DE3509409A1

DE3509409A1 - Stimmfrequenz-verstaerker fuer telefonschaltungen

Info

Publication number: DE3509409A1
Application number: DE19853509409
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: MICROLAB SA
Current assignee: MICROLAB SA
Priority date: 1984-04-23
Filing date: 1985-03-15
Publication date: 1985-10-24
Also published as: IT1180142B; IT8468158A0; GB8507659D0; FR2563397A1; BR8401869A; IT8454064V0; IT8468158A1; GB2159021A

Description

WUESTHOFF-v. PECHMANN:-BEHRENS-GOET? d*»hil.freda _tuesthoff (_J917._19s6)

■- - -- DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-I971)

MICROLAB SA &' ^Ό'*°°^Ο ^{MÜNCHEN 90}

MICROLAB S.A. , $L SCHWEIGERSTRASSE 2

lA-58 726 telefon: (089) 66 ίο ji

telegramm: protectpatent Telex: 524070

TELEFAX: VIA (089) 2 71 6063 (ill) Stinimfrequenz-Verstärker für Telefonschaltungen

Die Erfindung betrifft einen Stiiranfrequenz-Verstärker (auch Übertrager genannt) für eine Telefonschaltung zwischen zwei entfernten Stationen zur Verstärkung des Stimmsignals in beiden Richtungen mit Verstärkern für das Stimmsignal und Einrichtungen zum Verhindern einer Auto-Oszillation der Verstärker.

Derartige Stimmfrequenz-Verstärker dienen in Telefonschaltungen zur Verstärkung des Stimmsignals auf den Telefonleitungen, wenn das Stimmsignal aufgrund des Abstandes zwischen den Stationen stark geschwächt ist.

An derartige Schaltungen werden verschiedene Anforderungen gestellt:

1. sie müssen durchlässig (transparent) für den Gleichstrom sein, welcher das Telefon versorgt, den sogenannten Schleifenstrom;

2. sie müssen durchlässig (transparent) für Rufsignale sein (Sinus-Signale mit einer Frequenz von 25 Hz und 80 Volt effektiver Spannung);

3. sie müssen durchlässig (transparent) sein für die Wähl-Signale (Rechteck-Signale mit 48 Vpp und einer Periode von 100 ms);

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, 3. 35Q94C9

4. sie müssen geeignet sein, gleichzeitig Stimmsignale (300-3400 Hz) zu verstärken;

5. sie müssen die Ubertragungseigenschaften der Telefonleitung verbessern, insbesondere hinsichtlich der Störungen des Stimmsignals, Reflexionen des Signals, stationärer Wellen auf der Leitung sowie allen möglichen Arten eines schädlichen Rauschens;

6. sie müssen einen möglichst geringen Energieverbrauch aufweisen, der in gewöhnlichen Systemen nicht oberhalb von 100 mA liegen soll; und

7. sie müssen durchlässig (transparent) sein für Polaritätswechsel auf der Telefonleitung.

Das Erfordernis einer gleichzeitigen Verstärkung in zwei Richtungen führt zu technischen Schaltungsproblemen. Eine Analyse mittels der allgemeinen Schaltungstheorie zeigt, daß herkömmliche Schaltungen Oszillatoren und nicht Verstärkern entsprechen.

Eine andere Schwierigkeit liegt in der Verbindung des Stimmfrequenz-Verstärkers mit der Telefonleitung. Da die Telefonleitung als Signal-Übertragungsleitung nicht einen reinen (Ohm'sehen) Widerstandscharakter aufweist, entspricht sie der distributiver. Parameter- Theorie mit allen Erscheinungen der elektromagnetischen Wellenausbreitung. Herkömmliche Analysen mittels der Kirchhoff'sehen Gesetze sind ungeeignet.

