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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Telekommunikationsschaltung,
welche eine Eingangsimpedanz aufweist und Stromquellen enthält.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Telefonschaltung, ein Telefon
und ein Telekommunikationsgerät,
welche eine derartige Telekommunikationsschaltung umfassen.
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Derartige
Telekommunikationsschaltungen, welche Stromquellen enthalten, sind
in der Technik der Telefonvorrichtungen aus US-A-5,226,078 bekannt,
wo sie als ein nützliches
Werkzeug beim Steuern des Leitungsstroms in einer drahtgestützten Verbindung
zwischen der Telefonvermittlung und dem Teilnehmer beschrieben werden.
Am Teilnehmerende muss ein Kommunikationsgerät, wie beispielsweise ein Telefon
oder ein Faxgerät
oder dergleichen, einen Leitungsübertragungsschaltkreis
aufweisen, welcher eine Anzahl Funktionen durchführen muss. Beispiele der erforderlichen
Funktionen, abgesehen von der eigentlichen Übertragung und dem Empfang, sind:
- – Terminierung
der Leitung mit einer korrekten, definierten Impedanz,
- – Ableiten
von Strom aus der Leitung zum Zuführen an interne und/oder periphere
Geräte
und
- – Modulieren
des Leitungsstroms mit einem Wechselstromsignal, welches übertragen
werden soll.
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Einzelheiten
dieser Anforderungen können von
Land zu Land variieren. Diese Anforderungen sollten festgelegt werden,
um Normen zu bilden. Jedoch werden sogar die Normen häufig verändert. Eines
der Merkmale, welches nach Land variiert, ist der Wert der Leitungsimpedanz
zur Terminierung. Das oben stehend beschriebene US-Patent erwähnt chipexterne
Komponenten, welche offensichtlich zum Durchführen der Einstellungen nötig sind,
welche durch die variierenden Normen nötig sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Telekommunikationsschaltung
zu schaffen, welche verwendet werden kann, um mindestens mit der
variierenden Leitungsimpedanz auf eine Weise fertigzuwerden, welche
ihre weiche Steuerung gestattet, ohne den erwünschten Integrationsgrad von Schaltungskomponenten
auf dem Chip zu gefährden.
Zu diesem Zweck ist die Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Stromquellen gesteuerte
Stromverstärker
sind, welche auf eine derartige Weise verbunden sind, dass ihre
jeweiligen Stromübertragungsverhältnisse
die Eingangsimpedanz der Schaltung bestimmen. Dies ermöglicht, dass
die erforderliche Eingangsimpedanz einfach durch Beeinflussen des
Stromübernagungsverhältnisses
des gesteuerten Stromverstärkers
bzw. der gesteuerten Stromverstärker
eingestellt wird. Ein Beeinflussen des Übertragungsverhältnisses
eines gesteuerten Stromverstärkers
erfolgt mittels Steuern eines Steuerungssignals, welches dem gesteuerten Stromverstärker zugeführt wird.
Mittels dieses Steuerungssignals wird die Eingangsimpedanz für ein bestimmtes
Land auf den erwünschten
Wert eingestellt, ohne dass irgendwelche Vorgaben oder Voreinstellungen
in der Telekommunikationsschaltung nötig sind. Dies gestattet sogar,
die Eingangsimpedanz auf den erwünschten
Wert zu steuern, indem sie programmiert wird.
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Eine
sehr einfache Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die mindestens zwei gesteuerten Stromverstärker Ausgänge aufweisen, welche
miteinander verbunden sind.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Telekommunikationsschaltung einen weiteren
Stromverstärker
mit einem Eingang umfasst, und die beiden Ausgänge der mindestens zwei gesteuerten
Stromverstärker
und der Eingang des weiteren Stromverstärkers einen Stromaddierknoten
bilden. Eine derartige weitere Ausführungsform ist zur Verwendung
in einem Telefonapparat und zum Steuern des Telefonleitungsstroms
besonders geeignet.
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Eine
noch weitere Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der weitere Stromverstärker zwei
Ausgänge
aufweist, und insbesondere nur einer der Ausgänge für einen Augenblick einen Ausgangsstrom
leitet. Diese noch weitere Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung ist insbesondere
zum Bereitstellen eines Versorgungspunkts nützlich, wie in der oben stehend
beschriebenen, zweiten Funktion angegeben, wobei der Versorgungspunkt
verwendet werden kann, um interne und periphere Schaltungen elektrisch
zu versorgen, wie beispielsweise Freisprecheinrichtungen, Mithörmerkmale,
Wählmerkmale,
Lautsprechermerkmale etc..
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Eine
andere Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Wechselstromquelle um fasst,
welche mindestens mit den mindestens zwei gesteuerten Stromverstärkern verbunden
ist. Dies erfüllt
die Anforderungen der oben stehend beschriebenen dritten Funktion,
da die Wechselstromquelle in der Lage ist, den Leitungsstrom mit
dem Wechselstromsignal zu modulieren, welches übertragen werden soll, was
trotz einer komplexen Leitungsterminierungsimpedanz zu einer linearen
Frequenzeigenschaft der Leitungsspannung führt.
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Erwünschte Ersatzschaltbilder
verschiedener Telefonschaltungen in verschiedenen Ländern können bei
einer Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung simuliert werden,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Stromübertragungsverhältnis der
gesteuerten Stromverstärker
von mindestens einem der gesteuerten Stromverstärker frequenzabhängig ist.
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Diese
und andere Gesichtspunkte der Erfindung werden aus den hier nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
offenkundig und unter Bezugnahme auf sie ermittelt.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
erste Baueinheit eines gesteuerten Stromverstärkers zur Verwendung in der
Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung,
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2 eine
zweite Baueinheit zur Verwendung in der Telekommunikationsschaltung
gemäß der Erfindung,
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3 eine
erste von möglichen
Ausführungsformen
der Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung,
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4 ein
wohlbekanntes elektrisches Ersatzschaltbild der Leitungsterminierungsimpedanz eines
Telefons,
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5 eine
Telekommunikationsschaltung gemäß einer
zweiten möglichen
Ausführungsform zum
Simulieren des Schaltbilds der 4,
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6 eine
Telekommunikationsschaltung zum Verwirklichen eines gesteuerten
Stromverstärkers
mit einem frequenzabhängigen
Stromübertragungsverhältnis,
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7 und 8 eine
dritte bzw. eine vierte Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung gemäß der Erfindung,
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9 ein
Telekommunikationsgerät
in der Form eines Telefons mit einer derartigen Schaltung schematisch
und
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10 eine
mögliche
Ausführungsform
eines gesteuerten Stromverstärkers.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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1 und 2 zeigen
schematische Repräsentationen
der gesteuerten Stromverstärker 1 und 2 eines
ersten bzw. eines zweiten Typs. Iin und Iout bezeichnen Eingangs-
bzw. Ausgangsströme des
gesteuerten Stromverstärkers 1.
Ein gesteuerter Stromverstärker
wird hier nachfolgend mit CA bezeichnet. Die Beziehung zwischen
Eingangs- und Ausgangsströmen
des CA1 des ersten Typs kann durch die folgende Formel angegeben
werden: Iout = T1·Iinwobei T1 das Stromübertragungsverhältnis des
CA1 ist. Der CA2 ist von einem zweiten Typ und weist zwei Ausgänge auf,
welche Potenziale V1 und V2 zum Übertragen
der Ströme
Iout1 und Iout2 in einem vertikal gezeichneten Sinn und in einem
horizontal gezeichneten Sinn führen,
wie in 2 angegeben. Die tatsächliche Richtung des Ausgangsstroms
hängt von
den Spannungen V1 und V2 ab. Falls: V1 > V2 dann ist Iout2
= 0, sonst ist Iout1 = 0
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Für CA2 lautet
die Formel: (Iout1 oder Iout2) = T2·Iinwobei
T2 das Stromübertragungsverhältnis des
CA2 ist.
