DK141148B - Linjeforstærker. - Google Patents

Description

(wl (11) FREMLÆ66ELSESSKMFT 1 k 1 1 48 DANMARK «i) int.ci.3 h ot o 3/12 «(21) Antegning nr. 1 43^/72 (22) indleveret den 24. mar. 1972 (23) Lebedag 24. (rør. 1972 (44) Aneegningen fremlagt og fromteggoleeaitaiftot offentliggjort den 21- Jan. 1 980

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (3°) Prioritet begeret fra den 27· mår. 1971, 7104149, NL : 1 (71) N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, Emmasingel 29, Eindhoven, NL.

(72) Opfinder: Willem'van Doom, Jan van der Heydenetraat 41, Hllversum, NL.

(74) Fuldmaagtlg under sagens behandling:

Internationalt Patent-Bureau.

(64) Linjeforstærker.

Opfindelsen angår en;linjeforstærker til brug i overføringsanlæg til overføring af signaler i et bredt frekvensbånd gennem et koaksialkabel, hvilken linje-forstærker indeholder flere transistorforstærkertrin, hvoraf et antal er· lokalt tilbagekoblet gennem en tilbagekoblingsimpedans, der er indskudt i det pågældende forstærkertrins emitterkreds, og hvilken linjeforstærker desuden har en hovedtilbagekoblingskreds, der forbinder udgangen med indgangen, samt niveaustyremidler, hvortil der føres en som funktion af et modtaget pilotsignal varierende signalspænding som styrespænding.

Til kompensation for niveauvariationer af de overførte signaler,frembragt hovedsageligt ved dæmpningsvariationer i kablet, f.eks. hidrørende fra vejrets indflydelse eller temperaturvariationer, er det almindeligt med givne mellemrum i overføringsvejen at indskyde en forstærker, der har de nødvendige niveaustyre- 1A1148 z midler, der muliggør styring i afhængighed af et modtaget pilotsignal. I kendte linjeforstærkere af denne art indeholder niveaustyremidlerne et temperaturkompensationsnetværk, et såkaldt Bode-netværk, der er afsluttet med et indstillingsorgan i form af en spændingsstyret modstand,hvortil der som styresignal føres en signalspænding, der afhænger af pilotsignalet. I overføringsanlæg for et meget bredt frekvensbånd, f.eks.på nogle gange lo MHz,således som det f.eks. kræves til overføring af nogle få tusinde telefonikanaler eller fjernsynskanaler, har disse kendte styrede linjeforstærkere vist sig at være utilstrækkeligt nøjagtige og ikke særligt pålidelige som følge af, at indstillingsorganet, der sædvanligvis er en lampe eller en termistor, har visse ulemper i praksis. Termistorerne har f.eks. store tolerancer, og deres arbejdspunkt ændrer sig som følge af ældning.

Ved lamper er disse ulemper mindre udtalte, men til brug i anlæg, hvori der benyttes høje frekvenser, er de upraktiske på grund af den store selvinduktion af glødetrådsspiralen. Desuden frembringer både lampen og termistoren yderligere støj som følge af deres store tab.

Det er et formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en udformning af en linjeforstærker af den ovenfor beskrevne type, der, selv om den benyttes i et anlæg til overføring af et meget bredt frekvensbånd, giver en meget pålidelig og meget nøjagtig niveauregulering over hele styreområdet.

Ifølge opfindelsen er en sådan linjeforstærker udformet på den måde, at tilbagekoblingsimpedanserne i de lokale tilbagekoblingskredse hver udgøres af en topolr hvilke topoler indeholder et antal parallelle impedansgrene med indbyrdes forskellige tidskonstanter, idet grene med successive tidskonstanter giver bidrag i naboområder af det samlede frekvensbånd, hvilke parallelle impedansgrene hver indeholder en variabel kapacitans, der udgøres af et par varactordiodeij hvorhos niveaustyremidlerne indeholder de nævnte topoler og et styrespændingsfordelingsnetværk med udgange, der er koblet til hvert sit par af varactordioder, og en indgang, hvortil den nævnte styrespænding føres, hvilket fordelingsnetværk er indrettet til at fordele styrespændingen over de respektive varactordiodepar på en sådan måde, at forholdet mellem tidskonstanterne for de successive parallelle impedansgrene forbliver i det væsentlige konstant over hele styreområdet.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser en forstærkerstation til bærefrekvenstelefonitrafik gennem et koaksialkabel, hvori forstærkeren udgøres af en linjeforstærker ifølge opfindelsen og fig. 2 og 3 et antal forstærkerkarakteristikker for den i fig. 1 viste linje- 3 141148 forstærker.

