DE2649965C3

DE2649965C3 - Elektronische Ausgangsstufe für die Übertragung analoger Signale

Info

Publication number: DE2649965C3
Application number: DE19762649965
Authority: DE
Inventors: Peter 5206 Neunkirchen-Seelscheid Leunig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-10-30
Filing date: 1976-10-30
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE2649965A1; DE2649965B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Ausgangsstufe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Ausgangsstufe ist bekannt (DE-AS 63 992).

Symmetrische Übertrager werden für die störungsfreie Übertragung analoger Signale verwendet Die hierbei möglichen Störquellen sind induktives und kapazitives Einstreuen von Fremdsignalen sowie unterschiedliche Massepotentiale von Quelle und Verbraucher. Der Einfluß dieser Störfaktoren läßt sich durch die symmetrische Übertragungstechnik um mehrere Größenordnungen reduzieren. Ihr Prinzip besteht darin, daß das Nutzsignal gegenphasig auf zwei Leitungsadern übertragen wird, so daß sich Störsignale, die in beiden Leitungsadern gleichphasig eingestreut werden, weitgehend aufheben, und zwar um so mehr, je kleiner die Differenz der eingestreuten Störamplitude auf beiden Leitungsadern ist Diese Differenz wird hervorgerufen durch Unsymmetrien des Übertragungsweges. Das Maß hierfür wird in der Studiotechnik als Unsymmetriedämpfung bezeichnet (vergL Technisches Pflichtenheft Nr. 3/5, Ausgabe Nr. 2, BL 40, der öffentlich-rechtlichen Rundfunkanstalten in der Bundesrepublik Deutschland, herausgegeben von Institut für Rundfunktechnik GmbH).

In der Studiotechnik wird die symmetrische Übertragung bislang dadurch realisiert, daß Eingangs- und Ausgangsstufen mit Transformatoren versehen werden. Hierbei unterscheidet man die erdsymmetrische Übertragung und die erdfreie symmetrische Übertragung. Bei der erdsymmetrischen Übertragung wird die Symmetrie durch eine geerdete Mittelanzapfung der Transformatoren hergestellt (vergl. Webers, Studiotechnik [1968J S. 21.5-217, Franzis-Verlag München). Die erdsymmetrische Übertragung hat zwei Nachteile: Die Transformatoren sind schwierig zu symmetneren, denn die Mitteianzapfung muß sehr genau angesetzt werden. Außerdem läßt sich die erdsymmetrische Übertragungstechnik nicht mit der asymmetrischen Übertragungstechnik kombinieren.

Wegen der genannten Nachteile hat sich die erdfreie symmetrische Übertragungstechnik durchgesetzt Bei ihr entfällt die geerdete Mittelanzapfung, und im Gegensatz zur erdsymmetrischen Technik entstehen hier nur rein kapazitive Unsymmetrien, bedingt durch die Wicklungsgeometrie der Transformatoren. Eine Kombination mit der asymmetrischen Übertragungstechnik ist problemlos möglich.

Bei der symmetrischen Übertragungstechnik, die in einer Reihe von Anwendungsgebieten, wie z.B. der Studiotechnik, unerläßlich ist, stellt die bislang notwendige Verwendung von Transformatoren einen immer deutlicher werdenden Nachteil dar. Den großen Fortschritten der Elektronik in Richtung auf bessere Qualität und kleinere, leichtere und billigere Geräte kann die Übertragertechnik bedingt durch den Einsatz von Transformatoren trotz einiger Verbesserungen (z. B. Ringkernübertrager) nicht folgen. Die typischen Nachteile der herkömmlichen Übertrager sind der eingeschränkte Frequenzbereich, der große Klirrfaktor, besonders im unteren Frequenzbereich, das relativ große Gewicht und Volumen, besonders bei höheren zu übertragenden Leistungen, und der hohe Preis, bedingt durch die Verwendung von Kupfer und einen Fertigungsprozeß mit hohem Anteil an manueller Arbeit Außerdem stellt die Empfindlichkeit gegen Einstreuung magnetischer Wechselfelder sowie die Emission magnetischer Wechselfelder einen beachtlichen Mangel dar. Da die erwähnten Nachteile auf die Verwendung induktiver Bauteile zurückzuführen sind, besteht schon seit längerem das Bedürfnis, die herkömmlichen Übertrager durch rein elektronische, eisenlose Schaltungen zu ersetzen.

Aus der DE-OS 23 32 316 ist eine Ausgangsschaltung für Zweidrahtleitungen bekannt, die eine übliche Ausgangsstufe mit Transformator ersetzen kann. Diese Schaltung genügt jedoch nicht den Anforderungen der symmetrischen Übertragungstechnik. Bei ihr entsteht dadurch, daß der Signalstrom über die Erdleitung entweder des Senders oder des Empfängers abfließen muß und hier einen Spannungsabfall erzeugt, eine Störung durch Übersprechen. Schließlich ist ein Nachteil dieser Schaltung, daß die Polarität bei asymmetrischer Last nicht vertauscht werden kann, eine Maßnahme, zu der man im Studio häufig greift, um eine

Phasendrehung um 180° herbeizuführen.

Die DE-AS 2063 992 betrifft schließlich eine Schaltungsanordnung für eine transformatorlose Stromtreiberstnfe. Das Nutzsignal wird hier als eingeprägter Strom fibertragen. Daraus ergeben sich zwei Nachteile: 1. Es können nicht ohne weiteres mehrere Empfänger parallel an einen Treiber angeschlossen werden. 2. Infolge des Integrationseffektes durch die Leitungskapazität ist die Bandbreite stärker begrenzt als bei Spannungsübertragung. Aus diesem Grunde »erden in der Studiotechnik Signale grundsätzlich nicht als Ströme fibertragen, sondern als Spannungen. Die bekannte Schaltung ist daher für die Studiotechnik nicht, und für die Meßtechnik nur bedingt verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den mit den genannten Mangeln behafteten, herkömmlichen Transformator durch eine elektronische Schaltung zu ersetzen und dabei die an eine erdfrei symmetrische Spannungsübertragung gestellten Aniorderungen zu erfüllen. Diese Anforderungen werden weiter unten anhand der F i g. 1 definiert

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Nach der bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 2 erfolgt die Erhöhung des Gleichtaktausgangswiderstandes durch kreuzweise Gleichtaktmitkopplung. Diese Gleichtaktmitkopplung besteht darin, daß das Ausgangssignal der einen Stufe jeweils dem Eingangssignal der anderen Stufe überlagert wird. Am einfachsten geschieht dies mit addierenden bzw. subtrahierenden Verstärkern.

Durch Feinabgleich der Mitkopplung läßt sich der Gleichtaktausgangswiderstand in sehr weiten Grenzen variieren. Unter Verwendung von preisgünstigen Standard-Operationsverstärkern und Metallschichtwiderständen lassen sich mit dieser Schaltung Gleichtaktausgangswiderstände von mehr als 10 KXl und Differenzausgangswiderstände von weniger als 10 Ω realisieren. Bezüglich der Schaltungen der in Anspruch 3 genannten Addier- und Subtrahierverstärker wird im einzelnen auf U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 2. Aufl. (1971), S. 196 ff. hingewiesen.

Bei der Lösung B nach Anspruch 1 wird der Gleichtaktwiderstand dadurch hochohmig gemacht, daß in den beiden Ausgängen Konstantstromquellen liegen, die definationsgemäß einen (theoretischen) Innenwiderstand von 00 haben (bezügl. Konstantstromquellen, vergl. U. Tietze, Ch. Schenk, aaO. S. 209). Mit Hilfe einer hier sogenannten Differenzgegenkopplung, die nur die Spannungsdifferenz und nicht den Absolutwert der beiden Ausgangsklemmen gegenkoppeit, wird der Differenzausgangswiderstand auf sehr niedrige Werte gebracht, während der sehr hohe Widerstand der Konstantstromquellen gegenüber der Masse, d. h. also der Gleichtaktausgangswiderstand, unverändert bleibt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Ersatzschaltbild für eine erdfrei symmetrische Ausgangsstufe,

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung nach Lösung A₁

F i g. 3 ein Schaltbild der bevorzugten Ausführungsform nach Lösung A der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig.4 ein Prinzipschaltbild der Ausführungsform

nach Lösung B und

F i g. 5 ein Schaltbild zu der Ausführungsform nach Lösung B.

Nach F i g. 1 errechnet sich aus den Spannungen U\ und U₂ an den beiden Ausgangsklemmen des Vierpols die als Nutzsignal dienende Differenzausgangsspannung Ua zu Ua=Ux-U₂ und die das Störsignal darstellende sogenannte Gleichtaktausgangsspannung

lh

■u_D

ist die Leerlauf ausgangsspannung. Für sie gilt

U = U · V

wobei Vdie Leerlaufverstärkung des Vierpols ist Ad ist der Differenzausgangswiderstand und Rc der gemeinsame Widerstand der Ausgangsklemmen gegen Masse, der sogenannte Gleichtaktausgangswiderstand. Insoweit gelten diese Definitionen auch für einen Transformator.

Um den praktischen Anforderungen an einen erdfrei symmetrischen Ausgang gerecht zu werden, muß die Bedingung

(U

erfüllt sein, wobei N die maximal vorkommende Anzahl der zugeschalteten Lasten Rl ist Bei einer Schaltung, die diese Bedingung erfüllt, ist sichergestellt, daß die Differenzausgangsspannung Ua unter allen vorkommenden Lastbedingungen, insbesondere auch bei Erdung einer der beiden Ausgangsklemmen im asymmetrischen Betrieb, konstant bleibt Es sollte Rc* Rl sein; eine weitere Erhöhung von Rc führt zu gesteigerter Empfindlichkeit gegen Fremdeinstreuung. Die in der Studiotechnik üblichen Werte sind:

Rl > 600 Ω und R_D < 40 Ω.
In F i g. 2 gilt für den Verstärker Vj die Beziehung

(2)

(3)

und für den Verstärker V₂ die Beziehung
U_2L = -a- U_E+U_X.

Somit folgt Tür die Leerlaufverstärkung der Schaltung

Ue U_e

Um den Gleichtaktausgangswiderstand abzuschätzen, denke man sich bei kurzgeschlossenem Eingang (Ue=O) eine Gleichtaktspannung Uc an beide Ausgangsklemmen gelegt. Es gilt dann U_x = U_G und U₂=Ua

Wegen U\_L= L/bund U₂L= U_G folgt

und = 0

Damit ist

Ur,

Für den Differenzausgangswiclerstand dieser Schaltung gilt Ad= R, wobei R sehr niederohmig sein kann. Somit ist die obengenannte Bedingung (1) zwischen Rd und ag erfüllt.

Das in F i g. 3 gezeigte Schaltbild entspricht dem Prinzipschaltbild nach F i g. 2, wobei die Verstärker Ki und V₂ detaillierter ausgeführt sind. Der Verstärker V₂ wird durch den Operationsverstärker OP₁ und die zugehörigen Widerstände R₁, R₂, R₃ und R\ gebildet, während der Verstärker Vi durch den Operationsverstärker OP₂ und die Widerstände R₆, Rj, Äs und R₉ gebildet wird. Die Widerstandswerte werden so dimensioniert, daß die obigen Übertragungsgleichungen (2) und (3) für Vi und V₂ erfüllt sind (vergl. hierzu U. Tietze, Ch. Schenk, aaO, S. 196 ff). Durch Feinabgleich der Mitkopplung läßt sich der Gleichtaktausgangswiderstand in sehr weiten Grenzen variieren. Unter Verwendung von Standard-Operationsverstärkern und Metallschichtwiderständen lassen sich so Gleichtaktausgangswiderstände von mehr als 10 ΚΩ und Differenzausgangswiderstände von weniger als 10 Ω realisieren.

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform haben die an den beiden Ausgangsklemmen liegenden Stromquellen K₁ und K₂ mit der Steilheit 5 bzw. -5 die Übertragungsgleichungen

A₁: /| = i · C₃.

K₂:

Es gilt also /, = -I₂. Am Ausgang des Diflerenzverstärkers liegt die Spannung

Uy = V(U₁T-^(U₁ -Ls))
Daraus folgt für die Ausgangsspannung

L\ - U₂ =

- I-,R_L =

S ■ R_L a

Bei V ■ S ■ R_L> 1. d. h. bei hohem Gegenkopplungsgrad, beträgt die Verstärkung der Schaltung - unabhängig von der Größe des Lastwiderstandes Ru Es gilt dann, daß der Differenzausgangswiderstand Ro< Rl ist Aus der Tatsache, daß die Ausgangsströme lediglich von Ue und Rl abhängen, folgt die Hochohtnigkeit des Ausgangs gegenüber dem Massepotential.

Die F i g. 5 zeigt eine praktische Ausführung der in

Fig.4 im Prinzip dargestellten Schaltung, wobei die Stromquellen K\ und K₂ und der Differenzverstärker detailliert dargestellt sind. Dabei entspricht der Operationsverstärker OP₂ mit den Widerständen Rs bis A₉ der nichtinvertierenden Stromquelle K\ und der Operationsverstärker OPi mit den Widerständen R^ bis Ru der invertierenden Stromquelle K₂. K\ und K₂ sind demnach an sich bekannte Ausführungsformen von Konstantstromquellen durch Operationsverstärker (U.

ίο Tietze, Ch. Schenk, aaO, S. 209). Der Differenzverstärker D wird durch den Operationsverstärker OP\ und die Widerstände R₁ bis Rt, gebildet Mit dieser Schaltung können sehr kleine Differenzausgangswiderstände Rd realisiert werden, z. B. 0,1 Ω und weniger. Diese Schaltung stellt jedoch verglichen mit der Schaltung nach F i g. 3 erhöhte Anforderungen an das dynamische Verhalten der eingesetzten Operationsverstärker.

Die erfindungsgemäße Schaltung ersetzt die bisher benötigten Transformatoren, so daß auch auf diesem Gebiet eine Angleichung an den Stand der elektronischen Technologie in bezug auf Qualität, Volumen, Gewicht und Preis erreicht wird. Im einzelnen ergeben sich die folgenden Vorteile:

1. Der Frequenzgang kann je nach Anwendungsfall durch geeignete Dimensionierung und Wahl der Bauelemente in sehr weiten Grenzen frei gewählt werden. So können u. a. Gleichspannungen übertragen werden, was bei Transformatoren aus prinzipiellen Gründen unmöglich ist, und es sind Schaltungen mit einer Bandbreite von 0 Hz bis 10 MHz mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisierbar. Bedingt durch die größere Bandbreite verbessern sich auch der Phasengang und das

Impulsverhalten.

2. Die nichtlinearen Verzerrungen werden erheblich reduziert.

3. Die Emission und Immision magnetischer Störfelder wird vermieden.

4. Die Übertragungsdaten sind von den Lastbedingungen weitgehend unabhängig.
5. Die Übertragungsdaten lassen sich durch entsprechende Dimensionierung in einfacher Weise vorherbestimmen.

6. Der Ausgangswiderstand ist gering.

7. Durch den leistungslosen Eingang entfällt eine gesonderte Treiberstufe.

8. Der Wirkungsgrad ist besser.

9. Bei gleicher abgegebener Leistung ergibt sich eine so Volumen- und Gewichtsreduktion von mehr als einer Größenordnung.

10. Der Preis ist geringer als der eines Transformators.

11. Die Schaltung läßt sich in Hybridtechnik oder integrierter Technik realisieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Ausgangsstufe mit mindestens zwei gegenphasig angesteuerten Verstärkerstufen s für eine möglichst störungsfreie, erdfrei symmetrische Übertragung analoger Signale, insbesondere in. der Studio-und Meßtechnik, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen ihren Ausgangsklemmen sich ergebende Differenzausgangswiderstand um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als der zwischen den miteinander verbundenen Ausgangsklemmen und Erde sich ergebende Gleichtaktausgangswiderstand, wobei die beiden Verstärkerstufen entweder (A) als niederohmige Spannungsquellen ausgeführt sind, deren Gleichtaktausgangswiderstand durch eine Mitkopplung erhöht, ist, deren Größe durch das Gleichlaktsignal der beiden Ausgangsklemmen bestimmt ist, oder (B) als hochohmige Stromquellen ausgeführt sind, deren Differenzausgangswiderstand durch eine Gegenkopplung erniedrigt ist, deren Größe durch das Differenzsignal zwischen den beiden Ausgangsklemmen bestimmt ist

2. Ausgangsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitkopplung kreuzweise erfolgt (F ig. 2,3).

3. Ausgangsstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Operationsverstärker (OPu OP₂) so beschaltet sind, daß sich ein subtrahierender und ein addierender Verstärker ergeben, von denen der addierende Verstärker (OP₂, R₆ bis Rs) über seinen ersten Eingang von der Eingangsklemme (E) angesteuert wird und der zweite Eingang an der negativen Ausgangsklemme (A-) liegt und der subtrahierende Verstärker (OPi, R\ bis &) mit seinem negativen Eingang an die Eingangsklemme (E) und mit seinem positiven Eingang an die positive Ausgangsklemme (A+) angeschlossen ist und daß der addierende Verstärker (OP₂, Rt bis A₉) über einen niederohmigen Serienwiderstand (Rio) die positive Ausgangsklemme (A +) speist und der subtrahierende Verstäker (OP_x, R_x bis A₄) über einen ebenfalls niederohmigen Serienwiderstand (Rs) die negative Ausgangsklemme (A-) speist (F ig. 3).