DE2240730B1

DE2240730B1 - Aus negativen Widerständen bestehender Vierpol zur reflexionsarmen Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung

Info

Publication number: DE2240730B1
Application number: DE19722240730D
Authority: DE
Inventors: Hermann 8000 Muenchen Bendel; Kurt Dr.Phil. 8135 Soecking Buchmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-01-19
Filing date: 1972-08-18
Publication date: 1974-02-28
Also published as: CH553517A; AT325680B; JPS4883750A; DE2261853C3; NL7300702A; DE2240730C2; IT983852B; DE2261853A1; JPS5716526B2; ATA39573A; DE2202501C3; DE2202501A1; DE2202501B2; DE2261853B2

Description

Die Erfindung betrifft einen aus negativen Widerständen bestehenden Vierpol zur relexionsarmen Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung mit einem den negativen Längswiderstand erzeugenden ersten Negativ-Impedanz-Konverter und einem den negativen Querwiderstand erzeugenden zweiten Negativ-Impedanz-Konverter sowie Einstellmittel zum gleichzeitigen Verändern von den jeweiligen Konversionsfaktor bestimmenden Elementen des ersten und des zweiten Negativ-Impedanz-Konverters.

Ein Vierpol mit einem negative Längswiderstände erzeugenden ersten Negativ-Impedanz-Konverter und einem einen negativen Querwiderstand erzeugenden zweiten Negativ-Impedanz-Konverter wird in der Literatur auch NLT-Verstärker genannt und ist z. B. aus den Unterrichtsblättern der deutschen Bundespost, 1957, Nr. 11—12, S. 149 bis 154, bekannt.

Weiterhin ist es aus dem Buch von T i e t ζ e und Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, erschienen im Springer-Verlag, insbesondere aus dem Abschnitt »Der NIC (Negative Impedanz Converter)«, S. 169 bis 174, bekannt, zur Herstellung eines negativen Widerstandes einen positiv und negativ rückgekoppelten Operationsverstärker zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen aus negativen Widerständen bestehenden Vierpol (NLT-Verstärker) der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher sich für die verschiedenen Einsatzfälle bei der relexionsarmen Dämpfungsverminderung von Zweidrahtleitungen besonders gut eignet.

Diese Aufgabe ist bei dem NLT-Verstärker durch eine zueinander proportionale Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren der Negativ-Impedanz-Konverter durch die Einstellmittel gelöst.

Durch diese Maßnahmen wird der Vorteil erreicht, daß der Wellenwiderstand des Vierpols an den Wellenwiderstand der angeschlossenen Leitung bei konstant bleibender Verstärkung eingestellt werden kann, so daß die die Höhe und den Frequenzgang der Verstärkung bestimmenden Netzwerke unverändert bleiben können während der Wellenwiderstand an die Wellenwiderstände aller in Frage kommenden Leitungen unbelasteter Art angepaßt werden kann. Damit entfällt bei der Inbetriebnahme des NLT-Verstärkers auch die Notwendigkeit, den Leerlauf- und Kurzschlußwiderstand der Leitung durch Messungen zu ermitteln bzw. die Einstellgrößen der Netzwerke aus Tabellen, die diesen Leitungen angepaßt sind, zu entnehmen.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist durch weitere Einstellmittel, welche eine zueinander reziproke Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren bewirken, gekennzeichnet. Hierdurch wird es möglich, die Verstärkung des Vierpols bei unverändert bleibenden Wellenwiderständen an den beiden Seiten des Vierpols einzustellen. Somit kann jeweils die frequenzabhängige Dämpfung verschieden langer Leitungslängen bis auf einen relativ geringen Sicherheitsabstand hinreichend genau kompensiert werden, ohne daß an den die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung bestimmenden Netzwerken etwas geändert zu werden braucht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigt

F i g. 1 eine Prinzipdarstellung des bekannten NLT-Verstärkers,

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 3 und 4 Ausführungsbeispiele für Details der Anordnung nach F i g. 2.

