DE2302575B2

DE2302575B2 - Leitungsseitig gespeister verstaerker

Info

Publication number: DE2302575B2
Application number: DE19732302575
Authority: DE
Inventors: Peter Otto Indianapolis Ind. Schuh (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-01-20
Filing date: 1973-01-19
Publication date: 1976-04-08
Also published as: FR2168549B1; FR2168549A1; IT974461B; CA979083A; JPS4883707A; GB1387103A; ES411074A1; BE794023A; US3743956A; DE2302575A1; JPS5230201B2

Description

Die Erfindung betrifft einen leitungsseitig gespeisten Verstärker zum Anschalten an eine speisende Leitung mit einem ersten, zweiten und dritten Widerstand, die drei Brückenzweige bilden, einer ersten Einrichtung zum Anschalten einer Eingangssignalquelle an den einen Diagonalzweig der Brücke, einem aktiven Netzteil zur Verstärkung von Signalen der Quelle, und einer zweiten Einrichtung zum Anschalten der verstärk

6c ten Ausgangssignale an die Leitung, so daß diese den vierten Briickenzweig bildet

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 Mikrophonwidersland am Verstärkereingang unbedingt berücksichtigt werden muß, ist es nach einer einmal erfolgten Einstellung des Verstärkers unzweckmäßig, einen anderen Mikrophontyp zu wählen. Die bisher verwendeten Verstärker sind mit anderen Worten nicht ohne weiteres eingangsseitigen Änderungen des Mikrophonwiderstandes zugänglich, 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-Bauteile erforderlich sind. Außerdem führt der Umpolungsschutz zu einem weiteren unerwünschten Spannungsabfall.

Bekannt ist bereits eine blindwiderstandsfreie Gabelschaltung zur Rückhördämpfung bei Fernsprechern, bei der ein Mikrofon und ein Mikrofonverstärker eine Konstantstromquelle in einer Brückenschaltung darstellen. Änderungen des Mikrofonwiderstandes führen dabei zu Änderungen der Vorspannung für den Verstärker.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte leitungsseitig gespeiste Verstärker zu schaffen, die einen von der Signalquellenimpedanz am Verstärkereingang ziemlich unabhängigen Arbeitspunkt aufweisen.

Die Erfindung geht dazu aus von einem leitungsseitig gespeisten Verstärker der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Einrichtung zum Anschalten der Vorspannungsanschlüsse des aktiven Netzwerkteils an den anderen Diagonalzweig der Brücke vorgesehen ist, und daß die Brücke im wesentlichen abgeglichen ist, wodurch die an den aktiven Netzwerkteil angelegte Vorspannung im wesentlichen unabhängig vom Widerstand der Eingangssignalquelle ist.

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

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der aktive Netzwerkteil einen ersten, zweiten, dritten und vierten 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

büden, 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 dritte Einrichtung kann zweckmäßig als Emitterwiderst#r.d ausgebildet sein.

Ein Kondensator kann vorgesehen sein, um ein ,₀ Wechselstromeingangssignal unmittelbar an den aktiven Netzwerkteil zu legen.

Zur Erzielung einer wechselstrommäßig wirksamen Trennung ist ein Eingangsanschluß über eine Wechselstromsperreinrichtung mit einem Ausgangsanschluß ,₅ zusammengeschaltet

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

F i g. 1 ein Schaltbild eines vollständigen leitungsseitig gespeisten Verstärkers und

F i g. 2 eine vereinfachte Version des in F i g. 1 dargestellten Schaltbildes mit nur einem aktiven Element