Den i fig. 1 viste linjeforstærker udgør en del af et bærebølgetelefoni-anlæg, der er indrettet til bærebølgetelefonitrafik gennem et koaksialkabel 1,1' til overføring af f.eks. 10800 kanaler i frekvensbåndet fra 4 MHz"til 60 MHz.

De indkommende bærebølgetelefonislgnaler på koaksialkablet 1 tilføres gennem et udligningsnetværk 2 en indgangstransformator 3 for en linjeforstærker 4, hvis udgangskreds 5 er forbundet med det udgående koaksialkabel 1'*

Denne linjeforstærker fødes med en jævnstrøm, der overføres samtidigt med høj-frekvenssignaleme gennem koaksialkablet. Til dette formål er der mellem koaksialkablet 1 og udlingningsnetværket 2 og mellem udgangstransformatoren 5 og koaksialkablet 1’ anbragt skillefiltre, henholdsvis 6 og 6*. Jævnstrømmen ékil-les fra høj frekvenssignalerne ved hjælp af disse filtre og føres over ledninger 7 og 8 til forstærkeren 4’s fødekobling, der er afkoblet med hensyn til vekselspændinger over jordede kondensatorer 10, 11 og 12 og er shuntet af en normalt spærret diode '9. Linjeforstærkeren udgøres af en transistorforstærker med en styrbar forstærkningsfaktor og indeholder en kaskadekobling af et indgangsforstærkertrin 13, et mellemforstærkertrin 14 og et udgangsforstærkertrin 15. I den viste udførelsesform tages forspændingen til basiselektroden i transistoren i det første trin 13 fra forbindelsen mellem modstande 16 ©g 17, der er anbragt som spændingsdeler over fødeledningerne 7 og 8. Indgangstrfftnet er lokalt tilbagekoblet ved hjælp af en tilbagekoiblingsimpedans 18, dér er indskudt i transistorens emitterkreds. Bærebølgetelefonisignaleme, der kommer ind gennem indgangstransformatoren 3, føres gennem en kobllngskondensator 19 til basiselektroden i indgangstrinnet 13. De forstærkede bærefrekvenstelefonisig-naler fra dette trin optræder ved ko1lektormodstanden 20 og føres til yderligere forstærkning til mellemforstærkertrinnet 14, hvis transistor har en kollektormodstand 21 og en emittermodstand 23 shuntet af en kondensator 22. Bære-bølgetelefonisignalerne, der optræder ved kollektormodstanden 21 for mellemforstærkertrinnet 14, føres endeligt til effektforstærkertrinnet 15, der er lokalt tilbagekoblet med en tilbagekoblingsimpedahs 24, der er indskudt i transistorens emitterkreds. Trinnet 15 er over udgangstraiis forma toren 5 koblet til belastningen, der udgøres af den karakteristiske impedans af den kabelsektion 1', der følger efter linjeforstærkeren.

Til opfyldelse af de strenge krav, der stilles til en linjeforstærker, nemlig: den foreskrevne forstærkning inden for frekvensbåndet fra 4 til 60 MHz, den lille ulineære forvrængning inden for frekvensområdet fra 4 til 60 MHz, og den nøjagtige tilpasning af indgangs- og udgangsimpedansen, indeholder forstærkeren foruden de lokale tilbagekoblingskredse en kombineret spændings- og strømtilbagekoblingskreds.

, 141148

Til dette formål er en seriemodstand 26, der er shuntet med en kondensator 25, anbragt i serie med primærviklingen på transformatoren 5, og forstærkerens udgangskreds er koblet til emitteren i indgangsforstærkertrinnet 13 gennem en tilbagekoblingskreds 27, der indeholder en kondensator 28 i serie med en modstand 29.

Til at kompensere for niveauvariationer i de overførte signaler hidrørende fra dæmpningsvariationer i overføringsvejen indeholder linjeforstærkeren yderligere niveaustyremidler, der styres af et pilotsignal, der overføres sammen med talesignalerne gennem koaksialkablet. Pilotsignalet består af en bærebølge på 3,2 MHz, der er moduleret med en variabel frekvens på fra 5 til 35 kHz, hvorfra styrespændingen til styring af niveaureguleringsmidlerne afledes. Efter forstærkning i linjeforstærkeren 4 føres det medoverførte pilotsignal til en pilotsig-nalmodtager 30, der er forbundet med linjeforstærkerens udgang. Denne modtager udvælger pilotsignalet og demodulerer det til frembringelse af en styrejævnspænding, der varierer med modulationsfrekvensen, til styring af niveaustyremidlerne.