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Im
Allgemeinen weisen gesteuerte Stromverstärker, wie beispielsweise CA1,
CA2, CA6, CA7 und CA12, eine sehr geringe Eingangsimpedanz und eine
sehr hohe Ausgangsimpedanz auf. Ihr Stromübertragungsverhältnis kann
von endlich, wie beispielsweise für CA6 und CA7, bis praktisch
unendlich reichen, wie beispielsweise CA12, wobei in diesem Fall
CA12 nicht gesteuert wird. Das Stromübertragungsverhältnis irgendeines
CA, welches größer oder
kleiner als 1 sein kann, kann mittels irgendeinem Steuerungssignal
CS beeinflusst werden, wie beispielsweise
einem Stromsteuerungssignal, einem Spannungssteuerungssignal etc.
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Ein
typischer Entwurf eines CA wird in 10 illustriert.
Der gezeigte CA weist die Form eines stromgesteuerten Stromverstärkers auf,
und dieser Verstärker
ist an sich auch als „Stromverstärkungszelle" oder als „stromgesteuerter,
Stromschalt-Differenzverstärker" bekannt. Der CA
umfasst zwei emittergekoppelte, steuerbare Halbleiter S1 und S2
mit jeweiligen diodengeschalteten Steuerungseingängen, an welchen jeweilige
Eingangsströme
Ii n +/– ΔIin fließen.
Als die jeweiligen Hauptstromflüsse
von S1 und S2 fließen
die Ströme
Iout +/– ΔIout, wohingegen das Steuerungssignal in diesem
Fall von einer Stromquelle Icontrol ausgeht,
welche sowohl mit dem Emitter von S1 als auch mit dem von S2 verbunden ist.
Die Beziehung für
das Stromübertragungsverhältnis T
ist gegeben durch: T
= ΔIout/ΔIin = Iout/Iin = Icontrol/2·Iin
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3 bezeichnet
eine erste mögliche
Ausführungsform
einer Telekommunikationsschaltung 3 für eine Situation, bei welcher
nur die Ausgänge 4 und 5 von
CA6 und CA7, welche beide vom ersten Typ sind, miteinander in Reihe
geschaltet sind. Eingang 8 des CA6 ist im Allgemeinen mit
Leitungsanschlüssen 9 durch
eine Impedanz, insbesondere jedoch durch einen Widerstand R verbunden.
Auf der Seite der Vermittlung wird eine Leitungsimpedanz Z_line
schematisch mit Leitungsanschlüssen 9 verbunden
gezeigt, welche mit einer Leitungsspannungsquelle V_exch in Reihe
geschaltet ist. Eingang 10 des CA7 ist mit Leitungsanschluss 9 und
mit einem internen Leitungsanschluss 11 verbunden. In diesem
Fall kann einfach abgeleitet werden, dass, falls T12 sehr groß (praktisch
unendlich) ist, der Eingangswiderstand der Schaltung 3 folgender
ist: R·(T7/T6)wobei
T6 und T7 die Stromübertragungsverhältnisse des
CA6 bzw. CA7 sind.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung 3 ist CA12, welcher vom zweiten
Typ ist, mit dem Knoten des CA6 und CA7 verbunden. Insbesondere
Eingang 13 des CA12 ist mit Eingang 5 des CA7
parallel verbunden. CA12 weist einen Ausgang 14 auf, welcher
mit dem unteren Anschluss 9 verbunden ist, und der andere
Ausgang 15 ist mit Versorgungsanschluss 16 verbunden,
welcher mit einer schematisch gezeichneten Lastversorgungs-RC-Kombination
zum Versorgen peripherer Geräte
(nicht gezeigt) verbunden ist. Dieser RC-Kombination wird ein Ausgangsstrom
durch Ausgang 15 nur bereitgestellt, falls die interne
Leitungsspannung V11 an Anschluss 11 größer ist als die Versorgungsspannung
an Anschluss 16, andernfalls fließt ein Ausgangsstrom an den
unteren Anschluss 9.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
der Telekommunikationsschaltung 3 ist eine modulierende Wechselstromquelle 17 mit
dem Knoten des CA6, CA7 und möglicherweise
CA12 verbunden, um einen Modulationsstrom J_send bereitzustellen.
