DE1913302C3 - Eingangsnetzwerk für einen gegengekoppelten Brettbandleltungsverstärker - Google Patents

Description

,..„ ««, daher die Leitungsdämpfung höchstens so ^ ,!daß der Rauschabstand bei tiefen Frequen^a™h ein wenig größer ist, als der durch die Lei_zen nout ^ _{oberen Banden}d_e zwangläufig ge-

fvel Fig. 1)· Es zeigt sich nun, daß bei Ver-ι me entweder Regelnetzwerke mit großem » „lhereich oder mehrere Regelnetzwerke enthalten *f „die Grundverstärkung größer ist, als durch *° v^rpntzerrer ausgeglichen werden darf. "SSbK (_Z.B. aus der USA,Patents~hrift „ -.7, fiooi daß an Stelle des in F ig. 2 dargestellten änsforma'torischen Teilers Ww, ein Widerstands- ^₁-verwendet werden kann. Das Eingangsnetzverk Steht dann aus drei in Serie geschalteten, reellen Verständen, wobei parallel zu dem ersten und ,₅ Sen Widerstand die Eingangsspannungsquelle, u die Sekundärwicklung eines Eingangstransfor- ^ angeschlossen ist, und wobei parallel zu dem " und dritten Widerstand die Rückkopplungs-

igsquelle angeschlossen ist, und wobei par- -„., _zu tuen drei Widerständen der zweipolige Einono des inneren Verstärkers liegt. Eine solche Anffima hat genau die gleiche äußere Verstärkung wie ein Verstärker nach F i g. 2, wenn dafür gesorgt S daß der Eingang des Regelv.erpols (7E) wieder *5 die Seiche Impedanz des Gegenkopplungswegcs vorfindet Die Anordnung erfordert also den gleichen Vnrentzerrer wie ein Verstärker nach Fig. 2, hai AeHn nachteiligerweise eine etwas größere Rauschah und eine kleinere Schleifenvcrstärkung. '"Aus der gleichen USA-Patentschrift 34 23 690, VxI 3 bis 5 sind ferner drei Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen jeweils einer der drei im vorher-Sden Abschnitt genannten W.derstande als Recnninzkreis ausgebildet ist, bei denen ferner die zwei ieweils verbleibenden Widerstände reell sind und bei denen in eine der Verbindungsleitungen zum Emaanestransformator ein zusätzlicher komplexer Zwei-S eingefügt ist, der bei allen drei Schaltungsanordnung η auf dem gleichen reellen Widerstand mit Sei dazu liegendem Serienschwingkrcis besteht und der den komplexen Eingangswiderstand zumindest in einem begrenzten Frequenzband näherungsweise zu einem reellen Eingangswiderstand ergänzt. 5Su ist vorgesehen, daß die jeweils in einer solchen Anordnung vorhandenen zwei Resonanzkreise die Se etwa am oberen Nutzbandende hegende Refonanz requenz haben. Jede dieser dre. Schaltungs-Snungen soll in der Umgebung der Resonanzfrequenz den Vorteil einer gemischten Gegemcopnung (minimale Rauschzahl) bieten und in von der Resonanzfrequenz abliegenden Frequenzbereichen wo diese minimale Rauschzahl nicht notig ist die Vorteile einer einfachen Parallelgegenkopplung {maximale Schleifenverstärkung) bringen. Wie diese ^Anordnungen jeweils diese Zie.e erre.chen und weshalb mit Parallelgegenkopplung maximale Schleifenverstärkung haben, wird im einzelnen nicht bc-

^8rÜDⁿie^eBrauchbarkeit der drei SchaHungsanordnunge" insbesondere im Hinblick auf die Problem aük des rauschenden Vorentzerrers und auf d-c problemlose Einfügung von einem oder mehreren Rcgclnelzwerkei wurde mit folgenden Ergebnissen untersucht: ^

a) Bei den beiden Anordnungen mit Resonanzkreis

^; an Stelle des ersten bzw. an Stelle des zweiten

Widerstandes ist der Eingangswiderstand nur bei der Resonanzfrequenz der Resonanzkreise reell; in der weiteren Umgebung der Resonanzfrequenz wird der Widerstand für praktische Breitbanüanwendungen dem Betrage nach unzulässig groß. Bei der Anordnung mit Resonanzkreis an Stelle des dritten Widerstandes ist der Eingangswiderstand reell.

