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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leitungstreiberschaltung zum
Treiben von an einer Zweidrahtleitung anliegenden Signalen, insbesondere
zum Einsatz auf Linecards für
Vermittlungsstellen von Fernsprechkommunikationssystemen.
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Um
zu übertragende
Signale über
herkömmliche
Zweidrahtleitungen in Telekommunikationsnetzen zu übertragen,
müssen
die Signale durch sogenannte Leitungstreiber verstärkt werden.
Dies geschieht in der Regel in Vermittlungsstellen der Kommunikationsanbieter,
wo auf sogenannten Linecards beispielsweise 64 Leitungstreiberschaltungen
zum Treiben von Signalen auf 64 Teilnehmerleitungen angeordnet sind.
Die entsprechenden Leitungstreiberschaltungen werden dann von derselben
Spannungsversorgung bedient, welche auch zum Speisen der Teilnehmerleitungen
selbst verwendet wird. In europäischen
Fernsprechnetzen ist dies meist eine zentrale Batteriespannung von
VBAT = –48
Volt.
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Halbleiterbauelemente,
welche eine Spannungsfestigkeit von dieser Größenordnung aufweisen, genügen jedoch
in der Regel nicht den Frequenzanforderungen, welche durch die Art
der zu übertragenden
Signale über
die Teilnehmerleitungen vorgegeben sind. Insbesondere bei der gleichzeitigen
Datenübertragung über Telefonleitungen
in hohen Frequenzbereichen beispielsweise in xDSL-Anwendungen, sind
Halbleiterbauelemente mit einer geringeren Spannungsfestigkeit um
20 bis 24 Volt geeigneter, da deren Transitfrequenzen höher liegen.
Bei heutigen ADSL-Leitungstreibern werden daher Versorgungsspannungen
von 20 bis 24 Volt verwendet. Da die Standardversorgungsspannung
bzw. Speisespannung der Zweidrahttelefonleitung 48 Volt beträgt, ist dazu
ein DC-DC-Wandler notwendig, welcher den Spannungshub von 48 Volt
zwischen VBAT und Masse GND auf eine Versorgungsspannung von etwa
24 Volt für
die Treiberbausteine wandelt.
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In
der 6 ist eine Schaltungsanordnung für einen
Leitungstreiber nach dem Stand der Technik dargestellt. Dazu ist
ein DC-DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler DCC vorgesehen, der eine
Speisespannung GND, VBAT in einen Versorgungsspannungshub von 24
Volt zwischen Masse GND und einem Versorgungsspannungspotenzial
VS = 24 Volt wandelt. Es sind ferner zwei Operationsverstärker OP1,
OP2 vorgesehen, die jeweils mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss
an Masse GND und einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss an
das versorgungsspannungspotenzial VS = 24 Volt angeschlossen sind.
Jedem der Operationsverstärker
OP1, OP2 ist ein zu treibendes Signal +IN, –IN über einen Kondensator C3, C4
eingekoppelt. Die Operationsverstärker OP1, OP2 liefern an ihren
Ausgängen
jeweils ein verstärktes
bzw. getriebenes Signal an eine Hybridschaltung HY. Die Hybridschaltung
dient im Wesentlichen der Echounterdrückung und ist über ein
erstes Anschlusspaar an einen ADSL-Transceiver koppelbar. Die Kopplung der
Hybridschaltung HY an das eigentliche Telefonleitungspaar a, b erfolgt über einen
Transformator TR, welcher aus Spulen L und Kondensatoren C1, C2
aufgebaut ist.
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Bei
der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik geschieht die
Spannungsversorgung der beiden Operationsverstärker OP1, OP2 durch den DC-DC-Wandler
DCC, welcher typischerweise einen Wirkungsgrad von 80–85% aufweist. Beim
Treiben von Signalen ist demnach eine hohe Verlustleistung in Kauf
zu nehmen. Nur durch die Wandlung auf die gegenüber dem Versorgungsspannungshub
der Speisespannung VBAT niedrigere Versorgungsspannung VS für die Operationsverstärker können diese
in einer Fertigungstechnologie hergestellt werden, die eine Spannungsfestigkeit
von nur rund 30 Volt gewährleistet.
Dadurch erreichen die Verstärker
eine ausreichend hohe Transitfrequenz und Linearität.
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Nachteilig
ist bei der Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik vor allem
die hohe Verlustleistung durch den DC-DC-Wandler und sein hoher Schaltungsaufwand.
Dem DC-DC-Wandler DCC werden sowohl während einer positiven Signalhalbwelle
des zu treibenden Signals +IN, –IN
als auch während
einer negativen Signalhalbwelle ein Strom entnommen. Insgesamt wird
durch die große
Leistungsaufnahme eine Integration solcher Treiberschaltungen auf
Linecards erschwert.
