DE3437378C2 - Audio-Empfänger mit symmetrischem Basisband - Google Patents
Audio-Empfänger mit symmetrischem BasisbandInfo
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- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45479—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
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Abstract
Es wird ein Differentialeingangsempfänger mit symmetrischen Eingängen für normale und Gleichtaktimpedanz und mit einem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von annähernd unendlich vorgestellt. Der Empfänger erhält einen Differenzeingangsoperationsverstärker, über den ein invertierender Verstärker fester Verstärkung angeschlossen ist. Der invertierende Verstärker fester Verstärkung ist in einer Rückkopplungsanordnung über den Differenzeingangsverstärker geschaltet. Zusätzlich sind die Werte und Verhältnisse der unterschiedlichen Widerstände so ausgewählt, daß die Symmetrie des Diffenzeingangs und eine Gleichtaktverstärkung von annähernd Null des Empfängers erreicht wird.
Description
R5 = A6 = 2(1 + n)R2
und
und
A| = Λ} — flR2
Die Erfindung betrifft einen Audio-Empfänger mit symmetrischem Basisband gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Ein typisches Verfahren zur Informationsübertragung verwendet ein symmetrisches Leitungspaar. Das Leitungspaar
wird durch einen Generator angeregt, der ein komplementäres oder phasenverschobenes Signal an
jede der Leitungen anlegt. Diese Signale werden als Differenzsignale oder DifferenztaktsignaW bezeichnet. Ein
derartiges System wird typischerweise bei Telefonsystemen verwendet.
Elektrostatisch oder magnetisch dem Zweileitersystem aufgeprägte Signale erzeugen auf jeder der beiden Leitungen
ein Signal, welche phasengleich miteinandersind. Diese Signale werden als Gleichtaktsignale bezeichnet.
Es besteht daher das Problem in einem Empfangsgerät, zwischen den Differenzsignalen und den unerwünschten
Gleichtaktsignalen zu differenzieren. Die Fähigkeit eines bestimmten Bauteiles, beispielsweise eines Verstärkers,
in dem System die Gleichtaktstörungen zu ignorieren, wird als Gleichtaktunterdrückung bezeichnet.
Gleichtaktunterdrückung ist definiert als das Verhältnis von Differenzverstärkung zur Gleichtaktverstärkung.
Zusätzlich zu einem hohen Gleichtaktunterdrückungsverhältnis ist eine symmetrische Eingangsimpedanz für
sowohl die Differenz- als auch die Gleichtaktsignale erwünscht (also eine äquivalente Impedanz gegenüber
Masse von jedem Anschluß des Differenzeingangsanschlusses). Die klassische einzelne Operationsverstärkerschaltung
zeigt diese unerwünschte Unsymmetrie-Eigenschaft. Frühere Lösungen des Problems waren nichtrückgekoppelte
Verstärker mit offener Schleife und Transformatoren, welche beide kostenaufwendig sind und,
im Falle von Transformatoren, nicht bei Signalen geringer Frequenz und Gleichstrom arbeiten. Darüber hinaus
wurden Schaltkreise mit drei oder mehr Operationsverstärkern und Spannungsteilern vorgeschlagen. Diese
Schaltungen beseitigen die phasengleichen Gleichtaktstörungen innerhalb der Genauigkeit, der die Spannungsteiler
angepaßt sind. Die normalen oder Differenzspannungen werden an die nächste Schaltkreisstufe weitergegeben.
Derartige Schaltkreise wurden üblicherweise als Leitungsempfänger und in unteren Frequenzbereichen
verwendet. Derartige Schaltkreise weisen jedoch das Problem auf, daß die Eingangsimpedanzen für Differenzsignale
an den beiden Eingangsanschlüssen nicht symmetrisch sind. Versuche, die erwünschte Gleichtaktunterdrückung
beizubehalten und die Impedanzen an den beiden Signaleingangsanschlüssen zu symmetrisieren,
erhöhten die Komplexität des Schaltkreises. Insbesondere waren zumindest drei Operationsverstärker erforderlich,
um die genannten erwünschten Eigenschaften zu erzielen. Die Erfindung steht daher unter der Aufgabe,
durch Verbesserung der bekannten Schaltkreisanordnungen die genannten Ziele mit weniger Aufwand zu errei-
Aus der DE-OS 28 56 044 ist es zwar für unsymmetrische Übertragungswege bekannt, den Ausgang eines als
nicht invertierenden Verstärker geschalteten Differenzverstärkers im Signalweg mittels eines weiteren als invertierenden
Verstärker geschalteten Differenzverstärker gegenzukoppeln. Diese Maßnahme dient vorrangig der
Unterdrückung von Schwingungen. Auch ist die Gegenkopplungsschleife zwangsläufig anders aufgebaut als bei
symmetrischen Übertragungswegen. Der Ausgang des Differenzverstärkers im Signalweg ist zwar über einen
einzigen Widerstand mit dem invertierenden Eingang des Gegen.kopplungsdifferenzverstärkers verbunden,
dessen Ausgang ist jedoch mit dem einen Eingang des Signalwtgdifferenzverstärkers über lediglich einen
Widerstand angeschlossen.
Die US-PS 42 22 012 beschreibt eine Verstärkeranordnung, die im Signalweg einen Differenzverstärker verwendet,
dessen Ausgang über einen weiteren Differenzverstärker rückgekoppelt ist, wobei ein Widerstand zwischen
die Eingangsklemme und Erde geschaltet ist. Bei dieser Schaltungsanordnung soll das thermische Rauschen
wesentlich verringert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Audio-Empfänger anzugeben, bei dem mit geringem Aufwand
die unerwünschten Gleichtaktsignale praktisch vollkommen unterdrückt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Audio-Empfänger mit den Merkmalen des
Kennzeichens des Patentanspruchs 1.
Gemäß der Erfindung sind zwei Operationsverstärker vorgesehen, ein Differenzeingangsverstärker und ein
invertierender Verstärker mit fester Verstärkung, die so miteinander verschaltet sind, daß ein Differenzeingang
symmetrischer Impedanz und eine Gleichtaktverstärkung von im wesentlichen Null erreicht wird (also ein im
wesentlichen unendliches Gleichtaktunterdrückungsverhältnis).
Der Differentialeingangsverstärker stellt den Vorwärtssignalpfad bereit, wobei das Verhältnis der Widerstandswerte
so ausgesucht ist, daß eine Gleichtaktverstärkung von im wesentlichen Null erreicht wird. Zum
Symmetrieren der Impedanzen des Differenzeingangs wird der invertierende Verstärker mit fester Verstärkung
zur Bereitstellung eines Rückkopplungspfades verwendet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele niöer erläutert, aus
denen weitere Merkmale und Vorteile hervorgehen.
Die Fig. zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der F i g. sind ein Verstärker 10 mit Differenzeingang und ein hierüber rückgekoppelt geschalteter invertierender
Verstärker 22 mit fester Verstärkung dargestellt.
Verstärker 10 umfaßt einen Operationsverstärker 12, an dessin invertierende und nicht-invertierende Eingangsanschlüsse
jeweils ein Anschluß von Widerständen 14 bzw. 16 angeschlossen ist. Die anderen Anschlüsse
dieser Widerstände stellen die Differenzeingangsanschlüsse des Verstärkers 10, Tx und T2, dar. Weiterhin ist ein
Rückkopplungswiderstand 18 zwischen den invertierenden Eingangsanschluß und den positiven Ausgangsan-Schluß
des Operationsverstärkers 12 geschaltet, und ein Widerstand 20 verbindet den nicht-invertierenden
Anschluß des Operationsverstärkers 12 mit Masse. Der positive Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 12
bildet den Ausgangsanschluß T3 des Verstärkers 10. Der invertierende Verstärker 22 mit fester Verstärkung
umfaßt einen Operationsverstärker 24, dessen nicht-invertierender Eingangsanschluß mit Masse verbunden ist.
Weiterhin umfaßt der Verstärker 22 einen- Rückkopplungswiderstand 26, der zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß
und dem nicht-invertierenden Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 24 angeschlossen
ist, einen Eingangswiderstand 28, dessen einer Anschluß mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers
24 verbunden ist und dessen anderer Anschluß den Eingangsanschiuß T4 des Verstärkers 22 darstellt,
und ein Paar von Ausgangswiderständen 30 und 32, deren jeweils einer Anschluß mit dem positiven Ausgangsanschluß
des Operationsverstärkers 24 verbunden ist. Die jeweils anderen Anschlüsse der Widerstände 30
und 32 bUden die Ausgangsanschlüsse Tx bzw. T2, des Verstärkers 22.
