DE2721836A1

DE2721836A1 - Temperaturkompensierter kristalloszillator

Info

Publication number: DE2721836A1
Application number: DE19772721836
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Shinohara; Toshihiko Waku
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1976-05-13
Filing date: 1977-05-13
Publication date: 1977-12-01
Also published as: FR2351535B1; CA1087698A; FR2351535A1; US4096452A; NL7705348A; JPS52150952U; GB1565145A

Description

It 3896

SONY CORPORATION Tokyo / Japan

Temperaturkompensierter Kristalloszillator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation, mit der Frequenzänderungen infolge von Temperaturänderungen in einem System mit einem Kristalloszillator korrigiert werden können.

Kristalloszillatoren werden vielfach als Schaltungserzeugung eines Signals konstanter Frequenz verwendet. Um jedoch ein Signal dieser Frequenz zu erreichen, ist es erforderlich, die Temperaturkennlinie des Kristalls zu kompensieren. Zwei Methoden zur Kompensation der Temperaturkennlinie sind bekannt. Bei der einen wird der Kristall in einem Thermostatofen angeordnet und der Heizstrom des Ofens wird so gesteuert, daß die Temperatur des Ofens konstant gehalten wird. Bei der anderen wird dem Kristall die Kapazität eines veränderbaren Kondensators wie einer Varicap-Diode zugefügt, um die Kapazität in Abhängigkeit von Temperaturänderungen zu steuern und so eine konstante Schwingungsfrequenz aufrecht zu erhalten.

Bei der zweiten Methode wird ein Differentialverstärker verwendet, der eine infolge einer Temperaturänderung

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bei Verwendung einer Brückenschaltung mit einem auf Temperatur ansprechenden Element wie einem Thermistor erzeugte Unsymmetriespannung ermittelt. Die Kapazität des veränderbaren Kondensators wird dann entsprechend einer auf diese Weise ermittelten Ausgangsspannung zur Temperaturkompensation der Schwingungsfrequenz gesteuert. Der veränderbare Kondensator hat jedoch eine Temperaturkennlinie, die nur in einem sehr schmalen Bereich eine angenäherte Linearität ergibt, so daß die Temperaturkompensation nur in einem sehr schmalen Bereich möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturkompensierten Kristalloszillator zu schaffen, der Frequenzänderungen infolge von Temperaturänderungen mittels eines Differentialverstärkers korrigiert, der eine Unsymmetriespannung in einer Brückenschaltung mit einem temperaturempfindlichen Element zur Steuerung der Kapazität eines veränderbaren Kondensators ermittelt.

Der temperaturkompensierte Kristalloszillator soll außerdem in einem weiten Temperaturbereich mit konstanter Frequenz schwingen.

Der temperaturkompensierte Kristalloszillator soll eine Temperaturkompensation in einem weiten Temperaturbereich durch Verwendung eines Thermistors, der die Temperatur des Kristalls kompensiert und einer Diode, die die Temperatur eines veränderbaren Kondensators kompensiert, ermöglichen.

Der temperaturkompensierte Kristalloszillator soll zwei oder mehr Brückenschaltungen aufweisen, von denen jede zwei oder mehr temperaturempfindliche Elemente mit unterschiedlichen Arbeitstemperaturbereichen und zwei oder mehr Differentialverstärker haben, wobei Teile der jeweiligen Brückenschaltungen und Teile der Schal-

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tungselemente der jeweiligen Differentialverstärker gemeinsam verwendet sind.

Außerdem soll der Schaltungsaufbau des temperaturkompensierten Kristalloszillators, der eine Temperaturkompensation in einem weiten Bereich ermöglicht, einfach sein.

Die Erfindung schafft einen temperaturkompensierten Kristalloszillator mit einem Oszillatorkreis, der einen Kristall und eine elektronisch gesteuerte veränderbare Kapazität hat. Ein Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor ist mit dem Oszillatorkreis vorzugsweise über ein Hochfrequenz-Drosselelement verbunden. Eine Brückenschaltung ist mit den Eingängen des Differentialverstärkers verbunden, um dem ersten und zweiten Transistor eine Vorspannung zuzuführen. Diese Brückenschaltung hat in einem ihrer Zweige ein temperaturempfindliches Element. Ein Temperaturkompensationselement ist mit dem Differentialverstärker verbunden und hat eine Temperaturkennlinie, die die Temperaturkennlinie der veränderbaren Kapazität in dem Oszillatorkreis kompensiert. Das Kompensationselement kann aus den Dioden in den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren in dem Differentialverstärker bestehen. Das Kompensationselement kann auch ein weiterer Transistor in Reihe zu den Transistoren des Differentialverstärkers sein, der von einer temperaturempfindlichen Vorrichtung gesteuert wird. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Kompensationselement ein zusätzlicher Transistor sein, der parallel zu dem Differentialverstärker geschaltet ist, der einen zweiten Differentialverstärker in Verbindung mit einem der Transistoren in dem ersten DifferentialverstHrker bildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 5 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