Zur Realisierung eines aus negativen Widerständen bestehenden Vierpols zur reflexionsfreien Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung kann man grundsätzlich von den verschiedensten symmetrischen Dämpfungsgliedern ausgehen, deren leistungsverzehrende Widerstände sodann durch leistungserzeugende negative Widerstände des gleichen absoluten Betrages ersetzt werden müssen. Sehr geeignet hierfür ist z. B. die nachstehend erläuterte Brücken-T-Schaltung.

Fig. 1 zeigt die bekannte Brücken-T-Schaltung mit einem Längswiderstand Z[, einem Querwiderstand Z₂ und einer Symmetriedrossel. Der beiderseitige Wellenwiderstand Z₀ ergibt hierbei zu

Z_n =

und das übertragungsmaß g beträgt

g = a + jb = In

1-tyK

2V Z₂

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es bekannt, die Widerstände Z[ und Z₂ mit Hilfe aktiver Elemente enthaltender Negativ-Impedanz-Konverter als negative Widerstände derart auszubilden, daß ein symmetrischer Vierpol mit dem gleichen Wellenwiderstand Z₀ jedoch einem negativen übertragungsmaß entsteht, wodurch eine entsprechende reflexionsarme Verstärkung in beiden Ubertragungsrichtungen bedingt ist.

F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der zum Zweck der gleichmäßigen Verteilung des negativen Längswiderstandes auf die beiden Adern der übertrager CfI vorgesehen ist, dessen mittelangezapfte Primärwicklung längs in die eine Ader 1—3 und dessen weitere mittelangezapfte Primärwicklung längs in die andere Ader 2—4 der zu entdämpfenden Zweidrahtleitung eingeschaltet ist. An der Sekundärwicklung liegt sodann der durch den Negativ-Impedanz-Konverter C1 realisierte negative Längswiderstand Z₁' an.

Der negative Qiierwiderstand Z₂ wird durch den Negativ-Impedanz-Konverter Cl realisiert, welcher an der Sekundärwicklung des weiteren Übertragers Ü2 anliegt,., dessen Primärwicklung quer zur übertragungsrichtung liegt und die Mittelanzapfung der beiden Primärwicklungen des Übertragers CfI verbindet. Der übertrager Ci2 hat im wesentlichen nur die Aufgabe, den negativen Widerstand Z₂ an die Leitung anzukoppeln, ohne die Leitungssymmetrie zu stören; mit ihm läßt sich aber auch Z₂ in Stufen an die Leitung anpassen.

Der Negativ-Impedanz-Konverter Cl weist den negativen Konversionsfaktor — U₁ auf und ist mit der im allgemeinen komplexen Impedanz Zl abgeschlossen. Somit erzeugt dieser Konverter Cl an seinem Eingang, welcher an die Sekundärwicklung des Übertragers CfI angeschlossen ist, die negative Längsimpedanz

Z₁' = -U₁-Z₁.

Der zweite Negativ-Impedanz-Konverter C 2 weist den negativen Konversionsfaktor — «₂ auf und ist mit der im allgemeinen komplexen Impedanz Z 2 abgeschlossen. Der Konverter C 2 erzeugt an seinem Eingang, an welchen die Sekundärwicklung des Übertragers Cf2 angeschlossen ist, die negative Querimpedanz

Z₂ = - «₂ · Z₂ .

Der Wellenwiderstand eines derartigen, einen NLT-Verstärker darstellenden Vierpols ist gegeben durch ausgestaltet und bemessen, daß sie der Charakteristik der zu entdämpfenden Leitung entsprechen.