Die Verstärker 10 und 22 sind so miteinander verschaltet, daß der Ausgangsanschluß T3 des Verstärkers 10 mit
dem Eingangsanschluß 7i des Verstärkers 22 verbunden ist und die Ausgangsanschlüsse Tx und T2, des Verstärkers
22 mit den Anschlüssen Tx und T2 des Verstärkers 10. Insgesamt sind daher Tx und T2 die Differenzeingangsanschlüsse
und der Ausgangsanschluß wird durch T3 gebildet.
Um für sämtliche Signale einen symmetrischen Empfänger zu erhalten und um ein Gleichtiktunterdrükkungsverhältnis
zu erreichen, dart annähernd unendlich ist, ist der Verstärker 22 in einer Rückkopplungsanordnung
mit dem Verstärker 10 verschaltet und die Werte der jeweiligen Widerstände sind zur Erreichung dieses
Zieles wie nachstehend beschrieben ausgewählt.
Die erste Stufe der Analyse ist eine Betrachtung des Verstärkers 10 unabhängig vom Verstärker 22. Zunächst
soll die Verstärkung zwischen den Eingangsanschlüssen Tx und T2 und dem Ausgangsanschluß untersucht werden.
Diese Verstärkungen sind:
(D T2 geerdet
Δ = 1 ν — lt\
n2 —— λ \ί)
1 + π π η
Tx geerdet ω
Die Gleichtaktverstärkung eines Operationsverstärkers wie Verstärker 10 ist definiert als:
Acm_ = Ax + A2 (3)
und die normale oder Differenzverstärkung ist:
A. = (4)
J / J/ö
Durch Einsetzen der Ergebnisse der Gleichungen (1) und (2) in Gleichungen (3) und (4) erhalten wir:
A,,„ = — + —= 0 (5)
η η s und
„ '(zi__L)-zi (6)
2 ν η η J
η
wobei v,„ - Kr1 - VT, ist.
Darüber hinaus sind die Eingangsimpedanzen bei T1 und T2:
Darüber hinaus sind die Eingangsimpedanzen bei T1 und T2:
Zx = «Ä, (7)
und
.»ο Durch Umwandlung der impedanzen Z\ und Z2 in Leitwerte emyiicM wir:
K, = —1- (9)
n/?i
η = !(ίο
Als nächstes betrachten wird die Wirkung der Verschaltung der Anschlüsse 7Ί und T2 mit T] und 7"ί; die Verstärkung
und die Gleichtaktsymmetrie des Verstärkers 10 bleife.· unverändert. Setzt man nun
Ä, = Ä, und A5 = Rt, (H)
(12)
so sieht | und | /„ | man, | daß | Vr (l - -) | |
35 | V | /vi A; | ||||
Ir. | ||||||
-JO | _ ν |
R R
(13)
45 wobei
v, = -V0 (i.e. R5 = /?,,). (14)
Aus diesen Stromwerten ersehen wir, daß die kombinierten Eingangsleitwerte bei Tx und T2 sich ergeben als
γ- = _i_ + fi -±) -L <15)
nR\ \ η J Ri
und
J- (16)
wobei R} = R4.
Die Hinzufugung von A3 und /?4 fuhrt nicht zu einer Unsymmetrie der Gleichtakteingangsimpedanz.
Als nächstes soll R}/R\ berechnet werden für
Als nächstes soll R}/R\ berechnet werden für
Y\ = Y2. (17)
Die Gleichsetzung der Eingangsleitwerte des Systems ist erforderlich zur Erzielung von Symmetrie im Differenzbetrieb.
Durch Einsetzen in Gleichung (17) erhalten wir:
C | 1 | η - | \ | 1 | ■■) | 1 | ι | ι | (I | 1 | V | 1 | -) | 34 | 37 | 378 | |
1 | C | η | η | η)) | -) | Ri | R: | «j | / 2 | + η)Λ, | n+1 ^ | I | |||||
η/? ι | f. | 1+η | 1 | V η | / /Ι+Ι | η J | |||||||||||
1 | /ι(1 -+ | 1- | η | V η | -1 \ | ||||||||||||
Ä| | 1 | - η | ) | - | + 1-/1 | + κ | η J | ||||||||||
1 | η(1 + | η) | η | ||||||||||||||
«ι | |||||||||||||||||
1 | |||||||||||||||||
Λ, | |||||||||||||||||
(18)
(19) 5 (20)
(21)
(22)
(22)
Λ'ΐ
für R1 = R2 und R, = R4.