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Figur 1 bis 4 Schaltbilder einer ersten bis vierten Ausführungsform des temperaturkompensierter Kristalloszillators der Erfindung, und

Figur 5 eine theoretische Kurve, aua der die Temperatur/ Frequenz-Kennlinie eines temperaturkompensierten Oszialltors entsprechend der vierten Ausführungsform der Erfindung hervorgeht.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Schwingungstransistor Tr1 ist mit seinem Kollektor mit einem Spannungsquellenanschluß T1 verbunden und sein Emitter ist über einen Widerstand R1 über einen Kondensator C1 mit einem Signalausgang T2 verbunden. Der Schwingungstransistor Tr1 ist außerdem mit seiner Basis über einen Widerstand R2 mit dem Spannungsquellenanschluß T1 verbunden. Die Basis ist auch über eine Reihenschaltung aus Kondensatoren C2, C3 und über einen Kristall X und eine Reihenschaltung aus einer veränderbaren Kapazität/ d.h. einer Varicap-Diode VC und einem Kondensator C4 geerdet.

Der Verbindungspunkt der Kondensatoren C2 und C3 ist mit dem Emitter des Transistors Tr1 verbunden. Zusätzlich ist die Varicap-Diode VC mit ihrer Kathode mit dem Kristall X und mit dem Kollektor eines zweiten Transistors Tr3 in einem Differentialverstärker (der später beschrieben wird) über eine Hochfrequenz-Drosselspule L verbunden.

Die Diode CV hat eine Anode, die über den Kondensator C4 geerdet und auch mit dem einen Ende eines Schiebekontakts eines veränderbaren Widerstandes VR verbunden ist. Der veränderbare Widerstand VR ist über einen Widerstand R3 mit dem Spannungsquellenanschluß T1 am anderen Ende verbunden.

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Ein Differentialverstärker besteht aus einen* ersten und zweiten Transistor Tr2, Tr3. Der erste und zweite Transistor Tr2, Tr3 sind mit den Kollektoren über Reihenschaltungen einer Diode D1 und eines Widerstandes R4 bzw. einer Diode D2 und eines Widerstandes R5 mit dem Spannungsquellenanschluß T1 verbunden, die Emitter sind über Reihenschaltungen eines Widerstandes F6 und eines Widerstandes RS bzw. eines Widerstandes R7 und eines Widerstandes R8 geerdet, und die Basen sind mit dem Verbindungspunkt eines Widerstandes R9 und eines Widerstandes R10 mit dem Verbindungspunkt eines temperaturempfindlichen Elements Th mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, z.B. eines Thermistors, und eines Widerstandes R11 verbunden. Die Dioden D1, D2 haben Temperaturkennlinien, die von der Temperaturkennlinie der Varicap-Diode VC abhängen und ihre Anoden sind miteinander über einen Widerstand R12 verbunden.

Bei diesem Schaltungsaufbau wird der Atbeitspunkt der Varicap-Diode VC durch Einstellen des veränderbaren Widerstandes VR bestimmt, während ihre Ausgangskapazität von der Kollektorspannung des zweiten Transistors Tr3 in dem Differentialverstärker gesteuert wird. Wenn in dem zuvor erwähnten Differentialverstärker die Temperatur konstant gehalten wird, dann kann eine Potentialdifferenz (eine Unsymmetriespannung in der Brückenschaltung) zwischen dem Punkt P (dem Verbindungspunkt der Widerstände R9 und R10) in einer Brückenschaltung, die aus dem temperaturempfindliehen Element Th und den Widerständen R9 bis R11 besteht, und einem Punkt q (dem Verbindungspunkt des Elements Th und des Widerstandes R11) konstant gehalten werden. Außerdem kann die Potentiäldifferenz zwischen einem Punkt r und einem Punkt S auf den Anodenseiten der Dioden D1, D2 ebenfalls konstant gehalten werden. Folglich wird die Kollektorspannung des zweiten Transistors Tr3 konstant gehalten und die Ausgangskapazität der Varicap-Diode VC kann so gesteuert

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werden, daß sie konstant ist. Wenn dagegen die Temperatur geändert wird und sich damit die Schwingungsfrequenz des Kristalloszillators infolge der Temperaturkennlinie des Kristalls X ändert, wird der Widerstand des temperaturempfindlichen Elements Th, das eine Temperaturkennlinie hat, die von der Temperaturkennlinie des Kristalls abhängt, geändert, so daß die Spannung an dem Punkt q in der Brückenschaltung geändert wird.

