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"Koppelfeld - Anordnung zur breitbandigen Signalübertragung in Fernmeldeanlagen"
Die Erfindung betrifft eine Koppelfeld - Anordnung zur breitbandigen Signalübertragung
in Fernmeldeanlagen.
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Fernmeldeanlasen besitzen Einrichtungen, um Signale zwischen Anlagen
oder teilnehmern zu vernitteln, wobei die Signale möglichst wenig verfälscht werden
sollen. Diese Verfälschungen können in einer Abschwächung iuid Veränderung der Zeitfunktion
des Signals und in einer fUberlagerung von Störungen zum Nutzsignal bestehen.
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Die physikalischen Eigenschaften mechanischer Kontakte, über die die
Signalspannungen bisher geleitet wurden, brachten es mit sich, daß man an eine Abschwächung
der Signale durch einen Ubergangswiderstand im Kontakt nicht denken mußte, er war
hinreichend gering. Meute erwägt
man aber, die mechanischen Schalter
in den matrixförmig aufgebauten Koppelvielfachen des im Raumvielfach aufgebauten
Sprechwegenetzes einer Vermittlung durch elektronische Bauelemente ersetzen.
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Die Signalübertragung auf Sprechwegen in Raumvielfachsysterben ist
allgemein in der Bandbreite beschränkt. Bas ist in erster Linie durch die kapazitive
Belastung der Sprechleitungen bedingt CTiefpaßverhalten des Übertragungsweges durch
Erdkapazitäten). Die Grenzfrequenz liegt umso niedriger, je höher der Durchlanwiderstand
der Durchschaltelemente in Sprechweg ist.
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Elektronische Koppelpunkte haben gegenüber Metallkontakten große Durchlaßwiderstände.
In vielen Fällen sind diese Widerstände auch nicht eng toleriert, dies gilt insbevon
sondere bei der Herstellung IG-Feldeffekt-Transistoren in integrierter Technik.
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Die Integrationstechnik mit IG-Feldeffektransistoren ist aber aus
Gründen der Wirtschaftlichkeit in der Technologie anzustreben, wenn an den Aufbau
von Vermittlungseinrichtungen in raussparender Weise gedacht ist. Die mit der genannten
Technik erreichbaren Durchlaßwiderstände
liegen bei etwn 100#. Halbleiterschalter
in Form von IG-Feldeffekttrrnristorcn können mit dieser Technik in großer Zahl auf
einen Halbleiterchip zusammengefaßt werden Eine Teilmatrix mit 8 x 4 Koppelpunkten
ist beispielsweise auf einer Chipfläche von etwa(3 x 3)mm² realisierbar.
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Die gedrängte Anordnung der Bauelemente und Verbindungsleitungen macht
Schwierigkeiten, das kapazitive und induktive tibersprechen benachbarter Verbindungen
zu vermeiden.
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Kapazitives Übersprechenläßt sich dann optimal unterdrücken, wenn
man Zeilen oder Spalten getrennt auf einen Chip integriert. Hingegen bleibt das
induktive Übersprechen benachbarter Sprechwege noch zu beseitigen.
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Jedes Koppelfeld besteht aus einer Vielzahl der oben genannten Teilmatrizen,
die zusammengeschaltet werden. Mit der Zahl de zu einer Koppelfeldstufe vereinigten
Teilmatrizen erhöht sich die Belastung des Sprechweges durch Brdkapazitäten und
die Grenzfrequenz der Anordnung verringert sicn.
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Die Erdkapazität CE einer Stufe im Koppelfeld ergibt sich
zu
CE = ( m + n ) CK wobei CK = Erdkapazität des einzelnen IG-FET, m bzw. n = Zahl
der Zeilen bzw. Spalten ist.
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Die Grenzfrequenz fg der Signalübertragung ist mit
wobei RD = Durchlaßwiderstand des IG-FET ist.
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Hinsichtlich der Durchschaltung des Sprechweges ist aede Stufe eines
Koppelfeldes als Tiefpaß mit den Elementen RD und CE aufzufassen. Für mehrstufige
Koppelfelder ergibt sich somit eine Tiefpaßkette.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Einzelelenenten CRD,
CE) eines als Tiefpaßkette aufgefaßten mehrstufigen Koppelfeldes eine möglichst
hohe Grenzfrequenz zu geben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weitvrhin, vor
allem
das induktive Ubersprechen benachbarter Sprechwege zu verhindern und durch Entkopplung
der einzelnen Stufen des Koppelfeldes voneinander ein günstiges Ubertragungsmaß
zu erreichen.
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Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß die einzelnen Stufen des Koppelfeldes
aus durch Treunverstärker voneinander entkoppelten Teilmatrizen aufgebaut sind,
und daß auch zwischen die aus den Teilmatrizen aufgebauten Stufen des Koppelfeldes
Trennverstärker eingeschaltet sind, Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemaße Lösung bietet den Vorteil, daß die Grenzfrequenz
der Signalübertragung nur durch die Ausleeinzelnen gung der Teilmatrix bestimmt
wird und von der Größe der einzelnen Koppelfeldstufen unabhäiigig ist.
