DE1909570B2

DE1909570B2 - Gegenkopplungsnetzwerk fuer breitbandleitungsverstaerker

Info

Publication number: DE1909570B2
Application number: DE19691909570
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim 8500 Nürnberg Schmidt
Original assignee: Tekade Feiten & GuiUeaume Fernmel deanlagen GmbH, 8500 Nürnberg
Priority date: 1969-02-26
Filing date: 1969-02-26
Publication date: 1971-07-22
Also published as: DE1909570A1

Description

Die Dämpfung von Fernmeldeleitungen muß in gewissen Abständen durch Leitungsverstärker kompensiert werden. Im Zuge einer langen Verbindung liegen viele solche Leitungsverstärker in Serie und bestimmen im wesentlichen die Güte und Wirtschaftlichkeit einer Signalübertragung. Folgende Forderungen werden heute unter anderem an einen Leitungsverstärker gestellt:

a) Die Aussteuerungskennlinie soll außerordentlich linear sein, damit sich gleichzeitig im Nutzband übertragene Signale nicht gegenseitig durch Intermodulation stören.

b) Die dem Verstärker zugeführte Versorgungsleistung soll mit Bezug auf die am Verstärkerausgang abgebbare Signalleistung möglichst klein '⁵ sein, um über große Entfernungen fernspeisen zu können.

c) Die Verstärkung soll auf verschiedene Leitungslängen einstellbar sein. Der ziemlich große Temperaturgang jedes Leitungsabschnittes, der sich ungefähr wie eine Längenänderung auswirkt, soll mit dem Leitungsverstärker — temperaturgesteuert oder automatisch geregelt — ausgeglichen werden können.

d) Der Leitungsverstärker soll nur wenig rauschen, damit die Leitungsabschnitte möglichst groß gemacht werden können.

Zur gleichzeitigen Erfüllung dieser Forderungen hat sich als Stand der Technik eine Schaltungsanordnung (z. B. deutsche Auslegeschrift 1 242 707 F i g. 3) herausgebildet, deren wesentliche Grundzüge an Hand der F i g. 1 und 2 dargestellt werden.

Kurve 1 in Fig. 1 zeigt den typischen, mit der Frequenz / stark steigenden Verlauf der Leitungsdämpfung α. Auf der Abszisse ist der natürliche

Logarithmus von ^₇- aufgetragen, wobei /₀ die obere

./0

Nutzbandfrequenz bedeutet.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild eines typischen Leitungsverstärkers. Es sind mannigfaltige Abwandlungen in Details möglich; in bezug auf die noch zu beschreibende Erfindung sind nur die wesentlichen Merkmale dargestellt.

In F i g. 2 wird die obengenannte Forderung a) durch Anwendung der bekannten Gegenkopplung erfüllt: Vom Ausgang des Verstärkers V wird ein Teil des Signals über einen Festentzerrer FE, einen regelbaren Temperaturgangentzerrer TE und einen Widerstand W dem Eingangskreis zugeführt. Die Forderung b) wird dadurch erfüllt, daß vom Ausgangssignal ein spannungsproportionaler und ein stromproportionaler Anteil gleichzeitig zum Gegenkoppeln benutzt wird, um den Ausgangswiderstand des Verstärkers dem Wellenwiderstand Z des Kabels anzupassen; auf diese Weise wird keine Ausgangsleistung in einem sonst einzufügenden Anpassungswiderstand vergeudet. Die Einstellung auf verschiedene Leitungslängen und der Temperaturgangausgleich [Forderung c)] geschieht mit dem Entzerrer TE, dessen Eingangswiderstand sich bei Verstellen des Abschlußwiderstandes frequenzabhängig ändert und damit die Dämpfung des Gegenkopplungsweges in gewünschter Weise beeinflußt. Zum guten Funktionieren dieses Entzerrers muß das Gegenkopplungsnetzwerk an der Stelle, an der der Entzerrer angeschlossen ist, eine gegen den mittleren Eingangswiderstand große Impedanz haben. Das wird erreicht durch einen genügend großen Wellenwiderstand des Festentzerrers FE und einen Widerstand W. Schließlich ist die Forderung d) dadurch berücksichtigt, daß zur Erzeugung des Eingangswiderstandes Z, ähnlich wie am Ausgang, eine gemischte Gegenkopplung vorgesehen ist. Dadurch wird ein rauschender Anpassungswiderstand vermieden, der die Rauschzahl des Verstärkers um etwa 3 db vergrößern würde.

