DE1283911B - Schaltungsanordnung zur Pegelverschiebung elektrischer Signale auf einer UEbertragungsleitung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der Signalspannung überlagerten Verschiebespanzur Pegelverschiebung auf einer eine Signalquelle nung,

und einen Empfänger verbindenden Übertragungs- F i g. 5 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemä-

leitung. ßen Schaltungsanordnung mit abgewandelter Aus-

Derartige Schaltungsanordnungen werden in elek- 5 führung der Schiebespannungsquellen, ironischen Anlagen benötigt, bei denen der Gleich- F i g. 6 eine Ausführungsform der Schiebespan-

strompegel eines Ausgangssignals einer Schaltung an nungsquellen als Emitterfolgestufen, die Eingangsbedingungen einer zweiten Schaltung an- F i g. 7 den schematischen Aufbau einer weiteren

gepaßt werden muß. Die gebräuchlichen Schaltungs- Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen zur Pegelverschiebung haben den Nach- io anordnung und

teil, daß sie entweder das zu übertragende Signal zu Fig. 8A bis 8C die Wirkungsweise der in Fig. 7

stark bedampfen und damit die Signalquelle zu sehr dargestellten Schaltungsanordnung, belasten oder infolge der Verwendung von reaktanz- Die Ziele der Erfindung werden mit einer Schalbehafteten Bauelementen die Bandbreite begrenzen. tungsanordnung zur Gleichstrom-Pegelverschiebung Weiterhin haben die meisten bekannten Schaltungs- 15 erreicht, die in eine Übertragungsleitung eingefügt anordnungen zur Pegelverschiebung den Nachteil, wird, wobei der Wellenwiderstand Z₀ der Übertradaß der Betrag der Pegelverschiebung durch die gungsleitung und die Empfängerimpedanz R_L etwa Wahl der passiven Schaltungselemente festgelegt ist gleich groß sind. Die Anordnung ist gemäß F i g. 3 und nicht in einfacher Weise verändert werden so aufgebaut, daß über die Übertragungsleitung kein kann. 20 StTOmJ₁ fließt, wenn die Spannung der Signalquelle

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Schaltungs- E₅ Null ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeianordnung zur Pegelverschiebung anzugeben, die die spiel ist die Schaltungsanordnung folgendermaßen Verschiebung von Signalen in einem Frequenzbereich zusammengesetzt. Ein erster Widerstand R_s ist in gestattet, der sich von der Frequenz Null bis in das Serie zu einer Ader der Übertragungsleitung geschal-Gebiet von Gigahertz erstreckt. Weiterhin soll die 25 tet. Ein zweiter Widerstand R₁ mit in Reihe liegender Größe der Verschiebung elektronisch steuerbar sein erster steuerbarer Gleichspannungsquelle E₁ über- und die Signalquelle durch das Vorhandensein der brückt die Übertragungsleitung an dem der Signalerfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht beein- quelle zugewandten Ende des ersten Widerstandes, flußt werden. Ein dritter Widerstand R₂ mit in Reihe liegender

Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, 30 zweiter veränderbarer Gleichspannungsquelle E₂ überdaß in die Übertragungsleitung ein Widerstandsnetz- brückt die Leitung an dem der Last zugewandten werk mit mindestens einem Längsglied im Hinleiter Ende des ersten Widerstandes. Die beiden Gleich- und zwei die Enden des Längsgliedes mit dem Rück- Spannungsquellen sind dabei entgegengesetzt gepolt, leiter verbindenden, jeweils eine Spannungsquelle in Die Werte der Schaltelemente dieser Anordnung

Serienschaltung enthaltenden Quergliedern einge- 35 müssen nun folgende Beziehungen genügen: schaltet ist und die Spannungsquellen entgegengesetzt ir _l 1

gepolt sind. R=R=Z , (1)

Weiterhin wird vorgeschlagen, die Spannungs- ^{1 2 0}K-I'

quellen steuerbar zu machen. K² — l

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Span- 40 R_s = Z₀ — , (2)

nungsquellen aus Verstärker stuf en gebildet sind, ²

deren Innenwiderstand in den Widerstand der Quer- g_z

glieder eingerechnet ist. Als besonders geeignet er- -g— ⁼ ~K, (3)

weisen sich Spannungsquellen, die aus Emitterfolge- ^%

stufen gebildet sind. 45 _ K . .

