DE1808841A1 - Schaltung zur UEbertragung von elektrischen Signalen - Google Patents

Description

DfpUn> V-Vslter- Jackisch

Potentanwälte
Sfulfgarf-N, Menzelsfraße 40

13, Nov. 1968

Westes« Electric Company
Incorporated
195 Broadway
New Sork 10007

A 30 69% - er,

Schaltung sur übertragung von elektrischen Signalen

Bei der Nachricht enüberts&gung in Fernmeldeanlagen und ähnlichen Einrichtungen ist ee oft erforderlieh« die Kenndaten der übertragenen Signale su verändern* Sieblehßltungen werden dabei Im allgemeinen sur Veränderung der Amplitude uns/oder der Phasenlage von Signalen in Abhängigkeit von der Frequene verwendet* Derartige Schaltungen kennen z.B. an geeigneten Stellen innerhalb eines öbertragungskanals eingefügt werden, um Verluste und veränderliche VereSgerungskennwerte des Kanals aussugleicSien* W<*m eine Veränderung nur der Phasenlage eines Signals nach dem Durchlaufen eines Kanalabschnitts v@s*iffingt wird, kommt als Siebschaltung insbesondere ein AllpaB in Betracht. Bei einer derartigenSiebechaltung weist das Verhältnis zwischen Ausgang?- und Eingangssignal für alle Frequensen innerhalb eines vorgegebenen

909845/1380

BAD

Frequenzbereiches den gleichen Betrag auf. Siehschaltungen dieser Art kennen daher als Phasenausgleieliei· sur Kompensation der freQuensabhSngigen SlgaaiTersugerung in übertragungskanälen verwendet werden.

Allpfisse werden ferner bei der quadratischen Modulation verwendet» w&bei aus einem einsigen lingangs« signal swei Attsgangssignale mit besüglieh des Bingangsftlgnale übereinstimmendem Aftplitudenirerlialten» jedoch bei Jeder Frequens innerhalb dee vorgegebenen Prequensbandes um 90° tsntereehiedlleiser Phasenlage erzeugt werden sollen. Eine derartige Funktion kann venfirfeiie&t werden, Indem das gemeinsame Eingangssignal &of stiel parallelgesehmltete AllpSsse gegeben wird* deren Phasenkennwerte Uw gewünschten Phasendifferenz der beiden Ausgangs*!®»»!« entspricht· Da das Aaplitudenverhalten der beiden Ausgangssignale salt demjenigen des Eingangssignals übereinstimmt, kann eine deraxüge Schaltung inabe« sondere alt Vorteil in der Einseitenbandmodulation mit quadratischen Modulatoren und ebensolchen Deaiodulatoren verwendet werden·

Sine bekanntejAusführüng einer Allpaß-Siebschaltung umfaßt eine Kaskadenanordnung von Kettenleiter» netzwerken» wobei umfangreiche Anordnungen von passiven Sehaltungseleaenten verwendet werden, derartige Netswerke erfordern im allgemeinen eine symmetrische Eingangsschaltung, bei der auf swei getrenntenjLeituisgen swei Signalkomponenten gleicher Amplitude» Jedoch entgegengesetster Phasen« lage sugeführt werden.Derartige symmetrische

909845/1380 -3-

Eingangssignal« kennen z.B. mit Hilfe von Übertragern erzeugt werden, welche Jedoch den Schaltungsaufbau koalisieren und nur für einen beschrankten Frequenzbereich in Betracht kommen. Die Auslegung von Kettenleiternetswerken ist im übrigen umständlich und aufwendig« wobei die verlangten Allpaß-Übertragungseigenschaften tatsächlich nur unter bestirnten Bedingungen verwirklicht werden kOnnen.

