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Dokumentenidentifikation DE102005030049B4 13.09.2007
Titel Treiberschaltung für eine Telefonleitung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Wiesbauer, Andreas, Dr., Pörschach, AT;
Kahl, Alexander, Dipl.-Ing., Landskron, AT;
Walter, Sergio, Dipl.-Ing., Villach, AT;
Segundo Bello, David san, Dipl.-Ing., Villach, AT
Vertreter PAe Reinhard, Skuhra, Weise & Partner GbR, 80801 München
DE-Anmeldedatum 27.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005030049
Offenlegungstag 04.01.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse H04B 3/36(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03F 1/56(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H03F 1/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H04M 1/58(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H03F 3/217(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung zum Treiben eines Sendesignals, die insbesondere in Transceivern eingesetzt wird, wobei das Sendesignal an eine verdrillte Zweidrahttelefonleitung abgeben wird.

Die EP 1 560 412 A1 beschreibt eine XDSL-Treiberschaltung zum Treiben eines Sendesignals für eine Telefonleitung. Die Treiberschaltung enthält einen Signalverstärker zur Verstärkung eines anliegenden Sendesignals. Durch ein Filter werden hochfrequente Signalstörungen des verstärkten Sendesignals entsprechend einer Filterübertragungsfunktion herausgefiltert. Die Treiberschaltung enthält ferner einen Transformator, dessen Sekundärwicklung an eine Telefonleitung angeschlossen ist. Ein erster Anschluss der Primärwicklung ist mit dem Filter verbunden und ein zweiter Anschluss der Primärwicklung ist an eine Abschlussimpedanz angeschlossen. Die XDSL-Treiberschaltung enthält ferner eine erste Rückkoppelschleife, die den ersten Anschluss der Primärwicklung über eine erste Rückkoppelimpedanz an den Signaleingang des Signalverstärkers rückkoppelt. Ferner ist eine zweite Rückkoppelschleife vorgesehen, die den zweiten Anschluss der Primärwicklung über eine zweite Rückkoppelimpedanz an den Signaleingang des Signalverstärkers rückkoppelt.

1 zeigt eine Treiberschaltung zum Treiben eines Sendesignals nach dem Stand der Technik. Die Treiberschaltung enthält einen invertierenden Verstärker dessen Signalausgang über einen Widerstand Rfb rückgekoppelt ist. Der Signalverstärker verstärkt das an dem Signaleingang anliegende Sendesignal mit einer bestimmten Signalverstärkung und gibt das verstärkte Sendesignal über seinen Signalausgang an einen daran angeschlossenen Transformator ab. Der Transformator koppelt das an seiner Primärwicklung anliegende verstärkte Sendesignal in seine Sekundärwicklung, die ihrerseits an eine verdrillte Zweidrahttelefonleitung angeschlossen ist.

Der Transformator ist über eine externe Abschluss-Impedanz an ein Referenzspannungspotential angeschlossen. Der Transformator ist ferner über eine Rückkoppelschleife, die einen Synthesewiderstand Rsyn enthält, an den Eingang zur Erzeugung einer synthetisierten Ausgangs-Impedanz rückgekoppelt.

Bei der in 1 dargestellten Treiberschaltung nach dem Stand der Technik ist der Signalausgang des Signalverstärkers direkt an den Transformator angeschlossen.

Die Ausgangs-Impedanz aus Sicht der Telefonleitung beträgt: ZLine = n2(Zcosyn + ZcoEXT) wobei die aktiv synthetisierte Impedanz Zcosyn von dem Synthesewiderstand Rsyn und dem Rückkoppelwiderstand Rfb abhängt:

Die Signalverstärkung der in 1 dargestellten Treiberschaltung nach dem Stand der Technik beträgt:

wobei ZL die Impedanz aus Sicht des Signalverstärkers auf den Transformator ist und wobei Zt gleich der externen Abschluss-Impedanz ZcoEXT ist.

Wird als Signalverstärker ein Klasse-D-Signalverstärker eingesetzt, der ein verstärktes pulsweitenmoduliertes Signal liefert, wird zwischen dem Signalverstärkerausgang und dem Transformator herkömmlicherweise ein analoges Tiefpass-Filter vorgesehen, um ein hochfrequentes Schaltrauschen des verstärkten Sendesignals, welches bei der Verstärkung durch den Klasse-D-Signalverstärker entsteht, herauszufiltern. Dieses Tiefpass-Filter wird auch als OOB-Filter (OOB: Out of Band) bezeichnet.

2 zeigt eine herkömmliche Treiberschaltung nach dem Stand der Technik zum Treiben eines Sendesignals, welche ein derartiges OOB-Filter enthält. Das Out of Band-Tiefpass-Filter weist eine bestimmte Übertragungsfunktion HOOB auf, um den spektralen Leistungsdichte-Erfordernissen PSD des Übertragungsstandards zu genügen.

