DE3806346A1 - Kompensationsschaltung bei einem integrierenden verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsschaltung bei einem integrierenden Verstärker nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Integrierende Verstärker werden für eine Vielzahl von An­ wendungsfällen zur Erzeugung von Analogsignalen eingesetzt. Ein integrierender Verstärker besteht üblicherweise aus einem Differentialverstärker, bei dem ein integrierender Kondensator zwischen dem Invertereingang und dem Ausgang des Differentialverstärkers geschaltet ist. Der Integrations­ verstärker führt eine mathematische Integration aus und erzeugt ein Ausgangssignal, welches proportional dem Inte­ gral des anliegenden Eingangssignals ist.

Ein Anwendungsfall für einen Integrationsverstärker ist die Gleichstromregelung bei einer Telefonanschlußschaltung, die bewirkt, daß ein konstanter Schleifenstrom durch die symmetrische Telefonleitung fließt, indem die a- und b- Adern auf vorgegebenen Spannungen gehalten werden.

Bei Telefonanlagen beträgt die Anschlußspannung, die zwischen den a- und b-Adern herrscht, üblicherweise -48 Volt Gleich­ spannung. Die Anschlußschaltung zwischen den symmetrischen a- und b-Adern, an welche beispielsweise ein Telefonapparat angeschlossen ist und den unsymmetrischen, zur Vermittlungs­ stelle führenden Leitungen bewirkt, daß ankommende Wechsel­ stromsignale über differentiel arbeitende Treiberschaltungen den vorgenannten Adern differentiel zugeführt werden.

Normalerweise ist die eine Ader an -48 Volt Gleichspannung und die andere Ader mit Masse verbunden. Wird an die Adern eine niederohmige Last angeschlossen, dann fließt durch die Adern ein großer Gleichstrom, der zu einem unnützen Stromverbrauch führt.

Die Gleichstromregelschaltungen sind deshalb zur Verminderung des durch die a- und b-Adern fließenden Stroms bei einem niederohmigen Anschluß so ausgelegt, daß die zwischen den Adern anliegende Spannung vermindert wird.

Zu diesem Zweck wird eine negative Rückkoppelung zwischen der einen Ader und einem Integrationsverstärker vorgenommen, wobei die erfaßte, an der Ader anliegende Spannung verglichen wird mit einer bestimmten Offsetspannung und sodann ein Gleichstromvorspannungssignal erzeugt wird, das proportional ist der Differenz zwischen den beiden vorgenannten Spannungen. Dieses Vorspannungssignal wird in gleicher Weise den beiden Differentialtreibern zugeführt. Die Spannungen, die an den a- und b-Adern anliegen, werden damit auf einem bestimmten Vorspannungswert gehalten, die von den nominellen Leitungs­ spannungen abweichen, wodurch ein konstanter Schleifenstrom erhalten wird, dem Wechselstromsignale überlagert sind.

Wird beispielsweise auf Schleifenspeisung umgeschaltet und liegt damit ein hoher Widerstand von beispielsweise 1 kΩ an den a- und b-Adern an, dann bewirkt die Gleichstromregel­ schaltung, daß die Spannung zwischen diesen Adern erhöht wird, um den Stromfluß durch die Adern konstant zu halten. Wegen der Ausregelzeit des Integrationsverstärkers ist jedoch die Anschlußschaltung nicht in der Lage, auf ein plötzliches Anwachsen der Leitungsimpedanz rasch zu reagieren. Die Ver­ mittlungsstelle stellt daher fehlerhaft eine Unterbrechung in der Leitungsschleife fest, was augenblicklich in einem fehlerhaften Erfassen eines extra digitalen Impulses von beispielsweise 100 msec führt.

Es besteht die Aufgabe, die Kompensationsschaltung so auszu­ bilden, daß der Integrationsverstärker auf plötzliche Ände­ rungen des Eingangssignals rasch reagiert.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die erhöhte Ansprechbarkeit des Integrationsverstärkers wird erhalten, indem plötzliche Änderungen im Eingangssignal zu einer augenblicklichen Entladung des Integrationskonden­ sators führen. In Anwendung auf eine Telefonanschlußschaltung wird hierdurch erreicht, daß zur Aufrechterhaltung eines konstanten Schleifenstroms die an den a- und b-Adern an­ liegende Gleichspannung bzw. die Differenz zwischen diesen Spannungen korrigiert wird, wobei ein plötzliches Anwachsen der an diese Adern angeschlossenen Impedanz ignoriert wird.

