DE1295658B

DE1295658B - Anordnung zum Erzielen eines linearisierten Ein- und/oder Ausgangswiderstandes eines als Amplitudenentzerrer eingesetzten Wechselstromverstaerkers

Info

Publication number: DE1295658B
Application number: DEI30560A
Authority: DE
Inventors: Hirst Ian Johnson
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1965-04-09
Filing date: 1966-04-07
Publication date: 1969-05-22
Also published as: GB1036985A; US3423690A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung durch zusätzliche Widerstände erzwungen, sondern zum Erzielen eines linearisierten Ein- und/oder Aus- durch geeignete Wahl der Impedanzen Z₁, Z₂ und Z₃, gangs Widerstandes bei optimalem Gegenkopplungs- die einen Teil des Brückenkreises bilden, erhalten, und Rauschverhalten eines als Amplitudenentzerrer Der Wert dieser Impedanzen ist so hoch, daß durch eingesetzten Wechselstromverstärkers. 5 sie nur ein vernachlässigbar kleiner Teil der Leistung

Bei hochwertigen Ubertragungseinrichtungen für verbraucht wird. Solche Anordnungen haben also breitbandige Signale müssen die zu hohen Frequenzen eine um 3 db höhere Aussteuerungsgrenze und entansteigenden Ubertragungsverluste auf den über- sprechend gleich besseres Rauschverhalten wie die tragungskabeln durch Verstärker ausgeglichen wer- zuerst beschriebenen. Bekannterweise kann aber mitden, wobei Ein-und/oder Ausgänge dieser Verstärker 10 tels solcher Gegenkopplungswege in Brückenform für die Ubertragungsleitungen einen guten Abschluß nur ein begrenzter Gegenkopplungsgrad verwendet bilden müssen. Durch frequenzabhängige Gegen- werden. Da Brückenglieder Zweiwege-Netzwerke sind kopplungen zwischen Aus- und Eingang solcher Ver- und übertrager Streuresonanzen aufweisen, besteht stärker wird nicht nur ihre Verstärkung in Abhängig- die Gefahr, daß Phasenverschiebungen auftreten, die keit von der Frequenz, sondern auch ihr Ein- und/oder 15 die Wirkung des Gegenkopplungskreises beeinflussen. Ausgangswiderstand beeinflußt. Es müssen deshalb Für die Verwendung als frequenzabhängiger Ampli-Abschlußanordnungen eingesetzt werden, die den tudenentzerrer in Weitverkehrsübertragungssystemen Ein-und/oderAusgangswiderstandfürdieangeschlos- erhalten Zwischen verstärker eine mit der Frequenz sene Leitung linearisieren und dabei noch den Ein- ansteigende Verstärkung, um die Kabelverluste aussatz einer möglichst hohen Gegenkopplung ermög- 20 zugleichen, indem in den Gegenkopplungsweg ein liehen. Reaktanznetzwerk eingeschaltet wird, welches den

In F i g. 1 und 2 sind nun bekannte Gegenkopp- Gegenkopplungsbetrag mit der Frequenz verändert, lungsanordnungen dargestellt. Dieses Netzwerk ist in den Figuren der vorliegenden

Bei einer werden die Ein- und/oder Ausgangs- Erfindung nicht besonders eingezeichnet, widerstände des Verstärkers durch Einsatz von Par- 25 Als Beispiele für die beschriebenen, gegengekoppelallel- bzw. Seriengegenkopplung sehr niedrig bzw. ten Verstärker seien die Gegenstände der USA.-sehr hoch. Es muß deshalb ein bestimmter Wider- Patentschriften 1787950,2102670,2207962,2241925 stand mit dem Eingang bzw. Ausgang in Serie oder und 2258128 genannt. Verstärker mit frequenzparallel gelegt werden, um einen gewünschten Ab- abhängigem Verstärkungsgang, wie sie als Amplischlußwiderstand zu erhalten. 30 tudenentzerrer verwendet werden, sollen bei ihrer

Bei der anderen Anordnung wird Parallel- und höchsten Verstärkung, also beim Ausgleich der hohen Seriengegenkopplung gemeinsam mittels einer Brük- Kabelverluste an ihrer oberen Frequenzgrenze, hohe kenschaltung eingesetzt. Hier können dann ge- Aussteuerungsgrenzen bei gutem Rauschverhalten wünschte Abschlußwiderstände ohne den Einsatz aufweisen, während bei geringster Verstärkung, also zusätzlicher Widerstände realisiert werden. 35 an der unteren Frequenzgrenze, die größtmögliche

