DE1808841B2 - Allpass-schaltung zur uebertragung von elektrischen signalen - Google Patents

Description

lie 1 rtuidung betrifft eine AUpaß-Schallung /111 Übertragung von elektrischen Signalen, umfassend, einen ersten und einen zweiten Verstärker sowie eine Mehrzahl mn /wischen dem Ausgang des ersten Verstärkers und dem Eingang des zweiten Verstärkern hintereinanderge.schaltcten. passiven Übertragungnet/werken.

Hei t'bertragungsschalhingen mit Allpaß-Chirakter hat das Verhältnis /wischen Ausgangs- und Eingangsamplitudc der Schaltung für alle Signalfrequen/m innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches ein·τ. konstanten Absolutwert. Deraitigc l'bertraguni:·.-schaltungen können somit tvi geeigneter Phasenbe- -iclninß /wischen Eingang und Ausgang /ur kompensation von Irequen/abhängigen Signalverzögerung!.-!, ohne Beeinflussung der Signalamplilude verwende! werden. Ebenso können derartige Schaltungen An wendiuiü ti.uien. um aus einem einzigen Einganu.--siunal zwei Ausgangssignale mit bezüglich des I in uangssiunals übereinstimmendem Anipliludenverhal ten. jedoch innerhalb eines vorgegebenen Frequenzhereiehes unterschiedlicher, beispielsweise s\mnu irisch versetzter Phasenlage zu erzeugen. Eine solch, Eimklion. die z.B. fiii Zwecke der quadratisch.:·, Modulation erforderlich ist. kann verwirklicht wlt den. indem ein gemeinsames Eingangssignal aufzw.-i parallele Allpaß-Schaltungen gegeben wird, deiui. Phasenkennwerte der gewünschten Phasendiffer^n der beiden Ausgangssignale entsprechen.

Unter ausschließlicher Verwendung von passive Netzwerken lassen sich Allpaß-Schaltungen nur mi; vergleichsweise großem Aufwand an Schaltungselementen mit einiger Annäherung verwirklichen, wobei überdies Induktivitäten erforderlich sind. Letztere bedinuen einen unerwünschten Herstellungsaufwand und lassen sich nur schwer in der erforderlicher, Genauigkeit herstellen bzw. abgleichen (s. Ii. Ii M ei η ice und ;·'. W. G und lach. »Taschenbuch der I lochfrequenztechnik«. 2. Auflage. Springer-Verlag. Berlin. Göttingen. Heidelberg. 1962. S. 950. 95 i und 1473 bis 1475)."

Weiterhin sind aktive Schaltungen mit Allpal.v-Charakter unter ansonsten ausschließlicher Verwendun·: von RC-Netzvverken bekannt (»Proceedings IEE". Vol. 112. S. 1X06 bis ISI4). übertragungsfunkt'onen höherer Ordnung, wie sie für eine entsprechend gute Annäherung an einen idealen Allpaß-Charakter erforderlich sind, lassen sich nach diesen bekannten Anordnungen nur mit Hilfe von Rückkopplungsschaltungen verwirklichen, und zwar in Form vor, gegengekoppelten Operationsverstärkern mit Integralwirkuim. Im Hinblick auf die geforderte Allpai.lrbertramingsfunktion müssen die Parameter der Geeenkopplungszweige mit hoher Genauigkeit über den gesamten Frequenzbereich abgeglichen werden, was einen unerwünscht hohen Herstellungsaufwand zur Eolge hat. Außerdem lassen sich diese Schaltungen mit ausreichend angenähertem Allpaß-Charakter nur

■i> schwer über vergleichsweise große Frequenzbereiche auslegen und kommen daher für Zwecke der Nachrichtenübertragung, wo derartige Frequenzbereiche auftreten, im allgemeinen nicht in Betracht vufgabe der Erfindung ist daher die Schädling einer