Sowohl die Vermeidung unnötigen Rauschens am Eingang als auch die Einsparung von Leistung am Ausgang sind in dieser Schaltung aber nur dann möglich, wenn die an den Fußpunkten der Übertrager Ue bzw. üa angeschlossenen Widerstände JR bzw. R₁ hinreichend klein sind. Zur Erfüllung der Anpassungsbedingungen müssen dann die Anzapfungen der übertrager ziemlich »tief« liegen (_λ4Γ^<« l)·

Das hat zur Folge, daß die Dämpfung im Gegenkopplungsweg von vornherein ziemlich groß ist. Durch die oben begründete Einfügung des Widerstandes W wird diese Mindestdämpfung noch stark vergrößert.

Nun ist bekanntlich die äußere Verstärkung eines gegengekoppelten Verstärkers mit guter Näherung so groß wie die Dämpfung im Gegenkopplungsweg. Das bedeutet, daß ein Verstärker, der die Forderungen a) bis d) erfüllen soll, zwangläufig eine gewisse, nicht unterschreitbare Grundverstärkung hat.

Zur Kompensation der Leitungsdämpfung muß der Verstärker eine frequenzabhängige Verstärkung haben, die gemäß F i g. 1 bei tiefen Frequenzen ziemlich klein und erst bei hohen Frequenzen des Nutzbandes beachtliche Werte erreicht. Nun ist die eben beschriebene Grundverstärkung meistens viel größer als die bei tiefen Frequenzen erforderliche Verstärkung. Man schaltet daher vor den Verstärker einen sogenannten Vorentzerrer — VE in F i g. 2 —, der die Leitungsdämpfung so weit auffüllt (entsprechend Kurve 2 in Fig. 1), wie es die überschüssige Verstärkung des nachfolgenden Verstärkers erfordert. Die Dämpfung des Vorentzerrers ergibt sich also aus der Differenz der zwei Kurven in Fig. 1. Die noch fehlende Verstärkung am oberen Bandende wird durch Einfügen des Festentzerrers FE in den Gegenkopplungsweg erzeugt.

Der Dämpfung des Vorentzerrers sind Grenzen gesetzt, denn die zusätzliche Absenkung des Nutzsignals bei tiefen Frequenzen verschlechtert den Rauschabstand etwa um die Vorentzerrerdämpfung. Man füllt daher die Leitungsdämpfung höchstens so weit auf, daß der Rauschabstand bei tiefen Frequenzen noch ein wenig größer ist als der durch die Leitungsdämpfung am oberen Bandende zwangläufig gegebene (vgl. F i g. 1). Es zeigt sich nun, daß bei Verstärkern, die entweder Regelnetzwerke mit großem Regelbereich oder mehrere Regelnetzwerke enthalten sollen, die Grundverstärkung größer ist, als durch einen Vorentzerrer ausgeglichen werden darf.

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, durch die eine größere Grundverstärkung erreicht werden kann, als beispielsweise bei der Einschaltung von Regelnetzwerken in den Gegenkopplungskreis notwendig ist, ohne daß dabei das Geräusch im gleichen Maße ansteigt wie bei der Anwendung von Vorentzerrern.

Das Gegenkopplungsnetzwerk für Breitbandleitungsverstärker nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Sekundär-

wicklung des Eingangsübertragers an den Eingang des inneren Verstärkers und die rückgeführte Spannung an eine Anzapfung der Sekundärwicklung geführt ist, daß das andere Ende der Wicklung über eine Widerstandskombination — bestehend entweder aus der Reihen- oder Parallelschaltung eines reellen Widerstandes und eines komplexen Zweipols — an den Fußpunkt der Verstärkerschaltung angeschlossen ist und daß eine duale Ergänzung zur Widerstandskombination parallel bzw. in Reihe zur Primärwicklung des Eingangsübertragers geschaltet ist.

Die Erfindung, ihre weitere Ausgestaltung und Einzelheiten werden für einige Ausführungsbeispiele an Hand der Abbildungen näher erläutert.

