DE1487327A1

DE1487327A1 - Anpassschaltung

Info

Publication number: DE1487327A1
Application number: DE19661487327
Authority: DE
Inventors: Crouse William George
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-01-21
Filing date: 1966-04-14
Publication date: 1969-04-03
Also published as: DE1462652A1; DE1462652C3; CH447272A; BE674337A; GB1123079A; DE1462652B2; FR1469559A; DE1487327B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für die Anpassung einer niederohmigen Schaltung an die Impedanz einer Übertragungsleitung bei der Übertragung trägerfrequenter Signale mit einem Transformator.

Bei der Erstellung von Sende- und Empfangs schaltungen in Festkörperbauweise für die Nachrichtenübertragung besteht ein wesentliches Problem in der räumlichen Größe und dem Gewicht von Transformatoren, die eine Impedanzwandlung vornehmen. Bei kombinierten Sende-Empfangs schaltungen dieser Art ist es außerdem wünschenswert, die gesamte Schaltung mit nur wenigen Bauelementen aufzubauen. Ganz besonders ist es wünschenswert, einen für den Betrieb einer übertragungsleitung benötigten Treiber mit einem im gleichen Gerät benötigten Empfangsverstärker zu

vereinigen.

Ntut Unterlagen IAa₇₁IAi^₂ Nu^a^s^^ 909814/0464

__a_ U87327

Diese Aufgabe wird für eine Schaltung dor eingangn erwähnten Art er-• findungsgemäß dadurch gelöst, daß der maximale induktive Widerstand des Transformators, dessen Primärwicklung mit der niederohmlgcn Schaltung verbunden ist, für die Trägerfrequenz größer als der auf die Sekundärwicklung transformierte ohmsche Widerstand der Schaltungsanpassungsimpedanz, aber kleiner als die Impedanz der übertragungsleitung ist und daß in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators V/iderstände geschaltet sind, deren Minimalwerte nur wenig unter der Leitungsimpedanz liegen.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß die Primärwicklung des Transformators mit dem Ausgang eines Parallelrückkopplungsverstärkers verbunden ist, dessen Ausgangsimpedanz nur wenige Ohm beträgt. . ,...,..,.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Parallelrückkopplungsverstärker aus einem Paar komplementärer Transistoren besteht, deren Emitter miteinander, mit der Primärwicklung des Transformators und über einen Widerstand mit dem Eingang einer vorgeschalteten Verstärkerstufe verbunden sind. Mit dieser Kopplungsanordnung ist es nun möglich, einen billigen,'leicht unterzubringenden Umformer in'Verbindung mit nur einem Verstärker zu verwenden, um eine übertragungsleitung sowohl zu treiben als auch abzuschließen. Da die Umformer-Impedanz niedrig können die Treiberausgangs- und Empfängereingangsimpedanzen sehr niedrig gehalten werden (nur ein oder wenige Ohm) .Parallelrücklcopplungsverstärker haben sowohl'niedrige Eingangs- als auch niedrige Ausgang3impedanzen.

9098U/

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäCen Anordnung wird im folgenden im Zusammenhang mit einer Sende-Empfangsanordnung (Modem) erläutert, wie sio vorzugsweise boi der Datenübertragung Verwendung findet. Ganz speziell behandelt das Ausführungsbeispiel den Fall der übertragung binärer Daten durch Frequenzumtastung. Der Erläuterung dieses AusfUhrungsbeispiels dienen die folgenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines solchen Modems, auf den sich

die Erfindung bezieht und

Fig. 2 das Schaltbild eines speziellen Ausführungsbeispiels

für einen Leitungsabschluß gemäß Fig. 1.

Die Anordnung nach Fig. 1 umfaßt einen Sender 1 und einen Empfänger 2, die an eine gemeinsame Übertragungsleitung .5 angeschlossen sind.' Der Sender 1 enthält den erfindungsgemaßen Leltungsabschluß C₁ der für eine Anpassung der 3ende-Empfangs-Schaltung an die Leitungsimpedanz sorgt und die gesendeten bzw. empfangenen Daten entsprechend verstärkt.