Zur Überwindung der Schwierigkelten bei den vorgenannten Allpaft-Slebschaltungen alt Kettenleiternetswerken sind bereits Schaltungen alt aktiven Elementen sur Anwendung gekommen. Derartige Schaltungen benötigen aber la allgemeinen Induktivitäten, deren Herstellung wiederum mit Schwierigkeiten verbunden ist und den gesamten Sehaltungsaufwand beträchtlich erhöht. Ferner sind attoh aktive Allpafi-Filtersehaltungen bekannt» die ausschließlich RC-Netswerke aufweisen. Diese bekannten Schaltungen sind aber im allgemeinen nur sur Verwirklichung einer Allpafi-Übertragungsfunktlon erster Ordnung geeigist, so daft für Siebschaltungen mit entsprechen» der übertragungsfunktion höherer Ordnung kompilierte Anordnungen von Siebsch&ltungen erster Ordnung erfordedlch sind.

Aufgabe der Erfindung 1st demgegenüber die Schaffung einer induktivität·freien Siebschaltung unter Verwendung von aktiven Schaltungselemente^ mit der sich eine Allpaß-Obertragungsfunktion von höherer als erster Ordnung verwirklichen iSsst. Die erflndungs-

909845/1380

gemisse Lösung dieser Aufgabe kennselehnet sieh bei einer übertragungsschaltung hauptsächlich durch folgende Merkmale:

a) erste und tweite Verstärker alt je einem Bittgang und einem Ausgang;

b) eine Zuführeehaltung für die übertragung eines Signals von einer Susseren Signalquelle sum Bingang eines ersten Verstärkers;

c) eine Mehrsahl von passiven KoppeInetewerken, weiche ein verstärktes Eingangssignal vom Ausgang des ersten Verstärkers sum Eingang des sweiten Verstärkers übertragen;

d) eine Widerstandesohaltung, welche die fuführsehaltung mit dem Bingang des sweiten Verstärkers verbindet» wobei die Elemente der passiven Koppelnetswerke und der Widerstandssehaltung so bemessen sind, dafi der Betrag des Verhältnisses des Ausgangssignals des sweiten Verstärkers su dem genannten Eingangssignal in einem vorgegebenen Bereich von Slgnalfrequensen konstant 1st·

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sieh aus der folgenden Besehreibung von Ausführung*- beispielen» die in den Zeichnungen Ttransohlaullcht sind· Hierin «eigen

Flg. 1 das Prinsipsehaltbild einer ersten übertragungsschaltung gemäss der Erfindung»

Flg. 2 das Sehaltbild einer anderen Ausführung* form der erflndungsgemässen übertragungsschaltung in ausführlicherer Darstellung» und

909845/1380 - 5 -

71g· 3 ein Zeigerdiagramm in der komplexen Zahlenebene »ur Veranechauliohung der «it den Schaltungen nach Pig« 1 und ersielbaren übertragung·funktion,

Ferner selgt .

fig. *, «in einfach·» Blockachaltbild tür Veran-■ohaulichung der Verwendung der erflndungsgemfiaeen Obertegungiachaltungen für quadratliehe Modulation.

Bei der erflndungsgemSeien Übertragung·!ohaltung wird u.B. ein geaeinaana· Eingangaaignal Ober awei getrennte Xtnfile geführt» deren AucgangsflgnaXe in einem Verstärker susansengefflhrt werden, wodurch sieh ein Ausgangselgn&l von besflglioh dei gemeinsamen Eingänge· signale für alle Prequenskomponenten des letiteren innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiche» konstantem Amplitudenverh&ltni» ergibt. Beispielsweise kann das gemeinsame Eingangssignal Ober einen ersten Verstärker sugeführt «erden» dessen gegenphaslges Ausgangsslgtfnal über eine Ka»kaden»ohaltung von RC-Netswerken an den Eingang eines »weiten Verstärkers gelangt. Das gemeinsame Eingangssignal wird getrennt hiervon über «ine Xmpedans auf den Eingang des «weiten Veriflrkers gegeben. Letzterer erhält sweekmässlg eine niedrige Ilngangslmpedsiu, an der die »ugef ührfcen Signale linear überlagert werden. Die Obertragungsfunktlon der so kombinierten Obertragungskanäle weist eine Fol-Nullstellenvertftellung auf, die in einer Darstellung in der

909845/1380

komplexen .Zahlenebene syametrlseh «up Xmaginlraehte angeordnet ist, to dai sieh ein konstantes

