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Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekt- Transistorschaltkreis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Solche Schaltkreise sind durch die US-Patentschrift 39 16 222 bekannt. Bei diesen bekannten Feldeffekt-Transistorschaltkreisen muß der Entladestrom der Kapazitäten aller mit der Gate-Elektrode des FET verbundenen Schaltelemente sowie der Gate-Kapazität des FET selbst zum Umschalten des FET auf dessen Source- Elektrode zurückgeführt werden. Dies kann zu einer Spannungsspitze am Analog-Eingang führen, was ein Nachteil der bekannten Schaltung ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekt-Transistorschaltkreis der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem alle in der Schaltung vorhandenen Kapazitäten beim Umschalten des Feldeffekt-Transistorschaltkreises besonders rasch entladen werden, ohne daß infolge der raschen Entladung schädliche Spannungspitzen am Eingangsanschluß auftreten können.
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Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
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Eine Möglichkeit zur besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung eines solchen Feldeffekt-Transistorschaltkreises ist in dem Patentanspruch 2 angegeben.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 das Schaltbild eines als Konstantspannungsschaltung ausgebildeten Feldeffekt-Transistorschaltkreises gemäß der Erfindung, bei dem die entwickelte Spannung in Beziehung zu der Pinchoff-Spannung eines Feldeffekt-Transistors steht, und
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Fig. 2 das Schaltbild eines Feldeffekt-Transistorschalters gemäß der Erfindung für Analogsignale, bei der die Ansteuerschaltung, Feldeffekt-Transistoren und bipolare Transistoren in einer sich selbst kompensierenden Anordnung zum Einsatz bringt.
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Fig. 1 zeigt eine Schaltung, in welcher ein bipolarer Transistor 23 und zwei Feldeffekt-Transistoren 24, 25 zur Erzeugung einer konstanten Spannung miteinander kombiniert sind, die von der Pinchoff-Spannung V p eines Feldeffekt-Transistors abhängt. Die erfindungsgemäße Konstantspannungsschaltung 20 entwickelt eine, auf einen Strom ansprechende Spannung, die oberhalb eines Strom- Schwellwertes konstant ist. Die Wirkungsweise der innerhalb der gestrichelten Umrißlinie gezeigten Konstantspannungsschaltung 20 ist wie folgt:
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Sobald ein Anschluß 21 an einen Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen wird, fließt dort ein Strom, der davon abhängt, wie weit der Spannungsquellenanschluß 21 negativ beaufschlagt wird. Derselbe Strom fließt an einem Anschluß 22, der schließlich zur Plusklemme der Spannungsquelle zurückführt.
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Bei sehr niedrigen Stromwerten ist der bipolare Transistor 23 im wesentlichen nichtleitend, und ein geringer Strom fließt durch die Feldeffekt-Transistoren 24 und 25. Bei den sehr niedrigen Stromwerten wirken beide Feldeffekt-Transistoren 24, 25, als Widerstände von konstantem Wert. Da die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 24 mit der zugehörigen Source-Elektrode verbunden ist, so wirkt dieser Feldeffekt-Transistor bei allen Stromwerten wie ein Widerstand. Da jedoch die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 25 mit der Source-Elektrode des Feldeffekt- Transistors 24 verbunden ist, spannt jeder zwischen Source- und Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 24 entwickelte Spannungsabfall die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 25positiv gegenüber seiner Source-Elektrode vor. Sobald der Spannungsabfall am Feldeffekt-Transistor 25 ungefähr 0,6 V überschreitet, beginnt der bipolare Transistor 23 leitend zu werden und läßt einen Teil des Stromes vom Anschluß 21 durch. Bei weiterem Anstieg des Gesamtstromes gelangt der Spannungsabfall zwischen Source- und Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 25 bis zum Sperrschwellwert oder Pinchoff-Wert, und jede weitere Erhöhung des Gesamtstromes ergibt eine starke Erhöhung des Spannungsabfalls am Feldeffekt-Transistor 25, und dies erhöht andererseits stark die Stromleitung im bipolaren Transistor 23. Bei solchen Stromwerten, die hinreichend oberhalb desjenigen Stromes liegen, der den Spannungabfall in der Höhe von V p am