DE2302575A1

DE2302575A1 - Leitungsseitig gespeister verstaerker

Info

Publication number: DE2302575A1
Application number: DE2302575A
Authority: DE
Inventors: Peter Otto Schuh
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-01-20
Filing date: 1973-01-19
Publication date: 1973-07-26
Also published as: DE2302575B2; US3743956A; BE794023A; FR2168549A1; CA979083A; GB1387103A; ES411074A1; JPS5230201B2; IT974461B; FR2168549B1; JPS4883707A

Description

WESTERNELECTRIC COMPANY Schuh, P. 0. 3

Incorporated

New York, N. Y., 10007, USA 2302575

Leitungsseitig gespeister Verstärker

Die Erfindung betrifft leitungsseitig gespeiste Verstärker, d. h. Verstärker, die im Betrieb von derselben Leitung gespeist werden, an der auch die verstärkten Ausgangssignale liegen.

Leitungsseitig gespeiste Verstärker dienen im Fernsprechwesen üblicherweise zur Verstärkung von Signalen aus Handapparat-Mikrophonen, die in Verbindung mit Prüfklinken-Fernsprechapparaten verwendet werden. Der Verstärker wird vom entfernten Amt her über dieselbe Leitung gespeist, an der auch das verstärkte Ausgangssignal des Mikrophons liegt. Weil die Leitung - oder im Fernsprechwesen auch Schleife genannte Leitung - oft sehr lang ist und deshalb notwendigerweise hohe Widerstandsverluste hat, muß die Vorspannung des Verstärkers genau eingestellt werden, damit er wirksam arbeitet. Weil dabei der Mikrophonwiderstand am Verstärkereingang unliedingt berücksichtigt werden muß, ist es nach einer einmal erfolgten Einstellung des Verstärkers unzweckmäßig, einen

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anderen Mikrophontyp zu wählen. Die bisher verwendeten Verstärker sind mit anderen Worten nicht ohne weiteres eingangs seitigen Änderungen des Mikrophonwiderstandes unterworfen, die sich zumindest im Falle langer Schleifen in unerwünschten Abweichungen von der eingestellten Vorspannung äußern.

Ein weiteres Problem in Bezug auf die im Fernsprechwesen bisher verwendeten leitungsseitig gespeisten Verstärker besteht darin, daß ein Umpolungsschutz benötigt wird, um einen einwandfreien Verstärkerbetrieb unabhängig von der Polung der leitungsseitig anliegenden Speisespannung zu ermöglichen. Dieser Umpolungsschutz, der normalerweise aus vier Dioden in Brückenschaltung besteht, ist im Vergleich zu den anderen Bauteilen des Verstärkers sehr teuer, weil wegen der an den Enden der langen Schleifen verfügbaren niedrigen Speisespannungen im allgemeinen Germanium Vorrichtungen erforderlich sind. Außerdem führt der Umpoiungsschutz zu einem weiteren unerwünschten Spannungsabfall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile bei leitungsseitig gespeisten Verstärkern zu beseitigen.

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Diese Aufgabe ist insbesondere auf verbesserte leitungsseitig gespeiste Verstärker gerichtet die einen von der Signalquellenimpedanz am Verstärkereingang ziemlich unabhängigen Arbeitspunkt aufweisen können.

Erfindungsgemäß geschieht das durch einen leitungsseitig gespeisten Verstärker mit einem ersten, zweiten und dritten Widerstand, die drei Brückenzweige bilden, eine erste Einrichtung zum Anschalten einer Eingangs signalquelle über den einen Diagonalzweig der Brücke, einen aktiven Netzwerkteil zur Signalverstärkung und Vorspannungsanschlüsse, eine zweite Einrichtung zum Anschalten der Vorspannungsanschlüsse an den anderen Diagonalzweig der Brücke und eine dritte Einrichtung zum Anschalten des verstärkten Aus gangs signals an die Leitung, wobei die Leitung im Betrieb den vierten Zweig der Brückenschaltung bildet.

Dabei kann der aktive Netzwerkteil einen Transistor einschließen, dessen Basis und Emitter die Vorspannungsanschlüsse bilden.

Eine geeignete Weiterbildung des aktiven Netzwerkteiles besteht darin, daß letzterer einen ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor enthält, daß der erste und vierte Transistor komplementär

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zu dem zweiten und dritten Transistor sind, daß der erste und zweite Transistor in komplementärer Darlingtonschaltung ein erstes Paar bilden; daß der dritte und vierte Transistor in komplementärer Darlington-Schaltung ein zum ersten Paar paralleles zweites Paar bilden, daß je ein Paar in Betrieb ist,, wenn das andere durch seine Vorspannung abgeschaltet ist und daß die Vorspannungsanschlüsse die Basen bzw. die Emitter des ersten und vierten Transistors bilden.