Eine mathematische Analyse der Leitung mittels der allgemeinen Theorie elektromagnetischer Wellen zeigt, daß die Signalhöhe bei der Fortpflanzung nicht gleichförmig geschwächt wird, sondern bei hohen Frequenzen höhere Verluste erleidet. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Signals ändert sich als Funktion der Frequenz, wodurch erhebliche Phasen-Störungen auftreten. Die Reflektion des Signales wird überbetont, was stationäre

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Wellen und Oszillationen verursacht. Ein Stimmfrequenz-Verstärker in einer Leitung muß nicht nur die positiven Eigenschaften der Leitung erhalten, sondern darüberhinaus deren Leistungsfähigkeit verbessern.

Im Stand der Technik sind unterschiedlichste Ansätze für Stimmfrequenz-Verstärker vorgeschlagen worden, welche nachfolgend kurz diskutiert werden.

1. Stimmfrequenz-Verstärker mit Hybrid-Spulen:

Diese sind als der erste Versuch anzusehen, die obigen Probleme zu lösen. Hybrid-Spulen werden dabei am Ende zweier Einweg-Verstärker eingesetzt.

Eine Hybrid-Spule ist ein Umformer mit vier Windungen, welcher die Eigenschaft hat, die Signale in vorbestimmten Richtungen durchzulassen.

Es ist wichtig, daß die Impedanzen der Windungen des Umformers denen der Leitung angepaßt sind.

Die Schwierigkeit beim Entwurf derartiger Hybrid-Umwandler liegt darin, daß das Stimm-Signal als ein Breitband-Signal angesehen werden muß, bei dem die höchste Frequenz etwa 11-mal größer ist als die niedrigste, wodurch die Konstruktion der Spulen extrem schwierig wird.

Ein anderer Schwachpunkt einer solchen Anordnung liegt in der Impedanz. Wie bereits erwähnt, ist eine TeIefönleitung eine Übertragungsleitung und ihre Impedanz hängt von der Frequenz ab. Dementsprechend müßte für jede Frequenz der Impedanzwert des Systems geändert werden.

Dieses Problem wird durch einen Kompromiß gelöst. Mittels einer Ausgleichsschaltung wird ein angenäherter Impedanzwert über den gesamten Frequenzbereich (300-3400 Hz) gesucht.

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Allerdings ist die Wahl der Impedanz, der Einsatz der Umwandler und die Anpassung der Impedanzen höchst schwierig.

2. Stimmfrequenz-Verstärker mit negativer Impedanz:

Bei diesem Lösungsversuch wird künstlich eine Schaltung erzeugt, welche als negativer Widerstand wirkt. Sobald eine derartige Schaltung in der Telefonleitung installiert ist, bewirkt sie eine Spannungsverstärkung des Signals gemäß folgenden Gleichungen :

Vo = Vi -Ii (-R) - IiR . Vo = Vi + IrR Vi.

Gleichzeitig sollte die Schaltung die gleichen Eingangs- und Ausgangsimpedanzen aufrechterhalten. Auf diese Weise wird eine Potentialverstärkung erzielt, die nicht mit passiven Bauteilen erreicht werden kann. Diese Schaltung läßt sich nur mit Regelorganen und Halbleitern (als aktive Bauteile) und einer äußeren Spannungsquelle verwirklichen.

Bei derartigen Schaltungen wird ein Umwandler in eine zweiadrige Telefonleitung eingefügt. Die Primärwindung des Umwandlers liegt in Reihe mit der Leitung und die Sekundärwindung wirkt als Widerstand, welcher in Reihe mit einem aktiven Schaltkreis liegt, der die Polarität des Signalstromes umkehrt. Auf diese Weise wird der tatsächliche Wert des Widerstandes als invertiertes Signal zur Primärwindung reflektiert, wodurch die Funktion als "negativer Widerstand" erfüllt wird.

Um die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen aufrechtzuerhalten ist ein weiterer Schaltkreis aus zwei Umwandlern, einem aktiven Kreis (Regelorgane oder Umwandler) und einem Verstärkungswiderstand parallel zur Leitung geschaltet.

Der Stimmfrequenz-Verstärker mit negativem Widerstand hat theoretisch einen brauchbaren Wirkungsgrad.

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Da der Schleifenstrom (der die Telefone speisende Gleichstrom) durch die Primärwindungen des Umwandlers strömt, ist der Bau sehr aufwendig und die Abmessungen sind erheblich.