Es kann gezeigt werden, dass für
Wechselstromsignale, wie beispielsweise für Sprachsignale, die Impedanz,
welche von der Schaltung 3 zwischen den Anschlüssen 9 synthetisiert
wird, gleich Zline ist, wobei die Leitungsspannung
V_line an Anschluss 9 angenähert werden kann durch: R·J_send/(2·T7)
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4 zeigt
ein wohlbekanntes elektrisches Ersatzschaltbild der Leitungsterminierungsimpedanz eines
allgemein bekannten Telefons. Es umfasst eine parallele Kombination
einer seriell mit Widerstand R_1 verbundenen Spule L und eines Widerstands R_2,
welcher mit einer parallelen Anordnung eines Widerstands R_3 und
eines Kondensators C in Reihe geschaltet ist, wobei die Kombination
im Fall einer komplexen Terminierungsimpedanz mit den Leitungsanschlüssen 9 verbunden
ist. Falls die Terminierungsimpedanz real ist, werden R_2 und C
weggelassen. Es kann gezeigt werden, dass dieses elektrische Ersatzschaltbild
durch eine passende Auswahl der Stromübertragungsverhältnisse
jedes der CAs der 5 simuliert werden kann. Die
darin gezeigte Ausführungsform
ist dadurch eine Erweiterung derjenigen, welche in 3 gezeigt
ist, dass CA18 und CA19 hinzugefügt
wurden. Im Gegensatz zu CA6, CA7 und CA12 weisen sowohl CA18 als
auch CA19 ein frequenzabhängiges
Stromübertragungsverhältnis auf,
welches hier nachfolgend erklärt
wird. Die Eingänge 20 und 21 des
CA18 bzw. CA19 sind mit den Eingängen 8 und 10 des
CA6 bzw. CA7 in Reihe geschaltet. Beide Ausgänge 22 und 23 sind
mit dem oben stehend beschriebenen Knoten verbunden. Aus Gründen der
Klarheit werden die verschiedenen Steuerungseingänge CS in
den Figuren weggelassen.
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Die
komplexe Form T18 und T19 des CA18 bzw. des CA19 können in
Bezug auf die Frequenz w (mit w = 2·π·f) ausgedrückt werden
als: T18,19 = T18,19(jw) = T18,19/(1 + j w τ18,19)was
physikalisch bedeutet, dass T18 und T19 eine Tiefpass-Charakteristik
mit Zeitkonstanten τ18
bzw. τ19
aufweisen.
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6 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform eines
CA mit einer derartigen Tiefpass-Charakteristik. Er umfasst einen
Haupteingang 24 und einen Hauptausgang 25, welche
mittels der eingekreisten Stromtrennmittel 26 und 27,
wie beispielsweise wohlbekannter Stromspiegelmittel, zusammengeschaltet sind.
Ein Strom, welcher an die Stromtrennmittel 26, 27 fließt, wird
in im Wesentlichen gleiche Ausgangsströme getrennt. Der in 6 gezeigte
CA umfasst selber CA28 und einen OTA29 mit jeweiligen Eingängen 30, 31 und
Ausgängen 32 und 33.
Der OTA29 ist ein Transkonduktanz-Operationsverstärker, welcher tatsächlich ein
Spannungs-Strom-Wandler mit einer Leitfähigkeit G ist. Der Eingang 30 ist
mit Haupteingang 24 verbunden, und der Ausgang 32 ist
mit Eingang 31 und mit einem Kondensator 34 verbunden, welcher
parallel dazu geschaltet ist. Der Ausgang 33 ist durch
das Stromtrennmittel 26, 27 mit dem Hauptausgang 25 verbunden.