Der Sender 1 und der Empfänger 2 sind normalerweise mit einer Datenverarbeitungsanlage verbunden, die Vorrichtungen zum Speiehern von '*' Daten, die an Außenstellen übertragen werden sollen oder von' Außen- ■ stellen empfangen werden, zusammen mit den nötigen Steuerungen für das Senden und Empfangen der Daten umfaßt.

BAD ORIGINAL

909814/0484

U87327

Der LeitungsnbschluG ό besteht aus einem linearen Verstärker mit Parallelrückkopplung; dieser umfaßt einen ersten Transistor 214, dessen Kollektor über einen Widerstand 216 an eine positive Spannungaklemme 215 angeschlossen ist. Ein Vorspannungswiderstand 217 verbindet den Emitter mit einer negativen Spannungsklemme 19· Ihm liegt parallel ein Kondensator 218. Die Basis des Transistors 214 ist mit einem Baisis-Vorspannungswiderstand 220 verbunden. Dieser ist an ein Filternetzwerk angeschlossen, das aus einem an Erde liegenden Kondensator 221 und aus einem an eine negative Spannungsklew*« 223 angeschlossenen Wideretand 222 besteht.

Der Kollektor des Transistors 214 ist an die Basen von zwei komplementären Transistoren 2j5O und 231 angeschlossen, deren Emitter miteinander und über einen Kondensator 234 und die Primärwicklung 232 eines Tnnsformators 233 mit Erde verbunden sind. Die Sekundärwicklung 235 des Transformators 233 ist über Widerstände 238 und 239 an zwei Klemmen 23ο und 237 der flbertragungsleitung 3 angeschlossen.

Der Kollektor des Transistors 23O ist über einen Widerstand 241, eine Diode 242 und einen Widerstand 243 an eine positive Spannungsklemme 240 angeschlossen. Ein Kondensator 244 verbindet den Punkt zwischen den widerständen 241 und 243 mit Erde. Der Widerstand 243 und der Kondensator 244 bilden ein Siebglied.

D ;r Kollektor des Transistors 231 ist über Widerstände 246 und 24γ

9098U/048A

I ι

an eine negative Spannungsklemme 245 angeschlossen. Eine Diode

248 1st an den Widerstand 246 angeschlossen, und ein Kondensator

249 liegt zwischen Erde und dem Verbindungspunkt zwischen den widerständen 246 und 247. Der Widerstand 247 und der Kondensator 249 bilden ein Slebglled.

T)Ie Emitter der Transistoren 2jo und 231 sind Über einen Parallelrtlckkopplungswlderstand 250 an die Basis des Transistors 214 angeschlossen. Der Spannungeverstärkungsfaktor gemessen vom Eingangskondensator 210 zur Ausgangsklemme an den Emittern der Transistoren 230 und 231 wird Im wesentlichen bestimmt durch das Verhältnis des Parallelwiderstand·a 250 zum Rlngangswlderstand sur *alalselektrode des Tran1·tor· 21%. Daher sind mhrere widerstände 211, 212 und 213 vorgesehen» damit dl· Auagangsapannung und der Aufgangs· strom durch das Parallelechalten eines oder mehrerer dieser Wider* stände erhöht werden können.

Die Transistoren 214/230 und 231 bilden einen linearen Verstärker »it einer Parall«lrUokkopplung vom streiten. Emitter sur ersten Baal· und mit komplementären Ausgangstransistoren. Pia Ausgangsirapedan« dea ParallelrUokkopplungsveratärkera 1st extrem niedrig, damit dem Transformator 233, der dia Leltungsabachlufl-Sohaltun« 6 an die Übertragungsleitung 3 koppelt, eine sehr niedrige Impedanz entgegengesetzt wird. Es 1st besonders wichtig, dandle Leitungs-Abschluß-Schaltung 6 dem Transformator 233 gegenüber eine niedrige Impedanz aufweist, um ein optimales Frequenzverhalten bei niedrigen

BAD ORtGlNAL

909814/0484

Frequenzen unter Verwendung eine· Transformator· mit niedriger '■■'■'■' Induktivität su erreichen.