Die zweite Einrichtung kann zweckmäisig als Emitter wider stand ausgebildet sein.

Ein Kondensator ist in geeigneter Weise dazu bestimmt, ein Wechselstromeingangssignal unmittelbar an den aktiven Netzwerkteil zu legen.

Zur Erzielung einer wechselstrommäßig wirksamen Trennung ist ein Eingangsanschluß über eine Wechselstromsperreinrichtung mit einem Ausgangsanschluß zusammengeschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Schaltbild eines vollständigen leitungs-

seitig gespeisten Verstärkers; und

Fig. 2 eine vereinfachte Version des in Fig. 1

dargestellten Schaltbildes mit nur einem aktiven Element.

Nach Fig. 1 sind an einen leitungsseitig gespeisten Verstärker 10, wenn er im Fernsprechwesen verwendet wird, ein Mikrophon T parallel zu seinen Eingangsanschlüssen 2, 3 und die eine Seite eines konventionellen Sprechnetzwerks 11 parallel zu seinen Ausgangsanschlüssen 1, 4 geschaltet. Der Verstärker 10 wird über die Leitungen 5, 6 vom Amt aus gespeist, die an die andere Seite des Sprechnetzwerks 11 geschaltet sind. Wenn der leitungsseitig gespeiste Verstärker 10 nicht im Fernsprechwesen verwendet würde, würde die Leitung unmittelbar an die Ausgangsanschlüsse 1, 4 geschaltet.

Der aktive Netzwerkteil des Verstärkers 10 enthält zwei Paare entgegengesetzt gepoltiir Transistoren in komplementärer Darlingtonschaltung. Die Transistoren Ql und Q 2 bilden das erste Paar, bei dem rlor Kollektor bzu Emitter des Transistors Q2 mit der Basis ir'.vv. dem Kollektor des Transistors Ql verbunden sind. Die

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Transistoren Q3 und Q4 bilden das zweite Paar, bei dem der Kollektor bzw. Emitter des Transistors Q4 mit der Basis bzw. dem Kollektor des Transistors Q3 verbunden sind. Die Transistoren Ql und Q4 sind komplementär zu den Transistoren Q2 und Q3, d.h. der erstere kann ein P-N-P-Transistor und der letztere ein N-P-N-Transistor oder umgekehrt sein. Die Transistorenpaare sind durch Zusammenschaltung der Basen der Transistoren Q2 und Q4 im Knotenpunkt 7, der Emitter der Transistoren Ql und Q3 am Ausgangsanschluß 4 und der Emitter und Kollektoren der Transistoren Q2, Ql bzw. Q4, Q3 im Knotenpunkt 8 parallel geschaltet. Der effektive Kollektor der Transistorenpaare Ql, Q2 und Q3, Q4 wird durch die Emitter der Transistoren Ql bzw. Q3 gebildet.

Die Transistorenpaare werden durch drei Ohm'sche Widerstände Rl, R2 und R3 vorgespannt, die eine Brückenschaltung bilden, wenn sie passend mit dem Sprechnetzwerk 11 und der Amtsschleife verbunden sind. Genauer gesagt bilden die Ohm' sehen Widerstände Rl und R2 je einen Brückenzweig parallel zu den Eingangs anschluss en 2 und 3, und ist ihr gemeinsamer Anschluß in Punkt 7 an die Basen der Transistoren Q2 und Q4 geschaltet. Der Ohm' sehe Widerstand R3, der den dritten Brückenzweig bildet, ist zwischen den Ohm' sehen

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Widerstand R2 und den Ausgangsanschluß 1 geschaltet, wobei letzterer über einen Ohm' sehen Widerstand R auch mit dem Knotenpunkt 8 verbunden ist. Der Ohm¹ sehe Widerstand R dient für beide Transistorenpaare als Emitterwiderstand. Der Eingangsanschluß 3 und Ausgangsanschluß 4 sind über eine Spule L zusammengeschaltet, und ein Kondensator C liegt parallel zum Ohm* sehen Widerstand Rl. Der damit jeweils verfolgte Zweck wird später näher erläutert.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wurden die wesentlichen Teije dieser Schaltung in Fig. 2 gleichstrommäßig neu entworfen, wobei die Bauelemente nebst Benennungen beibehalten wurden. Die Transistoren Ql, Q2, Q3 und Q4 sind durch ein einziges aktives Element (Transistor Q) ersetzt, dessen Emitter, Basis und Kollektor den gleichnamigen effektiven Außenanschlüssen eines Transistorpaars entsprechen. Der Widerstand des Mikrophons T, der natürlich vom speziell verwendeten Mikrophontyp abhängt, wird durch den Ohm' sehen Stellwiderstand R dargestellt. R und E geben den Ohm* sehen Widerstand bzw. die Gleichspannung wieder, die das Sprechnetzwerk 11 und die Amtsschleife an den Ausgangsanschlüssen 1 und 4 des Verstärkers ersetzen.

