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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker mit einem ersten
Ausgangstransistor und einem zweiten Ausgangstransistor selber Polarität und einer
Konfiguration vom Typ "push-pull" sowie einen Eingangstransistor, dessen Kollektor an
die Basis des ersten Ausgangstransistors gekoppelt ist.
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Ein solcher Verstärker ist insbesondere aus dem Dokument JP-A-58-195306
bekannt. Er kann in integrierter Form verwirklicht werden, unter ausschließlicher
Verwendung von Transistoren vom Typ NPN, damit dieser Verstärker mit einer relativ
hohen Frequenz arbeiten kann.
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Als Zwischenfrequenzverstärker für Fernsehsignale ist der bekannte
Verstärker von mehreren Standpunkten nicht völlig zufriedenstellend:
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Aufgrund seiner asymmetrischen Struktur ermöglicht es dieser Verstärker
nicht, Störsignale zu entfernen, die das Eingangssignal überlagert und so mit dem
Nutzsignal verstärkt werden. Eine differentielle anstatt einer asymmetrischen Struktur
würde es ermöglichen, diesem Nachteil abzuhelfen. Mit diesem Ziel kann man sich
vorstellen, dem bekannten Verstärker einen zweiten Teil hinzuzufügen, symmetrisch zum
ersten, und die beiden Eingänge und die beiden Ausgänge dieser Struktur im
Differentialtakt zu betreiben. Diese Lösung weist jedoch keine ausreichende
Gleichtaktunterdrückung auf.
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Dazu wäre es außerdem wünschenswert, über einen Verstärker mit
verbesserter Linearität zu verfügen.
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Ziel der Erfindung ist es folglich, einen Verstärker vorzuschlagen, dessen
Leistungen in geringerem Maße von den zuvor aufgezeigten Einschränkungen
beeinträchtigt werden.
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Tatsächlich ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verstärker von dem
im einleitenden Absatz aufgeführten Typ dadurch gekennzeichnet, daß er zudem einen
dritten und einen vierten Ausgangstransistor enthält, die ebenfalls in einer "Push-pull"-
Konfiguration angeordnet sind, sowie einen zusätzlichen Eingangstransistor, dessen Emitter
an den Emitter des besagten Eingangstransistors gekoppelt ist und dessen Kollektor an die
Basis des zweiten Ausgangstransistors und an die Basis des dritten Ausgangstransistors
gekoppelt ist, wobei die Basis des vierten Ausgangstransistors an den Kollektor des
besagten Eingangstransistors gekoppelt ist.
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Mit seiner mühelos symmetrisch gestalteten Struktur kann der Verstärker
nach der Erfindung nach einem reellen Differentialtakt arbeiten, da die Basis des zweiten
Ausgangstransistor nicht mehr mit dem Emitter des Eingangstransistors verbunden ist.
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So sieht eine vorteilhafte Durchführungsform der Erfindung vor, daß der
besagte Eingangstransistor und der zusätzliche Eingangstransistor untereinander als
differentielles Paar angeordnet sind, und insbesondere, daß der Emitter des besagten
Eingangstransistors und der Emitter des zusätzlichen Eingangstransistors jeweils von einer
Stromquelle versorgt werden und über einen Widerstand mit der Bezeichnung erster
Emitterwiderstand aneinander gekoppelt sind.
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Die symmetrische Struktur des Verstärkers ermöglicht die Auswahl der
Polarisationsbedingungen unter Gleichstrom der Transistoren der Schaltung auf
unabhängige Art der spezifischen Anordnungen entsprechend der Verminderung der
Verzerrung des verstärkten Signals.
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Nach einer vorgezogenen Durchführungsform der Erfindung wird die
Kopplung zwischen dem Kollektor des besagten Eingangstransistors und der Basis des
vierten Ausgangstransistors von einem Nebentransistor zum ersten Ausgangstransistor
versichert, dessen Basis an die Basis des ersten Ausgangstransistors angeschlossen ist, der
über seinen Emitter ein Spannungssignal liefert, von dem ein Teil der Basis des vierten
Ausgangstransistors zugeführt wird und, symmetrisch, wird die Kopplung zwischen dem
Kollektor des zusätzlichen Eingangstransistors und der Basis des zweiten
Ausgangstransistors von einem Nebentransistor zum dritten Ausgangstransistor versichert,
dessen Basis an die Basis des dritten Ausgangstransistors angeschlossen ist und über seinen
Emitter ein Spannungssignal liefert, von dem ein Teil der Basis des zweiten
Ausgangstransistors angeschlossen ist.