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Es
ist aus der US 2004/0174993 A1 eine Leitungstreiberschaltung bekannt,
bei der zwei Operationsverstärker
mit ihren Versorgungsanschlüssen über eine
gesteuerte Schalteinheit seriell zwischen einer Versorgungsspannung
der Leitungstreiberschaltung schaltbar sind. Es ist dabei vorgesehen, bei
positiven Halbwellen von zu übertragenden
Signalen die Operationsverstärker
jeweils dem vollständigen
Versorgungsspannungshub auszusetzen, bei negativen Halbwellen jedoch
an einen Potenzialknoten zwischen den seriell verschalteten Vesorgungsanschlüssen der
Operationsverstärker
ein Mittenpotenzial einzuspeisen. Auch bei der US 2004/0174993 A1
sind somit Operationsverstärker
mit hoher Spannungsfestigkeit erforderlich.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leitungstreiberschaltung
für an
einer Zweidrahtleitung anliegende Signale zu schaffen, die aufwandsgünstig wenige
Bauelemente aufweist, welche möglichst
eine geringe Spannungsfestigkeit aufweisen, und die einen hohen
Wirkungsgrad erreicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Leitungstreiberschaltung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß weist
die erfindungsgemäße Leitungstreiberschaltung
zum Treiben von an einer Zweidrahtleitung anliegenden Signalen eine
erste Verstärkungseinrichtung
mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss
auf, wobei der erste Versorgungsspannungsanschluss mit einem ersten
Versorgungsspannungspotenzial und der zweite Versorgungsspannungsabschluss
mit einem Potenzialknoten verbunden ist. Es ist eine zweite Verstärkereinrichtung
vorgesehen mit einem ersten und zweiten Versorgungsspannungsanschluss,
wobei der erste Versorgungsspannungsanschluss mit dem Potenzial
und der zweite Versorgungsspannungsanschluss mit einem zweiten Versorgungsspannungspotenzial
verbunden ist. Die Leitungstreiberschaltung hat ferner eine Mittenspannungsüberwachungseinheit,
welche an das erste und zweite Versorgungsspannungspotenzial verbunden
ist und ein Mittenpotenzial an den Potenzialknoten liefert. Dabei
sind die Verstärkereinrichtungen
in der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung
in einer Fertigungstechnologie ausgebildet, die eine Maximalversorgungsspannung
als Spannungsfestigkeit gewährleistet,
wobei die Maximalversorgungsspannung niedriger ist als der Spannungshub
zwischen dem ersten und dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial.
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Eine
wesentliche der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
die beiden Verstärkereinrichtungen
nicht parallel mit einer Versorgungsspannung zu versorgen sondern
diese in Serie zwischen dem ersten und zweiten Versorgungsspannungspotenzial
zu schalten, welches beispielsweise die immer vorgehaltene Batteriespannung
zum Speisen von Zweidrahttelefonleitungen ist. Die Mittenspannungsüberwachungseinheit
regelt so das zwischen den erfindungsgemäß als Stromteiler geschalteten Verstärkereinrichtungen
derart, dass dort immer das Mittenpotenzial zwischen dem ersten
und zweiten versorgungspotenzial herrscht. Der erfindungsgemäße Leitungstreiber
hat den Vorteil, dass keine Gleichstromwandlung mehr erforderlich
ist, da der Einzelversorgungsspannungshub für jede Verstärkereinrichtung
bereits niedrig genug ausfällt,
um Verstärkereinrichtungen
mit geringer Spannungsfestigkeit zu verwenden und dementsprechende
Niedrigvoltfertigungstechnologien einzusetzen.
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Bevorzugt
weisen die Verstärkereinrichtungen
ein Signaleingang und einen Ausgang auf, wobei an die Signaleingänge jeweils über einen
Einkoppelkondensator ein erstes und ein zweites zu treibendes Signal
eingekoppelt ist. Dann ist an den Ausgängen jeweils ein getriebenes
Signal abgreifbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Mittenspannungsüberwachungseinheit
einen ersten und einen zweiten Transistor mit jeweils einer steuerbaren
Strecke und einem Steueranschluss auf, wobei die steuerbaren Strecken
in Serie zwischen das erste und das zweite Versorgungsspannungspotenzial
geschaltet sind und der Potenzialknoten zwischen den beiden steuerbaren
Strecken verbunden ist. Die bevorzugte Mittenspannungsüberwachungseinheit
weist einen ersten Widerstand, auf der mit dem ersten Versorgungsspannungspotenzial
und dem Steueranschluss des ersten Transistor verbunden ist, einen
zweiten Widerstand der mit dem Steueranschluss des zweiten Transistors
und mit dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial verbunden ist
und einen dritten Widerstand, der zwischen dem Potenzialknoten und
den Steueranschlüssen
der Transistoren verbunden ist, auf.
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Diese
aufwandsgünstige
Ausführungsform der
Mittenspannungsüberwachungseinrichtung
regelt zuverlässig
das Mittenpotenzi al an dem Potenzialknoten zwischen dem beiden Verstärkereinrichtungen.
Falls eine geringe Unsymmetrie der Ströme durch die erste und zweite
Verstärkungseinrichtung vorliegt,
fließt
ein Strom über
den dritten Widerstand ab. Ansonsten sind entsprechend ausgleichende Ströme von den
beiden steuerbaren Strecken der Transistoren geliefert. Vorzugsweise
sind die Transistoren komplementäre
Bipolartransistoren.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
weist die erfindungsgemäße Leitungstreiberschaltung
einen ersten Blockkondensator zwischen dem ersten Versorgungsspannungspotenzial
und dem Potenzialknoten auf und einen zweiten Blockkondensator zwischen
dem Potenzialknoten und dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial
auf. Bei hochfrequenten Unsymmetrieströmen wirken die beiden Blockkondensatoren
als Pufferkondensatoren und liefern entsprechende hochfrequente
Ströme
zur Kompensation.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Treiberschaltung
ist ein erster Spannungsteilerwiderstand zwischen dem ersten Versorgungsspannungspotenzial
und dem Signaleingang der ersten Verstärkereinrichtung verbunden, ein
zweiter Spannungsteilerwiderstand zwischen dem Signaleingang der
ersten Verstärkereinrichtung und
dem Potenzialknoten, ein dritter Spannungsteilerwiderstand zwischen
dem Potenzialknoten und dem Signaleingang der zweiten Verstärkereinrichtung
verbunden, und es ist ein vierter Spannungsteilerwiderstand zwischen
dem Eingang der zweiten Verstärkereinrichtung
und dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial verbunden. Vorteilhafter
Weise liefern diese Spannungsteilerwiderstände das entsprechende Mittenpotenzial
an dem Potenzialknoten zwischen dem beiden Verstärkereinrichtungen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung sind die Verstärkereinrichtungen als Operationsverstärker mit jeweils
einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang ausgeführt, wobei
die nichtinvertierenden Eingänge
jeweils als Signaleingänge
verwendet sind.