¹^' Allpaß-Schaltung, bei der eine übertragungsfunktion höherer .iN erster Ordni.'ig ohne Induktivitäten und . hi:;. Kiiekkoppluiiissch,. dingen verwirklicht werden \aiin Pie erlindungsgeniäßc Lösung dieser Aufgabe !•.en:· ' : Jiiu-t sich bei einer Allpaß-Sehaltung der ein-

■^; jjii:- .-'■··.■·. .dmten Art dadurch, daß der Eingang des ersten Verstärkers über einen von den Ubertragungsüet/werken gesonderten Widerstands-Ubertragungskan.il mit dem Eingang des zweiten Verstärkers verbunden lsi. dal.Ulie Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten Verstärker rückkopplungsfrei ausgebildet ist. und die Parameter des Widcrstands-Ubertraeungskanals derart bemessen sind, daß der absoliiie \'erhältiiiswert des Ausgangssignals des zweiten ^l· .''--i Mke·- /11111 Eingangssignal des ersten N'erstärkers

"' tie; ,lih.n sigiKilficcjuen/en der gleiche ist.

!'·." eile dt-rarticen Schaltung werden die für eine \'^:;v i'i-t' "!'--tiragung^fuMktiiin höherer Ordnung er- !οΗΐς·;ίι·.Ιυη Pole v;nd N'ullsiellen im Gesicnsatz zu

i 8Ü8 841

t|en iiekannleii hchalturigeu nicht dutch mck\iekiippdu: Verstärker mn Integralwirkung, sondern nur durch einfache R (.'-Netzwerke, und zwar vorzugsweise Kiur durch Zweipol-Netzwerke, /wischen den beiden \ ersiärkeni sowie durch einen zu dem ersten Vernärker und den übertragungsnetzwerk^! paralleljiesehuUeten. an den Hingang des zweiten Verstärkern !!!!geschlossenen Widerstands-rJberiragungskanal verwirklicht.

Die übertragungswege in einer solchen Schaltung lassen sich wesentlich leichter für größere i requenzbereicne im Sinne einer Allpaß-Übertraguiigsfunktiiin auslegen, so daß den Anforderungen der Nachrichtenübertragung hinsichtlich der Bandbreite mit vergleichsweise geringem Aufwand entsprochen werden kann.

Eine voi teilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung kennzeichnet sich dadurch, daß tier zweite Verstärker eine bezüglich der rlbertragungslictzwerke und des Widerstands-xJbertragungskanals niedrige Eingangsimpedanz aufwtist. Eine solche Bemessung der Eingangsimpedanz des zweiten Verstärkers ermöglicht eine besonders einfache Auslegung der Übertragungsnetzwerke zwischen den Verstärkern sowie des Widerstands-Ubertragungskanals. weil der Strom über letzteren dann im wesentlichen nur durch die Spannung des Eingangssignals und durch den Gesamtwiderstand dieses Kanals bestimmt ist.

Im einzelnen kennzeichnet sich ferner eine zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung dadurch, daß jeder der Verstärker einen Transistor mit einem Basisanschluß, einem Kollektoranschluß und einem Emitteranschluß aufweist, daß der Eingang des ersten Transistors über Koppelelemente mit dem Bastsanschluß des Transistors des e^rstcn Verstärkers verbunden ist, daß die Ubertragungsnetzwerkc eine Mehrzahl von RC-Zweipolschaltungen aufweisen, welche den Kollektoransrhluß des Transistors des ersten Verstärkers mit dem Emitteranschluß des Transistors des zweiten Verstärkers verbinden und daß der Widerstands-Ubertragungskanal dem Eingang des ersten Verstärkers mit dem Emittcriinschluß des Transistors des zweiten Verstärkers verbindet. Diese Ausführung zeichnet sich aus durch besonders vorteilhafte Einfachheit des Sehaltungsdufbaues, indem nämlich für jeden Verstärker grundsätzlich nur eine einfache Transistorschaltung erforderlich ist. Weiterhin trägt es zur Einfachheit des Schaltungsaufbaues in hohem Maße bei. daß hier nur zweipolige RC-Schaltungcn ii.nei ii&lb der Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Eingang des zweiten Verstärkers erforderlich sind, die sich nicht nur durch geringen Aufwand, sondern auch durch einfach? Abglcichmöglichkcit auszeichnen.

