DE2536510A1 - Schaltung zur realisierung einer vorbestimmten eingangsimpedanz - Google Patents

Description

Schaltung zur Realisierung einer vorbestimmten Eingangsimpedanz

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Realisierung einer- vorbestimmten Eingangslnjpedanz zwischen einem Eingangsanschluß und einem Anschluß mit- festem Potential.

Bei vielen Schaltungsanwsndungen irruß ein elektrisches Netzwerk rait einer vorgegebenen Eingangsimpedanz vorgesehen werden. Eine Schaltung, bei der die Realisierung einer ziemlich genauen Impedanzfunktion erforderlich ist, stellt das Symmetriernetzwerk (Nachbildung) in einer Fernsprechgafcelschaltung dar. Solche Gabelschaltungen werden bei Fernsprechanlagen in vielen Fällen einschließlich von Verstärkern verwendet, die in Abständen in eine FernDprechübertragungostrecke zum Zwecke des Dämp— fungsfiusglsichs eingefügt sind* Eine Fornsprechgabelschal" tnng ist ein doppelt konjugiertes Hetswerk mit vier Eingängen, das zur Durchführung einer Zweidralifc-VJ ördraht·· Umsetzung benutzt wird, rieh«, ?:ur- Ai-ftrenniUfg einer

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ORIGINAL INSPECTED

doppelt gerichteten Zweidraht-Übertragungsleitung in getrennte Leitungspaare für Je eine der beiden Übertragungsrichtüngen. Bei den meisten Gabelschaltungen werden die beiden einseitig gerichteten Leitungen an . eine Gruppe von zwei konjugierten Anschlüssen angeschal-j tet und die zweiseitig gerichtete Übertragungsleitung sowie ein Symmetriernetzwerk sind individuell an die andere Gruppe von konjugierten .Anschlüssen gelegt. Eine Impedanzfehl anpassung zv/ischen der Pernspreehleitung und dem Symmetriernetzwerk der Gabelschaltung kann zu einer Signalreflektion führen, die wiederum eine Instabilität oder ein Schwingen von Verstärkern auf der Übertragungsstrecke oder auch Echos bewirken kann, die für den Fernsprechteilnehmer besonders störend sind. Für eine zufriedenstellende Fernsprechübertragung muß also das Symmetriernetzwerk der Gabelschaltung gut an die Impedanz. der Fernsprechleitung angepasst sein. Die heute üblichen Fernsprechübertragungseinrichtungen überdecken einen weiten Impodanzbereich,. da die Übertragungsschleife unterschiedliche Kabel ar· ten enthalten kann, und zv;ar .bespulte oder unbespulte Kabel, xind v/ob ei angezapfte--Abschnitte vorhanden sein können oder nicht. Es ist daher häufig nötig gewesen, entweder Fräziöicns-Symmetriernetzwerke herzustellen, die so eingestellt werden können, daß sie an die Leitungsimpedanz einer Anzahl von

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InstallatJonen angepasst sind, oder eine große Zahl von unterschiedlichen Symmetriernetzwerken herzustellen. In beiden Fällen sind die bekannten Symmetriernetzwerke meist kompliziert und verhältnismäßig groß gewesen. Darüber hinaus haben die bekannten einstellbaren Symmetriernetzwerke häufig eine große Zahl von Schalt- oder einstellbaren Bauteilen enthalten, so daß eine aufwendige und zeitraubende Einstellung am Einsatzort erforderlich gewesen ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Schaltung der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch einen ersten Operationsverstärker mit einem ersten und zweiten Eingangsanschluß und einem AusgangsanSchluß, einen zweiten Operationsverstärker mit einem Eingangsanschluß, der mit dem Eingangsanschluß der Schaltung verbunden ist, und mit einem Ausgangsanschluß, der mit dem ersten Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, eine zwischen den Ausgangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers und den zweiten Eingangsanschluß des ersten Operationsverstärkers geschaltete Spannungsübertragungseinrichtung mit einer Übertragungsfunktion, deren Pol- und Nullstellen im wesentlichen identisch mit den Pol- bzw. Nullstellen der vorbestimmten Eingangsimpedanz

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sind, und eine zwischen den Ausgangsanschluß des ersten Operationsverstärkers und den Eingangsanschluß des zweiten Operationsverstärkers geschaltete Rückkopplungswiderstandsanordnung .

Entsprechend den Grundgedanken der Erfindung weist demgemäß eine Schaltungsanordnung einen Puffer- oder Trennverstärker auf, dessen Ausgangsanschluß mit einem Eingangsanschluß eines Summier-Operationsverstärkers und außerdem mit dem Eingangsanschluß einer Schaltungsstufe zur Realisierung eines vorbestimmten Spannungsübertragungsverhältnisses verbunden ist. Der Ausgang der Spannungsübertragungsstufe ist mit dem zweiten Eingangsanschluß des Summier-Operationsverstärkers verbunden, dessen Ausgangsanschluß mit dem Eingangsanschluß des Pufferverstärkers über einen Rückkopplungswiderstand gekoppelt ist. Die sich am Eingang des Pufferverstärkers ergebende Eingangsimpedanz ist ein Verhältnis des Rückkopplungswiderstandes zum Spannungsübertragungsverhältnis. Da sich eine Vielzahl von Schaltungen zur Realisierung von vorgegebenen Spannungsübertragungsverhältnissen verwenden läßt, ist das bisher schwierige Problem einer Realisierung von zuverlässigen und stabilen Eingangsimpedanz-Funktionep reduziert auf die einfacher zu handhabende Realisierung einer Spannungsübertragungseinrichtung mit einer Übertragungsfunktion,