Typische bekannte Obertragungaleitungstransformatdren sind Im ~ al If eine inen durch hohe Induktivitäten gekennzeichnet, um eine genügende niederfrequent· Empfindlichkeit zu erhalten. Venn mehrere Sende- und Empfangseinheiten an «ine einzige (Übertragungsleitung angeschlossen sind, ist es zweckmäßig, daß die Eingangsimpedanz der Einheiten beträchtlioh höher 1st ala die charakteristische Impedanz der Leitung, um eine Übermäßige Signaldämpfung zu verhindern* Ein typischer EingangsImpedanzwert fUr eine 600-0hm-Leitung liegt im Bereich von 4 bis 10 ic Ohm. Außerdem muß der induktiv· Widerstand des Transformators beträchtlich höher sein als der Wirkwiderstand am Eingang der Ubertragungselnheit, um eine gute Anpassung« insbesondere bei den niedrigsten Frequenzen, zu gewährleisten.

Die Oeaamtimpedanz, die von der Leitung her gesehen auftritt, umfaßt Im Falle des bevorzugten AusfUhrungsbeispiela die Widerstände 338 und 239 und die Eingangsimpedanz des Transformators. Diese letztgenannte Impedanz 1st klein im Vergleich zu den Widerständen 238 und 239.

Um eine genügende niederfrequente Empfindlichkeit beim Arbeiten über einen Transformator zu erhalten, muß der induktive Widerstand des Transformators wesentlich höher sein als der Wirkwiderstand über die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators, wobei

9098U/048*

-τ-

U87327

der induktive Widerstand für die niedrigste Datenfrequenz gilt.

Ein geeigneter Nindestwert für den induktiven Widerstand ist etwa das Fünf- bis Zehnfache des Wlrkwiderstandswertes.

In herkömmlichen Schaltungen ist eine Wicklung des Transformators direkt an die Leitung angeschlossen. Die andere Wicklung des Transformators ist an den Treiber und den Empfangaveratärker angeschlossen, bei denen es sloh normalerweise umzwei getrennte Schaltungen handelt. Da der von außen gesehene Wirkwiderstand fat nur eine Punktion der Impedanz des Treibers und des Empfängerverstärkers ist, würden die einander parallelgeschaltete Eingangsimpedanz des Empfängerverstärkers und AusgangsImpedanz des Treibers in der Größenordnung von 4 k Ohm liegen müssen, wenn ein Windungsverhältnis von 1 : 1 im Transformator¹ angenommen wird. In dieser Auslegung müßte man, um eine ausreichende nlederfrequenze Empfindlichkeit zu erhalten, einen großen Transformator mit hohem Induktiven Widerstand verwenden. Ein typischer Transformator mit genügend hoher Induktivität zur Erfüllung dieser Bedingungen hat beträchtliche Abmessungen. Dieser Transformator läßt sich wegen seiner Größe und seines Gewichts nur schwer in Festkörperschaltungen einordnen.

In der erfindungsgemäßen Treiber-Abschluß-Schaltung 6 wird die. Eingangsimpedanz von 4000 Ohm erzeugt durch die in Reihe liegenden Widerstände 2J8 und 259, die in dem Ausführungsbeispiel Jeder einen Wert von 2000 Ohm haben. Die an. die Wicklung 2}2 des Transformators

9098U/0484 bad origin*'--·

angeschlossene - Impedanz ist, wie schon erwähnt, extrem niedrig, und zwar liegt sie bei etwa 1 Ohm. Diese auf die Leitungsseite des Transformators Übertragene Impedanz hat eine geringe Erhöhung in der von der Leitung aus gesehenen Gesamtimpedanz zar Folge, so daß die Gesamtimpedanz aber immer noch .annähernd 4000 Ohm beträgt. Auf diese Weise ist die Transformator-Impedanz beträchtlich njbdriger als die bekannter Vorrichtungen.