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Zwischen
den invertierenden Eingängen
der Operationsverstärker
ist dann vorzugsweise ein Entkopplungskondensator geschaltet. Dabei
dient insbesondere der Entkopplungskondensator zur Trennung des
jeweiligen Potenzial-Offsets, welcher durch das Mittenpotenzial
an dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss des ersten Operationsverstärkers bzw.
dem ersten Versorgungsspannungsanschluss des zweiten Operationsverstärkers hervorgerufen
ist.
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Vorzugsweise
ist ferner ein erster Rückkopplungswiderstand
zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärker vorgesehen,
und es ist ein zweiter Rückkopplungswiderstand
zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten
Operationsverstärkers
verbunden. Durch die Dimensionierung dieser Rückkopplungswiderstände lässt sich
die Verstärkung
und der Synthesefaktor des Leitungstreibers einstellen und eine
Ausgangsimpedanzanpassung an die Impedanz der angeschlossenen Zweidrahtleitung
erzielen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
sind die Verstärkereinrichtungen
und/oder Transistoren beispielsweise in einer 30-Volt-Technologie
gefertigt, und der Versorgungsspannungshub beträgt etwa 48 Volt.
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Durch
die erfindungsgemäße Verschaltung und
Gewährleistung
des Mittenpotenzials, also einem Potenzial von –24 Volt in dieser bevorzugten Weiterbildung,
liegt an den einzelnen Operationsverstärkern bzw. Verstärkereinrichtungen
lediglich ein Versorgungsspannungshub von 24 Volt an. Damit kann
erfindungsgemäß auf den
Einsatz eines DC-DC-Wandlers verzichtet werden. Der Schaltungsaufwand
ist gegenüber
herkömmlichen
Leitungstreibern erheblich vermindert, und es wird keinerlei Verlustleistung
durch eine Gleichstromwandlung erzeugt.
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In
noch einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung
ist die erste Verstärkereinrichtung
auf einem ersten Halbleiterchip ausgeführt, und die zweite Verstärkereinrichtung
ist getrennt auf einem zweiten Halbleiterchip ausgeführt. Diese
erfindungsgemäße Maßnahme führt dazu,
dass bei integriert ausgeführten
Verstärkereinrichtungen
das an einem jeweiligen Halbleitersubstrat angelegte Potenzial unabhängig eingestellt, beispielsweise
als das Mittenpotenzial, werden kann.
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Ferner
schafft die vorliegende Erfindung eine Linecard mit einer Mehrzahl
von erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltungen,
wobei an eine jeweilige Leitungstreiberschaltung jeweils ein zu
treibendes Zweidrahtleitungssignal zugeführt ist und ein getriebenes
Zweidrahtleitungssignal abgreifbar ist.
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Bevorzugt
ist dann eine zentrale Mittenspannungsüberwachungseinheit zum Regeln
des gemeinsamen Mittenpotenzial für die Leitungstreiberschaltung
vorgesehen. Da die einzelnen Zweidrahtleitungspaare jeweils ähnliche
Signale führen
sollen, und die Spannungsversorgung für die einzelnen Leitungstreiberschaltungen
identisch ist, bietet sich der besonders effiziente Einsatz nur
einer Mittenspannungsregelung bzw. einer zentralen Mittenspannungseinheit
an.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Linecard
sind die ersten Verstärkereinrichtungen
der Leitungstreiberschaltung auf einem ersten Halbleiterchip ausgeführt und
die zweiten Verstärkereinrichtungen
der Leitungstreiberschaltung sind getrennt auf einem zweiten Halb leiterchip
ausgeführt.
Durch die galvanische Trennung der beiden jeweils in einer einzelnen
Leitungstreiberschaltung vorgesehenen Operationsverstärker oder
Verstärkereinrichtungen
ist besonders leicht das Mittenspannungspotenzial für die Gesamtheit
der Operationsverstärker
zu erzeugen und anzulegen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren. Es zeigt dabei:
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1:
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung;
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2:
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung;
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3:
eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung;
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4:
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Linecard;
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5:
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Linecard;
und
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6:
eine Leitungstreiberschaltung nach dem Stand der Technik.
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In
den Figuren sind, sofern nicht Anderes angegeben ist, gleiche oder
funktionsgleiche Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen
worden.
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In
der 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung 1 gezeigt.
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Die
Leitungstreiberschaltung 1 weist eine erste Verstärkungseinrichtung 2 mit
einem ersten 3 und zweiten Versorgungsspannungsanschluss 4,
einem Signaleingang 5 und einem Ausgang 6 auf.
Ferner ist eine zweite Verstärkereinrichtung 7 mit
einem ersten Versorgungsspannungsanschluss 8 und einem
zweiten Versorgungsspannungsanschluss 9, einem Signaleingang 10 und
einem Ausgang 11 vorgesehen.
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Der
erste Versorgungsspannungsanschluss 3 der ersten Verstärkereinrichtung 2 ist
an ein erstes Versorgungsspannungspotenzial GND, welches hier als
Masse auf 0 Volt gewählt
ist, verbunden. Der zweite Versorgungsspannungsanschluss 9 der
zweiten Verstärkereinrichtung 7 ist
an ein zweites Versorgungsspannungspotenzial VBAT, welches einer üblichen
Speisespannung von –48
Volt bei Telefonleitungen entspricht, verbunden. Zwischen dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 4 der
ersten Verstärkereinrichtung 2 und
dem ersten Versorgungsspannungsanschluss 8 der zweiten
Verstärkereinrichtung 7 ist
ein Potenzialknoten 12 vorgesehen, an dem die beiden Versorgungsspannungsanschlüsse verbunden
sind.
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Es
ist eine Mittenspannungsüberwachungseinheit 13 vorgesehen,
die an das erste Versorgungsspannungspotenzial GND und an das zweite
Versorgungspotenzial VBAT verbunden ist, und die ein Mittenpotenzial
VM = –24
Volt an den Potenzialknoten 12 liefert.
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Über einen
ersten Einkoppelkondensator 14 ist ein erstes zu treibendes
Signal +IN an den Signaleingang 5 der ersten Verstärkereinrichtung 2 eingekoppelt.
Die erste Verstärkereinrichtung 2 liefert
an ihrem Ausgang 6 ein entsprechendes getriebenes Signal
+IND.
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Über einen
zweiten Einkoppelkondensator 15 ist ein zweites zu treibendes
Signal –IN
dem Eingang 10 der zweiten Verstärkereinrichtung 7 zugeführt. An
ihrem Ausgang 11 liefert die zweite Verstärkereinrichtung 7 ein
zweites getriebenes Signal –IND.
Die beiden getriebenen bzw. das an der entsprechenden Zweidrahtleitung 16, 17 anliegende
Signal +IND, –IND
ist einer Hybrideinrichtung 18 zugeführt, welche ein erstes Anschlusspaar 19 beispielsweise
zum Ankoppeln eines ADSL-Transceivers
und ein zweites Anschlusspaar 20, 21 aufweist
zum Ankoppeln einer Zweidrahttelefonleitung a, b über einen Transformator 22.
Der Transformator 22 weist jeweils Spulenwicklungen 23, 24, 25, 26 und
Kondensatoren 27, 28 auf.
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Bei
der hier dargestellten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung 1 liegt
das erste Versorgungsspannungspotenzial beispielsweise bei Masse
GND = 0 Volt und das zweite Versorgungsspannungspotenzial bei VBAT
= –48 Volt,
was der üblichen
Speisespannung entspricht, mit der Telefonzweidrahtleitungen gespeist
werden. Das Mittenpotenzial liegt demnach bei VM = –24 Volt. Da
die zu treibenden Signale +IN, –IN
durch die Einkoppelkondensatoren 14, 15 kapazitiv
an die Leitungstreiberschaltung 1 geführt sind, ist für deren Verstärkung keine
Anpassung an den gegenüber herkömmlichen
Treiberschaltungen vorhandenen Potenzial-Offset notwendig.
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Bei
Leitungstreiberschaltungen nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise
in der 6 gezeigt, liegt die Mittenspannung der einem
entsprechenden Hybridbaustein zugeführten Signale bei +12 Volt,
während
die erfindungsgemäße Leitungstreiberschaltung
ein Mittenpotenzial von –24
Volt als Potenzial-Offset dem getriebenen Zweidrahtsignal +IND, –IND aufprägt. Bei
einem Signalhub von 1–2
Volt der zu treibenden Signale ergibt sich typischerweise ein Signalhub
um 20 bis 25 Volt für
das getriebene Zweidrahtsignal +IND, –IND.
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Bei
der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung 1 liegen
die Signalpegel der getriebenen Signale +IND, –IND im Ruhezustand, also falls
keine zu treibenden Signale anliegen, bei –12 Volt an dem Ausgang 6 der
ersten Verstärkereinrichtung 2 bis
minimal –36
Volt an dem Ausgang 11 der zweiten Verstärkerschaltung 7.
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Insgesamt
wird bei einem angenommen Signalhub von 24 Volt für des einzelne
getrieben Signal annähernd
der gesamt Spannungsbereich von 0V bis –48V von den getriebenen Signalen
+IND und –IND überdeckt.
Dabei überdecken
die entsprechenden Potenzialwerte des ersten getriebenen Signals
+IND an dem Ausgang 6 der ersten Verstärkereinrichtung 2 von
praktisch 0V bis –24V,
und die Potenzialwerte des ersten getriebenen Signals –IND an
dem Ausgang 11 der zweiten Verstärkerschaltung 7 einen
Bereich von –24
bis annähernd –48V.