Weiterhin kann die Anordnung so ausgebildet sein, * ~ ° (K- I)²"

daß als Spannungsquelle ein Übertrager dient und die

Querglieder jeweils über eine von zwei durch eine In diesen Gleichungen entspricht K dem Verhältnis

Anzapfung gebildeten Teilwicklungen der Sekundär- von Eingangsspannung (-strom) zu Ausgangsspanwicklung des Übertragers mit dem Rückleiter ver- 5° nung (-strom) des Dämpfungsgliedes. Die Gleichungen bunden sind. beinhalten die Beziehungen zwischen den einzelnen

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung Schaltelementen der betrachteten Anordnung, die ergeben sich aus den nachstehend beschriebenen und erfüllt sein müssen, damit der Pegelschieber in gein der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. wünschtem Sinne arbeitet. Die betrachtete Schal-Es zeigt 55 tungsanordnung zur Pegelverschiebung ist bei ver-

Fig. 1 das Ersatzschaltbild einer typischen, in tretbarer Dämpfung des Eingangssignals außer-Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schaltungs- ordentlich breitbandig, wenn geeignete Widerstände anordnung verwendeten Signalquelle, verwendet werden. Die angegebenen Gleichungen

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Signalquelle und geben klar und eindeutig die notwendigen Bezieeiner Schiebespannungsquelle E₀ einer idealen Schal- 60 hungen wieder. Wie man zu diesen Vorschriften tungsanordnung zur Pegelverschiebung. kommt, wird noch erläutert.

F i g. 3 schematisch ein bevorzugtes Ausführungs- Bei der folgenden Erörterung wird von der Glei-

beispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord- chung (4) ausgegangen. Durch diese Gleichung ist die nung zur Pegelverschiebung in Verbindung mit einer tatsächliche Verschiebespannung E₀ definiert. Es ist Signalquelle, einer Übertragungsleitung und einem 65 selbstverständlich Voraussetzung, daß der Betrag, Empfänger, um den oder der Bereich, in dem eine Pegelverschie-

Fig. 4A und 4B die Wirkung der erfindungs- bung stattfinden soll, bekannt ist. Ist also der Betrag gemäßen Schaltungsanordnung mit und ohne einer der gewünschten Pegelverschiebung E₀ bekannt und

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die Spannung E₁ einmal festgelegt, so erhält man aus ventionelles Pi-Dämpfungsglied, das durch die ge-

der Gleichung (4) einen Wert für den bereits vorher nannten Gleichungen (1) und (2) bestimmt ist.

definierten Faktor K. Durch Einsetzen von K und Es sei darauf hingewiesen, daß die eigentliche

dem festgelegten Wert von E₁ erhält man aus der Pegelverschiebung durch den durch den Widerstand

Gleichung (3) einen Wert für E₂. Nunmehr können 5 R₃ fließenden Strom l_L bewirkt wird. Weiterhin ist zu

aus den Gleichungen (1) und (2) die WiderständeR₁, bemerken, daß mit den in Fig. 3 gezeigten Polari-

R₂ und R₃ errechnet werden. Die Festlegung des täten der Spannungen E₁ und E₂ die Polarität der

Wertes von E₁ ist eine Ermessungsfrage, denn er be- resultierenden Verschiebespannung E₀ negativ ist.

einflußt den Wert von K und weiterhin die Wider- Das kann aus Gleichung (4) abgelesen werden, in der

stände R₁, R₂ und R₁₁. io ein positiver Wert von E₁ einen negativen Wert von

Bekannte "Methoden zur Pegelverschiebung auf E₀ ergibt.

