DE2332316A1

DE2332316A1 - Ausgangsschaltung und verfahren zu ihrer anwendung

Info

Publication number: DE2332316A1
Application number: DE2332316A
Authority: DE
Inventors: Ray Milton Dolby; Bjorn Erik Edvardsen
Original assignee: Dolby Laboratories Inc
Current assignee: Dolby Laboratories Licensing Corp
Priority date: 1972-06-29
Filing date: 1973-06-26
Publication date: 1974-01-10
Also published as: GB1431433A; NL187721C; JPS4952954A; JPS5744045B2; NL7309055A; CA997006A; NL187721B; US3838352A; DE2332316C2

Description

Paten *ατ.τ

Dr.-Ing. Wilhelm Reichs! DipL-lRc Wolfgang ßeicbel

6 Frankfuii a. M. 1 _ ■

Paiksiiaße 13 '⁵²⁸

Dolby Laboratories,- Inc., New York,N. Y., V.St.A.

Ausgangsschaltung und Verfahren zu ihrer Anwendung

Die Erfindung betrifft eine Ausgangsschaltung für eine Zweidrahtleitung , die eine Übliche Ausgangsstufe ersetzen kann, welche einen Transformator enthält. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar in Tonstudioanlagen,/' bei denen der Anschluß der Geräte deswegen schwierig ist, weil Brunmechleifen vermieden werden müssen und weil es wichtig ist, die Einführung von Rauschen oder Störgeräuschen im allgemeinen zu unterbinden. Es ist bekannt, aus diesem Grunde mindestens das eine Ende jeder Leitung zu symmetrieren und es ist auch üblich, Geräte und Anlagen, die besonders gute Eigenschaften aufweisen sollen, mit symmetrischen Eingangsstufen und symmetrischen Ausgangsstufen zu versehen , um beim Anschluß an andere Geräte vollkommene Freiheit zu haben. Man hat jedoch festgestellt, daß die Ausgangsschaltungen, die Leitung selbst und die nachfolgenden Eingangsschaltungen vorzugsweise vollständig frei von Erdverbindungen sein sollten, d.h. sie sollten hinsichtlich des Potentials frei schwankend sein, eine Eigenschaft, die im Ursprungsland auch als "floating" bezeichnet wird.

Transformatorisch symmetrierte Ein- und Ausgangsschaltungen siTKi sehr teuer und tragen in starkem Maße zum Gewicht , dem Umfang und den Chassis-Kosten der Anlagen besondere bei Geräten mit mehreren Kanälen bei· Es ist auch bekannt, transformatorisch symmetrierte Eingangsstufen durch Eingangsstufen mit Differential-

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verstärkern zu ersetzen. Es sind auch Schaltungen bekannt, um das Brummen bei Videosignalanlagen zu vermindern. Solche Schaltungen benötigen im allgemeinen die Verwendung von Transformatoren. Eine Schaltung, die die Benutzung eines Transformators vermeidet, ist in der britischen Patentschrift 1 261 950 angegeben. Ein Kompensationsstrom wird abgeleitet und direkt der Koaxialleitung zugeführt, die auf den Leitungsverstärker folgt . Dieses Verfahren ist jedoch nur dann anwendbar,wenn die Leitungen eine bestimmte charakteristische Impedanz, zum Beispiel 75 Ohm aufweisen. Das Verfahren erfordert auch eine Einstellung bei jedem einzelnen Verwendungsfall.

Bei Audio-Signalen hat ein nichtsymmetrischer Leitungsverstärker gewöhnlich einen niedrigen Ausgangswiderstand von z.B. einem Ohm oder weniger. Der Leitungswiderstand hat üblicherweise die Größenordnung von einem Ohm, und der Lastwiderstand beträgt entweder 600 Ohm oder 10 k jTl . Das oben angegebene Verfahren eignet sich nicht für diese Werte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgangsschaltung zu schaffen, die bei den angegebenen Bedingungen keinen Transformator erfordert, die jedoch eine Ausgangsgröße liefert, die im wesentlichen frei von Brummen und anderen Leitungsgeräuschen ist, wenn die Belastung unsymmetrisch ist. Die Schaltung und das mit ihr durchgeführte Verfahren ist einfach im Gebrauch und erfordert bei verschiedenen in der Praxis auftretenden Audioübertragungen keine speziellen Einstellungen, um eine Anpassung an die Leitungseigenschaften vorzunehmen, z.B. an den Leitungswiderstand und ohne Rücksicht darauf, ob die Belastung symmetrisch oder unsymmetrisch ist. Die Schaltung ist besonders

an für kommerzielle Audioübertragung geeignet. Sie hat aber auch Anwendbarkeit beim allgemeinen Verbraucher sowie

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in Anlagen, die sich mit der Übertragung und Ausnutzung von Videosignalen und Meßverfahren befassen.

In der folgenden Beschreibung wird hinsichtlich der Anschlußklemmen auf nicht geerde und geerdete Anschlüsse Bezug genommen, wobei die geerdeten Anschlußklemmen normalerweise mit Erde oder Masse verbunden sind.

Gemäß der Erfindung ist bei einer Ausgangsschaltung der oben angegebenen Art ein nicht geerdeter Eingang mit dem einen Eingang einer Vereinigungsschaltung verbunden, deren Ausgang an den nicht geerdeten Eingang eines Leitungsverstärkers angeschlossen ist , wobei der nidt geerdete Ausgang des Verstärkers mit dem nicht geerdeten Ausgang der Schaltung verbunden ist und der andere Ausgang der Schaltung an einen zweiten Eingang der Vereinigungsschaltung angeschlossen ist, um eine Rückkopplungsschleif e mit im wesentlichen dem Verstärkungsgrad von dem zweiten Ausgang der Schaltung zu dem nicht geerdeten Ausgang der Schaltung zu bilden.

Die Erfindung bezieht sich ferner auch auf Audio-Verstärker , Mischschaltungen , Störgeräuschverminderungsschaltungen oder andere Audioanlagen, die eine solche Ausgangsschaltung aufweisen.

Das Verfahren zur Verwendung einer frei schwankenden Ausgangsschaltung gemäß der Erfindung , die einen Leitungsverstärker enthält und auf eine Belastung überdie Ausgangsleitung einwirkt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Belastungsende der Leitung mit der Spannung am Eingangsende der Leitung verglichen wird ,um eine Fehlerspannung abzuleiten, und daß die Fehlerspannung dem Eingang des Verstärkers in solcher Weise zugeführt wird, daß eine Rückkopplungeschleife mit im wesentlichen dem Verstärkungsgrad 1 gebildet wird.

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Die Art und Weise, wie die Erfindung arbeitet und im einzelnen ausgeführt werden kann, wird im folgenden anhand von Schaltungen beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind:

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild der grundsätzlichen Anordnung; Fig. 2 zeigt die Schaltung eines Ausführungsbeispieles;

In Fig. 1 werden die verschiedenen Anschlüsse in folgender Weise bezeichnet. Der Anschluß IO ist ein nicht geerdeter Eingang der Schaltung.

Der Anschluß 11 ist ein nicht geerdeter Eingang des Verstärlers .

Der Anschluß 12 ist ein nicht geerdeter Ausgang des Verstärkers .

Der Anschluß 13 ist ein nicht geerdeter Ausgang der Schaltung und

der Anschluß 14 ist ein geerdeter Ausgang der Schaltung.

Die geerdeten Eingangsklemmen und die geerdeten Verstärkeranschlüsse, die dem Verstärkereingang und -Ausgang gemeinsam sind , haben keine Bezugszeichen und sind alle mit Erde G₁ verbunden. Eine Vereinigungsschaltung ist mit 15 bezeichnet und ein Verstärker 16 hat einen Verstärkungsgrad A. Der Anschluß 14 ist nicht direkt mit Erde verbunden, sondern vorzugsweise über einen Widerstand R₁ mit mittlerem Wert ,d.h. einem Widerstand , der groß ist im Vergleich zu dem Widerstand der Leitungl8 gegenüber Störfrequenzen, aber klein im Vergleich mit der niedrigsten angenommenen Abschlußimpedanz 19 für die Leitung, an der eine Spannung V_L liegt. Unter diesen Bedingungen wird an dem'Widerstand R₁ eine Spannung V"_e auftreten, die genau dem Unterschied zwischen dem Erdpotential an den beiden

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Enden der Leitungen G-^ und G₂ entspricht. Diese Bedingung vermeidet eine unzulässige Verschwendung der verfügbaren Ausgangsspannung des Verstärkers für den F^A11, daß die Last nicht symmetrisch ist , d.h. daß sie nicht an Erde angeschlossen ist. Eine symmetrische Belastung kann einen Transformator enthalten, dessen Primärwicklung zwischen Anschlüssen 21 und 22 anEnde der Leitung 18 liegt und dessen Sekundärwicklung durch eine Belastung überbrückt ist. In diesem Fall ist der Anschluß 22 nicht mit Erde G, verbunden. Der Rückstrom von der Belastung fließt dann über die geerdete Seite 18b der Leitung 18 und über den Wider-^-- stand R,. Selbst , wenn ein Spannungsabfall an dem Widerstand R₁ auftritt, hat die Schaltung die Wirkung, daß der Widerstand R^ aus dem Lastkreis eliminiert wird; die Ausgangsimpedanz zwischen den Anschlüssen 13 und 14 kann daher-im Bedarfsfall auf einem niedrigen Wert gehalten werden. Bei Audioschaltungen beträgt ein günstiger Wert von R-j etwa 100 Ohm,wenn man einen Leitungswiderstand von weniger als 1 Ohm annimmt und eine Abschlußimpedanz 19 von nicht weniger als 600 Ohm. Wenn die Last nicht symmetrisch ist (wenn der Anschluß 22 mit Erde Gg verbunden ist), dann fließt der Hauptanteil des Rückstromes der Last über eine Erdschaltung 23. In diesem Fall liefert die geerdete Seite der Leitung an den Verstärker an der Klemme 14 eine Spannung, die an G₂ liegt. Wenn die Spannung am Punkt G₂ sich von der Spannung am Punkt G- unterscheidet, wird eine Fehlerspannung V_e an dem Widerstand R^ erhalten. Bei Anwendungen auf dem Video- oder Meßgebiet, sowie bei Anwendungen für Verbraucher auf dem Tongebiet ist die geerdete Seite der Leitung gewöhnlüi eine Abschirmung , die einen ziemlich niedrigen Widerstand hat und ein geeigneter Wert für R₁ ist dann etwa 10 Ohm.

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Die Fehlerspannung V_e wird der Vereinigungsschaltung 15 über eine Schaltung 20 mit dem Verstärkungsgrad B zugeführt; dieser Verstärkungsgrad ist normalerweise kleiner als 1. Ein Kondensator C· und ein Widerstand R₂ bestimmen die Zeitkonstante des Eingangsanschlußes des Leitungsverstärkers 16 und C2 ist ein Kondensator im Ausgangskreis. Der Verstärker hat einen Verstärkungsgrad A, wenn er durch die Belastung abgeschloseen ist.

Mit den bezeichneten Spannungen ergeben sich folgende Beziehungen :

ferner

^V1	— V - V 1 e - ^A(Vin^{+ B}	v_e) ,	und
^Vo	- ^AVin ^{+ A}	^BVe * ^Ve	•
AB	= 1 ist,	ergibt	sich
^Vo	- ^AVin >

d.h. Unabhängigkeit von einer Fehlerspannung V_ , die durch

Differenzen in der Erdspannung hervorgerufen ist.

Die oben angegebenen Gleichungen gelten nur,wenn die Phasenverschiebung zwischen dem Anschluß 14 über die Schleife zum Anschluß 13 gleich Null ist . Für den Eingang ergibt sich die Übertragungsfunktion f(s)=(sR₂C₁) / (1 + SR₂C₁) und diese Funktion muß durch eine Phasenausgleichsschaltung i ausgeglichen werden, die zwischen den Punkten 14 und 13 liegt und eine Übertragungsfunktion 1 /f(s) aufweist, nämlicheine Integrationskennlinie . Es sei bemerkt, daß eine Korrektur für Phasenverschiebungen bei hohen Frequenzen, vorzugsweise vorgesehen wird, um hochfrequente Geräusche , wie Klicks und Pops zu vermindern.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel der Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt, in der die Vereinigungsschaltung 15 durch Transistoren Q-, und Q₂ gebildet wird, wobei ein Lastwiderstand R, an Q₂ angeschienen wird, in den ein Transistor Q, einen

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Strom speist, der sich aus der Eingangssignalspannung ergibt. Q^ und Q₂ entsprechen der Schaltung 20 und der Verstärkungsgrad B wird dadurch in geeigneter Weise eingestellt _f daß R^ einen solchen Wert hat, daß die Auslöschung von V_ein der Ausgangs spannung V_Q den größten Wert hat· Eine Integrationsschaltung C^, R₁-, Rg liegt zwischen der Basis des Transistors Q₁ und dem Emitter von θ£. Ferner ist ein Transistor Q4 in einer Emitter folgeschaltung vorgesehen, um den Eingang des Verdärkers 16 zu entkoppeln. Der Verstärker 16 hat eine niedrige Ausgangsimpedanz und es ist von Vorteil, besonders wenn ein Verstärker mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz. verwendet wird, daß die Störgeräuschverminderungseigenschaften der Schaltung unabhängig von dem Wert von Rj^ sind. Dies ist von Wichtigkeit wegen der normalen Praxis, Leitungsverstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz zu verwenden anstelle von angepassten Impedanzen.