Im Ergebnis ergeben sich folgende Bedingungen für die in der Fig. dargestellte voranstehend analysierte
Schaltung für eine Gleichtaktverstärkung von Null und symmetrische Eingangsimpedanz:
20
R1 = A2, R} = R4, Λ, = R„ und
(23) Ri = 2(1 + n) R1.
Eine derartige Schaltung wurde zusammengebaut und ihre Betriebsweise erfolgreich mit den folgenden Parameterwerten
gezeigt:
R1 = R2 = \QK
η = 4
n/f, = nR2 = 40 Ä"
R) = R4 = \00K.
Λ5=Λ6= 10Λ".
Während die voranstehende Betrachtung auf der Basis der Tatsache durchgeführt wurde, daß das Verhältnis
der Werte von R1 und R2 bzw. A3 und A4 bzw. A5 und Rb gleich eins war, hätte es ebenfalls für andere Verhältnisse
dieser Werte durchgeführt werden können.
Wäre das Verhältnis von Rs zu A6 anders als eins, so ergäbe sich eine Verstärkung des Verstärkers 22 ungleich
eins mit dem Ergebnis, daß
V| = -kvo (24)
45
Hierdurch würde einfach der konstante Wert k zu den Gleichungen 12 bis 23 addiert. Im Bezug auf das Ver- ||
hältnis von Ä| zu R7 bzw. /?3 zu Λ4 ist ein Verhältnis von eins ausgewählt worden, um die gewünschte Gleichtakt- g
symmetrie aufrecht zu erhalten. Wird jedoch eine bestimmte Unsymmetrie gewünscht, kann eine allgemeine ^
Lösung mitteis Variation dieser Verhältnisse gefunden werden, es wird aber angenommen, daß eine derartige g
Schaltung von begrenztem praktischen Wert wäre. 50 |j
Voranstehend ist eine bevorzugte Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden,
es ist jedoch einem Fachmann auf diesem Gebiet offenbar, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen
durchgeführt werden können, ohne von dem weiteren Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Patentansprüche
sollen daher alle derartigen Modifikationen und Änderungen einschließen, die innerhalb der allgemeinen
technischen Lehre und dem Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
60
65
Claims (4)
1. Audio-Empfanger für ein symmetrisches Basisband mit einem Differenzeingangsverstärker der einen
ersten Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingang und einem
nicht-invertierenden Ausgang aufweist, welch letzterer der Ausgang des Empfängers ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Widerstand (14) zwischen den einen Eingang (Γι) des Empfängers und den
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (12) geschaltet ist, daß ein zweiter Widerstand (18) den
Ausgang (.T3) des Operationsverstärkers (12) mit seinem invertierenden Eingang rückkoppelt, daß ein dritter
Widerstand (16) mit dem zweiten Eingang (.T2) des Empfängers und dem nicht-invertierenden Eingang des
!0 Operationsverstärkers (12) liegt, daß ein vierter Widerstand (20) zwischen den nicht-invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers (12) und Masse geschaltet ist, wobei das Verhältnis der Widerstandswerte des
ersten (14) und zweiten Widerstandes (18) gleich dem Verhältnis der Widerstandswerte des dritten (16) und
vierten Widerstandes (20) ist, und daß ein invertierender Verstärker (22) mit konstanter Verstärkung vorgesehen
ist, der einen zweiten Operationsverstärker (24) aufweist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des
ersten Operationsverstärkers (12) verbunden ist und dessen Ausgang über einen fünften und einen sechsten
Widerstand (30, 32) mit dem einen bzw. anderen Eingang (Γ,, T2) verbunden ist.
2. Audio-Empfänger nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des fünften und
sechsten Widerstandes (30, 32) gleich ist.
3. Audio-Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des zweiten
Operationsverstärkers (24) minus Eins ist.
4. Autjifl-Empfanger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der
Widerstandswerte des ersten zum zweiten Widerstand (14,18) und des dritten zum vierten Widersland (16,
20) gleich η ist und daß, wenn der zweite und vierte Widerstand (18,20) gleich sind, die Widerstandswerte des
fünften und sechsten Widerstandes (30,32) und des ersten und dritten Widerstandes (14,16) bestimmt wird
durch die Gleichungen
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