Übertragungsleitungen haben den unerwünschten Angenommen, es sei der gewünschte Betrag der Nachteil, daß die Änderungen des Gleichstrompegels Pegelverschiebung E₀ und die Größe der Spannungs-Änderungen der Amplitude oder Verzerrungen der quelle E₁ festgelegt, so können die Werte von K, E₂, Wellenform des eigentlichen, über die Leitung über- 15 A₁, R₂ und R₃ aus den Gleichungen (1), (2) und (3) tragenen Wechselstromsignals nach sich ziehen. Um- errechnet werden. Ist aber einmal ein Wert für K aus gekehrt beeinflussen Amplitude und Frequenz des Gleichung (4) abgeleitet, so liegen die Werte für die Wechselstromsignals auch den Gleichstrompegel. drei Widerstände R₁, R₂ und R₃ fest. Wenn daher Die verhältnismäßig einfache erfindungsgemäße bei feststehendem Wert der drei Widerstände der Be-Schaltungsanordnung verhindert diese gegenseitige 20 trag der Verschiebespannung E₀ verändert werden Beeinflussung. soll, so muß Gleichung (4) mit einem neuen Wert für

Die in den Fig. 4A und 4B dargestellten Wellen- E₁ und mit festbleibendem Wert für K erneut gelöst

züge verdeutlichen die Wirkung einer Pegelverschie- und anschließend der neue Wert von E₂ bestimmt

bung, wie sie bei der erfindungsgemäßen Schaltungs- werden.

anordnung erzielt wird. Fig. 4A zeigt ein Wechsel- 35 Die Gleichungen (1) bis (4) wurden unter Anwenstromsignal mit einem konstanten Gleichstromanteil a. dung der Kirchhoffschen Gesetze aufgestellt, indem Fig. 4B zeigt dasselbe Wechselstromsignal mit einer zweckmäßige Gleichungen abgeleitet und mit bepositiven Verschiebespannung E₀. Der Gleichstrom- kannten Schaltungsparametern und Beziehungen geanteil ist nunmehr b = (a + E₀). löst wurden. Die Ableitung ist hier nicht angegeben,

Nach der allgemeinen Beschreibung der Merkmale 30 da sie im Rahmen fachmännischen Handelns liegt,

und Vorteile der Erfindung erfolgt nunmehr eine ins Die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung ist

einzelne gehende Beschreibung in Verbindung mit frei von Induktivitäten und Kapazitäten. Um dies zu

den Zeichnungen. erreichen, müssen der Schaltungsaufbau und die

F i g. 1 zeigt das Ersatzschaltbild einer typischen Widerstandselemente so gewählt werden, daß mög-Signalquelle mit der Leerlaufspannung E_s und dem 35 liehst geringe Streureaktanzen auftreten. Es ergibt Innenwiderstand R_s. Nun soll oft eine Möglichkeit sich dann eine extrem breitbandige Schaltungsanordvorgesehen werden, eine positive oder negative Ver- nung, da die noch vorhandenen, geringen Streuschiebespannung E₀ einzufügen. Eine derartige Signal- induktivitäten und Streukapazitäten erst bei sehr quelle mit einer zusätzlichen Verschiebespannung ist hohen Frequenzen in störender Weise wirksam in F i g. 2 dargestellt. Signalspannung E_s mit Innen- 4° werden.

widerstand R_s sind die gleichen wie in F i g. 1, aber Als steuerbare Spannungsquellen E₁ und E₂ könes ist eine Verschiebespannung, bestehend aus einer nen gebräuchliche Einrichtungen verwendet werden, einfachen mit E₀ bezeichneten Batterie hinzugefügt. Eine Abwandlung der Schaltungsanordnung von Wie bereits ausgeführt, ist es erwünscht, daß die Ver- Fig. 3 ist in Fig. 5 dargestellt. Es sind die Ersatzschiebespannung E₀ nach Größe und Polarität ver- 45 Schaltbilder der Spannungsquellen E₁ und E₂ mit änderbar ist. Weiterhin sollen durch die Schaltung ihren Innenwiderständen eingezeichnet. Im Gegensatz das Frequenzverhalten und die Übertragungseigen- zu der Schaltungsanordnung von F i g. 3 ist also bei schäften der Anordnung so wenig wie möglich beein- der Schaltungsanordnung von F i g. 5 angenommen, flußt werden. daß die beiden Spannungsquellen endliche Innen-

Schließlich soll die zusätzliche Schaltung zur Pegel- 50 widerstände Z₁ und Z₂ aufweisen. Dieser Zustand ist

verschiebung den Betrieb der Signalquelle weder beispielsweise bei der Verwendung von Emitterfolge-

durch Stromentnahme noch durch Stromeinspeisung schaltungen für die Spannungsquellen gegeben. Eine

beeinflussen. vereinfachte Version solcher Emitterfolgeschaltungen

Das in F i g. 3 dargestellte Übertragungssystem mit ist in F i g. 6 dargestellt. Der über den Widerstand Z₁ einer Schaltungsanordnung zur Pegelverschiebung ist 55 fließende Strom hängt in erster Linie von der Größe so ausgebildet, daß zwischen Signalquelle, Empfänger der der Basis des Transistors zugeführten Eingangsund Übertragungsleitung Widerstandsanpassung be- spannung ab. Dieser Strom bestimmt seinerseits die steht, daß also am Widerstand Z₁ liegende Spannung, die zur Pegel- Rc = Z =R_L verschiebung verwendet wird. Bei diesem Schaltungs-⁰ 60 aufbau setzen sich die Widerstände .R₁ und R₂ aus

ist. Wie in F i g. 1 entsprechen R_s und E_s dem Innen- der Summe des Widerstandes R_x und des Innenwiderstand bzw. der Spannung der Signalquelle, wäh- Widerstandes Z₁ der Emitterfolgeschaltung 2 bzw. aus rend R_L den durch den Empfängereingang gegebenen der Summe des Widerstandes R_Y und des Innenwider-Lastwiderstand darstellt. E₁ und E₂ sind einstellbare Standes Z₂ der Emitterfolgeschaltung 4 zusammen. Gleichspannungsquellen, die zusammen mit den 65 Der Innenwiderstand der Emitterfolgeschaltung 2 hat Widerständen A₁, R₂ und R₃ die erfindungsgemäße einen feststehenden Wert. Zur Bestimmung des Schaltungsanordnung zur Pegelverschiebung darstel- Widerstandes R_x muß deshalb zunächst mit Hilfe der len. Die Widerstände R₁, R₂ und R₃ bilden ein kon- Gleichung (1) der Widerstand R₁ bestimmt und an-

schließend der Innenwiderstand des Emitterfolgers 2 davon abgezogen werden. Der Widerstand Ry kann in Abhängigkeit vom Innenwiderstand Z₂ der Emitterfolgeschaltung 4 in entsprechender Weise bestimmt werden. Als Innenwiderstand wird der Widerstand bezeichnet, der an den Ausgangsklemmen in Richtung der Emitterfolgeschaltung gemessen wird. In der Schaltung der Fig. 6 ist dies der über den Widerstand Z₁ gemessene Widerstand. Bekanntlich ist der Innenwiderstand eines Emitterfolgers einer Funktion des Widerstandes Z₁ und einer Anzahl weiterer, vom verwendeten Transistor und von der Signalquelle abhängiger Faktoren. Zwar ist eine Emitterfolgeschaltung als Spannungsquelle infolge ihres relativ geringen Innenwiderstandes sehr vorteilhaft, was aber nicht ausschließt, für diesen Zweck eine konventionelle Verstärkerstufe mit Lastwiderstand im Kollektorkreis zu verwenden. In diesem Falle müßte zuerst der Innenwiderstand dieser Stufe bestimmt werden, um dann den richtigen Wert der Widerstände R_x und ao R_Y festlegen zu können. Der Vorteil der Emitterfolgeschaltung als Quellen E₁ und E₂ gegenüber anderen einstellbaren Steuerspannungsquellen besteht in der kürzeren Ansprechzeit auf Änderungen des Eingangssignals, as

Die in Fig. 6 gezeigten Emitterfolgeschaltungen haben jedoch den Nachteil der schlechteren Regelung. Selbstverständlich ist man bestrebt bei der Pegelverschiebung Geschwindigkeiten zu erzielen, die den Geschwindigkeiten der angeschlossenen Schaltungen angepaßt sind. Bei modernen Halbleiterschaltungen liegen diese Geschwindigkeiten im Bereich von Nanosekunden.

Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in F i g. 7 dargestellt. Die Spannungsquellen E₁ und E₂ sind hier durch die angezapfte Sekundärwicklung eines Übertragers T₁ ersetzt. Die beiden Spannungsquellen sind durch Klammern angedeutet und wiederum mit E₁ und E₂ bezeichnet. Bekanntlich bleibt bei dieser Anordnung das Verhältnis von E₁ zu E₂ konstant, und die Spannungen an den Punkten 10 und 12 haben entgegengesetzte Polarität. Auf diese Weise erzielt man eine Pegelverschiebung, die von der Frequenz und Amplitude der im Primärkreis des Übertragers liegenden Steuerquelle bestimmt wird.

Dieser Vorgang ist in den Fig. 4A bis 8C dargestellt, wobei der Wellenzug von Fig. 8A das Verschiebesignal der Steuerquelle und der Wellenzug der Fig. 8B das der Übertragungsleitung zugeführte Signal wiedergibt. Fig. 8C zeigt die Kombination beider Signale, die auf der Übertragungsleitung hinter dem Pegelschieber vorhanden ist. Hierbei ist ein Faktor K = 2 angenommen.

Die Schaltung der Fig. 7 entspricht einem Kirchhöfischen Addiernetzwerk.

Als Quellen für die Spannungen JS₁ und E₂ wurden Gleichspannungsquellen, Emitterfolgestufen und ein angezapfter Übertrager angegeben und beschrieben. Es ist natürlich möglich, auch andere Steuer-Spannungsquellen wie beispielsweise Batterien, Verstärker in Basis- und Emitterschaltung usw. zu verwenden, wenn diese geeignete Spannungen abgeben und ihr Innenwiderstand festgelegt ist. Weiterhin kann auch nur eine Spannungsquelle vorgesehen werden, die mit einem mit einem Abgriff versehenen Spannungsteiler verbunden ist. Dann werden der Abgriff mit der gemeinsamen Leitungsader und Anfang und Ende des Spannungsteilers mit den Widerständen R₁ und R₂ verbunden. Auf diese Weise erhält man zwei selektiv steuerbare Spannungen entgegengesetzter Polarität.

Der Pegelschieber wurde in Verbindung mit einem Pi-Dämpfungsglied gezeigt. An Stelle des Pi-Dämpfungsgliedes können aber auch andere, zwei Querglieder aufweisende Dämpfungsglieder, wie beispielsweise ein Doppel-T-Glied, verwendet werden, wobei die verwendeten Widerstände keine Blindwiderstände enthalten dürfen. Die Berechnungen der Widerstände und Spannungen entsprechen denen bei Verwendung eines Pi-Dämpfungsgliedes.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den gezeigten Eigenschaften und Vorteilen eignet sich insbesondere als Zwischenstufe oder Eingangsstufe für verschiedene Schaltungsanordnungen, bei denen eine schnelle Anpassungsmöglichkeit des Gleichstrompegels einer Einrichtung an den Gleichstrompegel einer anderen Einrichtung von Bedeutung ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Pegelverschiebung auf einer eine Signalquelle und einen Empfänger verbindenden Übertragungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß in die Übertragungsleitung ein Widerstandsnetzwerk mit mindestens einem Längsglied (R₃) im Hinleiter und zwei die Enden des Längsgliedes mit dem Rückleiter verbindenden, jeweils eine Spannungsquelle (E₁ bzw. E₂) in Serienschaltung enthaltenden Quergliedern (A₁, R₂) eingeschaltet ist und die Spannungsquellen (E₁, E₂) entgegengesetzt gepolt sind (Fig. 3).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen (E₁, E₂) steuerbar sind (Fig. 3).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen aus Verstärkerstufen gebildet sind, deren Innenwiderstand in den Widerstand der Querglieder eingerechnet ist (Fig. 5 und 6).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen aus Emitterfolgestufen (2, 4) gebildet sind (Fig. 6).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsquelle ein Übertrager (T₁) dient und die Querglieder (A₁, R₂) jeweils über eine von zwei durch eine Anzapfung gebildeten Teilwicklungen der Sekundärwicklung des Übertragers mit dem Rückleiter verbunden sind (Fig. 7).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen