SE437452B - Dubbelriktad forsterkare anordnad att anslutas till en tvatradslinje - Google Patents

Description

7902675-3¿ i En utföringsform av uppfinningen kommer nu att beskrivas under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. l visar en förstärkare”som utgör en utföringsform av uppfin- ningen, fig. 2 är en del av kretsen i den i fig. 1 visade f¿rstärkaren, varvid nämnda del är visad individuellt för att den skall kunna förklaras lättare, fig. 3 är en i betyd- ligt större skala visad tvärsektion av en del av en integrerad kretstillämpning av förstärkaren enligt fig. 1; fig. 4 visar ett blockschema över en krets som är anordnad att utnyttjas i en telefonapparat i vilken en krets som utgör en utförings- form av uppfinningen förekommer, och fig. 5 är ett annat kopp- lingsschema som visar vilka av elementen i fig. 4 som är be- lägna utanför den integrerade kretsohipen.

I den 1 fig. l visade kretsen, som är utformad för an- vändning i en telefonapparatkrets, finns fyra transistorer Tl, T2, T3 och TH, varvid Tl och T2 har större storlek än Tj och T4. I fallet med en integrerad kretstillämpning inne- bär detta att transistorerna Tl och T2 är organ med större area än transistorerna Tj och TH. Linjetrådarna är markerade Ll och L2, och de är anslutna till kollektorerna i två av nämnda transistorer. Sändaren; dvs mikrofonen i det aktuella fallet, är inkopplad via andra kretselement,(jämför fig. Ä), till uttag A och B och således till baserna i transistorerna Tl och T2. Mottagaren, dvs hörtelefonen eller högtalaren då det gäller en högtalande telefonapparat, är så ansluten att j den kan drivas från spänningarna som bildas över motståndet Rl. Jämför fig. 4 också i detta avseende.

Såsom har nämnts ovan kan uttaget för linjen Ll vara positivt eller negativt, varvid uttaget för L2 är negativt resp. positivt. Om således linjen Ll är positiv flyter ström från linjen via uttaget hos linjen Iltill ko1lektor-emitter- banan hos transistorn Tl, vidare genom motståndet Rl, genom bas-kollektorbanan hos transistorn Tj och därifrån tillbaka 11111 uttaget för linjen La. Då linjen Lz ar positiv flyter ström in i uttaget för linjen L2 samt via kollektor-emitter- banan hos transistorn T2, motståndet Bl, bas-kollektorbanan hos transistorn TÅ och därifrån tillbaka till uttaget hos linjen Ll. Observera att i båda fallen flyter strömmen i samma riktning i motståndet Rl. Detta motstånd kan således 7902675-3 \N* i själva verket utnyttjas för att via återkopplingsslingor, etc., definiera överföringsförstärkningen mellan D och C vid slutet av motståndet Rl samt linjernas uttag. Detta torde kunna förstås lättare om man betraktar endast halva kretsen ex ligt fig. l. Jämför således fig. 2.

En del av ström- och spänningsbetingelserna som har med arbetssättet hos kretsen att göra är angivna i fig. 2. Spän- ningsförstärkningen från Rl till linjen är definierad av Auvo ZL G=Av R V0 är utgångsspänningen, och då dl närmar sig ett gäller att ' . där ZL är en inre linjeimpedans och Bl representerar ett yttre motstånd som är inkopplat mellan de båda gemensamma punkterna C och D. Den ena av de gemensamma punkterna är den gemensam- gjorda förbindelsen mellan emittrarna hos transistorerna Tl och T2, och den andra är den gemensamgjorda förbindelsen mellan baserna i transistorerna Tj och T4. Spänningsförstärk- ningen mellan linjen och motståndet Bl kommer således helt enkelt att utgöras av ett förhållande mellan impedanser.

Eftersom större delen av linjeströmmen Il flyter genom utgångssteget i form av transistorn Tj kan medelvärdet hos spänningen över motståndet Rl utnyttjas för att överföra in- formation beträffande linjeströmmen. Detta innebär att änd- ringar i karakteristiken för linjespänningen i förhållande till linjeströmmen kan göras förutsägbart, nämligen på grund- val av jämförelser mellan medelspänningen över motståndet Bl och en noggrann inre spänningsnormal.

