DE3401730C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Fernmeldeanlagen werden die Endgeräte, wie z. B. die Fernsprechapparate über die Übertragungsleitung (Teilnehmer­ anschlußleitung) gespeist. Gleichzeitig mit dem Speisestrom wird ein Wechselstromsignal beim Sprechen von dem Fernsprechapparat ausgehend und beim Hören zum Fernsprech­ apparat hin übertragen. Je nach Batteriespannung, Innen­ widerstand der Speiseschaltung und zulässigem Leitungswider­ stand der Fernmeldeleitung schwankt der Speisestrom zwischen 17 mA und 100 mA mit dem ein Fernsprechapparat seinen Betriebsstrom decken muß. Eine Tendenz zu noch kleineren Betriebsströmen ist unverkennbar. Gerade bei langen Teilnehmerleitungen und somit hohem Leitungswider­ stand ist der Speisestrom niedrig und seitens des Fern­ sprechapparates werden hohe Ausgangssignalpegel erwartet, um die Leitungsdämpfungen zu überwinden. Gleichzeitig wird auf konstante übertragungstechnische Parameter Wert gelegt, wobei der große Temperatur- und Betriebsstrombereich einwandfrei funktionierende und in ihrer Funktion leicht zu durchschauende Schaltungen verlangt.

Aus der Schweizer Patentschrift CH-PS 5 92 392 ist die Lehre bekannt, Fernsprechleitungen mit einer komplexen Impedanz abzuschließen. Die dort angegebene Verstärkerschaltung enthält ein Speiseglied zur Speisung mindestens eines Verstärkers, das aus einer an die beiden Adern der Teilnehmerleitung angeschlossenen Reihenschaltung eines Impedanzgliedes und eines spannungs­ begrenzenden Elementes besteht. Das Impedanzglied ist dabei als gegengekoppelte Transistorschaltung und das spannungsbegrenzende Element als Zenerdiode mit parallel geschaltetem Speicherkondensator ausgebildet. Infolge der Reihenschaltung des Impedanzgliedes 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 Fernsprech­ apparates verlangt werden, mit Schwierigkeiten zu rechnen ist.

Die Funktionen "Signaleinspeisung in die Leitung" und "Erzeugung eines bestimmten vorgegebenen Abschlußwider­ standes" können in elektronischen Fernsprechapparaten auch durch einen Verstärker mit hohem Innenwiderstand für die Signaleinspeisung und eine zweite, dazu parallel liegende Schaltung mit dem geforderten Abschlußwiderstand realisiert werden.

Zur Erzeugung des gewünschten Abschlußwiderstandes kann die Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand der geforderten Größe verwendet werden. Der Kondensator müßte jedoch eine Größe von etwa 10 µF haben und wäre daher nicht integrierbar.

Wie Fig. 1 zeigt, läßt sich das Problem auch dadurch lösen, daß neben dem Verstärker A mit Signalquelle 2, Vorspannung 1 und einem durch einen Widerstand 4 im Emitter gegengekoppelten Transistor 3 ein getrennter Verstärker B mit einem im Emitter durch einen Widerstand 8 gegengekoppelten Transistor 7 mit Basisspannungsteilerwiderständen 5 und 6 verwendet wird, dessen Innenwiderstand durch geeignete Wahl der Widerstände 5, 6 und 8 auf den gewünschten Wert des Abschlußwiderstandes gebracht werden kann. Mit a und b sind in Fig. 1 die beiden Leitungen der Übertragungsleitung bezeichnet, von denen die Leitung b infolge der Gleichstromeinspeisung über die Übertragungs­ leitung stets positiv gegenüber der Leitung a bleibt.

Ist z. B. ein Abschlußwiderstand der Übertragungsleitung seitens des Endgerätes von 600 Ω gefordert und die Impedanz der Übertragungsleitung ebenfalls 600 Ω, dann arbeitet der Verstärker A für Wechselstromsignale auf einen Außen­ widerstand von 300 Ω. Wird ferner ein Signalpegel von +3 dBm am Ausgang des Verstärkers A gefordert, so muß der Verstärker A zwischen den Leitungen a und b eine Spitzen­ spannung von U _p = 1,55 V und einen Spitzenstrom von I _p = 5,16 mA aufbringen. Hierzu erfordert der Verstärker A einen Gleichstrom von mindestens 6 mA. Der Verstärker B zur Erzeugung eines Abschlußwiderstandes von 600 Ω 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 Übertragungs­ leitung als sogenannten Schleifenstrom erhält, verbleiben lediglich 8 mA für den Bedarf der restlichen Elektronik des Endgerätes, was oft nicht ausreicht.

