DE2523090A1 - Breitband-signalgenerator - Google Patents

Description

25230S0

Böblingen, den 21. Mai 1975 gg/se

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 095

Breitband-Signalgenerator

Die Erfindung betrifft einen Breitband-Signalgenerator zur Einkopplung und steuerbar richtungsabhängigen übertragung von Signalen auf einer übertragungsleitung.

Es ist bereits eine große Anzahl von schmalbandigen Richtungskopplern bekannt, die bei der richtungsabhängigen übertragung von Signalen über übertragungsleitungen dazu benutzt werden, die Signale zu trennen oder zu mischen. Diese Richtungskuppler enthalten im allgemeinen Reaktanzen, was zur Folge hat, daß der übertragbare Frequenzbereich außerordentlich begrenzt ist. Da richtungsabhängige Signalgeneratoren solche Richtungskoppler benutzen, ist die Folge, daß sie bei den bekannten Einrichtungen außerordentlich schmalbandig sind und komplexe Schaltungen umfassen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Breitband-Signalgenerator zur Einkopplung und steuerbar richtungsabhängigen übertragung von Signalen anzugeben, bei dem konventionelle, aus linearen, nicht reaktanzen darstellenden Bauelementen zusammengesetzte Dämpfungsglieder verwendbar sind und damit ein Frequenzbereich umfaßt wird, der beginnend mit der Freqzenz 0 bis zu hohen Frequenzen ausnutzbar ist. Gleichzeitig besteht die Aufgabe darin, einen einfachen, unauffindigen Aufbau zu gewährleisten.

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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für einen Breitband-Signalgenerator zur Einkopplung und steuerbar richtungsabhängigen Übertragung von Signalen auf einer übertragungsleitung dadurch gelöst, daß am Einkopplungsort ein mindestens einen ersten und einen zweiten Knoten aufweisendes Dämpfungsglied aus linearen, nicht reaktanzen darstellenden Bauelementen in die übertragungsleitung eingefügt ist, daß ein Eingang für ein in einer bestimmten Richtung zu übertragendes Signal über ein erstes Kopplungsglied mit dem ersten Knoten und ein zweites Kopplungsglied mit dem zweiten Knoten des Dämpfungsgliedes verbunden ist und daß die Kopplungsverhältnisse des ersten und zweiten Kopplungsgliedes so gewählt sind, daß ein dem Signal am Eingang proportionales Signal nur in der vorgegebenen Richtung übertragen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fign. IA und IB Schaltbilder konventioneller, symmetrischer

ir- und O-Dämpfungsglieder, wie sie in Verbindung mit der Erfindung verwendbar sind,

Fig. 2A das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Breit-

band-Signalgenerators unter Verwendung eines symmetrischen π-Dämpfungsgliedes und zweier Verstärkerpaare als Spannnungs/Strom-Wandler,

Fig. 2B das Schaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispiels, bei dem ein modifiziertes symmetrisches π-Dämpfungsglied und ein als Spannungs/Strom-Wandler dienendes Gegentakt-Verstärkerpaar eingesetzt ist,

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Fig. 2C ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit

einem modifizierten symmetrischen O-Dämpfungsglied und zwei Paaren von als Spannungs/Stromwandler verwendeten Verstärkern,

Fign. 3A und 3B Schaltbilder konventioneller symmetrischer T-

und Η-Dämpfungsglieder, wie sie beim erfindungsgemäßen Breitband-Signalgenerator einsetzbar sind,

Fig. 4A ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit

einem modifizierten symmetrischen T-Dämpfungsglied und einem Paar von Gegentakverstärkern,

Fig. 4B ein Ausführungsbeispiel mit einem modifzierten

symmetrischen H-Dämpfungsglied und zwei Paaren von Verstärkern.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf symmetrische π-, Ο-, T- oder H-Dämpfungsglieder, wie sie in den Fign. IA, IB, 3A und 3B gezeigt sind, beschrieben. Der erfindungsgemäße Breitband-Signalgenerator arbeitet in entsprechender Weise ebenso mit unsymmetrischen Dämpfungsgliedern. Bei den Dämpfungsgliedern gemäß den Fign. IA und IB errechnet sich der Serienwiderstand R- und der Parallelwiderstand R₁ aus den Gleichungen:

und (1)

(2)

wobei Z₀ den Wellenwiderstand in der übertragungsleitung und K das Strom- oder Spannungsverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Dämpfungsgliedes, also den Dämpfungsfaktor angibt. In den beschriebenen Beispielen wird angenommen daß Z- = 50 Ohm und K = Ε./Ε_Λ » 2 (etwa 6 dB) ist, wobei die Widerstände die Werte R, = 150 Ohm und R₃ = 37,5 Ohm sind. Es zeigt YO 973 095

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sich, daß in den betrachteten Beispielen der Dämpfungsfaktor höher ist als in den meisten Anwendungsfällen; diese Werte wurden im vorliegenden Fall jedoch nur gewählt, um ein anschauliches numerisches Beispiel zu erhalten.

