DE1137082B - Negativer Impedanzwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen negative Impedanzkreise, insbesondere Kreise mit negativen Impedanzwandlern, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich eine Impedanz darstellen, welche im Verhältnis zu einer passiven Abschlußimpedanz negativ ist.

Wie von George Crisson in seinem Aufsatz »Negative Impedances and the Twin 21-Type Repeater« auf S. 485 der Juli-Ausgabe 1931 des Bell System Technical Journal ausgeführt wurde, werden negative Impedanzen in zwei Kategorien eingeteilt. Die erste dieser Kategorien umfaßt negative Impedanzen des sogenannten Reihentyps oder des Typs mit umgekehrter Spannung. Solche negativen Impedanzen sind im offenen Zustand stabil und können im allgemeinen mit einer Übertragungsleitung in Reihe geschaltet werden, um eine Verstärkung hervorzubringen, ohne daß die Leitung selbst schwingend wird. Die zweite Gruppe umfaßt negative Impedanzen des sogenannten Paralleltyps oder des Typs mit umgekehrtem Strom. Solche negativen Impedanzen sind kurzgeschlossen stabil und können im allgemeinen einer Übertragungsleitung parallel geschaltet werden, ohne daß die Leitung selbst schwingend wird. Negative Impedanzen beider Typen werden oftmals zusammen verwendet, um die Dämpfung einer Übertragungsleitung unter denjenigen Pegel herabzusetzen, der bei Verwendung von nur einer einzigen negativen Impedanz erzielt würde. Negative Impedanzen können von vielen Schaltungen erzeugt werden. Die vielseitigsten Schaltungen sind jedoch die als negative Impedanzwandler bekanntgewordenen, die eine Zweipolimpedanz erzeugen, welche im Verhältnis zu einer bestimmten positiven Abschlußimpedanz negativ sind. Diese passive Abschlußimpedanz kann im allgemeinen innerhalb der Grenzen der Stabilität des Wandlers und des Systems nach Belieben geändert werden, so daß sich die erforderliche Kombination aus Verstärkung und Phasenwinkel ergibt. Die erzeugte negative Impedanz ist selbstverständlich nur in dem gewählten Arbeitsfrequenzbereich der Übertragungsleitung vorhanden, mit der sie benutzt wird.

Am zufriedenstellendsten haben bisher negative Impedanzwandler mit positiver Rückkopplung gearbeitet, die sowohl unter Verwendung von Vakuumröhren als auch Transistoren bekannt sind. Beide Typen wandeln positive Abschlußimpedanzen in negative Impedanzen sowohl des Reihen- als auch des Paralleltyps um. Es ist auch bereits bekannt, Wandler für diese beiden Typen negativer Impedanzen gemeinsam zu benutzen, um sprachfrequente Negativer Impedanzwandler

Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. August 1959 (Nr. 831 869)

Arthur Lee Bonner, Andover, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Fernsprechverstärker mit möglichst günstigen Eigenschäften zu schaffen.

Negative Impedanzwandler werden gewöhnlich mit komplexen Abschlußimpedanznetzwerken versehen, die der Impedanz der Übertragungsleitung im Signalfrequenzband genau angepaßt sind. Die Einstellung der Verstärkung solcher Wandler ist jedoch wegen der gegenseitigen Abhängigkeit der Verstärkung und des Phasenwinkels verhältnismäßig schwierig. Jede Änderung des Ohmschen Widerstands des Netzwerks zur Einstellung der Verstärkung erfordert eine kompensierende Einstellung der Reaktanz des Netzwerks, wenn der Phasenwinkel des Verstärkers der gleiche , bleiben soll. Solche Einstellungen sind nicht nur zeitraubend, sondern sie verlangen auch die Verwendung von komplizierten Einrichtungen und eine große Übung des Installations- und Überwachungspersonals.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, diese

komplizierten Einstellungen dadurch zu vermeiden, daß Anpassungsnetzwerke benutzt werden, die die Leitungsimpedanzen an den Anschlußpunkten in im wesentlich rein Ohmsche Widerstände umwandeln, und daß die negativen Impedanzwandler durch rein Ohmsche Widerstände und nicht durch komplexe Impedanzen abgeschlossen werden. Die Verstärkung kann dann durch einfache Einstellung des Ohmschen Widerstandes verändert werden, ohne daß der Phasenwinkel beeinflußt wird. Derartige Anordnungen arbeiten für zahlreiche Zwecke zufriedenstellend,

