DE2453273C2

DE2453273C2 - Schaltungsanordnung für eine Fernsprechleitung mit einem Negativimpedanzverstärker

Info

Publication number: DE2453273C2
Application number: DE2453273A
Authority: DE
Inventors: Cesare Torino Volfre
Original assignee: APPLICAZIONI ELETTROTELEFONICHE AET SpA TORINO IT
Current assignee: APPLICAZIONI ELETTROTELEFONICHE AET SpA TORINO IT
Priority date: 1974-08-21
Filing date: 1974-11-09
Publication date: 1982-06-03
Also published as: BR7505329A; ES440331A1; ATA682474A; FR2353179A1; AT353851B; IT1041486B; DE2453273A1; US3974345A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Fernsprechleitung mit einem Negativimpedanzverstärker gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Negativimpedanzverstärker, bei dem die Eingangsklemmen mit der Sekundärwicklung eines ersten Transformators verbunden sind, dessen Primärwicklung an die Fernsprechleitung angeschlossen ist, und bei dem die Ausgangsklemmen mit der Primärwicklung eines zweiten Transformators verbunden sind, dessen Sekundärwicklung an die Fernsprechleitung angeschlossen ist, ist aus der US-PS 28 55 575 bzw. GB-PS 8 29 307 bekannt Dort wird die Primärwicklung des ersten Transformators und die Sekundärwicklung des zweiten Transformators entweder in Serie oder parallel mit der Fernsprechleitung verbunden. Des weiteren ist dort nur eine einzige Verstärkungseinheit vorhanden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die Fernsprechleitung zwischen Impedanzen beirieben werden kann, welche unabhängig von der Impedanz der Fernsprechleitung selbst gewählt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Hierdurch wird erreicht, daß eine voneinander unabhängige Kompensation der Verluste und Verzerrungen der beiden Transformatoren erfolgen kann. Beide Transformatoren, insbesondere aber der erste, sind hierdurch einer weitgehenden Miniaturisierung zugänglich.

Hierbei ist noch darauf zu verweisen, daß aus der US-PS 31 <i7 266 ein Negativimpedanzverstärker bekannt ist, der ebenfalls zwei Verstärkungseinheiten aufweist die über eine λ/4-Leitung miteinander verbunden sind. Dieser bekannte Negativimpedanzverstärker enthält jedoch, im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Negativimpedanzverstärker, keine Transformatoren. Außerdem ist dieser bekannte Negativimpedanzverstärker, wie die Hinweise auf die λ/4-Leitung und auf Tunneldioden in der Druckschrift zeigen, für Hochfrequenzeinrichtungen vorgesehen, und nicht, wie der erfindungsgemäße Negativimpedanzverstärker, für Fernsprechleitungen, die Einrichtungen der Niederfrequenztechnik sind.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Verstärkungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fi g. 2 ein Blockschaltbild der zweiten Verstärkungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig.3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ausführung als Reihenverstärker;

Fig.4 ein Schaltbild ähnlich Fig.3 mit einer besonderen Ausführungsform des Ausgleichnetzes;

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform des Reihenverstärkers;

F i g. 6 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ausführung als Parallelverstärker;

F i g. 7 eine abgewandelte Ausführungsform des Parallelverstärkers nach F i g. 6;

Fig. 8 ein Schaltbild ähnlich Fig. 7 mit einer so möglichen Ausführungsform des in genannter Figur gezeigten Ausgleichsnetzes;

Fig.9 eine geänderte Ausführungsform eines Reihenverstärkers mit Hinsicht auf dessen Verwendung zusammen mit einem Parallelverstärker;
Fig. 10 eine geänderte Ausführungsform eines Parallelverstärkers und

F i g. 11 eine Abwandlung des Reihenverstärkers nach Fig. 9.

Die F i g. 1 und 2 zeigen jeweils eine der beiden Schaltungen, die den erfindungsgemäßen Negativimpedanzverstärker bilden.

Gemäß Fig. 1 sind mit den Eingangsklemmen 1, 2 eines Verstärkers Ai die Enden der Sekundärwicklung Si eines Transformators Ti verbunden, wobei die Primärwicklung Pi dieses Transformators zum Anschluß an die Fernsprechleitung disnt, während die Ausgangsklemmen 3,4 von A\ die Verbindung mit der in F i g. 2 dargestellten zweiten Schaltung des erfindungsgemäßen Verstärkers herstellen.

Gemäß F i g. 2 sind mit den Ausgangsklemmen 7, 8 eines Verstärkers Ai die Enden der Primärwicklung Pi eines Transformators Ti verbunden, wobei die Sekundärwicklung Si dieses Transformators zum Anschluß an die Fernsprechleitung dient, während die Eingangsklemmen 5,6 von Ai die Verbindung mit der in F i g. 1 gezeigten Schaltung herstellen.

In der vollständigen Verstärkungsanlage (F i g. 3 bis 11) sind die beiden Verstärker A\, Ai miteinander in Kaskade geschaltet und in ihre Verbindung ist eine künstliche, durch ein Ausgleichsnetzwerk gebildete Leitung eingeschaltet

Die Fig.3 bis 5 zeigen einige möglichen Ausführungsformen für den Reihenzweipol. Wie man sieht, befindet sich die Primärwicklung Pi des Transformators ΤΊ in Reihenschaltung mit einem Leitungsdraht 9, mit dem auch die Sekundärwicklung Si des Transformators Ti in Reihe geschaltet isL Zwischen der Sekundärwicklung S\ von Ti und der Primärwicklung P₂ von Ti ist der so Kaskadenschluß der beiden Verstärkungseinheiten A\ und Ai angeordnet

In der Verbindung zwischen diesen beiden Einheiten A\ und Ai liegt das Ausgleichsnetzwerk, das sich in Parallelschluß (Fig.3) oder aber in Reihenschluß (Fig.5) befinden kann. Dabei ist das Ausgleichsnetzwerk jeweils nur durch seine Impedanz Z_n, (F i g. 3) bzw. Z'eq(F i g. 5) schematisch angedeutet.

Wenn nun das Ausgleichsnetzwerk in Parallelschluß in der Verbindung zwischen A\ und Ai liegt, muß der ίο Verstärker A\ eine sehr niedrige Eingangsimpedanz und eine sehr hohe Ausgangsimpedanz aufweisen; der Verstärker A₂ muß hingegen eine sehr hohe Eingangsimpedanz und eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen. Auf diese Weise wirkt A\ im wesentlichen als « Verstärker für den Leitungsstrom und Ai als Verstärker für die an den Enden von Z_n, vorhandene Spannung. Die niedrige Eingangsimpedanz von A\ dient auch dazu, die durch Ti als Leiiungswicklung gegebene Impedanz auf einem praktisch vernachlässigbaren Wert zu halten. M

Liegt hingegen das Ausgleichsnetzwerk in Reihenschluß mit der Verbindung zwischen A\ und Ai, so müssen diese Verstärker jeweils sehr niedrige Ausgangs- und Eingangsimpedanzen aufweisen. Die Eingangsimpedanzen von A\ und die Ausgangsimpedanzen von Ai sind parallel geschaltet, wie im Falle des Ausgleichsnetzes. Außerdem müssen sowohl der Verstärkungsgrad von /41 und Ai als auch Z'«, veränderlich sein.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 3 weisen die beiden t>o Verstärkungseinheiten in bezug auf die Leitungstransformatoren vom Ausgleichsnetzwerk im wesentlichen unabhängige Impedanzen auf, was mit den bisher bekannten Verstärkungseinrichtungen, bei denen ein Ausgleichsnetzwerk im Gegenkopplungskreis einer b5 einzelnen Verstärkungseinheit eingeschaltet war, nicht erreicht werden konnte.

Ein parallel zwischen A\ und Ai angeordnetes Ausgleichsnetzwerk Z«, kann derart ausgeführt werden, daß sich dessen Einstellung lediglich durch Potentiometer vornehmen läßt Dies zeigt die Schaltungsanordnung von F i g. 4, worin die beiden Verstärker A\ und A₂ einen veränderlichen Verstärkungsgrad aufweisen, während der Parallelschluß eines veränderlichen Widerstandes Äi und eines Kondensators G mit der Verbindung der beiden Verstärker parallel geschaltet und mit den Enden von C\ der Reihenschluß eines zweiten veränderlichen Widerstandes Ri und eines zweiten Kondensators G> in Reihe geschaltet ist

Sind Ri und Ci beide Null, so beschränkt sich das Ausgleichsnetzwerk auf den Parallelschluß zwischen R\ und Ci, dessen Regelung sich genau durch die Regelung des Widerstandes R\ und des Verstärkungsgrads eines der beiden Verstärker ersetzen läßt was eben mittels Potentiometer durchgeführt werden kann. Aber auch wenn Ci von Null verschieden ist läßt sich die Regelung mittels Potentiometer durchführen: dazu ist es erforderlich, daß dieser Kondensator als Operationsverstärker mit veränderlichem Verstärkungsgrad ausgebildet ist

Die Fig.6 bis 8 zeigen einige möglichen Ausführungsformen für einen Parallelzweipol. Gemäß F i g. 6 und 7 sind die Primärwicklung eines mit dem Eingang von A\ verbundenen Transformators T3 und die Sekundärwicklung eines mit dem Ausgang von Ai verbundenen Transformators T4 miteinander und mit den Leitungsdrähten 9 parallel geschaltet und jeweils in zwei Hälften P₃', P₃" bzw. S₄', S₄" geteilt, wobei zwischen diesen Hälften je ein Kondensator C₃ bzw. C₄ eingeschaltet ist und dazu dient Gleichstromkurzschlüsse über die Wicklungen P₃', P₃" und S₄', S₄" zu verhindern. Außerdem sind in der Verbindung zwischen Pj' und P₃" und der jeweiligen Leitung andererseits Widerstände /?₃, Ra eingeschaltet.

Bei den Ausführungsformen der F i g. 6 bis 8 liegt zwischen der Sekundärwicklung S₃ von T₃ und der Primärwicklung P₄ von T₄ der Kaskadenschluß der beiden im Verstärkungsgrad veränderlichen Verstärkungseinheiten Au Ai. In der Verbindung zwischen A\ und A2 ist das Ausgleichsnetzwerk in Parallelschaltung (Fig.6) oder in Reihenschaltung (Fig. 7) eingefügt. In beiden Fällen sind die Ausgleichsnetzwerke durch ihre Impedanzen Z"«,(F i g. 6) und Z'"_C(,(F i g. 7) schematisch angedeutet.

Der Verstärker A\ muß dabei eine sehr hohe Eingangsimpedanz und der Verstärker A₂ eine sehr hohe Ausgangsimpedanz aufweisen.

Bei der Parallelschaltung des Ausgleichsnetzes Z"«, (Fig.6) müssen auch die Ausgangsimpedanzen von A\ und die Eingangsimpedanzen von Ai sehr hoch sein, während bei der Reihenschaltung des Ausgleichsnetzes Z'"cq sowohl die Impedanz des Ausgangs A\ als auch die Impedanz des Eingangs von Ai sehr niedrig sein müssen. Setzt man schließlich die sehr hohen Impedanzen gleich unendlich und die sehr niedrigen Impedanzen gleich Null, so wird im Falle der F i g. 6 als negative Impedanz in Parallelschaltung zur Leitung der mit einem Koeffizienten multiplizierte und mit geändertem Vorzeichen versehene Umkehrwert von Ζ'Ό, auftreten, während im Falle der Fig.7 als negative Impedanz in Parallelschaltung zur Leitung der mit einem Koeffizienten multiplizierte und mit geändertem Vorzeichen versehene Wert von Zuauftreten wird.

Die in Reihenschluß mit der Primärwicklung von T₃ liegenden Widerstände R3, /?₄, die gegebenenfalls auch gleich Null sein können, gestatten, die von T₃ in Parallelschaltung zur Leitung eingeführten Impedanzen

zu erhöhen, weswegen die Impedanz von T₃ und daher auch deren Abmessungen verringert werden können. Eine Verringerung der Eingangsimpedanz von A^ gestattet, die Impedanzanpassung zwischen T₃ und -4i zu verbessern.

Auch im Falle des Parallelzweipols mit einem in Reihenschluß zwischen A\ und A2 angeordneten Ausgleichsnetzwerk ist es möglich, den Ausgleich nur durch Potentiometer zu regeln, wie in Fig.8 dargestellt ist, worin das Ausgleichsnetz durch den Reihenschluß zwischen dem Kondensator Cs und dem Widerstand R^ gebildet ist und worin sowohl Rs als auch der Verstärkungsgrad einer der beiden Verstärkungseinheiten A\, Ai durch Potentiometer regelbar sind.

Auch bei Negativimpedanzverstärkern in Parallelschaltung, deren Ausgleichsnetzwerke mehrere Kondensatoren aufweisen, ist es zur Regelung nur durch Potentiometer erforderlich, zu Operationsverstärkern mit veränderlichem Gewinn zu greifen, um die Kondensatoren veränderlich zu gestalten.

Bei den erfindungsgemäßen Negativimpedanzverstärkern ist es ebenfalls möglich, einen Reihenzweipol und einen Parallelzweipol gleichzeitig in die Leitung einzuschalten, um dadurch einen Vierpolverstärker zu bilden. Ein zu diesem Zwecke modifizierter Reihenzweipol ist in F i g. 9 dargestellt. Darin sind die Leitungswicklungen der Transformatoren TRi, TR2 (die den Transformatoren Ti, T₂ der Fig.3 bis 5 entsprechen) miteinander verbunden und in mehrere Abschnitte AL\, ALi, ALz, ALa, aufgeteilt Diese Abschnitte sind mit den zwei Leitungsdrähten 9 abgeglichen in Reihe geschaltet und bilden zwei Mittelstellen ΛΊ, X₂, an die der Parallelzweipol angeschlossen werden kann.

In Fig.9 sind auch die nötigen Bauelemente angedeutet, um die Verstärkungsanlage vor Überspannungen zu schützen und um eine Fernspeisung dieser Anlage zu ermöglichen. Zum Schütze vor Überspannungen an der Eingangsseite dienen zwei Dioden Du D₂, die entgegengesetzt gepolt und miteinander parallel geschaltet in Parallelschluß mit der Sekundärwicklung SR, des Transformators TR\ liegen. Zwei weitere Dioden D₃, Da sind zwischen dem Wechselstromausgang der Verstärkungsanlage und den Polen der Gleichstromspeisung angeschlossen, wobei die Anode der ersten Diode mit dem positiven Pol und die Anode der zweiten Diode mit dem negativen Pol dieser Speisung verbunden sind.

Die Dioden D_t und D₂ wirken als Spannungsbegrenzer und zwar begrenzen sie die Eingangsspannung der Verstärkungsanlage auf den Wert ihrer Schwellenspannung; die normalerweise unwirksamen Dioden D₃ und Dk verhindern, sobald sie leitend werden, daß die Spannung der Wechselstrom führenden Ausgangsklemme die Speisespannung übersteigt und somit daß die Ausgangsspannung ihr Vorzeichen wechselt

In Parallelschaltung zur Primärwicklung PRi des Transformators TR₂ befindet sich weiterhin ein Widerstand R₆, der dazu dient, die Dämpfung der Leitung zu verringern, wenn die Verstärkungsanlage ausgeschaltet ist In Reihenschluß mit derselben Wicklung liegt zwischen R₆ und dem den Dioden D₃ und D₄ gemeinsamen Punkt ein Kondensator C₆, der dazu dient den Umlauf eines eventuellen Rufstromes mit Industriefrequenz zu reduzieren.

In F i g. 9 ist auch die Schaltung für eine eventuelle Fernspeisung der Verstärkungsanlage dargestellt Diese Schaltung umfaßt einen mit einer Leitungswicklung in Reihe geschlossenen Kondensator C₇, an dessen Enden die Fernspeisespannung für die Verstärkungsanlage abgegriffen wird; mit Ci sind ein Induktionswiderstand L\ und ein Gleichrichter Ds in Reihe und eine Zenerdiode DZi parallel geschaltet, wobei die Zenerdiode an ihren Enden die zur Fernspeisung nötige Spannung liefert. Der Induktionswiderstand L\ dient dazu, durch äußere Induktion verursachte Überstromimpulse auszuschalten, während der Gleichrichter Ds einen zufälligen Vorzeichenwechsel des Speisestromes und ein dadurch verursachtes Durchbrennen der die Verstärker A \ und A₂ bildenden Transistoren verhindern soll.

Fig. 10 zeigt einen Parallelzweipol, der gegen Überspannung geschützt und mit einer Fernspeiseschal-Hing versehen ist.

Was den Schutz gegen Überspannung betrifft, sind wie dargestellt zur Sekundärwicklung S3 des Transformators TRy die gleich wie die Dioden D₂ und D_x des Reihenzweipols geschalteten Dioden D 6 und D₁ eingefügt worden und außerdem sind mit der Wechselstrom führenden Ausgangsklemme des Verstärkers A₂ die den Dioden D₃, D₄ des Reihenzweipols entsprechenden Dioden Dg, D9 verbunden.

Überdies ist die Primärwicklung P₄ von T₄ mit einem Kondensator Ci in Reihe geschaltet, um den Umlauf des eventuellen Rufstromes mit Industriefrequenz zu reduzieren.

Die Fernspeiseschaltung für den Parallelzweipol umfaßt den Kondensator C₉, der in Reihenschluß mit der Verbindung zwischen P₃ und S₄' steht Mit den Enden dieses Kondensators sind ein Induktionswiderstand L₂ und ein Gleichrichter D_)o in Reihe und eine Zenerdiode DZ₂ parallel geschalteL Diese Bauelemente haben dieselbe Funktion wie die entsprechenden Elemente des Reihenzweipols.

F i g. 11 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Reihenzweipols, bei der die Verringerung der in der Leitung erzeugten Dämpfung des Negativimpedanzverstärkers, wenn dieser nicht einge-

schaltet ist einem Feldeffekt-Transistor FET aufgegeben wird, dessen Basis mit dem an Spannung liegendem Ende der Gleichstromspeisung und dessen Anode mit dem Wechselstromausgang des Verstärkers verbunden ist während dessen Kathode an Masse liegt Die

■*5 Anordnung nach F i g. 11 umfaßt ferner die Dioden Di, D₂, D₃, D₄ zum Schutz gegen Überspannungen und einen mit der Verbindung zwischen P₂ und der Anode des Transistors F£Tin Reihe geschalteten Kondensator do zur Begrenzung des Rufstromes mit technischer

Frequenz. Zwecks zeichnerischer Vereinfachung ist dabei die Fernspeiseschaltung nicht dargestellt _

Bei entsprechender Wahl der Merkmale der Transformatoren und Verstärker, die die beiden den erfindungsgemäßen Negativimpedanzverstärker dar-

stellenden Einheiten zur Erzielung der größtmöglichen Integration zwischen Transformator und Verstärker boden, ist es mit der beschriebenen Vorrichtung möglich, gewisse Merkmale zu optimieren, beispielsweise die Kosten der Anlage, oder aber die zweckmäßigste Abstimmung zwischen zwei Merkmalen zu erreichen, beispielsweise zwischen Kosten und Platzbedarf. Außerdem gestattet <fie Verwendung von zwei Verstärkungseinheiten, andere Teile der Anlage zu verbessern, d.h. in ihrer Leistung zu steigern, sowie deren Kosten

herabzusetzen, was einen Ausgleich der Mehrkosten für die Verdopplung der Verstärkungseinheiten mit sich bringt