Eftersom nästan hela linjeströmmen flyter i transistorns Tj kollektor-basövergång kommer transistorn att vara kraftigt mättad, varför spänningen på dess emitter blir mycket nära spänningen på dess kollektor. Detta innebär att denna transis- torns impedans är mycket liten, varför spänningsfallet som beror på bryggförstärkaren blir på motsvarande sätt lågt. Detta tillstånd medför också att man erhåller den negativa potentia- ropa Qtfifam 'zaozsfzs-z 4. len som behövs för drivkretsarna när förstärkaren bildar en del av en elektronisk telefonapparatkrets. Vid konstruktion av dylika kretsar har man tidigare antagit att både driv- kretsarna och utgångskretsarna behöver en spänning som ligger mycket nära spänningen på kretsens "skenor". Då telefonappa- raten arbetar med mycket låg spänning, dvs då den befinner sig vid slutet av en lång linje, begränsar den till buds stående strömmen utgângsspänningens svängning. Detta gör det möjligt att konstruera en krets som arbetar vid 1,5 volt, vilket värde normalt bestäms av drivkretsen, varjämte den konstruerade kretsen ger en utgångsdrivning på l volt från topp till topp om det finns nog ström för att driva nämnda spänning in i en impedans på ca 300 ohm.~ ..._-_ 'Anledningen 11111 ett den angivna konfigurationen hos transistorn Tj har valts är att i andra konfigurationer skulle möjligheten till genomslag mellan emitter och bas ha medfört problem. Om man studerar fig. l ser man att linjekretsen alltid "ser" kollektorn hos en NPN-transistor.

Det bör observeras att när linjen Ll är positiv i för- hållande till linjen L2 har närvaron av transistorerna T2 och T4 förhållandevis liten verkan på arbetssättet. När linjen L2 är positiv i förhållande till linjen Ll är transistorerna T2 och TR på analogt_sätt de effektivatransistorerna, varvid närvaron av transistorerna Tl och T3_har förhållandevis liten verkan.

För att beskrivningen skall bli tydligare kommer nu ett praktiskt exempel att beskrivas. I en krets av typen enligt fig. 2 är svängningen till linjen i närvaro av en signal given av uttrycket 2(VÉC + ILR + Vs) från likspänningsled- ningen V , där VBG är bas-kollektorspänningen hos transistorn Tj och Vs är spänningen över transistorn Tl då denna är mättad.

Multiplicering med 2 har till uppgift att ge svängningen från topp till topp. Om i ett praktiskt fall IL = 8mA, Rl= 10 Ohm, VBG = 0,7 volt och Vs = 0,2 volt, kommer det inom parentes stående uttrycket att ha värdet 0,98 volt, under antagande av att spänningen över linjen endast uppgår till 1,8 volt. Såsom har nämnts ovan kan det mycket väl inträffa att ett sådant tillstånd med låg spänning råder på långa linjer. Med de nämnda parametrarna uppgår svängningsförmågan från topp till topp så- 7902675- då _8 x 200 1000 = 2,4 volt.

Ett närmare studium visar emellertid att till följd av tran- sistorns Tj mättning kommer en spänning att stå till buds, vilken är lika med linjespänningen, plus VSAT.

För att underlätta förklaringen antas att värdet hos linjeströmmen Il uppgår till ca 5 mA, varjämte det antas att den övriga delen av kretsenheten, inklusive förstärkaren, drar mA. Den till buds stående strömmen från transistorns T3 emitter skulle således kunna närma sig detta värde om man an ar att de nämnda strömnivåerna inte står i något samband med varandra. När emellertid en signal påläggs kommer värdet hos strömmen IL att fluktuera, varför den till buds stående belastningsströmmen också ändras. I extremfallet kan signal- strömmen medföra att basströmmen går mot noll, varigenom den till buds stående belastningsströmmen från kretsen minskas till noll. För att denna begränsning skall kunna övervinnas och för att en negativ ström skall kunna flyta genom bryggan har kondensatorn Cl inkluderats. Denna kondensator lagrar energin för de negativa topputsvängningarna. Således gäller att Vcl = VBE - ILR, där V01 är spänningen över kondensatorn Cl och R är resistansvärdet hos motståndet Bl. Motståndet R2 i transistorns T3 emitterkrets (och det motsvarande motstån- det R3 i transistorns T4 krets) har till uppgift att hindra en slingström från att röra sig runt bryggans "botten"-par.

När en krets av den ovan beskrivna typen skall utformas ledes till l,6 volt. Det idealiska strömbegränsade värdet blir 3 såsom en integrerad krets måste man se till att substratinjice- ringen i transistorn Tj eller transistorn T4 elimineras, be- roende på riktningen hos strömflödet mellan linjerna Ll och L2. Eftersom de båda nämnda transistorerna är mättade i det ena eller det andra av dessa fall kommer kollektor-basöver- gången hos den transistor Tj resp. T4, som är strömledande, att injicera en laddning i substratet, och denna ströminjice- ring, som kan uppgå ända till 50-50 % av Il, kan medföra svårigheter till följd av den spänningsändring som den ger upphov till vid punkten E, fig. 2. För att kretsen skall vara 7902675-3 6 effektiv måste denna substratinjicering minskas till högst l % av linjeströmmen. Samtidigt får emellertid strömförstärk- ningen hos transistorn T5 eller T4 i backriktningen inte för- sämras, eftersom annars den negativa spänningen som står till buds vid E skulle ändras på ett sätt som vore beroende av ström som uttas från de drivna kretsarna.

De ovannämnda svårigheterna som sammanhänger med substrat- injicering uppträder givetvis inte om man tillämpar den i denna beskrivning angivna kretsen under utnyttjande av diskreta komponenter. För att svårigheterna skall kunna övervinnas i en integrerad kretstillämpning är transistorn T3 (liksom transis- torn T4) omgiven av en fältbarriär, som är verksam vid låga st;ömmar, och en substratvägg, som är verksam vid höga ström- mar. Denna tankegång är visad schematiskt i fig. 3, där man ser arrangemanget hos transistorn T3, som är bildad av ett N+-område för emittern, ett P- område för basen och ett N- område för kollektorn. Fältbarriären är BN+-området som är visat vid 1, och substratväggen är PISO-området 2 som omger barriären och som är ansluten till denna medelst kontakten 3.

Fördelen med fältbarriären l är att den åstadkommer en effek- tiv reflektion av laddningsbärarna från väggen och sidorna så att transistorns förstärkning 1 backriktningen förblir hög vid låga strömmar (5-20 mA). Efter hand som strömmen ökar kommer emellertid läckningen av laddningsbärare under barriä- ren vid A att medföra en markerad ökning i substratströmmen.

Det är för att undvika detta som man utnyttjar en svävande substratvägg 2, som är isolerad.från det verkliga substratet av området BN+, som samlar alla de vilsekomna laddningsbärarna.

Den ovannämnda substratströmmen alstras såsom följd av spänningsfallet över motståndet R2 (eller givetvis över mot- ståndet R3 i fallet med transistorn T4), och såsom har nämnts ovan erhålls nämnda substratström såsom följd av läckning under barriären, särskilt vid de högre strömnivåerna. Eftersom livslängden hos minoritetsladdningsbärarna som på detta sätt injiceras i mflstratet är mycket kort i området med det ned- grävda skiktet medför P-väggen att substratströmmen elimineras.

Det förhållandet att P+-(ISO)-väggen är placerad efter N+ barriären ger en god förstärkning i backriktningen åt transis- i -, 7902675-3 torn därför att minoritetsladdningsbärarna samlar sig i N+- området och därför att man erhåller ett uppsamlingssystem för de vilsegángna laddningsbärarna som diffunderar genom den nedersta delen av N+- barriären.

Det förhållandet att transistorerna T1 och T2 skall vara ganska stora transistorer har redan nämnts, varvid ett rimligt VBE-värde erhålls med en ström på 150 mA. I en integrerad kretstillämpning säkerställs detta genom att man ser till att transistorerna Tl och T2 upptar mycket större areor på halvledarchipen än vad som är fallet med transis- torerna Tfi och T4.

Fig. 4 visar hur en krets av typen enligt fig. 1 passar in i en telefonapparatkrets, varvid.bryggförstärkaren enligt fig. l är representerad av blocket 1 medan de övriga blocken kan identifieras enligt nedan: Huvudförstärkare Differentialingångsförstärkare Differentialåterkopplingsförstärkare Bandgapspänningsreferens Brygga för positiva förluster Mottagarbrygga Mottagardifferentialförstärkare Mottagareutgångsförstärkare Sidtonnät Tonnummertagnings- (tonfrekvens-) ingångsdifferential förstärkare. h) l-l OWQINQUT-F-'UI |-' |-' Såsom torde ha framgått av beskrivningen av fig. 1 har bryggförstärkaren 1 till uppgift att driva sändarseignalen till uttagenhßs linjerna Ll och L2 oberoende av likström- polariteten hos dessa uttag. Förutom detta medför bryggför- stärkaren att för den återstående delen av kretsen blir spän- ningen vid det mest negativa av uttagen hos linjerna Ll och L2 tillgänglig med mycket ringa spänningsfall. Det sistnämnda är viktigast då det gäller en förhållandevis lång linje där linjeströmmen och således den till buds stående linjespän- ningen är låg under alla förhållanden. Det är också viktigt när två eller flera telefonapparater är parallellkopplade till samma linje. Detta gäller särskilt om en av apparaterna är av vsozevs-3 ; 8 den gamla typen med kolmikrofon, eftersom en sådan apparat i frånvaro av en sådan krets som bryggförstärkaren 1 effektivt kan nedkoppla en Velektronisk" apparatkrets som ärinkopplad parallellt med A.

Strömmen som flyter genom uttagen hos linjerna L1 och L2 passerar också genom motståndet B10, som svarar mot mot- ståndet Rl i fig. 1. När således bryggförstärkarens 1 ström- förstärkning är nära ett, t.ex. 0,98, kan spänningen som före- ligger över motståndet B10 utnyttjas för att definiera ström- men till linjen genom avkänning av spänningen över motståndet R10, varvid under styrning av nämnda spänning linjeströmmen kan definieras via en återkopplingsslinga som inkluderar differentialförstärkaren 4, jämför nedan. Då den slingförstärk- _ ning som erfordras för att detta skall kunna uppnås är stor, åstadkommes ytterligare förstärkning av huvudförstärkaren 2, vilken ökar slingförstärkningen genom bryggförstärkaren 1, differentialåterkopplingsförstärkaren 4 och huvudförstärkaren 2 till ca 1000.

Om man använder sig av ett aktivt återkopplingssystem, som inkluderar differentialförstärkaren 4 plus motstånden Rll och Rl2, istället för den vanligare, passiva återkopplings- slingan, blir det möjligt att reglera återkopplingens omfatt- ning genom att man ändrar mängden ström som flyter i förstärka- ren 4. Detta medför i sin tur att sändarens förstärkning kan regleras. Arrangemanget kompenserar också för de olinjära egenskaperna hos ingångsdifferentialförstärkaren 3 och för temperaturkoefficienterna hos skilda delar av kretsen.

Med det ovan beskrivna arrangemanget definieras förstärk- ningen från ingångsuttagen hos förstärkaren 3, till vilka ut- tag mikrofonen 12 är ansluten, till motståndet B10 såsom Gl = äåš . En; B12 ll där I(5) är strömmen i förstärkaren 3 och I(4) är strömmen 1 förstärkaren 4. För att man skall kunna erhålla sådana särdrag som förstärkningsreglerïng, t.ex.för kompensering av linje- dämpning, behöver man således endast ändra storleken hos för- hållande: mellan :(3) een I(4). Eftersom videre för-stavningen till uttagen'hos linjerna Ll och L2 är noggrant definierad, 9 7902675-3 vilken förstärkning i själva verket uppgår till RL/R6, kommer den totala förstärkningen också att bli väldefinierad.

Den inkommande tonsignalen kommer nu att studeras, vilken utgörs av en eller flera tonfrekvenser som utnyttjas när ton- nummertagning förekommer, oavsett om detta sker direkt från en fingerskivsapparat eller knappsatsapparat eller från en nummertagare med en bestämd grupp nummer. Tonfrekvensmatningen sker via kondensatorn G4 till differentialförstärkaren ll och därifrån till huvudförstärkaren 2. Eftersom förstärkaren 2 också är en differentialförstärkare kommer, då strömmen 1 organet är I(ll , förstärkningen för vilken den inkommande tcnfrekvensen utsätts också att definieras helt enkelt såsom ett förhållande mellan strömmar och-motstånd. Det torde så- ledes vara överflödigt att beskriva denna ingångssignal ytter- ligare, bortsett från att det skall noteras att förstärkaren ll har en utgång med beteckningen DÄMPA, där förstärkarens 3 förstärkning mínskasnär en inkommande tonfrekvenssignal före- kommer.

Den visade kretsen inkluderar ytterligare ett bryggarran- gemang som är viktigt i sändarbanan, nämligen den positiva be- lastningsbryggan 6. Denna brygga är ett nät som ansluter ut- taget hos linjen Ll eller uttaget hos linjen L2, beroende på vilket uttag är mest positivt i förhållande till utgången från förstärkaren 1, till den övre änden hos motståndet Llj.

Det bör här observeras att utgången från förstärkaren l är kretsens negativa matningsuttag.

Motståndet Rlj utgör nätets slutmotstånd, och i det aktuella fallet har det resistansvärdet 600 ohm. Detta motstånd är i praktiken inkopplat över uttagen hos linjerna Ll och L2 via kondensatorn C5 och den negativa omkopplingsdelen av brygg- förstärkaren 1 för enbart talsignaler. Utgångssignalen från bryggan 6 bildar också den positiva spänningsmatningen för hela kretsen. Eftersom denna spänning och matningen från det nedre uttaget hos motståndet Rll måste stabiliseras vid ca 3 volt ingår en inre spänningsreferens 5 i huvudförstärkar- slingan. Det bör observeras att denna spänning också driver tonfrekvensalstringskretsarna (inte visade). Principiellt POOR Qïïåïlšlx.. u “ÜÛZWE-š 1° avkänns spänningen vid motståndets B15 nedre uttag av ingången hos referensförstärkaren, varvid utgången från denna förstär- kare styr spänningen över linjerna Ll och L2 så att spänningen hålls konstant och lika med 3 volt inom ett stort inervally linjeströmmar. Jämför kurvan som ingår i fig. 4.

Ytterligare ett kännetecken (inte visat) utgörs av en krets som känner av linjeströmmen och somrär denna ström sjunker under 14 mA inreglerar referensspänningen som till- handahålls av förstärkaren 5. Härigenom kan förbättrade prest- anda uppnås i ett sådant fall.

Den mottagna spänningen, enbart en talsignal, över linjen uppträder över motståndet B15 till följd av verkan hos bryggan 6 och uppträder således också över seriekombinationen av kon- densatorn 6 och motståndet H14. Därifrån påläggs nämnda spän- ning på ingångsuttaget hos mottagardifferentialförstärkaren 8, som i sista hand matar hörtelefonomvandlaren 13. Förstärka- ren 8 förstärker denna signal och matar den till utgångsför- stärkaren 9, som i sin tur driver hörtelefonen 13. Förstärka- ren 15 har också en reglerförbindelse via ett annazbrygg- arrangemang 7, vilken förbindelse ansluter den linje bland linjerna Ll resp. L2, som är mera negativ, till förstärkaren 9.

Detta ytterligare bryggarrangemang behövs på grund av den stora strömförbrukningen som förstärkaren 9 har. Denna stora strömförbrukning skulle annars ha kunnat neutralisera använd- ning av den andra bryggan 6 såsom följd av spänningsfallet som alstras över motståndet Rlj.

Sidtonnätet Rl5-Rl6-RlÄ- C7-Bl? är principiellt ett balanseringsnät som nollställer sändarsignalerna som upp- träder över motståndet RlO genom att mata en lika och motsatt signal till nämnda motstånd via C6 och R2. Kondensatorn C7 och motståndet Bl? används för faskompensering för den prak- tiska situationen då uttagen hos linjerna Ll och L2 är an-- slutna till en telefonlinje i verkligheten.

Kondensatorerna C8, C9 och C10 har till uppgift att und- vika frekvensinterferens, Cll har till uppgift att undvika likströmförskjutningar och C12 utgör bryggförstärkarekonden- satorn (som svarar mot kondensatorn Cl i fig. 1). 11 79Û2575"3 Fig. 5 visar det sätt på vilket de yttre komponenterna är anordnade när huvuddelen av den 1 fig. 4 visade kretsen är utformad såsom en integrerad kretschip. Samma hänvisnings- beteckningar har använts som 1 fig. 4. Motståndet B18, konden- satorn C14 och undertryckningsorganet JHl bildar den sedvan- liga skyddskretsen som har till uppgift att skydda kretsen mot icke önskvärda linjebetingelser, såsom blixtnedslag. Det variabla motståndet RV1 ansluter trådarna till hörtelefonen 13 vid munstycket 12 för inställningsändamâl. dvoOR QÜALW

Claims (3)

'zaßzsvswaal 12 PATENTKHAV

1. Dubbelriktad förstärkare anordnad att anslutas till en tvåtrådslinje som bildar både en första signalingång och en första signalutgång, varvid likströmmatningen för förstärka- ren mottas via nämnda tvåtrådslinje och förstärkaren inklude- rar första och andra transistorer som har var sin arbets- elektrod ansluten till den ena resp andra tråden i tvåtråds- linjen, k ä n n e t e c k n a d därav, att arbetselektroderna för hos de första och andra transistorerna (T1, T2) som är an- slutna till linjetrådarna är kollektorerna, vilka är anslutna till de första resp andra trådarna hos linjen, att emittràrna hos de första och andra transistorerna är hopkopplade och är anslutna till en första förbindningspunkt (D), att en tredje transistor (T3) har sin kollektor ansluten till den andra trå- den (L2) i linjen medan en fjärde transistor (TU) har sin kol- lektor ansluten till den första tråden (L1) i linjen, att ba- serna i de tredje och fjärde transistorerna är hopkopplade och är anslutna till en andra förbindningspunkt (C), att en re- sistiv impedans (RÅ) är inkopplad mellan den första förbind- ningspunkten (D) och den andra förbindningspunkten (C) på så sätt att de relativa polariteterna hos de första och andra förbindningspunkterna är desamma oberoende av de relativa po- lariteterna hos de båda trådarna i linjen, att den andra ut- gångssignalen från förstärkaren uttas från tvärsöver den re- sistiva impedansen, att den andra ingångssignalen (A, B) till förstärkaren tillförs till baserna hos de första och andra transistorerna, att signalen som tillförs till baserna hos de första och andra transistorerna tillförs från förstärkaren till de båda trådarna hos linjen, och att emittrarna hos de tredje och fjärde transistorerna (T3, TÅ) är inkopplade via ett andra motstånd (R2) resp ett tredje motstånd (R3) till en tredje gemensam punkt. '

2. ' 2. Förstärkare enligt krav 1, k ä n n e t e_c k n a d där- av, att den tredje gemensamma punkten bildar en likspännings- utgång och att en kondensator är inkopplad mellan de tredje och andra gemensamma punkterna. 7902675-3 15

3. Förstärkare enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a d därav, att de första och andra transistorerna är väsentligen lika inbördes, att de tredje och fjärde transisto- rerna är väsentligen lika inbördes och att de första och andra transistorerna har större strömbärande förmåga än de tredje och fjärde transistorerna så att när den tredje eller fjärde transistorn är strömledande sker denna strömledning med transistorn i mättat tillstånd.