DE2316190A1

DE2316190A1 - Signalverstaerker fuer das fernmeldewesen

Info

Publication number: DE2316190A1
Application number: DE2316190A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Current assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1973-03-31
Publication date: 1974-02-14
Also published as: SE387499B; GB1351927A; IT981141B; JPS4946847A; FR2195385A5; US3938057A; CA989946A

Description

Societe Anonyme de Telecommunications in Paris (Frankreich)

Signalverstärker für das Pernmeldewesen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Signalverstärker für das Fernmeldewesen. Dieser Verstärker besitzt in einem breiten Frequenzband einen verminderten Rauschfaktor sowie eine gute Anpassung der Eingangs- und Ausgangsimpedanz an die Streckenimpedanz der Leitung, in die er eingesetzt ist. Sein Verstärkungsfaktor kann darüberhinaus in Abhängigkeit von der Frequenz nach einer vorher festgesetzten Gesetzmäßigkeit veränderlich sein. Diese Eigenschaften erlauben es, den Verstärker insbesondere als Zwischenverstärker in einer Leitung eines Kabel-Ubertragungssystems mit Trägerströmen für mehrere 10 000 gleichzeitige Fernsprechkanäle zu verwenden.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Signalverstärkers für das Fernmeldewesen resultieren aus seiner besonderen Struktur und aus den spezifischen Beziehungen, die zwischen den ihn bildenden Elementen bestehen. Diese Elemente reduzieren sich auf zwei Zweipole und einen aktiven Dreipol.

Das allgemeinste Ersatzschaltbild, das von diesem aktiven Dreipol angegeben werden kann, ist dasjenige eines aktiven Vierpols, der durch Verbindung eines Eingangspols und eines Ausgangspols auf einen Dreipol reduziert worden ist und der

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zwischen seinen Eingangspolen eine der Eingangs-Impedanz des Dreipols gleiche Impedanz und zwischen seinen Ausgangspolen eine elektromotorische Kraft in Reihe mit einer Impedanz aufweist, die gleich der Ausgangsimpedanz des Dreipols ist. Die elektromotorische Krafb ist proportional der Eingangsspannung des Dreipols, wobei der Proportionalitätsfaktor eine komplexe Zahl ist. Die Anwendung dieses vereinfachten Ersatzschaltbildes erlaubt es,die. Struktur des erfindungsgemäßen Verstärkers als die einer überbrückten T-Verzweigung zu verstehen, von der drei Arme passiv und der vierte Arm aktiv sind. Der erfindungsgemäße Signalverstärker für das PernmeIdewesen umfaßt einen aktiven Dreipol, dessen übertragungsfunktion, d.h. die komplexe Zahl, die das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Dreipols darstellt, einen negativen Realteil aufweist und dessen Eingangsimpedanz und Ausgangsimpedanz im wesentlichen untereinander und der Streckenimpedanz der Leitung, gleich sind, in die der erfindungsgemäße Verstärker eingesetzt ist. Der Verstärker umfaßt ferner einen, ersten passiven Zweipol einer bestimmten Struktur ,., sowie einen zweiten passiven Zweipol, der dem ersten im Verhältnis zu der Streckenimpedanz der Leitung, in die der erfindungsgemäße Verstärker eingesetzt 1st, reziprok ist. Der Signalverstärker ist dadurch gekennzeichnet, daß er durch Verbindung eines Eingänge pols mit einem Ausgangspol auf einen Dreipol reduziert ist, daß der andere Eingangspol mit einem Pol des ersten Zweipols und mit einem .Eingangspol des Dreipols verbunden 1st, daß der andere Ausgangspol mit dem anderen Pol des ersten Zweipols und mit einem Ausgangspol des Dreipols verbunden ist, während der gemeinsame Eingangspol und Ausgangspol des Dreipols

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über den zweiten Zweipol mit dem c;on;einsamen Kinr.'ini'·!- pol und Ausgangspol des Signalverstärkers für das Fernmeldewesen verbunden ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines AusfUhrungsbelspiels dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Erfindung;

Flg. 2 und die angehängten Fig. 2a, 2b und 2c gestatten durch Betrachtung des Ersatzschaltbildes des Dreipols ein Verständnis der Eigenschaften und die Erkenntnis der Beziehungen zwischen den in FiK. in Blockschaltwelse dargestellten Elemente;

Fig. 3 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers, bei dem der aktive Dreipol zwei Transistoren umfaßt;

Fig. 4 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel, bei dem der erfindungsgemäße Verstärker über die Leitung, In die der Verstärker eingesetzt ist, mit einem konstanten Strom ferngespeist wird.