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aber es bleiben doch einige Schwierigkeiten bestehen, wandler verwendet werden, kann der Phasenwinkel wenn ein Verstärker mit Reihen- und Parallelwandlern erfindungsgemäß nur durch den parallelen Wandler in sprachfrequenten Fernsprechleitungen verwendet erzeugt werden. Dadurch entsteht eine äußerst einwird. Die Gleichstromwählimpulse und andere Signal- fache Schaltung mit einem Minimum an Kosten. Bei impulse, die zur Übertragung notwendig sind, werden 5 einer derartigen Anordnung erhält der Reihenwandler durch die verhältnismäßig großen Sperrkonden- in seinem positiven Rückkopplungsweg kein Phasensatoren, die für einen Parallelwandler mit Ohmschem Schiebenetzwerk, sondern er wird durch einen im Abschluß widerstand benötigt werden, schwerwiegend wesentlichen rein Ohmschen Widerstand abgeschlosgestört. Man hat jedoch festgestellt, daß kleinere sen. Der gesamte Phasenwinkel für den Verstärker Sperrkondensatoren benutzt und die Störungen ver- io wird durch das PhasenscMebenetzwerk im positiven mieden werden können, wenn die Impedanzanpaß- Rückkopplungsweg des parallelen negativen Impenetzwerke so ausgeführt werden, daß die Leitungs- danzwandlers erzeugt. Die Verstärkung wird durch impedanzen in kapazitive Widerstandskomponenten die Ohmschen Abschlußwiderstände beider Wandler umgewandelt und die Wandler entsprechend abge- eingestellt.

schlossen werden. Die Kondensatoren der Abschluß- 15 Ein wichtiger zusätzlicher Vorteil bei der Anwennetzwerke tragen dann dazu bei, die unzulässige dung der Erfindung auf den Parallelwandler eines Dämpfung der Signalimpulse zu verhindern, und er- negativen Impedanzverstärkers mit Reihen- und möglichen damit die Verwendung kleinerer Sperr- Parallelwandlern besteht in der Beeinflussung des kondensatoren. So ist außer den Netzwerken, welche Frequenzgangs des Verstärkers. Wenn erfindungsdie Leitungsimpedanz in einen rein Ohmschen Wider- 20 gemäß ein festes Phasenschiebenetzwerk in den stand umformen, ein Netzwerk bekannt, das die positiven Rückkopplungsweg des Parallelwandlers Leitungsimpedanz in eine normale Impedanz um- eingeschaltet wird, ändert sich die Neigung der formt, welche aus einem Ohmschen Widerstand von Frequenzkennlinie des Verstärkers mit der Einstellung 900 Ohm in Reihe mit einem Kondensator von der Verstärkung. Da die Neigung der Frequenzkenn-2 Mikrofarad besteht. Die dann erforderliche Ver- 25 linie für die Dämpfung der üblichen Fernsprechwendung eines komplexen Abschlußnetzwerks mit Übertragungsleitungen sich mit der Länge ändert und Ohmschem Widerstand und Kapazität für die par- mit ihr auch die Dämpfung der Leitung, ergibt sich allelen negativen Impedanzwandler zur Vermeidung eine nahezu ideale Arbeitsweise des Verstärkers, von Störungen der Signalimpulse läßt jedoch das Ein besseres Verständnis der Erfindung erzielt man ursprüngliche Problem der gegenseitigen Abhängig- 30 an Hand der nachfolgenden eingehenden Erläuterung keit der Verstärkung und des Phasenwinkels wieder spezieller Ausführungsbeispiele, auftreten. Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schema eines ein-Die Erfindung will die Schwierigkeiten vermeiden seitigen, parallelen, negativen Impedanzwandlers mit und einen negativen Impedanzwandler schaffen, der Transistoren, der die Erfindung verkörpert; wenigstens einen Transistor mit einer Emitter- 35 Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schema eines im elektrode, einer Kollektorelektrode und einer Basis- Gegentakt geschalteten parallelen negativen Impeelektrode, eine Abschlußimpedanz, welche die Basis- danzwandlers mit Transistoren, der die Erfindung elektrode mit einer der Transistorelektroden ver- verkörpert;

bindet, einen kombinierten Eingangs- und Ausgangs- Fig. 3 zeigt ein Schema eines vollständigen, in

kreis, welcher die Basiselektrode mit der anderen 40 Gegentakt geschalteten, sprachfrequenten, negativen

Transistorelektrode verbindet, und einen positiven Impedanz-Fernsprechverstärkers mit Transistoren,

Phasenumkehr-Rückkopplungskreis, welcher die KoI- der die Erfindung verkörpert, und bei dem sowohl

lektor- und Basiselektroden verbindet, aufweist. Sie Reihen- als auch parallele, negative Impedanzwandler

empfiehlt dazu, daß die Abschlußimpedanz im verwendet werden.

