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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung und ein Verfahren
zum Verstärken eines
Signals.
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Beispielsweise
MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)-Anwendungen erfordern häufig Signalverstärker mit
geringem Flächenbedarf,
geringer Eingangskapazität,
hoher Eingangsimpedanz, geringem Strombedarf und geringem Rauschen.
Weiter wünschenswert
sind eine Rail-to-Rail AB Ausgangsstufe, Strom-Rückkopplung
sowie Eingangssignalpegel bis zur Versorgungsspannung, zum Beispiel
ein Eingangssignal bezogen auf negative oder positive Versorgung.
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Bei
einem herkömmlichen
Verstärker
kann mit einem Transistor in source-follower Konfiguration als Eingangsbuffer
und einem nachgeschalteten Differenzverstärker eine ausreichende Verstärkung bereitgestellt
werden. Der Differenzverstärker
umfasst dabei ausgangsseitig einen Spannungsteiler mit einer Rückkopplung.
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Bei
einem solchen Verstärker
ist jedoch problematisch, dass ein relativ hoher Rauschpegel vorhanden
ist.
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Alternativ
könnte
auch ein Eingangssignal verwendet werden, welches auf eine Referenz
zwischen den Versorgungsspannungen bezogen ist. Dadurch wären jedoch
der Stromverbrauch, die Komplexität der Schaltung und das Rauschen
größer. Bei einer
volldifferenziellen Stufe, die auf die Versorgungsspannung Vss bezogen
wäre, wäre eine
zusätzliche
Gleichtaktpotenzial regelung erforderlich. Dies führte ebenfalls zu unerwünschter
Schaltkreiskomplexität,
Rauschen und Stromverbrauch. Man könnte noch alternativ einen
Eingangstransistor eines Verstärkers
in Source-Schaltung schalten. Dadurch wäre jedoch die Gate-Source-Kapazität am Eingangsknoten
präsent.
Dies würde
zu unerwünschter
Belastung der Signalquelle führen.
Zudem könnten
Streukapazitäten
am Eingang nicht abgeschirmt werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verstärkeranordnung sowie ein Verfahren
zum Verstärken
eines Signals an- zugeben, bei denen mit geringem Aufwand eine Signalverstärkung mit
geringem Rauschen erzielbar ist.
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Bezüglich der
Anordnung wird die Aufgabe gelöst
durch eine Verstärkeranordnung,
aufweisend eine Eingangsstufe umfassend einen Transistor, der mit
einem Eingang zum Zuführen
eines Eingangssignals verbunden ist, zumindest eine Ausgangsstufe, die
an einem Eingang der Ausgangsstufe mit dem Transistor gekoppelt
ist und die an einem Ausgang ein Ausgangssignal bereitstellt, und
einen Rückkopplungspfad,
der den Ausgang der Ausgangsstufe mit dem Transistor verbindet.
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In
einer Ausführungsform
ist eine mehrstufige Verstärkeranordnung
vorgesehen. Die Verstärkeranordnung
umfasst eine Eingangsstufe mit nachgeschalteter Ausgangsstufe. Die
Eingangsstufe selbst umfasst einen Transistor, dem an einem Eingang
ein zu verstärkendes
Eingangssignal zuführbar
ist. Ein Ausgang der Eingangsstufe ist, gegebenenfalls über weitere
Bauteile oder Funktionsblöcke,
mit einem Eingang einer Ausgangsstufe gekoppelt. Die Ausgangsstufe
stellt ein Ausgangssignal bereit, welches vom Eingangssignal der
Eingangsstufe abgeleitet und verstärkt ist.
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Der
Rückkopplungspfad
nach dem vorgeschlagenen Prinzip schließt nicht nur die Ausgangsstufe
ein, sondern führt
den Ausgang der Ausgangsstufe auf den Transistor zurück.
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Nach
dem vorgeschlagenen Prinzip ist aufgrund einer Signalverstärkung bereits
in der Eingangsstufe das Rauschen deutlich verringert: Aufgrund
der geschlossenen Regelschleife ist die Linearität hoch. Temperaturbedingte
Streuungen, prozessbedingte Streuungen und versorgungsspannungsabhängige Streu-
ungen sind gering.