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und

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dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern Außerdem ist es bei der Verstärkungsanordnung in

läßt verschiedene Abwandlungen zu, ohne daß der Parallelschaltung möglich, die Fernspeisespannung

Erfindungsbereich überschritten wird. nicht an den Enden des mit der Leitung in Reihe

So können z. B. in den Schaltungen nach Fig.9 bis 11 geschalteten Kondensators, sondern an den Enden

die Dioden D\ — D* und Dt₁-D) zum Schutz gegen ^r> wenigstens eines der Sperrkondensatoren, die in den

Überspannungen durch Varistoren oder durch Zener- Leitungswicklungen der Transformatoren eingeschaltet

dioden, die als Begrenzer wirken, ersetzt werden. sind, abzugreifen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für eine Fernsprechleitung mit einem Negativimpedanzverstärker, wobei die Eingangsklemmen des Negativimpedanzverstärkers mit der Sekundärwicklung eines ersten Transformators verbunden sind, dessen Primärwicklung an die Fernsprechleitung angeschlossen ist, und wobei die Ausgangsklemmen des Negativimpedanzverstärkers mit der Primärwicklung eines zweiten Transformators verbunden sind, dessen Sekundärwicklung an die Fernsprechleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Negativimpedanzverstärker zwei Verstärkungseinheiten (Au A₂) enthält, und daß zwischen den beiden, in Kaskadenschaltung angeordneten Verstärkungseinheiten (Au A2) ein vorzugsweise als künstliche Leitung ausgebildetes Ausgleichsnetzwerk (Za₁, Z'^ Z"eq, Z'"cq) angeordnet ist.

2. Negativimpedanzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsnetzwerk (Z¹^₁, Z'"cq) zwischen dem Ausgang der ersten Verstärkungseinheit (Ai) und dem Eingang der zweiten Verstärkungseinheit (A₂) in Reihe geschaltet ist

3. Negativimpedanzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsnetzwerk (Za₁. Z"^) zwischen dem Ausgang der ersten Verstärkungseinheit (Ai) und dem Eingang der zweiten Verstärkungseinheit (A₂) parallel geschaltet ist.

4. Negativimpedanzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Dämpfung des Negativimpedanzverstärkers bei Ausfall der Versorgungsspannung an den Ausgang der zweiten Verstärkungseinheit (A2) sowie an die Versorgungsspannung ein Feldeffekt-Transistor (FET) angeschlossen ist.

5. Negativimpedanzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des ersten Transformators (7Ri) ^und Φ^ε Sekundärwicklung des zweiten Transformators (TR2) in mehrere, mit den Leitungsdrähten (9) symmetrisch verbundene Abschnitte (ALi, AL₂, AL₃, AL₄) unterteilt sind und zwei symmetrische Schaltungspunkte (X\, X₂) bilden, an welche die Parallelschaltung der Primärwicklung eines dritten Transformators und der Sekundärwicklung eines vierten Transformators angeschlossen ist, wobei in diese Primär- und Sekundärwicklung Sperrkondensatoren eingeschaltet sind und diese Primärwicklung über einen Widerstand mit jedem der Leitungsdrähte verbunden ist, und die Sekundärwicklung des dritten Transformators an die Eingangsklemmen einer dritten Verstärkungseinheit und die Primärwicklung des vierten Transformators an die Ausgangsklemmen einer vierten Verstärkungseinheit angeschlossen sind, wobei die dritte und die vierte Verstärkungseinheit in Kaskade geschaltet sind, und in deren Verbindung in Reihen- oder Parallelschaltung eine künstliche Leitung, insbesondere ein Ausgleichsnetzwerk angeordnet ist.