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Parametrischer Verstärker
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, dass der parametrische Speicher zugleich den Eingangs- und/oder den Ausgangsspeicher bildet und die Pumpenergie in Form von gegen die Perioden der zu verstärkenden Schwingungen kurzen Impulsen zugeführt wird, die vor dem Umladevorgang einsetzen und kurz nach dem Umladevorgang enden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei kapazitiven Speichern die über jeweils einen Schalter während der Schliessungszeit untereinander verbundenen Speicher wenigstens näherungsweise die gleiche Speicherkonstante haben, und wenn während der Schliessungszeiten diese beiden Speicher durch eine mit dem Schalter in Reihe liegende Induktivität zu einem Resonanzkreis ergänzt sind, dessen Eigen-
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Speichern ist die jeweils hiezu duale Schaltung zu verwenden.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild. Das zu verstärkende Signal der Frequenz f wird zuerst einem Eingangsspeicher zugeführt, z. B. einem Kondensator oder einer Spule. Die Energie des Speichers wird mit Hilfe des Schalters sauf einen Zwischenspeicher umgeladen. Für eine verzerrungsfreie Übertragung muss die Schaltfrequenz von S nach dem Abtasttheorem mindestens gleich der doppelten Signalfrequenz sein (s. Fig. 2, Schaltfunktion F). Nach der Umladung wird nun der Zwischenspeicher parametrisch verändert und damit die in ihm befindliche Energie vermehrt (schematische Schaltfunktion F des Zwischenspeichers der Fig. 2).
Dann wird der Zwischenspeicher mit Hilfe des Schalters S (Schaltfunktion FJ auf den Speicherabschluss des Verbrauchers umgeladen und vollständig entleert. In diesem Zustand wird der Zwischenspeicher anschliessend auf seinen Ausgangszustand zurückgebracht. Die Anordnung steht nun für die nächste Periode zur Verfügung. Die Energie kann am Ausgang in der Signalfrequenzlage fs oder in irgendeiner in der Frequenz versetzten Lage Ti. fp fs abgenommen werden. Im Prinzip ist der Verstärkungsfaktor unabhängig vom Betrag der Frequenzversetzung und vom Verhältnis der Frequenzlagen.
Die Fig. 3 zeigt eine spezielle Anordnung mit Speicherkondensatoren. Hier wird der Abschlusskondensator C der Generatorseite auf den Zwischenspeicherkondensator C zu einem Zeitpunkt umgeladen, zu dem der Kondensator einen grossen Kapazitätswert C hat. Die gespeicherte Energie ist dann
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und die Kondensatorladung
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Nach der Umladung wird die Kapazität auf den Wert Cp2 verringert. Da die Ladung erhalten bleibt, erhöht sich die Spannung auf den Wert
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Die neue Spannung U2 verhält sich zur Anfangsspannung U wie
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und das Verhältnis der Energien ist
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Die Pumpfunktion kann an Stelle des schematisch rechteckförmigen Vorganges gemäss Fig. 2 z. B. auch eine sinusförmige Wechselspannung sein.
Das Umladen mit den Funktionen F und F wird in den positiven und negativen Spitzen der Sinusfunktion kurzzeitig vorgenommen. Die Umladevorgänge sind dabei vorteilhaft möglichst verlustfrei zu gestalten, was beim Ausführungsbeispiel durch die in Reihe mit dem
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die Kapazitäten der beiden so verbundenen Speicher gleich gross zu wählen, was gleichen Speicherkonstanten entspricht.
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gross, u. zw. erhält man in der Rückwärtsrichtung eine Dämpfung, deren Betrag so gross ist wie die Ver- stärkung in der Vorwärtsrichtung. Für eine Kapazitätsvariation von 1 : 10 beträgt also die Verstärkung
10 db und die Rückwärtsdämpfung auch 10 db.
Will man die Verstärkungsrichtung umkehren, so braucht nur die Phase der Pumpfunktion F um 1800 geändert zu werden.
