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DE2657561B1 - Nachlade-Referenzschaltungsanordnung fuer einen Halbleiterspeicher - Google Patents

Nachlade-Referenzschaltungsanordnung fuer einen Halbleiterspeicher

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DE2657561B1
DE2657561B1 DE2657561A DE2657561A DE2657561B1 DE 2657561 B1 DE2657561 B1 DE 2657561B1 DE 2657561 A DE2657561 A DE 2657561A DE 2657561 A DE2657561 A DE 2657561A DE 2657561 B1 DE2657561 B1 DE 2657561B1
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reload
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transistor
idle
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Wilfried Klein
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Friedrich Dipl-Ing Wernicke
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IBM Deutschland GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft eine Nachlade-Referenzschaltungsanordnung für einen Halbleiterspeicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
65 Speicher für Datenverarbeitungsanlagen, deren Speicherzellen aus mit bipolaren Transistoren und Schottky-Dioden als Lese-Schreib-Ankoppelelemente aufgebauten Flip-Flops bestehen und als Lastelemente hochohmische Widerstände benutzen, sind z. B. aus dem IBM TDB, Vol. 16, Nr. 6, November 1973, Seiten 1920 und 1921 bekannt. Dieser Speicher hat den Nachteil, daß beim Bitabtasten die Zellenknotenpotentiale nicht schnell genug wieder auf solche Potentiale gebracht werden, bei denen eine Speicherzelle durch Lese-/ Schreiboperationen benachbarter Speicherzellen nicht gestört wird. Daraus ergibt sich, daß bis zum nächsten Lese-Schreib-Zyklus relativ lang gewartet werden muß, so daß ein derartig aufgebauter Speicher relativ langsam ist. Aus der DE-OS 25 11 518 ist eine Lösung für derartige Speicher bekanntgeworden, die durch eine bestimmte Struktur der peripheren Schaltkreise und Schreib/Lese-Phasen einerseits sowie der Nachlade- und Auffrisch-Phasen andererseits ohne Veränderung der Speicherzelle eine Verringerung der Zykluszeit bei kleinen Speicherzellströmen erreicht. Dies geschieht in erster Linie dadurch, daß die Bitleitungsströme während der Selektionsphase, in der in die Speicherzelle geschriebenen bzw. aus ihr gelesen wird, extern gesteuert werden. Die während der Aqffrisch-Phase auftretenden erhöhten Bitleitungsströme werden dazu benutzt, um die Zellenknotenpotentiale auf solche Potentiale zu bringen, bei denen eine Speicherzelle durch Lese/Schreib-Operationen benachbarter Speicherzellen nicht mehr gestört werden. Während der Schreiboperation wird von einer geschalteten Stromquelle ein hoher Schreibstrom über eine Bitleitung zu der einzuschreibenden Speicherzelle geführt.
Obwohl diese Lösung den Aufbau eines sehr schnellen Halbleiterspeichers mit sehr geringer Leistung und geringem Gesamtleistungsverbrauch ermöglicht, hat diese Lösung den Nachteil, daß der im selektierten Zustand in die Wortleitung fließende Strom noch zu groß ist und außerdem die Bitleitungspegel noch in einem Bereich liegen, daß eine bitseitig halbselektierte Speicherzelle dann umgeschrieben werden kann, wenn ein Schreib- und Lesevorgang an einer defekten Speicherzelle innerhalb des Speichers stattfindet. Dadurch, daß sich eine einzelne defekte Speicherzelle innerhalb eines Speicherchips des Speichers auf andere Speicherzellen nachteilig auswirken kann, ist nicht sichergestellt, daß eine nachgeschaltete Fehlerkorrekturschaltung die Fehler eliminieren kann, sondern im Gegenteil die Fehlerkorrekturmöglichkeit beim Auftreten eines weiteren Einzelfehlers innerhalb des Chips außer Kraft setzt, so daß fehlerhafte Informationen gespeichert bzw. gelesen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nachlade-Referenz-Schaltungsanordnung für einen Halbleiterspeicher zu schaffen, die zur Erzielung einer möglichst kurzen Zugriffszeit das Bitleitungspotential auf einen Pegel einstellt, der im unselektierten Zustand noch keinen Strom in die Zellen fließen läßt und im selektierten Falle in die wortleitungsmäßig selektierten Speicherzellen den zufließenden Strom gering hält und die außerdem die Bitleitungspegel so festhält, daß eine bitseitig halbselektierte Speicherzelle nicht umgeschrieben werden kann, wenn ein Schreib- oder Lesevorgang an einer defekten Speicherzelle stattfindet.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.