b) Bei allen drei Anordnungen ist die Impedanz, die ein Regelvierpol {TE) vorfindet, komplex und besonders bei den im Punkt a) erstgenannten zwei Anordnungen sehr stark frequenzabhängig. Alle drei Anordnungen sind deshalb fur Verstärker ungeeignet, die einen Regelvierpol enthalten sollen.

c) Die äußere Verstärkung der Anordnungen mit Resonanzkreisen an Stelle des ersten bzw. zweiten Widerstandes ist frequenzabhängig mit einem Maximum bei der Resonanzfrequenz. Das Maximum ist jedoch schwach ausgeprägt, so daß wie bei einer Anordnung nach Fig. 2 ein Vorentzerrer zur Absenkung der Verstärkung notig ist. Bei der Anordnung mit einem Rcsonanzkre. an Stelle des dritten Widerstandes tritt ein Minimum der Vcrsiärkune bei der Resonanzfrequenz aut. Ein solcher Frequenzgang läuft dem zur kntzcrruno der Leilungsdämpfung notigen cntce»cn Ein Vorentzerrer und zusätzliche bntzerninesmiuel sind auch bei dieser Anordnung nölie Bei allen drei Anordnungen ist deshalb die "äußere Verstärkung (ohne Vorentzerrer) nicht groß genug, um einen oder mehrere Kegeivierpole im Gcgenkopplungsweg problemlos ein-

ZieTdcfErfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, durch die eine größere Gi unu^rstarkung erreicht werden kann, wie sie beispielsweise bei der Einschaltung von Regelnetzwerken in den Gegenkopplungskreis notwendig ist, ohne da3,dabei das Geräusch im gleichen Maße ansteigt wie bei der Anwendung von Vorentzerrern.

parallel

pol dual sind. . - ^t_{1 r}

Die Erfindung wird an Hand der Fig. 3 naher

rt:

In F i g. 3 ist das Eingangsnetzwerk eines gegengckoppelten Verstärkers dargestellt. Der Eingangsübertrager Ü mit den Klemmen 1 und 2 an der Primärwicklung hat das Übersetzungsverhältnis U₁ = -f, wobei W₁ die Windungszahl der Primärwicklung und W₄ die Windungszahl der Sekundärwicklung bedeutet. Die Sekundärwicklung mit den Klemmen 3 und 5 ist so mit einem Netzwerk und dem inneren Verstärker verbunden, daß eine im Prinzip bekannte Reihen-Parallel-Gegenkopplung wirksam ist. Die eine Ausgangsklemme 3 ist mit dem Eingang des inneren Ver-

stärkers und einem Pol eines ersten komplexen Zweipols A verbunden, die andere Klemme 5 führt an den Verbindungspunkt eines zweiten komplexen Zweipols A' und eines Widerstands Z.

Der komplexe Zweipol/i der Widerstand Z und der komplexe Zweipol Λ' liegen in Reihe zwischen der Eingangsklemme des inneren Verstärkers und 0.

Dazu wird vom nicht näher dargestellten Ausgang des Verstärkers ein Teil der Ausgangsspannung über einen Widerstand W als rückgeführte Spannung Ur dem Eingangskreis zugeleitet. Der Widerstand W kann körperlich vorhanden oder auch der Innenwiderstand eines im Gegenkopplungsweg liegenden Vierpols sein. Über die Widerstände A und Z wird der eine Teil der Spannung Ur dem Eingangsübertrager parallel zugeführt, der andere Teil der Spannung Ur liegt am Widerstand A' in Serie mit dem Eingangsübertrager.