Unter Verwendung des symmetrischen π-Dämpfungsgliedes der Fig. IA läßt sich der in Fig. 2A gezeigte richtungsabhängige Breitband-Signalgenerator aufbauen. Das Dämpfungsglied kann als dreipolige Einrichtung angesehen werden, in deren einer Pol an Masse liegt. Der Knoten am linken Pol ist mit L_Q und der Knoten am rechten Pol mit R₀ bezeichnet. Die Eingänge R₁ und L₃. sind mit den Knoten L_Q und Rq des Dämpfungsglieder über als Spannungs/Strom-Wandler wirkende Verstärker verbunden. Für den Zweck der Beschreibung wird angenommen, daß diese Spannungs/Strom-Wandler ideal sind, d.h., daß ihre Eingangs-" und Ausgangs impedanzen unendlich sind, daß ihre Transkonduktanζ beginnend mit der Frequenz O bis zu höheren Frequenzen konstant ist und daß die Verzögerungszeiten entsprechend O sind. Jeder der Eingänge R₃. und L₃. ist mit einem als Spannungs/ Strom-Wandler wirkenden Verstärkerpaar verbunden. Die Transkonduktanzen g., und g₂ dieser Verstärker errechnen sich aus folgenden Gleichungen:

und (3)

(4)

wobei angenommen wird, daß eine Ausgangsspannung an den Knoten R₀ und Lq gleich der Eingangsspannung an den Eingängen R₃. und L. erwünscht ist.

Die Wirkungsweise der in Fig. 2A gezeigten Schaltung ist am besten anhand eines numerischen Beispiels zu erkennen. Dabei wird vorausgesetzt, daß an die Eingänge R₃. _und L₁ Spannungsquellen angeschlossen sind, die entweder ein Signal von O Volt oder ein Signal von +1,5 Volt abgeben. Für diese Eingangssignale sind YO 973 095

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die Spannungen an den Eingängen R-, L_ und an den Knoten R_Q und Iiq und ebenso die Knotenströme in den Knoten L_Q und R_Q in der Tabelle I angegeben. Es sei vereinbart, daß die in die Knoten fließenden Ströme positiv und die aus den Knoten fließenden Ströme negativ sind. Liegt also beispielsweise am Eingang R-die Eingangsspannung von 1,5 Volt und am Eingang L₁ die Eingangsspannung von 0 Volt, so fließt aus dem Knoten L_Q in den Verstärker mit einer Transkonduktanz g~ ein Strom von 40 mA, aus dem Verstärker mit einer Transkonduktanz g, in den Knoten Rq ein Strom von 80 mA und über den Widerstand R₃ in den Knoten Lq ein Strom von 40 mA. Dabei ist ein Wellenwiderstand Z_Q » Ohm angenommen.

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— ο —

TABELLE I (Fig. 2)

(g

in

mA/V,

R

3 ~

37,5Ω

' Ri

L

I

1,

L

= 150Ω)

V

Knotenspannungen

V

_0

V

R

0

V

0 V

R

V

J:

,5

V

r5 V

_0

1,5

V

.5

r5 V

1,5

O

V

1

0

1,5

V

1

1,5

Ströme in Knoten L_Q

50Ω

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g

2

R J

mA

ι

g Ί J

mA

R 1

mA

g

mA

R

3

mA

J

mA

0 mA

-40

mA

0

mA

mA

0

mA

-10

mA

+80

mA

+40

mA

mA

-30 mA

0

mA

-10

mA

mA

+80

mA

0

mA

0

mA

-40

mA

mA

-30 mA

-40

mA

-10

mA

mA

+80

mA

-10

mA

-80

mA

0

mA

mA

0 mA

0

mA

0

mA

0

Knoten RQ

0

0

0

Ströme in

50Ω

g

2

R

-30 mA

0

-40

0 mA

—40

+40

-30 mA

-40

0

0 mA

O

0

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Da sämtliche Komponenten der Anordnung gemäß 2A linear sind und keine Reaktanzen darstellen und eine überlagerung vorgenommen werden kann, lassen sich folgende Feststellungen treffen:

1. Ein Signal am Eingang R₁ erzeugt ein hinsichtlich der Größe und Polarität gleiches Signal am Knoten

2. Ein Signal am Knoten R_Q hat kein Signal am Knoten L_Q zur Folge.

3. Ein Signal am Eingang L_ liefert ein hinsichtlich der Größe und Polarität gleiches Signal am Knoten

4. Ein Signal am Knoten L₀ hat kein Signal am Knoten Rq zur Folge.

Die Schaltung gemäß Fig. 2A stellt somit einen richtungsabhängigen Breitband-Signalgenerator dar, der ausgehend von der Frequenz 0 keinen Frequenzgang aufweist.

