CH647906A5 - Leitungskreis. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitungskreis mit einer Speisequelle und einem Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz, der an die Speisequelle angeschlossen ist, mit einer Anschlussklemme für das Zuführen eines von der Speisequelle herrührenden Gleichstroms zu einer an die Anschlussklemme angeschlossenen Ader einer Teilnehmerleitung.

Ein derartiger Leitungskreis, bei dem der Gleichstrom von dem Verstärker geliefert wird, ist aus der US-Patentschrift 4 041 252 bekannt.

Teilnehmerzentralen auf Basis von Zeitverteilungs- oder Kleinsignalraumnetzwerken erfordern einen preisgünstigen Teilnehmerleitungskreis auf «einer-je-Leitung»-Basis. Dies erfordert einen möglichst hohen Integrationsgrad des Kreises.

Zur Erzeugung des Gleichstromes enthält die Speisequelle eine Gleichspannungsquelle. Die Grösse des Gleichstromes ist von der Länge der Teilnehmerleitung abhängig. Um bei sehr langen Leitungen einen ausreichenden Leitungsstrom zur Verfügung zu haben, beträgt die Spannung der Spannungsquelle normalerweise 48 oder 60 Volt. Dies bringt mit sich, dass der Leitungsstrom für sehr kurze Leitungen oder bei einem Kurzschluss an der Teilnehmerleitung sehr gross sein kann. Deshalb ist ein in Reihe mit der Speisequelle angeordneter Speisewiderstand von 400 bis 800 Ohm vorgeschrieben, mit dem der maximale Leitungsstrom auf 100 bis 120 m A begrenzt wird. Weil eine Teilnehmerleitung eine Zweidraht-Übertragungsleitung ist, enthält der Leitungskreis einen zweiten Verstärker, der derartig geschaltet ist, dass der Leitungskreis symmetrisch aufgebaut ist. Der Speisewiderstand ist dabei als Abschlussimpedanz wirksam, aufgeteilt in zwei Impedanzen mit je einem Wert von 200 bis 400 Ohm. Um zu vermeiden, dass durch diese Impedanzen «common-mode»--Signale an der Teilnehmerleitung in «differential-mode»--Signale umgewandelt werden, ist es notwendig, dass diese Impedanzen etwa auf 0,1% genau sind. Wegen des grossen Wertes des maximalen Leitungsstromes verbrauchen die Endtransistoren der Verstärker eine relativ grosse Leistung. Diese Verlustleistung in dem zu integrierenden Teil ist bisher die Ursache gewesen, diese Kreise nicht zu verwenden wegen der für Fernsprechsysteme erforderlichen Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, einen Leitungskreis zu schaffen, dessen Verlustleitung in den aktiven Elementen des Leitungskreises sehr klein ist und wodurch diese leicht in integrierter Form verwirklichbar sind.

Der erfindungsgemässe Leitungskreis weist dazu das Kennzeichen auf, dass er eine Impedanzmultiplizierschaltung und eine Strominjektionsanordnung enthält, die an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist, um der Ader der Teilnehmerleitung einen durch die Impedanz der Strominjektionsanordnung beeinflussten Teil des Gleichstromes zuzuführen, wobei der restliche kleinere Teil des Gleichstromes von dem Verstärker geliefert wird.

Dadurch, dass mindestens ein Teil des Gleichstromes um den Endtransistor zu der Anschlussklemme herumgeführt wird, ergibt sich eine Verringerung der Verlustleistung im Endtransistor, wodurch dieser leichter in integrierter Form verwirklichbar ist.

Gemäss einem Ausführungsbeispiel weist der Verstärker einen definierten Verstärkungsfaktor auf, und ist zur Verwirklichung der Impedanzmultiplizierschaltung der Ausgang des Verstärkers über einen Widerstand an die Anschlussklemmen angeschlossen, ist zwischen der Anschlussklemme und einem Signaleingang des Verstärkers zum Zurückkoppeln eines Teils des Spannungsunterschiedes zwischen der Spannung der Anschlussklemme und der Spannung der Bezugsspannungsquelle ein Rückkopplungskreis mit einer Bezugsspannungsquelle vorgesehen und enthält die Strominjektionsanordnung eine Gleichspannungsquelle, die mit der Impedanz gekoppelt ist, die durch den Teil des Gleichstromes beeinflusst wird, der von dieser Anordnung geliefert wird. Dies bietet den Vorteil, dass der Widerstand zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Anschlussklemme, einen durch den Rückkopplungsfaktor bestimmten kleineren Wert als der erforderliche Wert hat, wobei der Differenzwert durch die Impedanz in der Strominjektionsanordnung gebildet wird, so dass ein kleiner