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 Konstantenstromquelle 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 Übertragungsleitung und der Emitter des Transistors 16 zum einen über einen Widerstand 15 mit der negativen 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 mit einer 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-Transistor 21 bestehenden Stromspiegelschaltung angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 21 ist zum einen über eine Konstanten­ stromquelle 19 mit der positiven Leitung b der Übertragungs­ leitung und zum anderen mit der Basis des Transistors 18 verbunden. Parallel zum Kondensator 24 ist eine Konstantstromquelle 25 geschaltet, die durch den ohmschen Widerstand 23 einen konstanten Strom treibt.

Ferner ist zwischen dem Widerstand 23 und dem Kondensator 24 ein zwischen den Leitungen a und b der Übertragungs­ leitung geschalteter Querregler 26 und 28 angeschlossen. Der Querregler ist vorzugsweise als komplementäre Darlington­ schaltung ausgebildet.

Durch diese Maßnahmen kann der Verstärker nicht nur den geforderten Signalstrom liefern, sondern besitzt einen Innenwiderstand, der durch eine bestimmte Bemessung der Gegenkopplung den geforderten Abschlußwiderstand hat, ohne daß durch den Abschlußwiderstand Signalenergie und Speise­ spannungsenergie verloren geht. Der eingesparte Ruhestrom der Verstärker A und B kann somit anderweitig im Endgerät verwendet werden und der die Speisespannung begrenzende Spannungsabfall im Impedanzglied wird vermieden. Die Lösung ermöglicht eine einfache Integration der Verstärker­ schaltung. Der für die Gegenkopplung verwendete Widerstand wird gleichzeitig als Quelle einer im Mittel konstanten Spannung ausgenützt, so daß mittels des an diesem Widerstand angeschlossenen Querreglers in Abhängigkeit von dem Widerstand der Übertragungsleitung jeweils so viel Strom über den Querregler abgeleitet wird, daß die Spannung an der Verstärkerschaltung und damit an allen elektronischen 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.

Die in der DE-OS 29 46 306 beschriebene Schaltung ist jedoch lediglich für die Erzeugung ohmscher Wechselstrom­ innenwiderstände vorgesehen.

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 Wechselstrominnen­ widerstände realisierbar sind. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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.

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 ohmschen Widerstandes mit einer Parallelschaltung eines zweiten ohmschen Widerstandes mit einem Kondensator zusammengesetzt.

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 dem Konden­ sator 132, der parallel zum 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 Widerstand 231 geschaltet ist. Die Reihenfolge der Parallel­ schaltung und des Widerstandes in der Reihenschaltung ist beliebig. Sie kann daher bei der Integration der Schaltung auf einem Halbleiterchip den Platzverhältnissen angepaßt werden.

Für die Dimensionierung der komplexen Widerstände gilt folgendes: Ist z. B. ein komplexer Wechselstrominnenwiderstand Z gemäß Fig. 4 gefordert, der aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R _r = 220 Ω nit einer Parallel­ schaltung aus einem Widerstand R _p = 820 Ω und einem Kondensator C _p = 115 nF besteht, so folgt für die zu sub­ stituierenden Widerstände 23 und 13 unter der Annahme, daß die Stromverstärkung der Transistoren 26 und 27 (in Fig. 2) zusammen F = 24 und das Verhältnis V _L = u _baL /u₁₂ = 6 ist, wobei U _baL die Leerlaufwechselspannung der Schaltung ist, die zwischen den Klemmen b und a liegt, wenn der Abschluß­ widerstand an den Klemmen a und b als unendlich groß angenommen wird, und u₁₂ die Leerlaufwechselspannung der Signalquelle 12 ist:

Z₃₃= (F + 1) · Z = 25 · Z.

Damit ist:

R₂₃₃= (F + 1) · R _r = 5,5 kΩ R₂₃₁= (F + 1) · R _p = 20,5 kΩ und C₂₃₂= C _p /(F + 1) = 4,6 nF.

Für die an die Stelle des Widerstandes R₁₃ zu setzenden Bauelemente gilt:

Damit ist:

R₁₃₃= Q · R _r = 880 Ω R₁₃₁= Q · R _p = 3,3 kΩ und C₁₃₂= C _p /Q = 29 nF.

Der durch die Schaltung gemäß Fig. 2 unter 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 Innenwiderstand der Signalquelle 12 kann in einfacher Weise durch Korrektur des Widerstandes R₁₃₃ berücksichtigt werden.

Die Verlustleistung durch die Ersatzschaltung ist etwa F-mal - im Ausführungsbeispiel also etwa 24mal - niedriger als die des nicht durch eine Gegenkopplung erzeugten komplexen Widerstandes z. B. durch die Schaltung gem. Fig. 4.

Claims (4)

1. Verstärkerschaltung mit vorgebbarem Wechselstrominnen­ widerstand mit Fernspeisung über eine Übertragungsleitung (a, b), über die gleichzeitig mit dem Speisestrom ein Wechselstromsignal von oder zu der Verstärkerschaltung übertragen wird, insbesondere für elektronische Fern­ sprechapparate, bei der der Strom einer zwischen der negativen Leitung (a) und der positiven Leitung (b) der Übertragungsleitung angeschlossenen Impedanz als Gegenkopplung der Verstärkerschaltung (A) zugeführt ist und der vorgegebene Wechselstrominnenwiderstand durch die Endstufe der Verstärkerschaltung (A) infolge der Gegenkopplung gebildet ist, bei der die Impedanz aus der Reihenschaltung (23, 24) eines ersten Widerstandes (23) mit einem Kondensator (24) besteht, die Verstärkerschaltung mit zwei NPN-Transistoren (16, 18) aufgebaut ist, wobei der Emitter des ersten Transistors (18) mit der negativen Leitung (a) der Über­ tragungsleitung, der Kollektor zum einen über eine Konstant­ stromquelle (17) mit der positiven Leitung (b) der Über­ tragungsleitung und zum anderen mit der Basis des zweiten Transistors (16) verbunden ist, der Kollektor des zweiten Transistors (16) mit der positiven Leitung (b) der Über­ tragungsleitung und der Emitter des zweiten Transistors (16) zum einen über einen ersten Widerstand (15) mit der negativen Leitung (a) der Übertragungsleitung und zum anderen über einen zweiten Widerstand (14) zum einen mit der Basis des ersten Transistors (18) und zum anderen über einen zweiten Widerstand (13) mit einer Signalquelle (12) verbunden ist, der Kondensator (24) der Reihenschaltung (23, 24) mit seinem freien Ende an die positive Leitung (b) der Über­ tragungsleitung und der erste Widerstand (23) an eine Diode (22) einer an der negativen Leitung (a) liegenden, aus einer Diode (22) und einem dritten NPN-Transistor (21) bestehenden Stromspiegelschaltung angeschlossen ist, bei der der Kollektor des dritten Transistors (21) zum einen über eine zweite Konstantstromquelle (19) mit der positiven Leitung (b) der Übertragungsleitung und zum anaderen mit der Basis des ersten Transistors (18) verbunden ist und bei der parallel zum Kondensator (24) der Reihenschaltung (23, 24) eine Konstantstromquelle (25) geschaltet ist, die durch den komplexen Widerstand (23) einen konstanten Gleichstrom treibt, und zwischen dem komplexen Widerstand (23) und dem Kondensator (24) ein zwischen den Leitungen (a, b) der Übertragungsleitung geschalteter Querregler (26 bis 28) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (23) und der zweite Widerstand (13) komplex sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querregler (26 bis 28) eine aus einem PNP-Transistor (27) bestehende komplementäre Darlingtonschaltung ist, bei der die als Eingang dienende Basis des PNP-Transistors (26) zwischen dem ohmschen Widerstand (23) und dem Kondensator (24) der Reihenschaltung (23, 24) angeschlossen ist, bei der der Emitter des PNP-Transistors (26) über einen Widerstand (28) mit der positiven Leitung (b) der Über­ tragungsleitung und der Emitter des vierten NPN-Transistors (27) direkt mit der negativen Leitung (a) der Übertragungsleitung verbunden ist.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verstärkerschaltung zugeführte Signalspannung der Signalquelle (12) durch eine in Fluß­ richtung betriebene Diode (11) gegen Temperaturdrift ihrer Gleichspannungsänderungen gegenüber der negativen Leitung (a) der Übertragungsleitung stabilisiert ist.

4. Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste komplexe Widerstand (23) und zweite komplexe Widerstand (13) jeweils aus einer Reihenschaltung eines ersten ohmschen Widerstandes (233 bzw. 133) mit der Parallelschaltung eines zweiten ohmschen Widerstandes (231 bzw. 131) mit einem Kondensator (232 bzw. 131) besteht.