Bei der in F i g. 1 dargestellten Gegenkopplungs- Gegenkopplung eingesetzt werden soll. Solche Ananordnung ist Parallelgegenkopplung vom Ausgang Ordnungen sollten die guten Eigenschaften der zu auf den Eingang mittels der Impedanz Z₁ vorgesehen. F i g. 1 und 2 beschriebenen Anordnungen gemein-Hierdurch wird Ein- und Ausgangswiderstand des sam aufweisen, ohne jedoch deren Nachteile zu Verstärkers auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt. 40 zeigen.

Durch einen jeweils mit Ein- und Ausgang in Serie Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, bei geschalteten reellen Widerstand R wird der Belastungs- einem als Amplituderientzerrer eingesetzten frequenzwiderstand für die Signalquelle bzw. der Quellwider- abhängigen Wechselstromverstärker, dessen gestand für die Last gleich R. Ähnlich würde durch wünschter Frequenzgang durch eine frequenzabhän-Seriengegenkopplung Ein- und Ausgangswiderstand 45 gige, als kombinierte Parallel- und Seriengegenkoppsehr hoch, so daß dem Ein- und Ausgang ein Wider- lung ausgelegte Brückengegenkopplung vom Ausgang stand J? parallel geschaltet werden müßte, wenn die auf den Eingang erzielt wird und bei dem durch ent-Signalquelle mit R belastet werden soll bzw. der sprechende Ausbildung des Gegenkopplungsbrücken-Widerstand J? als Quellwiderstand wirksam sein soll. netzwerkes die kombinierte Parallel- und Serien-In beiden Fällen wird Ein- und Ausgangswider- 50 gegenkopplung an der unteren Frequenzgrenze prakstand der Verstärkeranordnung bestimmt durch das tisch in eine reine Parallel- oder Seriengegenkopplung Einschalten eines Widerstandes R. Es ist deshalb übergeht, den Ein- und Ausgangswiderstand bei für selbstverständlich, daß der gleiche Teil an Leistung Gegenkopplung und Rauschen optimalen Verhältin dem Widerstand R verbraucht wird, wie er auch nissen zu linearisieren.

an einen Verbraucher mit dem gleichen Widerstand 55 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geabgegeben wird. Hierdurch wird die nutzbare obere löst, daß dem Ein- und/oder Ausgang des frequenz-Aussteuerungsgrenze des Verstärkers um 3 db herab- abhängig gegengekoppelten Verstärkers ein erster gesetzt. Entsprechende Betrachtungen gelten auch frequenzabhängiger Reaktanzzweipol vor- oder parfiir das Rauschverhältnis. In hochwertigen über- allel geschaltet wird, daß dieser erste Reaktanzzweitragungseinrichturigen sind das ernste Mängel. Vorteil 60 pol dabei mit einem weiteren, zum Erzielen der der beiden beschriebenen Fälle ist allerdings, daß es Frequenzabhängigkeit in das Gegenkopplungsbrükmöglich ist, die Gegenkopplung auf den hochstmög- kennetzwerk eingefügten weiteren frequenzabhängilichen Wert auszulegen. gen Reaktanzzweipols die gleiche, bei oder oberhalb

Bei der in Fi g. 2 gezeigten Verstärkeranordnung der oberen Ubertragungsfrequenzgrenze liegende Rewird gleichzeitig Parallel- und Seriengegenkopplung 65 sonanzfrequenz aufweist und daß ferner durch diesen zwischen Aus- und Eingang mit Hilfe einer Brücken- ersten Reaktanzzweipol die durch den im Gegenschaltung eingesetzt. In diesem Falle werden die kopplungsbrückennetzwerk angeordneten weiteren gewünschten Ein- und Ausgangswiderstände nicht Reaktanzzweipol bedingte Frequenzabhängigkeit des

resultierenden Ein- und/oder Ausgangswiderstandes des frequenzabhängig, gegengekoppelten Verstärkers im Sinne eines praktisch über den ganzen Ubertragungsfrequenzbereich konstanten Ein- und/oder Ausgangswiderstandes kompensiert wird.

Die bereits in der Einleitung beschriebenen F i g. 1 und 2 zeigen:

F i g. 1 einen Verstärker mit Parallelgegenkopplung vom Ausgang auf den Eingang,

F i g. 2 einen Verstärker mit Parallel- und Seriengegenkopplung vom Ausgang auf den Eingang.