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Widerstand mit einer Genauigkeit von 0,1% ausreicht, der eine um den Rückkopplungsfaktor kleinere Leistung verbraucht und daher preisgünstiger ist. Der zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Anschlussklemme liegende Widerstand könnte dann ebenfalls auch integriert werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform zeichnet sich der Leitungskreis dadurch aus, dass der Verstärker ein Differenzverstärker ist mit einem Signal nicht invertierenden Eingang und einem signalinvertierenden Eingang, wobei der Ausgang des Verstärkers an den signalinvertierenden Eingang angeschlossen ist und dass der Rückkopplungskreis einen Spannungsteiler enthält, der zwischen einem Pol der Bezugsspannungsquelle und der Anschlussklemme liegt, wobei der Abgriff des Spannungsteilers an den durch den das Signal nicht invertierenden Eingang gebildeten Signaleingang des Verstärkers angeschlossen ist.

Für eine besonders geeignete Ausführungsform besteht der Leitungskreis darin, dass die Gleichspannungsquelle einen Impulsgenerator enthält, die Impedanz eine Induktivität enthält, die an den Impulsgenerator angeschlossen ist und dass eine Gleichrichterschaltung an die Induktivität angeschlossen und mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist.

Dadurch wird erreicht, dass die Gesamtverlustleistung des Leitungskreises gering ist, wodurch dieser Kreis zum grossen Teil in integrierter Form ausgebildet werden kann, womit zugleich erreicht ist, dass die Packungsdichte derartiger Leitungskreise auf Printplatten in Gestellen von Fernsprechzentralen gross ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines Leitungskreises nach der Erfindung;

Fig. 2 ein vollständiges Ausführungsbeispiel eines Leitungskreises nach der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Teil eines Leitungskreises enthält eine Anschlussklemme 1 zum Anschliessen einer Ader einer nicht dargestellten Teilnehmerleitung, beispielsweise die a-Ader. Dieser Ader wird über einen rückgekoppelten Verstärker 2 und einen Widerstand 3 ein von einer als Stromquelle 4 ausgebildeten Signalquelle abgegebenes Sprachsignal zugeführt. Der Verstärker 2 enthält eine Endstufe, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei komplementäre Endtransistoren 5 und 6 enthält. Diese Transistoren 5 und 6 sind als Emit-terfolger geschaltet, wodurch die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 2, die infolge der Rückkopplung niederohmig ist, extra niedrig ist. Zwischen den miteinander verbundenen Basiselektroden der Transistoren 5 und 6 und den Emittern ist ein Widerstand 8 geschaltet, um beim Umkehren der Stromrichtung die nicht lineare Verzerrung infolge des doppelten Basis-Emitter-Spannungsbereiches bei der Übernahme des Leitungszustandes eines der Transistoren durch den anderen zu verringern. Die Kopplung der Basiselektroden der Transistoren mit dem Eingang des Verstärkers ist nicht dargestellt, weil diese, obschon für das Funktionieren des Verstärkers erforderlich, für die Erfindung nicht von Bedeutung ist. Weiterhin ist der Kollektor des Transistors 5 an den positiven Pol 9 und der Kollektor des Transistors 6 an den negativen Pol 10 einer nicht dargestellten als Speisequelle wirksamen Spannungsquelle angeschlossen.

Der Teilnehmerleitung, von der eine Ader an die Klemme 1 angeschlossen ist, muss ein bestimmter vorgeschriebener Gleichstrom zugeführt bzw. derselben entnommen werden. Dieser hat beispielsweise einen minimalen Wert von 20 mA bei sehr langen Leitungen und beispielsweise einen maximalen Wert von 120 m A für sehr kurze Leitungen oder bei einem Kurzschluss in der Leitung. Dieser Leitungsstrom fliesst normalerweise von dem positiven Pol 9 über die Hauptstromstrecke des Transistors 5 zu der Anschlussklemme 1, oder bei Anwendung einer umgekehrten Leitungspolarität von der Anschlussklemme 1 über die Hauptstromstrecke des Transistors 6 zu dem negativen Pol 10. Es sei bemerkt, dass, wenn mit nur einer Leitungspolarität gearbeitet wird, einer der Endtransistoren 5 und 6 fortfallen kann. Zwecks Verstärkung der von der Stromquelle 4 herrührenden Sprachsignale brauchen die Transistaren einen Kollektorspannungsbereich von etwa 6 Volt. Bei einem Leitungsstrom von etwa 80 mA beträgt die Verlustleistung in dem stromführenden Endtransistor 480 mW. Ein vollständiger Leitungskreis enthält jedoch zwei derartiger Verstärker, was eine Gesamtverlustleistung von 960 mW ergibt, was die Verwirklichung in integrierter Form erschwert.