Es kann gezeigt werden, dass das Stromübertragungsverhältnis T
des CA als Ganzes theoretisch dem Folgenden entspricht: T(jw) = 1/(1 + jwτ)wobei τ über einen Kapazitätswert C,
das Stromübertragungsverhältnis T
des CA28 und das Spannungsübertragungsverhältnis G
(welches Iout25 geteilt durch die Spannung über den Eingang 31 ist)
ausgedrückt
werden kann. Folglich führt
eine Variation von T zu einer Verschiebung der Kippfrequenz des
frequenzabhängigen
Stromübertragungsverhältnisses T(jw)
des CA, wie gezeigt. Natürlich
können
durch eine Variation oder durch einen Ersatz des Kondensators C
durch eine Spule L (nicht gezeigt) andere Frequenzabhängigkeiten,
falls gewünscht,
simuliert werden, um unterschiedliche Anforderungen einzuhalten,
welche beispielsweise durch die lokalen Telekommunikationsbehörden an
die Schaltung 3 gestellt werden.
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7 zeigt
einen alternativen Entwurf der Telekommunikationsschaltung 3 der 5,
außer dass
ein Stromsubtraktionsmittel 35, welches mit Ausgang 22 des
CA18 verbunden ist, in dem Weg von dem Leitungsanschluss 9 zum
Versorgungsanschluss 16 hinzugefügt wurde. In dem Stromsubtraktionsmittel 35 wird
der Leitungsgleichstrom von dem Leitungswechselstrom subtrahiert,
bevor er in die CA7 und CA19 eintritt, um eine Leitungswechselstrom-
und eine Leitungsgleichstrom-Behandlung in der Schaltung 3 zu
trennen. Theoretisch zeigt diese Schaltungsausführungsform vereinfachte Ausdrücke, falls
sie zum Simulieren des Telefonersatzschaltbilds der 6 verwendet
wird.
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8 zeigt
eine noch weitere alternative Ausführungsform der Telekommunikationsschaltung 3 der 7.
Die Schaltung 3 umfasst einen die Leitungsspannung messenden
CA36, dessen Ausgang den Stromtrennmitteln 37, 38 bereitgestellt
wird, um CA6 und CA18 zu versorgen, eine den Leitungsstrom messende
Schaltung 39, deren Ausgang den Stromtrennmitteln 40 und 41 bereitgestellt
wird, um CA7 und CA19 zu versorgen, und einen Ausgang CA42, welcher
nun den erforderlichen Schleifenverstärkungswert erzielt, wohingegen
CA12 nun nur dem Zweck eines Spannungsreglers dient, um eine stabile
Versorgungsspannung auf dem Versorgungsanschluss 16 zu
erhalten. Das Ergebnis ist eine separate, leicht steuerbare Gleichstromschleife
in der Schaltung 3.
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9 zeigt
ein Telekommunikationsgerät 43 in
der Form eines Telefons mit einer Telekommunikationsschaltung 3,
wobei das Telefon mit einem Vermittlungsmittel (nicht gezeigt) verbunden
ist. Im Allgemeinen wird das Telefon 43 von einem Mikroprozessor 44 gesteuert
und mit den grundlegenden Merkmalen 45 bereitgestellt,
um Übertragungs-
und Empfangsmöglichkeiten
bereitzustellen, wobei zusätzliche
Merkmale 46, wie beispielsweise Mithören, Lautsprechereinrichtungen,
Freisprecheinrichtungen, Wähleinrichtungen
etc. hinzugefügt
werden.
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Legende der Zeichnungen
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4.
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7:
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- line – Leitung
- current subtraction – Stromsubtraktion
- output stage – Ausgangsstufe
- transfer functions T18 and T19 frequency dependent – Übertragungsfunktionen
T18 und T19 sind frequenzabhängig
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8.
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- vol. sense – Spannungsmessung
- cur. sense – Strommessung
- output stage – Ausgangsstufe
- vol. regulator – Spannungsregler
- transfer functions T18 and T19 frequency dependent – Übertragungsfunktionen
T18 und T19 sind frequenzabhängig
- circles represent current splitting e.g, by current mirrors – Kreise
stellen Stromtrennung, z.B. durch Stromspiegel, dar