Die Erfindung soll nun an Hand der F i g. 3 bis 5 eingehend beschrieben werden. Es zeigt hierbei

F i g. 3 die Eingangsschaltung eines erfindungsgemäßen, frequenzabhängig gegengekoppelten Verstärkers,

F i g. 4 und 5 Varianten von Teilen dieser Eingangsschaltung.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe soll an Hand der F i g. 3 eingehend beschrieben werden. Zur Vereinfachung ist nur der Eingangskreis der Verstärkeranordnung dargestellt. Der Ausgangskreis mag dabei gleichartig aufgebaut sein oder auch entsprechend abgewandelt, um dadurch einen anderen gewünschten Wert der Ausgangsimpedanz zu erzielen.

Der in F i g. 3 dargestellte Verstärkereingangskreis besteht im wesentlichen aus einer Brückenschaltung, aus den Brückengliedern Z₁, Z₂, Z₃ und Z₆. An der einen Brückendiagonalen liegt das Eingangssignal über eine Impedanz Z₄ und den Eingangsübertrager T an. Die Gegenkopplungsspannung liegt an der anderen Brückendiagonalen. Das Brückenglied Z₂ ist ein Reaktanzzweipol, bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R₂, einer Induktivität L₂ und einer Kapazität C₂. Die Impedanz Z₄, die zwisehen der Brückenschaltung und dem Eingangsübertrager eingeschaltet ist, besteht aus einem Serienresonanzkreis aus einer Induktivität L und einer Kapazität C, dem ein Widerstand R parallel geschaltet ist.

Wenn die Werte der Reaktanzelemente der Impedanzen Z₂ und Z₄ so gewählt sind, daß bei der gleichen Frequenz Resonanz auftritt, geht für die Resonanzfrequenz das Verhalten der Anordnung nach F i g. 3 in das der Anordnung nach F i g. 2 über. Es handelt sich dann in diesem Bereich um die Arbeitsweise einer herkömmlichen Gegenkopplungsbrückenschaltung nach F i g. 2.

Bei einer von der Resonanzstelle fernliegenden Frequenz nähert sich der Scheinwiderstand des Reaktanzgliedes Z₄ dem Wert R, während der Scheinwiderstand des Reaktanzgliedes Z₂ groß gegen R₂ wird. In diesem Bereich geht das Verhalten der Anordnung in das der nach F i g. 1 über.

Wie aus der F i g. 3 zu ersehen ist, beträgt die Eingangsimpedanz des Verstärkers Hieraus ergibt sich:

Z₅=R-

R+JL

JmL

R +jcoL +

Der Leitwert von Z« ist damit

jwCR²

wobei aus den vorherigen Ausführungen zur F i g. 1 der Wert R des gewünschten Eingangswiderstandes gleich dem Wert R des Reaktanzzweipols Z₄ gesetzt werden muß.

Dieses ist das Verhalten eines Reaktanzzweipols, gebildet aus der Parallelschaltung eines Widerstandes R, einer Induktivität U mit dem wertmäßigen Betrag C ■ R² und einer Kapazität C mit dem wertmäßigen Betrag -gr> wobei L und C die Reaktanz-

elemente der Impedanz!* und R der Wert des gewünschten resultierenden Eingangswiderstandes ist. In dem »Handbook of Line Communications«, herausgegeben durch die englische Postverwaltung, sind auf Seite 448 die Verhältnisse bei gemischter frequenzunabhängiger Parallel- und Seriengegenkopplung dargestellt, wobei sich das Brückennetzwerk im Verstärkerausgang befindet. Entsprechend der dort beschriebenen Weise läßt sich für Z₅ setzen:

Z, =

Z₆ + Z₃(I+/,)

1 +

Kz₁ Iz₂ )<

Hierin ist Z₆ der Eingangs- bzw. Ausgangswiderstand des Verstärkers selbst und μ sein Verstärkungsfaktor. Für die praktisch vorkommenden Verhältnisse kann man μ» 1 annehmen, so daß sich ergibt:

_ Z₆ + _μ·Z₃(Z₁ +Z₂) μ-Ζ₂

Hierin kann für eine Näherungslösung Z₆ = 0 und Z₁ » Z₂ gesetzt werden, so daß man erhält:

Z_1n =

(D Z, =

μ-Z₂

Z₂

6o

Wenn also der Verstärker für alle Frequenzen des Nutzbereiches einen konstanten Eingangswiderstand R aufweisen soll, so müssen die Impedanzen Z₄ und Z₅ zusammen diesen Wert ergeben. Es muß also sein:

Mithin ist also

(5)

R = Z₄+ Z₅ bzw. Z₅ = R-Z_A.