Wie bereits angedeutet, ist der angenommene Dämpfungsfaktor K = 2 unüblich. In der nachstehenden Tabelle II sind Werte für R., R_, R_, g. und g₂ für andere Dämpfungsfaktoren bei einem Wellenwiderstand von Z- = 50 Ohm angegeben.

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TABELLE II

K	R1(S!)	R3 (Ω)	gx (a/v)	g2 (A/v)
2,00	150	37,50	0,05333	-0,0267
1,50	250	20,83	0,0720	-0,0480
1,20	550	9,167	0,1309	-0,1091
1,10	1050	4,773	0,2305	-0,2095
1,05	2050	2,440	0,4302	-0,4098

Die Bandbreite der Schaltung gemäß Fig. 2A ist durch parasitäre Reaktanzen begrenzt, die den Widerständen R₁, R- und dem Verstärker zuzuschreiben sind. In den meisten Fällen ist diese Begrenzung vorherrschend.

Andere Schaltungen, die funktionsmäßig äquivalient zu der gemäß Fig. 2A sind, sind dem Fachmann geläufig.

Beispielsweise kann die Schaltung gemäß Fig. 2A dadurch vereinfacht werden, daß das ir-Dämpfungsglied entsprechend Fig. 2B
modifiziert wird. Die dort gezeigte Schaltung benötigt nur noch zwei Verstärker mit Gegentaktausgang. Das ir-Dämpfungsglied unterscheidet sich von dem der Fig, IA lediglich dadurch, daß die
Querwiderstände R₁ in zwei Serienwiderstände R_1A und R₁- aufgeteilt sind, deren Werte sich aus den folgenden Beziehungen ergeben :

^R1A ^{+ R}1B ⁼

^R1A ^{= R}1B ⁽ⁱⁱ

RiTV = Ri l^^-j * und
IA 1 \ K /

^R1B ^{= R}l (k

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Für den Fall, daß die Bandbreite nicht bis zur Frequenz O verlaufen muß, können die Verstärker transformatorgekoppelte Ausgänge aufweisen.

Anstelle eines symmetrischen ^"Dämpfungsgliedes läßt sich der erfindungsgemäße Breitband-Signalgenerator auch mit einem symmetrischen O-Dämpfungsglied verwirklichen, ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2C dargestellt. Das O-Dämpfungsglied kann als das in Fig. 2B dargestellte ir-Dämpfungsglied angesehen werden, das an Masse gespiegelt ist. Wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, kann die Masse dabei virtuell oder physikalisch vorhanden sein. Die in bezug auf Masse entgegengesetzte Polaritäten aufweisenden Knoten erlauben die Verwendung von Verstärkern gleicher und positiver Transkonduktanzen, was zu einer beträchtlichen Schaltungsvereinfachung führt. In der praktischen Ausführung können die drei Serienwiderstände in jedem Querzweig des Dämpfungsgliedes durch einen einzigen Widerstand ersetzt werden, der den Wert R_1A + 2R_lß aufweist. Es

zeigt sich, daß die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2C identisch ist mit der der Schaltungen nach Fign. 2A und 2B.

In den Fign. 3A und 3B sind symmetrische T- und H-Dämpfungsglieder dargestellt, während Querwiderstand R₃ und deren Längswiderstände R₁ sich aus folgenden Begleichungen ergeben:

^R3 - ^2zo ίχτ] ' ^und <⁹>

^Rl ^{= 2}O

Durch einen Vergleich der Gleichungen (9) und (10) mit den Gleichungen (1) und (2) läßt sich ohne weiteres die Analogie zu den π- und O-Dämpfungsgliedern feststellen. Daraus folgt, daß die in den Fign. 4A und 4B dargestellten Schaltungen äquivallent mit denen der Fign. 2B und 2C. Auch eine zu Fig. 2A

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äquivallente Schaltung läßt sich leicht beheben. Die Dimensionierung der erfindungsgemäßen Schaltungen nach Fig. 4A und 4B ergibt sich aus folgenden Gleichungen:

a = - L- f**±\ (12)

^g2 Z₀ 1,K-¹J '

für eine der Schaltung nach Fig. 2A ähnliche Schaltung ist

^R3A ^{+ R}3B ^{= R}3'

K+ry ' ^(14J

R_3A = R₃ ( ^ 1 und (15)

^R3B - ^R3

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen finden Anwendung in analogen und digitalen übertragungssystemen, bei denen ein Informationsfluß in zwei Richtungen erfolgt und bei denen eine Vielzahl von Anschlüssen an ein und demselben übertragungsweg angeordnet sind. Durch Einsatz dieser Schaltungen läßt sich die Anzahl der zwischen den miteinander verkehrenden Teilnehmern erforderlichen Verbindungen reduzieren. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind symmetrische Dämpfungsglieder verwendet worden. Erfindungsgemäße Schaltungen lassen sich auch mit unsymmetrischen Dämpfungsgliedern aufbauen. Außerdem ist festzustellen, daß die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten, eine Spannungs-Stromwandlung bewirkenden Verstärkern oder Stromquellen ebensogut durch äquivalente Spannungsquellen ersetzbar sind.

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Claims (15)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1» Breitband-Signalgenerator zur Einkopplung und steuerbar richtungsabhängigen übertragung von Signalen auf einer übertragungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß am Einkopplungsort ein mindestens einen ersten und einen zweiten Knoten aufweisendes Dämpfungsglied aus linearen, nicht Reaktanzen darstellenden Bauelementen in die übertragungsleitung eingefügt ist, daß ein Eingang für ein in einer bestimmten Richtung zu übertragendes Signal über ein erstes Kopplungsglied mit dem ersten Knoten und ein zweites Kopplungsglied mit dem zweiten Knoten des Dämpfungsgliedes verbunden ist und daß die KopplungsVerhältnisse des ersten und zweiten Kopplungsgliedes so gewählt sind, daß ein zu dem Signal am Eingang proportionales Signal nur in der vorgegebenen Richtung übertragen wird.
2. 2. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Eingang für ein erstes, in einer ersten Richtung zu übertragendes Signal über ein erstes und zweites Kopplungsglied und ein zweiter Eingang für ein zweites, in der zweiten Richtung zu übertragendes Signal über ein drittes und viertes Kopplungsglied mit den ersten und zweiten Knoten des Dämpfungsgliedes verbunden ist.
3. 3. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,' daß die Kopplungsglieder aktive Bauelemente enthalten.
4. 4. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsglieder Spannungs/Strom-Wandler darstellende Verstärker sind, deren Transkonduktanz die Kopplungsverhältnisse bestimmt.
5. 5. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

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   - 12 -

   zeichnet, daß die jeweils einem Eingang zugeordneten ersten und zweiten, bzw. dritten und vierten Kopplungsglieder jeweils zusammen einen Gegentaktverstärker bilden.
6. 6. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein symmetrisches Dämpfungsglied verwendet ist und daß die das erste und dritte Kopplungsglied bildenden Verstärker die Transkonduktanz

   a ²

   ⁹¹ "'S

   und die das zweite und vierte Kopplungsglied bildenden Verstärker die Transkonduktanz

   ^{2 Z}O

   aufweisen, wobei Z_ der Wellenwiderstand der übertragungsleitung und K der Dämpfungsfaktor des Dämpfungsgliedes ist.
7. 7. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 6_# dadurch gekennzeichnet, daß ein π-Dämpfungsglied mit einem Serien- und zwei Querwiderständen verwendet ist.
8. 8. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Querwiderstand aus zwei in Serie geschalteten und damit einen dritten bzw. vierten Knoten bildenden Widerständen besteht und daß die einem Eingang zugeordneten Kopplungsglieder aus einem Gegentaktverstärker bestehen, dessen einer Ausgang mit dem ersten bzw. zweiten und dessen anderer Ausgang mit dem dritten bzw. vierten Knoten verbunden ist.
9. 9. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied symmetrisch ist und

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   daß die die dritten und vierten Knoten bildenden, in Serie geschalteten Widerstände definiert sind als

   ^R1A ~ ^Rl \~) ^Und

   ■p —■ π /
   ^R1B "IV

   wobei R₁ der Gesamt-Querwiderstand ist.
10. 10. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein O-Dämpfungsglied mit zwei Serien- und zwei Querwiderständen verwendet ist.
11. 11. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Querwiderstand aus zwei in Serie geschalteten und damit einen dritten bzw. vierten Knoten bildenden Widerständen besteht und daß die Verstärkerausgänge entsprechend mit dem ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Knoten verbunden sind.
12. 12. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein T-Dämpfungsglied verwendet ist.
13. 13. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Querwiderstand des T-Dämpfungsgliedes aus zwei in Serie geschalteten Widerständen besteht und damit einen dritten Knoten bildet und daß die einem Eingang zugeordneten Kopplungsglieder einen Gegentaktverstärker bilden, dessen einer Ausgang mit dem ersten bzw. zweiten Knoten und dessen anderer Ausgang mit dem dritten Knoten verbunden ist.
14. 14. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied symmetrisch ist und daß die den dritten Knoten bildenden Widerstände definiert sind als

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    ^R3A =

    _ fK+1

    wobei R- der Gesamt-Querwiderstand ist.
15. 15. Breitband-Signalgenerator nach Anspruch 6, dadurch

    gekennzeichnet, daß ein H-Dämpfungsglied verwendet ist.

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