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Technisches Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Breitband-Leitungstreiber, wie einen ADSL-(Asymmetric Digital
Subscriber Line)-Leitungstreiber oder einen VDSL-(Very High Speed
Digital Subscriber Line)-Leitungstreiber, die auf einem Chip integriert
werden können.
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Hintergrund der Erfindung
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Breitband-Leitungstreiber,
wie ADSL-(Asymmetric Digital Subscriber Line)-Leitungstreiber, VDSL-(Very
High Speed Digital Subscriber Line)-Leitungstreiber oder andere,
allgemein xDSL-Leitungstreiber genannt (wobei "x" die
Art der Technologie repräsentiert),
sind einem Fachmann bekannt, z.B. aus Bill Schweber, "Analog front ends
bridge the xDSL-to-real-world
chasm", EDN 1. April
1999, Seite 48–64
(3), aus E. Nash, "Line-driver design for broadband communications
applications", Electronic Design,
1. Dezember 1997, Seite 81–94
und aus M. Steffes, "Optimizing
performance in an xDSL line driver", Electronic Design, 19. April 1999,
Band 47, Nr. 8, Seite 44–58.
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Solche
Breitband-Leitungstreiber enthalten typischerweise eine Reihenschaltung
eines Operationsverstärkers
und eines Transformators mit einem ziemlich kleinen Übersetzungsverhältnis (z.B.
1:2), um den Verstärker
galvanisch von der Leitung zu trennen. Das Übersetzungsverhältnis muss
klein bleiben, da andernfalls die Linearität und der Frequenzgang begrenzt
sind, weil ein hohes Verhältnis der
Wicklungszahlen Transformatoren störanfälliger macht und die Bandbreite
begrenzt. Darüber
hinaus bedeutet in vielen Vorverstärkern ein großer Aufwärts-Schritt
des gesendeten Signals (= das Signal, das auf der Leitung ausgesendet
wird) einen großen Abwärts-Schritt
des empfangenen Signals, wodurch das Signal-Rauschverhältnis (SNR)
beeinträchtigt wird.
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Leitungstreiber
haben normalerweise einen rückseitigen
Abschlusswiderstand, weil Signale, die ein mit einem zu kleinen
Abschlusswiderstand abgeschlossenes Kabel durchlaufen, reflektiert
werden und diese Reflexionen das Primärsignal stark beeinträchtigen
können.
Herkömmlich
kann der Abschlusswiderstand nicht mit ausreichender Präzision implementiert
werden, wenn ein hohes Übersetzungsverhältnis verwendet
wird. Um die Leitung korrekt abzuschließen, ist es in der Tat erforderlich,
dass die Ausgangsimpedanz des Verstärkers gleich der Impedanz der
anzusteuernden Leitung ist. Wenn das Übersetzungsverhältnis recht
hoch ist, z.B. 1:5, ist die von der Leitung reflektierte Impedanz
klein, zum Beispiel gleich der gegebenen charakteristischen Impedanz
der Leitung geteilt durch 25. Die für den Leitungs-Anpassungs-Schaltkreis benötigten kleinen Widerstandswerte
können
in dem Fall nicht mit einer ausreichenden Auflösung realisiert werden.
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Der
direkte Effekt des rückseitigen
Abschlusswiderstandes ist, dass das Signal des Verstärkers halbiert
wird, bevor es an die Leitung angelegt wird. Dies verdoppelt die
Leistung, die der Verstärker
liefern muss.
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Die
maximale erforderliche Leitungs-Spannung ist vom Modulationsverfahren
abhängig,
das auf der Leitungsimpedanz benutzt wird, und liegt für ein kleines Übersetzungsverhältnis (1:1
oder 1:2) im Allgemeinen zwischen 15 und 30 V. Daher muss der Operationsverstärker ein
Ausgangssignal mit hoher Spannung erzeugen, und somit benötigt der
Operationsverstärker
eine Versorgungsspannung mit hoher Leistung (im Allgemeinen zwischen
12 und 15 V).
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Ein
Breitband-Leitungstreiber mit aktivem rückseitigem Abschluss wird in
EP-0 901 221 beschrieben. Der aktive rückseitige Abschluss ermöglicht es,
den Leistungsverbrauch des Leitungstreibers beträchtlich zu verringern und wird
heute in der Industrie weit verbreitet eingesetzt.
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Wie
oben erläutert,
werden jedoch weiterhin Versorgungsspannungen mit hoher Leistung
benötigt,
und eine Folge davon ist, dass die Integration des Leitungstreibers
auf einem Chip nicht möglich oder
mindestens schwierig zu realisieren ist. Der Leitungstreiber ist
daher zurzeit auf keinem der Chips integriert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Breitband-Leitungstreiber
bereitzustellen, der die Integration auf einem Chip erlaubt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Versorgungsspannung
des Verstärkers
eines Breitband-Leitungstreibers
zu verringern.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Nichtlinearitäten und
einen schlechten Frequenzgang eines Transformators zu verbessern,
der in einem Breitband-Leitungstreiber
eingesetzt wird.
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Diese
Ziele können
gemeinsam oder einzeln durch einen Leitungstreiber gemäß den Eigenschaften
der Ansprüche
1 bis 5 erreicht werden.
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Der
vorliegende Leitungstreiber kann verglichen mit herkömmlichen
Schaltungen einen geringen Leistungsverbrauch und eine kleine Ansteuerspannung
haben. Die Nichtlinearitäten
und der schlechte Frequenzgang des Transformators werden durch die Rückkopplungsschleife
kompensiert, und daher kann ein Transformator mit einem recht hohen Übersetzungsverhältnis (z.B.
1:5) eingesetzt werden.
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Es
muss darauf hingewiesen werden, dass in den Dokumenten mit dem bisherigen
Stand der Technik ein Leitungstreiber mit einem Operationsverstärker und
einem Ausgangs-Transformator in einer Rückkopplungsschleife offen gelegt
wird. Andere Informationen über
einen Leitungstreiber stehen ebenfalls zur Verfügung, z.B. im "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", H. Meinke und F.
W. Gundlach, 1968, ISBN 3-540 04359-4, Seite 994 bis 1025. In keinem
der bekannten Dokumente wird jedoch ein Breitband-Leitungstreiber
offen gelegt, der auf einem Chip integriert werden kann, bei dem
die Versorgungsspannung des Verstärkers reduziert ist und bei dem
die Nichtlinearitäten
und der schlechte Frequenzgang des Transformators so verbessert
werden, wie es mit der vorliegenden Erfindung erreicht wird.
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Weitere
Charakteristiken und Vorteile der Erfindung sieht man in der folgenden
Beschreibung einer speziellen Ausführung eines Breitband-Leitungstreibers
gemäß der Erfindung.
Diese Beschreibung wird nur als Beispiel angegeben, ohne den Umfang der
Erfindung einzuschränken.
Die unten angegebenen Referenzen beziehen sich auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Schaltbild, das einen Breitband-Leitungstreiber mit einem Transformator
in der Rückkopplungsschleife
gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 zeigt
die schematische Darstellung eines Operationsverstärkers mit
aktivem rückseitigen Abschluss
und einem Transformator in der Rückkopplungsschleife
gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
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In
den verschiedenen Bildern beziehen sich dieselben Referenzen auf
dieselben oder entsprechende Elemente.
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Beschreibung der beispielhaften
Ausführungen
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Ein
Basis-Schaltkreis gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt, die
schematisch einen Breitband-Leitungstreiber zeigt, der einen mit
IN bezeichneten Eingangs-Anschluss und einen mit OUT bezeichneten
Ausgangs-Anschluss hat. Der Eingangs-Anschluss IN des Basis-Schaltkreises ist
dafür vorgesehen,
mit einer Signalquelle (nicht gezeigt) gekoppelt zu werden. Am Ausgangs-Anschluss
OUT erscheint ein Signal, das dafür vorgesehen ist, einen Stromkreis
oder eine Übertragungsleitung,
die mit dem Ausgangs-Anschluss OUT verbunden ist, anzusteuern.
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Der
Basis-Schaltkreis ist eine klassische Rückkopplungsschleife, aber das
verstärkende
Element ist die Reihenschaltung eines Operationsverstärkers A
und eines Transformators T. Die Verstärkung dieser Reihenschaltung
ist K. Das Ausgangssignal der verstärkenden Reihenschaltung wird
durch einen Faktor β (typischerweise
zwischen 2 und 10) dividiert und von dem von der Signalquelle gelieferten
Eingangssignal subtrahiert. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird
als Eingangssignal für
die verstärkende
Reihenschaltung verwendet. Die Verstärkung der geschlossenen Rückkopplungsschleife,
die das Verhältnis
des Ausgangssignals zu dem von der Signalquelle gelieferten Eingangssignal
ist, ist gleich
In der Praxis ist K viel
größer als β, so dass
die Verstärkung
der geschlossenen Schleife in einer guten Näherung gleich β und unempfindlich
gegen Toleranzen von K ist. Der Transformator T hat ein Wicklungsverhältnis 1:n
(n > 1). Als Folge
davon kann der erforderliche Signalbereich am Ausgang des Operationsverstärkers A
n-mal kleiner sein als der Bereich des Signals, das am Ausgangs-Anschluss
OUT vorhanden ist.
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2 zeigt
einen Leitungstreiber mit rückseitigem
Abschluss gemäß einer
zweiten Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Er hat einen ersten Eingangs-Anschluss IN1
und einen zweiten Eingangs-Anschluss IN2, sowie einen ersten Ausgangs-Anschluss
OUT1 und einen zweiten Ausgangs-Anschluss OUT2. Die Eingangs-Anschlüsse IN1,
IN2 sind dafür
vorgesehen, mit einem ersten und einem zweiten Anschluss einer Signalquelle
verbunden zu werden. Die Ausgangs-Anschlüsse OUT1 und OUT2 sind dafür vorgesehen, über Übertragungsleitungen
(nicht dargestellt) mit einer Lastimpedanz RL verbunden zu werden.
Allgemeiner kann man annehmen, dass die Übertragungsleitung eine charakteristische
Impedanz ZL hat, wobei der ohmsche Anteil RL ist.
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Der
Leitungstreiber der vorliegenden Ausführung enthält eine Verstärkungs-Vorrichtung
A. Die Verstärkungs-Vorrichtung
enthält
einen ersten und einen zweiten Vorrichtungs-Eingangs-Anschluss AI1, AI2
und einen ersten und einen zweiten Vorrichtungs-Ausgangs-Anschluss
AO1, AO2. Der erste Vorrichtungs-Eingangs-Anschluss AI1 ist über einen ersten
Widerstand R11 mit dem ersten Eingangs-Anschluss IN1 des Leitungstreibers
verbunden, und der zweite Vorrichtungs-Eingangs-Anschluss AI2 ist über einen
zweiten Widerstand R12 mit dem zweiten Eingangs-Anschluss IN2 des
Leitungstreibers verbunden. Die Vorrichtungs-Ausgangs-Anschlüsse AO1 und
AO2 sind mit einer Transformations-Vorrichtung verbunden, die ein Übersetzungsverhältnis von
1:n hat, wobei n größer oder
gleich 1 ist, z.B. mit einem Transformator T. Der erste Vorrichtungs-Ausgangs-Anschluss
AO1 ist mit einem ersten Anschluss T11 einer Primärwicklung
des Transformators T verbunden, und der zweite Vorrichtungs-Ausgangs-Anschluss
AO2 ist mit einem zweiten Anschluss T12 von dessen Primärwicklung
verbunden. Eine Sekundärwicklung
dieses Transformators hat ebenfalls zwei Anschlüsse T21, T22, wobei ein erster Anschluss
T21 mit dem Ausgangs-Anschluss OUT1 verbunden ist, und ein zweiter
Anschluss T22 mit OUT2 verbunden ist. Der Transformator T hat ein Wicklungsverhältnis von
1:n (n ≥ 1).
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Wenn
ein Differenz-Ausgangsverstärker dazu
verwendet wird, über Übertragungsleitungen, die
mit den Differenz-Ausgangs-Anschlüssen des Verstärkers verbunden
sind, die maximale Leistung an eine Last zu liefern, ist es wichtig,
die Impedanz der Last und die Ausgangsimpedanz des Verstärkers an
die charakteristische Impedanz der Leitung anzupassen.
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Daher
sind der erste Anschluss T21 und der zweite Anschluss T22 mit den
Ausgangs-Anschlüssen
OUT1, bzw. OUT2 über
eine Anpassungs-Impedanz, z.B. über
einen dritten und vierten Widerstand R13, R14, kombiniert mit einem
Schaltkreis zum aktiven rückseitigen
Abschluss, der aus den Widerständen
R17 und R18 besteht, verbunden.
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Weiterhin
sind der erste und der zweite Ausgangs-Anschluss T21 und T22 des
Transformators T über
eine Rückkopplungs-Impedanz mit dem
entsprechenden Anschluss AI1 und AI2 des Verstärkers A verbunden. Zum Beispiel
wird ein fünfter
Widerstand R15 zwischen dem ersten Anschluss T21 der Sekundärwicklung
des Transformators T und dem Eingangs-Anschluss AI1 der ersten Vorrichtung
angeschlossen. Ein sechster Widerstand R16 ist zwischen dem zweiten
Anschluss T22 der Sekundärwicklung
des Transformators T und dem Eingangs-Anschluss AI2 der zweiten Vorrichtung
angeschlossen. Ein siebter Widerstand R17, der einen Teil des gerade
erwähnten
aktiven rückseitigen
Abschlusses bildet, ist zwischen dem zweiten Ausgangs-Anschluss
OUT2 und dem Eingangs-Anschluss AI1 der ersten Vorrichtung angeschlossen. Ein
achter Widerstand R18, der ebenfalls einen Teil des gerade erwähnten aktiven
rückseitigen
Abschlusses bildet, ist zwischen dem ersten Ausgangs-Anschluss OUT1
und dem Eingangs-Anschluss AI2 der zweiten Vorrichtung angeschlossen. Somit
befindet sich gemäß dieser
Ausführung
ein Rückkopplungs-Schaltkreis
zwischen dem Ausgang der transformierten Ausgangsspannung des Verstärkers A
und seinen Eingängen.
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Vorzugsweise
sind der erste Widerstand R11 und der zweite Widerstand R12 gleich
und haben einen Wert R1, der dritte Widerstand R13 und der vierte
Widerstand R14 sind gleich und haben einen Wert (1–α)·RL/2,
wobei α den
aktiven Rückwärts-Abschluss-Faktor
darstellt, einen Faktor, der den Teil der Leitungs-Impedanz repräsentiert,
der durch Verwendung des Operationsverstärkers gebildet wird. Der fünfte Widerstand
R15 und der sechste Widerstand R16 sind gleich und haben einen Wert
R1, und der siebte Widerstand R17 und der achte Widerstand R18 sind
gleich und haben einen Wert von R1/α.
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In
den meisten Fällen
wird R1 viel größer sein
als RL. Für
ein RL, das bezüglich
R1 vernachlässigt
werden kann, wird die Formel für
die Ausgangsimpedanz des Leitungstreibers recht einfach:
Zout
= RL
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Einige
Richtlinien zur Auswahl geeigneter Werte für die Widerstände R11,
R12, R13, R14, R15, R16, R17 und R18 findet man in der Europäischen Patentanmeldung
EP 0 901 221 , in der ein
Konzept für
einen aktiven rückseitigen
Abschluss beschrieben wird. Das Vorhandensein der Widerstände R13,
R14, R15, R16, R17 und R18 ermöglicht
es, die Ausgangsimpedanz Zout der Anordnung auf den gewünschten
Wert abzustimmen, d.h. auf den wert zur Anpassung der Lastimpedanz
RL. Die Formel für
die Ausgangsimpedanz Zout, auf deren Grundlage die verschiedenen
Werte der Widerstände
für den
Fall gewählt
werden können,
dass die entsprechenden Paare von Widerständen R13 und R14, R15 und R16, R17
und R18 im wesentlichen gleiche Werte haben, ist wie folgt gegeben.
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Das
bedeutet in der Tat, dass die Ausgangsimpedanz des Leitungstreibers
an die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen angepasst
ist, wenn die Widerstände
so gewählt
werden, wie oben erwähnt.
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Um
zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangs-Anschluss OUT1, OUT2
eine Spannung mit dem erforderlichen Spannungspegel zur Ansteuerung
des an die Übertragungsleitungen angeschlossenen
Schaltkreises zu erhalten (z.B. 15 V), kann man sehen, dass die
Verstärkungs-Vorrichtung
A ein Ausgangssignal mit einem kleineren Spannungspegel erzeugen
kann, wenn n größer als
eins gewählt wird.
Um zum Beispiel mit einem Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis von
1:5 einen Ausgangsspannungspegel von 15 V zu erhalten, muss die
von der Verstärkungs-Vorrichtung
erzeugte Ausgangsspannung 3 V nicht übersteigen. Dank eines hohen Übersetzungsverhältnisses
kann somit eine hohe Ausgangsspannung des Leitungstreibers mit einer
kleinen Versorgungsspannung des Operationsverstärkers erzeugt werden. Daher
kann der Operationsverstärker
unter Verwendung herkömmlicher Techniken
auf einem Chip integriert werden. Die Widerstandswerte für einen
aktiven rückseitigen
Abschluss werden mit ausreichender Auflösung realisierbar. Der Widerstands-Schaltkreis
des aktiven rückseitigen
Abschlusses befindet sich nun auf der Transformator-Seite mit den
meisten Windungen.