Die Anordnung nach F i g. 2 weist nun eine Einrichtung S auf, mit welcher der Konversionsfaktor — «j des ersten Negativ-Impedanz-Konverters Cl und der Konversionsfaktor — a₂ des zweiten Negativ-Impedanz-Konverters C 2 nach vorgegebenen Gesetzen gleichzeitig verändert werden können. Dabei ist diese Einrichtung S derart ausgebildet, daß mittels

ίο der Einstelleinrichtung S1 eine zueinander proportionale Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren gegeben ist, was durch die Bestimmungsgleichung

Z₀ = ]/ Z[-Z'i = \' Z₁ ·(-«,) ■ Z₂ · (-<

= fXZ,- f<H^ru₂
und seine Verstärkung durch

s = In

^=In-

2 < Ζ,

«2

Im allgemeinen weisen die zu entdämpfenden Leitungen einen ins Gewicht fallenden Frequenzgang der Dämpfung auf, welchem sodann durch einen entsprechenden Frequenzgang der Verstärkung des N LT-Verstärkers begegnet werden soll. Mit Vorteil werden daher die Impedanzen Zl und Z 2 derart "«1

= konstant (bei Einstellung von Sl)

beschrieben werden kann. Weiterhin ist die Einrichtung S noch derart ausgebildet, daß mittels der weiteren Einstellvorrichtung S 2 eine zueinander reziproke Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren gegeben ist, was durch die Bestimmungsgleichung

( — (I₁) ■ ( — a₂) = konstant (bei Einstellung von S 2)

beschrieben werden kann.
Durch Betätigung der Einstelleinrichtung S1 kann somit der Wellenwiderstand des NLT-Verstärkers an den Wellenwiderstand der angeschlossenen Leitung bei konstant bleibender Verstärkung eingestellt werden, so daß die die Höhe und den Frequenzgang der Verstärkung bestimmenden Netzwerke unverändert bleiben können, während der Wellenwiderstand Z₀ an die Wellenwiderstände aller in Frage kommenden Leitungen unbelasteter Art angepaßt werden kann. Damit entfällt bei der Inbetriebnahme des NLT-Verstärkers auch die Notwendigkeit, den Leerlauf- und Kurzschlußwiderstand der Leitung durch Messungen zu ermitteln bzw. die Einstellgrößen der Netzwerke aus Tabellen, die diesen Leitungen angepaßt sind, zu entnehmen.

Durch Betätigung der Einstelleinrichtung S 2 wird die Verstärkung des NLT-Verstärkers bei unverändert bleibendem Wellenwiderstand Z₀ an den beiden Seiten des Vierpols eingestellt, so daß jeweils die frequenzabhängige Dämpfung verschieden langer Leitungslängen bis auf einen relativ geringen Sicherheitsabstand hinreichend genau kompensiert werden kann, ohne daß an den die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung bestimmenden Netzwerken etwas geändert zu werden braucht.

Bei der Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen NLT-Verstärkers genügt es, zunächst mit dem Verstärkungsregler, d.h. mit der Einstelleinrichtung S 2 die Verstärkung und gleichzeitig damit die dieser Verstärkung fest zugeordnete Entzerrung einzustellen und anschließend durch Weiterdrehen des Verstärkungsreglers den Pfeifabstand zu bestimmen, worauf mit dem Wellenwiderstandschalter, d. h. mit der Einstelleinrichtung S1 durch das jeweilige Feststellen des Pfeifabstandes der Wellenwiderstand sehr einfach und sicher optimiert werden kann. Der Wert des jeweils erreichten Sicherheitsabstandes vom Pfeifpunkt ist hierbei ohne weiteres Zutun ersichtlich.

An drei Zahlenbeispielen wird die Abhängigkeit des eingestellten Wellenwiderstandes Z₀ und der Verstärkung s weiter verdeutlicht.

Erstes Zahlenbeispiel: O₁ = a₂ = 1

Z₀ -

2 V Z₂

s = In

^l-2

Zweites Zahlenbeispiel: a_t = 2, O₂ = ^

s = In

-If

i-

Drittes Zahlenbeispiel: a_t = a₂ = 2

Z₀ = ]/ Z₁Z₂ f2~2 = 2 YzJz₂

s = hi

Wie ersichtlich, ändert sich in dem Zahlenbeispiel 2 nur die Verstärkung (z. B. für \ ~4~ = 0,5 von s = 0,51 Np auf s = 1,1 Np), während der Wellenwiderstand seinen Wert Z₀ beibehält. In dem Zahlenbeispiel 3 dagegen bleibt die Verstärkung gegen Beispiel 1 unverändert, der Wellenwiderstand erhöht sich aber auf 2 · Z₀.

