DE2254148B2 - Verstaerkeranordnung mit fernspeisung, insbesondere fuer fernsprechgeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärlceranordnung mit Fernspeisung über eine Übertragungsleitung, über die gleichzeitig mit dem Speisestrom ein Wechselstromsignal von oder zur Verstärkeranordinung übertragen wird, welche Verstärkeranordnung eine Bezugsstromquelle enthält deren Strom von Änderungen in der Speisespannung unabhängig ist, und eine Dämpfungsregelanordnung zum Dämpfen des Wechselstromsignals in Abhängigkeit von der Länge der Übertragungsleitung enthält so daß die Unterschiede in der Wechselstromdämpfung der Übentragungsleitungen mit verschiedenen Längen ausgeglichen werden.

Die Empfindlichkeit einer Fernsprechverbindung wird unter anderem durch die Empfindlichkeit der in den Fernsprechern angewendeten Mikrophon- und Fernsprechkapsel und durch die Länge und Dämpfung der Teilnehmerleitungen bestimmt. Es wird danach gestrebt, die Empfindlichkeit einer Fernsprechverbindung von der Länge der Teilnehmerleitungen unabhän- «rie zu machen. Durch Anwendung von Mikrophonsiinalverstärkern und/oder Femsprechsignalverstärkern kann die Dämpfung langer Teilnehmerleitungen oder von Teilnehmerleitungen mit hoher Dämpfung {kleiner Durchmesser der Adern) ausgeglichen werden. Wenn die Sprechlautstärke einer !Fernsprechverbindung zwischen zwei Teilnehmeransdilüssen mit langen Teilnehmerleitungen den maximal zulässigen Wert hat so ist sie für kurze Teilnehmerleitungen zu groß. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird eine Dämpfungsregelung angewendet die die Sprechsignale im Falle kurzer Teilnehmerleitungen mehr dämpft als im Falle langer Teilnehmerleitungen.

Aus der DT-OS 21 05 522 ist eine Dämpfungsregelung der oben genannten Art bekannt welche MOSFETS verwendet die parallel zur Mikrophonsignalschaltung und Fernsprechsignalschaltung geschaltet sind. Diese MOSFETS sind nichtlineare Elemente und werden durch eine Regelspannung gesteuert, die durch den Speisestrom (oder einen Teil desselben) über einen Widerstand erzeugt wird. Eine Regelkennlinie, die als Funktion des Speisestroms denselben (linearen) Verlauf hat wie die Dämpfung der Teilnehmerleitung, läßt sich hiermit schwierig verwirklichen. Die nichtlinearen Elemente führen eane nichtlineare Verzerrung der Sprechsignale ein.

Die Erfindung bezweckt, einen neuen Entwurf der eingangs genannten Verstärkeranordnung zu schaffen, die in integrierter Schaltungsform einfach verwirklicht werden kann, und mit der die Nachteile bzw. Mangel der bekannten Dämpfungsregelung beseitigt sind, und mit der insbesondere die Änderung der Dämpfung der Teilnehmerleitung in bezug auf deren Länge genau ausgeglichen werden kann. Ein derartiger genauer Ausgleich bedeutet daß die Empfindlichkeit der Fernsprechverbindung (innerhalb des Regelbereichs) konstant ist.

Die Verstärkeranordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichseinrichtung einen Regelstrom erzeugt, der gleich dem Unterschied zwischen dem von der Bezugsstromquelle hergeleiteten konstanten Strom und einem linear vom Speisestrom abhängigen Strom ist und daß eine durch den Regelstrom gesteuerte Verstärkungsstufe vorhanden ist deren Verstärkung innerhalb des Regelbereichs eine gleichförmig abnehmende Funktion des Speisestroms ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einiger Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines Mikrophonsignalverstärkers und eines Fernsprechsignalverstärkers nach dei Erfindung,

F i g. 2 einige Regelkennlinien.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines Mikrophonsignalver stärkers und eines Fennsprechsignalverstärkers, die ar eine Teilnehmerleitung eines Fernsprechsystems ange schlossen sind. Die beiden Leiter der Teilnehmerleitung sind mit a und b angegeben.

Die Anordnung nach F i g. 1 besteht aus verschiede nen funktioneilen Einheiten, die jeweils aus verschiede nen Komponenten bestehen. Diesen funktioneller Einheiten werden funküonelle Bezeichnungen gegeben (Die Komponenten einer funktäonellen Einheit werder aufeinanderfolgend numeriert. Eine funktionell Einhei wird durch Angabe der niedrigsten und der höchstei Bezugsnummer identifiziert, die zur Bezeichnung einei Komponente benutzt wird. Die beiden Nummerr werden durch einen waagerechten Strich getrennt.)

