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Beschreibung
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Schaltungsanordnung für die elektrische Verstärkung von Fernmeldesignalen,
insbesondere für Sprechkapselsignale eines Fernsprechapparates Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung für die elektrische Verstärkung von Fernmeldesignalen,
insbesondere für Sprechkapselsignale eines Fernsprechapparates, mit geringer Einschaltverzögerung
und einen Differenzverstärker, dessen Eingängen das Nutzsignal gegephasig zugeführt
ist.
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Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS
29 25 919 bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung ist ebenfalls ein Differenzverstärker
vorgesehen, dessen Eingängen das Nutzsignal gegenphasig, jedoch das
Gegenkopplungssignal
gleichphasig zugeführt ist. Der Emitterstromzweig des Differenzverstärkers und die
dem Differenzverstärker nachgeschaltete, gleichstromgekoppelte Verstärkerschaltung
sind so ausgebildet, daß sich der Emitterstrom des Differenzverstärkers selbsttätig
auf den doppelten Wert des Kollektorstromes in einem Transistor des Differenzverstärkers
einstellt, so daß die Verstärkung des Differenzverstärkers für das Nutzsignal einen
festen, strom- und widerstandsunabhängigen Wert annimmt, während die Verstärkung
des Gegenkopplungssignals um einen Faktor F > 1 kleiner als die Nutzsignalverstärkung
ist. Diese bekannte Schaltungsanordnung hat eine Einschaltverzögerungszeit, die
proportional dem Spannungsteilerverhältnis des an der Ausgangsspannung liegenden
Netzwerkes zu dem an der Gegenkopplungsspannung liegenden, den Kondensator enthaltenen
Netzwerks ist. Mit dieser Schaltung kann der zur Gleichstromtrennung erforderliche
Kondensator auf 6-7 ßF reduziert werden, womit sich eine Einschaltverzögerung von
ca. 12 ms ergibt. Diese Zeit ist jedoch noch in vielen Fällen zu lang und die Belastung
der die Schaltungsanordnung aufweisenden integrierten Schaltung so hoch, daß der
Baustein lediglich bis 50 mA Schleifenstrom brauchbar ist.
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Trotz seines großen Kondensators, ist seine HF-Verträglichkeit unzureichend,
da die Schaltung keine Gleichtaktunterdrückung besitzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu
verbessern. Insbesondere soll versucht werden, ohne zusätzlichen Kondensator auszukommen,
die Einschaltverzögerun unter 10 ms zu bringen und den Baustein auch für höhere
Schleifenströme geeignet zu machen.
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Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst.
Dadurch daß der ohmsche Spannungsteiler über eine Konstantspannungsquelle auf Bezugspotential
liegt, kann der aufwendige Kondensator eingespart werden. Die Einschaltverzögerung
liegt in der Größenordnung von lediglich 1 ms. Zur Unterdrückung von Hochfrequenzstörungen
genügt es, zwischen den Eingängen einen Kondensator mit einer unter 100 nF liegenden
Kapazität zu schalten. Ist nur HF-Entstörung im UKW-Bereich erforderlich, so genügt
ein integrierter Kondensator von 30 pF.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch
2 gestattet eine einfache galvanische Verbindung zwischen den Verstärkern trotz
unterschiedlicher Potentiale. Bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 kann
die Verstärkung des Bausteins in einfacher Weise an den jeweiligen Hörkapseltyp
angepaßt werden. Die externe Anbringung des Widerstandes R3 an die Hybridschaltung
läßt einen wesentlichen Teil der Wärme außerhalb des Gehäuses entstehen, so daß
die Lebensdauer des Halbleiterchips wesentlich erhöht.
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Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen und einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigen im einzelnen: FIG. 1: Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung; FIG. 2: Ausführliches Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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In FIG. 1 läßt das Blockschaltbild die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in übersichtlicher Form erkennen. Es zeigt einen Mikrofonverstärker mit Mikrofon
M, den Anschlüssen M1 und M2 des Mikrofons an einem Differenzverstärker V1, dem
ein Zwischenverstärker V2 nachgeschaltet ist. Am Ausgang des Zwischenverstärkers
V2 liegt zur Gewinnung eines Gegenkopplungssignals ein aus den Widerständen R1 und
R2 bestehender ohmscher Spannungsteiler, dessen Fußpunkt über eine Konstantspannungsquelle
U4 auf Bezugspotential, die hier mit der Klemme K2 verbunden ist, liegt. Die andere
Klemme der Schaltungsanordnung ist mit K1 bezeichnet.
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Der Abgriff des Spannungsteilers ist über einen weiteren Verstärker
V4 galvanisch mit dem Ausgang des Differenzverstärkers V1 verbunden.
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Der Ausgang des Zwischenverstärkers V2 kann direkt, ist aber hier
im Ausführungsbeispiel über eine Konstantspannungsquelle U2 mit einem Endverstärker
V3 verbunden, dessen Arbeitswiderstand R3 mit der Klemme K1 der Schaltungsanordnung
verbunden ist. Dieser Widerstand R3 bestimmt, wie weiter später erläutert wird,
den Gleichstom- und den Wechselstrominnenwiderstand der Schaltungsanordnung.
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Das vom Mikrofon abgegebene Nutzsignal gelangt über den Differenzverstärker
V1 und den Vorverstärker V2 zum einen über die Konstantspannungsquelle U2 zum Ausgangsverstärker
V3 und fließt damit als verstärkter Strom in die Anschlußklemmen K1 und K2 und damit
in die Teilnehmeranschlußleitung des Fernsprechapparates.
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Die Schaltungsanordnung wird in an sich bekannter Weise von der Teilnehmeranschlußleitung
über vier, dem Verpolungsschutz dienenden Dioden gespeist. Da sie für die Funktion
des Anmeldungsgegenstandes unwesentlich sind, wurden sie in den Figuren nicht dargestellt.
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Der Endverstärker V3 ist praktisch rückwirkungsfrei und hat einen
sehr niedrigen Innenwiderstand, so daß der Widerstand R3 den Innenwiderstand der
Schaltungsanordnung, gemessen zwischen den Klemmen K1 und K2, bestimmt.
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Das am Ausgang des Zwischenverstärkers V2 abgegriffene Gegenkopplungssignal
hat infolge der Konstantspannungsquelle U4 einen Gleichspannungsanteil, der über
den weiteren Verstärker V4 sowohl die Kollektorspannungen der Differenzverstärkertransistoren
des Differenzverstärkers V1 als auch das Potential der Eingangsspannung des Zwischenverstärkers
V2 und dessen Ausgangsspannung bestimmt. Desweiteren wird über die Ausgangsspannung
des Zwischenverstärkers V2 und über die Konstantspannungsquelle U2 die Ausgangsspannung
des Leistungsverstärkers V3 am Widerstand R3 bestimmt.
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FIG. 2 zeigt die einzelnen Komponenten der Verstärker in detaillierer
Form. Die Bezugszeichen in FIG. 2 wurden so gewählt, soweit die nicht mit denjenigen
der FIG. 1 identisch sind, daß Komponenten des Verstärkers Vn mit nl bis n9 bezeichnet
sind.
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Der Differenzverstärker V1 enthält zwei Transistoren 11 und 12 vom
gleichen Leitfähigkeitstyp. ber eine Stromquelle I1 sind die beiden zusammengeschalteten
Emitter der
Transistoren 11 und 12 mit der auf Bezugspotential liegenden
Klemme K2 verbunden.
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Der Eingang des Differenzverstärkers wird durch die jeweilige Basis
der Transistoren 11 und 12 gebildet, die mit den Eingangsklemmen M1 und M2 verbunden
sind. Die Gleichspannungsvorspannung erhalten die Transistoren 11 und 12 über die
jeweils ebenfalls an die Basis angeschlossenen Widerstände 16 und 17, deren anderes
Ende mit einer Konstantspannungsquelle U1 verbunden ist. In den Kollektorzuleitungen
der Transistoren 11 und 12 ist als Arbeitsimpedanz eine Stromspiegelschaltung, bestehend
aus den Transistoren 13 bis 15, vorgesehen. Dabei steuert die Kollektorspannung
des Transistors 11 über die Basis des Transistors 14 diesen soweit auf, bis die
Spannung am Widerstand 16 die Transistoren 13 und 15 an ihrer Basis soweit öffnet,
daß die Summe ihrer Kollektorströme nahezu gleich dem Strom der Konstantstromquelle
I1 ist. Dabei stellt die Basis des Transistors 14 der Eingang der Stromspiegelschaltung
dar und der Kollektor des Transistors 15 der Ausgang der Stromspiegelschaltung.
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Der Zwischenverstärker V2 wird durch die Transistoren 21 und 23 gebildet,
wobei der Widerstand 22 der Emitterwiderstand des Transistors 21 ist, an dessen
emitterseitigem Ende die Basis des Transistors 23 angeschlossen ist.
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Am Kollektor des Transistors 23, welcher Ausgang- des Verstärkers
2 ist, liegt der bereits beschriebene, aus den Widerständen R1 und R2 bestehende
ohmsche Spannungsteiler mit Bezugsspannungsquelle U4.
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Am Abgriff des Spannungsteilers ist der Verstärker V4 angeschlossen,
der im Ausführungsbeispiel ein aus den Transistoren 41 und 42 bestehender Differenzverstärker
ist. Die zusammengeschalteten Emitter der beiden Transistoren sind über die Stromquelle
I4 mit der Klemme K2 verbunden. Der eine Eingang des Differenzverstärkers, gebildet
durch die Basis des Transistors 41, ist mit dem Abgriff des Spannungsteilers und
der andere Eingang, gebildet durch die Basis des Transistors 42, mit dem Fußpunkt
des Spannungsteilers verbunden.
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Als Ausgang-des Verstärkers V4 ist hier der Kollektor des Transistors
41 vorgesehen, der mit dem Kollektor des Transistors 11 des ersten Differenzverstärkers
V1 und damit mit der Basis des Transistors 14, dem Eingang der Stromspiegelschaltung
des ersten Differenzverstärkers V1, verbunden ist. Der andere Ausgang des Differenzverstärkers
V4, gebildet durch den Kollektor des Transistors 42, ist mit dem Kollektor des Transistors
12 des ersten Differenzverstärkers verbunden.
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Der Ausgang des Zwischenverstärkers V2, also in FIG. 2 der Kollektor
des Transistors 23, ist desweiteren über eine Diode als Konstantspannungsquelle
U2 an den Endverstärker V3, bestehend aus den komplementären Transistoren 31 und
32 ulnd dem Widerstand R3 angeschlossen. Der Eingangstransistor 31 der Darlington-Schaltung
ist als Doppelkollektortransistor ausgebildet. Sein erster Kollektor ist mit der
Basis des Ausgangstransistors 32 verbunden und der zweite Kollektor mit dem Emitter
des Ausgangstransistors 32.
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Die Stromquelle I3 läßt über die als Konstantspannungsquelle U2 vorgesehene
Diode den erforderlichen Strom fließen, so daß dadurch die Basisspannung des Transistors
31 der Darlingtonschaltung eindeutig festgelegt ist.
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Im Ausführungsbeispiel wurde für die Bezugsspannungsquelle U1 = 1,2
V, für die Bezugsspannungsquelle U2 = 0,7 V und für die Bezugsspannungsquelle U4
= 1,9 V gewählt, für den Widerstand R1 = 1 k0hm, für R2 = 100 k0hm und für den Widerstand
R3 = 85 Ohm gewählt.
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Das an den Eingangsklemmen M1 und M2 anliegende Nutzsignal wird mit
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung um etwa 52 dB verstärkt. Die Verstärkung
ist über die beiden Widerstände R1 und R2 einstellbar. Es ist daher vorteilhaft,
die Schaltungsanordnung in Hybridtechnik zu realisieren und die Widerstände R1 und
R2 zur Einstellung der jeweils erforderlichen Verstärkung extern- anzubringen.
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Ebenso zweckmäßig ist es, den Widerstand R3 extern vorzusehen, da
er zur Aufnahme unerwünschter Verlustleistungen vorgesehen ist.
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Der Fußpunkt des ohmschen Spannungsteilers liegt für Wechselstrom
über die Konstantspannungsquelle U4, die einen differentiellen Innenwiderstand von
etwa 1 Ohm hat, auf Bezugspotential. Gleichzeitig bestimmt diese Konstantspannungsquelle
U4 auch die mittlere Ausgangsgleichspannung der Schaltungsanordnung, z.B. gemessen
zwischen Kollektor des Transistors 32 und Klemme K2. Für eine Aussteuerbarkeit der
Schaltungsanordnung von 3,3 dBn an den Klemmen K1 und K2 muß die genannte Ausgangsgleichspannung
etwa 3,2 V betragen. Die jeweils verbleibende Spannung bis zum Potential der Klemme
K1 fällt jeweils am Widerstand R3 = 85 Ohm ab.
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Die Schaltungsanordnung beginnt erst oberhalb 3,2 V zu arbeiten, da
bei einer Spannung zwischen den Klemmen K1 und K2 von 3,2 V der Strom durch den
Widerstand R3 etwa 0 ist. Bei einer Klemmenspannung von 3,65 V beträgt der Strom
durch den Widerstand R3 etwa 5 mA und bei einer Klemmenspannung von 14,6 V etwa
120 mA.
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Soll die Schaltung gegen Hochfrequenzeinstreuungen unempfindlich sein,
so empfiehlt sich zwischen den Anschlüssen M1 und M2 einen Kondensator von maximal
100 nF vorzusehen, der in der angegebenen Schaltungsanordnung gleichspannungsfrei
ist.
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Bei einem Schleifenstrom von 120 mA, der praktisch in voller Höhe
durch den Widerstand R3 fließt, entsteht in diesem Widerstand eine Verlustleistung
von etwa 1,1 W, die jedoch bei externer Beschaltung unkritisch ist.
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Die Einschaltverzögerung der Schaltungsanordnung richtet sich nach
dem erforderlichen Kondensator zwischen den Anschlüssen M1 und M2 zur Hochfrequenzunterdrückung.
Wird hierfür ein Kondensator von 100 nF vorgesehen, so liegt die Einschaltverzögerung
in der Größenordnung von 1 ms und ist somit für den vorgesehenen Zweck vernachlässigbar.