AmpHtudenverhältiils swisehen dem Ausgangssignal

des »weiten Verstärkers und dem gemeinsamen Eingangssignal ergibt·

Bei der Schaltung nach Fig. 1 wird ein for «wei nooh su erläuternde Sehaltkreise gemeinsames Eingangssignal, welches eine Mehrsahl von frequenskomponenten enthalten kann» über Leitung 12 auf einen ersten Sehaltungssweig mit einem Verstärker 18 und «wei in Reihe geschalteten RC-Hstswerken 26 und 29 sowie leitung 34 sum Eingang eines weiteren Verstärkers 40 geleitet· Der Verstarker 18 ereeugt ein besfiglieh Seines Einganges gegen« phasiges Ausgangssignal· Das gemeinsame eingangssignal wird ferner einem sweiten Sehaltungsswsig mit Leitung 14 , Xmpedans 31 und Leitung 36 sugeführt sowie dem Eingang des Verstlrkers 40 sugeleitet. Naoh der Phasendrehung im Verstärker 18 und Veränderungen in den RC-Netswerken 26 und 29 wird das Ober den ersten Sehaltungsswelg laufende Signal mit dem fiber die Xmpedans 31 des sweiten Sehaltungsswelges laufenden Signal am Eingang des Verstlrkers 40 linear überlagert· Am Ausgang 3? dieses letstgenannten VerstSrkers erseheint ein diesem Oberlagerangsslgnal proportionales Ausgangssignal·

Das HC-Netswerk 26 besteht aus einer Parallelschaltung eines Sondensators 25 und eines Widerstandes 24, wthrend das RC-tfetswerk 29

90934S/1380

•us einer Reihenschaltung eines ^Widerstandes 27 und eines Kondenstators 28 besteht· Durch die Hintereinanderschaltung dieser beiden Hetswerke wird du vo« Verstärker 18 sugefOhrte Signal sowohl in dtr Phase wie auoh in der Amplitude verändert. Bs versteht sieh· da» ggf. an dieser Stall· auoh ltC-Hetswerke mit anderem Aufbau eingesät st «erden können. Durch entsprechende Bemessung der Schaltungselemente können die RC-Netswerke und 29 und die Xmpedans 31 für verschiedene vorgegebene Siebfunktionen, Insbesondere für «ine AilpaA-übertragungsfunktion ausgelegt werden.

Bekanntlich ergibt eich eine Schaltung mit konstantem Amplitudenverhältnie des Eingangs- und Ausgangssignals, wenn die übertragungsfunktion, welche das Ausgangssignal In komplexer Funktion in BeKlftgung sum Eingangssignal setst, folgendem Ausdruck entspricht:

ρ² ♦ ap ♦ b².

Xn dem Ausdruck (1), der eine Siebschaltung swelter Ordnung beschreibt, 1st ρ die komplexe Fexquens Jw , während a und b durch die Daten der Siebschaltung bestimmte Parameter sind· Die Lage der Pole und nullstellen des Ausdruckes (1) 1st In dem komplexen Diagramm gemiss Fig. 3 angedeutet. Da die verschiedenen übertragungsnetswerke der Schaltung nach Flg. 1 lediglieh Widerstände lind Kondensatoren enthalten, liegen alle Pole und MLlstellen auf der reifen Achse und sind

909845/1380

symmetrisch tür imaginären Ache· angeordnet. Letzteres ist dadurch bedingt, da* Zähler und Nenner des Ausdruckes (1) bis auf das Vorseiohen des mittleren Terms Übereinstimmen. Wie in Flg. 3 angedeutet,- 1st für Jede Frequenz ρ bzw.Cü» s.B. für eine dem Punkt 209 entsprechende Frequent, das Verhältnis des Produktes der Zeiger der Nulleteilen der Obertragunpfunktion, s.B· der Nullstellen bj, und t>₂ entsprechend den Punkten 203 und 207 in Pig· 3» zu dem Produkt der Zeiger von den Polen der übertragungsfunktion, s.B· den Polen A₁ und a₂ entsprechend den Punkten 201 und 20$ in Pig. 3, immer konstant· Daher 1st der Betrag der übertragung«funktion entsprechend dem verlangten Allpaftverhalten frequenzunabhängig. Voraussetzung hierfür ist, wie die vorangehende Erläuterung gezeigt hat, die symmetrische Lage der Zeiger von den einander zugeordneten Polen und Nullstellen a^ und bj bstr« ü₂ und b_g.