Ix

Das Signal des Mikrophons 10 wird über einen Vorverstärker II (der mit Gegentakt-Ausgängen versehen ist) den Eingängen eines Differenzspannung-Regelverstärkers 12-15 zugeführt An die Ausgänge des Differenzspannung-Regelverstärkei* 12-15 sind die Spannungsfolger 16-17 und 18-19 angeschlossen. Der Ausgang des Spannungsfolgers 18-19 ist an den Eingang eines Endverstärkers 20-22 angeschlossen. Die Kollektor-Emitterhahn des Transistors 21 ist parallel zur Diagonalen P-Q der Brückenschaltung 23-25 geschaltet Der Zweig Q-S der Brückenschaltung wird durch die Eingangsimpedanz der Teilnehmerleitung gebildet

Der Fernsprechsignalverstärker enthält einen Differenzspannung-Vorverstärker 26-29. Ein Eingang dieses Verstärkers ist an Punkt Ader Brückenschaltung 23-25 und der andere Eingang über einen Kondensator 30 an den Leiter b der Teilnehmerleitung angeschlossen. Dieser Kondensator hat für Sprechströme eine niedrige Impedanz. Die von der Teilnehmerleitung empfangene Sprechspannung liegt über den Widerstand 25 zwischen den Eingängen des Differenzspannung-Vorverstärkers 26-29.

Statt des Kondensators 30 können andere Schaltungselemente angewendet werden, wie etwa eine Zener-Diode oder eine Reihenschaltung mehrerer Dioden. Diese Elemente können leichter integriert werden als ein Kondensator. Die Impedanz (für Sprechströme) dieser Elemente ist ebenfalls niedrig, während diese Elemente eine Verschiebung des Gleichspannungspegels verursachen, die für die Gleichspannungseinstellung des Differenzspannung-Vorverstärkers 26-29 notwendig ist.

Wenn die Brückenschaltung 23-25 abgeglichen ist und wenn in das Mikrophon 10 gesprochen wird, so entsteht über die Diagonale R-S keine Sprechspannung. In diesem Fall wird dem Differenzspannung-Vorverstärker 26-29 keine Sprechspannung zugeführt.

Die Ausgänge des Differenzspannung-Vorverstärkers 26-29 sind an die Eingänge eines Differenzspannung-Regelverstärkers 31-34 angeschlossen, dessen Ausgänge an die Eingänge eines Differenzspannung-Endverstärkers 35 angeschlossen sind. An den Ausgang dieses letzten ist der Fernsprecher 36 angeschlossen.

Der Speisestrom für alle Verstärker wird mit Ausnahme des Endverstärkers 20-22 über das Glättungsnetzwerk 37-38 von der Spannung zwischen den Leitern a und b hergeleitet. Der Basiseinstellstrom für den Transistor 26 des Differenzspannung-Vorverstärkers 26-29 wird über den Widerstand 25 vom Leiter a hergeleitet. Der entsprechende Einstellstrcm für den Transistor 27 wird über den Widerstand 39 vom Leiter a hergeleitet.

Während eines Telephongesprächs ist die Teilnehmerleitung am weiten Ende an eine Gleichspannungsspeisebrücke angeschlossen, die über ein Paar von Speisewiderständen an die Zentralbatterie angeschlossen ist. Der durch die Teilnehmerleitung fließende Speisestrom hängt von den Speisewiderständen, dem Schleifenwiderstand der Teilnehmerleitung, dem Widerstand des Fernsprechgerätes und der Batteriespannung ab. In kurzen Teilnehmerleitungen fließt ein großer und in langen Teilnehmerleitungen ein kleiner Speisestrom. In der Praxis liegt der Speisestrom üblicher Fernsprechgeräte zwischen etwa 50 mA für kurze Teilnehmerleitungen und etwa 15 mA für lange Teilnehmerleitungen.