Die Impedanz aus Sicht der Telefonleitung beträgt bei der in 2 dargestellten Treiberschaltung nach dem Stand der Technik ebenfalls: ZLine = n2(Zcosyn + ZcoEXT), wobei die synthetisierte Impedanz von der Übertragungsfunktion HOOB des Tiefpass-Filters abhängt:

Die Signalverstärkung der Treiberschaltung ergibt sich zu:

Die Treiberschaltung nach dem Stand der Technik, wie sie in 2 dargestellt ist, hat den Nachteil, dass die Signalverstärkung Gtx von der Übertragungsfunktion HOOB des analogen Tiefpass-Filters abhängt. Die Stabilität der Rückkoppelschleife zur Impedanz-Synthese hängt somit von den Übertragungseigenschaften des OOB-Filters ab, sodass es zu einer instabilen Rückkopplung kommen kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treiberschaltung zum Treiben eines Sendesignals für eine Telefonleitung zu schaffen, bei der die Stabilität einer zur Impedanz-Synthese vorgesehenen Rückkoppelschleife stets gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Treiberschaltung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ist der Signalverstärker ein Klasse-D-Signalverstärker, der ein pulsweitenmoduliertes Sendesignal abgibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ist das Filter ein analoges Tiefpass-Filter zum Herausfiltern eines hochfrequenten Schaltrauschens des pulsweitenmodulierten verstärkten Sendesignals.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung werden die Rückkoppel-Impedanzen durch Widerstände gebildet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung sind die Rückkoppel-Impedanzen in dem Signalverstärker integriert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung erzeugt die zweite Rückkoppelschleife eine synthetisierte Leitungsabschluss-Impedanz.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung ist diese volldifferentiell aufgebaut.

Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Treiberschaltung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren zur Erläuterung erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.

Es zeigen:

1: eine erste Treiberschaltung nach dem Stand der Technik zum Treiben eines Sendesignals;

2: eine zweite Treiberschaltung nach dem Stand der Technik mit einem OOB-Filter;

3: ein Schaltkreisdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung zum Treiben eines Sendesignals;

4: eine bevorzugte volldifferentiell aufgebaute Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung;

5: Übertragungsfunktionen einer herkömmlichen Treiberschaltung nach dem Stand der Technik ohne Impedanz-Synthese;

6: Übertragungsfunktionen einer herkömmlichen Treiberschaltungen nach dem Stand der Technik mit Impedanz-Synthese;

7: Übertragungsfunktionen der erfindungsgemäßen Treiberschaltung zum Treiben eines Sendesignals.

Wie man aus 3 erkennen kann, enthält die erfindungsgemäße Treiberschaltung 1 zum Treiben eines Sendesignals einen Signalverstärker 2 mit einem Signaleingang 3 und einem Signalausgang 4. Der Signalverstärker 2 ist bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ein invertierender Verstärker mit einem Eingangswiderstand 5, der an einem ersten Eingang 6 des Operationsverstärkers 7 angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang 8 an einem Referenzpotential anliegt. An dem Signalausgang 4 ist der Operationsverstärker 7 über einen Rückkappelwiderstand 9 an den ersten Signaleingang 6 rückgekoppelt. Der Signalverstärker 2 verstärkt das an dem Signaleingang 3 anliegende Sendesignal mit einer bestimmten Signalverstärkung, die das verstärkte Sendesignal an seinem Signalausgang 4 über eine Leitung 10 an ein OOB-Tiefpass-Filter 11 abgibt. Das Filter 11 weist eine bestimmte Übertragungsfunktion HOOB auf und filtert hochfrequente Signalstörungen des verstärkten Sendesignals heraus.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung 1 enthält ferner einen Transformator 12 mit einer Primärwicklung 12-1 und einer Sekundärwicklung 12-2. Die Primärwicklung 12-1 weist einen ersten Anschluss 13 und einen zweiten Anschluss 14 auf. Der erste Anschluss 13 der Primärwicklung 12-1 des Transformators 12 ist an das OOB-Filter 11 angeschlossen. Der zweite Anschluss 14 der Primärwicklung 12-1 ist an eine Abschluss-Impedanz 15 angeschlossen. An der Sekundärwicklung 12-2 des Transformators 12 ist eine verdrillte Zweidrahttelefonleitung 16 angeschlossen.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung 1 enthält zwei Rückkoppelschleifen. Die erste Rückkoppelschleife koppelt den ersten Anschluss 13 der Primärwicklung 12-1 über eine ersten Rückkoppelimpedanz 17 an den ersten Signaleingang 6 des Operationsverstärkers 7 zurück. Das rückgekoppelte Signal wird dabei vorzugsweise invertiert, wie in 3 dargestellt.

Darüber hinaus enthält die erfindungsgemäße Treiberschaltung 1 eine zweite Rückkoppelschleife, die den zweiten Anschluss 14 der Primärwicklung 12-1 über eine zweite Rückkoppel-Impedanz 18 an den ersten Signaleingang 6 des Operationsverstärkers 7 zurückkoppelt. Das Verhältnis der Widerstandswerte der beiden Rückkoppel-Impedanzen 17, 18 wird bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung 1 derart dimensioniert, dass die Signalverstärkung unabhängig von der Filterübertragungsfunktion des OOB-Filters 11 ist.

Wie man durch Vergleich der 2, die eine herkömmliche Treiberschaltung nach dem Stand der Technik zeigt, und der 3, die die erfindungsgemäße Treiberschaltung darstellt, erkennen kann, weist die erfindungsgemäße Treiberschaltung neben der gewöhnlichen Rückkoppelschleife, die die Synthese-Impedanz 18 enthält, eine zusätzliche Rückkoppelschleife auf, die durch die Rückkoppel-Impedanz 17 gebildet ist. Durch das Vorsehen dieser zusätzlichen Rückkoppelschleife bzw. dieses zusätzlichen Rückkoppelsignalpfades wird lediglich das Empfangssignal zur Impedanz-Synthese zurückgekoppelt, sodass die Sendesignalverstärkung unabhängig von den Übertragungseigenschaften des OOB-Filters 11 ist.

Der Signalverstärker 2 ist vorzugsweise durch einen Klasse-D-Signalverstärker gebildet, der ein verstärktes pulsweitemoduliertes Sendesignal an das OOB-Filter 11 abgibt. Das OOB-Filter ist ein analoges Tiefpass-Filter, welches die bei der Signalverstärkung entstehenden hochfrequenten Störungen bzw. das hochfrequente Schaltrauschen des pulsweitenmodulierten verstärkten Sendesignals herausfiltert, um insbesondere die durch den Standard geforderte spektrale Leistungsdichte des Sendesignals zu gewährleisten.

Die Rückkoppel-Impedanzen 17, 18 sind vorzugsweise durch Widerstände gebildet.

Diese Rückkoppelwiderstände sind vorzugsweise in dem Signalverstärker 2 integriert.

Die von der Telefonleitung 16 gesehene Ausgangs-Impedanz der erfindungsgemäßen Treiberschaltung 1 beträgt: Zline = n2·(Zco_syn + Zco_ext ), wobei sich die aktiv synthetisierte Impedanz Zcosyn wie folgt ergibt:

wobei

Rsyn den Widerstandswert der Rückkoppel-Impedanz 18, k·Rsyn den Widerstandswert der Rückkoppel-Impedanz 17, Rfb den Widerstandswert des Rückkoppelwiderstandes 9, und Zco_ext die Impedanz der externen Abschluss-Impedanz 15 ist.

Die Signalverstärkung ergibt sich dann wie folgt:

Wenn das Verhältnis k zwischen den Widerstandswerten der beiden Rückkoppel-Impedanzen 17, 18 derart gewählt wird, dass

d. h.:
dann ist die Signalverstärkung G unabhängig von der Übertragungsfunktion HOOB des Filters 11:

Bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung 1, wie sie in 3 dargestellt ist, hat eine Änderung der Übertragungsfunktion des OOB-Filters 11 keinerlei Auswirkungen auf die Signalverstärkung des Sendesignals. Dies hat den Vorteil, dass der Entwurf bzw. das Design des OBB-Filters 11 unabhängig von dem Entwurf bzw. dem Design des Signalverstärkers 2 durchgeführt werden kann. Das Impedanzverhältnis beträgt beispielsweise etwa 7, wobei der Widerstandswert der Rückkoppel-Impedanz 18 bei etwa 20 k&OHgr; liegt.

Die in 3 dargestellte externe Abschluss-Impedanz 15 kann aus einem gewöhnlichen Widerstand oder aus einem komplexen Schaltnetzwerk, das Spulen, Kondensatoren und Widerstände enthält, bestehen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Treiberschaltung 1 ist diese volldifferentiell aufgebaut, wie dies in 4 dargestellt ist.

Bei der volldifferentiellen Ausführungsform gemäß 4 wird das OOB-Filter 11 durch eine Gleichtaktdrossel 11-1 und durch mehrere Kondensatoren 11-2, 11-3, 11-4, 11-5 gebildet. Dabei ist ein erstes Kondensatorpaar 11-2, 11-3 an die Primärwicklungen angeschlossen und ein zweites Kondensatorpaar 11-4, 11-5 an die Sekundärwicklungen der beiden Transformatoren 12A, 12B angeschlossen. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 12A, 12B sind ferner über einen Kondensator 19 miteinander verbunden.