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jes
(zwischen dem Potenzial des ersten getriebenen Signals +IND und
dem Potenzial des zweiten getriebenen Signals –IND) einen Bereich von maximal
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Bei
einer positiven Eingangsignalhalbwelle, also einer positiven Spannung
zwischen dem Potenzial des ersten zu treibenden Signals +IN und
dem des zweiten zu treibenden Signals –IN, fließt ein Strom zwischen dem Massepotenzial
GND über
die erste Verstärkereinrichtung 2 in
die erste Ader 16, in die Hybridschaltung 18,
von deren Ausgang 20 über die
Spule 23, den Kondensator 27 und die zweite Spule 24 zum
zweiten Anschluss 21 der Hybridschaltung 18 und
schließlich über die
zweite Ader 17 in den Ausgang 11 der zweiten Verstärkereinrichtung 7, über deren
zweiten Versorgungsspannungsanschluss 9 zu dem negativen
zweiten Versorgungsspannungspotenzial VBAT = –48 Volt.
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Bei
einer negativen Halbwelle des zu treibenden Signals aus den Potenzialen
+IN, –IN
fließt
lediglich ein Strom über
den Potenzialknoten 12 bzw. über die erste Ader 16 in
den Ausgang 6 der Verstärkereinrichtung 2,
von dem zweiten Versorgungsspannungsanschluss 4 der ersten
Verstärkereinrichtung 2 über den
Potenzialknoten 12 in den ersten Versorgungsspannungsanschluss 8 der
zweiten Verstärkereinrichtung 7 und
den Ausgang 1 der zweiten Verstärkereinrichtung 7 in
die Hybrideinrichtung 18 durch eine Wicklungsseite 23, 24, 27 des
Transforma tor 22 und schließlich über die erste Ader 16 zurück in den
Ausgang 6 der ersten Verstärkereinrichtung 2.
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Obwohl
also ein Signalstrom bei einer gegenüber herkömmlichen Leitungstreiberschaltungen verdoppelter
Versorgungsspannung, nämlich
GND – VBAT
= 48 Volt, fließt,
wird insgesamt keine zusätzliche
Leistung aufgenommen, da nur bei positiven Halbwellen der zu treibenden
Signale Strom gezogen wird, bei negativen Halbwellen jedoch nicht.
Beim Stand der Technik fließt
ständig
ein Strom zur Leistungsaufnahme zwischen den Versorgungsspannungspotenzialen,
die dort, beispielsweise in 6, GND =
0 Volt und VS = 24 Volt betragen. Zudem ist dort für die Konvertierung
der –48
Volt Speisespannung in eine 24 Volt Versorgungsspannung der verlustreiche
Gleichstromwandler erforderlich.
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In
der 2 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung 100 dargestellt.
Diese zweite Ausführungsform
eignet sich besonders zum Einsatz in sogenannten All-Digital-Loops
(ADLs) also Telekommunikationsnetzen in denen eine analoge Sprachübertragung nicht
mehr erforderlich ist, sondern jeglicher Datenverkehr vollständig digital
erfolgt.
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Gegenüber der
ersten Ausführungsform
von 1 kann hier ein Transformator entfallen. hier
werden die getriebenen Signale +IND, –IND über jeweils einen Einkoppelwiderstand 29, 30 direkt
in die zwei Telnehmerleitungsadern a, b gegeben, welche die Zweidrahttelefonleitung
bilden. An die Zweidrahttelefonleitung ist in der Regel eine Teilnehmerendeinrichtung
bzw. ein Modem angeschlossen, das hier als ein Abschlusswiderstand 30–31 von
etwa 10 kΩ dargestellt
ist.
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Bei
einem derartigen vollständig
digital ausgeführten
System bietet die zweite Ausführungsform 100
der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung
einen zusätzlichen
Vorteil durch den Potenzial-Offset von etwa –24 Volt der getriebenen Signale +IND, –IND. Denn
dieser konstante Potenzial-Offset kann vorteilhaft zur Bereitstellung
eines Sealingstromes über
das Leitungspaar verwendet werden. Ein Sealingstrom wird zum Korrosionsschutz
der Zweidrahtleiterschleife verwendet und stellt einen konstanten
Gleichstrom durch die Schleife dar. Bei einer Gleichstromleitungsimpedanz
der Leiterschleife a, b von 0 bis 2 kΩ und einem entsprechenden Abschlusswiderstand 31 von
10 kΩ in
dem teilnehmerseitigen Modem ergibt sich ein Sealingstrom von 2 bis
2,4 mA (24 Volt/(10 kΩ bis
12 kΩ)).
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Die
hier explizit dargestellten Einkoppelwiderstände 29, 30 entsprechen
im Wesentlichen einem Eingangswiderstand der Hybridschaltung 18, welche
hier Signalabgriffe jeweils vor und nach den Einkoppelwiderständen im
Signalpfad hat.
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Ein
weiterer Vorteil der zweiten Ausführungsform 100 der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung
besteht auch darin, dass eine galvanische Verbindung zwischen der
Zweidrahtleitung a, b, und dem Leitungstreiber 100 besteht,
wodurch die Leitungstreiberschaltung auch bei messtechnischen Überprüfungen der
Leitung vollständig
berücksichtigt und
genutzt wird. Eine an den Eingängen
angeschlossene DSL-Einrichtung koppelt dann Testsignale als zu treibende
Signale +IN, –IN
ein und wertet entsprechende Echosignale aus. Durch die erfindungsgemäße Form
der Leitungstreiberschaltung 100 sind die einzelnen Leitungen
der Zweidrahtleitung a, b auch einzeln mit Testsignalen zu belegen. Dadurch
wird es ermöglicht
sowohl symmetrische Leitungsfehler, wie beispielsweise eine kurzgeschlossene
Zweidrahtleitung, als auch unsymmetrische Fehler, wie zum Beispiel
eine einzelne auf Masse liegende Leitung, zu detektieren.