Gemäß Fig. 1 besitzt der erfindungsgemäße Verstärker die Eingangspole 1,2 und die Ausgangspole 3,2, wobei der Pol 2 der gemeinsame Eingangs- und Ausgangepol ist.

Der Eingangspol 1 ist mit einem Eingangspol 4j, der Ausgangspol 3 mit einem Ausgangspol 4-, eines Dreipols 4 verbunden, dessen Pol 4p dem Eingang und Ausgang gemeinsam ist. Dieser Dreipol besitzt zwischen Eingang und Ausgang eine Übertragungsfunktion, deren Realteil negativ ist.

Der erste Zweipol 5 ist mit den Polen 1 und 3 des erfindungsgemäßen Verstärkers verbunden. Der zweite Zweipol 6 ist mit den Pol 4p des Dreipols und dem Pol 2 des erflndungsgenäflen Verstärkers verbunden.

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Die Impedanzwerte derZwedpdle 5 und 6, die mit Z bzw. Z¹ bezeichnet sind, sind unter sich reziprok:

Z Z¹ = R₀ ²,

wobei R₀- die Streckenimpedanz der Leitung ist, die einerseits an den Polen 1,2, andererseits an don Polen 3,2 des erfindungsgemäßen Verstärkers angeschlossen ist*

Außerdem sind die Eingangsimpedanz und die Ausgangsimpedanz des Dreipols jeweils ungefähr gleich R₀.

Bei der Untersuchung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verstärkers kann von dem vereinfachten Ersatzschaltbild des Blockschaltbildes nach Fig. 1 ausgegangen werden. Was den aktiven Dreipol 4 betrifft, so sind seine,Eingangsimpedanz R, und seine Ausgangsimpedanz Rp theoretisch untereinander und der Streckenimpedanz R₀ der Leitung gleich, die stromaufwärts an den Polen 1,2, stromabwärts an den Polen 5,2 an den erfindungsgemäßen Verstärker angeschlossen ist. DarUberhinaus 1st bei der angenommenen Vorzeichenfestsetzung für den Strom I₁, der durch die Impedanz R₁ fließt, die Zeichenfestsetzung der äquivalenten elektromotorischen Kraft am Ausgang des eigentlichen Verstärkers wie dargestellt. In dem wirksam übertragenen Frequenzband des Dreipols ist diese elektromotorische Kraft proportional der Potentialdifferenz V₁ « R₁ I₁ zwischen den Eingangspolen 4₁ und 4p:

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Die mit Z bzw. Z¹ bezeichneten Impedanzen der Zweipole 5#6 haben Werte, die von der Streckenimpedanz R₀ nach folgenden Beziehungen abhängen:

Z » ζ R₍
zZ¹ « R₀

Der reduzierte Wert ζ der Impedanz Z ändert steh mit der Frequenz.

Unter den in der Fig. 2a dargestellten Schaltbedingungen können die Werte der Eingangsimpedanz Z_K und der Ausgangsimpedanz Z_s berechnet werden, ebenso wie der Wert der übertragungsfunktion G des erfindungsgemäßen Verstärkers (Vs = Ausgangsspannung):

2 Vs

Die Rechnung zeigt, daß unter den Nominalbedingungen, bei denen die Impedanzen R₁ und R₂ des Dreipols beide gleich R₀ sind, die Impedanzen Ze und Zj,- genau gleich R₀ sind. Sie zeigt ebenfalls,daß der erfindungsgemäße Verstärker eine Übertragungsfunktion nach folgender Gleichung aufweist:

1 1

z~ 1+G I+K
2"

In der Praxis liegen Bedingungen vor, bei denen K groß Ist, wobei übrig bleibt:

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Wenn R₁ sich von R₀ um einen bestimmten Betra« A unterscheidet, unterscheidet sich die Impedanz Z von R₀ um einen Betrag S ,der dem Produkt von Δ mit dem Faktor

2G
Γ"

gleich ist.