Da die Impedanz am Transformator beträchtlich niedriger ist (um den" Paktor 1000 bis 4000) als die eines bekannten Transformators, kann die in dem Transformator benötigte Induktivität entsprechend niedriger sein als die des bekannten, nämlich umvden Paktor 1000 bis 4000. In dem bevorzugten Au3führung3beispiel ist die volle Differenz in den Induktivitäten nicht ausgenutzt worden, sondern die Induktivität wurde vielmehr etwas höher gehalten als die mindestens erforderliche Induktivität, um das Preqüenzverhalten zu verbessern.

Um zu erläutern, wie die Induktivität das Niederfrequenzverhalten begrenzt, sei eine Ersatzschaltung betrachtet, wobei von der Primärseite oder der Leitungsseite des Transformators her gesehen die Ersatzschaltung eine Induktivität an den Eingangsklemmen des Transformators ist; diese Induktivität ist die Leerlauf-Induktivität des Transformators, also ohne Belastung der Sekundärseite.

·< * Mit dieser Induktivität parallelgeschaltet ist der ohmsche Widerstand, dessen Wert gleich dem Widerstand an der Sekundärseite des Trans-

9098U/0484

formators multipliziert mit dem Quadrat des Windungsverhältnisses ist. (die Zahl der Windungen auf der Leitungsseite des Transformators dividiert durch die Zahl der Windungen auf der änderen Seite des Transformators). In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dieses Windungsverhfiltnis gleich der Quadratwurzel aus zehn, so daß die auf die Leitungsseite des Transformators wirkende Impedanz etwa zehn Ohm beträgt*

In dieser Ersatzschaltung, die aus einem mit einer Induktivität parallelgesohalteten Widerstand besteht, hat ein durch den Widerstand fließender Strom einen Eingangsstrom für den Ausgang der Sendeeinheit und den Eingang der Empfangseinheit zur Folge. Der durch diese Induktivitäten fließende Strom let Verluststrom.

Aus diesem Grunde 1st es zweckmäßig, daß nahezu alle Ströme durch den ohmechen Widerstand, und möglichst nicht durch die Induktivität fließen. Palis die Impedanz der Induktivität hoch ist im Vergleich sum Widerstandswert« ilt diese Bedingung erfüllt. Beim Übergang auf eine niedrigere Frequent nimmt Jedoch die Impedanz ab.

Die Induktivität wird daher so gewählt, daß ihre Impedanz bei der niedrigsten Betriebefrequenz wesentlich höher ist als die des Widerstandes, und zwar vorzugsweise mindestens um einen Paktor fünf bis zehn. Da der von der Sekundärseite wirkende Widerstand in der Größenordnung von ca. zehn Ohm liegt, kann die Induktivität einen relativ niedrigen Wert haben.

90Ö8U/0484

-ίο- U87327

Im Falle der oben beschriebenen bekannten Schaltung, in der die von der Sekundärseite reflektierte Impedanz in der Größenordnung von ^000 Ohm liegt, muß die Induktivität wesentlich höher sein, um gleiches Frequenz verhalten zu gewährleisten. .. .

Einer der Vorteile beim Betrieb des Transformators mit niedriger Impedanz ist die Reduzierung von Größe und Gewicht. Da der Transformator auf der Sende-Empfangs-Seite durch eine niedrige Impedanz abgeschlossen ist, kann außerdem ein verbesserter !linearer ParalIelrückkopplungsverstärker verwendet werden, der den Transformator sowohl treibt als auch abschließt.

In bekannten Systemen mit hoher Impedanz auf der Sende-Empfangs-Seite des Transformators kann eine Parallelrückkopplungsstufe verwendet werden. Statt dessen werden zwei getrennte Schaltungen benutzt, von denen eine ein Treiber mit hoher Ausgangsimpedanz und die andere ein Empfangsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz ist.

Da eine einzige Parallelrückkopplungsschaltung zum Treiben und Abschließen des Transformators verwendet werden kann, erhält man eine relativ billige Schaltung mit exakten und verzerrungsfreien Verstärkungseigenschaften.

