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Schaltungsanordnung zur Regelung der Dynamik elektrischer Signale
Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zur Regelung der Dynamik elektrischer Signale, insbesondere eines Nachrichtenfrequenzbandes, vorzugsweise Presser- bzw. Dehnerschaltungen für Kompandersysteme.
Es ist bekannt, dass bei Kompandersystemen dem reziproken verlauf von Presser- und Dehnerkennlinie eine erhebliche Bedeutung zukommt. Als bisher günstigste Lösung zur Realisierung des Dehners wird das Pressernetzwerk im Gegenkopplungsweg eines Verstärkers wiederholt. Diese Massnahme bringt zwar gegenüber üblichen Spannungsteilerschaltungen erhebliche Vorteile, jedoch ist sie mit grossem Aufwand im Dehner verbunden. Wegen der Neigung zur Instabilität ist die Realisierung einer solchen Schaltung mit Transistoren nur schwer möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die sowohl als Dynamikpresser als auch als Dynamikdehner verwendet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Schaltungsanordnung zur Regelung der Dynamik elektrischer Signale gemäss der Erfindung so ausgebildet, dass in eine der beiden Verbindungsleitungen von zwei Eingangsklemmen zu zwei Ausgangsklemmen eines Übertragungsnetzwerkes der ein in der Dynamik verändertes, gepresstes bzw. gedehntes Signal einspeisende Ausgang eines mindestens ein nicht lineares Schaltelement enthaltenden Regelnetzwerkes eingefügt ist, dessen Eingang über einen rückwirkungsfreien Vierpol von dem Eingangs- und/oder Ausgangssignal gespeist ist, wobei der Ausgangsstromkreis des Regelnetzwerkes und die Eingangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes, an denen das in der Dynamik zu verändernde Signal liegt, gegeneinander entkoppelt sind.
Durch diese Massnahme wird eine universell sowohl als Presser als auch als Dehner beliebig in Rück- wärts-und/oder Vorwärtsregelung verwendbare Schaltungsanordnung geschaffen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Entkopplung des Ausgangsstromkreises des Regelnetzwerkes und der Eingangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes dadurch erreicht sein, dass das in der Dynamik zu verändernde Signal mittels eines Eingangsdifferentialübertragers zusätzlich zwischen einer Eingangsklemme des Übertragungsnetzwerkes und einem Nachbildungswiderstand, der mit einer Ausgangsklemme des Übertragungsnetzwerkes verbunden ist, angelegt ist, wobei der Nachbildungswiderstand, ferner der an den Ausgangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes angeschlossene Abschlusswiderstand und die beiden das in der Dynamik zu verändernde Signal liefernden Differentialwicklungen des Eingangsdifferentialübertragers zusammen eine abgeglichene Brücke bilden, in deren einer Diagonale der Ausgang des Regelnetzwerkes liegt.
Die abgeglichene Brücke kann auch dadurch realisiert werden, dass an Stelle der Differentialwicklungen des Eingangsdifferentialübertragers zwei allgemeine Brückenzweige aus linearen Schaltelementen treten.
Die Entkopplung des Ausgangsstromkreises des Regelnetzwerkes und der Eingangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes kann auch dadurch erreicht sein, dass die Ausgangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes hochohmig abgeschlossen sind. Der hochohmige Abschluss der Ausgangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes kann durch eine Kathodenverstärkerstufe oder durch eine Transistorschaltung, die aus einem oder mehreren Transistoren in Kollektorschaltung besteht, gebildet sein. Ebenfalls kann der rück-
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wirkungsfreie Vierpol als eine Kathodenverstärkerstufe oder als eine Transistorschaltung, die aus einem oder mehreren Transistoren in Kollektorschaltung besteht, ausgebildet sein.