Die Fig. 1 zeigt eine Telefonanschlußschaltung mit einer Gleichstromregelschaltung, welche eine Kompensationsschaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist.

Als Beispiel einer nutzvollen Anwendung der Kompensations­ schaltung dient eine Telefonanschlußschaltung, welche einen konstanten Strom zur Verfügung stellt, wobei die Kompen­ sationsschaltung zur Steuerung eines integrierenden Ver­ stärkers dient, der Teil der Gleichstromregelschaltung ist.

Die Kompensationsschaltung kann jedoch auch stets dort ange­ wendet werden, wo integrierende Verstärker vorhanden sind, bei denen die Eingangssignale sich rasch ändern.

Ankommende und abgehende Audiosignale werden gemäß Fig. 1 von Empfangs- und Sendeschaltungen 1 und 3 verarbeitet. Ankommende Signale werden über den Anschluß Rx und abgehende Signale über den Anschluß Tx geleitet. Die beim Anschluß Rx ankommenden Signale werden nach Verstärkung im Verstärker 1 über die Differentialverstärker 5 und 7 differentiel den Anschlüssen T und R zugeführt, an welche eine symmetrische Telefonleitung angeschlossen ist.

Im speziellen wird ein am Anschluß Rx ankommendes Singal im Verstärker 1 verstärkt, der schematisch als Differential­ verstärker dargestellt ist. Dieses Signal wird sodann über die gleichgroßen Widerstände 9 und 11 dem Invertereingang des Verstärkers 5 und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 7 zugeführt. Das empfangene Signal wird somit über die gleichgroßen Ausgangswiderstände 13 und 15 dif­ ferentiel den Anschlüssen T und R zugeführt.

Abgehende Signale, welche beispielsweise über einen Telefon­ apparat erzeugt werden, werden über die symmetrischen a- und b-Adern den Anschlüssen T und R zugeführt, in einem weiteren Differentialverstärker 18 verstärkt und über einen Wechselstromkopplungskondensator 25 und einen Eingangswider­ stand 27 an den Invertereingang eines zusätzlichen Ver­ stärkers 23 angelegt. Das im Verstärker 23 verstärkte Signal wird über die Ausgangsschaltung 3 dem Anschluß Tx zugeführt, von wo es einer Telefonvermittlungsstelle zugeführt wird. Der Verstärker 23 weist einen veränderbaren Widerstand Zin auf, der eine Anpassung des Wechselstromeingangswiderstands in bekannter Weise vornimmt.

Die Ausgangsschaltung 3 umfaßt einen Differentialverstärker 3 A, Anpassungswiderstände Zin und Zbal sowie verschiedene den Verstärkungsgrad bestimmende Widerstände.

Ein Teil des vom Verstärker 18 verstärkten Signals wird über die Treiberschaltungen 5 und 7 über die gleich­ großen Widerstände 19 und 21 positiv auf die Anschlüsse T und R rückgekoppelt. Die positive Rückkoppelung vom Ver­ stärker 18 auf die Anschlüsse T und R dient der Löschung der Wirkung der Ausgangswiderstände 13 und 15 auf die vom Widerstand Zin gebildete Eingangsimpedanz. Die Widerstände 13, 15 und Zin bewirken eine nominelle symmetrische Leitungs­ impedanz, wodurch es möglich ist, daß die Widerstände 13 und 15 einen niedrigen Widerstandswert haben konnen.

Die Ausgangssignale des Verstärkers 18 werden über gleich­ große Widerstände 35 und 37 sowie über gleichgroße Wider­ stände 39 und 41 den Inverter- und Nichtinvertereingängen des Verstärkers 17 zugeführt und somit am Ausgang des Ver­ stärkers 17 gelöscht.

Ein bestimmter Anteil der Wechselstrom- und Gleichstromrück­ koppelung wird durch die Rückkpppelungswiderstände 10 und 14 bereitgestellt, welche an die Treiberschaltungen 5 und 7 angeschlossen sind.

Nachfolgend wird die Gleichstromversorgung der Anschluß­ schaltung behandelt, bei welcher eine Batteriespannung von -48 Volt den symmetrischen a- und b-Adern über die Treiber­ schaltungen 5 und 7 zugeführt wird.

Der Verstärker 17 dient als Gleichstromsteuerschaltung oder Integrator zur Erfassung der am Anschluß Tc auftretenden Gleichspannung. Dieser Anschluß Tc ist mit dem Anschluß T über den Widerstand 13 verbunden. Im Verstärker 17 wird die Spannung am Anschluß Tc, welche über den Widerstand 43 anliegt, verglichen mit einer vorgegebenen Gleichspannung, die als OFFSET bezeichnet ist und über den Widerstand 45 anliegt. Zwischen dem Ausgang und dem Invertereingang des Verstärkers 17 ist ein Kondensator 38 geschaltet. Ein weiterer Kondensator 40 verbindet den Nichtinvertereingang mit Masse, wodurch Wechselstromsignale abgefiltert werden, was die Gleichstromregelung erleichtert.

Der Verstärker 17 erzeugt ein Gleichstromvorspannungssignal, welches proportional der Differenz zwischen der erfaßten Leitungsspannung am Anschluß Tc und der externen Offset­ spannung ist. Dieses Gleichstromvorspannungssignal wird über die gleichgroßen Widerstände 47 und 49 dem Inverter­ eingang der Treiberschaltung 7 und dem nichtinvertierenden Eingang der Treiberschaltung 5 zugeführt, wodurch eine negative Rückkoppelungsschleife gebildet wird, um die Gleichspannung an den Anschlüssen T und R auf einer bestimmten Vorspannung zu halten, welche vom Offset-Signal bestimmt wird, relativ zu den nominellen Leitungsspannungen von 0 Volt und -48 Volt.

Bleibt die Wirkung des Verstärkers 18 außer Betracht, der dem Verstärker 17 ein Gleichtaktsignal zuführt, dann wird, wenn die Offsetspannung 0 Volt beträgt, die Spannung an den Verbindungsstellen zwischen den Widerständen 37, 41, 45 und 46 auf 0 Volt gehalten. Wegen der negativen Rückkop­ pelung der an den Anschlüssen T und Tc anliegenden Spannung wird die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 35, 39, 43 und 44 ebenfalls auf 0 Volt gehalten. Dies bedeutet, daß der Strom, der vom Anschluß +5 Volt durch die Widerstände 44 und 43 zum Anschluß Tc (-2 Volt) fließt zu einem Massepotential an der Verbindung zwischen den Wider­ ständen 35, 39, 43 und 44 führt.

Dies bedeutet, daß die vom Verstärker 17 bewirkte negative Rückkoppelung zu einem Gleichstromvorspannungssignal führt, welches die Leitungsgleichspannung an den Anschlüssen T und R auf -2 Volt und -46 Volt Gleichspannung hält, so daß diese Anschlüsse an einer Konstantspannungsquelle liegen.

Ist der Schleifenwiderstand zwischen den Anschlüssen T und R gering, beispielsweise wenn nur eine geringe Schleifen­ länge vorliegt, dann wird eine Strombegrenzung durchgeführt, um den in der Schleife fließenden Strom unter einem Schwell­ wert zu halten.

Zu diesem Zweck sind die beiden Eingänge des Verstärkers 18 über gleichgroße Eingangswiderstände 51, 53, 55 und 57 mit den Anschlüssen Tc, Tf, Rc und Rf verbunden. Die An­ schlüsse Tf und Tc bzw. Rf und Rc befinden sich beidseits der Leitungswiderstände 13 bzw. 15. Ein Rückkoppelungswider­ stand 52 verbindet den Ausgang des Verstärkers 18 mit dessen Invertereingang. Der Verstärker 18 erfaßt den über die An­ schlüsse T und R fließenden Strom durch Summieren der durch die Widerstände 13 und 15 fließenden Ströme, wobei Gleich­ taktströme nicht berücksichtigt werden und wobei proportional umgekehrt zum Summenstrom ein weiteres Gleichstromausgangs­ signal erzeugt wird.