Für die Wirkungsweise der Schaltung nach Pig. I gilt folgendes:

Bs sei angenommen, daß über Leitung 10 eine Signalspannung v_B zugeführt wird, während der Kondensator 25 eine Kapazität C₁, der Widerstand 24 einen Ohm» wert R₁, der Kondensator 28 eine Kapazität ;C_g, der Widerstand 27 einen Ohmwert R₂ und die Impedanz den Ohmwert R aufweist. Ferner sei angenommen, daft der Verstärker 40 so ausgelegt ist, daft seine Elngangsimpedans praktisch Null 1st. Unter diesen Voraussetzungen gilt für den durch den ersten Sehs&ungszweig bzw. Leitung 34 fließenden Strom die Beziehung

909845/1380

V tr- <»

1' Λ. ^e

Hierbei sind

die X&pedaneen der RO-Wetswerke 26 b«w. 29· Der Verstärker 18 kenn in an sieh bekannter Welse to ausgelegt werden» daft eine eingangsseltlfe Signalspannung t_g einen Streu i_A » IiJTheFtöfrin. Ei gilt daher

ia.

(3)

alt k alt durch die Daten des Verstärker» 18 beatiasrter Konetarten. Wegen der verschwindend /Elngangeiapedans des Verstärkers 10 1st der über Leitung 36 fließende Strom I₁ durch den Ausdruck ^vs bestirnt, wahrend für die übertragunefunktion, Selche den Signal« strom am Eingang des Verstärkers 40 mit der Eingangssignalspannung Y₀ in Besiehung setst, folgende Gleichung gilts

Vegen der Phasenumkehr im Verstärker 18 wird der Strom fiber Leitung 3* von dem>nigen Ober Leitung 36

909845/1380

- 10 -

-ίο -

bei der überlagerung subtrahiert.

Mit den Schaltungsparaswterti ergibt sich für die Übert^Kungsfunktlon folgender Atudruek:

ipjj

• (5)

wobei (U)₁ fr den Ausdruck jrg— Ausdruck ■ eingesetzt litt

und

für den

Bei Obereinetiaminis de· Ausdrucke« gemäis Gleichung (5) alt des Auedruok (1) aflsete weiterhin folgende Beslehung gelten:

Dies 1st nur «öglich, wenn ferner gilts

Bei Erfüllung der letstgenannten aieienung $7) hat der Auedruok geates iilelöhurtg (5) die gleiche For« wie der Ausdruek (1) entepreehend nmr gewünschten AllpaEfunktlon·

Bei de» Autfanroncilseitpiel naen Flg. 2 entsprieht ein el· Veretlrke* vorgesenener ]|PN«9rftntittor 118

* 11 *

dm Verstärker 18 der Schaltung nach Vlg· 1, während dem Verstärker 40 ein PHP-Transistor entspricht· Gegebenenfalls kennen auch andere Verstärlrarsohaltungen sit PHP- und/oder RFlI-Translstoren eingesetzt werden. Ober Leitung und einen Koppelkondensator 112* wird «In gemeinsames Eingangssignal auf dl« Basis 119 des Transistor« 118 gegeben, dessen Arbeitepunkt unabhängigen den Oleiehspannungeverhältnieeen auf Leitung durch Widerstand· 11H und il6 von einer Oleiohspanmingsquelle 145 eingestellt ist, und »war im linearen Kennlinienbereich.