(2) Löst man die Gleichung nach Z₁ oder Z₂ oder Z₃ auf und setzt den Scheinleitwert Y_s nach Formel (4) ein, so erhält man zwei dieser Glieder als rein ohmische

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und eines als Reaktanzzweipol. Die Auflösung nach Z₂ ergibt z. B.

7 _ V 7 7 —Ώ JJ^¹J.;, ^ α. _

Z₂-Y₅ Z₁ Z₃-R₁ ^^-+j«,-^-+^

'^3

l #3 . *

Dieses ist ein Reaktanzzweipol, bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R₂ mit dem Wert

R '

einer Induktivität L₂ mit dem Wert

R²" ^L und einer Kapazität C₂ mit dem Wert

Im obigen Beispiel war nun Z₂ frequenzabhängig gewählt worden. Entsprechend kann dieses aber auch bei Z₁ oder Z₃ erfolgen. Die Konfigurationen hierfür sind in Fig.4 und 5 dargestellt. Die Werte für die Elemente der entsprechenden Reaktanzzweipole enthält man dann durch entsprechende Auflösung der Gleichung (5) nach Z₁ bzw. Z₃, wobei sich dann Parallelkreise ergeben. Wenn auch in obiger Ableitung starke Vernachlässigungen vorgenommen worden sind, so ergibt sich doch eine für die Praxis in der Konfiguration verwertbare und nur in den Werten entsprechend den gestellten Anforderungen an den Frequenzgang zu korrigierende Ausbildung des erfindungsgemäßen Gegenkopplungsbrückennetzwerkes.

Wie aus den vorhergehenden Ausführungen zu ersehen ist, weisen bei einer Netzwerkkonfiguration entsprechend der Fi g. 3 die beiden Reaktanzglieder Z₂ und Z₄ bei der gleichen Frequenz Resonanz auf. Legt man nun die Resonanzfrequenz an die obere Ubertragüngsfrequenzgrenze des Verstärkers oder etwas darüber, so ergibt sich für die obere übertragungsfrequenz eine gemischte Parallel- und Seriengegenkopplung. Z₄ nimmt den WertO an und Z₂ den Wert R₂. Der Betrag des Anteils der Parallelgegenkopplung und der des Anteils der Seriengegenkopplung bestimmt in an sich bekannter Weise den Eingangswiöerstand R der Verstärkerschaltung. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses beider Anteile läßt sich jeder gewünschte Wert in an sich bekannter Weise einstellen. An der unteren Ubertragüngsfrequenzgrenze nimmt Z₄ den Wert R an, während der Wert von Z₂ gegen Unendlich geht. Es tritt jetzt praktisch reine Parallelgegenkopplung auf. Durch diesen übergang von gemischter Parallel- und Seriengegenkopplung auf reine Parallelgegenkopplung tritt auch eine entsprechende Veränderung des Gegenkopplungsgrades auf. Die Parallelgegenkopplung ist stärker als die gemischte Parallel- und Seriengegenkoppiung. Hieraus resultiert eine Zunahme der Verstärkung zu hohen Frequenzen hin, ein für einen entzerrenden Leitungsverstärker gewünschter Effekt.