Die Teilnehmerleitung dämpft die Sprechsignale als Funktion der Länge der Leitung. Diese Dämpfung beträgt für eine Teilnehmerleitung mit einem Ader-

durchmesser von 0,5 mm etwa 1 dB für jede Erhöhung des Schleifen Widerstandes um 1400hm. Wenn die Sprechlautstärke einer Fernsprechverbindung zwischen Fernsprechgeräten mit langen Teilnehmerleitungen einen gewissen maximal zulässigen Wert hat so ist infolgedessen die Sprechlautstärke für kurze Teilnehmerieitungen zu hoch. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird eine automatische Regelung der Dämpfung des Fernsprechers angewendet Diese Regelung der Dämpfung wirkt derart daß die Empfindlichkeit des Fernsprechers bei langen Teilnehmerleitungen nicht beeinflußt und bei kurzen Teilnehmerleitungen verringert wird. Mit einem Regelbereich von etwa 6 dB können die Dämpfungsunterschiede zwischen Teilnehmerleitungen mit einem Unterschied im Schleifenwiderstand von etwa 840 Ohm ausgeglichen werden.

Die Dämpfungsregelung wird in der Anordnung nach F i g. 1 durch Regelung der Verstärkung des Differenzspannung-Vorverstärkers 12-15 hinischtlich des Mikrophonsignals und durch Regelung der Verstärkung des Differenzspannung-Regelverstärkers 31-34 hinsichtlich des Fernsprechsignals bewirkt Diese Verstärker werden derart geregelt daß die Verstärkung (im Regelbereich) eine gleichförmig abnehmende Funktion des Speisestroms ist. In F i g. 2 ist das Verhältnis zwischen der Verstärkung A und dem Speisestrom Il dargestellt (Kennlinie B). /_t und I₂ geben die Grenzen des Regelbereichs an. At und A2 bezeichnen die Werte der Verstärkung an den Grenzen des Regelbereichs. Für Stromwerte von weniger als /1 ist A konstant und gleich A₂. Für Stromwerte höher als I₂ ist A konstant und gleich A\. Im Regelbereich gilt, daß

A = A₂- c(l_L - /1)

ist worin c eine Konstante ist, die gegeben wird durch

C=(A₂- Ay)I(I₂ - /,).

Der Regelbereich beträgt 20 log A₂IAy dB. Mit einem Regelbereich von 6 dB können die Dämpfungsunterschiede zwischen Teilnehmerleitungen mit einem Unterschied im Schleifenwiderstand von etwa 840 Ohm ausgeglichen werden. Wenn nun etwa I₂ dem Stromwert bei einem Schleif en widerstand von OOhm entspricht und wenn der Regelbereich 6 dB beträgt so entspricht U dem Stromwert bei einem Schleifenwiderstand von 840 Ohm.

Der Differenzspannung-Regelverstärker 12-15 wird durch den Transistor 40 mit einem konstanten Strom I₅ und durch den Transistor 41 mit einem Regelstrom I_s-I_r gespeist. Darin ist /_r ein Strom, der proportional dem Speisestrom Il ist. Der durch jeden der Transistoren 12 und 13 fließende Gleichstrom beträgt dann

A - A/2.

(U + h -

Für die Kleinsignal-Spannungsverstärkung des Transistors 13 gilt (annähernd), daß

A = rJr_E (4)

ist, worin r_cden Wert des Widerstandes 15 darstellt, und worin

ist, so daß

kTlqh =

A = /v · IeIUt

ist, worin l_t den Wert des Emitter-Gleichstroms darstellt.

Aus (3) und (6) erhält man die Beziehung
ATc-(I₁- y2)1 Ut.

Die Beziehung (7) gibt an, daß die Verstärkung des Differenzspannung-Regelverstärkers 12-15 eine gleichförmig (linear) abnehmende Funktion des Speisestroms ist. Die Verstärkung ist maximal, wenn /_r = 0:

/U* = r, · IJUt. (8)

Der Höchstwert von /_rist /»sodaß

A™ = r_c · IJ2U_T\si. (9)

Der Regelbereich hat einen Wert von

20 log A_mtx/A_mm dB = 6 dB.

Die Regelkennlinie hat den in F i g. 2 dargestellten Verlauf (Kennlinie C). Hierbei wird vorausgesetzt, daß ^max = Ai und A_mn = Ai und daß l_r proportional zu //_ ist. Wählt man den Strom, der durch den Transistor 40 geliefert wird, kleiner als /* so wird der Regelbereich größer als 6 dB.

Der Regelbereich hat im Falle der Kennlinie B (entsprechend der Theorie) als untere Grenze den Wert Il — 0. In der Praxis wird diese Grenze nicht erreicht, da die Schaltung einen gewissen Speisestrom braucht, um — von 0 abweichende — Wechselstromsignale verstärken zu können. Eine vom Wert //. = 0 abweichende untere Grenze Il = Λ erzielt man dann, wenn man den Strom Ir proportional zum Unterschied zwischen dem Speisestrom Il und einem konstanten Strom macht. Hat dieser konstante Strom den Wert /ι, so wird die Kennlinie ßerhalten.