Da mehrere Umwandler mit unterschiedlichen Daten eingesetzt werden, leiden die Leistungsdaten der Schaltung. Bei der Herstellung treten die gleichen Probleme auf wie bei Stimmfrequenz-Verstärkern mit Hybrid-Spulen, zum Teil sogar verstärkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Stimmfrequenz-Verstärker der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Einrichtung zum Verhindern der Auto-Oszillation Hybrid-Schaltungen mit Operationsverstärkern vorgesehen sind.

Die Ersetzung eines passiven Elementes (Hybridspule gemäß dem Stand der Technik) durch ein aktives Element (Operationsverstärker) ist für die Vermeidung von Auto-Oszillationen in einer bidirektionalen Telefonschaltung ein neues Konzept und ermöglicht die Großserienproduktion von Stimmfrequenz-Verstärkern mit mehreren Vorteilen gegenüber solchen herkömmlicher Art. Diese Vorteile sind:

1. Reduzierung des Gewichtes und der Abmessungen der Ausrüstungen;

2. Reduzierung der Kosten;

3. vereinfachte Herstellung der Ausrüstung; und

4. Vermeidung kritischer und störanfälliger Bauteile, so daß gleichmäßige Leistungsdaten unter Verwendung integrierter Schaltungen möglich sind.

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Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Stimmfrequenz-Verstärkers mit Hybrid-Spulen gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein vereinfachtes Block-Diagramm eines Stimmfrequenz-Verstärkers gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Operationsverstärkers, wie er erfindungsgemäß verwendet wird;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Signale gemäß dem differentiellen Wellentyp und dem gewöhnlichen Wellentyp, welche an den Eingängen der in Fig. 3 gezeigten Operationsverstärker anliegen; und

Fig. 5 eine Gesamt-Schaltung eines Stimmfrequenz-Verstärkers gemäß der Erfindung, wobei die negativen Eingänge der Verstärker (welche die Eingänge des Operationsverstärkers invertieren) verwendet werden.

Wie bereits gesagt, folgt der erfindungsgemäße Stimmfrequenz-Verstärker der Betriebsart nach denjenigen bekannten Stimmfrequenz-Verstärkern, wobei Umwandler mit vier Windungen oder Hybrid-Spulen 1 (Fig. 1) durch einen Schaltkreis 2 mit einem Operationsverstärker ersetzt werden, wie er in Fig. 3 gezeigt ist.

Fig. 2 zeigt ein Block-Diagramm eines erfindungsgemäßen Stimmfrequenz-Verstärkers, wobei jeder der Blöcke 3 und 4 durch einen aktiven Hybrid-Schaltkreis 2 gebildet wird, welcher aus Operationsverstärkern zusammengesetzt ist, die gemäß Fig. 5 geschaltet sind. Dies wird nachfolgend näher beschrieben. Der Schaltkreis 2 benutzt vorteilhaft die Prinzipien des Signalein-

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ganges mit differentiellem Wellentyp und gewöhnlichem Wellentyp. Diese Signale sind in Fig. 4 schematisch gezeigt, wobei die Bezugszeichen Ll und L2 sich auf die Eingänge des Schaltkreises 2 gemäß Fig. 3 beziehen. Die mit Sl in Fig. 4 dargestellten Signale entsprechen den Signalen differentiellen Wellentyps, während die mit S2 bezeichneten Signale dem gewöhnlichen Wellentyp entsprechen.

Wird in der Schaltung 2 gemäß Fig. 3 der Widerstand Rl gleich R2 und R3 gleich R4, so hat die Schaltung die folgenden charakteristischen Daten:

a) Verstärkung eines Signales S2 gewöhnlicher Wellenform; und

b) Zurückweisung mit hohem Wirkungsgrad (als Funktion der Qualität des Operationsverstärkers und der Widerstandswerte) des Signales gewöhnlicher Wellenform.

Diese Prinzipien der allgemeinen Theorie von Operationsverstärker-Schaltkreisen wurden erfindungsgemäß angewandt, um einen Stimmfrequenz-Verstärker zu schaffen, dessen Leistungsdaten dem Stand der Technik überlegen sind.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Blockdiagramm passiert das Signal Sl frei zur Leitungsseite A, erscheint aber als gewöhnlicher Wellentyp am Ausgang des Hybrid-Schaltkreises 3 und passiert deshalb nicht den Verstärker Al. Das Signal S2 erscheint am Eingang des Hybrid-Schaltkreises 3 als differentieller Wellentyp und passiert die Verstärker Al.

Im aktiven Hybrid-Schaltkreis 4 erscheint das Signal Sl im differentiellen Wellentyp und passiert frei und verstärkt zum Verstärker A2. Das Signal S2 befindet sich bereits im gewöhnlichen Wellentyp und kehrt nicht zu A2 zurück.

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Auf diese Weise werden gleichzeitig bidirektionale Signale durchgelassen, ohne daß im Stimmfrequenz-Verstärker eine Stromschleife für die Signale Sl und S2 gebildet werden muß.

Der Stimmfrequenz-Verstärker weist also keine Wandler auf, sondern aktive Hybrid-Schaltungen, wodurch die schweren und sperrigen Spulen durch aktive Operationsverstärker-Schaltungen im Audio-Frequenzbereich ersetzt werden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Stimmfrequenz-Verstärker werden negative Eingänge der Verstärker, welche die Eingänge der Operationsverstärker invertieren, benutzt. Es versteht sich aber, daß auch die positiven Eingänge benutzt werden können, ohne daß grundsätzliche Unterschiede auftreten.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung formen die Verstärker Z2A, ZlA und Z5A auf der einen Seite der Leitung und ZlB, Z2B und Z5B auf der anderen Seite die bereits in Fig. 2 gezeigten aktiven Hybrid-Schaltungen. Da eine Telefonleitung in jedem Falle einen ausgeglichenen Leiter darstellt, sind drei Operationsverstärker erforderlich, um die anhand der Fig. 3 erläuterten Funktionen auszuführen.

Diese Anordnung aus drei Operationsverstärkern wird als "Instrumental-Verstärker" bezeichnet und nimmt ausgeglichene Signale an, wobei die Funktionsdaten gegenüber der in Fig. 3 gezeigten Schaltung verbessert sind. Insbesondere zeigt sie hinsichtlich der Zurückweisung gewöhnlicher Wellentypen gute Eigenschaften.

Die zwei Verstärker ZlA und Z2A sind gleich und Teil des gleichen integrierten Schaltkreises.

Damit die Widerstandswerte eine Symmetrie ergeben, was eine unabdingbare Voraussetzung für eine wirksame Zurückweisung des gewöhnlichen Wellentyps ist, sind sie jeweils gleich. Es gilt also:

-/5 - 58 726

RIA = R2A = RlOA = RIlA
R3A = R4A = R9A = R12A
R5A = R6A = R13A = R14A

Diese Gleichheit ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel und sollte mit einer Abweichung von +1% eingehalten werden.

Das von der Seite "A" der Leitung kommende Telefonsignal passiert die Widerstände RIA und RlIA und erscheint an den invertierenden Eingängen ZlA und Z2A im differentiellen Wellentyp. Diese Widerstände haben einen hohen Wert (wesentlich größer als die Impedanz der Leitung) und beeinflussen nicht die Eingangsimpedanz. Diese Impedanz wird durch die Widerstände R6A und R13A definiert, deren Summe gleich Zo, der Leitungsimpedanz ist. Auf diese Weise wird eine Anpassung der Impedanzen der Leitung und des Stimmfrequenz-Verstärkers erreicht.

Das Signal wird durch die Operationsverstärker ZlA und Z2A verstärkt. Da R4A und R3A sowie R9A und R12A einander gleich sind ergeben sich die Verstärkungsfaktoren wie folgt:

R3A , Rl 2A
und

RIA RIlA.