Die Erfindung wird weiter an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Hierin zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßcn Allpaß-Schaltung,

F i g. 2 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform de. erfindungsgemäßcn AllpaU Schaltung in ausführlicherer Darstellung,

V ι g. 3 ein Zeigerdiagramm zur Vcran^hiiulicluing der mit ώη Schaltungen nach Fig. I und 2 erziclbaren übertragungsfunktion sowie

F i g. 4 ein einfaches Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Anwendungsmöglichkeit der critndungsgemal.kn AllpaÜ-Scluiltung für Modulaiions-/wecke.

Bei der Schaltung nach F i g. 1 wird ein für zwei noch zu erläuternde Schallkreise gemeinsames Eins gangssignal, welches eine Mehrzahl von l-'requenzkomponenten enthalten kann, über Leitung 12 auf einen ersten Schaltungszweig mit einem erstei. Verstärker 18 und zwei in Reihe geschalteten RC'-Gliedern 26 und 29 als üherlragungsnetzwerke sowie Leitung 34

iQ zum Eingang eines zweiten Verstärkers 40 geleilet. Der Verstärker 18 erzeugt ein bezüglich seines Einganges gegenphasiges Ausgangssignal. Das gemeinsame Eingangssignal wird fernereinem zweiten Schallungszweig mit Leitung 14. Impedanz 31 und Leitung

is 36 zugeführt. Dieser Schallungszweig ist als paralleler Widerstands-Ubertragungskanal vorgesehen und an den Eingang des Verstärkers 40 angeschlossen. Nach der Phasendrehung im Verstärker 18 und Veränderungen in den RC-Ghc-lern 26 und 29 wird das über

den ersten Schaltungszwe.g laufende Signal mit dem über die Impedanz 31 des zweiten Schallungszweiges laufenden Signal am Eingang des Verstärkers 40 linear überlagert. Am Ausgang 37 dieses letztgenannten Verstärkers erscheint ein diesem Uberlagerungssignal proportionales Ausgangssignal.

Das RC-Glied 26 besteht aus einer Parallelschaltung eines Kondensators 25 und eines Widerstandes 24. während das RC-Glied 29 aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes 27 und eines Kondensators 28 besteht. Durch die Hintereinanderschaltung dieser beiden RC-Glicder wird das vom Verstärker 18 zugeführte Signal sowohl in der Phase wie auch in der Amplitude verändert.

Bekanntlich ergibt sich eine Schaltung mit konsUintem Amplitudenverhältnis des Eingangs- und Ausgangssignals, wenn die Übertragungsfunktion folgendem Ausdruck entspricht:

/'" - up + h²

In dem Ausdruck (1), der eine Siebschaltung zweiter Ordnung beschreibt, ist ρ die komplexe Frequenz im, während α und h durch die Daten der Siebschaltung bestimmte Parameter sind. Die Lage der Pole und Nullstellen des Ausdruckes (1) ist in dem Zeigerdiagramm gemäß Fig. 3 angedeutet. Da die verschiedenen übcrtragungsnci/.werkc der Schaltung nach F i g. 1 lediglich Widerstände und Kondensatoren enthalten, liegen alle Pole und Nullstellen auf der reellen Achse und sind symmetrisch zur imaginären Achse angeordnet. Letzteres ist dadurch bedingt, daß Zähler und Nenner des Ausdruckes (I) bi« auf das Vorzeichen des mittleren Terms übereinstimmen. Wie in F" i g. 3 angedeutet, ist für jede Frequenz ρ ζ. B. für eine dem Punkt 209 entsprechende Frequenz, das Verhältnis des Produktes der Zeiger der Nullstellen der übertragungsfunktion,

fio z. B. der Nullstellen /), und b₂ entsprechend den Punkten 203 und 207 in Fig. 3, zu dem Produkte der Zeiger der Pole der übertragungsfunktion, z. B. den Polen «, und o₂ entsprechend den Punkten 201 und 205 in F i g. 3, immer konstant. Daher ist der

(15 Betrag der Übertragungsfunktion entsprechend dem verlangten Allpaßvcrhaltcn frequenzunabhängig. Voraussetzung hierfür ist, wie die vorangehende Erläuterung gezeigt hat, die symmetrische Lage der Zeiger

der einander zugeordneten Pole und Nullstellen n, und /), bzw. O₂ und hj.

Tür die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. I gilt folgendes: Ks sei angenommen, daß über Leitung 10 eine Signalspannung r, zugeführt wird. Der Kondensator 25 weise eine Kapazität C₁, der Widerstand 24 einen Ohmwert K₁, der Kondensator 28 eine Kapazität C₂, der Widerstand 27 einen Ohm wert R₂ und die Impedanz den Ohmwert R auf. Ferner sei angenommen, daß der Verstärker 40 so ausgelegt ist. daß seine Hingangsimpedan/ praktisch Null ist. Unter diesen Voraussetzungen gilt für den durch den ersten Schaltungszweig bzw. Leitung 34 fließenden Strom die Beziehung

wobei '■!, für ilen Ausdruck

R₁C,

kR,

und -,, für den Ausdruck

«2 (

Z-

Hierbei sind

Z,

eingesetzt ist.

Bei Übereinstimmung des Ausdruckes
Gleichung (5) mit dem Ausdruck (I I mußte \vi
folgende Beziehung gelten:

- K, f

K",

die Impedanzen der RC-Glieder 26 bzw. 29. Der Verstärker 18 kann in an sich bekannter Weise so \o ausgelegt werden, daß eine eingangsseitige Signal-Spannung r, einen Strom

r,

am Ausgang hervorruft. Es gilt daher:

r.

(31

40

mit It als durch die Daten des Verstärkers 18 bestimmter Konstanten. Wegen der verschwindend kleinen Eingangsimpedanz des Verstärkers 40 ist der über Leitung 36 fließende Strom i, durch den Ausdruck r, R bestimmt, während für die übertragungsfunktion, welche den Signalstrom am Eingang des Verstärkers 40 mit der Eingangssignalspannung i\ in Beziehung setzt, !'eisende Gleichung silt:

7 =

ι- — i-

Z₁

Z-Z.

Wegen der Phasenumkehr im Yei>lärker 18 wird der Strom über Leitung 34 von demjenigen über Leitung 36 bei der überlagerung subtrahiert.

Mit den Schaitupgsparamcicrn ergibt sich für die Übertragungsfunktion folgender Ausdiuck:

ι, 4-

R₂C,

AR₂C₁

W\ ) '
Dies ist nur möglich, wenn ferner gilt:

R, C

Bei Erfüllung der letztgenannten Gleichung (7) hat der Ausdruck gemäß Gleichung (5) die gleiche Form wie der Ausdruck (1) entsprechend der gewünschten Allpaßfunktion.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht ein als Verstärker vorgesehener NPN-Transistorll8 dem Verstärker 18 der Schaltung nach Fig. 1. während dem Verstärker 40 ein PNP-Transistor 140 entspricht, über Leitung 110 und einen Koppelkondensator 112 wird ein gemeinsames Eingangssignal auf die Basis 119 des Transistors 118 gegeben, dessen Arbeitspunkt unabhängig ve / den Gleichspannungsverhältnissen auf Leitung 110 durch Widerstände 114 und 116 von einer Gleichspannungsquelle 145 eingestellt ist. und zwar im linearen Kennlinienbereich.