Die Verstärkung des Differenzspannung-Regelverstärkers 31-34 wird auf dieselbe Art und Weise geregelt. Der Transistor 42 speist den Verstärker mit dem konstanten Strom /* der Transistor 43 speist ihn mit dem Regelstrom I₅ — l_r-

Der konstante Strom I₅ wird von einer Bezugsstromquelle 44-50 hergeleitet, deren Strom von Änderungen der Speisespannung unabhängig ist Eine Stromquelle dieser Art ist in »Philips Technische Rundschau«, Jahrgang 1971, Nr. 1, S. 1 bis 12 beschrieben. Die Bezugsstromquelle besteht aus zwei gesteuerten Stromquellen, nämlich einer Stromquelle mit den pnp-Transistoren 44-46 und einer Stromquelle mit den npn-Transistoren 47-49. Die beiden Stromquellen sind derart geschaltet, daß der Ausgangsstrom der einen der Bezugsstrom der anderen ist und umgekehrt Der Strom Ζ, wird durch die folgende Beziehung gegeben:

IJt = Lh

(10)

worm R den Wert des Widerstands 50 darstellt und p(p > 1) das Verhältnis zwischen der Emmeroberfläche des Transistors 47 und der FmhteroberfSäche des Transistors 49 ist Ober die Transistoren 40,42, 51,52 and 62 stent den anderen Schaltungen der konstante Strom /5 zur Verfügung. Zwei dieser Schaltungen, nämlich die Differenzspannnng-Regelversiärker 12-15 und 31-34, die durch die Transistoren 40 und 41 gespeist werden, sind bereits beschrieben. Der Transistor 62 speist den Differenzspannnng-Vorverstärker 26-29 not dem konstanten Strom/,

Der Transistor 51 Befert den Bezugsstrom /, zu einer g Stromquelle 41, 53-54, die im ZusamraeR-faang mit der Speisung des Dtfferenzspannung-Regel -Verstärkers 12-15 mit dem Strom /_s-/_r benutzt wird. Der Transistor 52 GeSert den Bezugsstrom /_s zu der gesteuerten Stromquelle 43,55-56, die dieselbe Funktion beim Differenzspannung-Regelverstärker31-34 hat.

Die gesteuerte Stromquelle 41, 53-54 ist von der in der obengenannten Zeitschrift beschriebeinen Art. Die Basis-Emitterspannung Vßfdesals Diode geschalteten Transistors 54 ist (unter allen Umständen) gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 53. Die Kollektorströme sind dann gleich, in der Annahme, daß die beiden Transistoren gleiche Emitteroberflächen und infolgedessen gleiche Leckströme /^ haben. (In den weiteren Betrachtungen werden Basisströme vernachlässigt, und es wird angenommen, daß alle Transistoren dieselbe Basis-Emitterspannung Vbe haben, die etwa 0,6 V für Si-Transistoren beträgt. Dies gibt eine ausreichende Annäherung an die Wirklichkeit, um ein repräsentatives Bild von der Wirkungsweise zu erhalten.) Über den Widerstand 57 wird dem Transistor 54 der Strom /_r zugeführt. (Über den Widerstand 58 wird dem Transistor 56 der anderen gesteuerten Stromquelle der Strom l_r zugeführt.) Der durch den Transistor 54 fließende Strom ist die Summe des Stroms /_r und des durch den Transistor 41 fließenden Stroms, und diese Summe ist gleich dem Kollektorstrom des Transistors 53. Dieser letztere ist gleich dem konstanten Strom /„ der durch den Transistor 51 geliefert wird. Ergebnis ist.