Die verstärkte Signalspannung erscheint am Emitter 120 be*. Emltterwllderstand 123· Bei einer Signal· spannung V₈ an der Basis 119 ergifefc sieh ein Emittent rom v_B/ü^ i$c&ei B.der Ohmwert des Etaltter» wlderstandes 123 ist· Der dem Ealtterstrom im wesentlichen gleiche Kollekmtrom über den Kollektor 121 gelangt Über (übereinstimmend mit in Fig. 1 beetIchnete) RC-Het*werk· 26 und 27 an den Emitter 1*1 eines weiteren Transistors 142. Die bisher besehdebene Schaltung bildet den ersten Sehaltungeswelg sur Durehkopplung des gemeinsamen Eingangs« signals.

Der «weite Sehaltungssveig besteht bei der Anordnung naehflg» 2 aus einem der aieiehstromabtrennung dienenden Kop&eüeondansator 130 und einer Zmpedäns 31 (entsprechend Fig. 1)« worüber das gemeinsame Eingangesignal ebenfalls sum Emitter 1*1 des Transistors 140 gelangt. Durch den Kondensator 130 1st der Kreis des fransistors

- 12 -

909845/1380

von der Gleichspannung des Transistors 118 abgetrennt, wobei für enteren eine eigene Qlelchspannungs-Spelsequelle 1*7 vorgesehen ist. Die Xmpedans 31 bestimmt den Signalstrom i* · v_§/R des «weiten Schaltungsswelgee, da die Basis 142 an einem festen Besugspotentlel, In Beispielsfall an Hassepotential, liegt und die 'Eingangsimpedans am Emitter 1*1/nachlasβlgbar gering 1st. Der Signalstrom i«, aber das RC-Netzwerk 29 wird wie bei dem Beispiel nach Flg. 1 durch die Gleichung (2) bestimmt, wobei jedoch i_A > v_§/R- gilt. Der resultierende Slgnalsirom am Emitter 1*1 1st I₁ "^₂' Es ergibt sich also eine übertragungsfunktion gemäss Gleichung (5) auch für die Schaltung naoh Flg. 2, sofern k durch R, ersetet wird·

Der Arbeltspunkt des Transistors 1*0 wird durch Widerstände 133 und 135 im linearen Kennlinfenbereleh eingestellt, wobei der Widerstand 135 an den Minuspol 1*6 der Spelsepannungsquelle angeschlossen ist. Der in den Emitter 1*2 fließende resultierende Signalstrom I₁ - I₂ 1st durch die Qlelehung (5) bestimmt und entspricht im wesentlichen dem Strom Ober Kollektor 1*3 und Widerstand 135· Das Ausgangesignal auf Leitung 137 1st daher dem resultierenden Signalstrom am Emitter 1*1 proportional und entspricht der gewünschten Allpafifunktion gemäss Fig. 3·

Das Amplituden»rh81tnle von Eingangs« und Ausgangssignal ist bei den Sohaltungennaoh Fig. 1 und 2 für alle Faquenskomponenten des Eingangseignais bsw· für alle innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches liegenden Frequenzen konstant· '

909845/1380

- 13 -

Die Phasencharakteristik kann Jedoch bei beiden Sehaltungen durch entsprechende Bemessung der Schaltungselemente der RC-Netswerke 26 und 29 sowie der Xmpedans 31 gemSes Gleichungen (5) und C?) verändert werden, so daA sich ein welter Bereich der realisierbaren Phasencharakteristlk ergibt. Im Falle eines Kaskadenanordnung nach Art der in den vorliegenden Beispielen geseigten Sehaltungen kann die Phasenübertragung einer Jeden Schaltung gemäss einigen Typen von Ausgieiohseharakterlstiken eingestellt werden ,wobei sich in Jedem Fall eine Allpaßvübertragungsfunktion swelter Ordnung gemäss Gleichung (5) ergibt·

Mehrers erfindungsgemässe Schaltungen, die von einem gemeinsamen Eingangssignal gespeist werden, können hinsichtlich ihrer Phasenoharakteristlk unter» schiedlich bemessen werden. Auf diese Welse kann ©ine Mehrzahl von bezüglich der Phasenlage vonein» ander verschiedenen Slgf&len von einem gemeinsamen Eingangssignal abgeleitet werden· In Flg. 4 1st ein Beispiel einer derartigen Schaltung angedeutet, sw@i Siebs ©halt ungen 412 und 414 fiber eine 410 mit einest bemeinsamen Eingangssignal gespeist werden. Für diese beiden eingangsseltlg angeordneten Schaltungen kommen z.B»

nach Fig. 1 und 2 in Betracht, wobei Jedoch üi@ RC-Nefcswesrke 26 und 29 entsprechend imt@rschiedlieh@n Phasencharakteristik wsrdon. Die Signale an den Ausgängen

