DE2240730C2

DE2240730C2 - Aus negativen Widerständen bestehender Vierpol zur reflexionsarmen Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung

Info

Publication number: DE2240730C2
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: 1974-09-19
Also published as: NL7300702A; ATA39573A; CH553517A; AT325680B; DE2261853B2; DE2202501C3; IT983852B; DE2261853C3; DE2202501A1; DE2202501B2; JPS4883750A; DE2240730B1; DE2261853A1; JPS5716526B2

Description

Die Erfindung betrifft einen aus negativen Wider-Itänden bestehenden Vierpol zur relexionsarmen Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung mit einem den negativen Längswiderstand erzeugenden ersten Negativ-Impedanz-Konverter und einem den •egativen Querwiderstand erzeugenden zweiten Negativ-Impedanz-Konverter so.wie Einstellmittel zum gleichzeitigen Verändern von den jeweiligen Kontersionsfaktor bestimmenden Elementen des ersten end des zweiten Negativ-Impedanz-Konverters.

Ein Vierpol mit einem negative Längswiderstände erzeugenden ersten Negativ-Impedanz-Konvcrter und einem einen negativen Querwiderstand erzeugenden !weiten 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 c 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 sieh für die verschiedenen Einsatzfiille bei der relexionsarmen Därapfungsvermwderang von Zweidrahtleitungen besonders gut eignet

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

Durch diese Maßnahmen wird der Vorteil erreicht, daß der Wellenwiderstand des Vierpols an den Wellenwiderstand der angeschlossenen Leilung bei konstant bleibender Verstärkung eingestellt werden kann, so daß die die Höbe 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 Konversionsfakto.en bewirken, gekennzeichnet. Hierdurch wird es möglich, die Verstärkung des Vierpols bei unverändert bleibenden Wcllenwiderständen 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 erlündungsgemäßen Anordnung,

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

Zur Realisierung eines aus negativen Widerständen bestehenden Vierpols zur reflexionsfrcien Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung kann man grundsätzlich von den verschiedensten symmetrischen Dämpfungsgliedern ausgehen, deren leistungsverzehrende Widerstände sodann durch leiütungserzcugende 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 Z₁', einem Querwiderstand T₁ und einer Symmetriedrossel. Der beiderseitige Wellenwiderstand Z₀ ergibt hierbei zu

und das übertragungsmaß g beträgt

1 +

g = a + jb — In

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es bekannt, die Widerstände Z[ und Zi mit Hilfe aktiver Elemente enthaltender Negativ-Tropedanz-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 Übertragungsrichtungen bedingt ist.

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

Der negative Querwiderstand Z₂ wird durch den Negaliv-lmpedanz-Konverter C2 realisiert, welcher an der Sekundärwicklung des weiteren Übertragers Ü 2 anliegt, dessen Primärwicklung quer zur übertragungsrichtung liegt und die Mittelanzapfung der beiden Primärwicklungen des Übertragers Ul verbindet. Der übertrager Ul hat im wesentlichen nur die Aufgabe, den negativen Widerstand T₁ 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 —n_y auf und ist mit der im allgemeinen komplexen Impedanz Z1 abgeschlossen. Somit erzeugt dieser Konverter Cl an seinem Eingang, welcher an die Sekundärwicklung des Übertragers U\ angeschlossen ist, die negative Längs-Impcdanz

Z₁' = - r

Z₁

Z₀ =

= fz\"-(-U₁

und seine Verstärkung durch

"ι
s = In

= In —

/Z₁
Z,

> Il

ίο

ausgestaltet und bemessen, daß sie der Charakteristik der zu entdUrnpfenden Leitung entsprechen.

Die Anordnung nach F ί 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 C2 nach vorgegebenen Gesetzen gleichzeitig verändert werden können. Dabei ist diese Einrichtung S derart ausgebildet, daß mittels der Einstelleinrichtung Sl eine zueinander proportionale Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren gegeben ist, was durch die Bestimmungsgleichung

Der zweite Negativ-Impcdanz-Konverler C2 weist den negativen Konversionsfaktor — u, auf und ist mit der im allgemeinen komplexen Impedanz Z 2 abgeschlossen. Der Konverter C2 erzeugt an seinem Eingang, an welchen die Sekundärwicklung des Übertragers Ü2 angeschlossen ist, die negative Querimpedanz

Z₂ =- H₂ ■ Z₂.

Der Wellenwiderstand eines derartigen, einen NLT-Verstärker darstellenden Vierpols ist gegeben durch

Im allgemeinen weisen die zu entdämpfenden Leitungen einen ins Gewicht fallenden Frequenzgang der Dämpfung auf, welchem sodann durch einen entsprechenden Frequenzgang der Verstärkung des NLT-Verstärkers begegnet werden soll. Mit Vorteil werden daher die Impedanzen Z1 und Z 2 derart = konstant (bei Einstellung von Sl)

-«2

beschrieben werden kann. Weiterhin ist die Einrichtung S noch derart ausgebildet, daß mittels der weiteren Einstellvorrichtung 52 eine zueinander reziproke Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren gegeben ist. was durch die Bes'.immungsgleichung

(--I₁) ■ (--η) = konstant {*A Einstellung von S2)

beschrieben werden kann.

