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Die Erfindung betrifft einen in der übertragungsrichtung sperrbaren
übertragungsvierpol mit regelbarer Übertragungsdämpfung mit vorzugsweise unterschiedlichen
Gleichpotentialen am Eingang und Ausgang, unter Verwendung eines stromgegengekoppelten
Emitterverstärkers, einer spannungsgesteuerten, wechselstrommäßig hochohmigen Stromquelle
und eines einpolig wenigstens wechselstrommäßig an Masse liegenden, durch eine variable
Spannung steuerbaren elektronischen Hilfsschalters.
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Bekannt ist ein Übertragungsvierpol mit regelbarer Übertragungsdämpfung,
der aus zwei Schalttransistoren besteht, die über einen Übertrager geschaltet werden.
Dieser übertragungsvierpol ist insofern unzweckmäßig, als er nicht in Form einer
integrierten Schaltung realisierbar ist, die aus technologischen Gründen keinen
übertrager enthalten darf.
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Weiter ist ein übertragungsvierpol bekannt, der mit Dioden realisiert
ist. Dieser muß über einen übertrager angesteuert werden, so daß sich auch hier
der schon genannte Nachteil ergibt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, für einen
übertragungsvierpol der einleitend beschriebenen Art eine den geschilderten Nachteil
vermeidende Lösung anzugeben.
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Ausgehend von einem in der übertragungsrichtung sperrbaren übertragungsvierpol
mit regelbarer übertragungsdämpfung mit vorzugsweise unterschiedlichen Gleichpotentialen
am Eingang und Ausgang unter Verwendung eines stromgegengekoppelten Emitterverstärkers,
einer spannungsgesteuerten, wechselstrommäßig hochohmigen Stromquelle und eines
einpolig, wenigstens wechselstrommäßig an Masse liegenden, durch eine variable Spannung
steuerbaren elektronischen Hilfsschalters wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß eine wenigstens wechselstrommäßig auf Nullpotential liegende Verbindung
zwischen den transistorabgewandten Anschluß des Emitterwiderstandes und der Stromquelle
einerseits und dem massefreien Anschluß des Hilfsschalters über einen Trennkondensator
andererseits derart vorgesehen ist; daß während des Anliegens einer Eingangsspannung
beim Umschalten des Hilfsschalters infolge der hierdurch bewirkten Änderung des
Wertes der Stromgegenkopplung die Amplitude der Ausgangsspannung zwischen einem
endlichen Wert und Null verändert wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß statt des Trennkondensators eine galvanische Verbindung vorgesehen ist und daß
für beide Anschlüsse des Hilfsschalters gleiche Gleichpotentiale vorgesehen sind.
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In Weiterbildung der Erfindung kann ein die Stromquelle überbrückender
Widerstand vorgesehen sein. Dies ermöglicht, die Ausgangsspannung des Schalters
zwischen zwei endlichen Werten zu verändern.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein Vorverstärker
mit einer Spannungsverstärkung größer als Eins und der Emitterverstärker mit einer
Spannungsverstärkung kleiner als Eins vorgesehen sein.
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Durch die parasitären Schaltungs- und Transistorkapazitäten sowie
Unzulänglichkeiten des elektronischen Hilfsschalters tritt eine Störspannung der
Schaltfrequenz auf. Das Verhältnis der Amplitude der geschalteten Wechselamplitude
zu der Amplitude dieser Störspannung wird dadurch gering gehalten, daß die Verstärkung
des Emitterverstärkers im leitenden Zustand klein gegen die Verstärkung des Vorverstärkers
gewählt ist.
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Bei übertragungsvierpolen, die einfache, einseitig an Masse liegende
Transistorschalter enthalten, welche nicht über übertrager angesteuert werden, tritt
eine sehr störende Restspannung zwischen Kollektor und Emitter auf. Diese hat auf
die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen übertragungsvierpols keinen Einfluß. Da
seine Eingangs- und Ausgangsimpedanzen im leitenden und gesperrten Zustand gleich
sind, können im Betrieb keine Störungen, beispielsweise infolge schwankender Belastung
angeschlossener Filter, auftreten. Die Nichtlinearitäten des erfindungsgemäßen Übertragungsvierpols
sind wegen der starken Gegenkopplung gering.
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An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher
erläutert.
