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Verstärker mit veränderbarem Übertragungsmaß
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Es ist bekannt, die Qualität der Wiedergabe von Tonfrequenzdarbietungen
durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes durch ein Kompression-Expansion-System
(sogenanntes Kompander-System) zu verbessern. Die Nutzsignale werden vor dem gestörten
Übertragungsweg, z.B. Leitung oder Tonband, in ihrer Amplitude komprimiert und nach
der Übertragung expandiert. Eine solche Schaltung ist durch die DE-PS 24 06 258
bekannt. Bei Anwendung dieser bekannten Schaltung in Geräten des Unterhaltungssektors
ist es zweckmäßig, die Kompression und Expansion nur innerhalb eines eingeschränkten
Dynamik-Bereichs wirksam werden zu lassen. Diese Einschränkung ergibt sich aus der
bei Konsumanwendung geforderten Kompatibilität einer Kompaaderanordnung mit Übertragungseinrichtungen
konstanter Verstärkung. Die Wiedergabe eines komprimierten Signals ohne Expander
würde sich sonst schlecht anhören, da z.B. Störungen im Eingangssignal in dessen
Pausen stark angehoben sind. Ebenfalls unzureichend wäre der Höreindruck bei einem
unkomprimierten Signal, das über einen Expander wiedergegeben wird. Hierbei würde
eine sehr übertriebene Dynamik der Darbietung auftreten.
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Eine die Ubertragungscharakteristik eines für Konsumanwendungen geeigneten
Kompanders beschreibende Kennlinie weist dann zwei Knickstellen auf 1 die gerade
an der oberen bzw. unteren Grenze des Dynamikbereichs üblicher Audioprogramme liegen.
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Wenn diese Grenzen jedoch überschritten werden, kann es durch die
abrupte Änderung der das tbertragungsmaß beeinflußenden Steuer spannung zu einer
Modulation von unverdecktem Rauschen im Rhythmus von niederfrequenten Nutzsignalen
kommen.
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Dieser Effekt wäre unterdrückt, wenn die Kennlinie bei den erwähnten
Unstetigkeitsstellen (Knicken) stetig bezüglich des Differentialquotienten, also
gekrümmt verlaufen würden. Bezüglich der oberen Unstetigkeitsstelle ist eine Lösung
bereits durch die DE-OS 25 29 012.4 bekannt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Veränderung des Kennlinienverlaufs
im Bereich des unteren Kennlinienknicks. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
besteht darin, den erwähnten Kennlinienknick durch einen stetigen leicht reproduzierbaren
Kennlinienverlauf zu ersetzen.
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Die Erfindung bezieht sich auf die im Oberbegriff des Patent an spruchs
1 genannte Schaltung. Die gestellte Aufgabe wird dabei durch die im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst. Unter dem Begriff Addition
ist dabei auch der Falleingeschlossen, daß bei ungleicher Polarität zweier Spannungen
eine Subtraktion ihrer Beträge erfolgt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 und Fig. 2 die aus der DE-PS 24 06 258 bekannten Prinzipschaltungen für Kompression
und Expansion. Die erfindungsgemäßen Ergänzungen sind gestrichelt eingezeichnet,
Fig. 3 ein Kennliniendiagramm für die Wirkungsweise der bekannten Schaltung und
gestrichelt eingezeichnet die durch die Erfindung erreichten Veränderungen. des
Verlaufs, Fig. 4 drei Kurvendiagramme, an denen die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen
Schaltung
erläutert werden soll, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schaltung.
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An Hand der Figuren 1 und 2 wird die bekannte Schaltung erläutert.
Es ist beabsichtigt, die an der Eingangsklemme 1 anliegenden Eingangssignale U1
mit einem bestimmten Dynamik-Umfang in Signale U2 umzuwandeln, die an der Ausgangsklemme
2 abgreifbar sind und einen kleineren Dynamik-Umfang aufweisen.
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Zu dem beschriebenen Zweck ist im Nutzsignalweg zwischen den Klemmen
1 und 2 ein in seiner Verstärkung steuerbarer Verstärker 3 angeordnet. Der Verstärker
3 besitzt einen Steuereingang 4, über den zwecks Anderung des Übertragungsmaßes
seine Verstärkung mittels einer Steuergleichspannung steuerbar ist.
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Zur Gewinnung der Steuergleichspannung ist ein Zweigweg mit einem
weiteren Verstärker 7 vorgesehen, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers
3 angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers 7 speist einen Steuerspannungserzeuger
5, der zur Erzeugung einer von der Amplitude seiner Eingangswechselspannung abhängigen
Gleichspannung dient. Sie wird als Steuerspannung den Steuereingängen 4 und 6 der
Verstärker 3 und 7 zugeführt.
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Die beschriebene Schaltung engt den Dynamik-Umfang des Nutzsignals
ein, weil mit zunehmender Ausgangsspannung des Verstärkers 3 am Ausgang des Steuerspannungserzeugers
5 eine zunehmende Steuerspannung erscheint, die die Verstärkung des Verstärkers
3 herunterregelt. Außerdem wird auch die Verstärkung des Verstärkers 7 heruntergeregelt,
so daß am Ausgang des Verstärkers 7 im stationären Zustand ein Signal mit konstanter
Dynamik erscheint.
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Der Steuerspannungserzeuger 5 ist hinsichtlich seines dynamischen
Verhaltens so ausgebildet, daß er eine schnell ansteigende Gleichspannung abgibt,
sobald seine Eingangswechselspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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In Fig. 2 ist die Anwendung der bekannten Schaltung bei der
Expansion
von Wechselspannungssignalen dargestellt. Eine solche Schaltung dient z.B. dazu,
die mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung von U1 auf U2 komprimierten Signal
so zu expandieren, daß die Ausgangssignale U4 wieder den Dynamik-Umfang der Eingangssignale
U1 der Schaltung nach Fig. 1 aufweisen.
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Die Expansionsschaltung in Fig. 2 enthält zwischen der Eingangsklemme
10 und der Ausgangsklemme 11 einen steuerbaren Verstärker 8. Der Zweigweg, dessen
Eingang in diesem Fall statt an den Ausgang an den Eingang des Verstärkers 8 im
Nutzsignalweg angeschlossen ist, enthält den schon an Hand der Fig. 1 beschriebenen
steuerbaren Verstärker 7. Der Steuereingang 9 des Verstärkers 6 sowie der Steuereingang
6 des Verstärkers 7 werden von dem Ausgang des Steuerspannungserzeugers 5 gespeist.
Der Verstärker 8 ist wegen der verlangten Expansion so aufgebaut, daß die Steigung
seiner Steuerkennlinie das umgekehrte Vorzeichen aufweist, als die Steigung der
Steuerkennlinie des Verstärkers 3, während der Verstärker 7 in Fig. 2 mit dem Verstärker
7 in Fig. 1 übereinstimmt und wie dieser gegengeregelt wird. Wenn die Eingangsspannung
U3 steigt und damit der Betrag der Steuergleichspannung an den Steuereingängen 9
und 6 steigt, dann hat dies also zur Folge, daß die Verstärkung des Verstärkers
8 vergrößert wird, während die Verstärkung des Verstärkers 7 verringert wird.
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Erfindungsgemäß ist sowohl bei der Kompressions- als auch bei der
Expansions-Schaltung ein Übertragungsglied 12 mit einer eindeutigen, differenzierbaren
Übertragungsfunktion angeordnet, dessen Eingang mit dem Ausgang des Steuerspannungserzeugers
5 und dessen Ausgang mit einem weiteren Eingang 13 des Steuerspannungserzeugers
5 verbunden ist. Über diesen zusätzlichen Steuereingang 13 wird je nach Ausführungsform
des oteuerspannungserzeugers 5 wenigstens zu einer der Referenzspannungen URef oder
dem Nullpotential UO der Eingangswechselspannung eine Hilfsspannung UH addiert.
Diese Hilfsspannung U4 bewirkt sinngemäß eine Verschiebung der Referenzspannungen
URef und/ oder des Bezugspotentials UO der Wechselspannung. Da diese Verschiebung
auf die Arbeitsweise des Steuerspannungserzeugers
5 nach Art einer
Gegenkopplung wirkt, erfolgt bei einem Ansteigen der Eingangswechselspannung über
den stationären Wert hinaus ein weicher Einsatz der Steuerspannung Ust, was auf
das Gesamtsystem den Einfluß einer Verrundung der Kompressions-bzw. Expansionskennlinie
im Bereich des unteren Knickpunktes hat.
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Fig. 3 zeigt ein Pegeldiagramm in üblicher Darstellung, an dem die
eben beschriebene Funktion verdeutlicht wird. Die Schaltungsanordnung gemäß der
Fig. 1 ohne die erfindungsgemäßen Ergänzungen ergibt einen Kennlinienverlauf gemäß
der Kurve 15, die - vorausgesetzt daß der Regelbereich des Übertragungsmaßes nach
unten hin begrenzt ist - einen ausgeprägten Knickpunkt 14 aufweist. Symmetrisch
zu dieser Kompressionskennlinie ist die Expansionskennlinie 18 mit dem Knick 17
ausgebildet. Durch den erfindungsgemäßen Zusatz bei den Schaltungen gemäß Fig. 1
und 2 wird ein allmählicher Übergang der Kennlinien von dem Dynamik-Bereich, in
dem noch keine Kompanderwirkung auftritt zu dem Bereich, in dem der Kompander wirksam
wird, erreicht.
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Für die Kompressionskennlinie ergibt sich dann im Sbergangsbereich
die gestrichelte Kennlinie 16 und für die Expansionskennlinie die gestrichelte Kennlinie
19.
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An Hand der Kurvendiagramme in Fig. 4 wird gezeigt, auf welche Weise
die Steuerung des Einsatzpunktes der Steuerspannung möglich ist. Fig. 4a zeigt den
stationären Zustand, bei dem eine Wechselspannung UNp am Eingang des Steuerspannungserzeugers
5 die durch Referenzspamsngen +URef und URef vorgegebenen Grenzen gerade erreicht.
Fig. 4b zeigt die eine Alternativlösung der Erfindung, bei der die positive Referenzspannung
+URef mit einer negativen Hilfsspannung UH beaufschlagt wird und dadurch in Richtung
des Bezugspotentials UO der Wechselspannung UNF verschoben wird. Als stationärer
Zustand ergibt sich eine kleinere Wechselspannung UNF Eine andere Alternativlösung
ist in Fig. 4c dargestellt, bei der das Bezugspotential UO der Wechselspannung UNF
durch Addition mit einer Hilfsspannung UH verschoben wird. Auch hier ergibt sich
ein stationärer Wert für die Wechselspannung UNF, der kleiner
ist
als der stationäre Wert der Wechselspannung UNF in Fig. 4a.
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In beiden Fällen setzt die Steuerspannung und damit die Kompanderwirkung
schon bei kleineren Eingangswechselspannungen UNF ein. Bei steigendem Eingangssignal
steigt dann die Steuerspannung Ust, was über die Zwischenschaltung des Übertragungsgliedes
12 zu einer Abnahme des Absolutbetrages der Hilfsspannung UH führt. Bei einer weiteren
Steigerung der Eingangswechselspannung wird UH zu Null, so daß die tompressions-
bzw.
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Expansionskennlinie asymptotisch den Verlauf der ursprünglichen Kennlinie
annimmt (vgl. Fig. 3).
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Mit dem in Fig. 5 dargestellten AusfahrungsbeisRel ist eine Verschiebung
des Bezugspotentials UO der Wechselspannung möglich. Über eine Eingangsklemme 19
werden einem Steuerspannungserzeuger 24 Wechselspannungssignale zugeführt, während
an einer Ausgangsklemme 20 eine Steuergleichspannung abgreifbar ist. Der Steuerspannungserzeuger
24 enthält einen Summierer 25, einen Schwellwertgleichrichter 26 und einen Ladekondensator
27. Dem Eingang des Summierer 25 werden über einen Kondensator 21 die Wechselspannungssignale
UNF potentialfrei zugeführt. Das Bezugspotential UO wird durch einen Spannungsabfall
erzeugt, den ein Strom durch die Widerstände 22, 23 und die Emitter-Basis-Strecke
eines Transistors 28 in dem Widerstand 22 hervorruft.
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Das Teilerverhältnis dieses Spannungsteilers wird durch die Basisspannung,
die dem Transistor 28 zugeführt wird, eingestellt. Zu diesem Zweck ist die Basis
mit dem Ausgang des Steuerspannungserzeugers 24 verbunden.
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Für das spezielle Ausführungsbeispiel ist der Steuerspannungserzeuger
24 so ausgebildet, daß seine Steuerspannung Ust bei fehlendem Wechselspannungseingangssignal
UNF einen positiven Wert annimmt. Bei zunehmender Amplitude des Eingangssignals
sinkt die Steuerspannung, so daß der Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors 28 und die Widerstände 22 und 23 kleiner wird. Wenn die Steuer spannung
Ust dem Emitter-Basis-Schwellwert beim Transistor 28 unterschreitet,wird die Hilfsspannung
UH am Widerstand 22 Null. Die Steuerspannung Ust kann dabei auch negative Werte
annehmen.
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Wenn der Steuerspannungserzeuger 24 dagegen so ausgebildet ist, daß
negative Werte nicht vorkommen und Null einen Grenzwert darstellt, kann der Transistor
28 entfallen.
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Wenn der Steuerspannungserzeuger 24 bei zunehmender Eingangswechselspannung
UNF eine solche Steuerspannung Ust abgibt, die sich von negativen zu positiven Werten
hin ändert, muß der Transistor 28 sinngemäß komplementär zu dem in Fig. 5 dargestellten
Typ ausgebildet sein.
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L e e r s e i t e