Durch Betätigung der Einstelleinrichtung S 1 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 S2 wird

4J die Verstärkung des NLT-Verstärkers be> unverändert bleibendem Wellenwiderstand Z₀ an den beiden Seiten des Vierpols eingestellt, so daß jeweils die frequenzabhängige Dämpfung verschieden langer Leitungslängen bis auf einen relaiiv geringen Sicherheits-

abstand hinreichend genau kompensier' werden kann, ohne daß an den die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung bestimmenden Netzwerken etwas geändert zu werden braucht.

Bei der Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen NLT-Vcrstärkcrs genügt es. zunächst mit dem Verstärkungsregler, d.h. mit der Einstelleinrichtung S2 die Verstärkung und gleichzeitig damit die dieser Verstärkun>z fest zugeordnete En'zcrrung einzustellen und anschließend durch VVei'crdrehen des Verstärkungsreglers den Pfeifabstand zu bestimmen worauf mit dem Wellenwiderstandschaltcr. d. h. mit der Einstelleinrichtung Sl 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 Zahlenbcispielen wird die Abhängigkeit des eingestellten Wellenwidcrstandes Z₀ und der Verstärkung s weiter verdeutlicht.

Erstes Zahlenbcispiel: u, = «₂ =

Z₀ = ψ Z^Z₁

s = In ² -β= .

i/A 2 I Z₂

I - i|/A

¹ -ι -»

Zweites Zahlenbeispiel: «ι = 2. «₂ =

Z₀ =

ι +

ΖΓ

= ln

Ι/ΖΓ
V Z₁

-VIr

Drittes Zahlenbeispiel: α, = a₂ = 2

Z₀ = f~z~z~₂ ίΤ-Ί= 2 Tz_x ¹Z₂

s = In

-^=In

2 t Z₂

I — τ I/ —^ If' —. 1 ' -* I/ -^

Z, I' 2

2 I Z₂

Wie ersichtlich, ändert sich in dem Zahlenbeispiel 2 nur die Verstärkung (z.B. TUrI/-=¹= 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 Prinzipschalt-

bild ein Ausführungsbeispiel Tür die Realisierung der Negativ-Impedanz-Konverter, wobei die Anordnung nach Fig. 3 den Negativ-Impedanz-Konverter Cl zur Erzeugung des negativen Längswiderstandes Z₁' und Fig. 4 den zweiten Negativ-]mpedanz-Konver-

! ter C2 zur Erzeugung des negativen Querwiderstan-

stä des Z₂ darstellt.

Da Beide Negdtiv-Impedanz-Konverter Cl und C 2

ein enthalten jeweils einen Operationsverstärker Kl bzw.

ers Vl mit zwei Eingangsklemmen, die je über eine

ne; Rückkopplungsimpedanz mit der Ausgangsklemme

tiv des jeweiligen Operationsverstärkers verbunden ist.

gle Dabei sind die beiden je eine negative Rückkopplung

vei bewirkenden Rückkopplungsimpedanzen R_SI und

un R_V2 jeweils mit der Minus-Eingangsklemme und die

beiden je eine positive Rückkopplung bewirkender. en Rückkopplungsimpedanzen R_P1 und R_P2 jeweils mit

eir der Plus-Eingangsklemme des zugehörigen Opera-

zw tionsverstärkers Kl bzw. Vl verbunden.

Lii Jeweils eine der beiden Eingangsklemmen ist über

au eine weitere Impedanz Zl bzw. Z 2 mit dem Bezugs-

19 potenlial des Operationsverstärkers Il bzw. Vl verbunden, während die andere Eingangsklemme gegcn-S( über dom Bezugspotential des Verstärkers Vl bzw.

19 Vl den jeweiligen negativen Widerstand Z₁' bzw. Z₂

Al aufweist.

S. Der Operationsverstärker V1 nach F i g. 3 hat die

W Eigenschaft, daß der erzeugte negative Längs-Wjder-

tei stand Z₁' leerlaufstabil ist. d. h.. daß auch bei Leerlauf

einer oder beider tibertragungsrichtungen der Doppcl leitung keine Selbsterregung eintritt. Dies ist dadurch erreicht, daß die weitere Impedanz Zl zwischen dii Plus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers Il und dessen Bezugspotential eingeschaltet und außer dem so ausgebildet ist, daß bei Leerlauf der Minus Eingangsklemme des Operationsverstärkers die gegen koppelnde Wirkung der P.ückkopplungsimpedanz R_SI die positiv rückkoppelnde Wirkung der Rückkopp

ίο lungsimpedanz R_Pl übersteigt.