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Bevorzugt
ist der Transistor der Eingangsstufe so verschaltet, dass an einem
Steueranschluss des Transistors ein Eingang zum Zuführen des
Eingangssignals der Verstärkeranordnung
gebildet ist. Die Anschlüsse
der gesteuerten Strecke des Transistors sind bevorzugt so verschaltet,
dass einer der Anschlüsse
einen Ausgang der Eingangsstufe bildet und mit der Ausgangsstufe
verbunden ist und ein weiterer Anschluss der gesteuerten Strecke
des Transistors der Eingangsstufe mit dem Rückkopplungspfad verbunden ist.
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Der
Transistor ist bevorzugt als PMOS-Transistor ausgebildet. Jedoch
ist auch die Implementation mit NMOS möglich.
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Der
Rückkopplungspfad
ist bevorzugt zur Einstellung der Verstärkung eingerichtet.
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Beispielsweise
kann der Rückkopplungspfad einen
Serienwiderstand umfassen. Zusätzlich
oder alternativ kann ein Querzweig vorgesehen sein. Der Querzweig
ist bevorzugt mit einem Anschluss transistorseitig am Rückkopplungspfad
angeschlossen. Der Querzweig umfasst beispielsweise eine Serienschaltung
aus einem weiteren Widerstand oder/und einer Kapazität. Der Querzweig
kann gegen ein Versorgungs- oder Bezugspotential geschaltet sein.
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Die
Ausgangsstufe selbst umfasst bevorzugt ebenfalls zumindest einen
Transistor. Beispielsweise ist die Ausgangsstufe in einer Ausführungsform
eine Klasse AB-Stufe.
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Zur
Vermeidung eines gegebenenfalls auftretenden, unerwünschten
Millereffekts kann die Eingangsstufe zusätzlich zu dem Transistor ein
Kaskodestufe umfassen. Die Kaskodestufe kann in einer Ausführungsform
einen Kaskodetransistor umfassen. Der Kaskodetransistor ist bevorzugt
zwischen den Transistor der Eingangsstufe und den Ausgang der Eingangsstufe
geschaltet, an den die Ausgangsstufe angekoppelt ist.
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Zusätzlich oder
alternativ kann die Eingangsstufe eine Bias-Stromquelle umfassen.
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In
einer Ausführung
umfasst die Eingangsstufe einen Widerstand. Mit dem Widerstand kann beispielsweise
die Verstärkung
der Eingangsstufe eingestellt werden.
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Alternativ
kann an Stelle oder parallel zum Widerstand eine Stromquelle eingesetzt
werden.
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In
einer Ausführung
umfasst die Eingangsstufe einen Strompfad, der zwischen Versorgungs- und
Bezugspotenzialanschluss geschaltet ist. Versorgungspotenzialseitig
ist eine Bias-Stromquelle vorgesehen,
an die sich in einer Serienschaltung der Transistor, gegebenenfalls
der Ausgangstransistor sowie der Widerstand anschließt.
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Der
Transistor ist bevorzugt so verschaltet, dass zusätzlich zu
seiner Funktion als Eingangsstufe eine Pegelumsetzung des Eingangssignals
in ein vorverstärktes
Zwischensignal erfolgt. Zusätzlich dient
der Transistor zu einer Pegelumsetzung (DC-Versatz) zwischen Rückkopplungspfad und Eingangssignal.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verstärken eines
Signals gelöst,
welches folgende Merkmale umfasst: Verstärken eines Eingangssignals
mit einem Transistor und Bereitstellen eines vom Eingangssignal
abgeleiteten Zwischensignals, Verstärken des Zwischensignals und
Bereitstellen eines vom Zwischensignal abgeleiteten Ausgangssignals,
Rückführen eines
vom Ausgangssignal abgeleiteten Rückführungssignals zu dem Transistor.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, den Transistor zur Durchführung einer
Pegelumsetzung zu verschalten.
