DE2620974A1 - Elektronischer uebertrager - Google Patents

Elektronischer uebertrager

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DE2620974A1
DE2620974A1 DE19762620974 DE2620974A DE2620974A1 DE 2620974 A1 DE2620974 A1 DE 2620974A1 DE 19762620974 DE19762620974 DE 19762620974 DE 2620974 A DE2620974 A DE 2620974A DE 2620974 A1 DE2620974 A1 DE 2620974A1
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DE
Germany
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network
resistor
differential amplifier
negative feedback
inverting input
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Pending
Application number
DE19762620974
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English (en)
Inventor
Miroslav Licka
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Siemens Schweiz AG
Original Assignee
Siemens Albis AG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00Networks using active elements
    • H03H11/02Multiple-port networks
    • H03H11/28Impedance matching networks

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Description

  • Elektronischer Uebertrager Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Uebertrager zur Anpassung eines Netzwerkes mit beliebiger erster Impedanz an ein Netzwerk mit beliebiger zweiter Impedanz ohne galvanische Trennung der beiden Netzwerke, welcher Uebertrager eingangsseitig mit dem ersten Netz-.werk und ausgangsseitig mit dem zweiten Netzwerk belastet ist.
  • In der Nachrichtentechnik werden Spulenübertrager für die Gleichspannungspotentialtrennung, für die Realisierung von Zwei- und Vierpolen mit vorgegebenen Eigenschaften und zur Widerstandstransformation (Anpassung) eingesetzt. Der Einsatz von Spulenübertragern ist insbesondere dort gerechtfertigt, wo Ein- und Ausgänge von Schaltkreisen voneinander galvanisch getrennt sein müssen. In Schaltkreisen, die diese galvanische Trennung nicht erfordern, ist es wünschenswert, Uebertrager durch ausschliesslich elektronische Elemente nachzubilden. Damit ergibt sich die Möglichkeit der Miniaturisierung derartiger Schaltkreise und der notwendige Platzbedarf wird geringer. Ferner können mit elektronischen Uebertragern die Nachteile von Streuinduktivitäten und Wicklungswiderständen eliminiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung zeigt die Realisierung eines spulenlosen, mit elektronischen Bauelementen aufgebauten Uebertragers, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens zwei gegengekoppelte Differenzverstärker vorgesehen sind, deren Ausgang mit dem ersten bzw. zweiten Netzwerk verbunden ist und deren Gegenkopplungspfad je mit dem nichtinvertierenden Eingang des anderen Differenzverstärkers verbunden ist.
  • Anhand einer Zeichnung mit 2 Figuren wird der erfindungsgemässe Uebertrager beispielsweise näher erläutert. In Fig. 1 sind die grundlegenden Zusammenhänge einer Impedanzanpassung und in Fig. 2 sind zur Erläuterung des elektronischen Uebertragers notwendige Einzelheiten dargestellt.
  • Anhand von Fig. 1 werden die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe und die grundlegenden Zusammenhänge einer Impedanzanpassung näher erläutert. Die Aufgabe besteht in der Anpassung eines ersten Netzwerkes mit einer beliebigen Impedanz Z1 an ein zweites Netzwerk mit einer beliebigen Impedanz Z2. Diese Anpassung erfolgt durch eine Strom- und/ oder Spannungstransformation, wobei im in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltbild die folgenden Bedingungen zu erfüllen sind: i2 = -il « (1) u2 =(1/p) ul (2) Ze =oC(L.Z2 (3) Za =(1e).Z1 (4) Wird der Anschluss N mit einer Impedanz Z2 belastet, erscheint am Anschluss H eine transformierte Impedanz αß - Z2, wird der Anschluss H mit einer Impedanz Z1 belastet, erscheint am Anschluss N eine reziprok transformierte Impedanz(l/i#)-Z1.
  • Mit« = 13 ergeben sich die bekannten Transformatorgleichungen.
  • Die im gezeigten Ersatzschaltbild durch die Impedanzen Z1 und Z2 dargestellten Netzwerke können passiv oder aktiv sein.
  • Die die Spannung und Stromtransformation bestimmenden Grössen R bzw:OCkönnen reelle oder komplexe Werte annehmen. Eine optimale Impedanzanpassung gemäss den Gleichungen (3) und (4) wird dann erreicht, wenn Ze - Z1 und Za ~- Z2 ist.
  • Fig. 2 zeigt Einzelheiten eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Uebertragers, soweit sie für die nachfolgenden Erläuterungen von Interesse sind. Zur Vereinfachung sind im gezeigten Beispiel anstelle von Impedanzen lediglich Widerstände gezeichnet, die erfindungsgemässe Anordnung ist jedoch ohne Einschränkung auch mit komplexen Elementen denkbar. Der Uebertrager weist zwei als Differenzverstärker betriebene Verstärker V1, V2 mit dem Verstärkungsfaktor Al bzw.
  • A2 auf, deren invertierender Eingang mit einem Minus- und deren nichtinvertierender Eingang mit einem Pluszeichen bezeichnet ist. Die Ausgänge der beiden Verstärker V1, V2 sind über Arbeitswiderstände R3 bzw. R4 mit den durch die Widerstände R1 bzw. R2 dargestellten Netzwerken verbunden, zwischen denen eine Anpassung vorzunehmen ist. Die in Serie zu den Widerständen R1 und R2 liegenden, Spannungen uql bzw. uq2 abgebenden Signalquellen sollen andeuten, dass die beiden Netzwerke aktive Netzwerke sein können (wenn uql und/oder uq2 » 0 ist). Der invertierende Eingang des ersten Verstärkers V1 ist über einen Widerstand R6 an ein Bezugspotential, im vorliegenden Fall an Masse gelegt und über einen weiteren Widerstand R5 mit dem Widerstand R1 verbunden. Der invertierende Eingang des zweiten Verstärkers V2 ist über einen Widerstand R8 an Masse gelegt und über einen Widerstand R7 auf den Widerstand R2 geführt. Die nichtinvertierenden Eingänge der Verstärker V, V2 sind ebenfalls mit den Widerständen R1 bzw. R2 verbunden. Die Widerstände R5 und R3 sowie R7 und R4 bilden den Gegenkopplungspfad des ersten Verstärkers V1 bzw. zweiten Verstärkers V2. Im weiteren kann im Gegenkopplungspfad des ersten Differenzverstärkers V1 ein Widerstand R9 zwischen den beiden Widerständen R3 und R5 sowie ein Widerstand R10, der den nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 an Masse legt, vorgesehen werden.
  • Für die nachfolgenden Betrachtungen werden die beiden Widerstände R9 und R10 unter der Annahme, dass der Uebertrager ein Spannungsübersetzungsverhältnis von ß = 1 aufweise, vorerst weggelassen (R9=O,R10=o0). Die mit dem ersten Netzwerk belastete Anschlussseite des Uebertragers wird im folgenden als Primärseite, die mit dem zweiten Netzwerk belastete Anschlussseite als Sekundärseite bezeichnet. Zunächst sei angenommen, dass uq2 = 0 und R2 =sei, d.h. der gezeigte Uebertrager werde primärseitig mit einer Quellenspannung uql belastet und sekundärseitig im Leerlauf betrieben. Am Primäreingang des Uebertragers erscheint eine Spannung ul, die somit auch am nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 anliegt. Unter der Annahme, dass(R7 + R8)»R4 ist, gilt ua2 = u2. Bekanntlich ist die Ausgangsspannung eines Differenzverstärkers gleich der mit dessen Verstärkungsfaktor A multiplizierten Differenz der an seinen beiden Eingängen anliegenden Spannungen. Daraus ergibt sich für die Ausgangsspannung ua2 des zweiten Verstärkers V2 ua2 = (ul - u2') A2 = u2.
  • Die Spannung u2' am invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers V2 wird durch den durch die Widerstände R7 und R8 gebildeten Spannungsteiler bestimmt. Dieser kann so dimensioniert werden, dass sich am invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 für die Spannung u2' ein Wert ergibt, der ua2 = ul werden lässt. Wird in der Beziehung u2' = u2 (R8/g7+R8)) das Verhältnis R8/(R7+R8)= 1-CL/A2) gewählt, dann wird u2' = u2 -(u2/A2)und es gilt u2 = ul.
  • Die in ihrem Wert der Spannung ul entsprechende Spannung u2 gelangt an den nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers V1. Wählt man analog R6/(R5+R6)= l-(1/Al), dann ergibt sich aus ual = (u2-g1') Al = ul die Beziehung ul = u2. Damit sind Primär- und Sekundärspannung des Uebertragers gleichgross.
  • Bei Belastung der Sekundärseite des betrachteten Uebertragers mit einem Widerstand R2 ergibt die wechselstvommässige Betrachtung für dRe = dul/dil folgende Wirkungsweise der Anordnung: Aenderungen des Lastwiderstandes R2 beeinflussen die Spannungsdifferenz an den Eingängen des ersten Verstärkers V1, eine Verminderung des Lastwiderstandes beispielsweise lässt den Betrag der Spannung ual am Ausgang des ersten Verstärkers V1 kleiner werden und die Spannung über dem Widerstand R3 ansteigen. Der Eingangsstrom il des Uebertragers wird daher gemäss il = (ul-ual)/R3 grösser, was gleichbedeutend mit einer Verringerung des Eingangswiderstandes Re des Uebertragers ist. Der Eingangsstrom il in Abhängigkeit von der Sekundärspannung u2 lässt sich zu ii = ((A1sR4)/(A2 R3 R2)) u2 bestimmen. Mit i2 = -u2/R2 ergibt sich il = -((A1-R4)/(A2.R3)) i2, woraus ersichtlich ist, dass das Stromübersetzungsverhältnis des Uebertragers von den Verstärkungsfaktoren Al und A2 der beiden Verstärker V1 und V2 sowie von deren Arbeitswiderständen R3 und R4 bestimmt wird. Die umgekehrte Betrachtungsweise des dargestellten Uebertragers, d.h. eine Last R1 auf der Primärseite und eine Spannung uq2 » 0 auf der Sekundärseite des Uebertragers ergibt für die Stromtransformation die Beziehung i2 = -((A2R3)/(A1R4)) il, womit die Gleichung (1) der Fig. 1 erfüllt ist. Daraus geht hervor, dass der erfindungsgemässe Uebertrager wie ein Transformator in der einen Richtung den Strom hinauftransformiert, während in der anderen Richtung der Strom hinuntertransformiert wird. Die für den gezeigten Uebertrager ebenfalls gültigen Beziehungen u2 = (R2A2/(R4+A2R2)).ui und ul = (RlA1/(R3+RlAl)) u2 zeigen, dass die geforderte Bedingung ul = u2 hinreichend erfüllt ist, wenn R3 und R1 bzw.
  • R4 und R2 Werte der gleichen Grössenordnung aufweisen und die Verstärkungsfaktoren Al und A2 der eingesetzten Verstärker in der Grössenordnung von 10 liegen, was im praktischen Anwendungsfall in der Regel zutrifft.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des beschriebenen Uebertragers kann zusätzlich zur Stromtransformation eine Spannungstransformation erzeugt und eine echte Nachbildung eines Transformators erzielt werden. Für «?1 und undp>i in den Gleichungen (i) bis (4) wird im angeführten Beispiel der Strom von der Primärseite auf die Sekundärseite und die Spannung von der Sekundärseite auf die Primärseite hochtransformiert. Die Spannungstransformation wird durch Einfügen der beiden Widerstände R9 und R10 erzielt, deren Verhältnis das Spannungsübersetzungsverhältnis ß bestimmt, welches unabhängig vom Stromübersetzungsverhältnis « ist.
  • Die an den nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 gelangende Spannung ist um den Faktor/3 kleiner als die Eingangsspannung ul, womit die Gleichung (2) erfüllt wird. Die beschriebene Funktionsweise des Uebertragers wird nicht beeinflusst, es ändern lediglich die Spannungsverhältnisse. Es ist naheliegend, dass zur Reduktion der notwendigen Widerstandselemente im gezeigten Ausführungsbeispiel die Widerstandskombination R5, R6 bei entsprechender Dimensionierung der Widerstände R7 und R8 weggelassen und der invertierende Eingang des ersten Verstärkers V1 direkt mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers V2 und mit dem ersten Widerstand R1 verbunden werden kann, ohne dass die beschriebene Funktionsweise des Uebertragers ändert. Der Innenwiderstand des Uebertragers wird im wesentlichen durch die Widerstände R5, R6, R7 und R8 bestimmt und kann reelle (positive und negative) wie auch komplexe Werte annehmen. Mit den Annahmen R6/(R5+R6) = 1-(ß/A1) und R8/(R7+R87 = 1- (1/A2) wird der Innenwiderstand unendlich gross. Bei der Wahl der als Differenzverstärker V1, V2 betriebenen Verstärker (z.B. Operationsverstärker) ist darauf zu achten, dass deren Leerlaufverstärkung nicht grösser als unbedingt notwendig ist, um die Schwingneigung nicht unnötig zu erhöhen und das in gewissen Anwendungsfällen störende Rauschen des Verstärkers auf einem möglichst geringen Pegel zu halten. Die im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Uebertragers beschriebenen Verhältnisse treffen für Leerlaufverstärkungen in der Grössenordnung von 10 zu. Ferner ist anzustreben, Verstärkerelemente einzusetzen, die im gewünschten Frequenzbereich eine möglichst geringe Phasenverschiebung verursachen. Mit einer zwischen die nichtinvertierenden Eingänge der beiden Verstärker V1, V2 eingefügten Kapazität kann der Phasengang der Anordnung günstig beeinflusst und die Stabilität erhöht werden. Um das Langzeitverhalten der Uebertragungseigenschaften des elektronischen Uebertragers günstig zu beeinflussen, können die die Spannungsverhältnisse an den invertierenden Eingängen der beiden Verstärker V1, V2 bestimmenden, aus den Widerständen R5 und R6 bzw. R7 und R8 bestehenden Spannungsteiler je mit einem weiteren, gleiche Eigenschaften wie die Verstärker V1, V2 aufweisenden Verstärker nachgebildet werden.
  • Unter den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Uebertragers sei lediglich auf dessen Einsatz in der Fernmelde-, insbesondere in der Vermittlungstechnik hingewiesen, In Vermittlungsanlagen mit elektronische Koppelpunkte aufweisenden Durchschaltenetzwerken tritt das Problem der Impedanzanpassung auf. So kann der erfindungsgemässe Uebertrager zur Anpassung von Teilnehmerleitungen an eine mit Halbleiterbauelementen bestückte und im Vergleich zu den betreffenden Teilnehmerstellen hochohmige Koppelstrecke eingesetzt werden. Durch den spulenlosen Aufbau des Uebertragers ist eine platzsparende Integration in das elektronische Koppelnetzwerk möglich.

Claims (4)

  1. Ansprüche
    ¾) Elektronischer Uebertrager zur Anpassung eines Netzwerkes mit beliebiger erster Impedanz an ein Netzwerk mit beliebiger zweiter Impedanz ohne galvanische Trennung der beiden Netzwerke, welcher Uebertrager eingangsseitig mit dem ersten Netzwerk und ausgangsseitig mit dem zweiten Netzwerk belastet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei gegengekoppelte Differenzverstärker (V1, V2) vorgesehen sind, deren Ausgang mit dem ersten bzw. zweiten Netzwerk verbunden ist und deren Gegenkopplungspfad je mit dem nichtinvertierenden Eingang des anderen Differenzverstärkers verbunden ist.
  2. 2. Verwendung des elektronischen Uebertragers nach Anspruch 1 in Fernmelde-, insbesondere Fernsprechvermittlungsanlagen zur Anpassung der Impedanz von Teilnehmerstellen an die Eingangsimpedanz von über ein elektronisches Durchschaltenetzwerk verlaufenden, die Teilnehmerstellen untereinander verbindenden Koppelstreckenabschnitten.
  3. 3. Uebertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Differenzverstärker (V1, V2) über einen Arbeitswiderstand (R3 bzw. R4) mit dem ersten bzw. zweiten Netzwerk verbunden ist, wobei die Arbeitswiderstände (R3, R4) und/oder die Verstärkungsfaktoren (A1,A2) der beiden Differenzverstärker (V1 V2) das Stromübersetzungsverhåltnis des Uebertragers bestimmen, dass der invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers (V1) über einen Widerstand (R5) mit dem ersten Netzwerk und über einen weiteren Widerstand (R6) mit Masse verbunden ist, dass der invertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers (V2) über einen Widerstand (R7) mit dem zweiten Netzwerk und über einen weiteren Widerstand (R8) ebenfalls mit Masse verbunden ist und dass der nichtinvertierende Eingang der Differenzvçrstärker (V1,V2) mit dem zweiten bzw. ersten Netzwerk verbunden ist.
  4. 4. Uebertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gegenkopplungspfad des ersten Differenzverstärkers (V1) zwischen dem Arbeitswiderstand (R3) und dem Widerstand (R5) ein weiterer Widerstand (R9) eingefügt ist und dass der nichtinvertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers (V2) über einen Widerstand (R10) an Masse gelegt ist, wobei das Verhältnis der beiden Widerstände (R9, R10) das Spannungsübersetzungsverhältnis des Uebertragers bestimmt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3118841A1 (de) * 1980-06-20 1982-01-28 Advanced Micro Devices, Inc., 94086 Sunnyvale, Calif. Impedanzsteueranordnung
WO1992020151A1 (de) * 1991-04-30 1992-11-12 SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT öSTERREICH Schnittstellenschaltung für fernsprechvermittlungsanlagen
EP0645897A2 (de) * 1993-09-28 1995-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Impedanztransparente Schnittstellenschaltung

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EP0645897A3 (de) * 1993-09-28 1996-12-18 Siemens Ag Impedanztransparente Schnittstellenschaltung.

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