- 14 -

90 9 8 45/1380

BAD ORIGINAL

43? und ¹J33 dieser beiden Kanäle haben somit den gleichen Amplitudenfrequensgang, Jedoch entsprechend dieser Auslegung der RC-Hetzwerke 26 und 29 sowie der Xnpedans 31 einen unterschied« liehen Phasenfrequensgango Zum Beispiel für Zwecke der Einseitenbandmodulation kann eine derartige Schaltung sur Gewinnung von swei Signalen gleichen Amplltudonfrequensganges eingesetzt werden, wobei die Phasenflbertragung beider Kanäle eine 'Differenz von 90 aufweist«

9098A5/1380

Claims (3)

Aniprdoh«

1. Schaltung «ur Übertragung von elektrischen Signalen, gekennseiehnet durch folgend· Merkmale:

a) «nt· (18) und »weite (*O) Verstärker «it Je einen Eingang und eine« Au·gang;

b) «in« Eufahrsehaltung (10, 12) für dia übertragung einet Signal· von einer linieren Signalquelle stm Eingang eine· ersten Verstärkers (18) 1

e) eine Mshrsahl τοη passiven KoppeInet»werken (26, 29), welch· «in verstärkt·· Eingangssignal vom Ausgang de« ersten Verstärker· (18) «si Eingang des »weiten Verstärkers (HO)

Obertragens

d) eine Widerstandssehaltung (3D, welche die Zufflhrsehaltung (10, 12) alt dem Eingang des »weiten Verstärkers verbindet, wobei die Elemente der passiven Xoppelnetswerke und der Viderstandssenaltung so bemessen sind, dai der Betrag des Verhältnisses des Ausgangs« signals des »walten Verstärker· «u dem genannten Eingangssignal in einen vorgegebenen Bereich von Signalfrequensen konstant ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daft der »weite Verstärker (10) eine bezüglich der passiven Xoppelnetswerke und der Widerstandssehaltung niedrige Singangsiapedans aufweist ·

90 9845/1380 -2-

3. Sdhtltung ntoh Amprueh 1 odtr 2, dadurch gtktanitlehntt, dal dit trsttn und twtiten YtrtiSrictr (18 biw. AO) trttt und iv«it· Tr*ntlitor«n (119 biw. 110) Mit «la·« BAtlttnsohlttA (119 ^«*· 1*2) «in« Koll«ktoranjehluÄ (121 biw. 1*3) und tint« E^«ttrtnii6iiltti (120 biw. 1*1) •ulto9is«a_A daft dit XufliCUireohcdtun« (10, 12) fib·» Kopp«l«l«Mntt (110, 112) alt am

(119) *·■ tnttn Twuntiitopt (118) v»Aund«n dft! dit pMislvtii Kopptlnttswtifct «in· IMhrsabl von λθ-eohalttinctn ftufw#ie«n_e wicht dta (121) dts mnrttn Tmatistevt (111) «it dta •obluA (1*1) dts iwtlttn Waiitlsto» (1*0) vtft»ittdtn» woduroh mi KoHtktorfiniehlui (1*3) tftt iwtittn Tvtailstoi¹· (1*0) «in Slpud tfvtiigt wir4„ wtiehts •int tigtnt fh—twabhllngt gltetlt iron dta Kiagaagtslgnai Attf^tlit und alt ditsta «in Aapntttdenvtvhlltai· von llonstaafeta Bttvag bi&dt% und d*S dit Vldtntandstefaalttmg OD dit Ityiff^mtfhiittms «tnd dtn ftautv» ithl«i (141) dtt wmttm Tm»*f%om (1*0) ai«tln-

•ndtr vtffeladtt»

909845/1380