wesentlichen aus einem Ohmschen Widerstand be- 45 Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung der steht, der die Verstärkung des Wandlers festlegt, und Erfindung wird nur ein einziger p-n-p-Transistor 10 daß in dem positiven Rückkopplungskreis ein Phasen- verwendet. Sämtliche Vorspannungskreise sind der Schiebenetzwerk enthalten ist, das den Phasenwinkel Einfachheit halber weggelassen, ferner ist aus dem des Wandlers im wesentlichen auf den Phasenwinkel gleichen Grunde angenommen, daß der Transistor 10 des Phasenschiebenetzwerks festgelegt und von der 50 nahezu ideale Eigenschaften aufweist. Mit anderen Wandlerverstärkung im wesentlichen unabhängig Worten: es ist angenommen, daß der Transistor 10 macht. einen Stromvervielfachungsfaktor α in Basisschaltung Der Wandler besitzt nun einen konstanten Phasen- gleich Eins hat, daß er keinen Basisstrom aufnimmt winkel, der unabhängig von der Verstärkung ist, und und daß er einen inneren Emitter-Basis-Widerstand eine Einstellung der Verstärkung kann durch einfache 55 Null aufweist. Obwohl die tatsächlichen Eigenschaf-Änderung der Größe des Ohmschen Abschlußwider- ten von Transistoren etwas hiervon abweichen, bleibt Standes durchgeführt werden. Bei der Anwendung die Annahme ausreichend genau, um die Berechnunauf den parallelen Wandler eines sprachfrequenten gen als brauchbare Näherung der tatsächlichen Femsprechverstärkers mit negativer Impedanz erlaubt Arbeitskreise erscheinen zu lassen. Ein Transistor die Erfindung eine ausreichende Herabsetzung der 60 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp kann selbst-Größe der Sperrkondensatoren, um eine Verzerrung verständlich mit gleichem Erfolg benutzt werden, der Gleichstrom-Signalisierimpulse zu vermeiden. Der In Fig. 1 führt ein veränderlicher Abschlußwider-Wandler erhält einen Phasenwinkel, der demjenigen stand 11 vom Emitter oder der stromemittierenden der Leitung an jedem Verstärkerpunkt angepaßt ist, Elektrode des Transistors 10 zur Erde. Da der Wand- und zwar durch die Verwendung geeigneter Impe- 65 ler im wesentlichen eine Zweipoleinrichtung ist, die danzanpaßnetzwerke. eine negative Impedanz zwischen zwei Klemmen Bei einem negativen Impedanzverstärker, bei dem darstellt, wie eine gewöhnliche passive Impedanz eine sowohl Reihen- als auch parallele negative Impedanz- positive Impedanz zwischen ihren beiden Klemmen

darstellt, sind keine getrennten Eingangs- und Ausgangskreise vorhanden. Diese sind statt dessen kombiniert. In Fig. 1 ist dieser kombinierte Eingangsund Ausgangskreis zwischen den Kollektor oder die stromaufnehmende Elektrode des Transistors 10 und Erde geschaltet. Die Basiselektrode des Transistors 10, die als Steuerelektrode für zwischen der Emitter- und der Kollektorelektrode fließenden Strom wirkt, ist über die Primärwicklung eines Phasenumkehrtransformators 12 zur Erde geführt. Der positive Rückkopplungsweg, der für die Arbeitsweise des Wandlers notwendig ist, wird durch die Sekundärwicklung des Transformators 12 vervollständigt, die von der Kollektorelektrode des Transistors 10 zur Erde führt. Schließlich ist das Phasenschiebenetzwerk der Erfindung in den positiven Rückkopplungsweg eingefügt. Insbesondere führt ein Widerstand 13 unmittelbar von der Kollektorelektrode des Transistors 10 zur Erde, während ein Kondensator 14 in Reihe zwischen der Kollektorelektrode des Transistors 10 und der Sekundärwicklung des Transformators 12 liegt.

Die Art und Weise, in der der negative Impedanzwandler der Fig. 1 eine negative Impedanz an die kombinierten Eingangs- und Ausgangsklemmen her- S5 vorbringt, kann sehr einfach erklärt werden. Das durch den Widerstand 13 und den Kondensator 14 gebildete Phasenschiebenetzwerk wird bei dieser ersten rohen Erläuterung vernachlässigt. Die an den Wandlerklemmen erscheinende Spannung wird in der Phase durch den Transformator 12 umgekehrt und der Basiselektrode des Transistors 10 zugeführt. Sie erscheint somit wegen des geringen inneren Widerstands des Transistors zwichen dem Emitter und der Basis an dem Emitter praktisch unvermindert. Diese Spannung bewirkt, daß ein Strom in dem Abschlußwiderstand 11 fließt. Praktisch fließt der gesamte Strom in den Emitter und aus dem Kollektor des Transistors 10. Der aus dem Kollektor fließende Strom ist jedoch in der Phase gegen den aus der äußeren Leitung fließenden Strom umgekehrt. Die Wirkung des Kreises besteht somit darin, eine negative Impedanz an seinen äußeren Klemmen zu erzeugen. Da der aus dem Kollektor fließende Strom in der Phase umgekehrt ist, wird die negative Impedanz als Impedanz mit »umgekehrtem Strom« gekennzeichnet.

Die soeben gegebene rohe Erläuterung der Arbeitsweise des Wandlers berücksichtigt selbstverständlich nicht die Erfindung. Die Wirkung der Erfindung wird am besten durch einige einfache Rechnungen erläutert. Die Symbole für diese Rechnungen sind in Fig. 1 angegeben: Z ist die Impedanz, welche der Wandler an seinen kombinierten Eingangs- und Ausgangsklemmen darbietet, V ist die Spannung an diesen Klemmen, Z₁ ist der Strom, der in die ungeerdete Wandlerklemme hinein und aus der geerdeten Klemme herausfließt, L ist der Strom, der im Abschlußwiderstand 11 und in dem inneren Emitter-Kollektor-Weg des Transistors 10 fließt, i„ ist der Strom, der durch den Kondensator 14 fließt, z₄ ist der Strom, der durch den Widerstand 13 fließt, N ist der Wert des Widerstands 11, R ist der Wert des Widerstands 13, und —JX ist die Impedanz des Kondensators 14.

Es sei Die Kreisgleichungen der Fig. 1 sind

i_x = ~i_a, (2)

h = h + i_v Ο)

V= i₂N (4)
und

F = /Z₃Z + i,R. (5)

Aus den Gleichungen (2), (3) und (4) ergibt sich:

V = -I₁JV + I₄JV. (6)

Aus den Gleichungen (2) und (5) ergibt sich:

V = -Ji₁X + i₄Ä. (7)
Lösen der Gleichungen (6) und (7) nach Z₁ ergibt.

V(R-^
¹ N(R - JX)

Aus den Gleichungen (1) und (8) ergibt sich die endgültige Lösung für Z:

Z =

(D

Aus der Gleichung (9) wird klar, daß der Phasenwinkel von Z nur durch die Größen von R und X bestimmt ist und daß er in keiner Weise von N abhängt. Die Größe von N kann daher nach Belieben verändert werden, um die Verstärkung des Verstärkers einzustellen, ohne den Phasenwinkel der entstehenden negativen Impedanz zu beeinflussen. Der Kondensator 14 des Phasenschiebenetzwerks erlaubt überdies die Verwendung von verhältnismäßig kleinen Sperrkondensatoren des Wandlers, da seine Wirkung die Wirkungen der Sperrkondensatoren unterstützt. Somit wird durch die vorliegende Erfindung mit einer äußerst einfachen Schaltung eine vereinfachte Einstellung der Verstärkung und eine Vermeidung einer Verzerrung der Signalisierungsimpulse erzielt.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung der Erfindung unterscheidet sich von der Fig. 1 dadurch, daß sie zwei Transistoren 20 und 21 enthält, die so angeordnet sind, daß sie im Gegentakt arbeiten. Beide Transistoren weisen den gleichen Leitfähigkeitstyp auf, wobei ein veränderlicher Abschlußwiderstand 22 zwischen ihren Emitterelektroden liegt. Der kombinierte Eingangs- und Ausgangskreis für den Wandler liegt zwischen den Kollektorelektroden 20 und 21. Die positive Rückkopplung bei dem in Fig. 2 dargestellten negativen Impedanzwandler wird durch die Kreuzverbindung von der Kollektorelektrode jedes Transistors zur Basiselektrode des anderen erzielt. Das erfindungsgemäße feste Phasenschiebenetzwerk nimmt in Fig. 2 die Form eines Widerstands 23 an, der unmittelbar zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 20 und 21 liegt, ergänzt durch die Kondensatoren 24 und 25, die zwischen jedem Ende des Widerstands 23 und der Basiselektrode des entgegengesetzten Transistors liegen. Wie in Fig. 1 können Transistoren jedes Leitfähigkeitstyps benutzt werden, wenn auch Transistoren des p-n-p-Typs dargestellt sind. Wiederum sind der Einfachheit halber ideale Transistoren angenommen.

Die Wirkung der Erfindung auf die Arbeitsweise des Gegentaktwandlers der Fig. 2 kann in einer Weise gezeigt werden, die sich eng an die mathematische Erklärung der Fig. 1 anlehnt. Es werden die gleichen Symbole verwendet: Z ist die Impedanz, die der

Wandler darbietet; V ist die Spannung an seinen Klemmen; Z₁ ist der Strom, der in den Wandler und aus ihm herausfließt; Z₂ ist der Strom, der durch den Abschlußwiderstand 22" und in den inneren Emitter-Kollektor-Wegen der Transistoren 20 und 21 fließt; Z₃ ist der Strom, der durch die Kondensatoren 24 und 25 fließt; z₄ ist der Strom im Widerstand 23; N ist der Wert des Abschlußwiderstands 22; R ist der

Wert des Netzwerkswiderstands 23; — j'y ist die Impedanz jedes der Kondensatoren 24 und 25.
In Fig. 2 lauten die Kreisgleichungen:

(10)
h, (H)

V = L₂N

V = /Z₃Z + Z₄

(12)
(13)

Die entgegengesetzten Enden der Wandlerwicklung 34 des Transformators 31 sind mit den Emitterelektroden der Gegentakt-p-n-p-Transistoren 35 und

36 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren 5 35 und 36 sind unmittelbar mit den entsprechenden Emitterelektroden der Gegentakt-p-n-p-Transistoren

37 und 38 verbunden. Die Kollektorelektroden der Transistoren 35 und 37 sind miteinander verbunden, ebenso die Kollektorelektroden der Transistoren 36

10 und 38. Die Transistoren 35 und 37 wirken somit als ein zusammengesetzter Transistor, ebenso die Transistoren 36 und 38.

Die Basiselektroden der Transistoren 35 und 36 sind über zwei Reihenwiderstände 39 und 40 mitein-

15 ander verbunden, während die Basiselektroden der Transistoren 37 und 38 über zwei Reihenwiderstände 41 und 42 miteinander verbunden sind. Diese Widerstände dienen nicht nur dazu, die entsprechenden

bis (5) der Fig. 1 sind. Die Lösung für Z ist daher ebenfalls identisch:

2, =

(Η,

Transistoren auf ihren richtigen Arbeitspunkt vorzu-Man sieht, daß die Gleichungen (10), (11), (12) 20 spannen, sondern auch die Ströme durch die Tran- und (13) offenbar identisch mit den Gleichungen (2) sistoren bei Stromstößen durch Blitze auf der Übertragungsleitung herabzusetzen. Zwei Widerstände 43 und 44 liegen in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 39 und 40 und dem Verbin-25 dungspunkt der Widerstände 41 und 42, derart, daß ■*^v " ■^iv sie einen Spannungsteiler bilden. Der erstgenannte

Während die Ausführungen der Erfindung in Fig. 1 Verbindungspunkt ist geerdet, während der Verbin- und 2 vereinfachte, parallele, negative Impedanz- dungspunkt zwischen den Widerständen 43 und 44 Wandler darstellen, ist die in Fig. 3 dargestellte Aus- mit der Mittelanzapfung der Transformatorwicklung führung ein vollständiger sprachfrequenter Fern- 30 34 verbunden ist.

Die Verstärkung des Reihenwandlers ist durch die Einstellung eines veränderlichen Abschlußwiderstandes 45 festgelegt, der unmittelbar zwischen den KoI-lektorelektroden der Transistoren 37 und 38 liegt.

sprechverstärker mit negativer Impedanz, bei dem
sowohl Reihen- als auch Parallelwandler verwendet
werden, und die mit einer normalen sprachfrequenten
Zweidraht-Fernsprechübertragungsleitung 30 verbunden sind. Der Phasenwinkel des in Fig. 3 dargestellten 35 Um eine Spannungsversorgung für die Kollektoren Verstärkers rührt ausschließlich von dem parallelen der Transistoren mit hoher Wechselstromimpedanz Wandler her. Die Verstärkung wird jedoch durch zu schaffen, ist ferner eine Spule 46 mit Mittelanzap-Einstellen der Größen der Abschlußwiderstände fung zwischen die Kollektorelektroden der Transistobeider Wandler eingestellt. Die Verstärkung wird ren37 und 38 geschaltet. Ein Kondensator 47 liegt erhöht, indem der Abschlußwiderstand des Reihen- 40 parallel zur Spule 46. Die gesamte Parallelimpedanz Wandlers erhöht und der Abschlußwiderstand des der Spule 46, des Kondensators 47 und des veränder-Parallelwandlers herabgesetzt wird. Die Verstärkung liehen Abschlußwiderstandes 45 ist geringer als die wird durch die entgegengesetzten Einstellungen herab- Impedanz, welche der Transformatorwicklung 34 gesetzt. dargeboten wird, so daß in dem Reihenwandler die