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Die
Rückführung des
Ausgangssignals zum Transistor umfasst bevorzugt ein Widerstandsnetzwerk,
wobei das Widerstandsnetzwerk in einer Ausführung zumindest zwei Widerstände umfasst.
Die Verstärkung
ist in Abhängigkeit
vom Widerstandsverhältnis
einstellbar.
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Das
Zwischensignal wird bevorzugt an einem Anschluss der gesteuerten
Strecke des Transistors abgegriffen, wobei das rückgeführte Ausgangssignal an einem
anderen Anschluss der gesteuerten Strecke dem Transistor zugeführt wird.
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Dem
Transistor wird zusätzlich
zum zu verstärkenden
Eingangssignal und dem Rückführungssignal
bevorzugt ein Bias-Strom zugeführt.
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Eine
Verstärkung
einer Eingangsstufe, die den Transistor umfasst, ist bevorzugt mit
einem am Transistor angeschlossenen Widerstand durchführbar.
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Weitere
Einzelheiten und Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind
in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Verstärkeranordnung
nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 eine
Weiterbildung der Schaltung von 1 mit Kaskode
und
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3 einen
beispielhaften Schaltplan einer Ausführung des Verstärkers nach
dem vorgeschlagenen Prinzip mit AB-Ausgangsstufe.
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1 zeigt
eine Verstärkeranordnung
aufweisend eine Eingangsstufe und eine Ausgangsstufe. Die Eingangsstufe
umfasst einen Transistor 1, der mit einem Eingang 2 zum
Zuführen
eines zu verstärkenden
Signals inp verbunden ist. Der Transistor 1 ist dabei als
Feldeffekttransistor vom P-Kanal MOS-Typ ausgebildet. An den Drain-Anschluss
des Transistors 1 ist über
einen Widerstand RD ein Bezugspotenzialanschluss 3 angeschlossen.
Der Source-Anschluss des Transistors 1 hingegen ist über eine
Bias-Stromquelle 4 mit einem Versorgungsspannungsanschluss 5 verbunden.
Am Versorgungsspannungsanschluss 5 ist eine Versorgungsspannung
Vsup zuführbar.
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Die
dem Transistor 1 inhärent
zuzuordnende Gate-Source-Kapazität ist in 1 zur
Erläuterung der
Funktionsweise mit eingezeichnet, jedoch nicht notwendigerweise
als diskretes Bauteil vorhanden.
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Am
Drain-Anschluss des Transistors 1 ist weiterhin ein Schaltungsknoten 6 gebildet.
Der Schaltungsknoten 6 ist über eine Ausgangsstufe 7 mit
einem Ausgang 8 der Verstärkeranordnung verbunden. Dort
wird ein Ausgangssignal out bereitgestellt. Außerdem ist der Ausgang 8 über einen
Rückkopplungszweig 9 mit
dem Source-Anschluss des Transistors 1 verbunden und stellt
dort ein Rückführungssignal
inn bereit. Der Rückkopplungspfad 9 umfasst
einen Serienwiderstand R1 sowie einen diesem nachgeschalteten Querzweig,
der eine Serienschaltung umfassend einen Widerstand R2 und eine
Kapazität
C1 umfasst und gegen Bezugspotenzialanschluss 3 geschaltet
ist.
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Demnach
umfasst die Eingangsstufe den Transistor 1, den Widerstand
RD und die Bias-Stromquelle 4. Der Transistor 1 verstärkt das
am Eingang 2 anliegende Eingangssignal inp und stellt am
Schaltungsknoten 6 ein verstärktes Eingangssignal in Form
eines Zwischensignals out1 bereit. Dieses bereits verstärkte Zwischensignal
out1 wird von der Ausgangsstufe 7 weiter verstärkt.
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Darüber hinaus
führt der
Transistor 1 eine Pegelumsetzung zwischen dem Eingang 2 und
dem Schaltungsknoten 6 durch. Zusätzlich erfolgt eine Signalverstärkung. Die
Verstärkung
des Transistors 1 kann in erster Näherung aus dem Produkt der
Steilheit gm des Transistors M1 und dem Widerstandswert des Widerstands
RD berechnet werden.