Nach der Erfindung sind nun die Widerstände A und A' komplex und mit Bezug auf den reellen Wider-

stand Z dual, d. h., es gilt die Beziehung Λ' = -j-.

Setzt man voraus, daß die Verstärkung im Rückkopplungskreis > 1 ist (eine bei solchen Verstärkern selbstverständliche Bedingung), so erhält man folgende Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung:

1. Der Eingangswiderstand R_f an den Klemmen 1 und 2 ist reell und hat die Größe R_e = -^-.

2. Der für die rückgeführte Spannung Ur an den Klemmen 4 und 0 wirksame fiktive Lastwiderstand hat die Größe Z.

3. Zwischen der Eingangsspannung Ue an den Klemmen 1 und 2 und der rückgeführten Spannung Ur besteht die Beziehung Ur= Ue-U₁- -γ.

4. Durch entsprechende Gestaltung des Frequenzganges des komplexen Zweipols A lassen sich beliebige Mischungen aus Parallel- und Seriengegenkopplung herstellen. Das wird an Hand der F i g. 4 a bis 4 c näher erläutert.

Zunächst sei der Fall betrachtet, daß der komplexe Zweipol A einen sehr großen Wert hat. Er kann dann, ohne einen nennenswerten Fehler zu verursachen, unberücksichtigt bleiben. Wegen der geforderten Dualität ist der Widerstand A' klein. Die Schaltung nach Fig. 3 geht damit in die Schaltung nach Fig. 4a über, d. h., es ergibt sich das typische Bild für eine Reihengegenkopplung; die Dämpfung im Gegenkopplungsweg wird durch den Teiler aus den Widerständen Z und A' vergrößert.

Jetzt sei der Widerstands sehr klein (Fig. 4b). Da dann der Widerstand A' sehr groß sein muß, kann nun dieser unberücksichtigt bleiben. Wieder entsteht das typische Schaltbild für Reihengegenkopplung. Die Eingangsspannung wird durch den Teiler aus den Widerständen Z und A verkleinert. Der am Widerstands verbleibende Rest der Eingangsspannung liegt in Serie mit der rückgeführten Spannung.

Schließlich sei A = Z (Fig.4c). In diesem Falle fließt durch den Widerstand Z kein Strom, er kann daher weggelassen werden. Es entsteht das typische Schaltbild für Parallelgegenkopplung, denn die rückgeführte Spannung wird über den Widerstand A unmittelbar dem Eingang des inneren Verstärkers zugeführt.

Allgemein läßt sich sagen, die Schaltungsanordnung

nach der Erfindung wirkt als Reihengegenkopplung, je mehr der Wert des freqiuenzabhängigen Widerstandes des Zweipols A gegen Null oder gegen Unendlich geht; für A-Z wirkt sie als Parallelgegenkopplung.

ίο Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung hat gegenüber bekannten Anordnungen folgende Vorteile: Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Eingangsnetzwerkes kann das Verhältnis Eingangsspannung zu rückgeführter Spannung und damit die Ver-

Stärkung des Verstärkers frequenzabhängig gestaltet werden, ohne daß dadurch der Eingangswiderstand des Verstärkers und der für die rückgeführte Spannung wirksame Belastungswiderstand beeinflußt werden. Beide Widerstände sind in vorteilhafter Weise

ao reell, und der letztgenannte; ist überdies wesentlich hochcnmiger als in bekannten Anordnungen, was sich bei der Einfügung eines; Regelnetzwerkes in den Gegenkopplungsweg günstig auswirkt. Die erzielbare Schleifenverstärkung ist wesentlich größer als bei jeder der aus der USA.-Patentschrift 34 23 690 bekannten Schaltungen.