Die verstärkte Signalspannung erscheint am Emitter 120 bzw. Emitterwiderstand 123. Bei einer Signalspannung i\ an der Basis 119 ergibt sich ein Emitter-.strom i\ R₃. wobei R, der Ohmwert des Emitterwiderstandes 123 ist. Der dem Emitterstrom im wesentlichen gleiche Kollektorslrom über den Kollektor 121 gelangt über !übereinstimmend mit in F i g. 1 bezeichnete) RC-Glieder 26 und 27 an den Emitter 141 eines weiteren Transistors 142. Die bisher beschriebene Schaltung bildet den ersten Schaltungszweig zur übertragung des gemeinsamen Eingangssignals.

Der zweite Schaltungszweig besteht bei der Anordnung nach F i g. 2 aus einem der Gleichstromabtrennung dienenden Koppelkondensator 130 und einer Impedanz 31 (entsprechend Fig. 1). worüber das gemeinsame Eingangssignal ebenfalls zum Emittei 141 des Transistors 140 selanst. Durch den Kon-

7 8

densator 130 ist der Kreis des I ransistors 140 von Schaltungselemente der rtC-ülieder 26 und 29 sowii

der Gleichspannung des Transistors 118 abgetrennt, der Impedanz 31 gemäß Gleichungen (5) und (7) ver

wobei für ersteren eine eigene Gleichspannungs- lindert werden, so daß sich ein weiterer Bereich de

Speisequelle 147 vorgesehen ist. Die Impedanz 31 realisierbaren Phasencharakteristik ergibt. Im Fall·

bestimmt den Signalstrom /, = vjR des zweiten 5 einer Kaskadenanordnung nach Art der in den vor

«haltungszweiges. da die Basis 142 an einem festen liegenden Beispielen gezeigten Schaltungen kann di<

Bezugspotential, im Beispielsfall an Massepotential, Phasenübertragung einer jeden Schaltung gemiii

lieg! und die F.ingangsimpedanz am Emitter 141 ver- unterschiedlichen Charakteristiken eingestellt werden

nachlässigbar gering ist. Der Signalstrom I₂ über wobei sich in jedem Fall eine Allpaß-Ubertragungs

das RC-Glied 29 wird wie bei dem Beispiel nach to funktion zweiter Ordnung gemäß Gleichung (5) ergibt

l^; i g. 1 durch die Gleichung (2) bestimmt, wobei Mehrere erfindungsgemäße Schaltungen, die voi

jedoch i_A - v,/R₃ gilt. Der resultierende Signalstrom einem gemeinsamen Eingangssignal gespeist werden

nm Emitter 141 ist I₁-I₂. Es ergibt sich also eine können hinsichtlich ihrer Phasencharakteristik unter

Übertragungsfunktion gemäß Gleichung (5) auch für schiedlich bemessen werden. Auf diese Weise kam

die Schaltung nach Fig. 2. sofern k durch R, 15 eine Mehrzahl von bezüglich der Phasenlage von

ersetzt wird. einander verschiedenen Signalen von einem gemein

Der Arbeitspunkt des Transistors 140 wird durch samen Eingangssignal abgeleitet werden. In F i g. ^ί

Widerstände 133 und 135 im linearen Kennlinien- ist ein Beispiel einer derartigen Schaltung angedeutet

bereich eingestellt, wobei der Widerstand 135 an wobei zwei Siebschaltungen 412 und 414 über eine

den Minuspol 146 der Speisespannungsquelle ange- 20 Leitung 410 mit einem gemeinsamen Eingangssigna

schlossen ist. Der in den Emitter 141 fließende resul- gespeist werden. Für diese beiden eingangsseitig par

' ierende Signalstrom ι, -/₂ ist durch die Gleichung (5) allel angeordneten Schaltungen kommen z.B. die

!•«stimmt und entspricht im wesentlichen dem Strom jenigen nach F i g. 1 und 2 in Betracht, wobei jedoch

