DE2829392B2 - Aktive Gabelschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Gabelschaltung mit

is mindestens einem Transistor, in dessen Kollektorkreis ein erster, den gleichen Widerstandswert wie den des anzuschließenden Lastwiderstandes aufweisender Widerstand und zwischen dessen Basis und dessen Kollektor ein zweiter Widerstand liegt

In der Nachrichten-Übertragungstechnik ist häufig ein Verstärkerausgang an eine Last (Leitung, Filter) anzupassen, damit Reflexionen vermieden werden.

Im einfachsten Fall hat der Verstärkerausgang entweder Stromquellencharakter (ζ. Β. Kollektor eines Transistors) oder Spannungsquellencharakter (z. B. Emitterfolger). Zur Anpassung an einen Lastwiderstand R muß dann im ersten Fall ein gleich großer Widerstand der Last parallel, im zweiten Fall in Serie geschaltet werden. Im ersten Fall geht dann der halbe Quellen strom, im zweiten Fall die halbe Quellenspannung an diesem Anpassungswiderstand verloren.

Aus der DE-AS 17 62 059 ist bereits eine aktive Gabelschaltung der eingangs genannten Art bekannt, deren Verstärkerausgang Stromquellencharakter hat.

)5 Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, durch die der Leistungsverlust bei Anpassung vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die aktive Gabelschaltung der eingangs genannten Art derart ausgebildet, daß der Transistor mit seinem Emitter mit einer ersten Stromquelle und mit seiner Basis mit einer zweiten Stromquelle verbunden ist die einen um den n-ten Teil kleineren Strom gegenüber der ersten Stromquelle liefert, daß der

4^r> Lastwiderstand zwischen dem kollektorfernen Ende des ersten Widerstandes und dem Emitter des Transistors anschließbar ist und daß der zweite Widerstand (n— l)-mal so groß wie der Widerstandswert des ersten Widerstandes ist.

V) Durch diese Maßnahmen erhält man eine Schaltung, die diesen Leistungsverlust vermeidet und damit bei gleichem Signalquellenstrom die vierfache Leistung an den Lastwiderstand abgeben kann. Besonders vorteilhaft ist, daß diese Schaltung die Funktion einer Gabel erfüllt, und zwar derart, daß der Signalstrom der Verstärkerstufe bei Anpassung voll in die Last fließt, während von der Last abgegebene Signalströme voll einen Widerstand in der Schaltung durchfließen und an diesem das Empfangssignal abgenommen werden kann.

μ Die Schaltung zeichnet sich zudem durch besondere Einfachheit aus.

Soll die Gabeliiberfragungsdämpfung sehr hohe Werte annehmen, so ist es vorteilhaft, die aktive Gabelschaltung derart weiterzubilden, daß in Reihe zum

h^r, zweiten Widerstand ein zweiter Transistor liegt, der mit seiner Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors und mit seinem Kollektor mit dem kollektorferncn Ende des ersten Widerstandes verbunden ist, und daß hier der

zweite Widerstand n-mal so groß ist wie der Widerstandswert des ersten Widerstandes,

Es ist ferner vorteilhaft, daß als Stromquellen ein dritter und vierter Transistor in Emitterschaltung verwendet wird, an deren miteinander verbundenen Basen das Eingangssignal anliegt, wobei im Emitterkreis des dritten Transistors ein dritter Widerstand und im Emitterkreis des vierten Transistors ein vierter Widerstand liegt, daß der Widerstandswert des dritten Widerstandes sich zum Widerstandswert des vierten Widerstandes so verhält wie der Widerstandswert des ersten Widerstandes zum Widerstandswert des zweiten Widerstandes und daß an die beiden miteinander verbundenen Basen das Eingangssignal geführt ist

Dadurch erhält man eine stromsparende aktive Anpassungsschaltung mit Gabelfunktion, die insbesondere für Duplexbetrieb auf unsymmetrischen Zweidrahtleitungen geeignet ist

Zweckmäßig läßt sich die Schaltung auch derart weiterbilden, daß zwei Gabelschaltungen derart axialsymmetrisch zusammengeschaltet sind, daß die Emitter der jeweils zweiten Transistoren mit der Basis je eines fünften Transistors, deren Emitter miteinf.ider verbunden sind und deren Kollektoren einerseits den Schaltungsausgang bilden und andererseits über fünfte und sechste Widerstände mit den Kollektoren der zweiten Transistoren verbunden sind, gekoppelt sind, daß zwischen die als Stromquelle verwendeten dritten und vierten Transistoren und die ersten und zweiten Widerstände, die beiden Gabeln gemeinsam sind, je ein sechster und siebter Transistor geschaltet sind, deren Basen mit einer ersten Referenzspannung belegt sind, während die beiden Emitter der Transistoren über die Kollektor-Emitter-Strecke eines achten Transistors und eines siebten Widerstandes mit dem einen Pol der r> Versorgungsspannung verbunden sind, daß an der Basis des vierten Transistors die Eingangsspannung und an der Basis des weiteren vierten Transistors eine zweite Referenzspannung liegt und daß der Lastwiderstand zwischen den Emittern der beiden ersten Transistoren -to anschaltb :r ist.

Dadurch erhält man eine auch für Duplexbetrieb auf symmetrischen Zweidrahtleitungen geeignete Anpassungsschaltung.

Eine Schaltung, die mit mehreren Ein- und Ausgängen <r> versehen ist, erhält man dadurch, daß die axialsymmetrische Aneinanderschaltung zwei sr Gabelschaltungen nach Anspruch 4 in sinngemäßer Anwendung der Lehre nach Anspruch 3 durch eine Gabelschaltung mit drei Ausgängen und drei Eingängen gebildet ist. Diese -»0 Schaltung ist besonders zum Betrieb auf einem Vierer mit Ausnutzung des Phantoms geeignet.

Anhand der Ausführutigsbeispiele nach den F i g. I bis 8 wird die Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Prinzip der Schaltung. > >

Die aktive Gabelschaltung bestellt im wesentlichen aus einem Transistor 1, in dessen Kollektorkreis ein erster Widerstand 2 liegt, wobei der Kollektor mit der Basis über einen zweiten Widerstand 6 verbunden ist. Der erste Widerstand 2 ist dabei widerstandswertmäßig w» gleich dem Lastwiderstand, während der zweite Widerstand 6 der Bedingung (n-\) ■ R, wobei R der Wert des Lastwiderstandes ist, erfüllen muß. Über eine Stromquelle 4 wird ein Steuerstrom /, an den Emitter geführt, während über eine /weite Stromquelle 3 ein hi Steuerstrom γ an die Basis des Transistors 1 geleitet wird.

Der Strom h sowie der proportionale Strom -^- werden von einer Verstärkerstufe angeboten. Nimmt man den Transistor 1 als ideal an 03-"-°°, S-* ■»), ergeben sich folgende Verhältnisse:

Der Strom -r- durchfließt die Reihenschaltung des

ersten und zweiten Widerstandes 2, 6 mit den Widerstandswerten R und (Vj — 1) · R, in Summe also π R und ruft daran einen Spannungsabfall von

UB=Is- R

an der Basis des Transistors I hervor.

Ebenso groß ist bei Anpassung der Spannungsabfall, der vom Signalstrom i_s im Lastwiderstand 5 hervorgerufen wird, am Transistor 1 steht also keine Differenzspannung zwischen Basis und Emitter, damit fließt kein Strom in den Transistor-Emitter ab, das heißt auch kein Strom aus dem Kollektor in den ersten Widerstand 2.

Es stimmen damit die Annahmen über die Spannung üb, und man sieht daß der Endstuff-signalstrom /, voll in die Last fließt

Der Quellenwiderstand der Schaltung, von der Last aus gesehen, ergibt sich wie folgt: Schickt man einen Strom Ϊα in den Ausgang, so fließt dieser wegen des Stromquellencharakters der Signalquelle voll in den Emitter des Transistors TX und aus dessen Kollektor durch den ersten Widerstand 2 mit dem Widerstandswert R. Der Spannungsabfall i_A ■ R wird über den zweiten Widerstand 6 mit den Widerstandswerten (n— 1) · R voll der Basis mitgeteilt und ruft eben diesen Spannungsabfall am Emitter des Transistors 1 und damit an der Ausgangsklemme hervor. Ein Spannungsabfall Ia ■ Λ als Reaktion auf einen Strom ia bedeutet aber, daß sich der Ausgang wie ein Widerstand mit dem Widerstandswert R verhält, also Anpassung an die Last besteht

Im Falle eines realen Transistors mit endlicher Steilheit S und Stromverstärkung β erhöht sich die Ausgangsimpedanz der Schaltung um den Wert

s [I

was natürlich durch entsprechende Verkleinerung des internen Widerstandes R korrigiert werden kann.

Die Eigenschaft, daß der eigene Signalstrom in die Last fließt, von der Last kommende Signale den internen ersten Widerstand 2 durchfließen, beinhaltet die Funktion einer Gabel. Störend ist bei Schaltung nach Fig. I, daß ein geringer Anteil des eigenen Signals,

nämlich -f- , am ersten Widerstand 2 auch noch

erscheint, wodurch die Gabelübergangsdämpfung keine sehr hohen Werte annimmt.

Abhilfe schafft hier ein zweiter Transistor 7, der wie in Fig.2 gezeigt, mit seiner Emitter-Kolleklor-Stricke in Reihe zum zweiten Widerstand 6 liegt, während dessen Basis unmittelbar am Kollektor des ersten Transistors 1 angeschlossen ist. Die steuernden Stromquellen sind dabei durch eimn dritten und vierten Transistor 8, 9 gebildet, in deren Emitterkreisen jeweils ein dritter Widersland IO mit dem Widersfändswerf /?' und ein vierter Widerstand mit dem Widerstandswert (Ti-I) ■ Ä'liegen. Damit ist an einem Beispiel gezeigt, wie der Endstufenstrom Z₁ und der dazu proportionale

Hilfsstrom ~ aus einer tingangsspannung erzeugt werden können.

Dadurch kann der llilfsstrom -*- durch den zweiten

Transistor 7 abfließen und gelangt damit nicht durch den ersten Widerstand 2. Die Schaltung nach Fig. 2 zeigt zugleich die aus zwei Gabeln und einer dazwischenliegenden Leitung 18 gebildete komplette Zweidrahtduplexverbindung. Das Empfangssignal von der Leitung 18 steht hier am ersten Widerstand 2 bzw. auch am Emitter des Transistors 7, der als Emitterfolger wirkt, zur Verfügung, das eigene Sendesignal erscheint nicht, sondern läuft voll in die Leitung zur Gegenstelle. Die Schaltung eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, beispielsweise zur übertragung von Logiksignalen über Zweidrahtleitungen im Duplexbetrieb.

Ein derartiger Duplexbetrieb kommt dadurch zustande, daB auf beiden Seiten der Übertragungsleitung 18 entsprechend aktive Gabelschaltungen nach der Erfindung angeschaltet werden, wobei diese wechselweise

Sowohl £t!s Sender Oder SUCh Ε» PmnfBnopr tuirlrpn Oia

Eingabe ist auf beiden Seiten der Leitung an der Basis der Stromquellen-Transistoren 8, 8', 9, 9', während die Ausgänge an den Emittern der zweiten Transistoren 7, T realisiert sind.

Neben der unsymmetrischen Übertragung nach F i g. 2 ist in F i g. 3 eine Schaltung zur Duplexübertragung auf symmetrischen Leitungen dargestellt, die einfach integrierbar ist, auf Gleichtaktstörungen nicht reagiert, im Vergleich zu bekannten Schaltungen einfach im Aufbau ist, bei größeren möglichen Signalhüben auf der Leitung nur einen Bruchteil des Stromverbrauchs aufweist und sich durch sehr hohe Grenzfrequenzen auszeichnet.