Wenn dem Kopplungskondensator 210 keine EingangesignaIe zugeführt

9098UZOiSl

. I, „ , ι »■■

U87327

werde , wird der Transistor 214 mittels seiner Basisvorspannungsschaltung auf einem bestimmten Pegel betriehen. Der Transistor 250 führt ebenfalls einen sehr niedrigen Pegel, da sein Emitter durch den Parallelrückkopplungswiderstand 250 mit der Basisvorspannungsschaltung des Transistors 214 verbunden ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Transistor 231 nichtleitend.

Wenn dem Kopplungskondensator 210 eine positive Halbperiode des Eingangssignals zugeleitet wird« wird diese durch die Transistoren 214 und 231 verstärkt und in umgekehrter Form der Wicklung 232 und dem Kondensator 234 zugeführt. Eine dem Eingangskopplungskondensator 210 zugeführte positive Halbperiode erzeugt also eine entsprechende Halbperiode an der Sekundärwicklung 235 des Transformators 233 über die Primärwicklung 232.

Ebenso wird eine negative Halbperiode eines dem Kondensator 210 zugeführten Eingangssignals durch die Transistoren 214 und 230 verstärkt und in umgekehrter Form der Wiclung 232 des Transformators 233 zugeleitet. Eine vollständige Periode des Eingangssignals am Kondensator 210 erzeugt also ein aus einer vollständigen Perlode bestehendes Eingangssignal in der Sekundärwicklung 235· Dieses Signal wird der übertragungsleitung 3 über die Widerstände 238 und 239 zugeführt.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Windungsverhältnis der Wicklungen 232 und 235 gleich der Quadratwurzel aus zehn. Daher

909aU/(H84 BAD ORlGiMAL ■■"

H87327

- 12 -

ist die Spannungsverstärkung von der Wicklung 232 zu der Wicklung 2J5 gleich der Quadratwurzel aus zehn. Dies ist besonders vorteilhaft beim Koppeln des Signals auf die übertragungsleitung 3» weil das ' Signal aus der Sekundärwicklung 235 den beiden Widerständen 238 und 239 zugeführt werden muß, die im Vergleich zu der charakteristischen Impedanz der Leitung 3 einen relativ hohen Widerstandswert haben. Es ist also zweckmäßig, eine hohe Spannung ah der Sekundärwicklung 235 zu entwickeln, damit der durch die Widerstände 238 und 239 und über die Leitung 3 zu einer räumlich getrennten Abschluß-Schaltung fließende Strom einen genügend hohen Pegel hat.

Wenn andererseits Signale über die Leitung von einer entfernten Station empfangen werden ·, : um der Leitungs-Abschluß-Schaltung 6 zugeführt zu werden, ist dieses Windungsverhältnis ebenfalls vorteilhaft, da eine Stromverstärkung in der Größenordnung der Quadratwurzel aus zehn von der Wicklung 235 zur Wicklung 232 erreicht wird. Die an den Klemmen 236 und 237 auf Signale aus einem entfernten Sender hin entstehende Spannung wird den hochohmigen Widerständen 23δ und 239 zugeführt und dadurch im wesentlichen in ein Stromaignal ■".. * umgewandelt. 9ie als Ergebnis dieser Signale an der Wicklung 235 ^ entstehende Spannung 1st sehr niedrig, da die Impedanz aehp niedrig ist. Da das Signal an dieser Stelle im wesentlichen ein Stromsignal 1st, ergibt die Verstärkung des Stromsignals von der Wicklung 235 zu der Wicklung 232 bessere Treibereigenschaften, V«

8AD

90.9-8 U/04β4

U87327

Es 1st Stand der Technik, Verstärker mit niedriger Eingangsimpedanz zu treiben. Ebenso ist es bekannt, daß die Ausgangsimpedanz eines .Parallelrückkopplungsverstärkers sehr niedrig gemacht werden kann. Wenn der zum Treiben der Übertragungsleitung 3 verwendete Parallelrückkopplungsverstärker so aufgebaut werden kann, daß aus

einer räumlich getrennten Einheit empfangene Stromsignale dem Ausgang des Parallelrückkopplungsverstärkers zur Verstärkung und übertragung zugeführt werden können, ist nur ein Verstärker erforderlich, und es werden sowohl beim Senden als beim Empfang optimale Treibereigenschaften erreicht.