Die vorliegende Lösung hat den Vorteil, daß vermieden wird, daß eine einzelne defekte Speicherzelle
innerhalb eines Speicher-Halbleiterplättchens die durch eine dem Speicher-Halbleiterplättchen nachgeschaltete Fehlerkorrekturschaltung eliminiert werden kann, sich auf andere Speicherzellen auswirkt und somit beim Auftreten eines weiteren Einzelfehlers die Fehlerkorrekturmöglichkeit einfach umgeht. Außerdem wird eine relativ kurze Zugriffszeit erreicht, da der Bitleitungspegel vor dem Lesevorgang optimal durch die angegebenen Maßnahmen eingestellt wird. Daraus ergibt sich, daß auch die Wortleitungsströme relativ klein werden, |0 wodurch die gesamte Verlustleistung eines Speichers herabgesetzt wird; eine Erhöhung der Speicherdichte ist die Folge.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher beschrieben.
In der Zeichnung bedeutet
F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Speichers, in dem die erfindungsgemäße Schaltung verwendet wird,
F i g. 2 eine Schaltungsanordnung zur Einstellung der Bitleitungspegel und zur Gewährleistung einer sicheren Betriebsweise eines Speichers mit defekten Speicherzellen,
F i g. 3 eine Fehlerfall-Referenzschaltung und
Fig.4 ein schaltungstechnisch abgewandeltes Beispiel nach F i g. 3.
Gemäß Schaltbild nach F i g. 1 besteht ein Speicher vorzugsweise aus diodengekoppelten Speicherzellen mit bipolaren Transistoren, aus der Lese/Schreib-Schaltung 1, die über die Bitleitungen BL 0 und BL1 mit den Speicherzellen 0 bis π verbunden ist. Außerdem ist die Lese/Schreib-Schaltung noch mit dem eigentlichen Bitdecodierer 2 verbunden. Die Speicherzellen (0 bis n) sind außerdem über die Wortleitungen mit dem Wortleitungsdecodierer 3 verbunden. Die Bitleitungen J5 BO und Bi der Speicherzellen sind außerdem spaltenweise je mit einer Nachladeschaltung 4 verbunden. Die Nachladeschaltungen 4 sind über die Referenzleitung 5 mit der erfindungsgemäßen Schaltung verbunden. Diese besteht aus der Ruhezustand-Referenzschaltung 6 und der Fehlerfall-Referenzschaltung 7. Die Ruhezustand-Referenzschaltung 6 wird über die Nachladesteuerleitung 8 von einem abgeleiteten Taktsignal des nicht gezeigten Taktgenerators des Speichers gesteuert. Im nachfolgenden wird nun die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 beschrieben.
Im Ruhezustand liegt an der Nachladesteuerleitung 8 kein Signal an. Das bedeutet, daß die Ruhezustand-Referenzschaltung 6 aktiviert ist. Sie bestimmt damit den Pegel auf der Referenzleitung 5. Die Fehlerfall-Referenzschaltung 7 wird durch die Ruhezustand-Referenzschaltung übersteuert Das Signal auf der Referenzleitung 5 steuert ihrerseits die Nachladeschaltung 4, der das mit ihm verbundene Bitleitungspaar, z. B. BL 0 und BLi auf dem Ruhezustandspegel festhält. Innerhalb eines Speichers ist pro Bitleitungspaar eine Nachladeschaltung 4 vorhanden. Nach dieser Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung im Ruhezustand wird nun die Wirkungsweise beim Lesen einer gespeicherten Information beschrieben. Um die Wirkungsweise der Nachladeschaltung 4 erkennen zu können, ist in F i g. 2 eine detaillierte Schaltung einer solchen Schaltung mit den dazu erforderlichen Verbindungen zu einer Speicherzelle angegeben. Wie bereits angegeben, werden im Ruhezustand die Bitleitungen BL 0 und BL1 auf gleichem Potential gehalten. Der Pegel ist bestimmt durch den Strom durch die zwei Stromquellen Ti und T2, die mit den entsprechenden Bitleitungen 5LO bzw. BL1 direkt verbunden sind und den als Schottky-Dioden ausgeführten Entkoppeldioden Di und D 2, deren gemeinsamer Kathodenanschluß mit der Referenzleitung 5 verbunden ist.
Leseoperation ohne Fehlerfall im Speicher
Bei der Leseoperation wird die Ruhezustand-Referenz-Schaltung 6 durch das Nachladesteuersignal auf der Leitung 8 deaktiviert. Daraus ergibt sich, daß das Potential auf der Referenzleitung 5 ansteigt Obwohl das Potential auf der Leitung 5 ansteigt, bleibt zunächst das Potential auf den Bitleitungen BL 0 und BL1 erhalten, weil die Streukapazität groß gegenüber den Kapazitäten in den Sperrschichten der Schottky-Dioden sind. Gleichzeitig mit der Deaktivierung der Ruhezustand-Referenz-Schaltung 6 wird die Lese/Schreib-Schaltung 1 aktiviert, d.h. im vorliegenden Falle in den Lesezustand gebracht Gleichzeitig wird über den Wortleitungsdecodierer 3 die gewünschte Wortleitung WL aktiviert, was bedeutet daß diese Wortleitung auf ein niedrigeres Potential (um etwa 1 Volt) geschaltet wird. Zusätzlich zu dem geringen Nachladestrom aus den Stromquellen Ti und Γ2 fließt jetzt ein Lesestrom über die Bitleitungen BL 0 und BL1 in die selektierte Speicherzelle. Zu diesem Zeitpunkt ist das Bitleitungspotential auf den beiden Bitleitungen BL 0 und BL I nicht mehr gleich, sondern wird durch den in der Speicherzelle gespeicherten Wert, entweder 1 oder 0, bestimmt. Gegenüber dem Bitleitungspotential im Ruhezustand ist jetzt das Potential auf einer der beiden Leitungen, abhängig vom gespeicherten Wert, niedriger oder höher. Die Dioden Di und D 2 sind im Sperrzustand.
Schreiboperation ohne Fehlerfall im Speicher
Während einer normalen Schreiboperation herrschen bezüglich der Nachladeschaltung 4 gleiche Verhältnisse wie bei der beschriebenen Leseoperation, d.h. die Dioden D1 und D 2 sind gesperrt. Lediglich die Größe der Ströme und Potentiale auf den Bitleitungen BLO und BL1 ist gegenüber dem Lesevorgang anders.
Operationen während eines Fehlerfalls im Speicher
Im täglichen Betrieb eines Speichers kann es vorkommen, daß eine Speicherzelle defekt wird. Dies würde normalerweise bewirken, daß eine mit dem Speicher verbundene Fehlerkorrekturschaltung diesen Fehler korrigieren würde, solange sich dieser Fehler nur auf die defekte Speicherzelle selbst auswirkt. Tritt nun solch ein Fehler auf, der durch den Defekt einer Zelle eine andere Zelle beeinflußt, dann kann es vorkommen, daß die vorhandene Fehlerkorrekturschaltung diesen Fehler nicht mehr korrigieren kann, weil innerhalb eines Wortes z. B. zwei Bitfehler vorliegen. Im nachfolgenden wird nun beschrieben, wie bei Auftreten eines solchen Fehlers beim Lesen oder Schreiben die Fehlerfall-Referenz-Schaltung 7 eine Fortpflanzung dieses Fehlers verhindert. Als Beispiel sei nun angenommen, daß in Fig.2 bei dem Punkte ATdie Leitung unterbrochen ist. Es können selbstverständlich auch andere Fehler innerhalb der Speicherzelle die gleiche Auswirkung haben. Es sei nun angenommen, daß die Speicherzelle in F i g. 2 in den Zustand gebracht werden soll, in dem das Potential auf der Bitleitung BL 0 angehoben wird, d. h., es soll eine binäre Null geschrieben werden. Weil nun z. B. eine Leitung bei X unterbrochen ist, würde jetzt während des Schreibens ohne Vorhandensein erfindungsgemäßen Fehlerfall-Referenzschaltung 7 das
Bitleitungspotential auf der Bitleitung 5LO so weit ansteigen, daß Strom in eine mit dieser Bitleitung verbundene, aber nicht selektierte Speicherzelle fließen würde. Dadurch würde deren gespeicherter Inhalt zerstört. Durch die Fehlerfall-Referenzschaltung 7 wird jetzt der Pegel auf der Referenzleitung 5 so festgehalten, daß der Strom jetzt nicht in die nicht selektierte Speicherzelle fließen kann, sondern er fließt in diesem Falle über die Schottky-Diode Di und die Referenzleitung 5 in die Fehlerfall-Referenzschaltung 7. Anhand der F i g. 3 wird nun ein schaltungsmäßiges Ausführungsbeispiel für die kombinierte Ruhezustand- und Fehlerfall-Referenzschaltung beschrieben. Angesteuert wird die kombinierte Schaltung über die Nachladesteuerleitung, die über den Vorwiderstand R170 mit der Basis des Transistors Π 70 verbunden ist, wodurch dieser entweder ein- oder ausgeschaltet wird. Im Ruhezustand ist der Transistor 7/170 leitend und der Transistor Γ171 gesperrt. Die Transistoren 7/172, 7Ί73 und T174 mit den dazugehörigen Widerständen R 172, R 173 und R174 stellen ein Äquivalent zur Speicherzelle dar. Die durch eine Schottky-Diode begrenzte Kollektorspannung des Transistors 7/172 stellt den Ein-Transistor einer Speicherzelle (gleiches lay-out) dar, die Widerstände R173 und 174 halbieren die Schottky-Diodenspannung, d.h. Transitor 7/173 addiert und Transistor Γ174 subtrahiert eine Spannung VBE Ohne die guten Trackingeigenschaften der Schaltung zu verschlechtern, können Unterschiede in den Spannungen VBE aufgrund verschieden großer Ströme durch eine entsprechende Wahl des Teilungsverhältnisses im Spannungsteiler R173//? 174 berücksichtigt werden. Bevor die Wirkungsweise der Schaltung anhand F i g. 3 detailliert erklärt wird, sollen nachfolgend die Bedeutungen der verwendeten Spannungsbezeichnungen aufgeführt werden:
Va = Spannung am Punkte A,
Vbe = Spannung über der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors,
Vsbd = Spannung über einer Schottky-Diode,
Vblo oder Vbli = Spannung auf der Bitleitung,
Vsat = Spannung, Transistorsättigungsspannung,
Vs = Versorgungsspannung (ca. 4 Volt),
Ve = Spannung am Punkte E bzw. an der Basis des
Transistors 7/179,
Vd = Spannung am Punkte D bzw. am Emitter des Transistors T 179.
Am Punkte A steht gegenüber der Spannung VS eine Spannung:
Va — VBE. ri72 —1/2 VSBD. τπ2 + VBE. 7-173 — VBE
VA*VBE-1/2VSBD,
VA fts 550 mV.
Die Transistoren T175 und Γ176 sind dauernd eingeschaltet und entsprechend den nicht näher beschriebenen Wortleitungs-Treiber-Transistoren 7/300 und 7/301 in F i g. 2. Am Punkt C, dem Ausgang der Nachladeschaltung 4, liegt somit eine Spannung, die gegenüber der Spannung VS um die Sättigungsspannung der Transistoren 7/175 und ΤΊ76 plus der Spannung VA (ca. 550 mV) höher liegt. Dieser Ausgang C treibt über die Nachlade-Schottky-Dioden D1 und D 2 (pro Bitleitungspaar) die Bitleitungen 5L0 und BL1. Da auch die Speicherzellen über Schottky-Dioden
Di und D 2 an die Bitleitungen 5L0 und 5Ll angeschlossen sind, kompensieren sich diese Spannungen. Im Ruhezustand stellt sich auf den Bitleitungen eine Spannung (bezogen auf die Spannung VS) von
Vblo = VBL1 = VBE+ 2 VSAT+ 1/2 VSBD
= 0,800 V + 0,15 V + 0,25 V
= 1,2 Volt
ein. Während der Selektionsphase wird die Nachladeschaltung 4 durch das Nachladesteuersignal auf der Nachladesteuerleitung 8 abgeschaltet (Transistor 7/170 wird ausgeschaltet, Transistor Γ171 wird eingeschaltet, Transistor 7/173 unterbricht den Referenzstromkreis).
Während eines Lesezyklus entlädt sich die Kapazität einer Bitleitung unmittelbar nach der Selektion einer Wortleitung über den »EIN«-Transistor der Speicherzelle auf die Spannung
= VBi
rSATi
während sich die andere Bitleitung über die Stromquelle 7/1 um den Betrag einer halben Schottky-Dioden-Spannungauf
VBL1 = VBE+2VSAT+VSBD
auflädt.
Während eines Schraub-Zyklus tritt nun der rechte Teil der Schaltung, nämlich die Fehlerfall-Referenzschaltung 7 in Aktion. Der Spannungspegel am Punkt 5 der erfindungsgemäßen Schaltung wird jetzt so hoch gewählt, daß bei einem normalen Schreibvorgang die selektierte Speicherzelle einwandfrei geschrieben werden kann. Falls aber eine defekte Speicherzelle geschrieben wird, muß verhindert werden, daß der Bitleitungspegel einen zu hohen Wert erreicht und Schreibstrom in nicht selektierte Speicherzellen fließen kann. Dadurch würden wie beschrieben die nicht selektierten Speicherzellen gestört Der Schreibstrom wird jetzt über die Transistoren 7/176, 7/177 und 7/178 abgeleitet. Der Spannungspegel am Punkt D bzw. Punkt E der erfindungsgemäßen Kombinationsschaltung wird durch das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände R 177 und R178 bestimmt Es ergibt sich (bezogen auf die Spannungs VS):
VE = (V8 - VBE)
vD=vE-vBE,
R 178
R 177 + J? 178
R178
'BEi
vD - (vs - vBE) Κ177 + Α178
= 0,466 V.
Daraus errechnet sich eine maximale Bitleitungsspannung über der Spannung VSvon
V-BLUAX — VD+ VBE+ VSAT+ Vm
Vsbd
= 0,466 V + 0,8 V + 0,075 V + 0,5 V
= 1,841 V.
Diese Schaltung hat den Vorteil, daß vor einem Lesevorgang gewissermaßen durch eine Speicherzellen-Äquivalentschaltung ein sehr genauer Bitleitungspegel eingestellt wird, der für kürzeste Zugriffszeit geeignet ist. Um eine Zelle zu lesen, braucht die selektierte Bitleitung nur minimal umgeladen werden. Da nur die Potentialdifferenz zwischen Bitleitungen und Zellknoten von Bedeutung ist, muß garantiert sein, daß das Bitleitungspotential sehr exakt den Spannungen innerhalb einer Speicherzelle folgt, wie es durch die vorgeschlagene Schaltung erreicht ist. Die Spannung auf den Bitleitungen wird durch den Spannungsabfall an einer Blindzelle bestimmt, die garantiert, daß die Potentialdifferenz zwischen den Bitleitungen und Speicherzellknoten trotz Temperaturschwankungen und Prozeßänderungen bei der Herstellung konstant bleibt.