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In der F i g. 1 ist das Blockschaltbild eines Übertragungsvierpols
mit einem Signaleingang E, E', einem Steuereingang B, B' und einem Ausgang
A, A' dargestellt. Dem Eingangsklemmenpaar E, E' sind eine Wechselspannungsquelle
2, gegebenenfalls eine Gleichspannungsquelle 3 und ein Generatorinnenwiderstand
4 in Reihe geschaltet. Dem Ausgangsklemmenpaar A, A' ist ein Lastwiderstand
5 und gegebenenfalls eine weitere Gleichspannungsquelle 6 in Reihe geschaltet.
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Liegt am Eingang E, E' eine Wechselspannung des Generators 2 an, so
fällt am Lastwiderstand 5 dann eine Wechselspannung ab, wenn am Steuereingang
B, B'
eine geeignete Steuerspannung anliegt. Die Gleichspannungsgeneratoren
3 und 6 deuten an, daß der Übertragungsvierpol 1 für unterschiedliche Gleichpotentiale
am Eingang E, E' und am Ausgang A, A'
ausgelegt werden kann.
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Die F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen übertragungsvierpols.
Dieser enthält einen stromgegengekoppelten Emitterverstärker mit einem Transistor
15, einem Emitterwiderstand 7, einem Kollektorwiderstand 12 und einem Spannungsteiler
13,14. Am Punkt P ist an den Emitterverstärker eine Betriebsstromquelle 8 und über
einen Kondensator 10 ein einseitig geerdeter Hilfsschalter 9 angeschlossen, der
über den Eingang B, B' betätigbar ist. Der übertragungsvierpol besitzt eine
Eingangsklemme E und eine Ausgangsklemme A, an die über einen Kondensator 16 der
Lastwiderstand 5 angeschlossen werden kann. Mit N+ und N- sind jeweils die Stellen
gekennzeichnet, an denen eine positive bzw. eine negative Versorgungsgleichspannung
anzulegen ist.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Mit Hilfe der Widerstände
13 und 14 wird die Eingangsgleichspannung zwischen den Eingangsklemmen E,
E eingestellt. Diese Gleichspannung abzüglich der Basis-Emitter-Spannung
des Transistors 15 liegt auch zwischen dem Punkt D und Masse. Die Stromquelle liefert
den Emittergleichstrom, der durch den Emitterwiderstand 7, den Transistor 15 und
den Kollektorwiderstand 12 fließt und das Gleichpotential an den Ausgangsklemmen
A, A' bestimmt. Auf Grund der gewählten Anordnung ist das Gleichpotential
an den Ausgangsklemmen A, A' ungleich den Gleichpotentialen zwischen den Eingangsklemmen
E, E' und zwischen dem Punkt D und Masse. Die Schaltung kann so ausgelegt werden,
daß der Transistor 15 einen geeigneten Arbeitspunkt aufweist.
Liegt
an den Eingangsklemmen E, E' eine Eingangswechselspannung der Signalfrequenz fs,
so erscheint an den Ausgangsklemmen A, A' eine Ausgangsspannung derselben
Frequenz, deren Amplitude von der Verstärkung der zwischengeschalteten stromgegengekoppelten
Emitterstufe 7, 12, 13, 14, 15 abhängt. Der Betrag der Verstärkung der Emitterstufe
ist durch das Verhältnis der Impedanz im Kollektorkreis zur gesamten Impedanz im
Emitterkreis gegeben. Wird der Hilfsschalter 9 durch das Anlegen einer passend gewählten
Steuerspannung an den Klemmen B, B' gesperrt, so liegt im Emitterkreis der
Widerstand 7 in Serie mit dem sehr großen differentiellen Widerstand der Stromquelle
B. Die Verstärkung der Emitterstufe ist näherungsweise Null, weil die gesamte Impedanz
im Emitterkreis sehr viel größer als die Impedanz im Kollektorkreis ist. Dies bewirkt,
daß bei angelegtem Eingangssignal der Frequenz fs am Eingangsklemmenpaar E, E' am
Ausgangsklemmenpaar A, A' kein Ausgangssignal erscheint. Ist der Hilfsschalter
9 dagegen im leitenden Zustand, so liegt im Emitterkreis der Anordnung lediglich
der Widerstand 7 in Serie mit dem komplexen Widerstand der Kapazität 10. Für hinreichend
hohe Signalfrequenzen fs der Eingangswechselspannung ist der komplexe Widerstand
der Kapazität 10 vernachlässigbar klein, so daß sich der Betrag der Verstärkung
der Emitterstufe aus dem Verhältnis des Widerstandes 12 zum Widerstand
7 ergibt.
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Die Kapazität 10 dient zur gleichstrommäßigen Entkopplung des
Punktes P vom Massepotential. Es ist für das Gleichstromverhalten der Schaltung
gleichgültig, welches Gleichpotential der Punkt P aufweist, da der Hilfsschalter
9 hiervon nicht beeinflußt wird. Eine besonders im Hinblick auf eine Integrierbarkeit
einfache Schaltung ergibt sich bei Weglassen der Kapazität 10. Dies ist aber nur
zulässig, wenn der Punkt P auch bei nichtleitendem Hilfsschalter 9 das Gleichpotential
Null aufweist. Ist dies nicht der Fall, so fließt bei leitendem Hilfsschalter 9
ein zusätzlicher , Gleichstrom vom Punkt P gegen Masse ab, wodurch sich die Gleichpotentiale
an den Punkten D und A verändern. Dies hat die nachteilige Folge, daß bei regelmäßigem
öffnen und Schließen des Hilfsschalters 9 mit der Folgefrequenz ft an den Ausgangs-
, klemmen A, A' eine unerwünschte Rechteckspannung derselben Folgefrequenz
entsteht.
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Der übertragungsvierpol ist bei leitendem Hilfsschalter 9 imstande,
ein Signal fs vom Eingangsklemmenpaar E, E' zum Ausgangsklemmenpaar A, A'- zu
;
übertragen. Die Größe der Ausgangsspannung ist dabei vom Zustand des Hilfsschalters
9 abhängig. Wird der Hilfsschalter 9 regelmäßig mit der Folgefrequenz ft geöffnet
und geschlossen, so erscheint am Ausgangsklemmenpaar A, A' das Produkt aus
dem Signal ; der Eingangswechselspannung der Frequenz fs mit der Fourierreihe der
Rechteckfunktion der Folgefrequenz ft. Es erscheinen also am Ausgang die Mischprodukte
der Frequenz ! n - ft -h- fs ',, für n
gleich 0, 1, 2 ...
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Eine Signalübertragung vom Ausgangsklemmenpaar A, A' in Richtung
zum Eingangsklemmenpaar E, E' ist infolge der sehr geringen Rückwirkungskapazität
zwischen Kollektor und Basis des Transistors 15 nicht möglich. Liegt am Ausgangsklemmenpaar
A, A' eine Wechselspannung, so fließt der hierdurch erzeugte Wechselstrom
im wesentlichen nur über den Widerstand 12 und nicht über den großen Innenwiderstand
bzw. die Rückwirkungskapazität des Transistors 15.
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Wechselstrommäßig wirkt diese Anordnung für Signalübertragung vom
Eingang zum Ausgang wie ein Schalter, der die Klemme E mit der Klemme A verbindet,
wenn die Verstärkerstufe bei leitendem Hilfsschalter die Verstärkung Eins aufweist,
ohne daß eine der Klemmen mit Masse verbunden sein muß. Zur Ansteuerung der Anordnung
werden keine übertrager benötigt, da die Verstärkung über den Hilfsschalter 9 gesteuert
wird, welcher einseitig am Massepotential liegt und deshalb mit einer erdunsymmetrischen
Steuerspannung betrieben werden kann.
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Für Anwendungsfälle, bei denen der Betrag der Ausgangsspannung nicht
zwischen einem endlichen Wert und Null, sondern zwischen zwei endlichen Werten geändert
werden muß, wird parallel zur Stromquelle 8 ein Widerstand 11 geschaltet.
Dies bewirkt, daß auch bei nichtleitendem Hilfsschalter 9 im Emitterkreis der Emitterstufe
nur die Serienschaltung des Widerstandes 7 mit dem Widerstand 11 liegt. Die Verstärkung
der Emitterstufe ergibt sich dann aus dem Quotienten des Widerstandes
12 und der Serienschaltung der Widerstände 7 und 11.
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Die F i g. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Schaltung
nach der F i g. 4, bei der die spannungsgesteuerte Stromquelle 8 durch einen Transistor
17 und Widerstände 18, 19 und 20 und der Hilfsschalter 9 durch einen Transistor
21 und einem Widerstand 22 realisiert sind.
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Der Arbeitspunkt des Transistors 17 der spannungsgesteuerten Stromquelle
und damit der durch den Widerstand 18 fließende Strom wird mit Hilfe des
Basisspannungsteilers 19, 20 derart eingestellt, daß sich am Punkt P bei nichtleitendem
Schalter 21, 22 das Potential O V bzw. bei leitendem Schalter 21, 22 die Kollektor-Emitter-Restspannung
des Transistors 21 einstellt. Zur Erleichterung der Einstellung kann der
Widerstand 20 als Potentiometer ausgeführt sein. Im leitenden Zustand des
Schalters 21, 22 werden nur zwei Punkte gleichen Potentials verbunden. Am
Ausgangsklemmenpaar A,. A' erscheint daher bei fortlaufendem Öffnen und Schließen
des Hilfsschalters 21, 22 keine Störspannung.
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Der Transistor 17 stellt in Verbindung mit seinem Emitterwiderstand
18 eine spannungsgesteuerte Stromquelle dar, weil die Ausgangsimpedanz eines stromgegengekoppelten
Transistors in Emitterschaltung außerordentlich hoch ist. Außerdem kann der Strom
im Kollektorkreis durch die Spannung zwischen der Basis des Transistors und Masse
gesteuert werden.
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Der Widerstand 22 dient dazu, den Strom in die Basis des Transistors
21 einzuprägen. Dadurch wird der Eingangswiderstand des leitenden Schalters am Punkt
B unabhängig von den Eigenschaften des Transistors 21. Liegt am Punkt B gegenüber
Masse eine positive Spannung, so fließt ein Basisstrom in den Transistor 21, und
dieser leitet Ströme in beiden Richtungen; er kann also Wechselströme leiten. In
diesem Zustand weist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 21 nur einen
sehr kleinen differentiellen Widerstand auf. Zwischen Kollektor und Emitter des
Transistors 21 fällt eine kleine Gleichspannung ab, welche aber das Verhalten der
Anordnung nicht beeinflußt, solange das Potential am Punkt P auf den gleichen Wert
eingestellt ist. Liegt am Punkt B gegen Masse eine negative Spannung, so ist die
Basis-Emitter-Diode des Transistors 21 gesperrt, und die Kollektor
-Emitter-Strecke
weist einen sehr großen differentiellen Widerstand auf, so daß der Gesamtwiderstand
im Emitterkreis des Transistors 15 im wesentlichen durch die Serienschaltung des
Widerstandes 7 mit den großen differentiellen Ausgangsimpedanzen der Transistoren
17 und 21 gegeben ist, was dazu führt, daß die Verstärkung der Emitterstufe 15 näherungsweise
gleich Null ist.
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Die F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes,
bei der einer Schaltstufe Il nach Art der in F i g. 3 dargestellten eine Vorstufe
I und eine Endstufe III zugeschaltet sind. Die Vorstufe I mit Eingangsklemmen e,
e' besteht aus einem Transistor 28 und Widerständen 23, 24, 25, 26 und 27. Die Endstufe
III mit den Ausgangsklemmen a, d besteht aus den Transistoren 29 und 31 sowie den
Widerständen 30, 32, 33 und 34.
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Am Ausgang A der Schaltstufe II erscheint infolge parasitärer Schaltungskapazitäten,
Transistorkapazitäten, Unzulänglichkeiten des elektronischen Hilfsschalters
21, 22 sowie der Temperaturabhängigkeit der aktiven Schaltelemente eine mehr
oder weniger große störende Restspannung der Schaltfrequenz fp. Um diesen »Trägerrest«
in seiner Größe zu reduzieren, wird der Schaltstufe I bei leitendem Hilfsschalter
21, 22 eine Spannungsverstärkung kleiner als Eins gegeben. Durch Vorschalten einer
Vorstufe I einer entsprechenden Spannungsverstärkung größer als Eins wird erreicht,
daß die gesamte Spannungsverstärkung zwischen den Punkten e und A bei leitendem
Hilfsschalter 21, 22 Eins ist, während die Amplitude des Trägerrestes am
Punkt A entsprechend der geringeren Spannungsverstärkung die Emitterstufe
15 reduziert ist.
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Im Kollektorkreis des Transistors 28 liegt der Widerstand 23 parallel
zu dem sehr großen Eingangswiderstand der Schaltstufe II. Im Emitterkreis des Transistors
28 liegt wechselstrommäßig die Parallel-Schaltung der Widerstände 24 und 25. Der
Widerstand 25 dient zur Einstellung eines geeigneten Arbeitspunktes des Transistors
28 in Verbindung mit dem Spannungsteiler 26, 27 an der Basis dieses Transistors.