daß der durch den Transistor 41 fließende Strom gleich l_s- Ir ist.(Auf dieselbe Art und Weise kann nachgewiesen werden, daß der Kollektorstrom des Transistors 43 der anderen gesteuerten Stromquelle gleich /, — l_r ist.)
Der Strom /_r ist proportional dem durch die Teilnehmerleitung fließenden Speisestrom. Dieser Strom wird folgendermaßen hergeleitet. Die Emitter der Transistoren 16 und 18 sind über die Reihenschaltung der gleichen Widerstände 60 und 61 verbunden. Der Verbindungspunkt der Widerstände 60 und 61 ist mit der Basis eines Transistors 59 verbunden, dessen Emitter an die Widerstände 57 und 58 angeschlossen ist Die Änderungen der Emitterspannung des Transistors 16 stehen in Gegenphase zu den Änderungen der Emitterspannung des Transistors 18. so daß sich die Spannung des Verbindungspunkts der Widerstände 60 und 61 nicht ändert Dieser Verbindungspunkt hat eine Spannung, die um 2 V_BE (Transistoren 20 und 21) höher ist als die Emitterspannung des Transistors. 21. Die durch den Strom /_r über den Widerstand 57 erzeugte Spannung ist um 2 Vߣ (Transistoren 59 und 53] niedriger als die Spannung des Verbindungspunkts der Widerstände 60 und 61. Die durch den Strom I, über der Widerstand 57 erzeugte Spannung ist gleich derjenigen Spannung, die durch den Emhterstrom des Transistors 21 über den Widerstand 23 erzeugt wird. Dieser letztere Strom ist gleich dem Unterschied zwischen dem Speisestrom I_L (der durch die Teilnehmerleitung ffießt] und dem Speisestrom Iv, der durch den Widerstand 37 fiieBt Zwischen I_n U. und Iv besteht die folgende Begehung:

/r Rs, = (L - Iv) R₁₃, OU

worin Rs7 und R_B die Werte der Widerstände 57 und 23 sind.

Setzt man die Beziehung (11) in die Beziehung (7) eir und gärt man der so erhaltenen Beziehung die Form dei ,soerhält man

(12)

Ai - r, - IJUt

c = r_c · R23I2 - Rsf ■ Ut

Der Strom h ist praktisch konstant, so daß di

Regelkennlinie ßerhalten wird, wobei/ι = /ν-ist.

Der Strom /v liegt bei einer praktischen Ausführungsform in der Größenordnung von 800 bis 900 μΑ gegenüber //. mit einer Größenordnung von 15 bis 50 μΑ, und er ist deshalb praktisch vernachlässigb;ir. Aus der Beziehung (II) geht hervor, daß /_r praktisch proportional ist zu //., wobei der Proportionalitälsfaktor durch die Wahl von Rv in bezug auf /?2j bestimmt ist. Man erhält dann die Regelkennlinie C mit der (entsprechend derTheorie) unteren Grenze//. = 0.

Für Werte von l\, die so klein sind, daß die Schaltung

mit einem Speisestrom /, = /, nicht funktioniert, besteht lediglich ein theoretischer Unterschied /wischen den Kennlinien β und C. Wünscht man jedoch /, so einzustellen, daß die Verstärkung für lange > Teilnehmerleitungen konstant ist, so wird zwcckmä-Uigerweise ein konstanter Strom vom Strom /, abgezogen (der durch die Beziehung (I I) gegeben wird). Dies k;<nn auf entsprechende Weise verwirklicht werden, wie in der Schaltung nach Y \ g. I der Strom /, ig vom Strom /, abgezogen wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verstärkeranordnung mit Fernspeisung über eine Übertragungsleitung, über die gleichzeitig mit dem Speisestrom ein Wechselstromsignal von oder zur Verstärkeranordnung übertragen wird, welche Verstärkeranordnung eine Bezugsstromquelle enthält deren Strom von Änderungen in der Speisespannung unabhängig ist und eine Dämpfungsregelanordnung zum Dämpfen des Wechselstromsignals in Abhängigkeit von der Länge der Übertragungsleitung enthält so daß die Unterschiede in der Wechselstromdämpfung der ilbertragungsteitungen mit verschiedenen Längen ausgeglichen werden, >5 dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleicbseinrichtung einen Regelstrom erzeugt der gleich dem Unterschied zwischen dem von der Bezugsstromquelle hergeleiteten konstanten Strom und einem linear vom Speisestrom abhängigen Strom ist und daß eine durch den Regelstrom gesteuerte Verstärkungsstufe vorhanden ist deren Verstärkung innerhalb des Regelbereichs eine gleichförmig abnehmende Funktion des Speisestroms ist

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die durch den Regelstrom gesteuerte Verstärkungsstufe durch zwei Transistoren mit einem gemeinsamen Emititeranschluß gebildet wird und daß Mittel vorhanden sind, um die Summe eines von der Bezugsstromquelle hergeleiteten konstanten Stroms und des Regelstroms dem gemeinsamen Emitteranschluß zuzuführen.

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Regelstroms eine durch die Bezugsstromquelle gesteuerte Stromquelle umfassen und daß Mittel vorhanden sind, um einen vom Speisestrom linear abhängigen Strom von dem durch die gesteuerte Stromquelle gelieferten Ausgangsstrom abzuziehen.

4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Speisestrom linear abhängige Strom einer als Spannungsbezugsquelle für die gesteuerte Stromquelle wirksamen Diode zugeführt wird.