In F i g. 2 ist der an das untere Ende der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers Ue angeschlossene Widerstand R eingetragen. Es ist bekannt, daß bei einem solchen Verstärker der Eingangswiderstand

an der Primärwicklung den Wert R ■ ^p hat; ü, und ü\ sind dabei die entsprechenden Übersetzungsverhältnisse des Übertragers, und zwar

bzw. ü-, = —- —

)t'i

Wenn nun am Fußpunkt 6 der Sekundärwicklung entsprechend der F i g. 3 das Netzwerk A angeschlossen ist, würde nach jenem Gesetz am Eingang der

Primärwicklung der Eingangswiderstand A ■ ~j auftreten.

Nimmt man an, daß die Widerstandskombination aus der Serienschaltung A eines reellen Widerstandes R und eines komplexen Zweipols 9 besteht, deren Zweck später erläutert wird, so ist es möglich, durch Parallelschalten einer Widerstandskombination A' zur Eingangswicklung den komplexen Eingangswiderstand zu einem reellen Widerstand zu ergänzen.

Hierzu ist es notwendig, ein zu ,4 ψ duales Netzwerk A\ bestehend aus der Serienschaltung eines Widerstandes R' und eines komplexen Zweipols 3' zu benutzen. Umgekehrt ist am Eingangskreis eine entsprechend duale Ergänzung B' in Serie zu schalten, wenn die Widerstandskombination am Fußpunkt der Sekundärwicklung aus einer Parallelschaltung B eines Widerstandes R und eines komplexen Zweipols 3 besteht.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung ist am besten zu verstehen, wenn für 3 im Netzwerk/l eine bestimmte Annahme gemacht wird; beispielsweise möge 3 im Zweipol A aus einem Kondensator bestehen. Zwischen den Punkten 0 und 5 wirkt die Widerstandskombination A wie ein Scheinwiderstand von der Größe A(I —- ). der für die

rückgeführte Spannung Ur eine Belastung darstellt. Wenn die rückgeführte Spannung Ur über einen Widerstand W zur Verfügung steht, wird nun die Verstärkung frequenzabhängig in dem Sinn, daß mit zunehmendem Scheinwiderstand die Verstärkung des äußeren Verstärkers abnimmt. Da 3 voraussetzungsgemäß ein Kondensator ist, erhält man einen äußeren Spannungsverlauf, der bei tiefen Frequenzen, für die der Kondensator nahezu den Wert cc hat, einen kleinen Wert haben und der bei hohen Frequenzen den durch R bestimmten Grenzwert erreicht. Die Schaltung wirkt also wie ein üblicher mit einem Vorentzerrer ausgestatteter Verstärker. Es kann nun nachgewiesen werden, daß bei gleicher Wirkung, d. h. bei gleichviel Absenkung der Verstärkung in einem Fall durch einen Vorentzerrer in dem anderen Fall durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Rauschzahl des Verstärkers im letzteren Fall nur sich unwesentlich ändert, während sie bei Anwendung eines Vorentzerrers um die Vorentzerrerdämpfung

ίο vergrößert. Dieser Effekt ist dadurch erklärbar, daß die bei hohen Frequenzen wirksame gemischte Reihen- und Parallelkopplung nach tiefen Frequenzen hin in eine Reihenkopplung übergeht. Wenn z. B. der Kondensator den Scheinwiderstand Unendlich hat.

ist das eine Wicklungsende (6) der Sekundärwicklung nicht mehr mit dem Fußpunkt O verbunden, und die rückgeführte Spannung Ur liegt in Serie mit der an den Wicklungsanschlüssen 4 und 5 anliegenden Eingangsspannung, Bei derselben Frequenz ist aber der duale Widerstand 3'- der in unserem Beispiel dann aus einer Spule bestehen muß, auf den Wert 0 gesunken, so daß jetzt der Eingangswiderstand des gesamten Verstärkers lediglich durch den Widerstand R' gebildet wird. Ein Verstärker, an dessen Eingang tatsächlich der Eingangswiderstand angeschaltet ist, hat aber bekanntlich eine um 3 db schlechtere Rauschzahl als ein Verstärker, dessen Eingangswiderstand ohne rauschenden Widerstand hergestellt ist. Dies ist aber annäherungsweise die einzige Verschlechterung. die in der erfindungsgemäßen Schaltung auftreten kann, während andererseits eine sehr starke Absenkung der Verstärkung erzielt wird. Bei Anwendung eines Vorentzerrers wäre mit einem frequenzunabhängigen Widerstand gearbeitet worden.