Eine bestimmte Gleichstromschwellwertspannung Vset von bei­ spielsweise -0,8 Volt wird über eine Diode 59 und den Eingangs­ widerstand 35 dem Invertereingang des Verstärkers 17 zuge­ führt. Ist die Ausgangsspannung vom Verstärker 18 ausreichend, um die Spannung an den Verbindungen zwischen den Widerständen 37 und 41 bzw. 35 und 39 auf näherungsweise 0 Volt zu halten, dann bleibt die Diode 59 gesperrt, so daß eine Gleichspannung über die Widerstände 41 und 37 bzw. 39 und 35 in gleicher Weise beiden Eingängen des Verstärkers 17 zugeführt wird, die sich am Verstärkerausgang aufheben.

Steigt jedoch der Schleifenstrom über einen bestimmten Wert an, derart, daß die Spannung an derVerbindung zwischen den Widerständen 35 und 39 unter eine bestimmte Spannung ab­ sinkt, welche gleich der Summe aus Vset abzüglich des Span­ nungsabfalls über die Diode 59 ist, dann liegt am Inverter­ eingang des Verstärkers 17 eine Spannung an, die näherungs­ weise der vorerwähnten vorgegebenen Spannung ist. Die Aus­ gangsspannung des Verstärkers 18 liegt lediglich am nicht­ invertierenden Eingang des Verstärkers 17 an, wird also differentiel empfangen und verstärkt.

Demgemäß beendet der Verstärker 17 die Abtastung der Spannung am Anschluß Tc und das Gleichstromvorspannungssignal am Ausgang des Verstärkers 17 wird eingestellt in bezug auf den erfaßten fließenden Strom zur Begrenzung dieses Stroms auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf 30 mA, was durch die Schwellwertspannung Vset bestimmt wird. Auf diese Weise wird der über die Anschlüsse T und R fließende Schleifen­ strom begrenzt. Die Gleichstromvorspannung wird also so eingestellt, daß die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungs­ spannungen an den Anschlüssen T und R vermindert wird und damit der fließende Strom auf dem vorerwähnten Maximalwert von beispielsweise 30 mA gehalten wird.

Fließt also ein nomineller Strom, dann bewirkt die Steuer­ schaltung nach Fig. 1 eine negative Rückkoppelung der am Anschluß Tc anliegenden Leitungsspannung, um die Spannungen an den Anschlüssen T und R an Vorspannungen zu halten, welche zu ihren Nominalspannungen versetzt sind. Wird ein Strom erfaßt, der über einem durch die Spannung Vset bestimmten Schwellwert liegt, dann wird die Diode 59 leitend, so daß am Invertereingang des Verstärkers 17 eine Spannung von X Volt anliegt, womit dessen Vorspannungssignalausgang ein­ gestellt wird in Abhängigkeit des vom Verstärker 18 erfaßten Stromflusses, so daß der fließende Strom auf einem vorge­ gebenen Wert gehalten wird.

Gemäß einem Prototyp betrugen die Werte der Widerstände 43 und 46 jeweils 200 kΩ, diejenigen der Widerstände 41 und 39 jeweils 42 kΩ, diejenigen der Widerstände 37 und 35 jeweils 150 kΩ und diejenigen der Widerstände 44 und 45 jeweils 500 kΩ.

Ein Komparator 80 ist mit seinem Invertereingang mit dem Ausgang des Differentialverstärkers 18 verbunden und mit seinem nichtinvertierenden Eingang an eine Schwellwert­ spannung von beispielsweise -5 Volt angeschlossen. Wie schon zuvor erwähnt, erfaßt der Differentialverstärker 18 den über die Anschlüsse T und R fließenden Schleifenstrom. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 wird vom Komparator 80 erfaßt und verglichen mit der Schwellwertspannung, wodurch Veränderungen in der Leitungsimpedanz der Schleife erfaßt werden.