Um diese Verlustleistung zu verringern, ist der Leitungskreis mit einer Strominjektionsanordnung versehen. Diese Strominjektionsanordnung enthält in diesem Ausführungsbeispiel eine der Speisequelle zugeordnete Spannungsquelle 11 und einen Widerstand 12, der an den niederohmigen Ausgang 7 des Verstärkers 2 angeschlossen ist. Wegen der niedrigen Ausgangsimpedanz des Verstärkers 7 liefert die Strominjektionsanordnung bei einer geeigneten Wahl der Spannung der Spannungsquelle 11 und der Grösse des Widerstandes 12 einen Teil des Leitungsstromes oder den ganzen Leitungsstrom für die Teilnehmerleitung. Der Leitungsstrom fliesst dadurch nicht mehr über den Transistor 5 oder 6, wodurch der Verstärker 2 leicht in integrierter Form verwirklichbar ist. Dadurch, dass der Widerstand 12 ausserhalb des Chips des integrierten Teils des Leitungskreises angeordnet wird, erfolgt Verlustleistung ausserhalb des Chips.

An dieser Stelle sei bemerkt, dass von den Endtransistoren 5 bzw. 6 der Kollektor an den Ausgang 7 angeschlossen sein darf und der Emitter an den positiven Pol 9 bzw. den negativen Pol 10 der nicht dargestellten Spannungsquelle. Die Steuerung der Basis jedes dieser Endtransistoren muss dann gegenüber den Spannungen dieser Pole 9 und 10 erfolgen. Durch Anwendung einer Rückkopplung kann dann ebenfalls eine niedrige Ausgangsimpedanz verwirklicht werden.

Wie obenstehend bereits beschrieben, wird bei sehr langen Teilnehmerleitungen ein minimaler Strom von 20 mA vorgeschrieben, der dadurch erreicht wird, dass eine Spannungsquelle von 48 oder 60 V verwendet wird. Um den Strom bei kurzen Teilnehmerleitungen oder bei Kurzschluss zu begrenzen, wird in Reihe mit jeder der Adern einer Teilnehmerleitung ein Speisewiderstand von 200 bis 400 Ohm vorgeschrieben. Bei einem Leitungsstrom von 100 m A verbrauchen diese Widerstände dann je 2 bis 4 Watt.

Da diese Widerstände zugleich für Wechselstromsignale die Abschlussimpedanzen der Teilnehmerleitung bilden, ist es erforderlich, dass diese Widerstandswerte auf etwa 0,1%

genau sind. Diese genauen Widerstände, die für die genannte Verlustleistung geeignet sind, sind zierr lieh teuer.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, hat u.a. der Verstärker einen definierten Verstärkungsfaktor. Dieser ist bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht worden, dass der Verstärker 2 als Differenzverstärker ausgebildet ist, dessen signalinvertierender Eingang 13 mit dem Ausgang 7 verbunden ist, wobei die Signalquelle 4 an den das Signal nicht invertierenden Eingang 14 angeschlossen ist. Der Verstärkungsfaktor des auf diese Weise ausgebildeten Verstärkers 2 ist eins. Jeder beliebige feste Verstärkungsfaktor kann jedoch angewandt werden, was mit dem in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Rückkopplungskreis 2-1 erreicht werden kann. Auf gleiche Weise kann jeder beliebige Verstärker mit einem definierten Verstärkungsfaktor verwendet werden.