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Diese
Doppelfunktion des Transistors 1 ist ein großer Vorteil,
da das dominante Rauschen der Schaltung durch den Eingangstransistor 1 bedingt ist.
Das Rauschen ist deutlich geringer als es wäre, wenn die Rückkopplung
nicht den Transistor 1 mit einschließen würde. Da in der Schaltung nur
eine Verstärkerstufe
mit geringem Rauschen, englisch: LNA, Low Noise Amplifier nötig ist,
ist der Stromverbrauch der Schaltung gering.
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Das
Eingangssignal inp und das rückgeführte Ausgangssignal
inn können
als Komponenten eines differenziellen Signaleingangs der Schaltung
interpretiert werden. Somit umfasst die Eingangsstufe einen Differenzsignaleingang,
bei dem an einem Anschluss 2 das Eingangssignal inp und
an einem zweiten Anschluss das rückgeführte Ausgangssignal
inn zugeführt
werden. Zusätzlich
entsteht ein DC-Versatz zwischen Eingangssignal inp und rückgeführtem Ausgangssignal
inn, der als Pegelumsetzung zwischen Eingang und Ausgang ausgenutzt
werden kann.
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Aufgrund
der geschlossenen Schleife ist die Linearität der Schaltung gut. Streuungen
aufgrund von Temperaturschwankungen, Schwankungen der Fertigungsparameter
sowie Schwankungen der Versorgungsspannung sind gering.
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Der
Bulk-Anschluss des Transistors 1, der vorliegend nicht
eingezeichnet ist, kann entweder mit dem Source-Anschluss des Transistors
verbunden werden oder mit einem anderen Schaltungsknoten. Das Anschließen an den
Source-Anschluss hat den Vorteil, dass da die effektive Gate-Bulk-Kapazität reduziert
ist.
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Durch
gute Abschirmung der positiven Eingangsspannung inp von dem negativen
Eingang inn kann eine sehr geringe Eingangska pazität erreicht beziehungsweise
diese noch weiter verringert werden. Somit ist es möglich, die
effektiv am Eingang 2 wirksame parasitäre Gate-Source-Kapazität praktisch
zu eliminieren.
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Die
Drain-Source-Kapazität
des Transistors 1 kann zu einem Miller-Effekt führen, der
bei bestimmten Signalfrequenzen zu unerwünschten Signaleigenschaften
führen
könnte.
In diesem Fall kann beispielsweise dem Transistor 1 ein
Kaskodetransistor 10 zugeordnet werden. Dies ist nachfolgend
anhand von 2 erläutert.
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2 zeigt
eine Weiterbildung der Schaltung von 1, die dieser
in Aufbau, den verwendeten Bauteilen, deren Verschaltung miteinander
und der vorteilhaften Funktionsweise weitgehend entspricht. Zusätzlich ist
jedoch ein Kaskodetransistor 10 vorgesehen, der zwischen
den Drain-Anschluss des Transistors 1 und den Widerstand
RD, somit den Schaltungsknoten 6, geschaltet ist. Der Eingang
der Ausgangsstufe 7 ist weiterhin mit dem Schaltungsknoten 6 verbunden.
Dem Eingang des Kaskodetransistors 10 ist bevorzugt ein
konstantes Referenzpotenzial REF zuführbar.
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Mit
der zusätzlichen
Kaskodestufe kann mit Vorteil der frequenzabhängige Miller-Effekt vermieden
werden.
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Selbstverständlich kann
in alternativen Ausgestaltungen bezüglich 1 und 2 die
Ausgangsstufe 7 auch mehrstufig ausgeführt sein, um einen drei-, vier-
oder mehrstufigen Verstärker
zu erzielen, je nach Anwendung.
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Die
vorgeschlagene Schaltung, wie sie beispielhaft anhand der 1 und 2 erläutert ist, eignet
sich besonders als ana loger Signalverstärker. Sie zeichnet sich durch
niedrige effektive Eingangskapazität, hohe Eingangsimpedanz, kleinen
Stromverbrauch und geringes Eingangsrauschen aus.
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausführung des
vorgeschlagenen Prinzips mit einem dreistufigen Verstärker, der
sich in eine Eingangsstufe A1, eine Zwischenstufe A2 und eine Ausgangsstufe
A3 gliedert. Nicht eingezeichnet bei 3 ist der
Rückführungszweig 9,
der den Ausgangsanschluss 8 mit dem Schaltungsknoten zwischen
Transistor 1 und Bias-Stromquelle 4 verbindet,
an dem das Rückführungssignal
inn zuführbar
ist. Dieser Rückführungspfad
kann beispielsweise wie anhand von 1 und 2 erläutert ergänzt werden.
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Zusätzlich zu
der Eingangsstufe von 1 ist bei der Eingangsstufe
A1 von 3 ein Widerstand 19 vorgesehen, der den
Eingang 2 mit dem Bezugspotenzialanschluss 3 verbindet.
Dadurch kann, je nach Signalquelle, der DC-Arbeitspunkt des Transistors 1 eingestellt
werden.
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Anstelle
der Ausgangsstufe 7 von 1 ist bei 3 zwischen
den Schaltungsknoten 6 und den Ausgang 8 eine
mehrstufige Verstärkeranordnung umfassend
die Zwischenstufe A2 und die Ausgangsstufe A3 geschaltet. Die Zwischenstufe
A2 umfasst zwei weitere Transistoren 11, 12, die
jeweils als N-Kanal MOS-Transistoren ausgebildet sind und deren
Gate-Anschlüsse
mit dem Schaltungsknoten 6 verbunden sind. Der Transistor 11 ist
in einen Strompfad zwischen einen ersten Stromspiegel 13 und
den Bezugspotenzialanschluss 3 geschaltet. Der dritte Transistor 12 ist
in einen Strompfad zwischen eine weitere Bias-Stromquelle 14 und
einen zweiten Stromspiegel 15 geschaltet.
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Der
erste und der zweite Stromspiegel 13, 15 haben
jeweils zwei Ausgangszweige, die miteinander zur Bereitstellung
von AB-Signalen für
eine AB-Ausgangsstufe ausgebildet sind. Die beiden Schaltungsknoten
der gemeinsamen Ausgangszweige der Stromspiegel 13, 15 sind
einerseits mit Steueranschlüssen
der Transistoren 16, 17 der Ausgangsstufe verbunden.
Andererseits sind die Steueranschlüsse der Ausgangstransistoren 16, 17 mit
einer AB-Steuerung 18 verbunden.
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Die
Transistoren 16, 17 bilden eine push-pull oder
AB Ausgangsstufe A3 und sind in einer Serienschaltung zwischen den
Versorgungspotenzialanschluss 5 und einen Bezugspotenzialanschluss 3 geschaltet,
wobei zwischen den Drain-Anschlüssen
der Transistoren 16, 17 der Ausgang 8 gebildet
ist. Während
der Transistor 16 der Ausgangsstufe als P-Kanal-Transistor
ausgeführt
ist, ist der Transistor 17 als N-Kanal-Transistor ausgebildet.
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- 1
- Transistor
- 2
- Eingang
- 3
- Bezugspotenzialanschluss
- 4
- Bias-Stromquelle
- 5
- Versorgungspotenzialanschluss
- 6
- Schaltungsknoten
- 7
- Ausgangsstufe
- 8
- Ausgang
- 9
- Rückkopplungspfad
- 10
- Kaskodetransistor
- 11
- Transistor
- 12
- Transistor
- 13
- Stromspiegel
- 14
- Bias-Stromquelle
- 15
- Stromspiegel
- 16
- Transistor
- 17
- Transistor
- 18
- AB-Steuereinrichtung
- A1
- Eingangsstufe
- A2
- Zwischenstufe
- A3
- Ausgangsstufe
- C1
- Kapazität
- inn
- Rückführungssignal
- inp
- Eingangssignal
- out
- Ausgangssignal
- out1
- Zwischensignal
- RD
- Widerstand
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand