DE3627056A1 - Schaltung zur dynamik-kompression oder -expansion in einem nutzsignalweg - Google Patents

Description

Es ist bekannt, die Qualität der Wiedergabe von Tonfrequenz- Darbietungen durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes durch ein Kompression-Expansion-System (Kompandersystem) zu verbessern. Die Nutzsignale werden vor dem gestörten Übertra­ gungsweg, z.B. Leitung oder Tonband, in ihrer Amplitude kom­ primiert und nach der Übertragung expandiert.

Bei einem bekannten Kompandersystem (DE-PS 24 06 258) wird vom Ausgang oder Eingang des Nutzsignalweges ein Zweigweg abgezweigt, in dem aus dem Nutzsignal in einem Steuerspan­ nungserzeuger eine Steuerspannung gewonnen wird, die Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes im Nutzsignalweg, soge­ nannten Stellgliedern, zugeführt wird. Dabei wird die Steuer­ spannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des Übertragungsmaßes zugeführt, und zwar im Sinne einer Gegenre­ gelung des Übertragungsmaßes im Zweigweg.

Die Änderung des Übertragungsmaßes, d.h. der Verstärkung ei­ nes im Signalweg liegenden Verstärkers, erfolgt vorzugsweise über einen dem Verstärker zugeordneten Gegenkopplungsweg mit einem Widerstand, dessen Wert durch die Steuerspannung verän­ derbar ist.

Es ist bekannt (DE-OS 27 07 609), den steuerbaren Widerstand durch einen Feldeffekttransistor (FET) zu realisieren und diesen FET über einen Kondensator an den Weg des Nutzsigna­ les anzuschließen. Durch den Kondensator wird insbesondere erreicht, daß die Gleichstromgegenkopplung des Verstärkers unverändert bleibt und die Steuerspannung nicht als ein scheinbares Nutzsignal am Eingang des Verstärkers erscheint. Da die Steuerspannung sowohl das Übertragungsmaß im Nutzsi­ gnalweg als auch das Übertragungsmaß im Zweigweg beeinflußt, erfordert eine solche Schaltung insgesamt zwei FET.

Es ist auch bekannt, bei derartigen Kompandersystemen eine Aufteilung in mehrere Frequenzbänder vorzunehmen. Das Nutzsi­ gnal durchläuft einen allen Frequenzbändern gemeinsamen Ver­ stärker, der durch mehrere, den einzelnen Frequenzbändern zugeordnete Schaltungen zur Änderung des Übertragungsmaßes gesteuert wird. Eine solche Schaltung mit drei Frequenzbän­ dern für die tiefen (T), die mittleren (M) und die hohen (H) Frequenzen wird z.B. als Dreibandkompander bezeichnet. Eine derartige Schaltung würde also insgesamt sechs FET erfor­ dern. Die Aufteilung in mehrere Frequenzbänder hat den Vor­ teil, daß die Zeitkonstanten der Steuerung den einzelnen Fre­ quenzbändern individuell angepaßt werden können und ein bes­ serer Rauschabstand im Nutzsignalweg erzielt wird.

Die Realisierung von sechs weitestgehend übereinstimmenden FET ist relativ schwierig, da es in der Praxis sechs FET mit der erforderlichen Übereinstimmung nicht gibt. Es sind zwar sogenannte Doppel-FET bekannt. Diese bilden aber nur zwei übereinstimmende FET und sind außerdem relativ teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Kompan­ dersystem der beschriebenen Art mit geringen Kosten die er­ forderliche Anzahl von übereinstimmenden FET zu realisieren.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die Anordnung aller benötigten FET auf einem Halblei­ tersubstrat wird mit Sicherheit die notwendige Übereinstim­ mung der FET hinsichtlich aller ihrer wesentlichen Parameter erreicht. Insbesondere wird sichergestellt, daß alle FET den gleichen Einflüssen insbesondere hinsichtlich Temperatur un­ terworfen sind. Für die Realisierung wird insbesondere ein IC verwendet, das an sich für die Verarbeitung von Digitalsi­ gnalen vorgesehen ist. Ein solches IC wird dabei rein passiv betrieben, indem die Betriebsspannungsklemmen des IC geerdet werden. Ein derartiges IC mit z.B. sechs FET, die für das beschriebene Kompandersystem geeignet sind, ist z.B. das IC MC 4049 der Firma Motorola. Ein derartiges IC beinhaltet FET mit der erforderlichen großen Übereinstimmung und ist zu ei­ nem geringen Preis handelsüblich.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zusätzlich fol­ gende Aufgabe gelöst. Die Steuerspannung an der Steuerelek­ trode des FET, der an den Nutzsignalweg angeschlossen ist, kann auf die Ausgangselektrode des FET und damit in den Nutz­ signalweg gelangen und insbesondere bei starken Sprüngen dort Störungen verursachen. Dies wird dadurch vermieden, daß zwischen der Steuerelektrode und der an den Nutzsignalweg angeschlossenen Ausgangselektrode des FET ein invertierender Wechselspannungsverstärker liegt. Dieser überträgt eine sprungartige Steuerspannung in Gegenphase auf die Ausgangs­ elektrode, so daß dort der an sich auftretende störende Sprung kompensiert wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Steu­ erspannungserzeuger als Doppelweg-Gleichrichter ausgebildet. Vorzugsweise gelangt das Nutzsignal an den nichtinvertieren­ den Eingang und den invertierenden Eingang von zwei Diffe­ renzverstärkern, deren beide Ausgänge über zwei gleichsinnig gepolte Dioden mit dem die Steuerspannung führenden Schal­ tungspunkt verbunden sind. Ein derartiger Steuerspannungser­ zeuger ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit dem ein­ gangs beschriebenen Kompandersystem mit Änderung des Übertra­ gungsmaßes im Nutzsignalweg und im Zweigweg.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung an einem Ausführungs­ beispiel erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des bekannten Kompandersystems mit FET,

Fig. 2 im Prinzip die Realisierung der FET durch ein IC,

Fig. 3 eine praktisch erprobte Schaltung für eine erfindungsgemäß aufgebaute Kompressorschaltung und

Fig. 4 eine entsprechende Expanderschaltung.

Fig. 1 zeigt eine Kompressionsschaltung, wie sie in der DE- PS 24 06 258, Fig. 8 beschrieben ist. Das Nutzsignal U 1 ge­ langt von der Klemme a über den Widerstand 1 auf den Eingang des Verstärkers 2, der an der Klemme c das komprimierte Nutz­ signal U 2 liefert. Die Verstärkung des Verstärkers 2 wird durch das Stellglied 4 gesteuert, das einen veränderbaren Widerstand darstellt, der zusammen mit dem Widerstand 1 eine veränderbare Gegenkopplung bildet. Das Nutzsignal gelangt über den Tiefpaß 3 und den Widerstand 5 zu dem Verstärker 6, dessen Ausgang f an den Steuerspannungserzeuger 8 angeschlos­ sen ist. Dieser liefert am Punkt g die Steuerspannung an das Stellglied 4 und außerdem an das Stellglied 7 parallel zum Verstärker 6. Die Stellglieder 4, 7 im Nutzsignalweg und im Zweigweg enthalten je den symbolisch dargestelten FET, der den steuerbaren Widerstand im Gegenkopplungsweg der Verstär­ ker 2 und 6 darstellt. Eine entsprechende Schaltung ist vor­ gesehen für den hohen Frequenzbereich H und ggf. für weitere Frequenzbereiche, wie durch die gestrichelten Linien angedeu­ tet ist.

Bei drei Frequenzbändern für T, M, H würden somit sechs FET benötigt. Diese insgesamt sechs FET werden realisiert durch einen integrierten Schaltkreis (IC), z.B. vom Typ MC 4049 der Firma Motorola.

Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild von zwei komplementären FET aus einem derartigen IC. Das IC wird passiv betrieben, indem die Betriebsspannungsklemme P 1 des IC nicht an eine Be­ triebsspannung angeschlossen, sondern geerdet ist. Dadurch ist der obere FET wirkungslos. Der untere FET, dessen Steuer­ elektrode mit h und dessen Ausgangselektrode mit i bezeich­ net ist, wird jeweils als FET in den Stufen 4, 7, 4′, 7′ ... in Fig. 1 angewendet. Das genannte IC enthält insgesamt sechs Schaltungen gemäß Fig. 2 und kann daher die sechs in Fig. 1 benötigten FET realisieren.

Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführung der Schaltung nach Fig. 1 als sogenannter Dreibandkompander für drei Frequenz­ bänder T, M, H. Dabei sind die Bauteile, die die einzelnen Stufen in Fig. 1 realisieren, mit den entsprechenden Bezugs­ ziffern von Fig. 1 versehen. Das Nutzsignal U 1 gelangt über den allen Frequenzbändern gemeinsamen Verstärker 2 auf den Ausgang c und steht dort als komprimiertes Signal U 2 zur Ver­ fügung. Der Verstärker 2 enthält im Gegenkopplungsweg, also zwischen den Punkten c und b getrennt für die Frequenzberei­ che T, M, H je ein Stellglied 4 gemäß Fig. 1, das durch ei­ nen Differenzverstärker und einen FET F 1 sowie einen Konden­ sator 13 gebildet ist. Der Aufbau der dem Verstärker 2 zuge­ ordneten Steuerschaltung in den drei Frequenzbändern T, M, H ist praktisch gleich. Im Frequenzband T ist der Tiefpaß 3, im Frequenzband M ein Filter 3′ und im Frequenzband H ein Hochpaß 3′′ vorgesehen. Das Stellglied 7 ist durch einen FET F 2 gebildet, dessen Ausgangselektrode an den Eingang des das Nutzsignal führenden Verstärkers 6 angeschlossen ist. Der Steuerspannungserzeuger 8 enthält jeweils zwei an ver­ schiedenen Eingängen mit dem Nutzsignal gespeiste Differenz­ verstärker 9, 10 und zwei Dioden 11, 12. Diese Bauelemente bilden einen Gegentaktverstärker, dessen Ausgang g die Steu­ erspannung für die FET F 1, F 2 liefert. Die insgesamt sechs FET F 1- F 6 in den Frequenzbändern T, M, H sind in der be­ schriebenen Weise durch ein IC realisiert.

Die Steuerspannung am Punkt g kann sich durch entsprechende Bemessung der Zeitkonstanten des Gleichrichters 8 in der Pra­ xis zwecks Änderung des Übertragungsmaßes sehr schnell än­ dern, z.B. innerhalb von 500 µs bis 1 ms. Diese sprungartige Änderung wird in erwünschter Weise an den Steuerelektroden jeweils der FET F 1, F 2 zur schnellen Änderung der Verstär­ kung der Verstärker 4, 6 wirksam. Es hat sich gezeigt, daß durch eine unvermeidbare Kapazität zwischen der Eingangselek­ trode und der Ausgangselektrode der FET in der Größenordnung von 5 pF dieser schnelle Sprung in der Steuerspannung in un­ erwünschter Weise auch auf die Ausgangselektrode des FET F 1 gelangt. Das bedeutet, daß dieser Sprung im Weg des Nutzsi­ gnals am Verstärker 4 wirksam wird und dadurch das Nutzsi­ gnal verfälscht oder stört. Zur Verringerung dieses Einflus­ ses ist zusätzlich die Schaltung mit dem Transistor T 1 vorge­ sehen. An die Basis des Transistors T 1 gelangt die Steuer­ spannung vom Punkt g über den Kondensator 14. Der Kondensa­ tor 14 überträgt jeweils einen Sprung in der Steuerspannung auf die Basis des Transistors T 1. Der Sprung wird in der Pha­ se umgekehrt und gelangt über den Kondensator 15 mit glei­ cher Amplitude und Gegenphase auf die Ausgangselektrode des FET F 1. Dadurch wird der unerwünschte Sprung der Steuerspan­ nung an der Ausgangselektrode des FET F 1, also am Eingang des Verstärkers 4, weitestgehend kompensiert. Durch den Sprung in der Steuerspannung wird der Widerstandswert des FET F 1 in erwünschter Weise verändert, während der Sprung selbst in erwünschter Weise nicht an der Ausgangselektrode des FET F 1 erscheint.

Fig. 4 zeigt eine Expansionsschaltung, die die gemäß Fig. 3 in der Amplitude komprimierten Signale wieder expandiert, also zusammen mit der Fig. 3 ein Kompandersystem bildet. Die Schaltung ist ähnlich aufgebaut wie die nach Fig. 3, wobei lediglich die Änderung der Übertragungsmaße der Verstärker im Nutzsignalweg und im Zweigweg gegensinnig zu der in Fig. 3 erfolgt. Im Weg des Nutzsignals U 1- U 2 liegt im Gegen­ satz zu Fig. 3 nicht ein gemeinsamer Verstärker 2, sondern parallel drei Verstärker 2, 2′, 2′′ für die Frequenzbänder H, M, T. Für die Steuerung der Verstärkung der Verstärker 2 und 6 sind wiederum ingesamt sechs FET F 1- F 6 erforderlich, die wieder in der beschriebenen Weise durch ein IC gebildet wer­ den.

Die Expansionsschaltung gemäß Fig. 4 hat vorzugsweise auch die anhand von Fig. 3 beschriebene Schaltung zur Kompensati­ on des Sprunges mit dem Transistor T 1 zwischen der Steuer­ elektrode und der Ausgangselektrode jeweils des FET F 1, F 3, F 5. Diese Schaltung ist in Fig. 4 lediglich zur Vereinfa­ chung nicht dargestellt.

Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel für Fig. 3 lagen folgende Werte vor:

R 1:2,2 kOhmC 13:100 µFC 14:22 nFC 15:5,6 pF Kollektorwiderstand von T 1 :22 kOhm

Claims (11)

1. Schaltung zur Dynamik-Kompression oder -Expansion in einem Nutzsignalweg, bei der getrennt für mehrere Fre­ quenzbereiche (T, M, H) jeweils in einem Zweigweg mit einem Steuerspannungserzeuger (8) aus dem Nutzsignal Steuerspannungen gewonnen werden, die das Übertra­ gungsmaß im Nutzsignalweg und im Zweigweg mit je ei­ nen Feldeffekttransistor (F 1- F 6) enthaltenden Stell­ gliedern (4, 7) ändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (F 1- F 6) aller Wege und Frequenzbereiche (T, M, H) auf einem gemeinsamen Halb­ leitersubstrat angeordnet sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die entsprechende Zahl von Feldeffekttransi­ storen enthaltender integrierter Schaltkreis verwen­ det ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis passiv betrieben ist, indem die Betriebsspannungsklemmen (P 1) geerdet sind (Fig. 2).

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der integrierte Schaltkreis ein für digitale Signale vorgesehenes IC der Art vom Typ MC 4049 ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors (F 1- F 6) mit der an den Nutzsignalweg angeschlosse­ nen Ausgangselektrode über einen invertierenden Wech­ selspannungsverstärker (T 1) verbunden ist (Fig. 3).

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode über einen ersten Kondensator (14) mit der Basis eines Transistors (T 1) verbunden ist, dessen Kollektorwiderstand mit der Ausgangselek­ trode verbunden ist (Fig. 3).

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektorwiderstand und der Ausgangs­ elektrode ein zweiter Kondensator (15) liegt.

8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (14) einen Wert in der Grö­ ßenordnung von 20 nF hat.

9. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (15) einen Wert in der Grö­ ßenordnung von 6 pF hat.

10. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerspannungserzeuger (8) ein Doppelweg­ gleichrichter ist.

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter zwei Differenzverstärker (9, 10) enthält, deren nicht invertierendem bzw. invertie­ rendem Eingang das Nutzsignal zugeführt ist und deren Ausgänge über zwei gleichsinnig gepolte Dioden (11, 12) mit dem die Steuerspannung führenden Punkt (g) verbunden sind.