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Nach Fig. 2 liegt der Transistor .Q mit seiner Basis-Emitter-Strecke, die den Transistor steuert, (über den Widerstand R) in der einen Brückendiagonalen während der Ohm' sehe Widerstand R_n-, des Mikrophons parallel zu der anderen Brückendiagonalen liegt. Unter der Bedingung: .

Rl . R3 * R2 . R (1)

ist die Brücke abgeglichen und Änderungen des Ohm'' sehen Widerstands R des Mikrophons beeinflussen die Vorspannungseinstellung des Transistors nicht. Diese Behauptung kann auf zweierlei Weise bewiesen werden; Erstens können Änderungen des Ohm·" sehen Mikrophonwiderstands R (ausgehend von einem Nennwert) nach dem Kompensations-Theorem durch Einfügen einer mit R in Reihe geschalteten Gleichstromquelle dargestellt werden. Spannungsänderungen dieser Gleichstromquelle parallel zum Diagonalzweig einer abgeglichenen Brücke wirken sich nicht auf den anderen Diagonalzweig der Brücke aus. Folglich bleibt die Vorspannung des Transistors Q auch bei Änderungen des Ohm/ sehen Mikrophonwiderstands R fest. Zweitens kann der Transistor Q aus der Schaltung herausgenommen und die Vorspannung V zwischen den Knotenpunkten 7 und 1 aus einer Maschengleichung bestimmt

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werden. Die Leerlaufspannung V₇ ist gegeben durch;

• 3 ·*■

V_{7 χ} » I₂ . R2 + i₃ . R3 (2)

wobei:

und (3)

Rl +R2

^EN

+ R3 + (R1+.R2)

Rl +R2

Dabei wird folgende Zusammenfassung vorgenommen: (Rl +R2) . R_T

Rl +R2

K (5)

Setzt man die Gleichungen (3) und (4) in Gleichung (2) ein, erhält man:

^R2EN ^R2EN^iRN^{+R3) E}N^R3

Rl + R2 (Rl + R2) (R + R3 + K R +R3+K

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Weil die Brücke jedoch abgeglichen ist, gilt die Gleichung (1) und der zweite Term der Gleichung (6) kann in folgende kürzere Form gebracht werden:-

E (R2R +R2R3) E (R1R3+R2R3) ' E R3

■N - χ ^N μ ^N (7)

R1+R2 (R_N+R3+K) (R1+R2) (R +R3+K) R +R3+K·

Ersetzt man jetzt den zweiten Term der Gleichung (6) durch die Gleichung (7) so ergibt sich für die Vorspannung V unter Leerlaufbedingungen:

R2 . E_n
V_P

7,i

Rl + R2

Die Vorspannung V_{7 1} ist also unabhängig Von R , so daß sich Änderungen von R nicht auf den Transistor auswirken.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß der Verstärker unabhängig von der Polung der Leitungen 5 und 6 arbeiten kann, weil entgegengesetzt gepolte Transistorenpaare in komplementärer Darlington-Schaltung verwendet werden. Wenn die Leitung 5.in Bezug auf die Leitung 6 positiv ist (Anschluß 4 positiv in Bezug auf Anschluß 1) leiten die Transistoren Ql und Q2, während die Transistoren Q3 und Q4

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aufgrund ihrer Vorspannung sperren. "Wenn die Leitung 5 in Bezug auf die Leitung 6 negativ ist, dann leiten die Transistoren Q3 und Q4. Die Bedeutung der komplementären Darlington-Schaltung kann wie folgt dargestellt werden. Wenn nur ein einzelner Transistor (Q2, Q4) jedes Transistorpaares leitend wäre, dann würder der nichtleitende Transistor den leitenden aufgrund der am Basis-Kollektor-Über gang des ersteren liegenden Spannung unerwünscht belasten. Dieser Belastung könnte durch Dioden begegnet werden, die in Sperrichtung vorgespannt sind und in Reihe mit den Kollektoren jedes der nichtleitenden Transistoren liegen. Eine solche Lösung würde jedoch im Zweig des leitenden Transistors zu einem unerwünschten Spannungsabfall über der leitenden Diode führen, einem Verlust, der gerade dort besonders irsGewicht fallen kann, wo wie am Ende langer Schleifen nur niedrige Speisespannungen verfügbar sind. Dem kann durch den zweiten Transistor Ql bzw. Q3 jedes Transistorpaares abgeholfen werden, der im gerade nichtleitenden Paar wie eine in Sperrichtung vorgespannte Diode wirkt und dazu dient, den Verstärkungsfaktor zu verbessern und damit im leitenden Transistorpaar zu stabilisieren.