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Vorzugsweise wird der Teil der jeweils den Basen der zweiten und vierten
Ausgangstransistoren zugeführten Spannungen von einer Divisorbrücke entnommen, die
eine Diode in Serie in einem ihrer Zweige enthält. Diese Diode begünstigt die Stabilität der
Funktionsweise des Verstärkers unter Berücksichtigung der Temperaturschwankungen.
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Ein zusätzlicher Einstellungsparameter für die Funktionsweise der zweiten
und vierten Ausgangstransistoren ermöglicht eine Steuerung des Stroms und der Linearität
des von diesen Transistoren abgegebenen Signals und wird über die Tatsache erreicht, daß
der Emitter des zweiten Ausgangstransistors und der Emitter des vierten
Ausgangstransistors über einen Widerstand mit der Bezeichnung zweiter Emitterwiderstand
aneinander gekoppelt sind.
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Da das vorhandene Spannungssignal am Emitter des Nebentransistors zum
ersten Ausgangstransistor ein bereits vom Eingangstransistor verstärktes Signal ist,
ermöglicht eine Divisorbrücke die beliebige Wahl der Amplitude des der Basis des vierten
Ausgangstransistors zuzuführenden Signals und reziprok in bezug auf den Nebentransistor
zum dritten Ausgangstransistor und den zusätzlichen Eingangstransistor zum Erhalt einer
optimalen Funktionsweise des Verstärkers, und insbesondere einer guten Linearität des
Ausgangssignals.
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Die Linearität wird durch eine Anordnung noch verbessert, die vorsieht, daß
ein Gegenkopplungswiderstand direkt zwischen dem gemeinsamen Punkt des ersten und
zweiten Ausgangstransistors und der Basis des dritten Eingangstransistor, und ein anderer
Gegenkopplungswiderstand zwischen dem gemeinsamen Punkt der dritten und vierten
Ausgangstransistoren und der Basis des zusätzlichen Ausgangstransistors angeschlossen
wird.
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Diese direkte Rückkopplung wird durch die Tatsache ermöglicht, daß der
Ruhepunkt des Verstärkers nach der Erfindung präzise eingestellt werden kann und ohne
einen Kompromiß eingehen zu müssen, wie dies mit dem Verstärker nach früherem Stand
der Fall war. Ein Gegenkopplungsfaktor kann über den Wert des Widerstands der
Gegenkopplung eingestellt werden, um einen bestimmten Verzerrungsgrad zu erhalten, der
unabhängig von der Frequenz des Signals ist.
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Bei dieser Durchführungsform gibt es vorteilhaft, daß ein sogenannter
Basiswiderstand zwischen einer Gleichtaktspannung und andererseits der Basis des
besagten Eingangstransistors respektive der Basis des zusätzlichen Eingangstransistors
angeschlossen ist.
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Es kann folglich am Ausgang des Verstärkers ein Signal größerer Amplitude bereitgestellt
werden.
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Die folgende, hinsichtlich der beigefügten Zeichnungen anhand von nicht
begrenzenden Beispielen gegebene Beschreibung wird leicht verdeutlichen, wie die
Erfindung verwirklicht werden kann.
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Fig. 1 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Verstärkers nach früherem
Stand, und
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Fig. 2 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Verstärkers nach der
Erfindung.