Dieses Signal erscheint im differentiellen Wellentyp an den Eingängen von Z5A und wird wiederum um einen Faktor Rl8A verstärkt, wobei R18A gleich R20A ist. R17A

Der Verstärker Z6A beinhaltet verschiedene Schaltkreise, die für eine gute Leistung der Gesamtschaltung erforderlich sind. Dies sind Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, Hoch- und Tiefpaßfilter, Phasenanpasser und Stabilisierungsschaltungen. Alle diese Einzelteile sind herkömmlicher Art und dem Fachmann bekannt. Sie werden im Stimmfrequenz-Verstärker mit Operationsverstärkern, Widerständen und Kondensatoren zusammengeschaltet.

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Der Ausgang der Schaltung Z6A ist ein ausgeglichenes Signal welches mittels zweier Operationsverstärker Z3B und Z4B zu einer Hybrid-Schaltung 4 übertragen wird. Um die Symmetrie des Signales zu erhalten, sind R8B und R16B sowie R7B und R15B jeweils einander gleich.

Das Ausgangssignal von Z3B wird mittels zweier Widerstände R6B und R13B zur Seite "B" der Leitung übertragen. Diese Widerstände bilden die Ausgangsimpedanz für das Signal. R5B ist gleich R13B (Symmetrie) und es gilt: R5B + R13B = Zo. Die Ausgangsimpedanz ist also gleich der Leitungsimpedanz.

Das Ausgangssignal von Z3B wird gleichzeitig über die Widerstände R5B und R6B (wobei R5B gleich R6B ist) an die Operationsverstärker AlB (über Widerstände RlB und R2B ) angelegt. Dieses Signal erscheint bei ZlB als gewöhnlicher Wellentyp und wird nicht zum Stimmfrequenz-Verstärker rückübertragen. Die Impedanz Zo, welche gleich dem Nennwert der Leitungsimpedanz ist, bewirkt, daß das Signal bei Z3B in Phase und Amplitude angepaßt in den Zuleitungen zu RlB und R2B erscheint.

Das Z4B verlassende Signal passiert die Widerstände R13B und R14B (welche gleich sind) und erscheint als gewöhnlicher Wellentyp in den Zuleitungen zu RlOB und RlIB. Die Impedanz Zo gleicht die Phase und die Amplitude dieses Signals an. Z2B weist das Signal zurück, so daß seine Rückübertragung zum Stimmfrequenz-Verstärker verhindert ist.

Das von der Seite "B" der Leitung kommende Signal erscheint in den Zuleitungen zu RlB und R2B im differentiellen Wellentyp und wird verstärkt und durch die Bauteile ZlB, Z2B und Z5B zum Stimmfrequenz-Verstärker weitergeleitet, entsprechend der Seite

Der Verstärkerkreis Z6B entspricht dem Verstärkerkreis Z5A. 2064

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Claims

DIPL.-ING. GERHARD PULS (1952-I971)

D-8000 MÜNCHEN 90 MICROLAB S.A. SCHWEIGERSTRASSE 2

lA-58 726 telefon: (089)6620 ji

* , TELEGRAMM: PROTECTPATENT

TELEX: 524070

telefax: via (089) 271 6063 (in)

Patentansprüche :

Stimmfrequenz-Verstärker für eine Telefonschaltung zwischen zwei entfernten Stationen zur Verstärkung des Stimmsignals in beiden Richtungen mit Verstärkern für das Stimmsignal und Einrichtungen zum Verhindern einer Auto-Oszillation der Verstärker,

dadurch gekennzeichnet,

daß als Einrichtung zum Verhindern der Auto-Oszillation Hybrid-Schaltungen (3_# 4) mit Operationsverstärkern (ZlA, Z2A, Z5A, ZlB, Z2B, Z5B) vorgesehen sind.
2. Stimmfrequenz-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zwei Hybrid-Schaltungen (3, 4) vorgesehen sind, von denen jede aus drei Operationsverstärkern (2) zusammengesetzt ist.
3. Stimmfreguenz-Verstärker nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest zwei der Operationsverstärker (ZlA, Z2A; ZlB, Z2B) einer jeden Hybrid-Schaltung (3, 4) einen einzigen integrierten Schaltkreis bilden.

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