Der Verstärker hätte über das ganze Frequenzband die bestmögliche Rauschzahl, also ohne Verschlechterung um die erwähnten 3 db, aber bei den tiefen Frequenzen würde sich die Rauschzahl um den Wert der Vorentzerrerdämpfung verschlechtern, übliche Vorentzerrer weisen Dämpfungen von 10 bis 20 db auf, so daß sich im ganzen gesehen die Rauschzahl besonders bei tiefen Frequenzen erheblich verschlechtert hätte.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wirkt in der Praxis wie ein Vorentzerrer, mit ihr kann die Grundverstärkung aber wesentlich höher gemacht werden als bei Verwendung der bekannten Schaltung. Es lassen sich damit Verstärker mit mehreren Regelnetzwerken oder mit einem Netzwerk großen Regelbereiches verwirklichen.

Im Prinzip können ebenso gute Ergebnisse mit einer Widerstandskombination der Art B erzielt werden, d. h. mit einer Parallelschaltung eines reellen Widerstandes R und eines komplexen Zweipols3. Die duale Ergänzung am Eingang des Übertragers wäre in diesem Fall in Reihe mit der Ubertragerwicklung zu schalten. Die Auswahl der einen oder anderen Schaltung hängt von praktischen Erwägungen einer jeweiligen Aufgabenstellung ab. In der Praxis wird der komplexe Zweipol 3 nicht nur aus einem Kondensator bestehen, sondern sehr häufig aus einem komplizierteren Netzwerk, das so gestaltet ist, daß die Leitungsdämpfung gut entzerrt wird.
Eine Schaltungsvariante der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt. Hier wird die rückgeführte Spannung Ur nicht der Anzapfung des Eingangsübertragers, sondern dem Abgriff eines über dessen Sekundärwicklung geschalteten Widerstandsspannungsteilers .R₁, .R₂ ^zu"

geführt. Die obenerwähnten Übersetzungsverhältnisse würden sich für diese Ausführungsform in

R₂

R₁ + R₂

- bzw. M₁' = -

W-i + Η',

zu Fig. 4:

R₂ + R

R² ü[

R²

(R₂ + R)²

ändern. Die Anwendung des Widerstandsteilers ergibt im Prinzip die gleichen Vorteile wie die bisher beschriebenen Schaltungsanordnungen. Die Anwendung der einen oder anderen Art hängt von den durch die Praxis gegebenen Nebenumständen ab. Beispielsweise wird das Geräusch des Verstärkers bei der Anwendung des Widerstandsteilers im oberen Bandende geringfügig vergrößert. Dieser Nachteil wird aber gelegentlich in Kauf genommen, wenn dafür die Anzapfung am übertrager eingespart werden kann und insbesondere bei hochfrequenten Verstärkern eine einfachere von parasitären Kapazitäten und Induktivitäten des Übertragers unabhängige Schleifenverstärkung erzielt werden soll.

Zwischen den Größen der Schaltelemente in den F i g. 3 und 4 gelten die folgenden Beziehungen:

R¹ ■ U_x

wobei

35 Ri + R₂

Claims

Patentansprüche:

1. Gegenkopplungsnetzwerk für Breitbandleitungsverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende (4) der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers (CO an den Eingang des inneren Verstärkers und die rückgeführte Spannung (Ur) an eine Anzapfung (5) der Sekundärwicklung geführt ist, daß das andere Ende (6) dieser Wicklung über eine Widerstandskombination — bestehend entweder aus der Reihenschaltung (A) oder der Parallelschaltung (B) eines reellen Widerstandes (R) und eines komplexen Zweipols (3) — an den Bezugspunkt (O) der Verstärkerschaltung angeschlossen ist und daß eine duale Ergänzung zur Widerstandskombination (A bzw. B) parallel bzw. in Reihe zur Primärwicklung des Eingangsübertragers geschaltet ist (F ig. 3).

2. Gegenkopplungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgeführte Spannung (Ur) statt an eine Anzapfung der Sekundärwicklung an eine Anzapfung (5') eines über die Sekundärwicklung geschalteten Widerstandsteilers geführt ist (F i g. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen