DE2856044C2 - - Google Patents

Description

Es ist bekannt, die Qualität der Wiedergabe von Tonfrequenz- Darbietungen durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes durch ein Kompression-Expansion-System (Kompandersystem) zu verbessern. Das Nutzsignal wird vor dem gestörten Übertra­ gungsweg, z. B. Leitung oder Tonband, in seiner Amplitude kom­ primiert und nach der Übertragung expandiert.

Bei einem bekannten Kompandersystem (DE-PS 24 06 258) wird vom Ausgang oder Eingang des Nutzsignalweges ein Zweigweg abgezweigt, in dem aus dem Nutzsignal in einem Steuerspan­ nungserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg, soge­ nannten Stellgliedern, zugeführt wird. Dabei wird die Steuer­ spannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes zugeführt, und zwar im Sinne einer Gegenre­ gelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg.

Dabei ist es auch bekannt, nach dem Prinzip der sogenannten Mehrbandkompander die beschriebene Kompanderschaltung für getrennte Frequenzbereiche vorzusehen und die in den getrenn­ ten Frequenzbereichen unterschiedlich behandelten Signale in einem Summationspunkt wieder zusammenzusetzen. Derartige Kompanderschaltungen enthalten im allgemeinen einen Signal­ weg für das durch die Schaltung laufende Nutzsignal und ei­ nen Gegenkopplungsweg, mit dem das Übertragungsmaß des Si­ gnalweges im Sinne der Kompression oder Expansion gesteuert wird.

Derartige Schaltungen benötigen insbesondere für den genann­ ten Summationspunkt zur Addition der Nutzsignale verschiede­ ner Frequenzbereiche Verstärkerschaltungen, die vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildet sind. Für derartige Schaltungen können entweder nichtinvertierende oder invertie­ rende Differenzverstärker verwendet werden.

Bei vergleichbarer äußerer Beschaltung weisen ein als inver­ tierender Verstärker geschalteter Differenzverstärker und ein als nichtinvertierender Verstärker geschalteter Differenz­ verstärker Unterschiede auf hinsichtlich des Verstärkungs­ faktors und der Eingangsimpedanz. In manchen Anwendungs­ fällen ist es erwünscht, über die Eigenschaften eines inver­ tierenden Verstärkers zu verfügen (Eingangsimpedanz Ri gegen null, Eingang als Stromsummenpunkt verwendbar), aber keine Invertierung der Signale zu erhalten. In diesem Fall ist es üblich, zwei invertierende Verstärker hintereinander zu schalten.

Es hat sich gezeigt, daß diese Maßnahme hinsichtlich des Frequenz- und Phasenganges nicht unkritisch ist. Dies macht sich besonders dann unangenehm bemerkbar, wenn die erwähnte Schaltung in einem geschlossenen Regelkreis angeordnet wird. Eine derartige Anordnung kann zu Eigenschwingungen neigen, die zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen erfordert. Diese Schwingneigung hat folgende Ursache: Die aus den Schaltungs- und Transistorkapazitäten gebildeten Tiefpässe ergeben bei Hintereinanderschaltung zweier Differenzverstärker einen steileren Phasengang, so daß schon bei niedrigeren Frequenzen eine kritische Phasendrehung des Eingangssignals erreicht wird, als dies bei Verwendung nur eines Differenzverstärkers der Fall sein würde. Darüber hinaus multiplizieren sich die Leerlaufverstärkungen der Differenzverstärker. Im Ergebnis führen die stärkere Phasendrehung und die höhere Leerlauf­ verstärkung dazu, so daß die Schwingbedingung des geschlos­ senen Regelkreises mit höherer Wahrscheinlichkeit erreicht wird.

Ist z. B. ein solcher Verstärker im Gegenkopplungsweg eines weiteren Verstärkers angeordnet, um die von einem Stellglied verursachte hohe Dämpfung auszugleichen, so ist beim ein­ stufigen Verstärker die Schwingneigung wesentlich vermindert. Begründung: Die für das Schwingen erforderliche Phasendrehung kann erst bei wesentlich höheren Frequenzen auftreten. Die mit der steigenden Frequenz verbundene Abnahme der ohnehin geringeren Leerlaufverstärkung führt dazu, daß die für das Schwingen erforderliche Schleifenverstärkung nicht mehr erreicht wird. Aber auch dann, wenn die Anordnung nicht in einem geschlosse­ nen Regelkreis betrieben wird, kann die lange Signallaufzeit und die mangelnde Phasenkonstanz über einen bestimmten Frequenzbereich in manchen Anwendungsfällen nachteilig sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die eingangs beschriebene Schaltung zur Dynamik-Kompression und/oder -Ex­ pansion einen nichtinvertierenden Verstärker zu schaffen, der eine Eingangsimpedanz und eine frequenzabhängige Phasen­ drehung zwischen Ausgangssignal und Eingangssignal aufweist, die nahezu gleich oder kleiner als diejenige bei einem ver­ gleichbaren invertierenden Verstärker ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die US-PS 36 33 043 ist zwar eine Verstärkerschaltung mit einem nichtinvertierenden Verstärker bekannt, zwischen dessen Ausgang und nichtinvertierendem Eingang ein invertie­ render Verstärker liegt. Dort ist jedoch nur der Aufbau ei­ ner solchen Verstärkerschaltung beschrieben. Eine Anregung, diese Verstärkerschaltung in der beschriebenen Weise im Si­ gnalweg und im Gegenkopplungsweg einer Kompanderschaltung einzusetzen, ist dieser US-PS jedoch nicht zu entnehmen.

Die bei der Erfindung verwendete Verstärkerschaltung hat im wesentlichen folgende Vorteile:

• 1. Eingang und Ausgang der Schaltung können wie bei einem invertierenden Verstärker angeschlossen werden.
• 2. Im Signalweg liegt nur ein Verstärker, so daß zwischen Ein­ gang und Ausgang nur die Schaltungs- und Transistorkapazi­ täten dieses Verstärkers wirksam sind.
• 3. Die Schaltungs- und Transistorkapazitäten des im Gegen­ kopplungsweg liegenden Verstärkers wirken am Phasengang des im Signalweg liegenden Verstärkers entgegen.
• 4. Wegen der guten Phasenkonstanz bewirkt die Schaltung, sofern sie in einem geschlossenen Regelkreis angeordnet ist, eine hohe Sicherheit gegen Schwingen.
• 5. Die Schaltung ist als Summierer verwendbar.
• 6. Die Schaltung eignet sich in einem Mehrbandkompander zur Vereinigung der in getrennten Kanälen verarbeiteten Signale.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt

Fig. 1a die bei der Erfindung angewendete Verstärker­ schaltung allein,

Fig. 1b eine bekannte, nicht invertierende Verstärkerschaltung mit zwei in Reihe geschalteten invertierenden Verstärkern zur Er­ läuterung der dabei auftretenden Nachteile und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Schaltung in Fig. 1a enthält einen als nichtinvertierenden Verstärker geschalteten Differenzverstärker 9 im Signalweg zwischen einer Eingangsklemme 1 und einer Ausgangsklemme 16. Im Gegenkopplungsweg ist ein weiterer, als invertierender Verstärker geschalteter Differenzverstärker 5 angeordnet. Die Eingangssignale U ₁ gelangen über die Eingangsklemme 1 und einen Widerstand 2 an den nichtinvertierenden Eingang 10 des Differenzverstärkers 9. Der invertierende Eingang 11 des Differenzverstärkers ist mit einer Klemme 13 an eine erste Bezugsspannung U _{Ref 1} gelegt. Die den Verstärker durchlaufen­ den Signale sind am Ausgang 12 über die Ausgangsklemme 16 als Ausgangssignale U ₂ abgreifbar. Die Ausgangssignale ge­ langen außerdem über einen Widerstand 15 an den invertieren­ den Eingang 7 des im Gegenkopplungsweg liegenden Differenz­ verstärkers 5. Der nichtinvertierende Eingang 8 des Diffe­ renzverstärkers ist über eine Klemme 14 an eine zweite Bezugsspannung U _{Ref 2} gelegt. Der Verstärkungsfaktor des im Gegenkopplungsweg angeordneten Verstärkers ist durch das Verhältnis der Widerstandswerte eines zwischen dem Ausgang 6 und dem invertierenden Eingang 7 angeordneten Widerstandes 4 und dem Wert des Widerstandes 15 einstellbar. Die am Ausgang 6 des invertierenden Verstärkers 5 auftretenden Gegenkopplungssignale werden über einen Widerstand 3 dem nichtinvertierenden Eingang 10 des im Signalweg liegenden Differenzverstärkers 9 zugeführt.

Da der invertierende Eingang 11 an einer festen Bezugs­ spannung liegt und zwischen dem invertierenden Eingang 11 und dem nichtinvertierenden Eingang 10 wegen der hohen Leer­ laufverstärkung des Verstärkers 9 praktisch keine Spannungs­ differenz besteht, besitzt der Eingang 10 nahezu die Impe­ danz null. Damit weist dieser Eingang die gleichen Eigen­ schaften auf wie der invertierende Eingang eines in üblicher Weise gegengekoppelten Differenzverstärkers.

Bei großer Verstärkung der Schaltung muß der Gegenkopplungs­ weg des Verstärkers 9 eine entsprechend hohe Dämpfung auf­ weisen. Dabei ist zweckmäßig der Verstärker 5 so zu beschalten, daß seine Verstärkung kleiner als 1 ist. Unter der Voraus­ setzung, daß die Differenzverstärker 9 und 5 gleiche Eigen­ schaften haben, ergibt sich dann, daß der Verstärker 5 auch noch am Ende des Übertragungsbereiches der Schaltung als nahezu idealer Inverter arbeitet. Der Übertragungsbereich der Schaltung wird dann in gleicher Weise wie bei einer Schaltung mit nur einem als invertierender Verstärker beschalteten Verstärker mit Spannungsgegenkopplung durch den im Signal­ weg liegenden Verstärker bestimmt. Es können auch bestimmte Frequenz- und Phasengänge durch Einfügung komplexer Widerstände erreicht werden.

Wird z. B. in einer kritischen Regelschleife ein nichtinver­ tierender Summierverstärker benötigt, wo es bisher üblich war, zwei invertierende Verstärker hintereinanderzuschalten, so bringt die beschriebene Schaltung bei gleichem Schaltungsaufwand Vorteile für die Stabilität. Zum Vergleich ist in Fig. 1b eine Schaltung mit zwei invertierenden Verstärkern gegenübergestellt, wobei die Ziffern der Schaltungselemente mit einem Index versehen sind. Bei gleicher Bemessung der Widerstände besitzen die Schaltungen im unkritischen Frequenzbereich die gleiche Ver­ stärkung.

Ein Beispiel für eine Schaltung, die im Gegenkopplungsweg einen nichtinvertierenden Verstärker benötigt, zeigt die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion. Dem Kompander werden die Eingangssignale über eine Eingangsklemme 17 zugeführt und über einen Kondensator 18 an den nichtinvertierenden Eingang 21 eines Differenzverstärkers 20 angelegt. Zwischen dem nichtinvertierenden Eingang 21 und Masse ist ein Widerstand 19 angeordnet, der zur Festlegung eines bestimmten Eingangs­ widerstandes dient. Von dem Ausgang 23 des Differenzverstär­ kers 20 ist ein Gegenkopplungsweg zu dem invertierenden Ein­ gang 22 geführt. In der Betriebsart "Kompression" verläuft der Gegenkopplungsweg für unterschiedliche Frequenzbänder getrennt, einerseits über eine steuerbare Filteranordnung 33, andererseits über eine steuerbare Filteranordnung 47 zu dem nichtinvertierenden Eingang 10 des Verstärkers 9. Hinter dem Ausgang 12 des Verstärkers 9 verläuft der Gegen­ kopplungsweg weiter über einen Kondensator 32, einen ersten Schalter 29, einen zweiten Schalter 27, einen weiteren Konden­ sator 26 und einen Widerstand 24 an den invertierenden Ein­ gang 22 des Differenzverstärkers 20. Durch den niederohmigen Ausgang 12 wird der direkte Gegenkopplungsweg über die Widerstände 24, 25 für das Signal unterbrochen. Dieser Weg dient nur noch zur Einstellung des Arbeitspunktes.

Der Signalweg verläuft vom Ausgang 23 des Differenzver­ stärkers 20 über einen Kondensator 28 zu einer Ausgangs­ klemme 31. An dieser Ausgangsklemme sind bei der Betriebs­ art "Kompression" die komprimierten Nutzsignale abgreifbar. In der Betriebsart "Expansion" wird der Schalter 27 in die nichteingezeichnete Stellung gelegt. Der Gegenkopplungsweg des Differenzverstärkers 20 verläuft dann vom Ausgang 23 über die Widerstände 25 und 24 zum invertierenden Eingang 22. Die bei der Betriebsart "Kompression" im Gegenkopplungsweg liegen­ den Schaltungselemente sind bei "Expansion" im Signalweg angeordnet. Der Signalweg verläuft dann vom Ausgang 23 des Differenzverstärkers 20 über die Filter 33 bzw. 47 zu dem nichtinvertierenden Eingang 10 des Verstärkers 9 und weiter vom Ausgang 12 über den Kondensator 32 sowie den Schalter 29 zu der Ausgangsklemme 30. Wird der Schalter 29 in die nichteingezeichnete Stellung gebracht, so ist der Kompander unwirksam, und die an der Eingangsklemme 17 anliegen­ den Eingangssignale werden mit der konstanten Verstärkung 1 über den Differenzverstärker 20 und den Kondensator 28 an die Ausgangsklemmen 30 und 31 geführt.

Bei eingeschaltetem Kompander wird das Frequenzband in zwei Bereiche unterteilt. Die höheren Frequenzen werden von einem steuerbaren Hochpaßfilter 47 verarbeitet. Dieses Filter be­ steht aus dem eigentlichen Hochpaß mit einem Kondensator 48 und einem Spannungsteiler aus den Widerständen 49 und 50 einerseits sowie dem elektronisch steuerbaren Widerstand 51 andererseits. Über diesen steuerbaren Widerstand 51 werden die Signale an den als Stromsummenpunkt dienenden nichtin­ vertierenden Eingang 10 des Differenzverstärkers 9 geführt. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände 49, 50 und 51 ist außerdem mit einem Zweigweg verbunden, in dem die Dyna­ mik auf den Wert null heruntergeregelt wird. Im Zweigweg liegen ein Bewertungsfilter 52, ein als Pegelsteller dienen­ des Trimmpotentiometer 53 und ein invertierender Verstärker 55, dessen Verstärkung durch einen steuerbaren Widerstand 54 steuerbar ist. Die Ausgangssignale, deren Amplitude im stationären Zustand konstant ist, werden über einen Span­ nungsteiler aus den Widerständen 56 und 57 einem Steuer­ spannungserzeuger 58 zugeführt. Dieser Steuerspannungserzeuger gewinnt eine Steuergleichspannung, mit der die steuerbaren Widerstände 51 und 54 in gleicher Weise steuerbar sind und zwar im Sinne einer Widerstandsverminderung bei zunehmender Nutzsignalamplitude.

Die niedrigen Frequenzen werden von einem steuerbaren Tief­ paßfilter 33 verarbeitet. Dieses Tiefpaßfilter besteht aus dem eigentlichen Tiefpaß mit dem Widerstand 35 und dem Kon­ densator 34. Die über das Tiefpaßfilter gelaufenen Signale werden über einen Impedanzwandler mit dem Differenzver­ stärker 36 einem Spannungsteiler mit den Widerständen 37 und 38 zugeführt. Am Abgriff des Spannungsteilers werden die Signale über einen steuerbaren Widerstand 39 dem als Strom­ summenpunkt dienenden invertierenden Eingang 10 des Differenzverstärkers 9 zugeführt.

Entsprechend dem Zweigweg beim Hochpaßfilter ist auch beim Tiefpaßfilter ein Zweiweg mit dem Abgriff des Spannungs­ teilers aus den Widerständen 37 und 38 verbunden. Die Signale werden über ein Bewertungsfilter 40 und ein Trimmpotentio­ meter 41 einem Verstärker 42 zugeführt, dessen Verstärkung über einen steuerbaren Widerstand 43 steuerbar ist. Am Ausgang des Verstärkers 42 sind im stationären Zustand Signale konstanter Amplitude abgreifbar. Diese Signale wer­ den über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 44 und 45 einem weiteren Steuerspannungserzeuger 46 zugeführt, der die steuerbaren Widerstände 39 und 43 steuert.

Es ist auch möglich, den Frequenzbereich des Nutzsignals in weitere Frequenzbänder aufzuteilen und die Signale über weitere Bandpaßfilter und steuerbare Widerstände dem genann­ ten Summenpunkt zuzuführen. Voraussetzung dafür ist eine niedrige Eingangsimpedanz des angeschlossenen Verstärkers 9. Ebenso ist es möglich, durch Einfügen komplexer Widerstände ene Pre- bzw. De-Emphasis zu erzielen.

Claims (9)

1. Schaltung zur Dynamik-Kompression und/oder -Expansion mit einem Gegenkopplungsweg und einem Signalweg, da­ durch gekennzeichnet, daß in der einen Betriebsart im Gegenkopplungsweg und in der anderen Betriebsart im Si­ gnalweg ein nichtinvertierender Verstärker (9) mit nie­ derohmigem Eingang (10) liegt, zwischen dessen Ausgang (12) und nichtinvertierendem Eingang (10) ein invertierender Verstärker (5) angeordnet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtinvertierende Verstärker (9) und der invertie­ rende Verstärker (5) als Differenzverstärker ausgebil­ det sind.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Signalweg liegende Differenzverstärker (9) mit seinem invertierenden Eingang (11) an einer ersten Be­ zugsspannung (Masse) liegt.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der im Gegenkopplungsweg liegende Differenzver­ stärker (5) mit seinem nichtinvertierenden Eingang (8) an einer zweiten Bezugsspannung (Masse) liegt.

5. Schaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste und zweite Bezugsspannung (Masse) gleich sind.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (9) bei Kompression im Gegenkopplungsweg und bei Expansion im Signalweg angeordnet ist.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (9) bei Expansion im Gegenkopplungsweg und bei Kompression im Signalweg angeordnet ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem nichtinvertierenden Eingang (10) des Verstärkers (9) wenigstens zwei Eingangsgrößen zuge­ führt sind und der Eingang (10) als Stromsummenpunkt für diese Eingangsgrößen dient.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1, 6, 7, 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem nichtinvertierenden Ein­ gang (10) des Verstärkers (9) die Ausgänge von steuerba­ ren frequenzselektiven Filtern (33, 47) verbunden sind.