Feldeffekt-Transistor 24 zur Folge hat, wird praktisch der gesamte Strom durch den bipolaren Transistor 23 gezogen. Somit besteht die Wirkungsweise der Konstantspannungsquelle 20 darin, einen konstanten Spannungabfall zwischen den Anschlüssen 21 und 22 oberhalb eines bestimmten Wertes oder Schwellwertstromes zu entwickeln. Wird die Schaltung mit einem, über diesen Schwellwert hinausgehenden Strom betrieben, so bleibt der Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen 21 und 22 konstant bis zu einem Wert von V p + 0,6 V bei Silizium-Halbleiterbauelementen, und zwar in Abhängigkeit der zwischen Drain- und Source-Elektrode fließenden Ströme I DSS des Feldeffekt-Transistors 25 im Verhältnis zum Feldeffekt-Transistor 24. Im wesentlichen steht damit eine Konstantspannungsquelle mit zwei Anschlüssen zur Verfügung, die mit dem Sperrschwellwert oder der Pinchoff-Spannung derjenigen Feldeffekt-Bauelemente in Beziehung steht, die auf einem bestimmten Halbleiter-Substrat hergestellt worden sind. Dies bedeutet bei Herstellung aller Feldeffekt-Transistoren und bipolaren Transistoren einer gegebenen integrierten Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat, daß eine auf die Pinchoff-Spannung V p bezogene Konstantspannungsquelle zur Verfügung steht, um zur Kompensation bei allen zugehörigen Feldeffekt-Transistoren eingesetzt zu werden. Somit besteht selbst bei erheblicher Variation der Pinchoff-Spannung V p bei einem Herstellungsverfahren ein Gleichlauf aller Bauelemente auf einem bestimmten Substrat oder Schaltungsplättchen, und damit eine Kompensation bei jedem Halbleiterplättchen aus der Fertigung. Ohne diese Kompensation hätten die Feldeffekt-Transistoren nach einer Genauigkeitsvorschrift hergestellt werden müssen, die nur äußerst schwierig einzuhalten ist.
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Fig. 2 ist das vollständige Schaltbild eines Transistorschalters, der zwei erfindungsgemäße Konstantspannungsquellen 20 a und 20 b von der in Fig. 1 gezeigten Art zum Einsatz bringt. Die Schalterwirkung erfolgt an den Anschlüssen 30 und 31. An den Anschluß 30 angelegte Analogsignale erscheinen am Anschluß 31 oder auch nicht, und zwar in Abhängigkeit vom Schaltzustand. Der Schaltzustand wird von den Steueranschlüssen 32 und 33 gesteuert, an welche zueinander komplementäre Steuerströme angelegt werden. Wird der Steuerstrom am Steueranschluß 33 unterbrochen, so ist der Schalter offen oder gesperrt. Die Ansteuerung mit den Steuerströmen ist herkömmlich und wird typischerweise von einem (nicht dargestellten) Differenzverstärker her erhalten, der über eine (nicht dargestellte) Konstantstromquelle an den Minuspol einer Spannung oder eine Stromaufnahmeschaltung angeschlossen ist. Die Steuersignale für das Schalten sind dabei nicht kritisch. Der Wert des Steuerstromes muß lediglich den in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Konstantspannungsschaltung 20 erwähnten Strom-Schwellwert überschreiten.
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Für die nachfolgende Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltungs -anordnung wird bei den Feldeffekt-Transistoren eine Pinchoff- Spannung V p von etwa 5 V angenommen. Es gilt dabei als selbstverständlich, daß, während er bei Bauelementen auf einem Schaltungsplättchen konstant bleibt, der Wert V p bei Schaltungsplättchen aus verschiedenen Halbleiterplättchen und selbst bei Schaltungsplättchen aus verschiedenen Bereichen eines bestimmten Halbleiterplättchens erheblich variieren kann.
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Das Kernstück der erfindungsgemäßen Schaltung ist ein Feldeffekt- Schalttransistor 35, der die Übertragung von Analogsignalen zwischen den Anschlüssen 30 und 31 steuert. Dies ist ein Bauelement mit niedrigem Innenwiderstand und weist daher eine erhebliche Streukapazität an der Gate-Elektrode auf, wie es gestrichelt als C D-G und C S-G dargestellt ist. Zum Durchschalten und Sperren des Feldeffekt-Schalttransistors 35 müssen die Streukapazitäten entladen, bzw. aufgeladen werden. Um dies schnell auszuführen, muß ein Umschalt-Ansteuerkreis niedriger Impedanz verwendet werden.
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Für die nachfolgenden Erläuterungen wird angenommen, daß die positive bzw. negative Spannung, +V, -V, an den Anschlüssen 36 bzw. 37 jeweils etwa 15 V, oder eine Gesamtspannung von 30 V. Der Analogsignal-Nachführbereich der Schaltung beträgt mindestens ±5 V.
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Der durchgeschaltete Schaltzustand wird zuerst beschrieben. Für diesen Fall wird ein Strom als Steuerstrom an dem Steueranschluß 32 entnommen. Eine zugeordnete Konstantspannungsschaltung 20 a entwickelt dabei annähernd 5,6 V und bringt damit den Steueranschluß 32 auf eine Spannung von etwa 9,4 V. Bei diesen Betriebsbedingungen wird ein Feldeffekt-Transistor 38 gesperrt. Da kein Strom in einem Widerstand 39 dann fließt, so ist ein bipolarer Transistor 40 gesperrt und trennt dadurch die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Schalttransistors 35 von dem Anschluß 36 der positiven Spannung +V.
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Am Anschluß 33 ist dabei der komplementäre Stromwert niedrig oder null. Der durch eine zugeordnete Konstantspannungsschaltung 20 b fließende Strom ergibt sich lediglich aufgrund des Basisstromes in einem bipolaren Transistor 41, der unterhalb des Schwellwertes für die Konstantspannung der Konstantspannungsschaltung 20 b liegt. Dies bringt die Basis des bipolaren Transistors 41 auf +15 Volt, und der Emitter folgt bis zu einer Spannungshöhe von 14,4 V, wobei die Spannungsdifferenz auf dem Emitter/Basis-Spannungsabfall von etwa 0,6 V beruht. Dadurch wird seinerseits der Feldeffekt-Transistor 42 leitend, der seinerseits die Basis eines bipolaren Transistors 44 auf positives Potential bringt. Die Stromleitung durch den Feldeffekt-Transistor 42 hängt von der Stromleitung durch den in Reihe dazu liegenden Feldeffekt-Transistor 43 ab, und der Verbindungspunkt dieser beiden Feldeffekt-Transistoren liegt daher auf einem Potential, das über einen erheblichen Bereich variieren kann. Diese Spannung, die Basisvorspannung des bipolaren Transistors 44 festlegt, wird durch Umschaltvorgänge des Schaltkreises aufgrund des Analogspannungspegels moduliert, wie weiter unten erläutert wird.
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Im stationären Zustand ist die Potentialdifferenz zwischen dem Anschluß 30 und einem Verbindungspunkt 45 gering, und der bipolare Transistor 44 ist nichtleitend. Da kein Strom in einem Widerstand 46 fließt, ist ein bipolarer Transistor 47 ebenfalls nichtleitend. Es folgt daher, daß im stationären Zustand lediglich ein Speisestrom durch den bipolaren Transistor 41 und durch die Feldeffekt- Transistoren 42 und 43 fließt. Diese Feldeffekt-Transistoren können klein ausgelegt werden, derart, daß dieser Strom sehr niedrig ist. In diesem stationären, durchgeschalteten Zustand ist der Feldeffekt-Transistor 48 leitend, weil seine Gate-Elektrode an seine Source-Elektrode angeschlossen ist. Ein Feldeffekt-Transistor 49 ist dabei leitend, weil der Feldeffekt-Transistor 48 seine Source- Elektrode bis etwa auf das Gate-Elektrodenpotential anhebt. Somit leiten die beiden Feldeffekt-Transistoren 48 und 49 und halten damit die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Schalttransistors 35 etwa auf dem Source-Elektrodenpotential dieses letzteren, derart, daß der Schalter durchgeschaltet bleibt. Diese Bedingungen herrschen vor bei kleinen Änderungen des Analogsignals am Anschluß 30.
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Im Sperrzustand des Schalters wird der aus dem Steueranschluß 32 entnommene Strom niedrig oder im wesentlichen Null, und über die Konstantspannungsschaltung 20 a wird die Spannung am Steueranschluß 32 nahezu auf +15 V gebracht. Dies läßt den Feldeffekt-Transistor 38 leitend werden und bringt die Basis des bipolaren Transistors 40 auf +15 V. Der Emitter des bipolaren Transistors 40 folgt nach und bringt dadurch den Verbindungspunkt 45 auf ungefähr 14,4 V. Diese Emitterfolgerwirkung des bipolaren Transistors 40 bewirkt eine schnelle Aufladung der Gate-Elektrodenkapazität des Feldeffekt Schalttransistors 35 und sperrt diesen damit. Diese Emitterfolgerwirkung sperrt ebenfalls den Feldeffekt-Transistor 49 durch den Feldeffekt-Transistor 48.
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Im gesperrten Zustand des Schalters wird gleichzeitig der komplementäre Stromwert aus dem Steueranschluß 33 entnommen. Die Wirkung der Konstantspannungsschaltung 20 b bringt den Anschluß 33 auf etwa +9,4 V. Dies bringt den Emitter des bipolaren Transistors 41 auf einen Potentialwert, der etwas unterhalb des Potentialwertes zur Sperrung des bipolaren Transistors liegt, und dies bewirkt die Sperrung des Feldeffekt-Transistors 42. Dadurch wird seinerseits der bipolare Transistor 44 gesperrt. Damit wird verhindert, daß ein Strom im Widerstand 46 fließt, und damit wird der bipolare Transistor 47 gesperrt gehalten.
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Der Verbindungspunkt 45 liegt bei etwa 14,4 V, und der Steueranschluß 33 liegt bei etwa +9,4 V. Der Feldeffekt-Transistor 48 wirkt wie ein Widerstand, und der Feldeffekt-Transistor 50 wird leitend und bringt seine Source-Elektrode auf etwa 9,4 V. Daher fließt ein Strom in der Reihenschaltung aus den Feldeffekt- Transistoren 48 und 50 und dem bipolaren Transistor 40. Dieser stationäre Strom kann ebenfalls gering gehalten werden. Der Spannungsabfall von etwa 5,3 V an dem Feldeffekt-Transistor 48 bewirkt die Sperrung des Feldeffekt-Transistors 49, und es folgt, daß der Anschluß 30 vollständig von der übrigen Schaltung bis auf unbedeutende Leckstrompfade und Streukapazitäten isoliert ist. Da der bipolare Transistor 40 den Verbindungspunkt als Bauelement von niedriger Impedanz festklemmt, werden Kopplungen durch die Streukapazität um den Feldeffekt-Schalttransistor 35 herum, zwischen den Anschlüsen 30 und 31 gut gedämpft, und der Schalter ist tatsächlich gesperrt.
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Der stationäre Durchschalt- und Sperrzustand sind damit beschrieben worden, und nunmehr wird der Übergang vom Sperr- zum Durchschaltzustand beschrieben. Im Sperrzustand liegt der Verbindungspunkt 45 auf etwa 14,4 V, und die Gate-Elektrodenkapazität des Feldeffekt-Schalttransistors 35 ist dabei aufgeladen. Wird der Schalter schnell durchgeschaltet, so muß der Verbindungspunkt 45 rasch auf das Potential am Anschluß 30 gebracht werden. Unter den Betriebsbedingungen nach dem vorbekannten Stande der Technik würde dieser Vorgang, sofern er schnell erfolgt, eine große Impulsspitze den Anschlüssen 30 und 31 aufdrücken. Diese Störung könnte den Betrieb der zu schaltenden Analogschaltung ernsthaft beeinträchtigen.
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Wenn der Durchschaltzustand dadurch herbeigeführt wird, daß aus dem Anschluß 32 ein Strom entnommen wird, und gleichzeitig der aus dem Anschluß 33 fließende Strom bis in die Nähe des Wertes Null vermindert wird, so wird der bipolare Transistor 40 schnell gesperrt und schaltet ihn vom Verbindungspunkt 45 damit ab. Gleichzeitig wird der Steueranschluß 33 auf +15 V gebracht, und damit der Feldeffekt-Transistor 50 gesperrt, und der Feldeffekt-Transistor 42 durchgeschaltet. In diesem Moment ist der Verbindungspunkt 45 auf etwa 14,4 V aufgeladen, derart, daß der Feldeffekt-Transistor 43 gesperrt und die Basis des bipolaren Transistors 44 auf 14,4 V gebracht wird. Beim Bestreben, den Verbindungspunkt 45 schnell auf das Potential am Anschluß 30 zu entladen, wird der bipolare Transistor 44 stark leitend. Der daraus resultierende Strom durch den Widerstand 46 läßt den bipolaren Transistor 47 leitend werden und schaltet somit eine Stromaufnahmeschaltung oder Stromsenke an den Verbindungspunkt 45, vom negativen Stromversorgungsanschluß aus. Das bedeutet, daß sich der Verbindungspunkt 45 schnell gegen -15 V über die stark leitenden bipolaren Transistoren 44 und 47 entlädt. Es ist festzustellen, daß die Entladung in eine Stromaufnahmeschaltung, und nicht etwa gegen den Anschluß 30 erfolgt, und somit werden Impulsspitzen oder Schaltvorgänge vermieden. Praktisch ist die Verminderung der Schaltspitze am Anschluß 30 gleich dem Stromverstärkungsfaktor β des bipolaren Transistors 47, und dieser kann sehr groß gemacht werden. Die Verminderung der Impulsspitze ist hinreichend groß, um ein sehr schnelles Sperren des Schalters zu gestatten, unter Beibehaltung einer ausreichenden Unterdrückung des Schaltvorganges, um das Betriebsverhalten der Analogschaltung annehmbar werden zu lassen.
