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Beschreibung
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Verstärkerschaltung mit vorgebbarem Wechselstrominnenwiderstand Die
Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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In Fernmeldeanlagen werden die Endgeräte, wie z.B. die Fernsprechapparate
über die Übertragungsleitung (Teilnehmeranschlußleitung) gespeist. Gleichzeitig
mit dem Speisestrom wird eiii Wechselstromsignal beim Sprechen von dem Fernsprechapparat
ausgehend und beim Hören zum Fernsprechapparat hin, übertragen. Je nach Batteriespannung,
Innenwiderstand der Speiseschaltung und zulässigem LeiturIgswiderstand der Ferrimeldeleitung
schwankt der Speisestrom
zwischen 17 mA und 100 mA mit dem ein Fcrnsprechapparat
seinen Betriebsstrom decken muß. Eine Tendenz zu noch kleineren Betriebsströmen
ist unverkennbar. Gerade bei langen Teilnehmerleitungen und somit hohem Leitungswiderstand
ist der Speisestrom niedrig und seitens des Fernsprechapparates werden hohe Ausgangssignaipegel
erwartet, 1 um die Leitungsdämpfungen zu überwinden. Gleichzeitig wird auf kostante
übertragungstechnische Parameter Wert gelegt, wobei der große Temperatur- und Betriebsstrombereich
einwandfrei funktionierende und in ihrer Funktion leicht zu durchschauende Schaltungen
verlangt.
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Aus der schweizer Patentschrift CH-PS 592 392 ist eine Verstärkerschaltung
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art bekannt. Sie enthält ein
Speiseglied zur Speisung mindestens eines Verstärkers, das aus einer a die beiden
Adern der Teilnehmerleitung angeschlossenen Reihenschaltung eines Impedanzgliedes
und eines spannungsbegrenzenden Elementes besteht. Das Impedanzglied ist dabei als
gegengekoppelte Transistorschaltung und das spannungsbegrenzende Element als Zenerdiode
mit parallel geschaltetem Speicherkondensator ausgebildet. Infolge der Reihenschaltung
des Impedarizglieds mit dem Speiseglied steht infolge des Spannungsabfalls am Impedanzglied
dem Speiseglied bei langen Teilnehmerleitungen nicht die maximale Klemmenspannung
zur Verfügung, so daß gerade in diesem Fall, wo hohe Ausgangssignalpegel des Fernsprechapparates
verlangt werden, mit Schwierigkeiten zu rechnen ist.
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Die Funktionen "Signaleinspeisung in die Leitung" und "Erzeugung eines
bestimmten vorgegebenen Abschlußwiderstandes" können in elektronischen Fernsprechapparaten
auch durch einen Verstärker mit hohem lnnenwiderstand für die Signaleinspeisung
und eine zweite, dazu parallel liegende Schaltung mit dem geforderten Abschlußwiderstand
realisiert werden.
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Zur Erzeugung des gewünschten Abschlußwiderstandes kann die Reibenschaltung
eines Kondensators mit einem Widerstand der gefoorderten Größe verwendet werden.
Der Kondensator müßte jedoch eine Größe von etwa 10 µF haben uiid wäre daher nicht
integrierbar.
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Wie FIG. 1 zeigt, läßt sich das Problem auch dadurch lösen, daß neben
dem Verstärker A mit Signaiquelle 2, Vorspaiiiiuiig 1 uiid einem dadurch ciiieii
Widerstand 4 im Emitter gegengekoppelten Transistor 3 ein getrennter Verstärker
B mit einen iii Emitter durch einen Widerstand 8 gegengekoppelten Transistor 7 mit
Basisspannungsteilerwiderständen 5 und 6 verwendet wird, dessen Inncnwiderstand
durch geeignete Wahl der Widerstände 5, 6 und 8 aui' dcn gewünschten Wert des Abschlußwiderstandes
gebracht werden kann. Mit a und b sind in FIG. 1 die beiden Leitungen der Übertragungsleitung
bezeichnet, von denen di Leitung b infolge der Gleichstromeinspeisung über die Übertragungsleitung
stets positiv gegenüber der Leitung a bleibt.
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Ist z.B. ein Abschlußwiderstand der Übertragungsleitung seitens des
Endgerätes von 600 0 gefordert und die Impedanz der Üertragungslei tuiig ebenfalls
600 O, dann arbeitet der Verstärker A für Wechselstromsignale auf einen Außenwiderstand
von
300 0. Wird ferner ein Signalpegel volt +3 dBm am Ausgaiig des Verstärkers A gefordert,
so muß der Verstärker A zwischen den Leitungen a und b eine Spitzenspannung von
Up = 1,55 V und einen Spitzenstrom von I = 5,16 mA aufbringeii. Hierzu erfordert
der Verstärker A p einen Gleichstrom von mindestens 6 mA. Der Verstärker B zur Erzeugung
eines Abschlußwiderstandes von 600 0 nimmt von dem Wechselstrom des Verstärkers
A die Hälfte, also 2,58 mA auf und muß folglich auf einen Ruhestrom von mindestens
3 mA eingestellt werden. Die Verstärker A und B nehmen somit zusammen etwa 9 mA
auf. Da im ungünstigsten Fall das Endgerät lediglich 17 mA aus der Übertragungsleitung
als sogenannten Schleifenstrom erhält, verbleiben lediglich 8 mA für de Bedarf der
restlichen Elektronik des Endgerätes, was oft nicht ausreicht.
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In der DE-OS 29 46 306 wird eine Schaltung der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 genannten Art beschrieben, bei der, wie FIG. 2 zeigt, die als
Gegenkopplung dienende Impedanz aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes
23 mit einem Kondensator 24 besteht. Dabei ist die Verstärkerschaltung mit zwei
NPN-Transistoren 16 und 18 aufgebaut, wobei der Emitter des Transistors 18 mit der
negativen Leitung a der Übertragungsleitung, der Kollektor zum einen über eine Konstantstromquelle
17 mit der positiven Leitung b der Übertragungsleitung und zum anderen mit der Basis
des Transistors 16 verbunden ist, der Kollektor des Transistors 16 mit der positiven
Leitung b der Ubertragungsleitung und der Emitter des Transistors 16 zum einen über
einen Widerstand 15 mit der negative Leitung a der Übertragungsleitung und zum anderen
über einen Widerstand 14 zum einen mit der Basis des
Transistors
18 und zum anderen über einen Widerstand 13 Illit eiiier Signalquelle 12 verbunden
ist. Der Kondensator 24 der Reihenschaltung ist mit seinem freien Ende an die positive
Leitung b der Übertragungsleitung und der Widerstand 23 an eine Diode 22 einer an
der negativen Leitung a liegenden, aus einer Diode 22 und einem NPN-Tranalstor 21
bestchenden Stromspiegelschaltung angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 21
ist zum einen über eine Konstantstromquelle 19 mit der positiven Leitung b der Übertragungsleitung
und zum anderen mit der Basis des Transis tors 18 verbunden. Parallel zum Kondensator
24 ist ciiie Konstantstromquelle 25 geschaltet, die durch den ohmschen Widerstand
23 einen konstanten Stroiii treibt.
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Ferioer ist zwischen dem Widerstand 23 und doni Kondensator 24 ein
zwischen den Leitungen a und b der Übertragungsleitung geschalteter Querregler 26
bis 28 angeschlossen.
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Der Querregler ist vorzugsweise als komplementäre Darlingtonschaltung
ausgebildet.
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Durch diese Maßnahmen kann der Verstärker nicht nur d geforderten
Signalstrom liefern, sondern besitzt einen Innenwiderstand 1 der durch eine bestimmte
Bemessung der Gegenkopplung den geforderten Abschlußwiderstand hat, ohne daß durch
do Abschlußwiderstand Signalenergie und Speisespannungsenergie verloren geht. Der
eingesparte Ruhestrom der Verstärker A und 13 kann somit anderweitig im Endgerät
verwendet werden und der die Speisespannung begrenzende Spannungsabfall am Impedanzglied
wird vermieden. Die Lösung ermöglicht eine ciiifache Integration der Verstärkerschaltung.
Der für die Gegenkopplung verwendete Widerstand wird gleichzeitig als Quelle einer
im Mittel kon-
stanten Spannung ausgenützt, so daß mittels des
an diesem Widerstand angeschlossen Querreglers in Abhängigkeit von dem Widerstand
der Übertragungsleitung jeweils so viel Strom über don Querreglor abgeleitet wird,
daß die Spannutig an der Verstärkerschaltutig und damit dJI allen clektronischen
Schaltungen des Teilnehmerendgerätes im Mittel konstant bleibt und die Betriebsbedingungen
auch im vorgegebenen Temperaturbereich eingehalten werden können. Durch diese Maßnahme
steht der Verstärkerschaltung auch bei langen Übertragungsleitungen die maximal
mögliche Betriebsspannung zur Verfügung.
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Die in der DE-OS 29 46 306 beschriebene Schaltung ist jedoch lediglich
für die Erzeugung ohmscher Wechselstrominnenwiderstände vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der DE-OS 29 46
306 bekannte Schaltung so auszubilden, daß mit den gleichen Vorteilen auch komplexe
Wechselstrominnenwiderstände realisierbar sind. Diese Aufgabe wird durch die im
Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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FIG. 3 zeigt die Schaltung der an die Stelle der Widerstände 13 und
23 tretenden Widerstände zur Erzeugung eines komplexen Wechselstrominnenwiderstandes
und FIG. 4 zeigt die Ersatzschaltung eines geforderten komplexen Wechselstrominnenwiderstandes.
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Der komplexe Wechselstrominnenwiderstand der Schaltung nach FIG. 2,
zusätzlich kombiniert mit einer konstanten
Leerlaufwechselspannung
zwischen den Klemmen a und b, wird dadurch erreicht, daß sowohl der Widerstand 13
als auch der Widerstand 23 jeweils als komplexer Widerstand ausgebildet werden.
In vorteilhafter Weise wird jeder komplexe Widerstand aus einer Reihenschaltung
eines chmschen Widerstandes mit einer Parallelschaltung eines zweiten ohmschen Widerstandes
mit einem Kondensator zusammengesetzt.
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In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für den Ersatz der Widerstände
13 und 23 durch je einen komplexen Widerstand dargestellt. Beispielsweise wird der
Widerstand 13 zwischen seinen Anschlüssen D und E durch die nebenstehende Schaltung
mit den Widerständen 133 und 131 und dcnl Kondensator 132, der parallel zuiii Widerstand
131 geschaltet ist, ersetzt. Entsprechend wird der Widerstand 23 durch eine Schaltung
substituiert, die aus den Widerständen 231 und 233 und dem Kondensator 232 besteht,
der parallel zum Widcrstaiid 231 geschaltet ist. Die Reihenfolge der Parallelschaltung
und des Widerstandes in der Reihenschaltung ist beliebig. Sie kann daher bei der
Integration der Schaltung auf einem Halbleiterchip den Platzverhältnissen angepaßt
werden.
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Für die Dimensionierung der koomplexen Widerstände gilt folgendes:
Ist z.B. ein komplexer Wechselstrominnenwiderstand Z gemäß Fig. 4 gefordert, der
aus der Reihenschaltung eines Widerstandes Rr = 220 0 mit einer Parallelschaltung
aus einem Widerstand Rp = 820 0 und eincm Kondensator Cp = 115 nF besteht, so folgt
für die zu substituierenden Widerstände 23 und 13 unter der Annahme, daß die Stromverstärkung
der Transistoren 26 und 27 (in Fig.
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2) zusammen F = 24 und das Verhältnis VL = ubaL/u12 = = 6
ist,
wobei Ubal. die Leerlaufwechselspannung der Schaltung ist, die zwischen den Klemmen
b und a liegt, wenn der Abschlußwiderstand an den Klemmen a und b als unendlich
groß angenommen wird/und u12 die Leerlaufwechaelspannung der Signalquelle 12 ist,
: Z23 = (F+1)#Z = 25#Z.
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Damit ist: R233 = (F+1)#Rr = 5,5 k@ , R231 = (F+1)#Rp = 20,5 k@ und
C232 = Cp/(F+1) = 4,6 nF.
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Für die an die Stclle des Widerstandes R13 zu setzenden Bauclemente
gilt: F 24 Z13 = Q#Z, wobei Q = = = 4.
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L Damit ist: R133 = Q#Rr = 880 @, R131 = Q#Rp = 3,3 k@ und C132 =
C p/Q = 29 nF.
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Der durch die Schaltung gemäß Fig. 2 untcr Verwendung der in Fig.
3 dargestellten Bauelemente erzeugte komplexe
Wechselstrominnenwiderstand
ist in vorteilhafter Weise proportional zu den Eigenschaften der gewählten Ersatzschaltung.
Er hat folglich den gleichen Verlauf der Ortskurve. Der @nnenwiderstand der Signalquelle
12 kann in einfacher Weise durch Korrektur des Widerstandes R133 berücksichtigt
werden.
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Die Verlustleistung durch die Ersatzschaltung ist etwa F-mal - im
Ausführungsbeispiel also etwa 24-mal - niedriger als die des nicht durch eine Gegenkopplung
erzeugten komplexen Widerstandes z.B. durch die Schaltung gem. Fig.4.
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- L e e r s e i t e -