Dadurch wird die Kollektorspannung an dem zweiten Transistor Tr3 in dem zuvor erwähnten Differentialverstärker geändert, so daß die Ausgangskapazität der Varicap-niode VC so gesteuert wird, daß Änderungen der Schwingung frequenz kompensiert werden. Das Ausmaß der Änderuna der Kollektorspannung zur Steuerung der zuvor erwähnter Ausgangskapazität wird durch Wahl des Widerstandswertes des Widerstandes R12 entsprechend der Temperaturkennlinip des Kristalls X eingestellt. Im allgemeinen ergibt sich eine unvollständige Temperaturkompensation der zuvor erwähnten Schwingungsfrequenz über einen weiten Temperaturbereich infolge der Temperaturkennlinie der varicap-Diode VC. Jedoch sind die Dioden D1 und D2 mit Temperaturkennlinien, die von der Temperaturkennlinie der Varicap-Diode VC abhängen, mit den Kollektorseiten des ersten und zweiten Transistors Tr2, Tr3 verbunden, so daß sich die Kollektorspannung an dem zweiten Transistor Tr2 aufgrund des Elements Th, das eine Temperaturkennlinie hat, die von der Temperaturkennlinie des Kristalls X abhängt, und aufgrund der Dioden D1, D2 ändert, die Temperaturkennlinien haben, die von der Temperaturkennlinie der Varicap-Diode VC abhängt. Daher kann die Temperaturkennlinie der Varicap-Diode VC durch die zuvor erwähnte Schaltungsanordnung geändert werden, so daß jederzeit ein Signal konstanter Frequenz in einem großen Temperaturbereich erzeugt werden kann.

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Wie durch eine durchgehende Linie bzw. eine gebrochene Linie in Fig. 2 gezeigt ist, genügt, wenn eine Diode D' bzw. D zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände R6 und R7 und Erde bzw. zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände R4 und R5 und den Spannungsquellenanschluß T1 geschaltet ist, eine einzige Diode zur Kompensation der Temperaturkennlinie der Varicap-Diode VC.

Eine Diode zur Kompensation der Temperaturkennlinie der Varicap-Diode kann an irgendeiner Stelle im Kollektorstrompfad des ersten und zweiten Transistors in dem Differentialverstärker angeordnet werden (dieser Pfad wird als Stromsenkenpfad bezeichnet).

Obwohl eine Ausführungsform mit einer Diode zur Kompensation der Temperaturkennlinie einer Varicap-Diode beschrieben wurde, kann jedes Schaltungselement anstelle der Diode verwendet werden, wenn es eine Temperaturkennlinie hat, die von der Temperaturkennlinie der varicap-Diode abhängt. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der Transistoren für diesen Zweck verwendet sind. In Fig. 3 sind der Kollektor und der Emitter des Transistors Tr4 zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände R6, R7 und Erde geschaltet, während die Basis des Transistors Tr4 über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tr5 geerdet und über eine Reihenschaltung eines veränderbaren Widerstandes VR1 und eines Widerstandes R13 mit dem Spannungsquellenanschluß T1 verbunden ist. Das eine Ende des veränderbaren Widerstandes VR1 ist über den Widerstand R14 geerdet und sein anderes Ende ist mit dem Kollektor des Transistors Tr5 verbunden. Die übrigen Schaltungselemente sind die gleichen wie bei der vorherigen Ausführungsform, sind mit den gleichen Bezugsziffern in Fig. 3 versehen und werden daher nicht beschrieben.

Bei diesem Schaltungsaufbau ist der Strom I (der Senkenstrom in einem Differentialverstärker), der über die

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Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tr4 fließt, gegeben durch

_τ _ Ve - VBe

wobei Ve das Potential am Verbindungspunkt e zwischen den Widerständen R13 und R14, VBe die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren Tr4, Tr5 und R den Widerstandswert des veränderbaren Widerstandes VR1 darstellt.