über Kollektor 143 und Widerstand 135. Das Aus- die RC-Glieder 26 und 29 entsprechend einer unter-

gangssignal auf Leitung 137 ist daher dem resultie- 25 schiedlichen Phasencharakteristik ausgelegt werden

renden Signalstrom am Emitter 141 proportional und Die Signale an den Ausgängen 437 und 438 dinsei

entspricht der gewünschten Allpaßfunktion gemäß beiden Kanäle haben somit den gleichen Amplituden

f· i g. 3. frequenzgang, jedoch entsprechend dieser Auslegung

Das Amplitudenverhältnis von Eingangs-und Aus- der RC-Glieder 26 und 29 sowie der Impedanz 31

gangssignal ist bei den Schaltungen nach Fig. 1 30 _ej_nen unterschiedlichen Phasenfrequenzgang. Etwü

lind 2 für alle Frequenzkomponenten des Eingangs- fijr Zwecike der Einseitenbandmodulation kann eint

«ignals bzw. für alle innerhalb eines vorgegebenen derartige Schaltung zur Gewinnung von zwei Signaler

1 requenzbereiches liegenden Frequenzen konstant. gleichen Amplitudenfrequenzganges eingesetzt wer

Die Phasencharakteristik kann jedoch bei beiden den. wobei die Phasenübertragung beider Kanäle

Schaltungen durch entsprechende Bemessung der 35 eine Differenz von 90 aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. 808

   l'alentaiispriielie:

   I Mlpaß-Schallung /ur Γ'Μχμ iragung von elektrischen Signalen, umlassend einen ersten und einen /weilen Verstärker sowie eine Mehrzahl von /wischen dem Ausgang des ersten Verstärkers und dem Eingang des zweiieii Verstärkers hinierc ι na nde !'geschah el en. passiven Π hen raiuingsiie Izw erkeii. d a d u r c h g e k e η η / e i c h net. daß der Eingang des ersten Verstärkers (IH) über einen von Acn rhertragungsnet/werken (26. 29| gesonderten Widcrsiauds-nheriragungskanal |31| mit dem Eingang des /weilen Verstärkers (4Ol verbunden ist. daß die Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten Verstärker rückkopplungsfrei ausgebildet sind und daß die Parameter der t'bertragungsnetzwerke (26. 29). von denen mindestens eines als Zweipol ausgebildet ist. und die Parameter des Widerstands-übertragungskanals(3l) derart bemessen sind, daß der absolute Verhäliniswert des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers (40) zum Eingangssignal des ersten Verstärkers bei allen Signalfrequenzen der gleiche lsi.
2. 2. Allpaß-Sehaltung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verstärker (40) eine bezüglich der rhertragungsnetzwerke (26. 29) und des SVidersta.ids-ü'ijrtragungskanals (31) niedrige Eingangsimpeuan?. aufweist.

   λ Allpaß-Sehaltung nach .-»nspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Verstärker ι IS. 40) einen Transistor (118 bzw. 140) mit einem Basisanschluß (119 bzw. 142). einem Kollektor-.mschluß(l21 bzw. 143) und einem Emitteranschluß (120 bzw. 141) aufweist, daß der Eingang (U)) des ersten Transistors (18) über Koppelelement (IU). 112) mit dem Basisanschluß 1119) des Trinsistors (IIS) des ersten Verstärkers (18) verbunden isi. daß die rhertragungsnetzwerke (26. 29) eine Mehrzahl \on KC-Aveipolsehaltungen aufweisen, welche den kollektoranschluß (121) des Transistors 11181 des ersten Verstärkers (18) mit dem 1 initleranschluß (141) des Transistors (140) des /weilen Verstärkers (40) verbinden und daß der Υλ iderstands-f'beriragungskanal (31) dem Eingang 110) des ersten Verstärkers (18) mit dem 1 ■ mitteranschluß (141) des Transistors (14Oi des /weilen Verstärkers (40) verbindet.