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Da die einzelnen Teilmatrizen durch Trennverstärker voneinander entkoppelt
sind, gilt dies zwangsläufig auch fur die einzelnen Xoppelstufen bei einem mehrstufigen
Soppelfeld.
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Dadurch lassen sich praktisch beliebig große Kopelstufen aufbauen,
ohne daß die Erdkapazität für eine Verbindung zunimmt. Wenn die Trennverstärker
an den Wellenwiderstand der Zwischenleitungen angepaßt sind, gehen zudem die Verdrahtungskapazitäten
nicht ein. Innerhalb der Teilmatrizen ist eine Auslegung auf maximal mögliche (je
nach Grenzfrequenz) Erdkapazität erlaubt. Bei späterer Erweiterung des Koppelfeldes
ist keine Reduktion dieser Drdkapazität erforderlich.
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Es ergeben sich, weiterhin keine Phasenverzerrungen.
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Verstärkung bzw. Entdämpfung werden mit Aufbau des Koppelfeldes automatisch
mit vergrößert.
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Innerhalb einTeilmatrix kann beliebig gewählt werden, ob die Durchscnaltung
niederohmig oder hochohmig sein soll.
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Durch Entzerrerverstärker in den Zwischenleitungen ist darüber hinaus
verhältnismäßig leicht eine Korrektur von Dämpfungsverzerrungen möglich.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit den Figuren
1,2,3 und 4 näher erläutert.
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Es zeigt: Figur 1: den Leitungsweg einer Verbindung durch das Sprechwegnetz
einer in beiden Richtungen getrennt durchschaltenden (vierdrähtig erdunsymmetrisch)
Fernsprech-oder Datenvermittlung.
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den 2: den prinzipiellen Aufbau einer aus Teilmatrizen mit Trenr.verstärkern
aufgebauten Stufe des Koppelfeldes.
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Figur 3: den Aufbau einer einzelnen Teilmatrix Figur 4: ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in MOS (Metall Oxid Semiconductor)- Technik.
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Die Anwendung einfacher Trennverstärker bedingt eine vierdräbtige
Durchschaltung. Aus Gründen der Eostenersparnis ist dabei einem unsymmetrischen
Betrieb der Vor zu geben.
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Bezogen auf Figur 1 gelangt die Signalspannung von einer Endstelle
1, bestehend aus einer Spannungsquelle E1--und dem Nachbildungswiderstand Z des
Ortskabels 2 mit aem
Wellenwiderstand Z über einen Trennübertrager
3 in die Gabelschaltung 4.
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Von hier erreicht sie die erste Koppelstufe 5, die wie die Koppelstufen
5, 7 in Figur 2 im Detail dargestellt ist und aus Teilmatrizen besteht, die durch
Verstärker voneinander entkoppelt sind.
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Nach Durchlaufen der Koppelfeldstufen 5, 6,7 kommt das Signal über
die Gabelschaltung 8, über den übertrager 12 und das Ortskabel 13, über den Nachbildungswi<1erstand
Z zur Endstelle 14 mit der Sparmungsquelle E2. Die Endstelle 14 ist in gleicher
Weise über die Koppelfeldstufen 9, 1°8 11 mit der Endstelle 1 verbunden.
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km Ausgang in den Spalten der Koppelfeldstufen befinden sich die Verstärker
5', 6', 7' und 9, 10', 11', die evtl. für die Entzerrung des Frequenzganges dienen
können.
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In Figur 2 ist der Aufbau einer einzelnen KoppelfeldbeisPielsweise
stufe in einer matrixförmigen, aus n Zeilen und n Spalten bestehenden Anordnung
von Teilmatrizen 211, 212,....
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2nn dargestellt.
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Trennverstärker V 211, V 212, V2 n n in den Zeilen und Trennverstärker
V11, V 21, V n n in den Spalten der matrixförmigen Anordnung entkoppeln die Teilmatrizen
211, 212, .. . 2 nn voneinander.
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Figur 3 zeigt den Aufbau einer einzelnen Teilmatrix.
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Diese besteht beispielsweise aus 8 x 4 in den Ereuzungspunkten von
Zeilen und Spalten befindlichen Koppelpunkten 311, 312,..... 384, die insbesondere
IG-Feldeffekttransistoren als aktive Bauelemente enthalten. Sowohl am Eingang jeder
Zeile als auch an Ausgang jeder Spalte liegen Trennverstärkern V 10, V 20 bis V
80 bzw. V 01 V 02 bis V 04.
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Eine Teilmatrix mit m Zeilen, n Spalten würde analog m Zeilenverstärker,
n Spaltenverstärker und m n Eoppelpunkte enthalten.
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Sofern aufgrund ihrer Vorteile eine Steuerung des Eoppelfeldes mittels
eingeprägter Spannung gewählt wird, müssen die Verstärker einen hochohmigen Eingang
und einen niederohmigen Ausgang besitzen. Sie werden als Impedanzwandler ausgeführt.