Die in F i g. 4 gezeigte Schaltung unterscheidet sich von der in F i g. 3 gezeigten Schaltung dadurch, daß der
gesättigte Transistor ΤΊ76, der für die Ruhezustand-Referenzschaltung 6 und für die Fehlerfall-Referenzschaltung 7 gemeinsam war, wegfällt. Die Potentialkorrektur wird für die Fehlerfall-Referenzschaltung 7 durch andere Wahl der Größen der beiden Widerstände R 177 und R 178 ausgeglichen. Für die Ruhezustand-Referenzschaltung 6 wird der Potentialausgleich durch Einfügen des Transistors Π 76, an dessen Basis der Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R175 und R 176, liegt, bestimmt. Diese Schaltungsvariante hat den Vorteil, daß der Pegel auf der Referenzleitung 5 nicht mehr von gesättigten Transistoren abhängt.
Obwohl nur zwei Schaltungsbeispiele anhand diodengekoppelter Speicherzellen mit bipolaren Transistoren beschrieben worden sind, ist es auch ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäßen Gedankengänge auf andere Speicherzellen, insbesondere solche mit Feldeffekttransistoren anzuwenden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
809 515/497

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Nachlade-Referenzschaltung für einen Halbleiterspeicher, dessen Speicherzellen aus bipolaren Transistoren und Schottky-Dioden als Lese-Schreibankoppelelemente sowie hochohmigen Widerständen als Lastelemente bestehen und der außerdem Nachladeschaltungen zur Aufrechterhaltung der gespeicherten Information und der erforderlichen Spannungen auf den Leitungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ruhezustand-Referenzschaltung (6) über eine Nachladesteuerleitung (8) von einem abgeleiteten Taktsignal gesteuert wird, daß mit der Ruhezustand-Referenzschaltung (6) eine Fehlerfall-Referenzschaltung (7) verbunden ist und daß beide über eine Referenzleitung (5) mit den Nachladeschaltungen (4) verbunden sind, daß der Pegel der Spannung auf den Bitleitungen (BL 0 und BLi) im Ruhezustand durch den Strom bestimmt wird, der durch zwei Stromquellen (Ti und T2) fließt, die mit den Bitleitungen direkt verbunden sind und den als Schottky-Dioden ausgeführten Entkoppeldioden (D 1 und D 2), die ein gemeinsamer Kathodenanschluß mit der Referenzleitung (5) verbindet.
2. Nachlade-Referenzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhezustand-Referenzschaltung (6) ein Schaltungsäquivalent (7172, Γ173 und Γ174 sowie #171, R 173 und R 174) zur Speicherzelle enthält, das über zwei vorgeschaltete, sich immer im gegensätzlichen Schaltzustand befindliche Transistoren gesteuert wird, die ihrerseits von der Nachladesteuerleitung (8) das Steuersignal erhalten.
3. Nachlade-Referenzschaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerfall-Referenzschaltung (7) aus zwei hintereinander geschalteten Transistoren (Till, Γ178) besteht, wovon der eine Transistor (T 177) mit seinem Kollektor mit dem Kollektor des Transistors (THS) der Speicherzellen-Äquivalenzschaltung verbunden ist, und daß zwischen der Basis des einen Transistors (Tl78) und dem Emitter des als Diode dienenden Transistors (T177) ein weiterer Transistör (Ti79) angeordnet ist.
4. Nachlade-Referenzschaltung nach<len Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhestand-Referenzschaltung (6) im Ruhezustand aktiviert ist und daß Potential auf der Referenzlei- so tung (5) bestimmt, und zwar so, daß die Fehlerfall-Referenzschaltung (7) von der Ruhezustand-Referenzschaltung (6) übersteuert wird.
5. Nachlade-Referenzschaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhezustand-Referenzschaltung (6) einen Transistor (Ti76, Fig.4) für den Potentialausgleich enthält, an dessen Basis ein Spannungsteiler (R 175 und R1%) angeschlossen ist, und daß die Potentialkorrektur für die Fehlerfall-Referenzschaltung (7) durch Änderung der Größen der beiden Widerstände (R 177 und R 178) ausgeglichen wird.
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