Nach F i g. 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 tO 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 gepolter Transistoren in komplementärer Darlington-Schaltung. Die Transistoren Ql und Q 2 bilden das erste Paar, bei dem der Kollektor bzw. Emitter des Transistors Q 2 mit der Basis bzw. dem Kollektor des Transistors Q1 verbunden sind. Die Transistoren Q 3 und Q 4 bilden das zweite Paar, bei dem der Kollektor bzw. Emitter des Transistors Q 4 mit der Basis bzw. dem Kollektor des Transistors Q 3 verbunden sind. Die Transistoren Ql und Q 4 sind komplementär zu den Transistoren Q 2 und Q 3, d. h. der erstere kann ein PNP-Transistor und der letztere ein NPN-Transistor oder umgekehrt sein. Die Transistoren paare sind durch Zusammenschaltung der Basen der _s0 Transistoren Q 2 und Q 4 im Knotenpunkt 7, der Emitter der Transistoren Ql und Q 3 am Ausgangsanschluß 4 und der Emitter und Kollektoren der Transistoren Q2, Ql bzw. Q4, Q 3 im Knotenpunkt 8 parallel geschaltet. Der effektive Kollektor der Transi- _ss storenpaare Ql, Q 2 und Q 3, Q4 wird durch die Emitter der Transistoren Q1 bzw. Q 3 gebildet.

Die Transistorenpaare werden durch drei ohmsche 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 ohmschen Widerstände R 1 und R 2 je einen Brückenzweig parallel zu den Eingangsanschlüssen 2 und 3, und ihr gemeinsamer Anschluß im Punkt 7 ist an die Basen der Transistoren _6s Q 2 und Q4 geschaltet. Der ohmsche Widerstand R 3, der den dritten Brückenzweig bildet, ist zwischen den nhmsnhen Widerstand R 2 und den Ausgangsanschluß 1 geschaltet, wobei letzterer über einen ohmschen Widerstand Ä£ auch mit dem Knotenpunkt 8 verbunden ist. Der ohmsche Widerstand Rf 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 ohmschen Wirterstand R1. Der damit jeweils verfolgte Zweck wird später näher erläutert.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltung wurden die wesentlichen Teile dieser Schaltung ir. F i g. 2 gleichstrommäßig neu entworfen, wobei die Bauelemente nebst Benennungen beibehalten wurden. Die Transistoren Q1, Q 2, Q 3 und Q 4 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 ohmschen Stellwiderstand Rt dargestellt Rn und Es geben den ohmschen Widerstand bzw. die Gleichspannung wieder, die das Sprechnetzwerk 11 und die Amtsschleife an den Ausgangsanschlüssen 1 und 4 des Verstärkers ersetzen.

Nach F i g. 2 liegt der Transistor Q mit seiner Basis-Emitter-Strecke, die den Transistor steuert (über den Widerstand Rf) in der einen Brückendiagonalen während der ohmsche Widerstand Rt des Mikrophons parallel zu der anderen Brückendiagonalen liegt Unter der Bedingung:

Rl R3 = R2 R_n

(1)

ist die Brücke abgeglichen und Änderungen des ohmschen Widerstands Rrdes Mikrophons beeinflussen die Vorspannungseinstellung des Transistors nicht. Diese Behauptung kann auf zweierlei Weise bewiesen werden: Erstens können Änderungen des ohmschen Mikrophonwiderstands Rr (ausgehend von einem Nennwert) nach dem Kompensations-Theorem durch Einfügen einer mit Rt in Reihe geschalteten Gleichstromquelle dargestellt werden. Spannungsänderungen dieser Gleichstromquelle parallel zum Diagonalzweig einer abgeglichenen Brücke wirken sich nicht auf den anderen Diagronalzweig der Brücke aus. Folglich bleibt die Vorspannung des Transistors Q auch bei Änderungen des ohmschen Mikrophonwiderstands Rt fest. Zweitens kann der Transistor Q aus der Schaltung herausgenommen und die Vorspannung V7.1 zwischen den Knotenpunkten 7 und 1 aus einer Maschengleichung bestimmt werden. Die Leerlaufspannung V?. 1 ist gegeben durch:

!-., --=■■ i₂ ■ Rl + ι_Λ ■ R3.

wobei:

/·:, - I₃ (R_n + R3)
Rl 4- R2

R_n + R3 f

(Kl 4-R2) R₁ R 1 + R 2 4 R,

Dabei wird folgende Zusammenfassung vorgenommen:

(Rl + R2)· R₇.
Rl + R 2 4 R₇

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

Rl + R2

(Kl + Rl)(R_x +R'i+'K)

E_n R3
R_n + R3 + K '