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Ferner
führt die
Ausführung
der Verstärkereinrichtungen 2, 7 in
einer 30-Volt-Fertigungstechnologie, d. h. die entsprechenden Halbleiterbauelemente
brechen bei über
30 Volt durch, zu besonders linearen Verstärkungseigenschaften und einer
ho hen Transitfrequenz. Daher eignet sich die Leistungstreiberschaltung
insbesondere für
den Einsatz in xDSL-Systemen.
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In
der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung 200 gezeigt.
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Die
Leitungstreiberschaltung 200 hat einen ersten Eingang 201 und
einen zweiten Eingang 202 für ein jeweiliges zu treibendes
Signal +IN, –IN
und einen ersten Ausgang 203 und einen zweiten Ausgang 204 für ein jeweiliges
getriebenes Signal OUT+, OUT–.
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Die
Mittenspannungsüberwachungseinheit 213 weist
hier einen ersten Transistor 214 mit einer steuerbaren
Strecke und einem Steueranschluss 215 und einen zweiten
Transistor 218 ebenfalls mit einer steuerbaren Strecke
und einem Steueranschluss 219 auf. Die Transistoren 214, 218 sind
hier als komplementäre
Bipolartransistoren ausgeführt,
wobei der erste npn-Transistor 214 einen
Basisanschluss 215, einen Kollektoranschluss 216 und
einem Emitteranschluss 217 aufweist. Der zweite pnp-Transistor 218 weist
ebenfalls einen Basisanschluss 219 als Steueranschluss
und einen Emitteranschluss 220 sowie einen Kollektoranschluss 221 auf.
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Der
Kollektoranschluss 216 des ersten Transistor 214 ist
an das erste Versorgungsspannungspotenzial GND, welches hier als
Masse ausgeführt
ist, verbunden. Die beiden Emitteranschlüsse 217, 220 der
Transistoren 214 und 219 sind miteinander an einen
Potenzialknoten 12 verbunden. Der Kollektoranschluss 212 des
zweiten Transistors 218 ist an das zweite Versorgungsspannungspotenzial
VBAT, welches hier eine negative Versorgungsspannung von VBAT = –48 Volt
aufweist, verbunden. Der Basisanschluss 215 des ersten
Transistors 214 ist über
einen ersten Widerstand 222 ebenfalls an Masse verbunden.
Der Basisanschluss 219 des zweiten Transistor 218 ist über einen
zweiten Widerstand 223 an das zweite Versorgungsspannungspotenzial
VBAT verbunden. Ferner ist ein dritter Widerstand 224 mit
den beiden Basisanschlüssen 215, 219 und
dem Potenzialknoten 12 verbunden.
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Die
Verstärkereinrichtungen
in dieser Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltung 200 sind
als Operationsverstärker 225, 226 ausgeführt und
weisen jeweils einen ersten Versorgungsspannungsanschluss 227, 228,
einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss 229, 230,
einen invertierenden Eingang 231, 232, einen nichtinvertierenden
Eingang 233, 234 und einen Ausgang 235, 236 auf.
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Der
Ausgang 235 des ersten Operationsverstärker 225 ist über einen
Auskoppelwiderstand 236 an den ersten Ausgang 203 verbunden.
Der Ausgang 236 des zweiten Operationsverstärkers 226 ist über einen
zweiten Auskoppelwiderstand 238 an den zweiten Ausgang 204 verbunden.
Ferner ist ein erster Rückkopplungswiderstand 239 zwischen
dem Ausgang 235 und dem invertierenden Eingang 231 des
ersten Operationsverstärkers 225 verbunden, und
es ist ein zweiter Rückkopplungswiderstand 240 zwischen
dem Ausgang 236 und dem invertierenden Eingang 232 des
zweiten Operationsverstärkers 226 verbunden.
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Zwischen
die invertierenden Eingänge 231, 232 der
Operationsverstärker 225 ist
in Serie ein Entkopplungskondensator 241 und ein Entkopplungswiderstand 242 geschaltet.
Der erste Versorgungsspannungsanschluss 227 des ersten
Operationsverstärkers 225 ist
an Masse angeschlossen, und der zweite Versorgungsspannungsanschluss 230 des zweiten
Operationsverstärkers 226 ist
an die Batteriespannung VBAT = –48
Volt angeschlossen. Der zweite Versorgungsspannungsanschluss 229 des ersten
Operationsverstärker 225 und
der erste Versorgungsspannungsanschluss 228 des zweiten
Operationsverstärkers 226 sind
miteinander verbunden und an den Potenzialknoten 12 angeschlossen.
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An
dem Potenzialknoten 12 liegt somit das Mittenpotenzial
VM = –24
Volt an. Zwischen Masse GND und dem Potenzialknoten 12 ist
ein erster Blockkondensator 243 vorgesehen, und zwischen dem
Potenzialknoten 12 und dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial
VBAT ist ein zweiter Blockkondensator 244 vorgesehen.
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Ferner
ist zwischen Masse GND und dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial
VBAT ein Spannungsteiler aus vier Spannungsteilerwiderständen 245–248 geschaltet,
wobei der erste Spannungsteilerwiderstand 245 zwischen
Masse und dem nichtinvertierenden Eingang 233 des ersten
Operationsverstärker 225 verbunden
ist, der zweite Spannungsteilerwiderstand zwischen dem nichtinvertierenden
Eingang 233 des ersten Operationsverstärkers 225 und dem
Potenzialknoten 12 verbunden ist, der dritte Spannungsteilerwiderstand 247 zwischen dem
Potenzialknoten 12 und dem nichtinvertierenden Eingang 234 des
zweiten Operationsverstärker 226 verbunden
ist, und wobei der vierte Spannungsteilerwiderstand 248 zwischen
dem nichtinvertierenden Eingang 234 des zweiten Operationsverstärkers 226 und
der Batteriespannung VBAT = –48
Volt verbunden ist.
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Ferner
ist zwischen dem ersten Eingang 101 und dem als Signaleingang
wirkenden nichtinvertierenden Eingang 233 des ersten Operationsverstärker ein
erster Einkoppelkondensator 14 geschaltet. Zwischen dem
zweiten Eingang 202 und dem als Signaleingang wirkenden
nichtinvertierenden Eingang 234 des zweiten Operationsverstärkers 226 ist
ein zweiter Einkoppelkondensator 15 geschaltet.
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Falls
die Leistungsaufnahme der Operationsverstärker 225, 226 unterschiedlich
ausfällt,
kann einerseits über
den Widerstand 224 ein ausgleichender Strom fließen, sodass
an dem Potenzialknoten 12 immer das Mittenpotenzial von
VM = –24
Volt anlegt. Dies wird durch den Spannungsteiler aus den Widerständen 222, 223 gewährleistet,
wobei zwischen diesen Widerständen 222, 223 ständig ein
Mittenpotenzial GND + VBAT/2 anliegt. Dieses Mittenpotenzial steuert
auch die Emitter-Kollektorstrecken der
beiden Transistoren 214, 218, da an den Basisanschlüssen 215, 219 jeweils
das Mittenpotenzial anliegt. Falls größere Unsymmetrieströme bzw.
größere unterschiedliche
Ströme
durch die beiden Operationsverstärker 225, 226 fließen, liefern
die Transistoren 215, 218 je nach Polarität dieses
Unsymmetriestromes einen ausgleichenden Strom, der das Mittenpotenzial
von –24
Volt an dem Potenzialknoten 12 gewährleistet. Für den Fall,
dass Unsymmetrieströme
hochfrequent vorliegen, liefern die Blockkondensatoren 243, 244 jeweils
die notwendige Ladung zum Ausgleich der Unsymmetrien, sodass auch
bei hochfrequenten Störungen
das Mittenpotenzial VM gewährleistet
ist.
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Die
Spannungsteilerwiderstände 245–248 sind
so dimensioniert, dass an den Signaleingängen 233, 234 der
Operationsverstärker 225, 226 jeweils ein
geeignetes Common-Mode-Potenzial bzw. Spannung anliegt. Der jeweilige
Common-Mode-Signalpegel liegt mittig zwischen den Signalpegeln der
eingekoppelten, zu treibenden Signale +IN, –IN.
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Der
Entkopplungskondensator 241 dient der Entkopplung des durch
das Mittenpotenzial von –24 Volt
erzeugten Potenzial-Offsets
und bestimmt mit dem Widerstand 242 die Verstärkungseigenschaften sowie
die Ausgangimpedanz des Leitungstreibers 200.
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Zur
Synthetisierung einer Ausgangsimpedanz bzw. Abschlussimpedanz des
Leitungstreiber 200 sind zudem zwei Synthetisierwiderstände 249, 250 vorgesehen,
wobei der erste Synthetisierwiderstand 249 zwischen dem
invertierenden Eingang 231 des ersten Operationsverstärkers und
dem zweiten Ausgangsanschluss 204 verbunden ist und der
zweite Synthetisierwiderstand 250 zwischen dem invertierenden
Eingang 232 des zweiten Operationsverstärkers 226 und dem
ersten Ausgangsanschluss 203 verbunden ist.
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Wie
bereits zu der vorhergehenden Ausführungsform angemerkt, fließt lediglich
während
einer positiven Signalhalbwelle ein Strom zwischen Masse und dem
Batteriepotenzial VBAT. Während
bei einer negativen Signalhalbwelle ein Stromfluss lediglich über den
Mittenpotenzialknoten 12 fließt und aus der Batteriespannungsquelle
kein Strom entnommen wird.
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Um
die Potenzial-Offsets zwischen den Operationsverstärkern 225, 226 zu
erreichen, sind diese vorteilhafter Weise auf unterschiedlichen
Halbleitersubstraten angeordnet. Üblicherweise sind die Substratpotenziale
auf einem Halbleiterchip für
alle Bauelemente gleich, sodass eine getrennte Ausführung auf
unterschiedlichen Chips oder Halbleitersubstanzen besonders günstig ist.
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Die 4 zeigt
eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Linecard 300.
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Die
Linecard 300 weist eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltungen 4001, 4002, 400N,
auf denen jeweils zu treibende Signale IN1, IN2, INN über Zweidrahtleitungen 4011, 4012, 401N zugeführt sind,
und die getriebene Signale OUT1, OUT2, OUTN an Anschlusspaare 4021, 4022, 402N der
Linecard 300 liefern. Jede der Leitungstreiberschaltungen 4001, 4002, 400N ist
das erste Versorgungsspannungspotenzial GND und das zweite Versorgungsspannungspotenzial
VBAT zugeführt. Die
Leitungstreiberschaltungen weisen jeweils, wie in den vorhergehenden 1–3 dargestellt
ist, als Spannungsteiler wirkende Verstärkereinrichtungen auf, zwischen
denen ein Potenzialknoten 412 liegt, an dem das Mittenpotenzial
VM anliegen soll.
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In
der erfindungsgemäßen Linecard 300 ist das
jeweilige Mittenpotenzial VM, welches für alle auf der Linecard vorgesehenen
Leitungstreiberschaltungen 4001, 4002, 400N identisch
ist, von einer zentralen Mittenspannungsüberwachungseinheit 413 geliefert.
Der Mittelspannungsüberwachungseinheit 413 ist
das gemeinsame Massepotenzial GND und das Versorgungsspannungspotenzial
der Batterie VBAT zugeführt.
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Diese
erfindungsgemäße Linecard
zeichnet sich einerseits durch die geringe Leistungsaufnahme aus
und insbesondere ihre aufwandsgünstige
Herstellung. Die vollständige
Linecard kann erfindungsgemäß in einer
Fertigungstechnologie ausgeführt werden,
welche lediglich für
die Hälfte
der durch die Versorgungsspannungsbatterie bereitgestellten Versorgungsspannung
ausgelegt ist. Dies hat den Vorteil, dass je niedriger die Spannungsfestigkeit
der eingesetzten Halbleiterbauelemente sein muss, desto größer die
Transitfrequenz der Bauelemente und desto effizienter das Herstellungsverfahren
ausfällt.
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In
der 5 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linecard 500 dargestellt.
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Die
Linecard 500 weist Eingangsanschlusspaare 501, 502, 503 für zu treibende
Signale IN1, IN2, IN3 und Ausgangsanschlusspaare 504, 505, 506 für getriebene
Signale OUT1, OUT2, OUT3 auf. Es ist eine zentrale Mittenspannungsüberwachungseinheit 513 vorgesehen,
die an einen zentralen Potenzialknoten 512 ein stabiles
Mittenpotenzial liefert. Die Mittenspannungsüberwachungseinheit ist an Masse
GND und das zweite Versorgungspotenzial VBAT angeschlossen.
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Hier
sind die ersten Verstärkereinrichtungen 507, 508, 509 der
jeweiligen Leitungstreiberschaltung auf einem ersten Halbleiterchip 510 ausgeführt. Und
die jeweiligen zweiten Verstärkereinrichtungen 514, 515, 516 sind
auf einem davon getrennten zweiten Halbleiterchip 517 ausgebildet.
Dadurch wird eine galvanische Trennung der jeweiligen Offset-Potenziale für die Verstärkereinrichtung 507–509, 514–516 erreicht.
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Auf
dem ersten Halbleiterchip 510 sind die ersten Versorgungsspannungsanschlüsse der
ersten Verstärkereinrichtung 507, 508, 509 zu
einem gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 518 zusammengeführt, welcher
an Masse GND gelegt ist.
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Auf
dem zweiten Halbleiterchip 517 sind die zweiten Versorgungsspannungsanschlüsse der zweiten
Verstärkereinrichtung 514, 515, 516 zu
einem gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 521 zusammengeführt und
an die Batterieversorgungsspannung VBAT gelegt. Die zweiten Versorgungsspannungsanschlüsse der
ersten Verstärkereinrichtung 507, 508, 509 und
die ersten Versorgungsanschlüsse
der zweiten Verstärkereinrichtung 514, 515, 516 sind
hingegen über
eine gemeinsame Verdrahtung dem Potenzialknoten 512 zugeführt.
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Die
vorliegende Erfindung in Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leitungstreiberschaltungen und
Linecards ermöglichen
es, aufwändige
und mit niedrigem Wirkungsgrad behaftete DC-DC-Wandler zu vermeiden. Es können die
entsprechenden Halbleiterbauelemente alle in einer Niedervolt-Fertigungstechnologie
mit gegenüber
dem Speisespannungshub von 48 Volt geringerer Spannungsfestigkeit
ausgebildet werden. Insbesondere durch das Zusammenfassen vieler
erfindungsgemäßer Leitungstreiberschaltungen
auf einer Linecard und die zentrale Mittenspannungsregelung durch
die Mittenspannungsüberwachungseinheit
ist der Flächen-
und Verdrahtungsaufwand geringer als bei Linecards nach dem Stand
der Technik. Durch diese günstige
Technologiewahl sind besonders lineare Verstärkungseigenschaften möglich, wie
sie bei xDSL benötigt
werden.
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Obwohl
die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde
ist sie nicht darauf beschränkt,
sondern kann auf vielfältige Weise
modifiziert werden. Die Anzahl der in 5 gezeigten
Verstärkereinrichtungen
kann beliebig verändert
werden, die beispielhaft gewählten
Speisespannungen von –48
Volt können
einfach an andere Standards angepasst werden, die beispielhaft als
Bipolartransistoren ausgeführten
Transistoren können zudem
beliebig in anderen Technologieformen ausgeführt werden, und die Verwendung
der Leitungstreiberschaltungen ist nicht auf bestimmte beispielhaft
genannte xDSL-, ADSL- oder Sprachfrequenzen beschränkt.