5 zeigt Übertragungsfunktionen herkömmlicher Treiberschaltungen nach dem Stand der Technik ohne Impedanz-Synthese. Die obere Linie zeigt die Übertragungsfunktion zwischen dem Treibereingang und der Telefonleitung, und die untere Linie zeigt die Übertragungsfunktion zwischen dem Treibereingang und dem Treiberausgang.

6 zeigt Übertragungsfunktionen herkömmlicher Treiberschaltungen nach dem Stand der Technik mit einer Standard-Impedanz-Synthese. Wie man aus 6 erkennen kann, weisen die Übertragungsfunktionen bei etwa 2 MHz Spitzen auf, welche die beeinträchtigte Stabilität des Signalverstärkers 1 aufgrund des vorhandenen OOB-Filters verdeutlichen.

7 zeigt Übertragungsfunktionen der erfindungsgemäßen Treiberschaltung wie sie in 3, 4 dargestellt ist. Die obere Linie zeigt wiederum Übertragungsfunktionen zwischen dem Treibereingang 3 und der Telefonleitung 16. Die untere Linie zeigt die Übertragungsfunktion zwischen dem Signalverstärkereingang 3 und dem Signalverstärkerausgang 4. Wie man aus 7 deutlich erkennen kann, sind die Übertragungsspitzen bei der erfindungsgemäßen Treiberschaltung 1 im Vergleich zu dem in 6 dargestellten Verlauf deutlich abgeflacht.

Die erfindungsgemäße Treiberschaltung 1 erreicht somit durch das Vorsehen einer zusätzlichen Rückkoppelschleife, dass die Signalverstärkung unabhängig von den Übertragungseigenschaften des OBB-Filters 11 ist und dass es nicht zu Instabilitäten in der Rückkoppelschleife kommen kann.

1
Treiberschaltung
2
Signalverstärker
3
Signalverstärkereingang
4
Signalverstärkerausgang
5
Eingangswiderstand
6
Operationsverstärkereingang
7
Operationsverstärker
8
Operationsverstärkereingang
9
Rückkoppelwiderstand
10
Leitung
11
OOB-Filter
12
Transformator
13
Transformatoranschluss
14
Transformatoranschluss
15
externer Abschlusswiderstand
16
Telefonleitung
17
Rückkoppel-Impedanz
18
Rückkoppel-Impedanz
19
Kondensator


Anspruch[de]
Treiberschaltung (1) zum Treiben eines Sendesignals für eine Telefonleitung (16) mit:

(a) einem Signalverstärker (2), der ein an einem Signaleingang (3) des Signalverstärkers (2) anliegendes Sendesignal mit einer Signalverstärkung (Gain) verstärkt und an einen Signalausgang (4) abgibt;

(b) einem Filter (11), das hochfrequente Signalstörungen des verstärkten Sendesignals entsprechend einer Filterübertragungsfunktion filtert;

(c) einem Transformator (12) dessen Sekundärwicklung (12-2) an die Telefonleitung (16) anschliessbar ist und dessen Primärwicklung (12-1) einen ersten Anschluss (13), der mit dem Filter (11) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (14) aufweist, der an eine Abschluss-Impedanz (15) angeschlossen ist;

(d) einer ersten Rückkoppelschleife, die den ersten Anschluss (13) der Primärwicklung (12-1) über eine erste Rückkoppel-Impedanz (17) an einen Signaleingang (6) eines Operationsverstärkers (7) des Signalverstärkers (2) rückkoppelt;

(e) einer zweiten Rückkoppelschleife, die den zweiten Anschluss (14) der Primärwicklung (12-1) über eine zweite Rückkoppel-Impedanz (18) an den Signaleingang (6) des Operationsverstärkers (7) rückkoppelt;

(f) wobei das Verhältnis der Widerstandswerte der beiden Rückkoppel-Impedanzen (17, 18) derart ist, dass die Signalverstärkung unabhängig von der Filterübertragungsfunktion des Filters (11) ist.
Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalverstärker (2) ein Klasse-D-Signalverstärker ist, der ein pulsweitenmoduliertes Sendesignal abgibt. Treiberschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (11) ein analoges Tiefpass-Filter ist, das ein hochfrequentes Schaltrauschen des pulsweitenmodulierten verstärkten Sendesignals filtert. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkoppel-Impedanzen (17, 18) durch Widerstände gebildet sind. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rückkoppelschleife eine synthetisierte Leitungsabschluss-Impedanz erzeugt. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (1) differentiell aufgebaut ist.






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