(6)

Weil die Brücke jedoch abgeglichen ist, gilt die ,₀ Gleichung (1) und der zweite Term der Gleichung (6) kann in folgende kürzere Form gebracht werden:

E_S(R2R_S + R2R3) Rl + RI(R_n + R3 + K)

E_n(RI R3 + R2R3)

K)

Ε* R 3
R_N + R3

(7)

Ersetzt man jetzt den zweiten Term der Gleichung (6) durch die Gleichung (7) so ergibt sich für die Vorspannung Vl 1 unter Leerlaufbedingungen:

R2£_iV
Rl + R2

(8)

2.S

Die Vorspannung Vi, 1 ist also unabhängig von Rt, ro daß sich Änderungen von Rt nicht auf den Transistor auswirken.

Aus F i g. 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 Q 2, während die Transistoren Q 3 und Q 4 auf Grund ihrer Vorspannung sperren. Wenn die Leitung 5 in Bezug auf die Leitung 6 negativ ist, dann leiten die Transistoren Q 3 und Q 4. Die Bedeutung der komplementären Darlington-Schaltung kann wie folgt dargestellt werden. Wenn nur ein einzelner Transistor (Q 2, Q 4) jedes Transistorpaares leitend wäre, dann würde der nichtleitende Transistor den leitenden auf Grund der am Basis-Kollektor-Übergang 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 ins Gewicht fallen kann, wo wie am Ende langer Schleifen nur niedrige Speisespannungen verfügbar sind. Dem kann durch den zweiten Transistor Qi bzw. Q 3 jedes Transistorpaares abgeholfen werden, der im gerade nichtleitenden F'aar 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 F i g. 1 dargestellten Verstärkers in bezug auf Gleichstromsignale ist sehr einfach und braucht abgesehen davon, daß die Spule L zur Trennung des Wechselstromausgangssignals vom Gleichstromeingangsssignal dient, und daß der Kondensator C den ohmschen Widerstand R1 wechselstrommäßig kurz schließt, wobei das Wechselstromeingangssignal direkt an die Basen der Transistoren Q 2 und Q 4 gelegt wird, nicht weiter ausgeführt zu werden.

Beispielsweise können die unten aufgeführten Widerstandswerte und Typen in der in F i g. 1 dargestellten Schaltung mit einem Leitungswiderstand von ungefähr 250 Ohm verwendet werden:

Ql, Q4 = Kleinsignal-Silicium-PNP-Transistor,
Q 2, Q 3 = Kleinsignal-Silicium-NPN-Transistor,

Ri	= 8 kOhm,
R2	= 2 kOhm,
R3	= 62 Ohm,
Re	= 27 Ohm,
L	= 0,25 Henry, 35 Ohm,
C	= 2,5 Mikrofarad

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 Bereicher angewendet werden, wenn leitungsseitig gespeiste Verstärker benötigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leitungsseitig gespeister Verstärker zum Anschalten an eine speisende Leitung mit einem ersten, zweiten und dritten Widerstand, die drei Brückenzweige bilden, einer ersten Einrichtung zum Anschalten einer Eingangssignalquelle an den einen Diagonalzweig der Brücke, einem aktiven Netzteil atur Verstärkung von Signalen der Quelle, und einer ι ο fweiten Einrichtung zum Anschalten der verstärkten Ausgangssignale an die Leitung, so daß diese den vierten Brückenzweig bildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Einrichtung (/?£) zum Anschalten der Vorspannungsanschlüsse (7, 8) des aktiven Netzwerkteils (Qt-Q4) an den anderen Diagonalzweig der Brücke vorgesehen ist, und daß die Brücke im wesentlichen abgeglichen ist, wodurch die an den aktiven Netzwerkteil angelegte Vorspannung im wesentlichen unabhängig vom Widerstand (Rt) der Eingangssignalquelle (T)ist.

2. Leitungsseitig gespeister Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 (Qt), zweiten (<?2), 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 dritte Einrichtung einen Emitterwiderstand (Re) laufweist.

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 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- ₅,_; eeichnet, daß er die Eingangssignalquelle einschließt.