufschlagbar.
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Es versteht sich, dass die Steuerspannungen auch mit Hilfe einer Fernbedienung gesteuert werden können.
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Weiterhin ist es möglich, den beschriebenen Signalpegelregler auch für asymmetrische Signale zu verwenden. In diesem Fall muss eine entsprechende Schaltung vorgesehen sein, die das asymmetrische Signal in ein nahezu symmetrisches umwandelt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibungen einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
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1 ein Signalpegelregler des Standes der Technik,
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2 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung und
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4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen Schaltplan eines Signalpegelreglers des Standes der Technik, der bereits erörtert wurde.
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In 2 ist ein Schaltplan einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform weist zwei Eingangsanschlüsse IN1 und IN2 zur Aufnahme eines symmetrischen Eingangssignals und zwei Ausgänge OUT1 und OUT2 zur Ausgabe eines symmetrischen Ausgangssignals auf. Ein eventuell im Eingangssignal enthaltener Gleichspannungsanteil wird über die Widerstände R3 und R4 abgeführt. Der Wechselspannungsanteil auf den Eingängen IN1 und IN2 wird über die Kondensatoren C1 und C2 eingekoppelt. Das über den Kondensator C1 eingekoppelte Signal liegt am Basisanschluss des als Transistor T2B ausgebildeten Koppelgliedes an.
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Der Transistor T2B ist ein pnp-Transistor. Der Emitteranschluss ist über den Widerstand R13B mit einer positiven Spannung (Spannungsquelle) verbunden. In gleicher Weise liegt das über den Kondensator C2 eingekoppelte Signal am Basisanschluss des als pnp-Transistor T2A ausgebildeten vierten Koppelgliedes an. Auch hier ist der Emitteranschluss über den Widerstand R13A mit der positiven Spannung verbunden. Die über die Kondensatoren C1 und C2 eingekoppelten Signale bestimmen daher, wie groß der Strom ist, der über die Transistoren T2A und T2B am Kollektoranschluss ausgegeben wird. Der Kollektoranschluss ist in der in 2 gezeigten Situation der Ausführungsform über den Relaisschalter K1 direkt, d.h. lediglich über die kleinen Leitungswiderstände, mit Masse verbunden. Es liegt daher der sogenannte „Mute“-Zusand vor, d. h. der Signalpegelregler hat den Signalpegel auf 0 geregelt. Wird der Relaisschalter K1 geöffnet und beispielsweise stattdessen der Relaisschalter K2 geschlossen, so liegen die Kollektorausgänge der beiden Transistoren T2A und T2B nicht mehr direkt an Masse, sondern über die Widerstände R6 und R7. Folglich baut sich auf den Übertragungsleitungen ein Potential auf, der Signalpegel ist ≠ 0. Wird statt den Relaisschaltern K2 ein anderer Relaisschalter K3 oder K4 oder kein Relaisschalter geschlossen, so werden die Kollektoranschlüsse der Transistoren T2A und T2B über mehrere in Reihe geschaltete Widerstände, z. B. R6, R9, R11 und R22 mit Masse verbunden, wobei sich aufgrund des größeren Ableitungswiderstandes ein größeres Potential auf den Übertragungsleitungen bildet.
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Die mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren T2A und T2B verbundenen Übertragungsleitungen sind wiederum jeweils mit den Basisanschlüssen zweier Transistoren T1A und T1B verbunden. Hier ist eine Stromquelle CR4 über die Widerstände R17 und R17B mit den Emitteranschlüssen der Transistoren T1A und T1B verbunden. Das auf den Übertragungsleitungen am Kollektorausgang der Transistoren T2A und T2B ausgegebene Signal steuert somit die Strommenge, die durch die Transistoren T1A und T1B an deren Kollektorausgang ausgegeben wird. Dieser Ausgang wird über die Kondensatoren C7 und C8 an die beiden Ausgangsanschlüsse OUT1 und OUT2 ausgegeben.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform werden alle Kontakte grundsätzlich mit einem Gleichstrom „durchflutet“, so dass sich der für unbelastete Kontakte typische Klirrfaktor vermeiden lässt.
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Diese Ausführungsform hat den in manchen Anwendungsfällen unerwünschten Nachteil, dass sich die Relaisschalter K1 bis K4 nicht exakt gleichzeitig schalten lassen, so dass es zu Schaltpeaks kommen kann.
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Daher sind die Relaisschalter in der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform durch Dual-MOSFETs T17A-T17B, T18A-T18B, T19A-T19B und T20A und T20B ersetzt worden. Durch Anlegen einer Steuerspannung an den Gate-Anschlüssen können die MOSFETs geschaltet werden. Die Funktionsweise der Ausführungsform von 3 entspricht ansonsten der Funktionsweise der Ausführungsform von 2. Auch hier werden als drittes und viertes Koppelglied die Transistoren T1A und T1B verwendet. Diese Anordnung dient gleichzeitig als Differenzverstärker, so dass mit der gezeigten Schaltung der Signalpegel nicht nur reduziert werden kann, sondern aufgrund der Differenzverstärkeranordnung der Transistoren T1A und T1B, der Widerstände R17A und R17B sowie der Stromquelle CR4 zunächst verstärkt wird, wobei der Verstärkungsfaktor durch entsprechendes Verringern der Ableitungswiderstände mit Hilfe der MOSFET-Schalter reduziert werden kann.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform weist ein entsprechender Verstärker zwei Eingangspaare IN1A, IN1B sowie IN2A und IN2B auf, über die zwei unterschiedliche Audioquellen, z. B. ein CD-Player und ein FM-Tuner, angeschlossen werden können.
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Mit Hilfe der Relaisschalter K1 und K2 können nun wahlweise das erste oder das zweite Eingangspaar mit der Übertragungsleitung gekoppelt werden, ohne dass die Übertragungsleitungen stromlos geschaltet werden müssen. Auch werden die Kontakte der Relaisschalter nicht stromlos geschaltet.
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Durch die vorliegende Erfindung kann eine Lautstärkeregelung mit wenigen und vor allen Dingen kostengünstigen Bauteilen verwirklicht werden, wobei zugleich eine exakte Wiedergabetreue insbesondere bei geringen Signalstärken erreicht wird. Der Klirrfaktor der Kontakte wird deutlich reduziert.