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Wenn sich das Potential am Verbindungspunkt 45 dem Potential des Anschlusses 30 nähert, so hört der bipolare Transistor 44 auf zu leiten und sperrt somit den bipolaren Transistor 47. Dies gestattet den Feldeffekt-Transistoren 48 und 49, dem Potentialverlauf am Verbindungspunkt 45, mit den oben beschriebenen Bedingungen für den Anschluß 30, zu folgen. Da es nicht erforderlich ist, daß die Feldeffekt-Transistoren 48 und 49 eine hohe Stromspitze aufnehmen, so können diese sehr klein sein. Die bipolaren Transistoren 44 und 47, die stark leiten, wirken nur während des Schaltvorganges und können den Feldeffekt-Schalttransistor 35 schnell durchschalten, während sie die Stromspitze von der Analogschaltung fortleiten.
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Es ist anzumerken, daß die oben beschriebene, erfindungsgemäße Schaltung bipolare, zueinander komplementäre Transistoren zum Einsatz bringt, wobei nur der Kollektor des verwendeten pnp-Transistors mit der Spannung -V verbunden ist. Alle anderen bipolaren Transistoren sind vom npn-Typ und herkömmlich. Derartige Bauelemente werden leicht in herkömmlichen Bearbeitungsverfahren für integrierte Schaltungen fertiggestellt. Alle Feldeffekt-Transistoren sind von gleicher Polarität und werden gleichzeitig mit den bipolaren Transistoren hergestellt. Damit ist die erfindungsgemäße Schaltung in ihrer Gesamtheit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren von integrierten Schaltungen zugänglich. Die Schaltung ist empfindlich gegenüber der Pinchoff-Spannung des Feldeffekt- Transistors. Während es in der Bearbeitung der integrierten Schaltung schwierig ist, diesen Wert auf einem präzisen Sollwert zu halten, so neigen bei einem gegebenen Schaltungsplättchen alle Feldeffekt-Transistoren dazu, denselben Sperrschwellwert oder dieselbe Pinchoff-Spannung zu haben. Da die erfindungsgemäße Schaltung zwei Konstantspannungsquellen einschließt, deren Spannungen geringfügig, um eine feste Differenz, höher als die Pinchoff- Spannung der Feldeffekt-Transistoren sind. So wird die Variation in diesen Pinchoff-Spannungswerten von selbst kompensiert. Das bedeutet, daß beim Anstieg der Pinchoff-Spannung die Schaltspannungswerte entsprechend erhöht werden. Somit folgen die Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Schaltung den Anforderungen der Feldeffekt-Transistoren.
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Unter den bei der Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltung festgelegten Bedingungen kann die Analogspannung am Anschluß 30 Signale im Bereich von etwa ±5 V zulassen. Dies kann Gleichspannungsanteile und Signalanteile gleichzeitig einschließen. Wenn die verwendeten Feldeffekt-Transistoren eine etwas andere Pinchoff- Spannung aufweisen, so fällt der Bereich für die Analogspannung anders aus, jedoch kann der Wert dieses Bereiches in der Praxis ausreichend groß gehalten werden, um sehr brauchbaren Vorschriften zu genügen.
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Anhand einer bestimmten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schaltung für die Umschaltung und ihre Wirkungsweise beschrieben worden. Es ist klar, daß es alternative und gleichwertige Ausführungsformen gibt, die für den Fachmann erkennbar sind. Während eine bestimmte Art von Feldeffekt-Transistoren hier gezeigt worden ist, so kann eine dazu komplementäre Bauform eingesetzt werden, und die Polarität der Speisespannung würde damit vertauscht. Während Feldeffekt-Transistoren mit Halbleiterübergängen gezeigt worden sind, so können einige oder alle in der sogenannten MOSFET- oder IGFET-Technik ausgeführt sein. Ferner könnten die gezeigten Widerstände in der Form eines leitend vorgespannten Feldeffekt-Transistors ausgeführt werden.