Die Vorstufe I kann so ausgelegt werden, daß am Punkt e ein Gleichpotential O V
auftritt.
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Da im allgemeinen die Klemme A ein anderes Gleichpotential aufweist
als die Klemmen E und e, wird man der Schaltstufe II eine Endstufe III nachschalten,
um ein gleiches Gleichpotential an den Punkten e und a zu erzielen.
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Die Endstufe HI besteht aus einer stromgegengekoppelten Emitterstufe
31, 32, 34. Der Transistor 29 dient in Verbindung mit den Widerständen
30 und 33 dazu, an der Basis des Transistors 31 ein geeignetes Gleichpotential
zu erzielen, das ungleich dem Gleichpotential am Punkt A ist. Wechselstrommäßig
; fällt über den Widerstand 30 keine Spannung ab, da sowohl der Eingangswiderstand
des stromgegengekoppelten Transistors 31 als auch die Ausgangsimpedanz des stromgegengekoppelten
Transistors 29, der als spannungsgesteuerte Stromquelle wirkt, sehr groß gegenüber
dem Widerstand 30 sind. An der Basis des Transistors 31 erscheint daher die volle
Amplitude der Wechselspannung am Punkt A. Die Endstufe III kann so ausgelegt werden,
daß bei einer Eingangsgleichspannung von 0 V zwischen den Punkten e und e' auch
am Ausgang zwischen den Punkten a und d eine Gleichspannung 0 V steht, so daß das
gleichstrommäßige Verhalten der Schaltung unabhängig von dem an den Ausgangsklemmen
a, a' angeschlossenen Lastwiderstand 5 ist. Dieser Lastwiderstand 5 beeinflußt nur
die wechselstrommäßige Spannungsverstärkung der stromgegengekoppeltenEmitterstufe
31, 32, 34, 5. Die Verstärkung der Endstufe III ist durch das Verhältnis
der Parallelschaltung der Widerstände 5 und 32 zum Widerstand 34 gegeben. Im allgemeinen
wird man eine Spannungsverstärkung Eins wählen.
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Die in der F i g. 4 dargestellte Anordnung wirkt wechselstrommäßig
so, als ob zwischen den Klemmen e und a ein beidseitig massepotentialfreier Schalter
liegt. Die Anordnung wirkt jedoch nicht wie ein einfacher Schalter, sondern wie
ein zwischen zwei Trennverstärkern liegender Schalter; denn einmal kann nur eine
Signalübertragung vom Eingang zum Ausgang erfolgen, und zum anderen ist die Eingangsimpedanz
der Anordnung ebenso wie die Ausgangsimpedanz der Schaltstufe II und der Endstufe
III vom Zustand des Hilfsschalters 21, 22 unabhängig. Eine angeschlossene Last 5
wird also durch das Umschalten nicht beeinflußt.
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Die Potentialfreiheit von Eingang und Ausgang der Anordnung erlaubt
es, diese mit beliebigen gleichstromfreien Abschlußwiderständen 5 zu belasten, ohne
daß eine Beschädigung des übertragungsvierpols, den man auch als Analogschalter
bezeichnen könnte, eintreten kann. Die Einfügung von Trennkondensatoren zwischen
der am Eingang liegenden Signalquelle und dem Punkt e bzw. zwischen dem Lastwiderstand
5 und der Klemme a erübrigt sich daher.
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Die Nichtlinearitäten dieser Schaltung sind besonders gering, da unabhängig
vom Zustand des Hilfsschalters 21, 22 nur sehr stark gegengekoppelte Verstärkerstufen
verwendet sind.
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Die erfindungsgemäßen Schaltungen sind besonders für die Realisierung
in einer integrierten Schaltungstechnik geeignet, die eine Verwendung von Spulen
und Übertragern mit magnetischem Kreis praktisch nicht zuläßt.
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An Stelle der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen verwendeten
Transistoren sind auch solche anwendbar, die nach dem Feldeffektprinzip arbeiten.
Diese Transistoren sind unter den Fachausdrücken FET und MOS-FET allgemein bekannt.
Die Übersetzung der erfindungsgemäßen Schaltungen in solche unter Anwendung von
Feldeffekttransistoren ist nach bestimmten Regeln möglich, die allgemein bekannt
sind.