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Fig. 1 zeigt den Schaltplan eines bekannten Verstärkers, der ein Modul 1
enthält, das zwischen einer ersten Versorgungsquelle V1 und einer zweiten
Versorgungsquelle V2 angeschlossen ist, die als Bezugsspannung dienen, wobei das Modul
einerseits aus einem ersten Transistor T1 vom Typ NPN besteht, angeordnet, um als
Emitterschaltung zu arbeiten, und der an seiner Basis ein Wechselstrom-Eingangssignal Vi
erhält, ausgehend von einer Eingangsklemme 11. Der Emitter des Transistors Ti ist mit der
Bezugsversorgungsquelle V2 verbunden, über einen Emitterwiderstand R1. Der Kollektor
des Transistors T1 ist mit der Versorgungsquelle V1 verbunden, positiv, über einen
Kollektorwiderstand R2. Das Modul 1 enthält andererseits einen zweiten NPN-Transistor
T2, der als Emitterfolger der am Kollektor des Transistors T1 entwickelten Spannung
arbeitet, wobei die Spannung seiner Basis zugeführt wird. Er liefert ein Ausgangssignal Vo
an eine Ausgangsklemme 12, an seinen Emitter angeschlossen, wobei die Klemme dazu
bestimmt ist, an einen Belastungswiderstand RL angeschlossen zu werden, außerdem an die
Bezugsspannung V2 angeschlossen. Das Modul 1 enthält zudem einen dritten Transistor
T3, ebenfalls vom Typ NPN, dessen Basis an den Emitter des ersten Transistors T1
angeschlossen und der angeordnet ist, um als Emitterschaltung zu arbeiten, wobei sein
Kollektor an den Emitter des zweiten Transistors T2 angeschlossen und sein Emitter mit
der Bezugsspannung V2 verbunden ist, über einen Emitterwiderstand R3. Aufgrund dieser
Tatsache erhält der Transistor T3 an seiner Basis ein Signal in Phase mit dem
Eingangssignal Vi, und sein Kollektor gibt auf den Belastungswiderstand RL einen
Wechselstrom ab, der in entgegengesetzter Phase zu der vom Emitter des zweiten
Widerstands T2 gelieferten Spannung ist.
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So arbeiten die zweiten und dritten Transistoren T2, T3 im Push-pull-
Modus. Wenn man als Optimierungskriterium die Leistung des der Belastung und der
Verzerrung dieses Signals zugeführten Signals nimmt, wird ersichtlich, daß die besten
Funktionsbedingungen diejenige sind, bei der die Amplitude des von T3 abgegebenen
Wechselstroms weitgehend gleich der des von T2 abgegebenen Stroms sind.
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Eine sehr vereinfachte Berechnung der entsprechenden Bedingungen führt
dann zu dieser Relation zwischen den Widerstandswerten:
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wobei die Werte der Widerstände in dieser Relation mit dem Bezugsbezeichnungen dieser
Widerstände dargestellt sind.
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Dabei legt das Verhältnis R2/R1 die Spannungsleistung dieses Verstärkers fest,
wobei der Wert von R1 ausreichend hoch sein muß, damit eine der Basis des Transistors T3
zugeführte Gleichspannung dazu in der Lage ist, diesen Transistor zum Leiten zu bringen.
Wenn die Versorgungssspannung (V1 - V2) nicht mehr als 5 Volt beträgt, ist es folglich
erforderlich, ein schwaches Verhältnis R2/R1 (nahe der Einheit) zu verwenden, in welchem
Falle die Linearität des Verstärkers zufriedenstellend ist, doch seine Spannungsleistung
unzureichend.
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Dagegen wäre es wünschenswert, über einen Verstärker zu verfügen, der
keinen solchen Beschränkungen unterliegt, der eine höhere Spannungsleistung aufweist,
z. B. der Größenordnung von 10, und dem eine von der Frequenz des Signals unabhängige
Gegenkopplung zugeführt werden kann, über direkte Verbindung zwischen dem Ausgang
und dem Eingang mittels einem Gegenkopplungswiderstand. Außerdem wäre es unter
Verwendung einer symmetrischen Funktionsweise vorteilhaft, den vom bekannten
Verstärker erzielten Gleichtaktunterdrückunsfaktor zu verbessern, der unzureichend ist.
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Fig. 2 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Verstärkers nach der
Erfindung. Der Verstärker der Fig. 2 ist eines symmetrischen Typs durch Hinzufügung an
ein erstes Modul 100 eines zweiten Moduls 200, das dem ersten Modul ähnlich ist. Das
erste Modul 100 enthält eine Eingangsklemme 11 für ein Eingangssignal Via und eine
Ausgangsklemme 12 für ein Ausgangssignal Voa, während das zweite Modul 200 über eine
Eingangsklemme 21 für ein Eingangssignal Vib und eine Ausgangsklemme 22 für ein
Ausgangssignal Vob verfügt. Die Eingangssignale Via und Vib sind vom Standpunkt des
Wechsels nicht notwendigerweise ergänzend, während die Ausgangssignale Voa und Vob
ergänzend gemacht werden. Sie entsprechen der Differenz (Via - Vib) der Eingangssignale,
mit der Leistung des Verstärkers multipliziert.
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Die Eingangsklemme 11 des Moduls 100 ist mit der Basis eines ersten
Transistors Tia verbunden, angeordnet, um als Emitterschaltung zu arbeiten, und wobei der
Kollektor mit der positiven Versorgungsquelle V1 verbunden ist, über einen
Kollektorwiderstand R2a. Auf symmetrische Art ist der Eingang des Signals 21 des Moduls
200 mit der Basis eines zweiten Eingangstransistors T1b verbunden, symmetrisch zum
Transistor T1a, wobei der Kollektor an die Versorgungsquelle V1 verbunden ist, über einen
Kollektorwiderstand R2b. Die Transistoren T1a und T1b sind als differentielles Paar
angeordnet, aufgrund der Tatsache ihrer über einen Emitterwiderstand R11 vereinten
Emitter. Jeder dieser Emitter ist zudem an die Bezugsversorgungsquelle V2 gekoppelt, über
jeweils eine Stromquelle Sa im ersten Modul 100 und eine Stromquelle Sb im zweiten
Modul 200. Das Modul 100 enthält ebenfalls einen ersten Ausgangstransistor T2a, dessen
Basis mit dem Kollektor des Transistors T1a verbunden ist und der als Emitterfolger
angeordnet ist, wobei sein Emitter an die Ausgangsklemme 12 angeschlossen ist. Ein
zweiter Ausgangstransistor T3a hat seinen Kollektor mit dem Emitter des Transistors T2a
verbunden und seinen Emitter an die zweite Versorgungsquelle V2 gekoppelt, über einen
Emitterwiderstand R10a.
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Im zweiten Modul 200 wird eine symmetrische Anordnung mit den
Transistoren T2b vorgenommen, deren Basis an den Kollektor des Transistors T1b
angeschlossen ist, dessen Emitter an die Ausgangsklemme 22 sowie an den Kollektor eines
Transistors T3b angeschlossen ist, dessen Emitter mit der Versorgungsquelle V2 verbunden
ist, über einen Emitterwiderstand R10b. Damit die Transistorpaare T2a, T3a und T2b, T3b
im Push-pull-Modus arbeiten, wie dies der Fall für den bekannten Verstärker der Fig. 1
der Fall war, ist es erforderlich, daß die Transistoren T3a respektive T3b an ihrer Basis ein
Signal in Phase mit dem entsprechenden Eingangssignal des selben Moduls erhalten.
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Mit diesem Ziel enthält das Modul 100 noch einen Nebentransistor T4a,
dessen Basis an die Basis des Transistors T2a sowie an den Kollektor des Transistors T1a
gekoppelt ist und, auf symmetrische Art, enthält das Modul 200 ebenfalls einen
Nebentransistor T4b, dessen Basis an die Basis des Transistors T2b sowie an den Kollektor
des Transistors T1b gekoppelt ist. Die Transistoren T4a und T4b arbeiten als Emitterfolger,
mit ihrem Kollektor von der Versorgungsquelle V1 versorgt, während der Emitter jedes
dieser Transistoren an eine Divisorbrücke angeschlossen ist, jeweils und der Reihe nach
gebildet aus einem Widerstand R41a, einer Diode D1 und einem Widerstand R42a in bezug
auf die Divisorbrücke des Moduls 100, und in bezug auf das Modul 200 enthält eine
Divisorbrücke der Reihe nach einen Widerstand 41b, eine Diode D2 und einen Widerstand
R42b. Auf der Figur wurden bei D1 und D2 Dioden dargestellt, wobei jedoch eindeutig ist,
daß sie vorzugsweise in der Form von NPN-Transistoren verwirklicht werden können, in
direkter Richtung als Dioden angeschlossen. Die Nahtstelle der Divisorbrücke des Moduls
200, zwischen dem Widerstand R41b und der Diode D2, ist an die Basis des Transistors
T3a des Moduls 100 angeschlossen. Reziprok ist die Nahtstelle der Divisorbrücke des
Moduls 100 zwischen dem Widerstand R41a und der Diode D1 an die Basis des Transistors
T3b des Moduls 200 angeschlossen. In jedem der Module ist die Divisorbrücke tatsächlich
einer Spannung in entgegengesetzter Phase mit der Eingangsspannung des selben Moduls
ausgesetzt. Dagegen wird, da die Basis des zweiten Ausgangstransistors eines der Module
an die Nahtstelle der Divisorbrücke des anderen Moduls angeschlossen ist, die Bedingung,
daß das dieser Basis zugeführte Signal mit dem Eingangssignal im selben Modul in Phase
ist, erfüllt.
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Die Nahtstelle der beiden Divisorbrücken bestimmt, unter Berücksichtigung
des Divisionsverhältnisses, die Polarisations-Gleichspannung, die der Basis der
Transistoren T3a und T3b zugeführt wird, sowie die dahin zugeführte Amplitude der
Signal-Wechselspannung. Die Emitterwiderstände R10a und R10b der Transistoren T3a
und T3b ermöglichen jedenfalls die Anpassung der Amplitude des von diesen Transistoren
abgegebenen Stroms unter Berücksichtigung der für diese Widerstände gewählten Werte.
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In diesem Verstärker ist es einfach, zu erreichen, daß die Amplitude des von
den Transistoren T3a und T3b abgegebenen Wechselstroms praktisch gleich dem von den
Transistoren T2a und T2b abgegebenen Stroms ist, und ohne besondere Beeinträchtigung in
bezug auf die Leistung des Verstärkers.
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Ein Zusätzlicher Grad an Freiheit bezüglich der Unabhängigkeit zur
Einstellung der Polarisationsbedingungen unter Gleichstrom hinsichtlich der
Funktionsbedingungen unter Wechselstrom (Leistung und Linearität) liefert ein
vorhandener Emitterwiderstand R10c, der die Emitter der Transistoren T3a und T3b
verbindet. Dieser Widerstand hat keine Wirkung auf die Polarisierung der Transistoren T3a
und T3b unter Gleichstrom, während sein Wert parallel mit den Widerständen R10a und
R10b auf die Stromverstärkung dieser selben Transistoren wirkt.
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Ähnlich gilt dies in bezug auf die Transistoren T1a und T1b und ihren
Emitterwiderstand R11, der die präzise Angleichung der Leistung und Verzerrung des
Verstärkers ermöglicht, unter Berücksichtigung der Leistungen der zweiten, von den
Transistoren T2a, T2b, T3a, T3b, T4a und T4b gebildeten Stufe.
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Der beschriebene Verstärker von Fig. 2 ist in der Lage, Signale starker
Amplitude am Ausgang zu liefern, im Gegensatz zu dem bekannten, auf Fig. 1
dargestellten Verstärker.
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Andererseits kann der Verstärker nach der Erfindung mit einer
ausreichenden Präzision eingestellt werden, damit eine Gegenkopplung über den direkten
Anschluß eines Widerstands zwischen dem Eingang und dem Ausgang möglich ist, ohne
Stabilitätsprobleme der Schaltung unter Berücksichtigung der Temperatur. Diese
Einstellung kann über die geeignete Wahl der Werte der Widerstände sowie der von den
Stromquellen Sa und Sb gelieferten Versorgungsströme erreicht werden. Wie auf Fig. 2
dargestellt ist im ersten Modul 100 die Ausgangsklemme 12 mit der Eingangsklemme 11
über einen Gegenkopplungswiderstand R100 verbunden, und ebenso ist im zweiten Modul
200 die Ausgangsklemme 22 mit der Eingangsklemme 21 über einen
Gegenkopplungswiderstand R200 verbunden.
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Wenn eine solche Gegenkopplung, die fakultativ bleibt, verwendet wird, ist
es vorteilhaft, parallel einen Widerstand zwischen der Basis jedes der Transistoren T1a und
T1b vorzusehen, und die Bezugsspannung V2, entsprechend den Bezugsbezeichnungen
R110 und R210 der Figur. Diese Widerstände ermöglichen es über den von den
Widerständen R100 und R200 erzeugten Spannungsfall, die Basis-Kollektor-Spannung der
Transistoren T1a und T1b zu erhöhen. Diese Transistoren T1a und T1b sind folglich dazu
in der Lage, Signale zu erzeugen, deren Spannungsausdrift auf ihren Kollektor relativ hoch
ist und es ermöglicht, ein differentielles Ausgangssignal einer Spitze von 2,5 Volt unter
Erhalt einer guten Linearität zu erhalten, bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt.
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Ein Fachmann ist dazu in der Lage, einzelne Veränderungen in bezug auf
den als Beispiel beschriebenen Verstärker vorzunehmen, insbesondere in bezug auf die
Funktion unter Gleichstrom und seine Stabilität in bezug auf Schwankungen der
Temperatur und den Versorgungsspannungsschwankungen (V2-V1).
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Solche Veränderung bleiben dennoch im Rahmen der Erfindung gemäß den
nachstehenden Ansprüchen.