Ausserdem kann durch kontinuierliche Phasenänderung die Verstärkung kontinuierlich geregelt wer- den.
Diese Eigenschaft ist auch für eine neue Art von Echosperren geeignet, die in der Zweidrahtverbin- dung liegen.
Als variable Kapazitäten hoher Güte stehen heute sogenannte Varactoren, d. h. Halbleiterdioden, die im Sperrbereich betrieben werden, zur Verfügung. Die Kapazitätsvariation ist dabei auf Werte von etwa 1 : 5 bis 1 : 10 beschränkt und damit die Verstärkung. Will man höhere Verstärkungsfaktoren erreichen, so kann eine Kettenschaltung angewendet werden. In Fig. 4 ist eine Kettenschaltung mit zwei Zwischenspeichern im Prinzip gezeigt und in Fig. 5 die zugehörigen Schaltfunktionen. Die Übertragungsfaktoren multiplizieren sich. Es können auch mehr parametrische Speicher in Kette geschaltet werden, um noch höhere Verstärkungswerte zu erhalten.
Obwohl die Frequenz der Pumpfunktion ausserhalb des Signalfrequenzbereiches liegt, ist es doch wünschenswert, dass die Pumpschwingung im Signalweg möglichst weitgehend unterdrückt wird. Die Forderungen an die Schalter S und S müssten sonst in manchen Fällen unnötig erhöht werden.
Die Fig. 6 zeigt hiefür als Beispiel eine Anordnung, bei der die variable Kapazität als Brückenschaltung von vier Kapazitätsdioden realisiert ist und bei der die Pumpschwingung durch die Brückenschaltung vom Signalweg entkoppelt ist.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Weiterbildung der Erfindung wird nur ein Schalter benötigt. Die variable Kapazität Cp ist in diesem Fall zugleich Abschlussspeicher der Generatorseite und Pumpspeicher. Die Pumpfunktion, mit der Cp geändert wird, muss jedoch hier eine gegen die Periode der Signalschwingung kurze Impulsfunktion sein, die vor dem Schliessen des Schalters S einsetzt und kurz hinter dem Umladevorgang beendet wird. Die Rollen von C und Ce können auch vertauscht werden. Sind sowohl Cp als auch Ce im Takte der Pumpfrequenz veränderliche Kapazitäten, so erhält man eine höhere Verstärkung.
Wenn es darauf ankommt, dass der Ausgangswiderstand des gesamten Verstärkers dem Eingangswiderstand entspricht, dann ist es wegen der im Verstärker auftretenden Widerstandstransformation erforderlich, eine gegensinnige Widerstandstransformation vorzusehen, beispielsweise mittels eines Übertragers am Verstärkereingang oder Verstärkerausgang.
Die Ausführungsbeispiele zeigen als Speicher solche mit kapazitivem Charakter. Als Speicher sind auch solche mit induktivem Charakter geeignet, doch sind dann die hiezu dualen Schaltungen anzuwenden.
Als Schalter werden zweckmässig Dioden und steuerbare Entladungsstrecken, vor allem in Halbleiterausführung, angewendet, die durch eine gesonderte Schaltspannung betätigt werden. In Fig. 1 ist dies ge-
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Schalterspannungsquellen F" R. Die beiden Schaltspannungen können jedoch entsprechend phasenverschoben auch aus einer Schaltspannungsquelle bzw. Schaltstromquelle in an sich bekannter Weise abgeleitet wer- den.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eines Verstärkers haben die Eigenschaft, dass in i Übertragungsrichtung eine Widerstandstransformation auftritt, und dass die Verstärkung übertragungsrich- tungsabhängig ist.
In Weiterbildung der Erfindung lässt sich gut erreichen, dass der Eingangs- und Ausgangswiderstand der Verstärkerschaltung gleich gewählt werden können, wenn für den Pumpvorgang die Schwungreaktanz der Abtastschaltung vorgesehen wird. Das ermöglicht eine symmetrische Betriebsweise des Verstärkers.
Bei im Längszweig des Abtastvierpols in Reihe mit dem Abtastschalter liegender Induktivität als
Schwungreaktanz empfiehlt sich eine gesondere Magnetisierungsvorrichtung zum Pumpen der Induktivi- tät.
Nachstehend wird diese Weiterbildung der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläu- tert.
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mit einer Abtastfrequenz, die wenigstens das Doppelte der höchsten Signalfrequenz beträgt. Zum verlustarmen Abtasten ist in Reihe mit dem Schalter S eine Schwungreaktanz vorgesehen, die beim Aus- führungsbeispiel aus einer Induktivität L12 besteht. Die Abtastproben werden zur Wiedergewinnung einer kontinuierlichen Signalspannung auf einen zweiten Speicher 2 gegeben, der beim Ausführungsbeispiel
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ssungszeit des Schalters S bedeutet. Die Eigenfrequenz f kann auch ein Vielfaches hievon sein.
Für die Zwecke des parametrischen Pumpens ist beim Ausführungsbeispiel die als Schwungreaktanz diendende Induktivität L vorgesehen. Wie dieses Pumpen im einzelnen geschehen kann, wird später erläutert. In Fig. 1 ist der Pumpvorgang durch die Veränderbarkeit der Induktivität L angedeutet.
In den Fig. 9a und 9b sind die elektrischen und magnetischen Verhältnisse im Zeitablauf wiedergegeben, u. zw. nur für eine Abtastperiode betrachtet, weil für die darauffolgenden Abtastproben der Vorgang sich sinngemäss wiederholt.
In Fig. 9a ist zunächst der Schliessungsvorgang des Schalters S in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Während der Schliessungszeit r fliesst wegen der Umladung des Speichers 1 in den Speicher 2 in der Induktivität L12 ein Ausgleichstrom I (Fig. 9b, gestrichelte Kurve). Der Verlauf des Ausgleichstromes I entspricht einer halben Sinusperiode und würde nach einer Sinusfunktion weiterschwingen und abklingen, wenn nicht der Schalter S nach der Zeit T oder einem Vielfachen hievon geöffnet würde. Zum Zeitpunkt der Öffnung des Schalters S hat die Spannung U ihren Maximalwert erreicht (Fig. 9c, gestrichelte Kurve). Auf diesem Wert würde die Spannung U bis zur nächsten Abtastung bleiben.
Sie wird jedoch durch den Tiefpass 2 dem Verbraucher zugeführt und steht dann dort als kontinuierliche Signalspannung wieder
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tritt, dann nimmt der Strom I wesentlich in der Amplitude zu. Beim Ausführungsbeispiel ist zu diesem Zweck eine Änderung (Pumpen) der Induktivität L im Takte einer Sinusschwingung vorgesehen, deren Periodendauer der Schliessungszeit T entspricht. Damit ergibt sich für den Ausgleichstrom I der in der Fig. 9b stark ausgezogen eingezeichnete Verlauf, d. h. der Ausgleichstrom I hat einen wesentlich höheren Maximalwert. Dementsprechend ist auch die an C auftretende Maximalspannung erhöht, was in Fig. 9c ebenfalls durch die stark ausgezogene Kurve angedeutet ist.
Mit dem beschriebenen System lässt sich auch noch ein wesentlich höherer Verstärkungswert innerhalb einer Abtastzeit erreichen. Werden nämlich entweder durch entsprechende Wahl der Abtastzeit T oder der Eigenfrequenz des aus den Speichern S1, S2 und der Längsinduktivität L bestehenden Abtastkreises die Verhältnisse so gewählt, dass in eine Schliessungszeit T des Schalters eine ungerade, von 1 verschie-
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ladung zwiscnen den Speichern S und S2 statt und bei jedem Umladevorgang trittdieparametrische Ver- stärkung infolge des Pumpens ein.
In Fig. 10 ist gezeigt, wie die Schaltung bei Anordnung des Schalters S im Querzweig vorzusehen ist. In diesem Fall sind an Stelle der Querkapazitäten C und C2 Längsinduktivitäten L1 und L2 vorzuse- ! hen und als Schwungreaktanz dient eine parallel zum Schalter S liegende Querkapazität C. Auf diese
Schaltung sind die Ausführungen zu den Fig. 9a - 9d unmittelbar anwendbar, wenn in Fig. 9a der Schalter
S während der Zeit T als geöffnet und sonst als geschlossen angenommen wird-gerade gegensätzlich zum
Ausführungsbeispiel der Fig. 8.
Entsprechend ist dann in Fig. 9b an Stelle des Ausgleichstromes I die im
Querzweig auftretende Ausgleichsspannung U, in Fig. 9c an Stelle der Spannung U der Ausgangsstrom 12 und in Fig. 9d an Stelle der Induktvität L die Querkapazität C12 zu setzen.
In Fig. 11 ist noch gezeigt, wie bei einem speziellen, impulsmässigen Pumpen die Verhältnisse zu gestalten sind. Die Ausführungen zu Fig. 11 beziehen sich dabei auf eine Schaltung. wie sie in Fig. 8 wiedergegeben ist. Die Induktivität L12 soll dabei ihren Wert zwischen den Werten L und L sprunghaft
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entsprechend dem vorhergehenden Beispiel eine nennenswerte Signalverstärkung erzielbar.
Als veränderbare Induktivität ist beispielsweise eine Spule mit Ferritkern geeignet, deren Vormagnetisierung durch eine Pumpspule im geforderten Masse geändert wird. Hiebei ist vor allem an die Verwendung von Schalenkernen ohne Luftspalt gedacht. Ein Beispiel für eine derartige veränderbare Induktivität ist in Fig. 12 angedeutet. In einem ersten, aus den Halbschalen 3,4 bestehenden Schalenkern aus Ferrit ist eine Spule angeordnet. Diese Spule soll zusammen mit dem Schalenkern l, 2 die Induktivität L bilden. Der Schalenkern 3,4 ist in einem grösseren Schalenkern, bestehend aus den Halbschalen 5,6 in der Weise angeordnet, dass er dessen Mittelsteg ersetzt. Der Schalenkern 5,6, der ebenfalls aus Ferrit bestehen kann, enthält eine weitere Spule 5, mittels deren die Magnetisierung im Schalenkern 5,6 geändert werden kann.
Jede derartige Änderung wirkt sich als Änderung der Vormagnetisierung des aus den Teilen 3,4 bestehenden Schalenkernes aus und damit auch als Änderung des Induktivitätswertes der Spule L12' An die Anschlüsse der weiteren Spule 7 ist demzufolge die Pumpenergiequelle anzuschalten.
An Stelle der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung können auch mehrere getrennte Spulen vorgesehen werden, die zumindest teilweise in magnetisierbares Material, wie Ferrit, eingebettet sind. Ein Schaltungsbeispiel mit zwei derartigen getrennten Spulen zeigt Fig. 13. Dieses Schaltungsbeispiel ist als Gegentaktschaltung in der Weise ausgeführt, dass sich zwischen den Anschlüssen a und b die in den beiden Wicklungen von L12 induzierten Pumpströme gegenseitig aufheben. Es verbleibt dann resultierend nurmehr die Induktivität L, deren Wert durch die Pumpenergie verändert wird.
Ein Beispiel mit vier getrennten derartigen Spulen zeigt Fig. 14. In diesem Fall ist die Schaltung als Brückenschaltung ausgebildet, in deren einem Diagonalzweig die Pumpenergie eingespeist wird, während in dem andern Diagonalzweig die Induktivität L zur Verfügung steht.
Sowohl für das Ausführungsbeispiel der Fig. 13 als auch der Fig. 14 ist stillschweigend die Voraussetzung gemacht, dass die einzelnen Spulen so bemessen sind, dass sich die gewünschte Gegentaktschaltung bzw. Brückenschaltung ergibt, bei der an den Anschlüssen für L praktisch keine Pumpenergie mehr auftritt.
An Stelle von Ferrit zur Einbettung der einzelnen Spule sind auch andere Materialien brauchbar.
Beispielsweise ist es für sehr niedrige Frequenzen denkbar, an Stelle des Ferrits Transformatoreisen vorzugsweise in lamellierter Form, zu verwenden. Die Spulen können dann ähnlich üblichen Übertragern oder Ringkernspulen ausgebildet werden. Vor allem für höhere Frequenzen ist daran gedacht, als magne-
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tisierbares Material der einzelnen Spule dünne Schichten aus magnetisierbarem Material zu verwenden.
Dünne Schichten, beispielsweise mit einer Schichtdicke in der Grössenordnung von 10-4 mm aus magnetisierbarem Material, wie Permalloy, eignen sich nämlich für den Bereich der Ultrakurzwellen und der Dezimeterwellen in Verbindung mit Magnetisierungsspulen sehr gut als nichtlineare Reaktanzen, wie sie für parametrische Verstärker benötigt werden. Eine derartige Reaktanz kann auch als Schwungreaktanz im Sinne der Erfindung Verwendung finden.
Soll als Schwungreaktanz eine Kapazität Verwendung finden, so empfiehlt sich hiefür die an sich für derartige Zwecke bekannte Sperrschichtkapazität von Richtleitern. Die Speisung derartiger Sperrschichtkapazitäten mit der Pumpspannung ist aus der Technik parametrischer Verstärker hinreichend allgemein bekannt, so dass sich diesbezügliche Ausführungen erübrigen, da sich die bekannten Pumpenergie-Speisungs- schaltungen für Kapazitätsdioden auch für die Zwecke der erfindungsgemässen Schaltung eignen. Im übrigen wird hiezu vor allem auch auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen.
Vor allem im Gebiet niedrigerer Frequenzen sind als nichtlineare Kapazitäten zur Verwendung als Schwungreaktanzen auch Kondensatoren geeignet, deren Dielektrikum abhängig von einer am Kondensator anliegenden Vorspannung ist. Beispielsweise sind dies Kondensatoren mit Bariumtitanat als Dielektri- kum. Derartige Kondensatoren sind beispielsweise in Form von Scheibenkondensatoren im Handel erhältlich. Die Schaltungstechnik ist analog zu der von Richtleitern als veränderbare Kapazitäten.
Von besonderer Bedeutung ist der Erfindungsgegenstand im Zusammenhang mit Verstärkungsproble- menin der Vermittlungstechnikbei Fernsprechanlagen. Ein Beispiel hiefür zeigt Fig. 15 in Form einer einstufigen Zeitmultiplex-Vermittlung. Die einzelnen Teilnehmer TN-TN sind über Speicher, z. B. Tief-
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mässe parametrische Verstärkung wenigstens zum Teil ausgeglichen. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Schwungreaktanzen L wie vorstehend erläutert gepumpt, vorzugsweise von einem gemeinsamen Pumpgenerator PG aus. Der jedem Teilnehmer zugeordnete Tiefpass dient jeweils als einer der beiden für die Verstärkungsschaltung benötigten Speicher. Die Verstärkung in der einzelnen Verbindung muss gerin- ger gewählt werden als dieDämpfung, die ein von einem Teilnehmer, z. B.
TN, ausgehendes Signal erfährt, wenn es durch Reflexionen im Übertragungsweg zum andern Teilnehme., z. B. TNn, zum ursprüng- lichen Teilnehmer TN1 zurückkehrt und dort eine zweite Reflexion in Richtung zu TNn erhält. Als Reflexionen, die innerhalb des Übertragungsweges auftreten, sind z. B. die in den Tiefpässen, Übertragern usw. zu erwähnen.
Ein in üblichen Systemen dieser Art brauchbarer Verstärkungswert liegt bei etwa 5 - 8 Dezibel, wenn die Verstärkung beider parametrischer Verstärker in einer Verbindung, z. B. TN1 - TNn betrachtet wird.
Die Fig. 16 zeigt ein mehrstufiges System dieser Art, bei dem ein parametrischer Verstärker jeweils mehreren Teilnehmern gemeinsam ist.
Es sind wieder einzelne Teilnehmer TN1 - TNn vorgesehen. In jede der zugehörigen Teilnehmerleitungen ist ein Tiefpassfilter TP, ähnlich dem Speicher 1 bzw. 2, eingefügt und in Reihe mit jedem Tiefpassfilter liegt ein Schalter S, der dem Schalter S der Fig. 8 bzw. 15 entspricht, Jeweils mehreren Teilnehmergruppen ist eine GruppenmultiplexleitungGL bzw. GL gemeinsam, an die sie über eine gemeinsame Schwungreaktanz, beim Ausführungsbeispiel eine veränderbare Induktivität L 12'angeschaltet sind.
Zwischen den einzelnen Gruppenmultiplexleitungen GL-GL kann über Multiplex-Zwischenleitungen LI bzw. LII und gegebenenfalls noch weitere derartige Leitungen eine wahlweise Verbindung zwischen den einzelnen Teilnehmern hergestellt werden. Das Pumpen der einzelnen Schwungreaktanzen kann mittels eines gemeinsamen Pumpgenerators erfolgen, was in Fig. 16 durch eine gestrichelte Pumpleitung angedeutet ist.
Die Form des Amplitudenverlaufes der Pumpspannung bzw. des Pumpstromes ist an sich frei wählbar, wenn nur die erwähnten Bedingungen für die Änderung der Schwungreaktanz eingehalten werden. In ierPraxis tritt häufig, vor allem bei Anwendungen in Systemen nach den Fig. 15 und 16, die zusätzliche Forderung auf, dass die Pumpfrequenz so niedrig wie möglich ist. Dieser Forderung lässt sich bei Anwen- dung einer Induktivität als Schwungreaktanz vorteilhaft einfach genügen.
Nimmt man z. B. wie in Fig. 17 gezeigt an, dass die Abtastimpulse eine Dauer von etwa 1 Mikrosekunde und die Abtastpausen eine etwa gleiche Dauer haben, so lässt sich mit einer Pumpfrequenz von 250 kHz die parametrische Verstärkung er-
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reichen, wenn die zeitliche Zuordnung der Pumpfunktion zur Abtastfunktion so gewählt wird, dass zumin- dest jeweils in der zweiten Hälfte der einzelnen Abtastimpuls das Induktivitätsminimum auftritt und das
Induktivitätsmaximum spätestens bei Beginn des darauffolgenden Abtastimpulses wiederhergestellt ist.
Speist man nämlich eine wenigstens teilweise in magnetisierbares Material eingebettete Spule mit einem
Wechselstrom hinreichender Amplitude, so tritt im Bereich der maximalen positiven und negativen Strom- amplituden eine Sättigung der Magnetisierung auf, die die gewünschte Induktivitätsminderungverursacht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verstärker für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines elektrischen Speichers, dem die zu verstärkenden Schwingungen zugeführt und parametrisch verstärkt entnommen werden (parametrischer Verstärker), dadurch gekennzeichnet, dass dem parametrischen Speicher über einen ersten periodisch betätigten Schalter ein Eingangsspeicher für die zu verstärkenden Schwingungen vorgeschaltet und über einen zweiten periodisch betätigten Schalter ein Ausgangsspeicher für die verstärkten Schwingungen nachgeschaltet ist, und dass die Schaltfrequenz beider Schalter wenigstens das Doppelte der höchsten Frequenz der zu verstärkenden Schwingungen beträgt, und die Schliessungs- und Öffnungszeiten der Schalter zeitlich derart gegeneinander versetzt sind,
dass ein Energiefluss vom Eingangsspeicher über den parametrischen Speicher zum Ausgangsspeicher gegeben ist.