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deren Pol- und Nullstellen den Pol- bzw. Nullstellen der gewünschten Eingangsirapedanz entsprechen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Realisierung einer vorbestimmten Eingangsimpedanz nach der Erfindung;

Fig. 2 schematisch eine biquadratische Filterschaltung, die zweckmäßig als Spannungsübertragungsverhältnis-Stufe in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt werden kann, das für eine Verwendung als Fernsprechgabelschal tungs-Symmetriernetzwerk bei einer unbespulten Kabelübertragungseinrichtung geeignet ist;

Fig. 3 ' das Schaltbild eines einstellbaren Gabel-

schaltungs-Symmetriernetzwerkes, das entsprechend der Erfindung eine Symmetrierung in einem außerordentlich breiten Bereich von uiibespulten Gabelübertragungseinrichtungen bewirkt ;

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Fig. 4 eine Schaltung, die sich in einer Spannungsübertragixngsverhältnis-Stufe nach der Erfindung zur Realisierung einer Übertragungsfunktion mit nur einer Pol- und Nullstelle verwenden läßt}

Fig. 5 eine rauscharme biquadratische FiIterschaltung mit einem einzigen Verstärker, die in einer Spannungsübertragungsverhältnis-Stufe nach der Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 6 als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein

einstellbares Gabelschaltungs-Symnietriernetzwerk zum Syrometrieren in einem großen Bereich von bespulten Gabelubertragungseinrichtungen.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung nach den Grundgedanken der Erfindung zur Realisierung irgendeiner von einer Vielzahl von Eingangsiropedanzen zwischen den Anschlüssen 11 und 12. Der Eingangsanschluß 14 eines Operationsverstärkers 13, der als Puffer- oder -Trennverstärker arbeitet, ist mit dem E^ngangsanschluß 11 der Schaltung verbunden. Der Ausgangsanschluß 16 des Verstärkers 13 liegt an einem ersten Eingsngsanscbluß 21 eines Operationsverstärkers 17 und außerdem am Eingangsanschluß 26 einer Spannungsübertragungsverhältnisstufe 18. Der Ausgangs an Schluß 27 dieser

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Stufe ist mit einem zweiten Eingangsanschluß 22 des Operationsverstärkers 17 verbunden, dessen Ausgangsanschluß 24 am Eingangsanschluß 14 des Pufferverstärkers 13 über einen Rückkopplungswiderstand 29 liegt. Die gemeinsamen Anschlüsse 15, 28 und 23 des Pufferverstärkers 13 der Spannungsübertragungsverhältnisstufe 18 und des Operationsverstärkers 17 sind je mit dem gemeinsamen Eingangsanschluß 12 verbunden.

Bei der Spannungsübertragungsverhältnisstufe 18 handelt es sich um eine Schaltung,deren Übertragungsfunktion oder Beziehung der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung sich wie folgt ausdrücken läßt:

= κ

_Λ (S₊P₁) TT₁-I <^{s +}

-1 1 -_pi

wobei der Operator TT die Kettenmultiplikation aller k reellen Singularitäten und aller η koraplexkonjugierten Singularitäten ist, K einen skalaren Verstärkungsfaktor bedeutet, s den Frequenzoperator j&>, Z. und P. die i-te reelle Nullstelle bzw. reelle Polstelle bezeichnen, Cuy.^ und (ύρ^ das i-te Paar der komplexkonjugierten PoI- und Nullstellen bezeichnen und Q_Zi bzw. Q_pi den Q-Wert

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der i-ten Null- und Polstellen angeben. Es ist bekannt, daß eine große Anzahl von Syntheseverfahren mit passiven und aktiven Schaltungen zur genauen Realisierung von Übertragungsfunktionen dieser Art zur Verfugung steht. Wie sich noch zeigen wird, sind gewisse Schaltungen für Spannungsübertragungsverhältnisse besonders zweckmäßig bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung. Beispielsweise werden bei den noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen von Symmetriernetzwerken für bespulte Fernsprechkabel zwei Typen von aktiven biquadratischen Filternetzwerken benutzt, die eine unabhängige Beeinflußung derjenigen Pol- und Nullstellen ermöglichen, die zur Symmetrierung der Übertragungsleitung erforderlich sind, während sie gleichzeitig nur wenig gegen Änderungen der Bauteilwerte empfindlich sind.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann der Verstärker 13 sowohl ein invertierender als auch ein nicht invertierender Verstärker sein. Wenn er eine nicht invertierende Pufferstufe darstellt, wird die Spannungsübertragungsverhältnisstufe 18 zwischen den Ausgangsanschluß des Verstärkers 13 und den invertierenden Eingangsanschluß de§ Operationsverstärkers 17 geschaltet. Wenn im anderen Fall der Verstärker 13 eine invertierende Stufe ist, so wird

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die Spannungsübertragungsverhältnisstufe 18 zwischen den Ausgangsanschluß des Verstärkers 13 und den nicht invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 17 gelegt. Bei richtigem Verständnis der Erfindung wird man erkennen, daß die Schaltungsanordnung unter Verwendung eines nicht invertierenden Pufferverstärkers in gewissem Umfang zu bevorzugen ist, weil die Eingangsimpedanz des Verstärkers normalerweise höher ist als die, die sich bei einem invertierenden Verstärker erreichen läßt.

Unabhängig davon, welche Art von Pufferverstärker benutzt wird, läßt sich zeigen, daß, wenn eine Spannung e. zwischen die Anschlüsse 11 und 12 der Schaltung in Fig. 1 gelegt wird, die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 17 (1 - ^Tc_s0^ei_n ist. Nimmt man an, daß die Eingangsimpedanz des Pufferverstärkers 13 unendlich groß ist, wobei eine solche Annahme häufig bei Operationsverstärkern getroffen wird, so erkennt man, daß der Eingangsstrom der Schaltung über den Widerstand 29 fließt und sich wie folgt ausdrücken läßt:

^R29

Demgemäß ergibt sich die Eingangsimpedanz der Schaltung

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zu Z(s) =

^K29

Die Impedanz, gesehen in den durch die Anschlüsse 11 und 12 gebildeten Eingang lautet demgemäß

Z(B) = -_κ

Die Eingangsimpedanz nach der vorliegenden Erfindung ist also ein skalarer Faktor, der durch den Wert des Rückkopplungswiderstandes bestimmt wird, multipliziert mit dem Kehrwert der Übertragungsfunktion für die Stufe 18. Da eine große Vielfalt von Verfahren zur Auslegung von passiven und aktiven Schaltungen mit genau bestimmten -linken Pol-Nulls,tellen-Konfigurationen bekannt ist, ermöglicht die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 die genaue Realisierung offenbar jeder beliebigen stabilen Impedanzfunktion. Im wesentlichen beseitigt der Schaltungsaufbau also die nach dem Stand der Technik bestehenden Einschränkungen bei der Auslegung von Schaltungen zur Realisierung von Eingangsimpedanzen dadurch, daß das Problem auf die leichter zu handhabende Aufgabe der Realisierung einer Schaltung reduziert wird, die ein vorbestimmtes Spannungsübertragungsverhältnis besitzt, deren Null- und Polstellen den Pol- und Nullstellen der gewünschten Eingangsimpedanz entsprechen.

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Bei Verwendung der Schaltungskonfiguration gemäß Fig. 1 als Symmetriernetzwerk (Nachbildung) in einer Fernsprech-Gabelschaltung für nicht bespulte Kabelübertragungseinrichtungen hat sich gezeigt, daß praktisch alle heute üblichen Fernsprechkabel einschließlich von Installationen mit unterschiedlichen Längen von Kabeln der AVG-Drahtleere 19, 22, 24 und 26 (entsprechend Aderdurchmessern von 0,91 mm, 0,64 mm, 0£1 mm und 0,40 mm), Kabelinstallationen mit gemischten Abschnitten unterschiedlichen Leiterdurchmesser, Einrichtungen mit sowohl normalen Fernsprechanschlüssen als auch Anschlüssen mit Anschlußleitungen von Nebenstellenanlagen sowie Installationen, bei denen eine größere Länge einer Brückenanzapfung vorhanden ist, die sich an irgendeinem Punkt entlang des Kabels befindet, angemessen durch eine biquadratische Impedanzfunktion simuliert werden können, d.h., eine Impedanzfunktion mit zwei Polstellen und zwei Nullstellen. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß die normalen Forderungen für Fernsprech-Rückkehrdämpfungen für alle oben angegebenen unbespulten Kabelanordnungen durch ein Symmetriernetzwerk erfüllt werden können, das eine biquadratische Impedanzfunktion wie folgt besitzt:

) (s+Z_p) ·

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wobei K ein skalarer Faktor, Z₁ und P₁ Steuer- oder einstellbare Null- und Polstellen und Zp sowie Pp eine feste oder nicht einstellbare Null- bzw. Polstelle sind.

Aufgrund von Gleichung (1) läßt sich feststellen, daß eine Eingangsimpedanz dieser Form durch die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 verwirklicht werden kann, wobei die Übertragungsfunktion der Schaltungsstufe 18 wie folgt lautet:

R (S₊P₁) (s+P )

K_a (S₊Z₁; is+z_p;

Diese Übertragungsfunktion wird·zweckmäßig durch, die biquadratische Filterschaltung gemäß Fig. 2 bereitgestellt. In der Schaltung nach Fig. 2 liegt ein Widerstand 31 zwischen dem Eingangsanschluß 26 und dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 32. Dessen nicht invertierender Eingang ist mit dem gemeinsamen Anschluß 28 verbunden, und der Ausgangsanschluß des Verstärkers 32 ist mit der Parallelschaltung aus einem Widerstand 33 und einem Kondensator 34 verbunden. Der · andere Anschluß dieser Parallelschaltung liegt am nicht invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 37 sowie über einen Widerstand 36 am gemeinsamen Anschluß 28. Widerstände 38 und 39 sind in Reihe zwischen den Aus-

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gangsanschluß des Verstärkers 37 und den gemeinsamen Anschluß 28 gelegt, wobei der Verbindungspunkt der Widerstände 38 und 39 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 37 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Verstärkers 37 liegt außerdem an der Parallelschaltung eines Widerstandes 41 und eines Kondensators 42. Der andere Anschluß der Parallelschaltung ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 43 sowie über einen Widerstand 44 mit dem gemeinsamen Anschluß 28 verbunden. Widerstände 45 und 46 liegen in Reihe zwischen dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 43 und dem gemeinsamen Anschluß 28, wobei der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 45 und 46 mit dem invertierenden Anschluß des Verstärkers 43 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Verstärkers 43 ist mit dem Ausgangsanschluß 27 der Schaltung gekoppelt.