Wird nun, wie in Fig. 3, das Brückengegenkopplungsnetzwerk nur im Eingang des Verstärkers angeordnet, so kann im Ausgang die Gegenkopplungsspannung in an sich bekannter Weise als Spannungsoder Strom- oder gemischte Strom-Spannungsgegenkopplung -abgeleitet werden. Wird das Brückennetzwerk im Ausgang angeordnet, so bestimmt die Einkopplungsart am Eingang, ob die Gegenkopplung als Spannungs- oder Strom- oder gemischte Strom-Spannungsgegenkopplung wirkt. Wird im Ein- und Ausgang ein Brückengegenkopplungsnetzwerk mit Reaktanzgliedern gemäß der Erfindung eingesetzt, so wird die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung erhöht. Durch Einfügen der erwähnten, in den Figuren nicht dargestellten Glieder zwischen Verstärkeraus- und -eingang läßt sich nicht nur der Gegenkopplungsgrad beeinflussen, bei Ausbildung als Reaktanzzwei- oder -vierpol läßt sich auch in an sich bekannter Weise praktisch eine beliebige Korrektur des Verstärkungsverlaufes über der Frequenz erzielen. Wird ein solches Reaktanznetzwerk auch noch einstellbar ausgebildet, so kann hiermit eine gewünschte Fächerung des Frequenzganges erzielt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Erzielen eines linearisierten Ein- und/oder Ausgangswiderstandes bei optimalem Gegenkopplungs- und Rauschverhalten eines als Amplitudenentzerrer eingesetzten frequenzabhängigen Wechselstromverstärkers, dessen gewünschter Frequenzgang durch eine frequenzabhängige, als kombinierte Parallel- und Seriengegenkopplung ausgelegte Brückengegenkopplung vom Ausgang auf den Eingang erzielt wird und bei dem durch entsprechende Ausbildung des Gegenkopplungsbrückennetzwerkes die kombinierte Parallel- und Seriengegenkopplung an der unteren Frequenzgrenze praktisch in eine reine Paralleloder Seriengegenkopplung übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ein- und/oder Ausgang des frequenzabhängig gegengekoppelten Verstärkers· ein erster frequenzabhängiger Reäktanzzweipol (Z₄) vor- oder parallel geschaltet wird, daß dieser erste Reaktanzzweipol (Z₄) dabei mit einem weiteren, zum Erzielen der Frequenzabhängigkeit in das Gegenkopplungsbrückennetzwerk (Z₁, Z₂, Z₃, Z₆) eingefügten weiteren frequenzabhängigen Reaktanzzweipols (Z₁ oder Z₂ oder Z₃) die gleiche, bei oder oberhalb der oberen Ubertragungsfrequenzgrenze liegende Resonanzfrequenz aufweist, und daß ferner durch diesen ersten Reaktanzzweipol (Z₄) die durch den im Gegenkoppiungsbrückennetzwerk (Z₁, Z₂, Z₃, Z₆) angeordneten weiteren Reaktanzzweipol (Z₁ oder Z₂ oder Z₃) bedingte Frequenzabhängigkeit des resultierenden Ein- und/oder Ausgangswiderstandes (Z₅) des frequenzabhängig gegengekoppelten Verstärkers im Sinne eines praktisch über den ganzen Ubertragungsfrequenzbereich konstanten Ein- und/oder Ausgangswiderstandes (R = Z₄ + Z₅ = konst.) kompensiert wird. " ~

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktanzzweipol (Z₄)

aus der Parallelschaltung eines ersten Widerstandes (R) mit der Reihenschaltung einer ersten Induktivität (L) und einer ersten Kapazität (C) besteht und dem Verstärkerein- und/oder -ausgang in Reihe vor- bzw. nachgeschaltet ist, daß ferner der weitere Reaktanzzweipol (Z₂) im Gegenkopplungsbrückennetzwerk (Z₁, Z₂, Z₃, Z₆) aus der Reihenschaltung einer weiteren Induktivität (L₂) mit einer weiteren Kapazität (C₂) und einem weiteren Widerstand (R₂) gebildet wird (Fig. 3).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reaktanzzweipol (Z₄) aus der Parallelschaltung eines ersten Widerstandes (R) mit der Reihenschaltung einer ersten Induktivität (L) mit einer ersten Kapazität (C) besteht und dem Verstärkerein- und/oder -ausgang

in Reihe vor- bzw. nachgeschaltet ist, daß ferner der zweite Reaktanzzweipol (Z₁ bzw. Z₃) im Gegenkopplungsbrückennetzwerk (Z₁, Z₂, Z₃, Z₆) aus der Parallelschaltung eines weiteren Widerstandes (R₁ bzw. R₂) mit einer weiteren Induktivität (L₁ bzw. L₃) und einer weiteren Kapazität (C₁ bzw. C₃) gebildet wird (F i g. 4 bzw. 5).

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur im Eingangskreis des Verstärkers ein Gegenkopplungsbrückennetzwerk (Z₁ ,Z₂, Z₃, Z₆) angeordnet ist, dem in an sich bekannter Weise vom Ausgang des Verstärkers die Gegenkopplung als Spannungs- oder Stromoder gemischte Strom-/Spannungsgegenkopplung über ein in den Gegenkopplungsweg eingefügtes frequenzabhängiges Netzwerk zugeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909521/349