• F i g. 3 und 4 zeigen jeweils in einem Prinzipschaltbild ein Ausführungsbeispiel für die Realisierung der Negativ-Impedanz-Konverter, wobei die Anordnung nach Fig. 3 den Negativ-Impedanz-Konverter Cl zur Erzeugung des negativen Längswiderstandes Z[ und Fig. 4 den zweiten Negativ-Impedanz-Konverter C 2 zur Erzeugung des negativen Querwiderstandes Z₂ darstellt.

Beide Negativ-Impedanz-Konverter Cl und C 2 enthalten jeweils einen Operationsverstärker Vl bzw. Vl mit zwei Eingangsklemmen, die je über eine Rückkopplungsimpedanz mit der Ausgangsklemme des jeweiligen Operationsverstärkers verbunden ist. Dabei sind die beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Rückkopplungsimpedanzen R_m und R_N2 jeweils mit der Minus-Eingangsklemme und die beiden je eine positive Rückkopplung bewirkenden Rückkopplungsimpedanzen R_P1 und R_P2 jeweils mit der Plus-Eingangsklemme des zugehörigen Operationsverstärkers Vl bzw. Vl verbunden.

Jeweils eine der beiden Eingangsklemmen ist über eine weitere Impedanz Zl bzw. Z 2 mit dem Bezugspotential des Operationsverstärkers Vl bzw. Vl verbunden, während die andere Eingangsklemme gegenüber dem Bezugspotential des Verstärkers Vl bzw. Vl den jeweiligen negativen Widerstand Z[ bzw. Z₂ aufweist.

Der Operationsverstärker Vl nach Fig. 3 hat die Eigenschaft, daß der erzeugte negative Längs-Widerstand Z[ leerlaufstabil ist, d. h., daß auch bei Leerlauf einer oder beider Ubertragungsrichtungen der Doppelleitung keine Selbsterregung eintritt. Dies ist dadurch erreicht, daß die weitere Impedanz Zl zwischen die Plus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers Vl und dessen Bezugspotential eingeschaltet und außerdem so ausgebildet ist, daß bei Leerlauf der Minus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers die gegenkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz R_N1 die positiv rückkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz R_P1 übersteigt.

Der Operationsverstärker Vl nach Fig. 4 hat die Eigenschaft, daß der erzeugte negative Querwiderstand Z₂ kurzschlußstabil ist. Dies ist dadurch erreicht, daß die weitere Impedanz Z 2 zwischen die Minus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers Vl und dessen Bezugspotential eingeschaltet und außerdem so ausgebildet ist, daß bei Kurzschluß der Plus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers die gegenkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz R_N2 die positiv rückkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz R_P2 übersteigt.

Zweckmäßigerweise üben die beiden weiteren Impedanzen Zl und Zl des Operationsverstärkers Vl und des Operationsverstärkers Vl die Funktion des jeweiligen Abschlußwiderstandes Zl bzw. Zl der Negativ-Impedanz-Konverter Cl und C 2 nach F i g. 2 aus, weshalb sie auch mit den in F i g. 2 verwendeten Bezugszeichen Zl, Z 2 versehen sind. Zur Nachbildung der Frequenzabhängigkeit des Wellenwider-Standes Z₀ an den Wellenwiderstand der Leitung kann die weitere Impedanz Zl des Verstärkers Fl nach F i g. 3 vorteilhafterweise eine Parallelschaltung einer Kapazität mit einem ohmschen Widerstand enthalten, während die weitere Impedanz Z 2 des Verstärkers Vl nach F i g. 4 eine Serienschaltung aus einer Kapazität mit einem ohmschen Widerstand enthält.