Die Speisung des Einganges des rückwirkungsfreien Vierpols vom Eingangs- und Ausgangssignal kann derart vorgenommen sein, dass die Eingangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes mit einer Differentialwicklung eines Eingangsdifferentialübertragers verbunden sind, deren zweite Differentialwicklung eine der Eingangsklemmen des rückwirkungsfreien Vierpols speist, dessen zweite Eingangsklemme mit einer der Ausgangsklemmen des Übertragungsnetzwerkes verbunden ist.
Zur Realisierung des rückwirkungsfreien Vierpols mit niederohmigem Eingang und hochohmigem Ausgang in einer stromabgeglichenen Brücke, kann der rückwirkungsfreie Vierpol als in Basisschaltung betriebene Transistorstufe ausgebildet sein.
Das mindestens ein nicht lineares Schaltelement enthaltende Regelnetzwerk kann als Brückenschaltung, insbesondere mit Differentialübertrager ausgebildet sein. Die nicht linearen Schaltelementekönnen durch eine von aussen zugeführte Steuerspannung, insbesondere durch ein rückwirkungsfrei abgeleitetes Signal, gesteuert sein. Dabei ist es zweckmässig, die Steuerspannung von dem Ausgang des rückwirkungsfreien Vierpols abzunehmen.
Die Erfindung wird an Hand der Prinzipdarstellungen der Fig. 1-5 und an Hand der in den Fig. 6-9 dargestellten Ausführungsbeispiele nach der Erfindung näher erläutert.
Bei der Entwicklung von hochwertigen Kompandersystemen spielen Überlegungen zur Realisierung von Netzwerken mit reziproker Regelfähigkeit (Presser-Dehner) eine grosse Rolle. Geht man nämlich davon aus, dass es möglich ist, Zweipole mit ausgesuchten nicht linearen Elementen durch besondere Abgleichverfahren in dafür geeigneten Schaltungen mit ausreichender Gleichmässigkeit herzustellen, dann hat diese Mühe nur Sinn, wenn man auch Presser- und Dehnerübertragungsfaktor genügend reziprok zueinander macht. Diese Forderung, die bislang von untergeordneter Bedeutung blieb, war bei der Entwicklung eines Rundfunkkompanders bereits von grösserer Wichtigkeit. Der dabei beschrittene Weg, den Dehner durch Wiederholung des Pressers im Gegenkopplungsweg eines Verstärkers zu realisieren, ist mit relativ grossem Aufwand verbunden. Trotzdem verbleiben dabei Fehler, die z.
B. grössere Klirrdämpfungen als 6, 5 Np ausschliessen.
Bei Betrachtung der Zweipoleigenschaften einer nicht linearen Regelstrecke bildet die einfache Verknüpfung von Strom und Spannung über den Widerstand bzw. Leitwert die Grundlage für die Realisierung von Schaltungen mit reziprokem Übertragungsfaktor. Wird nämlich der Zweipol mit einem linearen Strom betrieben, so ist die Spannung proportional dem Widerstand. Umgekehrt ist der Strom, der durch diesen Zweipol fliesst, proportional dem Leitwert, wenn man unmittelbar an den Zweipol eine Spannung anlegt. Nach diesem einfachen Prinzip lässt sich ein Presser nach Fig. 1 und ein Dehner nach Fig. 2 bauen.
Es werden hiebei die besonderen, gegensätzlichen Eigenschaften von Röhren und Transistoren ausgenutzt. So ist die 100going spannungsgegengekoppelte Röhre in Anodenbasisschaltung (Kathodenverstärker) mit
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nachlässigbaren Ausgangsinnenleiter (hochohmig) und einem Stromübersetzungsfaktor von zirka eins.
Macht man zur klaren Darstellung der Zusammenhänge bei den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 die vorgenannten Vernachlässigungen und rechnet mit fiktiven idealen Röhren und Transistoren, so erhält man den Übertragungsfaktor des Pressers nach Gleichung (1) und den des Dehners nach Gleichung (2).
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Ein- und Ausgänge beider Schaltungen können in üblicher und bekannter Weise an das übrige Übertragungssystem angepasst werden, wobei man auch noch die Möglichkeiten des Verstärkungsgewinnes berücksichtigen kann. Bei Ausführung der Schaltung als Silbenkompander kann die dann notwendige Steuerspannung in bekannter Weise vom Presserausgangssignal bzw. Dehnereingangssignal abgezweigt werden. Die Verstärkung sowohl des Pressers wie auch des Dehners kann gross genug gehalten werden,
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dass zusätzliche Verstärker sich erübrigen. Allerdings kann es nachteilig sein, dass man Transistoren und Röhren nebeneinander verwenden muss. Hier ist nämlich der Ersatz des Kathodenverstärkers durch eine Transistorschaltung nur dann in einfacher Weise möglich, wenn der Regelbereich des nicht linearen Zweipols R1 bzw.
R2 relativ klein ist und die auftretenden Verluste im Regelzweipol berücksichtigt werden können. Ein weiterer Mangel ist der notwendigerweise unterschiedliche Aufbau von Presser und Dehner.
Im Gegensatz zum Zweipol kann man beim Vierpol nicht mehr von der dort gegebenen festen Verknüpfung von Strom, Spannung und Widerstand sprechen, vielmehr muss man das Übertragungsmass betrachten. Es soll zunächst der Spannungsübertragungsfaktor in den Vordergrund gestellt werden. Dabei wird angenommen, dass die speisenden Generatoren einen vernachlässigbar kleinen Innenwiderstand haben und die Spannungsabnahme verlustfrei erfolgt. Als Regelnetzwerk wird eine Differential-Brückenschaltung benutzt, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Hiefür erhält man unter den oben beschriebenen Betriebsbedingungen den Übertragungsfaktor nach Gleichung (3),
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wobei a die Dämpfung der Ausgangsspannung Ua zur Eingangsspannung Ue des die Dynamik ver- ändernden Vierpols darstellt.
Es zeigt sich, dass hier ein reziproker Übertragungsfaktor durch einfache Massnahmen nicht herstellbar ist. Man kann sich nun helfen, indem man die aus der Verstärkertechnik bekannten Gegenkopplungsverfahren anwendet. Wie Fig. 4 zeigt, wird einem Verstärker 1 mit dem Verstärkungsfaktor V der Regelvierpol 2 derart zugeschaltet, dass der Eingang des Regelvierpols und der Ausgang des Verstärkers parallel und der Ausgang des Regelvierpols in Reihe zum Eingang des Verstärkers liegt. Handelt es sich um einen Röhrenverstärker mit grossem Eingangswiderstand und kleinem Innenwiderstand, erhält man Gleichung (4) als Übertragungsfaktor der Zusammenschaltung.
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Wie man erkennt, besteht zwischen Gleichung (4) und Gleichung (3) nur beschränkte Reziprozität.
Die Anforderungen an den Verstärker sind gross. Soll nämlich die Reziprozität um nicht mehr als llo gestört werden, muss die Verstärkung des Verstärkers um 4, 6 Np grösser sein als die Dämpfung des Regelvierpols bei maximaler Pressung, z. B. bei einer Presserdämpfung vom Faktor 10 (e-a = 0, 1) muss die Verstärkung etwa 7 Np betragen. Ausserdem muss man noch berücksichtigen, dass das Regelnetzwerk den Verstärker ausgang erheblich belastet. Die Verwendung von Übertragern zur besseren Widerstandsanpassung ist schwierig, da leicht Instabilität auftreten kann.
Man kann nun auch den Dehner mit dem Übertragungsfaktor nach Gleichung (4) als gegeben ansehen und dazu einen passenden Presser bauen. Das ist dann möglich, wenn man für den Presser eine
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Vierpolsgänge in Reihe geschaltet sind. Wird nun eine Spannung mit kleinem Innenwiderstand an die Schaltung angelegt und wird die Ausgangsspannung ohne Belastung der Schaltung entnommen, erhält man die Gleichung (5) als Übertragungsfaktor.