Tritt ein plötzlicher Impedanzanstieg in der Vermittlungs­ stelle auf, an welche die Schaltung nach Fig. 1 angeschlossen ist, dann führt dies zu einer Verminderung des in der Schleife fließenden Stroms. Dieser Stromabfall wird vom Differential­ verstärker 18 erfaßt und bewirkt, daß der Komparator 80 ein Steuersignal erzeugt, das mit SHORT bezeichnet ist.

Dieses SHORT-Signal des Komparators 80 wird über einen Dif­ ferentialkondensator 86 der Basis eines PNP Transistors 88 zugeführt, dessen Kollektor über einen Widerstand 90 an -28 Volt Gleichspannung angeschlossen ist. Der Emitter dieses Transistors ist über einen Widerstand 92 mit der Basis und mit einem Anschluß des Integrationskondensators 38 verbunden, welcher zwischen dem Ausgang und dem Inverter­ eingang des Verstärkers 17 geschaltet ist.

Tritt eine plötzliche Stromänderung im Schleifenstrom auf, beispielsweise wenn ein dortiger Telefonapparat von Batterie­ speisung auf Schleifenspeisung geschaltet wird, dann wird die Änderung im Ausgangssignal des Komparators 80 über den Kondensator 86 differenziert, was zu einem kurzzeitigen Einschaltimpuls führt, der der Basis des PNP Transistors 88 zugeführt wird. Hierdurch wird der Transistor 88 kurz­ zeitig leitend und damit über den Widerstand 90 auf das Potential von -28 Volt entladen.

Der Verstärker 17 kompensiert damit Änderungen in der Lei­ tungsimpedanz im Gegensatz zum Stand der Technik, wo in­ folge der Einstellzeit des Kondensators 38 ein verminderter Stromfluß bewirkt wird.

Die Kompensationsschaltung bewirkt also in Zusammenarbeit mit einem integrierenden Verstärker eine Gleichstromregelung, welche den Schleifenstrom konstant hält. Die Kompensations­ schaltung erfaßt plötzliche Veränderungen des am Integrations­ verstärker anliegenden Eingangssignals, entlädt daraufhin den Integrationskondensator und erhöht somit die Ansprech­ barkeit des Integrationsverstärkers bei plötzlichen Ver­ änderungen des Eingangssingals.

Claims (4)

1. Kompensationsschaltung bei einem integrierenden Ver­ stärker, bei welchem zwischen seinem Invertereingang und seinem Ausgang ein Kondensator geschaltet ist und der ein Ausgangssignal erzeugt, das ein Integral des am Verstärker anliegenden Eingangssignals darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangs­ signal einer Differentialschaltung zugeführt wird, die bei einer Änderung des Eingangssignals, die größer ist als eine vorgegebene Änderungsgeschwindigkeit, ein kurzzeitiges Steuersignal erzeugt, das einem mit dem Kondensator (38) verbundenen Schalter zugeführt wird, der bei Auftreten des Steuersignals den Konden­ sator (38) entlädt.

2. Kompensationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Differential­ verstärker (18) vorgesehen ist, der den durch die a- und b-Adern einer Telefonleitung fließenden Strom erfaßt und in Abhängigkeit dieses Stroms ein erstes Gleich­ spannungssignal erzeugt, ein zweiter Differentialver­ stärker (80) vorgesehen ist, der das erste Gleich­ spannungssignal mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht und ein weiteres Gleichspannungssignal er­ zeugt, wenn das erste Gleichspannungssignal diesen Schwellwert überschreitet und der Ausgang des zweiten Differentialverstärkers (80) über einen Kondensator (86) mit dem Eingang eines Transistorschalters verbunden ist, der den Kondensator (38) des Integrationsver­ stärkers (17) entlädt.

3. Kompensationsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Inte­ grationsverstärkers (17) mit den differentiel geschalteten Eingängen zweier Differentialverstärker (5, 7) ange­ schlossen ist, an deren Ausgänge die a- und b-Adern angeschlossen sind und die die an diesen Adern anliegenden Spannungen bestimmen.

4. Kompensationsschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des ersten Differentialverstärkers (18) über gleichgroße Wider­ stände (35, 37, 39, 41) mit den Eingängen des Inte­ grationsverstärkers (17) verbunden ist.