Es läßt sich zeigen, daß die Übertragungsfunktion für die Schaltung gemäß Fig. 2 ausgedrückt werden kann zu

O "Γ D /-1

Kv₇U-H. S J - -&_Λ IWv-,

^K33°34 ^Il36^u34

3O
wobei K₁ = ^- die effektive Kurzschlußverstärkung

^{1 K}31

des Operationsverstärkers 32 ist;

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K₀ = 1 + -^- die effektive Kurzschlußver-

2 R₃₉

Stärkung des Operationsverstärkers 37 für hohe Frequenzen ist;

^R45
K., = 1+ k—^ die effektive Kurzschlußver-

^{3 R}46

Stärkung des Operationsverstärkers 43 für hohe Frequenzen ist.

Diese Übertragungsfunktion zeigt, daß die Schaltung gemäß Fig. ? mit Vorteil als Spannungsübertragungsverbältnisstufe für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann, um die Eingangsimpedanz gemäß Gleichung (2) zu liefern. Da der skalare Verstärkungsfaktor K^K^K^ der Übertragungsfunktion eine Funktion von Widerstandsverhältnissen ist, läßt sich erkennen, daß der· skalare Faktor K der Eingangsimpedanz gemäß Gleichung (2) leicht durch Steuerung der Vierte für die Widerstände 30, 31, 38, 39» 45, 46 und/oder Steuerung des Wertes für den Rückkopplungswider .«tan d 29 beeinflußt v/erden kann. Darüber hinaus erkennt man, daß jedes der Pol-Nullsteilenpaare als die Singularität fester Frequenz gewählt werden kann und daß sich dasjenige Paar, das als das Paar mit variabler PoI- und NuI].stelle gewählt worden ist, getrennt durch zwei Widerstände in der Schaltung steuern läßt, beispielsweise die Widorstände 33 und 36 oder die Widerstände 41 und 44.

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Fig. 3 zeigt ein einstellbares Symmetriernetzwerk für ein nicht "bespültes Kabel, das das biquadratische Filternetzwerk gemäß Fig. 2 in dem Impedanzsirnuliernetzwerk gemäß Fig« 1 enthält. Zur Vereinfachung sind Bauteile, die mit denjenigen in Fig. 1 und 2 identisch sind, mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Man stellt fest, daß das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 nicht dadurch gewonnen worden ist, daß einfach nur die Filtorschaltung nach Fig. 2 in die Impedanzsimulieran-Ordnung gemäß Fig. 1 eingebettet woa^den ist, sondern so aufgebaut wurde, daß die Verstärker 32 und 33 mehrfach ausgenutzt sind, d.h., der Verstärker 43, der Teil der biquadratischen Filterschaltung gemäß Fig. 2 ist, dient außerdem als Sumnierverstarker 17 gemäß Fig. 1, und der Verstärker 32, der in dem biquadratischen Filternetzwerk gernäß Fig. 2 enthalten ist, dient außerdem als Pufferverstärker 13 gemäß Fig. 1. Ein Widerstand 51 und ein Kondensator 52, die in Reihe zwischen den nicht invertierenden Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß des Verstärkers 32 geschaltet sind, bewirken ein hochfrequentes Pol-Nullstellenpaar, welches angemessene Phasen- und Verstärkungsgrenzen sicherstellt. Auf entsprechende. Weise liefert ein Kondensator 54, der zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Verstärkers 43 geschaltet ist, eine hoohfrequentο Polstclle zur Erzielung einer zusätzlichen Frequenxntubilität. Der 'Widerstand 46, der in der

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Schaltung nach Fig. 2 zwischen den invertierenden Eingang des Verstärker 43 und den gemeinsamen Anschluß 28 gelegt ist, wurde bei der Schaltung nach Fig. 3 zwischen den invertierenden Eingang des Verstärkers 43 und den Ausgang des Verstärkers 32 gelegt, um den Verstärker 43 als Summierverstärker auszunutzen.

Bei Prüfung der I_mpedanzfunktion für die Schaltung nach Fig_f 3 zeigt sich, daß der Wert für die Verstärkungskonstante K und die Lage für die variablen Pol- und Nullstellen Z* und P,. gemäß Gleichung (2) durch Schalter 57, 56 bzw. 55 festgelegt werden. In der Schaltung nach Fig. ist der Widerstand 33 gemäß Fig. 2 durch vier getrennte, in Reihe geschaltete Widerstände 33a, 33b, 33c und 33d ersetzt worden. Ein Schalter 55a liegt über dem Widerstand 33a und Schalter 55b und 55c liegen parallel zu den Widerständen 33b bzw. 33c Bei dieser Anordnung ermöglichen die Schalter eine Auswahl von acht getrennten Werten für den Widerstand 33. Dadurch kann die Schaltung nach Fig. 3 wiederum acht getrennte Polstellen liefern. Auf entsprechende Weise ist der Schalter 56 so geschaltet, daß tier Schalter 56a parallel zum Widerstand 36a liegt und die Schalter 56b, 56c und 56d liegen parallel zu den, Widerständen 36b, 36c bzw. 36d. Mit dieser Anordnung können sechzehn bestimmte Widerstandswerte und damit sechzehn getrennte Nullstellen hergestellt werden. Der Widerstand 29 ist durch

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die in Serie geschalteten Widerstände 29a bis 29f ersetzt worden. Fünf dieser Widerstände werden durch Schalter 57a bis 57e überbrückt. Damit können zweiunddreißig bestimmte Widerstandswerte für den Rückkopplungswiderstand 29 und demgemäß zweiunddreißig wählbare Werte für K hergestellt werden.

R,_n R₄₆ Es läßt sich- zeigen, daß, wenn κ²^- = et^ ist, die Ein-

^K31 45 gangsimpedanz der Schaltung nach Fig. 3 lautet

z(s) = ατ-ππ—— O)

^Rel ^R31

wobei T (s) das einstellbare, von dem biquadratischen Filterabschnitt bereitgestellte Spannungsübertragungsverhältnis und R_ß1 der effektive Widerstand für die Anordnung mit den Widerständen 29a bis 29f und den Schaltern 57a

bis 57e sind. Der Ausdruck ^- in dieser Gleichung gibt die Abweichung des Verstärkers 32 von einem idealen Pufferverstärker wieder, da der Ausdruck von dem endlichen Strom herrührt, der in den nicht invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers fließt.

Durch Wahl eines großen Viertes für den Widerstand 31 wird der Eingangsstrom des Verstärkers 32 vernachlässigbar,

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und Gleichung (3) wird hinsichtlich ihrer Form identisch mit der Gleichung (2) und lautet

s ₊ _JL_ + ¹

^z(s) = OCKT ^#

el ■ ^Re2^C34 ^Re3^C34 . ^H41^L42 ^K44°42

" " ^Ί S + ^Ί

^Re2^C34 - ^R41^C42

wobei R _o der effektive Widerstand der Kombination aus den e2

Schaltern 55 und den Widerständen 33 und R₆-, der effektive Widerstand aus der Kombination der Schalter 56 und der Widerstände 36 sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, das skalare Produkt K^K₂K.* auf der Grundlage von Forderungen bezüglich des Dynamikbereiches und von Forderungen bezüglich des Systerarauschens zu verwirklichen und außerdem den am Ausgang des Verstärkers 43 entnommenen Strom zu begrenzen. Da außerdem häufig eine Kombination von auf der Grundlage von Silizium integrierten diskreten Widerständen und Kondensatoren zweckmäßig ist, ist es häufig vorteilhaft, die Kondensatoren 34 und 42 in Abhängigkeit von ihren physikalischen Abmessungen zu wählen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 3

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das offenbar alle heute üblichen nicht bespulten Kabelinstallationen befriedigend symmetriert, wurden skalare Faktoren K₁KpK, im wesentlichen gleich 1, 3 bzw. 2 verwirklicht. Die festen Null- und Polfrequenzen wurden mit 100 000 bzw. 40 000 rad/sec verwirklicht. Die variablen Nullstellen wurden bei wählbaren Frequenzen im wesentlichen zwischen 24 400 und 184 000 rad/sec. hergestellt. Der skalare Faktor K war wählbar innerhalb

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eines Bereiches von 40 bis 283. Die variablen Polstellen waren wählbar im wesentlichen innerhalb des Frequenzbereiches von 14 400 bis 144 000 rad/sec.

Ein Gabelschaltungs-Syiametriernetzwerk eines Fernsprechverstärkers für bespulte Kabelanordnungen läßt sich unter Verwendung von Anordnungen nach dem Grundgedanken der Erfindung herstellen. Belastete oder bespulte Kabel sind gekennzeichnet durch Belastungsspulen, die in im wesentlichen gleichen Intervallen über die Länge der Leitung angeordnet sind. In bekannter Weise werden belastete Kabel häufig auf langen Übertragungsstrecken benutzt, da die Belastungsspulen die Dämpfung innerhalb des Frequenzbereiches zwischen 500 und 4000 Hz verringern. Es wurde gefunden, daß ein Symmetriernetzwerk, welches die Impedanz eines belasteten H88-Kabels simuliert, d.h., eines belasteten Kabels mit Belastungsspulen von 88 mH

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in Abständen von H oder 1829 m, durch ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung realisiert werden kann. Insbesondere wurde gefunden, daß ein Au-sführungsbei spiel der Erfindung belastete H88-Übertragungsstrecken mit Kabeln unterschiedlicher Aderdurchmesser einschließlich von Kabeln mit AWG19, 22, 24 und 26 unterschiedlicher Länge zwischen 5,5 und 34,8 km symmetrieren kann.

Wenn bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung das bespulte Kabel keinen Endabschnitt enthält, der kürzer als 1830 m ist, kann eine Eingangsimpedanz der Form

S + Z_-1 S² + Q₇ S + ^Z² Z(s)-_β K_b * 1 * S. (4)

^{S + P}1 S² ₊

im wesentlichen alle belasteten H88-Kabelanordnungen symmetrieren, wobei K, ein Verstärkungsfaktor gleich der Verstärkung bei unendlich hoher Frequenz, Z^ und P^ eine niederfrequente Null- bzw. Polstelle, OJ^ und 4Jp ein Paar komplexkonjugierter hochfrequenter Null- bzw. Polstellen und Qy und Qp der Gütewert Q der hochfrequenten Pol- bzw. Nullstellen sind. Darüber hinaus wurde gefunden, daß der niederfrequente Pol P-. und die hochfrequenten Parameter &> (ü_p, Q~ und Q_p fest oder konstant sein können

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und daß sich eine befriedigende Symmetrie für im wesentlichen alle heute verwendeten H88-Kabeleinrichtungen dadurch erzielen läßt, daß die Frequenz der niederfrequenten Nullstelle Z* und der Wert für den skalaren Verstärkungsfaktor K^ gesteuert werden.

Wenn also der Endabschnitt einer H88-Kabelinstallation mit Hilfe eines am Ort des Verstärkers parallel zur Fernsprechleitung geschalteten Nachbildungskondensators so beeinflußt wird, daß er als Abschnitt einer Länge von 1830 m erscheint, so kann ein einstellbares Symmetriernetzwerk mit Hilfe der Schaltungsanordnung in Fig. 1 realisiert werden, bei der die Übertragungsfunktion der Spannungsübertragungsverhältnisstufe 18 lautet

+ Q^ ^D

Ron S + Ρ_Λ P

V" - K_b S ₊ Z_{1 S}2 ₊ U₇, g ₊ β ₂

Fig. 4 zeigt eine Schaltung, die die für die Übertragungsfunktion gemäß Gleichung (5) erforderlichen Niederfrequenz-Pol- und Nullstellen befriedigend verwirklicht. In der Schaltung gemäß Fig. A ist ein Eingangsänschluß 61 mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 65 über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator

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und einem Wider stand 64 verbunden. Ein Widerstand 69 liegt zwischen dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 65 und einem gemeinsamen Anschluß 62. Widerstände 67 und 68 liegen in Reihe zwischen dem gemeinsamen Anschluß 62 und dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 65, der gleichzeitig der Ausgangsanschluß 66 der Schaltung ist. Der invertierende Eingang des Verstärkers 65 ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 67 und 68 gekoppelt. Es läßt sich zeigen, daß die Übertragungsfunktion der Schaltung nach Fig. 4 lautet

V	out =	Rz-ry
V	in	■ ■?(■ R68
= 1	+

^K64°63 ^R69^C6j5

Es ist zu erkennen, daß die Schaltung gemäß Fig. 4 deswegen besonders vorteilhaft ist, weil die Polstelle der Übertragungsfunktion - und demgemäß die Nullstelle der Eingangsimpedanz - in ihrer Frequenz verändert v/erden kann, ohne den Ort der Nullstelle für die Übertragungsfunktion oder den Verstärkungsfaktor zu¹ beeinflußen, und zv/ar einfach dadurch, daß der Wert des Widerstandes 69 gesteuert wird.

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Fig. 5 zeigt eine Schaltung zur zweckmäßigen Realisierung des komplexkonjugierten Paares von hochfrequenten Pol- und Nullstellen&k und <U_p. Bei dieser Schaltung handelt es sich um ein biquadratisches Filter mit einem einzigen Operationsverstärker, das für die praktische Verwirklichung der Erfindung besonders geeignet ist, weil das niederfrequente Rausch der Schaltung im wesentlichen gleich der Rauschgüte des verwendeten Operationsverstärkers ist. Bei der Schaltung nach Fig. 5 ist der Eingangsanschluß 71 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 72 über eine Reihenschaltung mit einem Kondensator 74 und einem Widerstand 75 verbunden. Der Ausgang den Verstärkers 72 liegt am Ausgang 78 der Schaltung. Außerdem ist der Ausgang des Verstärkers 72 über einen Kondensator 46 mit dem invertierenden Eingang sowie über einen Widerstand 77 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem Widerstand 75 verbunden. Der invertierende Eingang des -Verstärkers 72 liegt über einen Kondensator 79 am gemeinsamen Anschluß 73. Ein Widerstand 80 verbindet den Eingangsanschluß 71 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 72 und ein Widerstand 81 liegt zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 72 und dem gemeinsamen Anschluß 73.

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Es läßt sich zeigen, daß die Übertragungsfunktion der Schaltung gemäß Fig. 5 lautet

out =

+ A S + B

(7)

7β

+ —

80 ¹Bl

75„

R₇₅R₇₇C₇₄C₇₆

^80'

- 1

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Es läßt sich nun erkennen, daß die erforderliche Übertragungsfunktion für das durch Gleichung (5) ausgedrückte Symmetriernetzwerk eines bespülten Kabels durch eine Reihenschaltung der Anordnungen gemäß Fig. 4 und 5 erzielt v/erden kann. Die variable oder einstellbare Nullstelle der Eingangsimpedanzfunktion kann durch Einstellen oder Verändern der Polfrequenzschaltung gemäß Fig. 4 gewonnen werden und der variable oder einstellbare skalare Faktor K, läßt sich bequem durch Beeinflußung des Viertes für den Rückkopplungswiderstand 29 erzielen, Diese Reihenschaltung könnte zwar in die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 zur Erzielung eines befriedigenden Symmetriernetzwerkes eingefügt werden. Es wurde aber festgestellt, daß sich gewisse Einsparungen erzielen lassen, indem der Operationsverstärker 65 sowohl zur Durchführung der Summieroperation des Verstärkers 17 in Fig. 1 als auch zur Realisierung der niederfrequenten Pol- und Nullstellen benutzt wird.

Die Schaltung geraäß Fig. 6 zeigt ein Ausführunßsbeispiel, das diese Kombination der Summieroperation und der Realisierung der niederfrequenten Pol™ und Nullstellen sowie weitere Frequciizkorapensationn- und gesteuerte V/iderstandnnetzworke enthält, für die festgestellt wurde, daß sie: zu einer befriedigenden Symmetrierung

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des oben angegebenen Bereiches von belasteten H88-Kabelinstallationen führen. Zur Vereinfachung sind Bauteile in Fig. 6, die identisch mit Bauteilen der Fig. 1, 3, 4 und 5 sind, mit den gleichen Bezugszeichen v&rsehen. In Fig. 6 ist die' Schaltung gemäß Fig. 5 zur Realisierung des Paares von komplexkonougierten Null- und Polstellen in der gestrichelten Umrahmung 91 und die Schaltung zur Realisierung des hochfrequenten reellen Pol-Nullstellenpaares in der gestrichelten Umrahmung 92 enthalten. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 für ein Symmetriernetzwerk eines uribecpulten Kabels wird eine hochfrequente Kompensation durch eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 51 und einen Kondensator 52 erreicht, die zwischen den Eingang und Ausgang des Verstärkers 32 geschaltet sind, und durch einen Kondensator 54, der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang dos Verstärkers 65 liegt* Der Wideretand 69 der· Stufe 92 zur Realisierung der niederfrequenten Pol-Nullstellen ist durch Widerstände 69a bis 69ci sov/ie zugeordnete Schalter 93a bis 93c ersetzt. Die Widerstände 69a bis 69c sind in Reihe zu den Schaltern 93a bis 93c zwischen den nicht invertierenden Eingang dec Verstärkers 65 und den gemeincaraen Anschluß 28 gelegt, während*dor Widerstand 69c! djrc-kt zv/itchori den nicht invertierenden Eingang ans Verstärkers 65 und den gemeinsamen Anschluß 28 gescholtot ist. Bei dieser Anordnung führt eine Betätigung

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der verschiedenen Schalter 93 zu acht getrennten Widerstandswerten und demgemäß acht unterschiedlichen Nullstellen-Frequenzen für die Eingangsimpedanz. Der Rückkopplungswider stand 29 gemäß Fig. 6 ist ebenfalls ersetzt worden durch in Reihe geschaltete Widerstände 29g bis 29k und zugeordnete Schalter 94a bis 94c, die jeweils parallel! zu den Wi der st anden 29g_f h und j liegen. Diese Anordnung führt zu acht wählbaren Werten für den Rückkopplungsviderstand und demgemäß zu acht wählbaren Werten für den skalaren Faktor K^. Im Hinblick auf Gleichungen (4), (6) und (7) läßt sich erkennen, daß die Eingangsimpedanz der Schaltung gemäß Fig. 6 ausgedrückt

werden kann zu

,2 . E „ . D _{s +}

"29 " ^T K_? " ^T K_? " ^{T R}6L^cGi Z(s) = K^K₂Kj · — -2 —--2- · t*_b2_

+ As + B S +

^R64^C63 ^R69^C63

Vf ob ei

^RK

K, = ττ²· die effektive Verstärkung des Verstärkers 3 K₅₁

ist;

R' gleich dem effektiven Wert für die Kom bination der Schalter 94a bis 94c und der Widerstände 29g bis 29k ist; gleich dem effektiven Widerstand der Kombination der Schalter 93a bis 93c und der zugeordneten Widerstände 69a bis 69d ist.

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Wie bei dem Symmetriernetzwerk gemäß Fig. 3 für das nicht belastete Kabel kann der Wert für das Verstärkungsprodukt K₁K₂K₅ zweckmäßig so gewählt werden, daß sich ein angemessener Dynamikbereich und eine angemessene Rauschgüte ergeben, während gleichzeitig der vom Ausgang des Verstärkers 65 entnommene Strom ein Minimum wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Schaltung gemäß Fig. wurde K^ gleich 2, K₂ gleich 5 und K, gleich 1 gesetzt. Die niederfrequente Polstelle der Eingangsimpedanz wurde zu 1260 rad/sec. gewählt. Die hochfrequente Polstelle wurde bei einem Wert 1980 rad/sec. bei einem Q-Fektor von 1,2 hergestellt und die hochfrequenten Null-Stellen wurden auf 50 000 rad/sec. bei einem Q-Faktor von 1,1 festgelegt. Die acht hochfrequenten Polstellen, die durch die Schalter 93a, 93b, 93c und die zugeordneten Widerstände 69a bis 69d bestimmt sind, wurde zwischen etwa 26OO rad/ see. und 5150 rad/sec. gelegt, und die acht Werte von K, , die durch die Schalter 94a bis 94c und die zugeordneten Widerstände 29g bis 29k bestimmt sind, wurden in gleichen Schritten zwischen 104 und 146 festgelegt.

In den Schaltungen gemäß Fig. 3 und 6 läßt sich $ede beliebige Zahl von variablen Widerstandsanordnungen

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anstelle der dargestellten Anordnungen mit Schaltern und Widerständen verwenden. Darüber hinaus kann die Wahl der Werte für die verschiedenen Verstärkungsfaktoren beispielsweise K₁, Kp, K^ in einem gewissen Grad abweichend von den speziellen erläuterten Werten bestimmt werden, ohne die Güte der beschriebenen Symmetrlernetzwerke wesentlich zu verschlechtern.

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Claims (9)

1. BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRAMER

   ZWIRNER - HIRSCH 25 36

   PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

   Postadresse München: Palentconsult 8 München 60 Radedcestroße 43 Telefon (089) 883603/88 3604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patcntconsult 62 Wiesbaden Sonrienberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-18623/

   Western Electric Company, Incorporated Daryanani, G.T.

   Broadway

   Nev/ York, N.Y. 10007,' U.S.A.

   Patentansprüche

   Schaltung zur Realisierung einer vorbestimmten Eingangs impedanz zwischen einem Eingangsanschluß und einem Anschluß mit festem Potential, gekennzeichnet durch einen ersten Operationsverstärker (Fig. 1 : 17) mit einem ersten (21) und zweiten (22) Eingangsanschluß und einem Aungangsanschluß (24), einen zweiten Operationsverstärker (13) mit einem Eingangs an Schluß (14), der mit dem Eingangs ans chluß (11) der Schaltung verbunden ist, und mit einem Ausgangsanschluß (16), der mit dem ersten Eingangsanschluß (21) des ersten Operationsverstärkers (17) verbunden ist,

   eine zwischen den Ausgangsanschluß (16) des zv/eiten Operationsverstärkers (13) und den zweiten Eingangsanschluß (22) des ersten Operationsverstärkers geschaltete Spannungsübertragungpöiririchtung (18) mit

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   einer Übertragungsfunktion, deren Pol- und Nullstellen im wesentlichen identisch mit den Null- bzw. Polstellen der vorbestimmten Eingangsimpedanz sind, und eine zwischen den Ausgangsanschluß (24) des ersten Operationsverstärkers (17) und den Eingangsanschluß (14) des zweiten Operationsverstärkers (13) geschaltete Rückkopplungswiderstandsanordnung (29).
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsübertragungseinrichtung eine Einrich-'tung zur wahlweisen Steuerung der Frequenz wenigstens einer der Pol- und Nullstellen der Übertragungsfunktion aufweist.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert der Rückkopplungswiderstandsanordnung aus einer Vielzahl von Widerstandswerten auswählbar ist.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 3t
   dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion der Spannungsübertragungsanordnung zwei Pol-Nullstellenpaare aufweist, daß eines der Pol-Nullstellenpaare eine feste Frequenz

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   besitzt und daß die Frequenz der zweiten Polstelle, und die Frequenz der zweiten Nullstelle aus einer Vielzahl von vorbestimmten Frequenzen wählbar sind.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der zweiten Nullstelle aus acht vorbestimmten Frequenzen wählbar ist, daß die Frequenz der zweiten Polstelle aus sechzehn vorbestimmten Frequenzen wählbar ist und daß der Widerstandswert der Rückkopplungswiderstandsanordnung aus zweiunddreissig Widerstandswerten wählbar ist.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion der Spannungsübertragungseinrichtung ein reelles Pol-Nullstellenpaar und ein Paar koraplexkonjugierter Pol- und Nullstellen besitzt, daß die komplexkonjugierten PoI- und Nullstellen feste Frequenz haben, daß die reelle Nullstelle eine feste Frequenz besitzt und daß die Frequenz der reellen Polstelle aus einer Vielzahl von festen Frequenzen wählbar ist. .'

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7. 7. Schaltung nach Anspruch 6,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der reellen Polstelle aus acht vorbestimmten Frequenzen wählbar ist und daß der Widerstandswert der Rückkopplungswiderstandsanordnung aus acht vorbestimmten Widerstandswerten wählbar ist.
8. 8. Schaltung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsübertragungseinrichtung eine biquadratische Filterschaltung mit einem dritten, vierten und fünften Operationsverstärker ist, die je einen ersten und einen zweiten Eingangsanschluß sowie einen Ausgangsanschluß besitzen, daß der Eingangsanschluß der Spannungsübertragungseinrichtung mit dem ersten Eingangsanschluß des dritten Operationsverstärkers über einen ersten Widerstand verbunden ist,

   daß der zweite Eingangsanschluß des dritten Operationsverstärkers mit dem Anschluß festen Potentials verbunden ist,

   daß der erste Eingangsanschluß und der Ausgangsanschluß des dritten Operationsverstärkers über einen zweiten Widerstand verbunden sind,

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   daß der Ausgangsanschluß des vierten Operationsverstärkers mit dem Anschluß festen Potentials über eine Reihenschaltung aus einem dritten und vierten Widerstand verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt des dritten und vierten Widerstandes am ersten Eingangsanschluß des vierten Operationsverstärkers liegt, daß der Ausgangsanschluß des fünften Operationsverstärkers mit dem Anschluß festen Potentials über eine Reihenschaltung aus einem fünften und sechsten Widerstand verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt des fünften und sechsten Widerstandes am ersten Eingangsanschluß des fünften Operationsverstärkers liegt, daß die Spannungsübertragungseinrichtung einen siebten Widerstand und einen ersten Kondensator enthält, die parallel zwischen den Ausgarigsanschluß des dritten Operationsverstärkers und den zweiten Eingangsanschluß des vierten Operationsverstärkers geschaltet sind, daß ein achter Widerstand parallel zu einem zweiten Kondensator zwischen den Ausgangsanschluß des vierten Operationsverstärkers und den zweiten Eingangsanschluß des fünften Operationsverstärkers geschaltet ist, daß ein neunter Widerstand zwischen den zweiten Eingangsanschluß des vierten Operationsverstärkers und den Anschluß festen Potentials gelegt ist,

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   und daß ein zehnter Widerstand zwischen den zweiten Eingangsanschluß des fünften Operationsverstärkers und dem Anschluß festen Potentials liegt.
9. 9. Schaltung nach Anspruch 8,

   dadurch gekennzeichnet,
   daß der siebte Widerstand vier in Reihe geschaltete Widerstände enthält, von denen drei einen parallel
   geschalteten KurζSchlußschalter besitzen, und daß
   der neunte Widerstand fünf in Reihe geschaltete
   Widerstände aufweist, von denen vier einen parallel geschalteten Kurzschlußschalter besitzen.

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