Die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Verstärkers in Bezug

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1 Cl

auf Gleichstromsignale ist sehr einfach und braucht abgesehen davon, daß die Spule L zur Trennung des Wechselstromausgangs Signals vom Gleiehstromeingangsignal dient, und daß der Kondensator C den Ohm* sehen Widerstand Rl wechselstrommäßig kurz schließt, wobei das Wechselstromeingangssignal direkt an die Basen der Transistoren Q2 und Q4 gelegt wird, nicht weiter ausgeführt zu werden.

Beispielsweise können die unten aufgeführten Widerstandswerte und Typen in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung mit einem Leitungswider stand von ungefähr 250 Ohm verwendet werden:

Qi,	Q4	* Kleinsignal-Silicium-
Q2,	Q3	* Kleinsignal-Silicfanf-v
Rl		« 8K Ohm
R2		1 « 2K Ohm
R3		« 62 Ohm
^RE		* 27 Ohm
L		» 0, 25 Henry, 35 Ohm
C		* 2,5 Mikrofarad

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1 ο

Aufgebaut und überprüft arbeitete ein solcher Verstärker gegenüber einer bisherigen Version an bis zu 30 % längeren Schleifen zufriedenstellend und zwar ungefähr 20 % billiger.

Viele Abwandlungen werden für Fachleute auf der Hand liegen. Es kann beispielsweise in bestimmten Situationen erwünscht sein, die Brückenschaltung nicht ganz abzugleichen, wenn etwa Mikrophone mit verschiedenen Widerständen, die an den Eingangsanschlüssen 2, 3 untereinander ausgetauscht werden sollen, wirksamer in verschiedenen Punkten der Verstärker-Vorspannungskennlinie arbeiten. Wenn die Erfindung auch in erster Linie Fernsprechzwecken dienen soll, so könnte sie doch in anderen Bereichen angewendet werden, wenn leitungs'seitig gespeiste Verstärker benötigt werden.

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Claims

PATENTANSPRUGHE

Leitungsseitig gespeister Verstärker zum Anschalten an eine speisende Leitung^
gekennzeichnet durch

einen ersten (Rl), zweiten (R2) und dritten (R3) Widerstand, die drei Brückenzweige bilden, eine erste Einrichtung (2, 3) zum Anschalten einer Eingangs signalquelle (T) über den einen Diagonalzweig der Brücke, einen aktiven Netzwerkteil (Q1-Q4) zur Signalverstärkung und Vorspannungsanschlüsse (7,8), eine zweite Einrichtung (R^) zum Anschalten der Vorspannunganschlüsse an den anderen Diagonalzweig der Brücke und eine dritte Einrichtung (1,4) zum Anschalten des verstärkten Ausgangssignals an die Leitung, wobei im Betrieb die Leitung den vierten Zweig der Brückenschaltung bildet.
2. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

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daß der aktive Teil einen Transistor (Q) einschließt, dessen Basis und Emitter die Vorspannungsanschlüsse bilden.
3, Leitungsseitig gespeister Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der aktive Teil einen ersten (Ql), zweiten (Q2), dritten (Q3) und vierten (Q4) Transistor enthält, daß der erste und vierte Transistor komplementär zu dem zweiten und dritten Transistor sind, daß der erste und zweite Transistor in komplementärer Darlington-Schaltung ein erstes Paar bilden, daß der dritte und vierte Transistor in komplementärer Darlington-Schaltung ein zum ersten Paar paralleles zweites Paar bilden, daß je ein Paar in Betrieb ist, wenn das andere durch seine Vorspannung abgeschaltet ist, und daß die Vorspannungsanschlüsse die Basen bzw. die Emitter des ersten und vierten Transistors bilden.
4. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Einrichtung einen Emitterwiderstand (R_F) aufweist.

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5. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch,

einen Kondensator (C) zum Anlegen eines Wechselstromeingangssignals unmittelbar an den aktiven Netzwerkteil.
6. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach einem der. vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Eingangsanschluß (3) über eine Wechselstromeinrichtung

(L) mit einem Ausgangsanschluß' (4) zusammengeschaltet ist.
7. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach einem der der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß er an die speisende Leitung angeschlossen ist.
8. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Brücke angeglichen ist.

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9. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er die Eingangssignalquelle einschließt.

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