Beim Einschalten eines Koppelpunktes wird über die innerhalb einer Koppelfeldstufe
im Verbindungszug
liegenden Zeilentrennverstärker Steuerpotential
an die im weiteren Verlauf des Verbindungszuges liegenden Spaltentrennverstärker
gegeben, wodurch diese selbst eingeschaltet und als Impedanzwandler wirksam werden.
Spaltenverstärker, die nicht im Verbindungszug liegen, bleiben ausgeschaltet und
trennen nicht benutzte Teile der Spalten vom VErbindungszug hochohmig ab. Dies bewirkt
eine Verminderung der kapazitiven Verkopplung durch nicht benutzte Teile der Spalten.
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Die beschriebene Methode der Entkopplung garantiert, daß in jeder
Koppelfeldstufe lediglich die jeweils benutzte Teilmatrix das Üb ertragungsver>
alten bestimmt Alle anderen Teilmatrizen haben keinen Einfluß darauf.
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Benutzt man die Zeilenverstärker derjenigen Teilmatrizen, die sich
am Eingang einer Koppelfeldstufe, bzw. die Spaltenverstärker die sich am Ausgang
einer Koppelfeldstufe befinden als Abschluß der Zwischenleitungen (Anpassung auf
den Wellenwiderstand der Zwischenleitung), kann der Einfluß der Verdrahtung eliminiert
werden. Finden außerdem Entzerrverstärker in den Zwischenleitungen ( s. Figur 1:
5', 6', 7', sowie 9', 10', 11',) Verwendung, kann der Frequenzgang dr Signalübertragung
zu hohen Frequenzen
geglättet und damit die obere Frequenzgrenze,
welche durch die zulässigen Dämpfungsverzerrungen bestimmt ist, weiter angehoben
werden.
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Die Verwendung einer Signalübermittlung mit Hilfe eingeprägter Spannung
innerhalb einer Koppelfeldstufe, indem mit niederohmiger Quelle auf hochohmige Senke
gearbeitet wird, eliminiert die Dämpfung durch den Koppelpunktwiderstand im Durchlaßbetrieb.
Da,keinnhhenswerter Stronfluß bei der Signalübertragung besteht, werden induktive
Verkopplungen der Sprechkreise und ebenso deren galvanische Verkopplung (über gemeinsaren
Rückfluß) weitgehend vermieden. Die Verknüpfung von niederohmiger Signalquelle mit
hochohniger Senke wird sowohl in den Teilmatrizen mit Durchschaltstelle als auch
in solchen, wo über leerlaufende Zeilen bzw. Spalten übertragen wird, angewendet.
Hierdurch wird in den Teilmatrizen mit leerlaufenden Zeilen bzw. Spalten deren Leerlaufkapazität
(Erdkapazität der gesperrten Koppelpunkten in Zeilen bzw. Spalten) unwirksam gemacht.
In den Spalten werden hierzu die Trennverstärker, welche zum Verbindungszug gehören,
eingeschaltet und besitzen hochohmigen Eingang bei niederohmigem Ausgang.
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Die Spaltenverstärker in den Teil der Spalte, welcher leerläuft und
nicht zum Sprechweg gehört, sind abgeschaltet und besitzen hochohmigen Eingangs-
und hochohmigen Ausgangswiderstand. Dadurch entkoppeln sie den leerlaufenden zpaitenteil
vom Sprechweg.
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In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in SOS-Technik
dargestellt. Hierbei erfolgt die Einschaltung der Spaltenverstärker über ein Steuerpotential
U st von der Zeile her. DGrgestellt ist ein Ausschnitt aus einer Koppelfeldstufe,
einer Teilmatrix gemäß Figur 3 in Vermindungmit Trennverstärken in den Zeileneingängen
und an den Spaltenausgängen, sowie die Verknüpfung dieser Teilmatrix mit zwei weiteren,
angedeuteten Teilmatrizen im Verlauf der Spalten. Ein durchgeschalteter Sprechweg
40 ist durch Pfeile markiert. Eine Inpedanzwandlerstufe 41 mit hochohmigem Eingangswiderstand
Re 41 und niederohmiger Ausgangsinpedanz speist von der Zeile her über den durchgeschalteten
Koppelpunkt 42 den Spaltenverstärker 43 mit hohem Eingangswiderstand Re 43. Die
Steuer-Spannung U Ust der Zeile wird an das Gate des Verstärkers 43 gelegt und dieser
somit eingeschaltet. An seinem Ausgang erscheint wieder die Steuerspannung Ust die
weitere Spaltenverstärker aktiviert. Der rückwärtige Spaltenverstärker 41; wird
nicht eingeschaltet da die Steuerspannung Ust an seinem Ausgang anliegt, nicht aber
an seinem Gate.
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Voraussetzung ist, daß in einer Spalte nur ein itoppelpunkt durchgeschaltet
wird. Der nicht aktivierte Verstärker 44 hat einen hochohmigen Ausgangswiderstand,
wenn
der Widerstand Ra 44 groß gegen die Ausgangsimpedanz des aktivierten
Verstärkers 43 gemacht wird. Der abgeschaltete Verstärker 44 trennt den Spaltenteil,
der für den Sprechweg nicht benutzt wird, ab.