Dasselbe gilt für Z_Si wenn R₂ sich von R₀ unterscheidet. Der erfindungsgemäße Verstärker zeigt daher sehr gute Impedanz-Anpassungseigenschaften an den Schaltkreis, in den er eingesetzt wird. Durch Wahl der reduzierten Impedanz ζ, d.h. der Struktur des ersten Zweipols, kann seiner übertragungsfunktion ein mit der Frequenz in dem ganzen übertragenen Band veränderlicher Absolutwert erteilt werden, wie es die Praxis gerade erfordert.

Es sei bemerkt, daß in Z¹ die elektrischen Äquivalente, insbesondere Selbstinduktanzen, eingeschlossen und dementsprechend in Z kompensiert werden können, die auf die durch die Kabelanordnung bedingten Störverbindungen zurückzuführen sind. Der Dreipol kann daher als theoretisch perfekt angesehen werden. Der erfindungsgemäße Verstärker zeigt Qualitäten, die ihn zur übertragung breiter Frequenzbänder befähigen.

Die Untersuchung der in einer anderen Weise in Fig. 2 dargestellten Schaltung führt leicht zu den Bedingungen, die die Stabilität des erfindun^Bemäßen

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Verstärkers gewährleisten. Diese Bedingungen leiten sich von der Untersuchung des nachstehenden Ausdrucke her» der die übertragungsfunktion einer offenen Schleife angibt:

ζ + 1

Der Rauschfaktor des erfindungsgemäöen Verstärkers kann nicht unterhalb dem des aus der Schaltung isolierten Dreipols liegen.

An der Schaltung nach Fig. 2b kann gezeigt werden, daS die Impedanzen Z und Z' gleichermaßen zum Anwachsen der Rauschstärke beitragen. Die daraus resultierende Zunahme des Rauschfaktors 1st Jedoch von der Größenordnung:

1 1 ( G + 3 5" Ji G*"

und es bleibt bei hinreichend großem K eine normalerweise vernachlässigbare Zunahme um

0+1 2 G²

der auf den Dreipol zurückzuführenden Rauschstärke.

In Fig. 3 ist ein Beispiel dargestellt, wie der erfindungsgemäße Verstärker verwirklicht werden kann.

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Er ist zwischen der an dem Pol 2 angeschlossenen Masse und dem positiven Pol 7 einer Batterie angeschlossen. Der Anschluß erfolgt über einen Entkopplungsblock 8 guter Wirksamkeit, der bei 7 und an dom Speisepol 9 des aktiven Dreipols angeschlossen ist.

Die Impedanz Z ist diejenige des Schaltungsteile 5, der durch die beiden Widerstände 10,11 und die zu dem Widerstand 12 parallele Selbstinduktanz gebildet wird. Die Impedanz Z¹ ist diejenige des Schaltungsteils 6, in dem der Kpridensator 3 der Selbstinduktanz 12, der Widerstand l4 dem Widerstand 11 und die beiden parallelen Widerstände 13 und 16 dem Widerstand 10 des Schaltungsteils 5 in reziproker Relation entsprechen.

Der aktive Dreipol 4 umfaßt die Entkopplungen kondensatoren 17 und I9 und 2 Transistoren T,, T₂, die die Verstärkungsmittel bilden. Nach einem bekannten Schaltschema sind die Kollektoren der Transformatoren T, und T« untereinander und mit dem Speisepol 9 verbunden. Der Emitter von T, ist mit dm* Basis von T₂ verbunden. Die Basis von T₁ erhält ein Potential über die hohen Widerstände 20 und 21, die zwischen dem Pol 9 und der Masse liegen. Der Widerstand 20 bestimmt den Wert der Eingangsimpedanz und der Ausgangsimpedanz des Dreipols. Der Emitterwiderstand 22 des Transistors T₁ gestattet die Einstellung des Stromes in dem Transistor T^ und hat einen gewissen Einfluß auf den Eingangswiderstand «l«n Dreipols.