Der Betrag des Konversionsfaktors -Ct₁ des in F i g. 3 dargestellten Negativ-Impedanz-Konverters Cl ist gegeben durch

«ι ⁼

JVl

Pl

der Betrag des Konversionsfaktors — O₂ des in F i g. 4 dargestellten Negativ-Impedanz-Konverters C 2 ist gegeben durch

^m

Die Konversionsfaktoren lassen sich sowohl durch die eine positive Rückkopplung bewirkende als auch durch die eine negative Rückkopplung bewirkende Rückkopplungsimpedanzen einstellen. Man kann also z. B. die Änderung der beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Impedanzen jR_w1, jR_W2 um den gleichen Faktor zur Einstellung des Wellenwiderstandes Z₀ und die Änderung des Verhältnisses der eine positive Rückkopplung bewirkenden Impedanzen R_P1/R_P2 bei gleich bleibendem Produkt R_P1 · R_P2 zur Einstellung der Verstärkung benutzen, ohne daß eine gegenseitige Beeinflussung auftritt. Es sind daher die gleichzeitig veränderbaren Elemente der beiden Negativ-Impedanz-Konverter Cl und C 2 vorteilhafterweise durch je eine Rückkopplungsimpedanz der beiden Operationsverstärker Vl bzw. Vl realisiert.

Bei der vorbeschriebenen Art der Einstellung der Konversionsfaktoren sind also die beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Impedanzen R_S1 und R_N2 mit einem gemeinsamen Drehschalter einstellbar, welcher somit die erste Einstelleinrichtung S1 realisiert. Des weiteren sind die beiden je eine positive Rückkopplung bewirkenden Impedanzen R_Pl und Rp₂ mit einem zweiten gemeinsamen Drehschalter

einstellbar, welcher somit die zweite Einstelleinrichtung S 2 verwirklicht. Grundsätzlich können die beiden je eine positive Rückkopplung bewirkenden Impedanzen Rp₁, Rp₂ einerseits und die beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Impedanzen Kivi, Rs2 andererseits hinsichtlich der beiden Einstelleinrichtungen Sl und S 2 miteinander vertauscht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 509/268

COPY

Claims

Patentansprüche:

1. Aus negativen Widerständen bestehender Vierpol zur reflexionsarmen Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung mit einem den negativen Längswiderstand erzeugenden ersten Negativ-Impedanz-Konverter und einem den negativen Querwiderstand erzeugenden zweiten Negativ-Impedanz-Konverter sowie Einstellmittel zum gleichzeitigen Verändern von den jeweiligen Konversionsfaktor bestimmenden Elementen des ersten und des zweiten Negativ-Impedanz-Konverters, gekennzeichnet durch eine zueinander proportionale Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren (—%; — a₂) der Negativ-Impedanz-Konverter (Cl; C2) durch die Einstellmittel (Sl).

2. Vierpol nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch weitere Einstellmittel (S 2), welche eine zueinander reziproke Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren (—a_x; — a₂) der Negativ-Impedanz-Konverter (Cl; C2) bewirken.

3. Vierpol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die' Negativ-Impedanz-Konverter (Cl; C2) jeweils einen Operationsverstärker (Vl; Vl) mit zwei Eingangsklemmen enthalten, die je über eine Rückkopplungsimpedanz (R_N1, R_P1 ; -R^₂* ^p₂) mit der Ausgangsklemme des jeweiligen Operationsverstärkers verbunden ist, von denen die eine Eingangsklemme über eine weitere Impedanz (Zl; Z2) mit dem Bezugspotential des Operationsverstärkers verbunden ist, während die andere Eingangsklemme gegenüber dem Bezugspotential des Operationsverstärkers den jeweiligen negativen Widerstand (Z[; Z₂) aufweist.

4. Vierpol nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitig veränderbaren Elemente je eine Rückkopplungsimpedanz der beiden Negativ-Impedanz-Konverter (Cl; C2) sind.

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