Bei entsprechender Gestaltung des komplexen Widerstandes A, z. B. bei Verwendung eines Parallelschwingkreises, der ungefähr auf die höchste Nutzbandfrequenz abgestimmt und dessen Scheinwiderstand dort groß gegen Z ist (s. auch Fig. 3), erhält man einen Verstärker mit sehr kleiner Rauschzahl am oberen Nutzbandende, denn die bekannten Vorzüge der gemischten Gegenkopplung zur Gewinnung eines elektronischen Eingangswiderstandes sind dort wirksam. Am unteren Nutzbandende ist dann der Widerstand A klein gegen Z; ungefähr entsprechend Fig. 4b wird das Eingangssignal durch den Widerstandsteiler aus Z und A stark gedämpft, wodurch eine Wirkung erzielt wird, die sonst ein Vorentzerrer hat. Ein zusätzlicher Vorentzerrer ist deshalb nicht mehr nötif;.

Der entscheidende Vorteil liegt nun darin, daß bei einer derartigen Anordnung die Rauschzahl des Verstärkers am unteren Nutzbandende nur wenig größer als am oberen Ende ist. Der übliche Effekt, daß die Rauschzahl proportional der Vorentzerrerdämpfung anwächst, wird hier vermieden. Das kann an Hand der Fig. 4b erklärt werden, die den Zustand A <ζ Z, der bei tiefen Nutzbandfrequenzen angestrebt wird, ungefähr wiedergibt. In Fig. 4b ist als zusätzlich rauschender Widerstand im Eingangskreis im wesentlichen der Widerstand Z vorhanden. Er vergrößert die Rauschzahl um 3 db. Weitere, aber unwesentliche Vergrößerungen verursachen die rauschenden Widerstände W und A und unter Umständen die nicht mehr optimal rauschangepaßte: Eingangsstufe des inneren Verstärkers.

Der »integrierte Vorentzerrer« gemäß der Erfin-

dung darf deshalb eine wesentlich größere Dämpfung haben al«; ein üblicher Vorentzerrer. Im Grenzfall kann die gesamte Entzerrung des Gegenkopplungsweges in den Eingangskreis gelegt werden, wobei dann zum wirkungsvollen Einbau von Regelnetz-

werken eine große Grundverstärkung zur Verfugung steht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Eingangsnetzwerk für einen gegengekoppelten Breitbaridleitungsverstärker, das drei in Serie geschaltete Zweipole enthält und bei dem die Sekundärwicklung eines Eingangsübertragers parallel zum ersten und zweiten Zweipol angeschlossen ist, bei dem die Gegenkopplungsspannungsquelle parallel zum zweiten und dritten Zweipol angeschlossen ist und bei dem der Ein-•gang des inneren Verstärkers parallel zu allen drei Zweipplen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zweipol (A) und zugleich der dritte Zweipol [A¹) komplex sind und daß diese beiden komplexen Zweipole mit Bezug auf den reell ausgebildeten zweiten Zweipol (Z) dual sind [a¹ = ~).

   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 exakt 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 Verstärker- ausgang abgebbare Signalleistung möglichst klein 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 12 42 707, Fig. 3) herausgebildet, deren wesentliche Grundzüge an Hand der Fi g. 1 und 2 dargestellt werden.

   Kurve 1 in F i g. 1 zeigt den typischen, mit der Frequenz/ stark steigenden Verlauf der Leitungsdämpfung a. Auf der Abszisse in der natürliche Logarithmus von j- aufgetragen, wobei /₀ die obere 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 WellenwiderstandZ 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 dessen mittleren Eingangswiderotand große Impedanz haben. Das wird erreicht durch einen genügend großen Wellenwiderstand des Festentzerrers FE und einen Widerstand W. Schließlich ist die Forderung d) dadurch be ■ rücksichtigt, 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 Üc bzw. Va angeschlossenen Widerständet bzw. R₁ hinreichend klein sind. Zur Erfüllung der Anpassungsbedingungen müssen dann die Anzapfungen der Übertrager ziemlich »tief« liegen (-J^ <ξ Ij . 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 Fig. 1 bei tiefen Frequenzen ziemlich klein ist 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 Kuive 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 Vorenizerrers sind Grenzen gesetzt, denn die zusätzliche Absenkung des Nutzsignals bei tiefen Frequenzen verschlechtert den Rauschabstand etwa um die Vorentzerrerdämpfune.