Ifølge opfindelsen opnås der en særligt gunstig og fordelagtig styret linjeforstærker, hvis tilbagekoblingsimpedanser 18, 24, der indgår i de lokale tilbagekoblingskredse, udgøres af styrbare kapacitive topoler, hvis styreorganer, der består af en variabel kondensator, udgøres af varactordioder 31-36, der er anbragt parvis i en modtaktkonfiguration over for vekselspænding med henblik på undertrykkelse af forvrængning af anden orden, og hvis niveaustyremidlerne indeholder disse topoler samt et styrespændingsfordelingsnetværk 37 med udgange, der er koblet til hvert sit modtaktdiodepar, og en indgang,der tilføres styrespændingen, og det nævnte netværk fordeler styrespændingen over de respektive varactordioder på en sådan måde, at forholdet mellem tidskonstanterne for de kapacitive topoler forbliver i det væsentlige uændrede, således at forstærkerens forstærkningskarakteristik over hele styreområdet for styrespændingen altid er nøjagtigt lig med den frekvens- og temperaturafhængige variation af dæmpningskurven for den kabelsektion, der går forud for forstærkeren.

I den i fig. 1 viste udførelsesform har forstærkeren to kapacitive topoler 18 og 24, der indgår i den lokale tilbagekobling for indgangstrinnet 13 og udgangstrinnet 15.

De styreorganer, der indgår i de kapacitive topoler, udgøres af varactordioder, der parvis er koblet i en modtaktkonfiguration. Antallet af par af mod-taktkoblede dioder, der er knyttet til et og samme styreorgan, er naturligvis afhængigt af koblingsparametrene og er også bestemt af den anvendte diodetype.

I figuren er hvert styreorgan for simpelheds skyld repræsenteret af et enkelt par modtaktkoblede varactordioder.

I den viste udførelsesform udgøres den kapacitive topol 18 af tre parallelkoblede impedansgrene 38, 39, 40. Impedansgrenen 38 indeholder seriefor- 5 141148 bindeisen af en modstand 41, en over for jævnspænding spærrende kondensator 42 og varactordioderne 31 og 32, shuntet af en kondensator 43 og en aflednings-modstand 44. Impedansgrenen 39 indeholder serieforbindelsen af en over for jævnspænding spærrende kondensator 45, de modtektkoblede dioder 33, 34 og en modstand 46, idet dioderne og modstanden 46 er shuntet af en aflednings-, modstand 47. Impedansgrenen 40 i den kapacitive topol 18 indeholder serieforbindelsen af en kondensator 48 og en spole 49. Den kapacitive topol 24 har en impedansgren 69, der indeholder serieforbindelsen af en modstand 5o og en kondensator 51,-idet sidstnævnte er shuntet,dels af serieforbindelsen af en ra©d7 stand 52 og en kondensator 53, dels af serieforbindelsen af en over for jævnspænding spærrende kondensator 54 og dioderne 35, 36,der er shuntet af en modstand 55,. Kondensatorerne 42, 45 og 54 tjener til at spærre for jævnstrømmen,der derfor går gennem modstandene 26 og 26’. Impedansgrenene 38 og 39 i topolen 18 og impedansgrenen 69 i topolen 24 har indbyrdes forskellige RC-værdier, idet grenene af suecessive RC-værdier bidrager til hældningen af forstærkerkarakteristikken i til hinanden grænsende dele af det totale frekvensbånd. Disse impedansgrene er mere , specielt dimensioneret på en sådan måde, at forstærkningskarakteristikken for den nominelle kapacitans af styreorganeme, der udgøres af varactordiodeparrene 31, 32; 33, 34; 35, 36, er nøjagtigt lig med den nominelle dasapningskarakteristik for den kabelsektion 1, der går forud for forstærkeren 4.