Der Operationsverstärker Γ2 nach Fig. 4 hai die Eigenschaft, daß der erzeugte negative Quer widerstand Z₂ kurzschlußstabil ist. Dies ist dadurcl· erreicht, daß die weitere Impedanz Z 2 zwischen dit Minus-Eingangsklcmme des Operationsverstär kers Vl und dessen Bezugspotential eingeschaltet unc außerdem so ausgebildet ist. daß bei Kurzschlut der Plus-Eingangsklemme des Operationsverstärker; die gcgenkoppelnde Wirkung der Rückkopplungs impedanz R_N1 die positiv rückkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz R_P2 übersteigt.

Zweckmäßigerweise üben die beiden weiteren Im pedanzen Zl und Z 2 des Operationsverstärkers Fl und des Operationsverstärkers Vl die Funktion def jeweiligen Abschlußwiderstandes Z1 bzw. Z2 dci Negativ-hnpedanz-Konverter Cl und C2 nach Fig./ aus. weshalb sie auch mit den in F i g. 2 verwendeter Bezugszeichen Zl, Z2 versehen sind. Zur Nachbildung der Frequenzabhängigkeil des Wellenwider· Standes Z₀ an den Wellenwiderstand der Leitung kanr die weitere Impedanz Zl des Verstärkers Vl nach F i g. 3 vorteilhafterweise eine Parallelschaltung cinei Kapazität mit einem ohmscher) Widerstand enthalten während die weitere Impedanz Z2 des Verstärkers V Ί nach F i g. 4 eine Serienschaltung aus einer Kapazität mit einem ohmschen Widerstand enthält.

Der Betrag des Konversionsfaktors -«, des ir F i g. 3 dargestellten Negativ-Impcdanz-Konvericrs CI ist gegeben durch

Pl

der Betrag des Konversionsfaktors — a₂ des in F i g. ^ dargestellten Negativ-Impedanz-Konverters C2 ist ge geben durch

¹ ~

Die Konversionsfaktoren lassen sich sowohl durch die eine positive Rückkopplung bewirkende als auch durch die eine negative Rückkopplung bewirkende Rückkopplungsimpedanzen einstellen. Man kann alsc z. B. die Änderung der beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Impedanzen R._V1. R_x2 urr den gleichen Faktor zur Einstellung des Wellenwiderstandes Z₀ und die Änderung des Verhältnisses der eine positive Rückkopplung bewirkenden Impedanzen RpJR_P2 bei gleich bleibendem Produkl ^Pi ' Rp2 ^zur Einstellung der Verstärt'-ng benutzen ohne daß eine gegenseitige Beeinflussung auftritt Es sind daher die gleichzeitig veränderbaren Elemente der beiden Negativ-Impedanz-Konverter Cl und Cl vorteilhafterweise durch je eine Rückkoppltintrsimpedanz der beiden Operationsverstärker I 1 1 v\\. V1 realisiert.

r.:h die V\ cr-

'P-iat

ch lie irnd aß :rs

Bei der vorbeschriebenen Art der Einstellung der Konversionsfaktoren sind also die beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Impedanzen R_n, und R_N2 mit einem gemeinsamen Drehschalter einstellbar, welcher somit die erste Einstelleinrichtung Sl realisiert. Des weiteren sind die beiden je eine positive Rückkopplung bewirkenden Impedanzen R_PI und Rp₂ mit einem zweiten gemeinsamen Drehschalter einstellbar, welcher somit die zweite Einstelleinrich tung S 2 verwirklicht. Grundsätzlich können die beidei je eine positive Rückkopplung bewirkenden Impe danzen R_rl. R_P2 einerseits und die beiden je cin< negative Rückkopplung bewirkenden Impedanzei R_Nl, R_N2 andererseits hinsichtlich der beiden Einstell einrichtungen Sl und S 2 miteinander vertausch werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

es er 2 •n

40963V225

Claims

Patentansprüche:

1. Aus negativen Widerständen bestehender Vierpol stur reflexionsannen DSmpfungsverraw- s derung einer Zweidrabtleitung 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 (—Q₁; — a₂) der Negativ-Impedanz-Konverter (Cl; Cl) durch die Einstellmittel (Sl).

2. Vierpol nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch weitere Einstellmittel (S2), welche eine zueinander reziproke Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren ( — U₁; -O₂) der Negativ-Impedanz-Konverter (Cl; Cl) bewirken.

3. Vierpol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Negativ-Impedanz-Konverter (Cl; C2) jeweils einen Operationsverstärker (Kl; K2) mit zwei Eingangsklemmen enthalten, die je über eine Rückkoppiungsimpedanz(R_m, Rp₁ ; R,v2, Rp₂) mit der Ausgangsklemme des jeweiligen Operationsverstärkers verbunden ist, von denen die eine Eingangsklemme über eine weitere Impedanz (Zi; Z2) mit dem Bezugspotential des Operationsverstärkers verbunden ist, während die andere Eingangsklemme gegenüber dem Bezugspotential des Operationsverstä kers 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.

40