Bestimmte Störelemente, nämlich die Selbstinduktanz zwischen dem Emitter von T, und der Basir.. von T₀, die Selbstinduktanz zwischen dem Emitter von

ti I

T₂ und dem Pol ^₂, der für die Wechselströme der

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Masse Pol des Dreipols ist, die Kapazität zwischen dem Kollektor und der Basis von T₁, nehmen auf das Verhalten des Dreipols Einfluß. Es ist jedoch möglich, über die Struktur von Z' den Einfluß der zuletzt aufgezählten Elemente zu kompensieren. Im übrigen empfiehlt es sich, daß die Bauelemente von Z¹ mit ihren entsprechenden Anschlüssen konzentriert sind.

Der erfindungsgemäße Verstärker, wie er in Fir,. 3 dargestellt ist, ist mit den empfehlenswerten Vorsorgemaßnahmen für ein übertragenes Frequenzband bis zu sechzig Megahertz ausgelegt und zeigt einen Verstärkungsfaktor, der von 5 bis 13 Dezibel veränderlich ist, sowie eine Impedanz-Fehlanpassung, die bei einem Wert von R₀ von 75 Ohm im übertragenen Frequenzband nie 5^ überschreitet.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltweise, die keine Transformatoren enthält, bietet sich für eino Ausführung in integrierten Schaltkreisen an.

In einer Ausführungsform mit getrennten Elementen wiesen der Transistor T, eine Grenzfrequenz f. von 1,8 GHz und der Transistor Tp eine solche von 1,3 UHz auf.

Der erfindungsgemäße Verstärker stellt eine Schaltung dar, die darüberhinaus in dem häufigen Fall vorteilhaft ist, daß die Spannung des Pols 7 gemäß Fig. 3 aus^iner Versorgung mit einem konstanten Strom erhalten wird, der durch die Fernsprechleitung selhnt zugeführt wird.

Für einen solchen Fall stellt Fig. 4 die zu verwendende prinzipielle Anordnung dar. Der Strom dor Fernspeisung verläuft durch die Induktanzen 23 und sowie durch die Zener-Diode 24. Dieser Schaltkreis ist wie dargestellt an die Pole 3,1 und 4_g des erfindungsgemäßen Verstärkers angeschlossen. Darüber-

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hinaus wird ein Hochspannungskondensator 26 zwischen den Pol 2 des erfindungsgemäßen VerstSrkerß und die Rückleitung des Fernspeisungsstroms gelegt. Ein Pol der Zener-Diode 24 ist mit dem Speisepol 7 des Verstärkers verbunden.

Bei verschiedenen Ausführungsformen der erflndungsgemäßen Anordnung für hohe Frequenzen kann der Kondensator 26 mit Vorteil durch einen oder mehrere Kondensatoren ersetzt werden, die eventuell in die Impedanz 6 integriert werden können.

Diese Anordnung erleichtert sehr die Verwirklichung eines Weichenfliters (flitre d'aiguillage), wobei die Induktanzen 23 und 25 und der Kondensator 26 wegen ihrer Dimensionierung nicht mit den analogen Elementen der Üblicherweise verwendeten Weichenfilter verglichen werden können.

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Claims

Societe Anonyme de Telecommunications in Paris (Frankreich)

Patentanspruch.

Signalverstärker für das Fernmeldewesen mit einem aktiven Dreipol, dessen übertragungsfunktion einen negativen Realteil aufweist, dessen Eingangsimpedanz und dessen Ausgangsimpedanz im wesentlichen untereinander und der Streckenimpedanz der Leitung, in die der Signalverstärker eingesetzt ist, gleich sind, mit einem ersten Zweipol bestimmter Struktur und einem zweiten Zweipol dazu im Verhältnis der Streckenimpedanz der Leitung, in die der Signalverstärker eingesetzt ist, reziproker Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverstärker durch Verbindung eines Eingangspola (2) mit einem Ausgangspol. (2) auf einen Dreipol reduziert ist, daß der andere Eingangspol (1) an einen Eingengspol des ersten Zweipols (5) und an einen Eingangspol (4^) des Drolpols (4) angeschlossen ist, daß der andere Ausganpnpol (3) an den anderen Pol des ersten Zweipols (5) und an einen Ausgangspol (4,) des Dreipols angeschlossen ist, während der gemeinsame Eingangs- und Ausgangspol (4₂) des Dreipols (4) über den zweiten Zweipol (6) an den gemeinsamen Eingangs- und Ausgang, pol (2) des SignalVerstärkers angeschlossen ist.

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