Disse styreorganer er gennem afkoblingsmodstande henholdsvis 56, 57, 58 forbundet med styrespændingsfordelingsnetværket 37. I den viste udførelsesfora indeholder dette s tyres pænd ing s f orde1ingsnetværk en første gren med modstande 59 og 60 og en anden gren med modstande 61 og 62, der er koblet parallelt med den første gren og med zenerdioden 9 1 fødeledningen 7. Forbindelsespunkterne 63 og 64 mellem modstandsparrene 59, 60 og 61, 62 er forbundet med hinanden gennem en tredje gren med modstande 65 og 66. Den styrespænding, der optræder på udgangen fra pilotmodtageren 30, tilføres over en ledning 67 til forbindelsespunktet 68 mellem modstandene 65 og 66, mens styreorganerne i de kapacitive topoler er forbundet til forskellige forbindelsespunkter i styrespændingsfordelingsnetværket. Det styreorgan, der udgøres af dioderne 31 og 32 er således forbundet med forbindelsespunktet 63 gennem afkoblingsmodstanden 56, og det styreorgan, der udgøres af dioderne 33 og 34, er forbundet med forbindelsespunktet 68 gennem afkoblingsmodstanden 57, mens det styreorgan, der udgøres af dioderne 35 og 36, er forbundet med forbindelsesjninktet 64 gennem afkob- . lingsmodstanden 58. I den i fig. 1 viste udførelsesform er kapacitanserne af styreorganerne i topolerne af samme orden, således at de varactordioder, der benyttes som styreorganer, alle kan være af samme type. Styrespændingsfordelingsnetværket fordeler den tilførte styrespænding over disse styreorganer på sådan 6 141148 en måde, at deres kapacitanser i tilfælde af variation af styrespændingen over hele styreområdet alle multipliceres med den samme faktor, hvilket resulterer i en forskydning af forstærkningskarakteristikken i vandret retning langs frekvensskalaen. Til forklaring af den beskrevne virkemåde viser fig. 2 kurver a, b og c, der repræsenterer forstærkningskarakteristikker for den beskrevne forstærker, idet forstærkningen er vist som funktion af logaritmen af frekvensen. Kurverne a og c viser variationen af forstærkningskarakteristikken ved henholdsvis den maksimale og den minimale styrespænding, mens kurven b viser variationen af den nominelle forstærkningskarakteristik, som optræder ved den nominelle styrespænding. Hvis forstærkningen i tilfælde af denne nominelle karakteristik b er proportional med kvadratroden af frekvensen, beholder de frekvensforskudte karakteristikker a og c samme proportionalitet, og den indbyrdes forskel i forstærkning svarer nøjagtigt til den nødvendige temperaturkompensationsvariation og/eller længdevariation af kablet.

Fig. 2 viser også,at når karakteristikken forskydes, opretholdes proportionaliteten med VT ved yderfrekvenserne i det aktuelle frekvensbånd, i dette tilfælde 4 og 60 MHz, kun hvis den nominelle karakteristik b forbliver proportional med V f over et ekstra frekvensområde Δ f^ under og Δ f^ over dette aktuelle frekvensbånd. Det fremgår af fig. 2, at når forstærkningen skal styres over + og - 10% i overensstemmelse med den \/f-formede karakteristik,medfører dette en frekvens forskydning på + og - 20% ( \J~£ ). En simpel bereg ning viser, at forstærkningskarakteristikken da må fortsætte ovenover båndet til 72 MHz og under båndet nedtil 3,2 MHz, hvilket svarer til en båndbreddeforøgelse fra 4 til 4,4 oktaver. Ved brug af foranstaltningerne ifølge opfindelsen anvendes der variable kondensatorer i form af varactordioder som styreorganer, der,modsat NTC-modstande og glødelamper, der ellers anvendes til niveauregulering, har betydelige fordele. Disse varactordioder indfører ikke ekstra støj, og der kræves ikke et temperaturkompensationsnetværk (Bode-netværk)»samtidigt med at de er særdeles velegnede til brug ved høje frekvenser. Da der ikke er noget tab, er der ingen temperaturforøgelse i denne type af styreorganer, således at de ældes mindre hurtigt. Foruden disse fordele, der er meget væsentlige for pålideligheden og omkostningen af linjeforstærkeren ifølge opfindelsen, gør det i denne forstærker anvendte styrespændingsfordelingsnetværk det muligt at kompensere for sådanne tolerancer i varactordioderne. Der er den yderligere mulighed at indføre en simpel hukommelseskreds, fordi det i tilfælde af bortfald af pilotsignalet kun er den sidsttilførte styrespænding, der skal opretholdes, f.eks. ved hjælp af en kondensator.

7 H1H8

Som anført afledes styrespændingen fra en variabel frekvens på fra 5 til 35 kHz, der er moduleret på en bærebølge, der ligger lige under telefonibåndet på 4 til 60 MHz. Forbindelsen mellem værdien af styrespænd ingen og frekvensen er G ' "! givet ved den hyperbolske funktion V = 1 , hvor C., er en konstant. Fig. 3 viser

K £ X

hvorledes forstærkningskurven varierer som funktion af styrespændingen ved $η frekvens på 60 MHz. Som denne kurve viser, er forøtsf^kningsvariationen, 80¾ funktion af styrespændingen tilnærmelsesvis en hyperbolsk funktion. Følgelig · . der for forstærkningsvariationen skrives: , A * C.

^ ' \ " «Γ £* ’Γ : hvilket betyder, at forstærkningsvariationen er proportional med styrefrekvensen« Endelig kan det bemærkes, at de kapaeitive topoler, der er vist i udføre!- ^ sesformen ifølge fig. 1, kan udformes på anden måde,, idet f.eks. modtaktkoblin-gen af varactordioderne, der er benyttet i udførelseseksemplet, kan udformes som et antiparallelarrangement i stedet for et antiseriearrangement, såledesat det nødvendige antal dioder kan reduceres.

- ·: fv.