Die Vereinigungsschaltung der Fig. 2 ist verhältnismäßig kompliziert, da sie darauf ausgebildet ist, daß ein Verlust an Signalspannung in der Vereinigungsschaltung 15 nicht auftritt. Wenn man Widerstände und Betriebsverstärker benutzt , kann die Vereinigung in sehr einfacher Weise am Verstärkereingang vorgenommen werden. Grund sätzlich genügt dann,wenn der Verstärker 16 nicht invertiert, eine Addierschaltung mit zwei Widerständen, von denen der eine an den Signaleingang 10 und der andere an den Fehlerspannungsausgang 14 angeschlossen ist.' Für kommerzielle Audioschaltungen hat die Anordnung nach Fig. vorzugsweise die folgenden Eigenschaften . Der Verstärkungsgrad wird bei der Herstellung auf einen Wert von etwa 1 % über dem Wert 1 eingestellt, indem man den Widerstand R^ bei der Prüfung entsprechend einstellt. Der zusätzliche Verstärkungsgrad soll die Dämpfung der wahren Fehlerspannung

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durch den Rückleitimgswiderstand der Erde und den 100 Ohm-Widerstand kompensieren. Der Erdrückleitungswiderstand liegt etwa bei 1 Ohm, d.h. er entspricht etwa 10 m eines üblichen abgeschirmten Zweileiterkabels guter Qualität. Unter diesen Bedingungen beträgt die Verminderung des Brummens etwa 50 bis 60 db. Bei einer Kabellänge von O bis 20 m, die einem Widerstand von O bis 2 Ohm entspricht, behält man eine Verminderung von 40 db in den beiden Extremfällen. Die hauptsächlich vorkommenden Fälle beim Einrichten von Studios lassen sich daher auf diese Weise erfassen, ohne daß es notwendig ist, die Schaltung speziell beim Gebrauch einzustellen.

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Claims

Ausgangsschaltung mit einem Leitungsverstärker , die zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht geerdeter Eingang (10) mit dem Eingang einer Vereinigungsschaltung (15) verbunden ist, deren Ausgang an den nicht geerdeten Eingang (11) des Leitungsverstärkers (16) angeschlossen ist und daß der nicht geerdete Ausgang (12) des Verstärkers mit dem nicht geerdeten Ausgang (13) der Schaltung verbunden ist, während der andere Ausgang (14) der Schaltung . mit dem zweiten Eingang, der Vereinigungsschaltung (15) verbunden ist,"derart, daß eine positive Rückkopplung mit etwa dem Verstärkungsgrad 1 von dem anderen Ausgang, (14) der Schaltung zu dem nicht geerdeten Ausgang (13) der Schaltung gebildet wird.
2. Ausgangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgang (14) über einen Widerstand (R₁) mit Erde verbunden ist.
3. Ausgangsschaltung nach Anspruch 2, insbesondere für Audioanlagen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R-,) eine Größenordnung von etwa ICX) Ohm

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- Io -
4. Ausgangsschaltung nach Anspruch 2, insbesondere zur Verwendung bei Videoanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R₁) eine Größenordnung von etwa 10 Ohm aufweist.
5. Ausgangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenkompensationsschaltung (C*,Rc,Rg) in der Rückkopplungsschleife zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen vorgesehen ist, so daß die Phasenänderung über die Schleife mindestens bei zwei Frequenzen im wesentlichen gleich Null ist.
6. Ausgangsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkompensationsschaltung (C^,Rc,Rg) die gesamte Phasenänderung bei Frequenzen innerhalb des Betriebsfrequenzbandes der Schaltung im wesentlichen gleich Null ist.
7. Ausgangsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad der Rückkopplungsschleife etwas größer als der Wert 1 ist.
8. Verfahren zur Wendung einer frei fluktuierenden Ausgangsschaltung nach Anspruch 1, bei dem ein Leistungsausgangsverstärker eine Belastung über eine Ausgangsleitung speist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Belastungsende der Leitung mit der Spannung am Eingang verglichen wird, um eine Fehlerspannung abzuleiten und daß die Fehlerspannung dem Eingang in solcher Weise zugeführt wird, daß eine Rückkopplung mit etwa dem Wert 1 entsteht.

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9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die FehlerSpannung an einem Widerstand abgenommen wird, der zwischen Erde und der geerdeten Anschlußklemme am Eingangsende der Leitung liegt.
10. Verfahren nach Ansprüchen 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderungswirkung auf die Fehlerspannung durch den Rückleitungswiderstand und den gegebenenfalls vorgesehenen zusätzlichen Widerstand dadurch kompensiert wird, daß der Verstärkungsgrad der Rückkopplungsschleife etwas größer als 1 gewählt wird.

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