Nimmt man an, daß die Widerstandswerte der Widerstände R4, R5 gleich Rö sind, dann sind die Potentiale Vt, Vs an den Punkten r und s gegeben durch:

Vr = Vs * i Ro · I = ·§§ (Ve - VBe)

Zur Änderung der Spannung an der Kathode der Varicap-Diode VC um eine Größe o(, wenn die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren Tr4, Tr5, die Temperaturkennlinien in Abhängigkeit von der Temperaturkennlinie der Varicap-Diode VC haben, um die Größe o( infolge von Temperaturänderungen geändert wird, werden die Widerstandewerte Ro, R der Widerstände R13, R14 und des veränderbaren Widerstands Vr1 so bestimmt, daß sie die folgende Gleichung erfüllen:

(Ve - VBe - o( ) - ££ (ve - VBe) « -o(

Wenn die jeweiligen Widerstandswerte so bestimmt werden, daß Ro = 2R erfüllen, dann kann die Temperaturkennlinie bezüglich der Sperrspannung der Varicap-Diode aufgrund der Temperaturkennlinien der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Tr4, Tr5 kompensiert werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Temperaturkompensation über eine weiten Temperaturbereich durch Verwendung von zwei oder mehr Brückenschaltunqen,

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von denen jede zwei oder mehrere temperaturempfindliche Elemente hat, zusätzlich zu zwei oder mehreren Differentialverstärkern durchgeführt wird, wobei bestimmte Teile der Brückenschaltungen und der Differentialverstärker gemeinsam verwendet sind.

Bei dieser Ausführungsform besteht ein erster Differentialverstärker aus einem Transistor Tr2 und einem Transistor Tr3, während ein zweiter Differentialverstärker aus dem Transistor Tr2 und einem Transistor Tr6 besteht. Der erste und zweite Differentialverstärker weisen somit den Transistor Tr2 gemeinsam auf. Eine erste Brttckenschaltung besteht aus einem ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltungselement, d.h. einem Widerstand R9, einem Widerstand R10, einem ersten temperaturempfindlichen Element Th1 (wie in Fig. 1) und einem Widerstand R11, während eine zweite Brückenschaltung aus einem ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltungselement, d.h. einem Widerstand R9, einem Widerstand R10, einem Widerstand R16, einem Widerstand R17 und einer Parallelschaltung aus einem Widerstand R18 und einem zweiten temperaturempfindlichen Element Th2 besteht. Die erste und zweite Brückenschaltung haben somit die Widerstände R9 und R10 als erstes und zweites Schaltungselement gemeinsam.

Das erste temperaturempfindliche Element Th1 hat eine solche Temperaturkennlinie, daß sich sein Widerstandswert relativ zu Temperaturänderungen linear ändert, während das zweite temperaturempfindliche Element Th2 eine solche Temperaturkennlinie hat, daß sich sein Widerstandswert relativ zu Temperaturänderungen exponentiell ändert. Diese beiden Elemente Th1, Th2 haben unterschiedliche Arbeitstemperaturbereiche, und eine Schaltungskonstante wird so bestimmt, daß der Transistor Tr6 in einem Temperaturbereich über O⁰C gesperrt und der Transistor Tr6

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in einen Temperaturbereich unter O C geöffnet werden kann.

Wenn bei dieser Ausführungsform die Umgebungstemperatur über O⁰C (oder unter 0⁰C) liegt, wird der Widerstand des zweiten temperaturempfindlichen Elemente Th2 verringert (bzw. erhöht), so daß der Transistor Tr6 gesperrt (bzw. geöffnet) wird. Dabei wird der Widerstand des ersten temperaturempfindlichen Elemente Th1 erhöht (oder verringert) , während die Transistoren Tr2, Tr3 geöffnet werden.

Wenn die Umgebungstemperatur über O⁰C liegt, wird die Unsymmetriespannung in der ersten Brückenschaltung mit dem ersten temperaturempfindlichen Element Th1 von dem ersten Differentialverstärker erfaßt, und die Kapazität der Varicap-Diode VC wird entsprechend der so ermittelten Ausgangsspannung gesteuert, wodurch die Schwingungsfrequenz des Kristalloszillators kompensiert wird, so daß keine Temperaturänderungen auftreten. Wenn dagegen die Umgebungstemperatur unter O⁰C liegt, ändert sich der durch den Transistor Tr3 fließende Strom infolge der Änderungen des Transistors Tr6 einschließlich des zweiten temperaturempfindlichen Elements Th2, und die Kapazität der Varicap-Diode VC wird infolge der ermittelten Ausgangssparnung des Transistors Tr3 geändert, so daß die Schwingungsfrequenz des Kristalloszillator kompensiert wird und keine Temperaturänderungen auftreten. Wie Fio. zeigt, wird die Temperaturkompensation (durch eine durchgehende Linie angegeben) durch das erste temperaturempfindliche Element ThI erreicht, wenn die Umgebungstemperatur über 0 C liegt, während die Temperaturkompensation (durch eine unterbrochene Linie gezeigt) durch das zweite temperaturempfindIiehe Element erreicht wird, wenn die Umgebungstemperatur unter O⁰C liegt.

Bei dieser Ausführungsform bewirkt das erste temperaturempfindliche Element Th1 die Temperaturkompensation

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in einem Bereich von 0 bis 60 C, während das zweite temperaturempfindliche Element Th2 die Temperaturkompensation in einem Bereich von -30°C bis O⁰C bewirkt. Der Temperaturbereich ist jedoch nicht notwendigerweise auf diesen Bereich beschränkt.

Der übrige Schaltungsaufbau ist der gleiche wie bei den anderen Ausführungsformen, weshalb gleiche Bezugsziffern verwendet sind und diese Elemente nicht beschrieben werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Temperaturkompensierter Kristalloszillator, bestehend aus einem Oszillatorkreis mit einem Kristall und einer veränderbaren Kapazität, einem Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die einen Stromsenkenpfad bilden, einer Verbindungseinrichtuno zur Verbindung des Differentialverstärkers mit dem Oszillator, und einer Brückenschaltung, die mit dem Differentialverstärker verbunden ist, um dem ersten und zweiten Transistor eine Vorspannung zuzuführen, und die ein erstes temperaturempfindliches Element aufweist, gekennzeichnet durch eine Kompensationseinrichtung, die mit dem Stromsenkenpfad des Differentialverstärkers verbunden ist und eine Temperaturkennlinie hat, die die Temperaturkennlinie der veränderbaren Kapazität kompensiert.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung eine Diode ist, die mit der Kollektorstrecke des ersten und zweiten Transistors verbunden ist.
3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Kcmpensationseinrichtung aus zwei Dioden besteht, von denen je eine mit dem Kollektor des ersten und zweiten Transistors verbunden ist.
4. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung aus zwei Dioden besteht, von denen je eine mit dem Emitter des ersten und zweiten Transistors verbunden ist.
5. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung einen dritten Transistor, der zu dem Differentialverstärker in Reihe geschaltet ist, einen vierten Transistor, dessen Basis mit der

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Basis des dritten Transistors verbunden ist, und einen Vorspannungskreis aufweist, der mit dem dritten und vierten Transistor verbunden ist.
6. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillatorkreis einen zusätzlichen Transistor aufweist, dessen Kollektor- und Emitter-Strecken parallel zum ersten und zweiten Transistor geschaltet sind, und einen Vorspannungskreis aufweist, der mit dem zusätzlichen Transistor zur Vorspannungsverstärkung verbunden ist und ein temperaturempfindliches Element hat, wobei das erste und zweite temperaturempfindliche Element unterschiedliche Temperaturkennlinien haben.
7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste temperaturempfindliche Element eine lineare Temperaturkennlinie hat, und daß das zweite temperaturempfindliche Element eine exponentielle Temperaturkennlinie hat.
8. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Kapazität des Oszillators aus einer Varicap-Diode besteht.
9. Temperaturkompensierter Kristalloszillator, bestehend aus einem Oszillatorkreis mit einem Kristall und einer elektronisch gesteuerten veränderbaren Kapazitätseinrichtung zur Änderung der Frequenz des Oszillatorr kreises, einem Differentialverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die mit der Kapazitätseinrichtung verbunden sind, und einerBrückenschaltuno mit einem ersten temperaturempfindlichen Element, das mit dem Differentialverstärker zu dessen Vorspannungsversorgung verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Kompensationseinrichtung, die mit dem Differentialverstärker verbunden ist und eine Temperaturkennlinie

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hat, die zu der Temperaturkennlinie der veränderbaren
Kapazitätseinrichtung in Beziehung steht.
10. Oszillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung zu der Kollektor-Emitter-Strecke wenigstens eines der Transistoren in dem Differentialverstärker in Reihe geschaltet ist.
11. Oszillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung zu dem Differentialverstärker parallelgeschaltet ist.

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