Wenn keine Eingangssignale von der Leitung 3 zu der Abschluß-Schaltung 0 gelangen, leitet der Transistor 214, und der Transistor 231 ist nichtleitend, während der Transistor 230 sehr geringfügig leitend, fast nichtleitend ist. Eine positive und negative Halbwelle des Stromsignals, das in der Sekundärwicklung 232 auf Signale aus der Leitung 3 hin erzeugt wird, bringt zunächst den Transistor 231 in den leitenden Zustand und wieder in den nichtleitenden Zustand und dann den Transistor 230 in den leitenden und zurück in den Ausgangszustand. Wenn der Transistor 231 durch die positive Halbwelle eingeschaltet wird, wird eine positive Spannungshalbwelle mit niedrigem Pegel an seinem Kollektor erzeugt und über den Konden- ' sator 26I auf die Leitung 262 gegeben. Die Signalamplitude am . Kollektor hat nun eine solche geringe Höhe, daß die Diode 248 in Ihrem Zustand hoher Impedanz 1st. Ebenso erzeugt die negative Halbwelle, die den Transistor 230 einabhaltet, einen negativen

. ΐ4 -

Spannungsimpuls mit niedrigem Pegel am Kollektor des Transistors • 260. Dieser Impuls wird über den Kondensator 2βθ auf die Leitung 262 gegeben. Die Diode 242 wird in ihrem Zustand "relativ hoher Impedanz gehalten, da der Spannungsausschlag relativ klein ist. ·

Die dem Kondensator 210 zugeführten Eingangssignale bringen ebenfalls den Transistor 2J51 in den leitenden und dann wieder in den nichtleitenden Zustand und danach den Transistor 2JO erst in den leitenden und dann wieder in den Ausgangszustand. Am Kollektor des Transistors 231 entsteht ein positiver Spannungsausschlag, und dann entsteht am Kollektor des Transistors 230 ein negativer Spennungsausschlag. Diese Signalpegel haben so hohe Amplituden, daß die Dioden 248 und 242 in ihren Bereich niedriger Impedanz getrieben werden, wodurch die Amplitude der Spannungsausschläge an den Kollektorelektroden begrenzt wird. Diese begrenzten Signale werden dann über die Kondensatoren 200 und 261 der Leitung 262 züge· führt.

Claims

U87327 Patentansprüche

1.^Schaltungsanordnung für die Anpassung einer nledcrohmigen Schaltung an die Impedanz einer ("bertragungsleitung bei der Übertragung trägerfrequenter Signale mit einem Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale induktive Widerstand des Transformators (2J5), dessen Primärwicklung (222) mit der niederohmigen Schaltung verbunden ist, für die Trägerfrequenz größer als der auf die Sekundärwicklung transformierte ohmsche Widerstand der Sehaltungsanpassungsimpedanz, aber kleiner als die Impedanz der Übertragungsleitung ist und daß in Reihe mit der Sekundärwicklung (255) des Transformators £2^2) Widerstände (228, 239) geschaltet sind, deren Miniraalwerte nur wenig unter der Leitungsimpedanz liegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (232) des Transformators (2£5) mit dem Ausgang eines Parallelrückkopplungsverstärkers verbunden ist, dessen Ausgangsimpedanz nur wenige Ohm beträgt.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelrückkopplungsverstärker aus einem Paar komplementärer Transistoren (230, 2>1) besteht, deren Emitter miteinander mit der Primärwicklung (222) des Trans formators und über einen Widerstand (25Ο) mit dem Eingang einer vorgeschalteten

' Verstärkerstufe (214) verbunden «ind. _n „._P,_l(·..

_φ .. BAD Qt-ViGiPiIAl-

^x .*· . < 909814/0484 .