Der Reihenwandler bei der in Fig. 3 dargestellten 45 Stabilität gegen Selbsterregung erhalten bleibt. Die Ausführung der Erfindung ähnelt stark dem Gegen- Induktivität der Spule 46 liegt nahe bei der Selbsttakt-Reihenwandler bekannter Art. Jeder Transistor induktivität des Leitungstransformators 34, ist jedoch der bekannten Schaltung ist jedoch bei der vorliegen- etwas geringer. Die Wirkungen der beiden Induktividen Schaltung durch zwei Transistoren in Fig. 3 täten suchen sich daher aufzuheben, da sie nahezu ersetzt, um weitergehend ideale Transistoreigenschaf- 50 gleich sind. Die Induktivität der Spule 46 ist jedoch ten zu erzielen. Das α des zusammengesetzten Tran- kleiner, um eine Stabilität bei sehr niedriger Frequenz sistors liegt näher an Eins als das α eines einzelnen sicherzustellen, wo die Induktivitätsfaktoren vorTransistors, und die Verstärkung der Schaltung herrschend sind. Bei sehr hohen Frequenzen wird die bleibt im wesentlichen konstant ohne Rücksicht auf Stabilität durch die Überbrückungswirkung des Konnormale Änderungen der einzelnen Verstärkungs- 55 densators 47 sichergestellt.

faktoren. Jeder zusammengesetzte Transistor arbeitet Die Spannungsversorgungsschaltung im Reihenteil

jedoch im wesentlichen als einzelner Transistor und des in Fig. 3 dargestellten negativen Impedanzwand-

kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung als lers wird durch einen Widerstand 48 vervollständigt,

Einzeltransistor behandelt werden. der zwischen dem Mittelpunkt der Spule 46 und dem

Der Reihenwandler in Fig. 3 ist mit der Über- 60 Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 41 tragungsleitung 30 über einen Transformator 31 ge- und 42 liegt. Eine negative Gleichspannungsquelle, koppelt, der eine geteilte Leitungswicklung hat, die die in üblicher Weise durch die Batterie 49 dargestellt zwei gleiche Wicklungen 32 und 33 in einer symme- wird, ist mit der Mittelanzapfung der Spule 46 vertrischen Reihenschaltung mit der Leitung ergeben. bunden. Die Widerstände 43, 44 und 48 teilen die Beide Hälften der Leitungswicklung sind zur Verbin- 65 Spannung der Quelle 49, um die richtigen Vorspandung mit dem parallelen Wandler mit Mittelanzap- nungen für sämtliche Transistoren zu liefern. Schließfungen versehen. Die Reihenwandlerwicklung 34 des lieh werden die positiven Rückkopplungswege, die Transformators 31 ist ebenfalls eine Mittelanzapfung. für die Arbeitsweise des Wandlers notwendig sind,

durch einen Kopplungskondensator Ξ© geschaffen, der zwischen der Basiselektrode des Transistors 37 und der Kollektorelektrode des Transistors 38 liegt, ferner durch einen Kopplungskondensator S3, der zwischen der Basiselektrode des Transistors 38 und der KoI-lektorelektrode des Transistors 37 liegt.

Die Arbeitsweise des in Fig. 3 dargestellten Reihenwandlers ist derjenigen der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Parallelwandler gerade entgegengesetzt. Praktisch der gesamte Strom, der aus der Leitung in jeden zusammengesetzten Transistor fließt, fließt aus den Kollektorelektroden in den Abschlußwiderstand 45. Diese Spannung wird durch die Kondensatoren 50 und 51 zu den Basiselektroden der Transistoren und von dort zu den äußeren Wandlerklemmen wegen der geringen Arbeitsimpedanzen zwischen dem Emitter und der Basis praktisch unvermindert geführt. Demnach ist die Spannung an den äußeren Wandlerklemmen praktisch gleich dem negativen Wert der Spannung an dem Abschlußwiderstand 45, und die Impedanz an den Wandlerklemmen ist der negative Wert des Ohmschen Widerstands des Abschlußwiderstands 45. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung der Erfindung wird durch den Reihenwandler kein Phasenwinkel beigesteuert.

Der Parallelwandler in der in Fig. 3 dargestellten Ausführung der Erfindung ist eine vollständigere Version des in Fig. 2 dargestellten parallelen, negativen Impedanzwandlers. Er ist nahezu gleich einem parallelen Gegentaktwandler der bisherigen Art, jedoch enthält er in seinem positiven Rückkopplungsweg entsprechend den Lehren der Erfindung ein festes Phasenschiebenetzwerk, um einen Phasenwinkel beizusteuern, der unabhängig von der Verstärkung des Verstärkers ist.

Der Parallelwandler der Fig. 3 enthält ein erstes Paar von Gegentakt-p-n-p-Transistoren 60 und 61 und ein zweites Paar von Gegentakt-p-n-p-Transistoren 62 und 63. Sowohl die Transistoren 60 und 62 als auch die Transistoren 61 und 63 sind als zusammengesetzte Transistorschaltung geschaltet. Die KoI-lektorelektroden der Transistoren 60 und 62 sind zusammengeschaltet, ebenso sind die Kollektorelektroden der Transistoren 61 und 63 miteinander verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 60 ist unmittelbar mit der Basiselektrode des Transistors 62 verbunden. Ebenso ist die Emitterelektrode des Transistors 61 unmittelbar mit der Basiselektrode des Transistors 63 verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren 60 und 61 sind durch zwei Reihenwiderstände 64 und 65 verbunden, während die Basiselektroden der Transistoren 62 und 63 durch zwei ebensolche Reihenwiderstände 66 und 67 verbunden sind. Alle vier Widerstände dienen nur dazu, die Transistoren auf ihre richtigen Arbeitspunkte vorzuspannen sowie Stromstöße herabzusetzen, die durch Blitzeinschläge auf der Übertragungsleitung 30 verursacht werden.

Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 64 und 65 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 66 und 67 durch einen Widerstand 68 verbunden. Der erstgenannte Verbindungspunkt ist über einen Spannungsabfallwiderstand 69 mit einer negativen Gleichspannungsquelle verbunden, die in üblicher Weise durch eine Batterie 70 dargestellt ist, während der letztgenannte Verbindungspunkt geerdet ist. Zwei verhältnismäßig große Widerstände 71 und 72 liegen in Reihe zwischen den Emitterelektroden der Transistoren 62 und 63, wobei der Verbindungspunkt zwischen diesen Widerständen ebenfalls geerdet ist. Die Widerstände 71 und 72 vervollständigen den Emitter-Vorspannungskreis für die Transistoren 62 und 63, während die Widerstände 68 und 69 zusammenwirken, um den richtigen Emitterstrom und die richtige Kollektorspannung für sämtliche Transistoren in dem parallelen Wandler festzulegen.

Entsprechend einem Hauptmerkmal der Erfindung ist der in Fig. 3 dargestellte parallele negative Impedanzwandler nicht nur mit einem im wesentlichen rein Ohmschen Abschlußwiderstand versehen, sondern auch mit einem positiven Rückkopplungsweg, der ein festes Phasenschiebenetzwerk enthält. Ein veränderlicher Abschlußwiderstand 73 liegt unmittelbar zwischen den Emitterelektroden der Transistoren 62 und 63. Eine positive Rückkopplung erhält man in dem in Fig. 3 dargestellten parallelen Wandler durch die beiden Transformatoren 74 und 75. Der Transformator 74 ergibt keine Phasenumkehr, seine Sekundärwicklung 76 liegt in Reihe mit einem Kondensator 77 des Phasenschiebenetzwerks unmittelbar zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 60 und 61. Der Transformator 75 liefert andererseits eine Phasenumkehr, seine Sekundärwicklung 78 liegt in Reihe mit einem Rückkopplungskondensator 79 unmittelbar zwischen den Basiselektroden der Transistoren 60 und 61. Die Schaltung wird durch zwei verhältnismäßig große Phasenschiebenetzwerkwiderstände 80 und 81 vervollständigt, die in Reihe zwisehen den Kollektorelektroden der Transistoren 60 und 61 liegen. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 80 und 81 ist mit einer negativen Gleichspannungsquelle verbunden, die in üblicher Weise durch eine Batterie 82 dargestellt ist.

Der in Fig. 3 dargestellte parallele Wandler ist mit Hilfe der Primärwicklungen der Transformatoren 74 und 75 mit der Übertragungsleitung 30 verbunden. Die Primärwicklung 83 des Transformators 74 liegt in Reihe mit einem anderen Phasenschiebenetzwerkskondensator 84 zwischen den Mittelanzapfungen der Wicklungen 32 und 33 des Leitungstransformators 31. Eine ähnliche Reihenschaltung enthält die Primärwicklung 85 des Transformators 75 und einen zweiten Rückkopplungskondensator 86. Die Wicklung 85 ist durch einen Widerstand 87 überbrückt.

Das in dem parallelen Wandler entsprechend der Erfindung enthaltene Phasenschiebenetzwerk besteht aus den Kondensatoren 77 und 84 sowie den Widerständen 80 und 81. In Gleichung (14), die an Hand der Fig. 2 entwickelt wurde, entsteht der Faktor R aus dem gesamten Reihenwiderstand der Widerstände 80 und 81, während der Faktor X durch die gesamte Reihenkapazität der Kondensatoren 77 und 84 bestimmt ist. Der Phasenwinkel, der hierdurch zu der negativen Impedanz beigesteuert wird, welche durch den parallelen Wandler und den Verstärker als Ganzes hervorgerbracht wird, ist von der Einstellung der Verstärkung beider Wandler unabhängig.

Wenn auch die Transformatoren 74 und 75 im Rückkopplungsweg des in Fig. 3 dargestellten parallelen Wandlers liegen, so sind ihre Ohmschen Widerstände und Induktivitäten doch derart, daß sie keine nennenswerte Wirkung auf den Phasenwinkel des Wandlers im sprachfrequenten Band ausüben. Beide dienen dazu, irgendwelche Längsströme zu sperren, die auf der Übertragungsleitung 30 vorhanden sein können, und sie daran zu hindern, die Transos 658/291

sistorvorspannungen zu stören. Der Transformator 75 ergibt ferner selbstverständlich die notwendige Phasenumkehr für den positiven Rückkopplungsweg an den beiden zusammengesetzten Transistorkreisen. Die Kondensatoren 84 und 86 sind beide verhältnismäßig klein, um die Entstehung eines Parallelweges für Signalisierungs- und Wählerströme zu verhindern, welche ohne Dämpfung durch den Verstärker gehen sollen. Durch die Kondensatoren 77 und 79 wird verhindert, daß die beiden Transformatoren 74 und 75 die Transistorvorspannungen beeinflussen; sie sind ebenfalls verhältnismäßig klein in bezug auf die Übertragungsleitung 30.

Beide Wandler des in Fig. 3 dargestellten negativen Impedanzverstärkers sind bei Frequenzen außerhalb wie auch innerhalb des sprachfrequenten Bandes für jede Abschlußbedingung stabil, die in der Praxis vorkommen könnte. Als unmittelbares Ergebnis der Erfindung ist überdies der Verstärker als Ganzes in seiner Schaltung und Arbeitsweise viel einfacher als irgendein vergleichbarer Verstärker der bisherigen Technik. Die Verstärkung wird nur durch die Einstellung eines Ohmschen Widerstandes verändert, wobei ein Phasenwinkel erhalten bleibt, der stets der Leitung angepaßt ist. Wegen der verhältnismäßig kleinen Sperr- und Phasenüberbrückungskondensatoren, die für den parallelen Wandler benötigt werden, besteht keine wesentliche Störung der Signalisierungs- und Wählerströme auf der Leitung.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Negativer Impedanzwandler, der wenigstens einen Transistor mit einer Emitterelektrode, einer Kollektorelektrode und einer Basiselektrode, eine Abschlußimpedanz, welche die Basiselektrode mit einer der Transistorelektroden verbindet, einen kombinierten Eingangs- und Ausgangskreis, welcher die Basiselektrode mit der anderen Transistorelektrode verbindet, und einen positiven Phasenumkehr-Rückkopplungskreis, welcher die Kollektor- und Basiselektroden verbindet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußimpedanz im wesentlichen aus einem Ohmschen Widerstand besteht, der die Verstärkung des Wandlers festlegt, und daß in dem positiven Rückkopplungskreis ein Phasenschiebenetzwerk enthalten ist, das den Phasenwinkel des Wandlers im wesentlichen auf den Phasenwinkel des Phasenschiebenetzwerks festlegt und von der Wandlerverstärkung im wesentlichen unabhängig macht.

2. Negativer Impedanzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasensehiebenetzwerk kapazitiv ist.

3. Negativer Impedanzwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußimpedanz die Basiselektrode mit der Emitterelektrode und daß der kombinierte Eingangs- und Ausgangskreis die Basiselektrode mit der Kollektorelektrode verbindet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 959 561;
USA.-Patentschrift Nr. 2 745 068;
»Post Off. E.E. Journal«, Part3, 1958, Oktober, bis 211.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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