Weiterhin enthält der Leitungskreis ausser dem bereits beschriebenen Widerstand 3, der zwischen dem Ausgang 7

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und der Anschlussklemme 1 liegt, einen Rückkopplungskreis, der eine Bezugsspannungsquelle enthält. Als Bezugsspannungsquelle wird in diesem Ausführungsbeispiel die Spannungsquelle 11 der Strominjektionsanordnung verwendet. Es können jedoch für die beiden Anwendungsbereiche einzelne Quellen verwendet werden mit unterschiedlichen Spannungswerten. Der Rückkopplungskreis enthält einen Spannungsteiler, der durch die Widerstände 15 und 16 gebildet wird, dessen Mittenabgriff an den das Signal nicht invertierenden Signaleingang 14 des Differenzverstärkers 2 angeschlossen ist. Auf diese Weise wird eine Impedanzmultiplikation des Widerstandes 3 erhalten. Es lässt sich leicht darlegen, dass die Ausgangsimpedanz Ro von der Anschlussklemme 1 gesehen, bei einem sehr hohen Verstärkungsfaktor des Verstärkers 2 ohne Rückkopplung der nachfolgendenGleichung entspricht:

Dabei entsprechen die Bezugszeichen der durch R bezeichneten Widerstände den in Fig. 1 dargestellten Bezugszeichen der Widerstände.

Bei einer geeigneten Wahl der Werte dieser Widerstände beispielsweise Ris= 1 kQ und Ria = 9 kfì wird eine Ausgangsimpedanz Ro entsprechend 200 bzw. 400 Ohm erhalten bei einem Wert von 20 bzw. 40 Ohm für R3. Der Widerstand R3 verbraucht dann bei 100 mA nur 0,2 bzw. 0,4 Watt, wofür preisgünstige, auf 0,1% genaue Widerstände erhältlich sind. Die übrigen 180 bzw. 360 Ohm der Abschluss- oder Speisewiderstände werden durch die elektronische Impedanz der Transistoren 5 und 6 gebildet. Dies würde, wenn der Leitungsstrom durch den Endtransistor fliessen würde, den Nachteil aufweisen, dass die Verlustleistung in den Transistoren 5 und 6 wesentlich wäre. Durch die Strominjektionsanordnung wird aber wenigstens ein Teil des Leitungsstromes um die Transistoren 5 und 6 herum der Anschlussklemme 1 zugeführt.

Bei einer richtigen Wahl des Widerstandes 12 kann der Leitungsstrom völlig um die Transistoren 5 und 6 herum zu der Anschlussklemme 1 fliessen, und zwar von der Quelle 11 über den Widerstand 12 und den Widerstand 3. Die Transistoren 5 und 6 sind dann in Klasse B eingestellt. Der Wert des Widerstandes 12 muss dann 180 bzw. 360 Ohm betragen.

Auf diese Weise ist erreicht worden, dass nur Widerstände von 20 bzw. 30 Ohm mit einer Genauigkeit von 0,1% verwendet werden, die eine relativ niedrige Leistung verbrauchen, und vermieden ist, dass die Verlustleistung in den Transistoren 5 und 6 auftritt. Die übrigen Widerstände haben einen Wert von 180 bzw. 360 Ohm, wodurch diese eine relativ hohe

Leistung verbrauchen. Diese Widerstände brauchen jedoch nicht genau zu sein.

Wenn der Gleichstrom nicht völlig aufgebraucht wird, beispielsweise wenn die Transistoren 5 und 6 in Klasse A betrieben werden, führen diese Transistoren beispielsweise einen für die Sprachsignalverstärkung notwendigen Gleichstrom von etwa 10 mA. Die dadurch verursachte Verlustleistung in den Endtransistoren ist jedoch vernachlässigbar.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt nur eine Steuerstufe eines Leitungskreises, welche Steuerstufe gegenüber einer virtuellen Erde 18, 19 und 20 (gestrichelt dargestellt) dargestellt ist. Diese virtuelle Erde stellt eine Symme-trie-Ebene für die Sprachsignale in einem vollständigen Leitungskreis dar, wie dieser in Fig. 2 dargestellt ist. Es sei bemerkt, dass diese Ebene auf halber Batteriespannung liegen kann, wenn der negative Pol der Gleichspannungs- bzw. Bezugsspannungsquelle 11 geerdet ist.

In Fig. 2 sind die beiden Steuerstufen des Leitungskreises dargestellt, wobei die Elemente der zweiten Steuerstufe, die denen der ersten Steuerstufe entsprechen, mit einem mit einem Akzent versehenen gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Anschlussklemmen 1 und 1' dienen zum Anschlies-sen der a- und b-Adern einer Teilnehmerleitung. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt weiterhin eine getrennte Spannungsquelle für die Strominjektionsanordnung und die Bezugsspannungsquelle. Die Spannungsquelle der Strominjektionsanordnung enthält weiterhin eine Impulsquelle 21, zwei an die Impulsquelle 21 angeschlossene Spulen 22 und 23, eine an die Spulen angeschlossene Gleichrichterschaltung, die durch die Dioden 24 bis einschliesslich 27 gebildet wird, und ein an die Gleichrichterbrücke angeschlossenes Filter mit einem Glättungskondensator 28 und zwei Spulen 29 und 30 von beispielsweise 20 mH. Die Strominjektionsanordnung ist über das Filter an die Ausgänge 7 und 7' der Differenzverstärker 2 und 2' angeschlossen. Die Wirkungsweise dieser Strominjektionsanordnung ist wie folgt.