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Dämpfung gebunden sind. Vielmehr kann man auch einen normalen linearen Vierpol mit dem Übertragungsfaktor eins verwenden. Dann wird nämlich aus der Gleichung (4) nunmehr Gleichung (6), und aus Gleichung (5) resultiert Gleichung (7).
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Die Beziehungen (6) und (7) können wie folgt in (8) und (9) umgeschrieben werden :
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Man sieht, dass der Eingang des Regelnetzwerkes einmal an den Eingang und das andere Mal an den Ausgang der Schaltung angeschlossen wird. Dabei muss der Ausgang des Regelnetzwerkes so in die Schaltung eingefügt werden, dass dieser Übertragungsweg den primären Übertragungsweg nicht stört. Man muss also darauf achten, dass weder der Eingang des Regelnetzwerkes eine Belastung des Systems darstellt, noch dessen Ausgangsstrom die Eingangsstromquelle der Schaltungsanordnung beeinflusst. Ersteres kann leicht durch eine Röhrentrennstufe erreicht werden. Da keine Verstärkung verlangt wird, reicht ein Kathodenverstärker aus. Zur Entkopplung von Eingangsstromkreis der Schaltung und Ausgangsstromkreis des Regelnetzwerkes kann dann in bekannter Weise eine Gabelschaltung verwendet werden.
Fig. 6 zeigt eine entsprechende Schaltung. Hier wird die Ausgangsspannung Ua aus der Summe von Eingangsspannung Ue und der durch das Regelnetzwerk veränderten Eingangsspannung Ue-e-a gebildet (Übertragungsverfahren nach Gleichung (9). Man erhält hier Vorwärtsregelung, s. auch Fig. 5.
Bei einer Anordnung nach Gleichung (8) würde man Rückwärtsregelung erhalten und dabei auch das re- ziproke Übertragungsmass. Diese zweite Möglichkeit erreicht man nach Fig. 6 durch einfache Umpolung. Soll nämlich das Übertragungsverfahren auf die ideal reziproke Form umgestellt werden, so werden die Verbindungen A*-B* und C 1-D 1 aufgetrennt und statt dessen AI mit C'und B* mit D* verbunden. Dann liegt zwischen BI und C* die Spannung-Ua'e-a.
Diese Schaltung hat zwar noch nicht den grossen Regelbereich, den man erhält, wenn man Gleichung (3) in (6) einsetzt. So ist einmal derInnenwiderstand des Kathodenverstärkers nicht vernachlässig- barkleinundzumzweitenwirddurchdenaussenwiderstand Ra unddienachbildung Rn dasregel- netzwerk zu stark belastet. Letzteres kann zwar durch Vergrösserung der Übersetzungsverhältnisse von Eingangsübertrager Ül und Ausgangsübertrager Ü2 verbessert, aber nicht ganz behoben werden.
Hier ist es zweckmässig, den Ausgang über eine Röhrenstufe an die bei der Schaltung nach Fig. 6 aus Übertrager Ül, dem durch Übertrager Ü2 übersetzten Ausgangswiderstand Ra und dem Nachbildungswiderstand Rn bestehende Gabelschaltung anzuschliessen. Durch diese Massnahme wird nunmehr die Gabel stromlos. Man kann dann auf die Nachbildung und den zu ihr gehörenden Teil des Übertragers Ül verzichten und erhält eine Schaltung nach Fig. 7. Hiebei wurde gleichzeitig die bereits oben angeführte Umpolung der Schaltung durchgeführt.
Für die beiden Möglichkeiten der Polung der Schaltung erhält man unter Berücksichtigung der Röhrendaten (Durchgriff D und Innenwiderstand Rï) des Kathodenverstärkers Röl die Gleichungen (10) und (11) als inneren Übertragungsfaktor, der das Verhältnis der Spannungen Ua/Ue im Gegensatz zum Verhältnis der äusseren Spannungen der Schaltungsanordnung Ula/Upl bezeichnet, in das die Übertragungseigenschaften des Übertragers Ul und der Röhre Rö2 eingehen.
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Man erkennt hier, dass die Regelung mittels Rl, aber auch mittels R2 erfolgen kann. Ist Rl eine Diodenstrecke, dann wird aus Gleichung (10) ein Presser und aus Gleichung (11) der reziproke
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Dehner. Umgekehrt ist es, wenn R zur Regelung herangezogen wird.
In diesem Zusammenhang soll unter einer Diodenstrecke ganz allgemein ein nicht linearer Zweipol verstanden werden, der bei höheren Strömen einen kleineren Widerstand aufweist als bei kleineren Strömen. Um symmetrische Verzerrungen zu vermeiden, verwendet man in der Praxis an Stelle dieses nicht linearen Zweipols in einfachen Fällen eine Antiparallelschaltung zweier Halbleiterdioden. Da der in Fig. 3 dargestellte Regel Vierpol eine in der Nähe ihres Abgleiches arbeitende Brückenschaltung ist, ergibt sich nach Gleichung (3) eine Dämpfung der
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zw.gleichzustand der Regelungsbrücke dem Abgleich nähert, und ein gedehntes Signal, wenn sich bei Erhöhung der Eingangsspannung Ue der Abgleichzustand der Regelungsbrücke vom Abgleich entfernt.
Dieses in der Dynamik veränderte Signal liegt in den Darstellungen der Ausführungsbeispiele an den Anschlussklemmen CI - BI.
Will man den Unterschied der beiden Regelmöglichkeiten beleuchten, so muss man noch diejenige Spannung betrachten, welche den Regelzweipol betätigt. Bei Momentanwertreglem ist das immer die Kathodenspannung Uk der Röhre Röl (vgl. Fig. 7). Diese ist bei der Schaltungspolung für Gleichung (10) proportional der Ausgangsspannung, während die in der andern Polung (11) proportional der Eingangsspannung ist. Rl-Regelung bedeutet Rückwärtsregelung des Pressers und Vorwärtsregelung des Dehners. Umgekehrt ist es, wenn R als Diodenstrecke ausgebildet wird. Diese Aussage lässt sich ohne weiteres auf Silbenkompander ausdehnen, wenn man nur die Steuerspannung durch Verstärkung, Gleichrichtung und Siebung der Kathodenspannung Uk gewinnt.
Die Reziprozität beschränkt sich dann nicht nur auf den Übertragungsfaktor, sondern betrifft auch die steuernden Spannungen.
Die günstigstenfalls ausnutzbaren Regelgrenzen des inneren Übertragungsfaktors, d. h. des Verhältnisses Ua/Ue erhält man, indem man in der entsprechenden Gleichung Ua/Ug = f (R,, R,, R , D) den Grenzwert dafür bildet, dass man in einem Falle R, gegen 0 und R, gegen 00" in dem andern Falle R gegen 0 und 1\ gegen 00 gehen lässt. Ausserdem wird vorausgesetzt, dass der Durchgriff D des Kathodenverstärkers Röl so klein ist, dass er gegenüber dem Wert l vernachlässigbar ist.
Unter diesen idealisierten Voraussetzungen erhält man die äussersten Grenzen der Regelung des Übertragungs-
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wobei Gleichung (10) sich auf den rückwärtsgeregelten Presser und Gleichung (11) auf den vorwärtsgeregelten Presser bezieht. Man sieht, dass man je nach Regelart auch unterschiedliche Regelbereiche erhält. Der maximale Regelhub (Verhältnis von maximaler zu minimaler Verstärkung) beträgt 2 . Dieser Regelhub kann jedoch nicht ganz ausgenutzt werden, da eine zu grosse Abhängigkeit der Regelkennlinie von den nicht linearen, schwankenden Röhreneigenschaften unzulässig ist. Es muss also eine ausreichende Gegenkopplung verbleiben.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn man die unterschiedlichen Regelbereiche beim vor- wärts-und rückwärtsgeregelten Presser beachtet. Gelingt es nämlich, auf einfache Art die beiden Schaltungsmöglichkeiten zu kombinieren, so muss der Regelbereich mindestens von p bis-reichen. Nun wurde aber bereits oben festgestellt, dass die Regelmethode durch die Anschaltung des Kathodenverstärkers an die Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen bestimmt wird. Man verwendet also zweckmässig eine Schaltung, bei der es möglich ist, den Kathodenverstärker so zu betreiben, dass zwischen seinem Gitter und seiner Anode die Summe aus Eingangs- und Ausgangsspannung zu liegen kommt. Fügt man dem Eingangsübertrager Ü1'in Fig. 7 eine weitere Wicklung Wz hinzu, so erhält man die Schaltung nach Fig. 8 mit Eingangsübertrager Ü1".
Für den Übertragungsfaktor dieser Schaltung kann man die Gleichung (12) schreiben.
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Unter Berücksichtigung der Röhrendaten wird daraus Gleichung (13).
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wesentlichen durch das Verhältnis von R zu Rl nach Gleichung (14) bestimmt.
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Sowohl aus Gleichung (13) wie Gleichung (14) kann man erkennen, dass die reziproke Schaltung durch Vertauschen der Widerstände R und R herstellbar ist. Dazu trennt man bei der Schaltung nach Fig. 8 die Brücken A"-B"und C"-D"auf und verbindet A"mit D"sowie B"mit C".
Auch in diesem Fall betrifft die Umpolung in der Schaltung nicht nur den Signalweg, sondern auch die Steuerspannung, wenn diese wie zuvor von der Kathodenspannung der Röhre Röl abgeleitet wird.
Man kann damit also die gemischte Regelung, halb Vorwärts-, halb Rückwärtsregelung, in einfacher Weise realisieren. Diese hat verschiedene Vorteile. So werden beispielsweise die Anforderungen an die Rückkopplungsbedingungen im Regelkreis erheblich verringert.
Zur Erläuterung der Erfindung wurde im vorstehenden jeweils das Spannungsübertragungsmass benutzt. Die gleichen Überlegungen lassen sich auch unter Zugrundelegung des Stromübertragungsmasses durchführen.
Die in Fig. 9 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht der Schaltungsanordnung nach Fig. 6. Zunächst wird angenommen, dass der Eingangswiderstand des Transistors angenähert Null ist. Während nun der innere Eingangsstrom ig gleichphasig durch den übersetzten Aussenwiderstand, die Wicklungen nl und n-des Stromauskopplungsübertragers Ü, sowie die Nachbildung Rn fliesst, teilt sich der aus
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Regelnetzwerk kommende Strom iz entsprechend dem V erhäl tnis der Widerstände in der N achbil-Der Zusatzstrom iz entspricht dem Transistorausgangsstrom et-it mit einer Dämpfung von e, die durch das Regelnetzwerk hervorgerufen wird. Unter Berücksichtigung von Gleichung (15) kann man für diesen Zusatzstrom Gleichung (16) schreiben.
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Hiemit kann die Beziehung (17) zwischen Ausgangsstrom ia und Eingangsstrom ie aufgestellt werden.
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Mittels dieser Grundformel kann man nun alle Übertragungszustände, die vorstehen unter Bezug auf das Spannungs-Übertragungsmass behandelt wurden, unter Benutzung des Strom-Übertragungsmasses berechnen und die Schaltungen entsprechend bemessen. Soll der Übertragungsfaktor wie in Gleichung (12) aussehen, so muss die Wicklung nl gleich n sein und die Wicklung n muss nach Gleichung (18) be-
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lung w Es wird dann a gleich b gleich 0, 5. Also muss n gleich 3. nul werden.
Fürden inneren Übertragungsfaktor erhält man unter diesen Umständen die Gleichung (19) bei Berücksichtigung des Eingangswiderstandes Rt des Transistors Tr.
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