Die F i g. 3 stellt im wesentlichen eine Schaltung dar, die axialsymmetrisch durch eine zweite Gabelschaltung ergänzt ist Gleichzeitig sind die Emitter der zweiten Transistoren 7, 7" mit der Basis der jeweils fünften Transistoren 12, 12" verbunden, deren Emitter über einen vierten Transistor 16 und einen Widerstand 17 mit dem einen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden sind Zwischen den Emittern der dritten und vierten Transistoren sind jeweils sechste und siebte Transistoren 14 und 15 eingeschaltet, die basismäßig miteinander verbunden sind und an denen eine erste Referenzspannung U„n anliegt An den Basen der dritten und vierten Transistoren 8, 9 der einen Hälfte der Gabelschaltung liegt die Eingangsspannung, während an der Basis der dritten und vierten Transistoren 8", 9" der zweiten Hälfte der Gabelschaltung eine zweite Referenzspannung U_nO angeschlossen ist Der Widerstand 10 hat dabei den Widerstandswert R, während der Widerstand 11 den Widerstandswert η ■ R aufweist Auch die Widerstände 6 und 6" haben einen

Widerstandswert η ■ R.

Die Schaltung nach P i g. 4 zeigt die Möglichkeit, die Leitungsimpedanz im symmetrischen und im unsymmetrischen Kreis nachzubilden, was besonders wichtig ist, -, wenn man auch den Phantomkreis eines Vierers zur Übertragung eines weiteren Signals nutzen will.-da sich eine einwandfreie Gabelfunktion ja immer nur bei Anpassung ergibt.

Bei bekannten Schaltungen, die keine Übertrager zur to Phantombildung benutzen, muß diese Anpassung durch entsprechende Beschallung der Leitung mit Widerstandsnetzwerken zwischen den Adern der Paare bzw. zwischen den Paaren erzielt werden. Dies führt dort zwangsläufig zu einer zusätzlichen Dämpfung in allen ι > Signalwegen und ergibt bei gegebenen Signalhüben an der Leitung eine weitere wesentliche Erhöhung des Stromverbrauchs bzw. bei gegebener Versorgungsspannung eine Verminderung der erzielbaren Signalhübe.

ΓΙίρ ^fhaltiina ict ΗαΚρί u/ip Hip ^fhaltllnocanrvrHmma — ·- '—-*—"Ό ·~- ———-- ·· ο _ο

nach F i g. 3 ausgebildet, wobei jedoch lediglich der obere Teil der Gabelschaltung zur einfacheren Darstellung gezeigt ist. Zwischen den Emittern der ersten Transistoren 1, Γ ist eine Nachbildungsschaltung 20 geschaltet, die je nach Leitungsimpedanz im symmetri sehen und unsymmetrischen Weg unterschiedlich ausgebildet sein kann.

Die unterschiedlichen Schaltungen sind dabei in den F i g. 5 b's F i g. 7 dargestellt F i g. 8 zeigt einen Leitungstreiber bzw. -empfänger

ίο zur Duplexübertragung von drei Signalen, beispielsweise über einen Phantomkreis oder sogenannten Vierer. Bei dieser Anordnung sind jeweils zwei Schaltungen nach F i g. 3 wiederum axialsymmetrisch zueinander zusammengefaßt, wobei entsprechend zusätzliche Stromquellentransistoren eingeschaltet werden müssen. Die Zusammenfassung der beiden Gabelschaltungen 21 und 22 erfolgt wiederum ähnlich wie bei F i g. 3 über zwei emitterseitig miteinander verbundene Transistoren 23 und 24, deren Kollektoren gleichzeitig den Ausgang A 3 bilden. Die Ausgänge A 1 und A 2 sind die Ausgänge der beiden Gabelschaltungen, während die Eingänge 1 und 2 ebenfalls mit den Eingängen der Gabelschaltung identisch sind und der Eingang £3 über zusätzliche Stromquellentransistoren in Verbindung mit jeweils einem ersten Transistor 1, Γ der beiden Gabelschaltungen gegeben ist. Die erste Referenzspannung Unfi liegt dabei an den Basen der Stromquellentransistoren in der oberen Hälfte der Schaltungsanordnung, während die zweite Referenzspannung U_nR den Basen sämtlicher Stromquellentransistoren in der unteren Hälfte der Schaltung zugeführt wird

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Aktive Gabelschaltung mit mindestens einem Transistor, in dessen Kollektorkreis ein erster, den gleichen Widerstandswert wie den des anzuschließenden Lastwiderstandes aufweisender Widerstand und zwischen dessen Basis und dessen Kollektor ein zweiter Widerstand liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (1) mit seinem Emitter mit einer ersten Stromquelle (4) und mit seiner Basis mit einer zweiten Stromquelle (3) verbunden ist, die einen um den η-ten Teil kleineren Strom gegenüber der ersten Stromquelle (4) liefert, daß der Lastwiderstand (5) zwischen dem kollektorfernen Ende des ersten Widerstandes (2) und dem Emitter des Transistors (1) anschließbar ist und daß der zweite Widerstand (6) (n—\)-ma\ so groß wie der Widerstandswert des ersten Widerstandes (2) ist (Fig. 1).

2. Aktive Gabelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum zweiten Widerstand (6) ein zweiter Transistor (7) liegt, der mit seiner Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors (1) und mit seinem Kollektor mit dem kollektorfernen Ende des ersten Widerstandes (2) verbunden ist, und daß hier der zweite Widerstand (6) n-mal so groß ist wie der Widerstandswert des ersten Widerstandes (2) (F i g. 2).

3. Aktive Gabelschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquellen ein dritter und vierter Transistor (8, 9) in Emitterschaltung verwendet wird, an deren miteinander verbundenen Jasen das Eingangssignal anliegt, wobei im Einkterkreis des dritten Transistors (9) ein dritter WiC.rstand (10) und im Emitterkreis des vierten Transistors (8) ein vierter Widerstand (11) liegt, daß der Widerstandswert des dritten Widerstandes (10) sich zum Widerstandswert des vierten Widerstandes (11) so verhält wie der Widerstandswert des ersten Widerstandes (2) zum Widerstandswert des zweiten Widerstandes (6) und daß an die beiden miteinander verbundenen Basen das Eingangssignal geführt ist (F i g. 2).

4. Aktive Gabelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gabelschaltungen derart axialsymmetrisch zusammengeschaltet sind, daß die Emitter der jeweils zweiten Transistoren (7, 7") mit der Basis je eines fünften Transistors (12,12"), deren Emitter miteinander verbunden sind und deren Kollektoren einerseits den Schaltungsausgang bilden und andererseits über fünfte und sechste Widerstände (13, 13") mit den Kollektoren der zweiten Transistoren (7, 7") verbunden sind, gekoppelt sind, daß zwischen die als Stromquelle verwendeten dritten und vierten Transistoren (8,8", 9, 9") und die ersten und zweiten Widerstände (10, H)₁ die beiden Gabeln gemeinsam sind, je ein sechster und siebter Transistor (14,15) geschaltet ist, deren Basen mit einer ersten Referenzspannung (Uren) belegt sind, während die beiden Emitter der Transistoren (12, 12") über die Kollektor-Emitter-Strecke eines achten Transistors (16) und eines siebten Widerstandes (17) mit dem einen Pol der Versorgiingsspannung verbunden sind, daß an der Basis des vierten Transistors (9) die Eingangsspannung und an der Basis des weiteren vierten Transistors (9") eine zweite Referenzspannung (Um) liegt und daß der testwiderstand /wischen den Emittern der beiden ersten Transistoren (1,1") anschaltbar ist,

5, Aktive Gabelschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axialsymmetrische Anejnanderschaltung zweier Gabelschaltungen nach Anspruch 4 in sinngemäßer Anwendung der Lehre nach Anspruch 3 durch eine Gabelschaltung mit drei Ausgängen und drei Eingängen gebildet ist