Der von der Impulsquelle 21 gelieferte Strom durchfliesst die von den Spulen 22 und 23 gebildete Impedanz, bevor er in der Gleichrichterschaltung 24 bis einschliesslich 27 gleichgerichtet wird und wird nach Glättung durch das Filter als Gleichstrom beispielsweise am Ausgang 7 des Verstärkers 2 injektiert bzw. dem Ausgang 7' des Verstärkers 2' entnommen. Die von den Induktivitäten der Spulen 22 und 23 gebildeten Impedanzen müssen einen derartigen Wert haben, dass diese die Strombegrenzung durch die Widerstände von beispielsweise 200 bzw. 400 Ohm ersetzen. Bei einer Impulswiderho-Iungsfrequenz von 100 kHz sind dazu Spulen erforderlich mit einer Induktivität von 0,32 bzw. 0,64 mH. Diese Schaltungsanordnung bietet den Vorteil, dass die Verlustleistung des Leitungskreises minimal ist. Die einzigen Elemente, die noch Leitungsstrom verbrauchen, sind die Widerstände 3 und 3'.

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1. Leitungskreis mit einer Speisequelle und einem Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz, der an die Speisequelle angeschlossen ist, mit einer Anschlussklemme für das Zuführen eines von der Speisequelle herrührenden Gleichstromes zu einer an die Anschlussklemme angeschlossenen Ader einer Teilnehmerleitung, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungskreis eine Impedanzmultiplizierschaltung und eine Strominjektionsanordnung enthält, die an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist, um der Ader der Teilnehmerleitung einen durch die Impedanz der Strominjektionsanordnung beeinflussten Teil des Gleichstromes zuzuführen, wobei der restliche kleinere Teil des Gleichstromes von dem Verstärker geliefert wird.

2. Leitungskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen definierten Verstärkungsfaktor hat und dass zur Verwirklichung der Impedanzmultiplizierschaltung der Ausgang des Verstärkers über einen Widerstand an die Anschlussklemmen angeschlossen ist, dass ein Rückkopplungskreis, der eine Bezugsspannungsquelle enthält, zwischen der Anschlussklemme und einem Signaleingang des Verstärkers vorgesehen ist zum Zurückkoppeln eines Teils des Spannungsunterschiedes zwischen der Spannung der Anschlussklemme und der Spannung der Bezugsspannungsquelle, und dass die Strominjektionsanordnung eine mit der Impedanz gekoppelte Gleichspannungsquelle enthält, welche Impedanz von dem von dieser Anordnung gelieferten Teil des Leitungsstromes durchflössen wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Leitungskreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ein Differenzverstärker ist mit einem ein Signal nicht invertierenden und einem signalinvertierenden Eingang, wobei der Ausgang des Verstärkers mit dem signalinvertierenden Eingang gekoppelt ist, und dass der Rückkoppelungskreis einen Spannungsteiler enthält, der zwischen einem Pol der Bezugsspannungsquelle und der Anschlussklemme liegt, wobei der Abgriff des Spannungsteilers an den von dem das Signal nicht invertierenden Eingang gebildeten Signaleingang des Verstärkers angeschlossen ist.

4. Leitungskreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Verstärkers über einen mit einer weiteren Bezugsspannungsquelle versehenen Rückkopplungskreis an den signalinvertierenden Eingang angeschlossen ist.

5. Leitungskreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz einen Wert hat, der der Ausgangsimpedanz der Verstärkerschaltung abzüglich des Wertes des Widerstandes entspricht.

6. Leitungskreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle einen Impulsgenerator enthält, dass die Impednz eine Induktivität enthält, die an den Impulsgenerator angeschlossen ist, und dass an die Induktivität eine Gleichrichterschaltung angeschlossen ist, die mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist.

7. Leitungskreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz ein Widerstand ist, der zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Ausgang des Verstärkers liegt.