DE1537324A1

DE1537324A1 - Nach dem Prinzip der Stromumschaltung arbeitende Eingangs- und Ausgangs-Emitterfolgerschaltung

Info

Publication number: DE1537324A1
Application number: DE19671537324
Authority: DE
Inventors: Howardraymond Beelitz
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-03-31
Filing date: 1967-12-22
Publication date: 1970-01-08
Also published as: US3549899A; GB1206657A; FR1548205A; DE1537324B2

Description

6524-67, Sch/Kl

U.S.Serial No.: 62? 399

Filed: March, 31, 196? .

Radio Corporation of America New York, N.Y.,V.St,A.

Nach dem Prinzip der Stromumschaltung arbeitende Eingangsund Ausgangs-Emitterfolgerschaltung.

Die Erfindung betrifft logische Schaltkreise, welche nach dem Prinzip der Stromumschaltung (current mode switching) arbeiten und mindestens einen Eingangs-Emitterfolger-Transistor und zwei duale Ausgangs-Emitterfolger-Transistoren aufweist. Nach dem Prinzip der Stromumschaltung arbeitende Schaltungen eignen sich ganz besonders gut für schnell arbeitende Digitalsysteme, beispielsweise Elektronenrechner und andere elektronische Geräte, da die verwendeten Transistoren ausserhalb der Sättigung bei relativ kleinen Spannungssprüngen, in der Größenordnung von Bruchteilen von YoIt, betrieben werden können. Die hohe Betriebsgeschwindigkeit der nach dem Stromschaltprinzip arbeitenden Schaltungen ergibt sich durch die Vermeidung der Transistorsättigung und die geringen Spannungssprünge»

Eine bekannte nach diesem Prinzip arbeitende Schaltung enthält mindestens wwei Transistoren mit getrennten Kollektorkreisen und einem gemeinsamen Emitterkreis, in den eine Konstantstroaquelle geschaltet ist. Diese Stromquelle kann durch eine Quelle eines Betriebspotentials und einen gemeinsamen Signalstromweg, beispielsweise einen Widerstand, nachgebildet werden. Der Strom der Stromquelle kann durch einen von zwei wahlweise zur Verfügung

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stehenden, durch, die Kollektor-Emitter-Ötrecken der Transistoren V geleitet werden, indem eine geeignete Spannungsdifferenz zwischen den Basiselektroden angelegt wird. Wird diese Schaltung als lo- > gisches Gatter verwendet, so ergibt sich die Potentialdifferenz durch Anlegen von Binärsignalen eines relativ hohen Fegeis (HI) und eines relativ niedrigen Fegeis (LO) an die Basis des einen und durch Anlegen einer Bezugsspannung (V *) an die Basis des anderen (Transistors. Ein zwischen den Signalpegeln HI und LO liegender Wert wird dem Fegel V_ ~ zugeordnet, so daß der Potential unterschied zwischen den beiden Signalpegeln und V__e* bestimmt, durch welchen der Transistoren der Strom hindurch, geleitet wird. Dieser Typ von Logikgatter wird manchmal als current mode logicgate (CKl) bezeichnet.

Bei einem üblichen solchen CML- Gatter werden von den Kollektoren der beiden Transistoren komplementäre Ausgangssignale abgenommen. Meist ist jeder der beiden komplementären Ausgänge mit einem eigenen Emitterfolger-Trenn-Transistor ausgestattet. Me dualen Emitterf olger-^ransistoren geben dem CML-Gatter eine niedrige Ausgangsimpedanz und erhalten die Richtung der Signalpegelverschiebung, so daß die Ausgangspegel den gleichen Digitalwert wie die binären Eingangssignale haben. So können die Ausgangsanschlüsse eines CML-Gatters unmittelbar mit den Eingangsanschlüssen und zwar nicht nur eines, sondern wegen der niedrigen Ausgangsimpedanz, sogar mehrere andere CML-Gatter verbunden «erden.

Obgleich die dualen Ausgangs-Emitterfolger-Transistoren diese Vorteile bieten, bedingen sie etwa zwei Drittel des Leistungsverbrauche des GML-Gatters. Dieser Leistungsverbrauch ist zwar im allgemeinen unerwünscht, und dies gilt insbesondere dann, wenn

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diese Gatter als integrierte Schaltungen aufgebaut sind, bei denen die erzeugte Wärme die Betriebseigenschaften ernsthaft beeinträchtigen kann.

Die Aufgabe der Erfindung liegt daher in der Verbesserung der bekannten OML-Gatter, und ist insbesondere auf die Verringerung des Leistungsverbrauchs'der dualen Ausgangs*Emitterfolger-^xrarisistoren um den Faktor 1/2 gerichtet, ohne daß dadurch die Einfachheit und die guten Betriebseigenschaften der Schaltung leiden sollen.

Diese Aufgäbe wird bei einer nach dem Stromschaltprinzip arbeitenden Logikschaltung durch die Verwendung eines Laststromschalters und einer Signalübertragungsanordnung, die mindestens einen Emitterfolger-Transistor enthält, gelöst. Der LastStromschalter spricht auf einen binären Eingangssignalzustand an und verbindet den gemeinsamen Laststromweg mit einem der Ausgangsanschlüsse, während er bei Ansprechen auf einen anderen Eingangssignalzustand den gemeinsamen Laststromweg zum anderen Ausgangsanschluß führt· So fließt der Emitterstrom nur eines einzigen der dualen Emitterfolger-Ausgangs-Transistoren in den stabilen Zuständen durch den gemeinsamen Laststrospfad·

Entsprechend dem dargestellten Beispiel der Erfindung enthält der Laststromschalter ein Paar Transistoren, deren Emitter an den gemeinsamen Laststrompfad angeschlossen sind, deren Kollektoren an verschiedene Ausgangsanschlüsse angeschlossen sind und deren Basen mit verschiedenen Basiselektroden zweier transistoren verbunden sind, welche den Stromschalter für das Eingangssignal umfassen. Der Emitterfolger-Eingangs-^ransistor bereitet den Eir^angssignalstroaa-Schalter und den Laststrom-Schalter vor,

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so daß beide parallel und ohne jede Verzögerung umschalten.

Nach dem Stromschaltprinzip arbeitende Schaltungen gemäß der Erfindung können entweder mit einzelnen Bauelementen oder in ' Form einer integrierten Schaltung aufgebaut sein. Der hier verwendete Ausdruck "integrierte Schaltung" bezieht sich auf eine Technik, bei der die gesamte Schaltung durch Diffusion oder in Form von Filmen auf oder in einem oder mehreren Materialplättchen,beispielsweise aus Silizium, ausgebildet werden· Die erfindungsgemäßen Schaltungen lassen sich entweder auf einzelnen Plättchen oder gemeinsam mit weiteren, anzuschliessenden Schaltungen in oder auf einem gemeinsamen Träger herstellen. Gegebenenfalls sind die so ausgebildeten integrierten Schaltungen zweckmäßig zur Bildung von Blocks, die zur Bildung verschiedener Gesamtschaltungen untereinander und mit geeigneten Stromversorgungsteilen und Signalquellen verbunden werden können·

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

Der erfindungsgemäße, nach dem Prinzip der Stromumschaltung arbeitende Schalter Io enthält zwei Transistoren 11 und 12, welche den Eingangssignalstromschalter bilden, während die Transistoren 13 und 14 einen Ausgangs- oder Lastschaltung umfassen« Die Kollektoren lic und 12c der Eingangssignal-SchaltmiigTransistoren 11 und 12 sind über die Kollektorwiderstände 17 bzw· 18 Stromzuführungsanschluß 21 verbunden. Ihre Emitter He und 12e sind zusammen an einen als Emitterwiderstand 19 dargestellten gemeinsamen Signalstromweg geschaltet. Das andere Ende des gemeinsamen Emitterwiderstandes 19 ist an den zweiten Stromzufüh-

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rungsanschluß 22 angeschlossen. Die Basis 12b ist mit einem Anschluß 23 verbunden, an dem eine feste Bezugsspannung V_ref liegt.

Die Basis 11b liegt an einem Eingangsanschluß 24, an den eine Signalübertragungsschaltung 3o angeschlossen ist. Diese Schaltung 3o enthält mindestens einen Transistor 31» dessen Kollektor 31c am Stromzuführungsanschluß 21 und dessen Emitter 31e am Anschluß 24 liegt» Der Verbindungspunkt 24 ist über einen Emitterwiderstand 33 mit dem Stromzuführungsansehluß 22 verbunden. Der Basis 31b werden binäre Eingangssignale B zugeführt.

Es können weitere Eingangsanschlüsse vorgesehen sein, in dem die Kollektoren und Emitter zusätzlicher Transistoren parallel zum Kollektor 31c und Emitter 31e des Transistors 31 geschaltet werden. Beispielsweise kann, wie gestrichelt dargestellt, ein weiterer Transistor 32 mit seinem Kollektor 32c am Kollektor 31o und mit seinem Emitter 32e am Emitter 31e liegen. Der Basis 32b können weitere binäre Eingangssignale A zugeführt werden.

Die Kollektoren lic und 12c des EingangssignalStromschalters sind ferner mit den Basen 15b und 16b der dualen Ausgangs-Emitterfolger-^ransistoren 15 bzw„ 16 verbunden. Die Transistoren 15 und 16 sind mit ihren Kollektoren 15c und 16c an den Stromzuführungsansehluß 21 und mit ihren Emittern 15e und 16e an die Ausgangsanschlüsse 25 bzw· 26 angeschlossen, an denen komplementäre Ausgangssignale C und ü abgenommen werden.

Die Ausgangs- oder Laststrom-Schalttransistoren 13 und 14 sind mit ihren Kollektoren 13c und 14c an die Ausgangsanschlüsse 25

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l)zw· 26 angeschlossen und mit ihren Emittern 13e und 14e zusammengeschaltet und über einen gemeinsamen Laststromweg, der als Emitterwiderstand 2o dargestellt ist, zu dem zweiten Stromzuführungsanschluß 22 geführt. Sie,Basis 14b liegt an der Spannung V_ref am Anschluß 23, die Basis 23b ist mit dem Eingangsverbindungspunkt 24 verbunden.

Eine geeignete Betriebsspannungsquelle 35» welche die Spannung E liefert, ist zwischen die Stromzuführungsanschlüsse 21 und 22 geschaltet» Für die dargestellten NPN-Transistoren ist die negative Klemme der Stromquelle 35 mit dem Anschluß 22 und ihre positive Klemme mit dem Anschluß 21 verbunden, wobei der Anschluß 21 willkürlich mit einem geeigneten Bezugspotential, das in der Zeichnung durch das übliche Symbol dargestellt ist, verbunden ist. Selbstverständlich lassen sich auch PHP-Transistoren in der erfindungsgemäßen Schaltung verwenden, die Stromquelle 35 ist dann umgepolt.

Die Binärsignale A und B und die Ausgangssignale C und C haben die bekannte Form unterschiedlicher Signalpegel HI und LO, deren Uebergang an der Basiselektrode 32b als Wellenform 36 dargestellt ist.

Die feste Bezugsspannung Vf kann von irgendeiner geeigneten Spannungsquelle abgenommen werden. Beispielsweise kann die Spannung V_rei> von einer temperaturkompensierten Spannungsteileranordnung, welche zwischen die Anschlüsse 21 und 22 geschaltet ist, abgenommen werden. Die Bezugsspannung V_ref liegt zwischen den Signalsprungpegeln (V₁₃₁) an der Basis lib. Die Signalpegel werden von den Pegeln V^ und Vg der Signale A ader B gebildet,

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deren Pegel durch die an der Basis-Emitter-Strecke eines der Transistoren 31 oder 32 liegenden Spannung (V ^) in ihrem Pegel verändert werden. So ändert sich der Signalsprung der Span nung V_bl zwischen den Werten Vg - V₁₅₆ und V_L - V_fee .Zum Zweck der nachfolgenden Beschreibung wird V_pef als in der Mitte zwischen den Pegeln von V, ■* liegend betrachtet:

v_ref- Cv_H - v_be) * (v_L - v_be)

v_ref

Die Ausgangsanschlüsse 25 und 26 sind mit den Lastimpedanzen, die als Kapazitäten Ot₁ und C^ dargestellt sind, verbunden. Die Kondensatoren Ct₁ und C-rg stellen die gesamte Eingangsimpedanz der Eingangstransistoren eines ider mehrerer weiterer gesteuerter CML-Gatter dar einschließlich anderer Kapazitäten, etwa der Schaltkapazität, die an den Ausgangsanschlüssen wirken.

Es sei zunächst der Betrieb der Schaltung ohne Berücksichtigung der Laststromschalt-Transistoren 13 und 14 und unter der Annahme, daß die Transistoren 15 und 16 als Emitterfolger mit Reihen-Eaitterwiderständen betrieben werden, betrachtet. Der gemeinsame Emitterwiderstand 19 und die Spannungsquelle 35 bilden eine Stromquelle für die Stromschalttransistoren 11 und 12. Wenn ent weder eines oder beide der Signale A und B den hohen Pegel V₀. einnimmt, ist die Basisspannung V-, positiver als die Bezugsspannung V#, so daß der Transistor 11 eingeschaltet und der Transistor 12 abgeschaltet ist. Der Strom wird dann durch die KoI-lektor-Emitter-Strecke des Transistors 11 geleitet, so daß die Spannung an seinem Kollektor lic einen relativ niedrigen Wert

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hat, während die Spannung am Kollektor 12c relativ groß ist* Biese beiden relativ großen bzw, kleinen Spannungspegel werden infolge der Pegelverschiebung an den Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 15 und 16 an die Ausgangsanschlüsse 25 bzw· 26 übertragen, so daß die Ausgangssignale G und ö die Werte LO bzw· HI einnehmen.

Haben andererseits beide Binärsignale A und B den niedrigen Pegel V-Q, dann ist die Basisspannung V ₁ des Transistors 11 weniger positiv als die Spannung Vf,, so daß der Transistor 12 eingeschaltet und der Transistor 11 abgeschaltet wird. Der Strom wird dann durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors geleitet, so daß die Spannung an seinem Kolektor 12c einen relativ niedrigen Wert einnimmt, während die Spannung am Kollektor- lic einen höheren Pegel hat· Biese beiden Spannungspegel an den Kollektoren lic und 12c werden durtsh die Pegelverschiebung an den Basis-Emitter-Strecken der Emitterfolger-Transistoren 15 und 16 an die Ausgangsanschlüsse 25 bzw· 26 übertragen, so daß die Ausgangssignale C und ü die Werte HI bzw. LO einnehmen.

Wenn schließlich eines oder beide der Eingangssignale A und B den Pegel HI haben, so hat das Ausgangssignal C den Pegel LO. Nur dann, wenn beide binären Eingangssignale A und B den Pegel LQ einnehmen, hat das Ausgangssignal C den Pegel HI. Natürlich ist das Ausgangssignal ö in allen oben beschriebenen Fällen komplementär zum Ausgangssignal G. Werden den Binärsymbolen 1 und 0 die Pegel HI bzw. LO zugeordnet, dann arbeitet die Schaltung als NOR-G-atter hinsichtlich des Ausgangssignals C und als OR-Gatter hinsichtlich des Ausgangssignals 3 .._ Werden andererseits den Binärsymbolen I und 0 die Pegel LO bzw. HI zugeordnet, dann arbei-

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•bet die Schaltung als NAND-Gatter hinsichtlich des Ausgangssignals G und als AND-Gatter hinsichtlich des Ausgangssignals ü.

Der gemeinsame Emitterwiderstand 2o und die Spannungsquelle 35 bilden eine weitere Stromquelle für die Schalttransistoren Ij und 14 nach, welche auf die binären Eingangssignale A und B ansprechen und den Strom dieser weiteren Stromquelle entweder durch den einen oder durch den anderen, jedoch nicht durch beide der Emitterfolger-Transistoren 15 und 16 führen. Tatsächlich werden also der Eingangssignalstromsehalter und der Laststromschalter infolge der Verbindung ihrer Basen ljb und 14b mit den Basen 11b bzw. 12b parallel betrieben. Wenn der Transistor 11 eingeschaltet wird (HI Pegel des Signales A oder B) und der Transistor 12 abgeschaltet wird, dann werden also gleichermaßen die Transistoren 13 und 14 ein- bzw. ausgeschaltet. Im anderen Zustand, bei dem sie Signale A und B beide den Pegel LO haben, werden die Transistoren 11 und 13 ab und die Transistoren 12 und 14 angeschaltet. In Abhängigkeit von den binären Eingangssignalzuständen -wird also einer der Transistoren 13und 14 eingeschaltet und führt den Strom des Widerstands 2o und der Stromquelle 35 zu dem zugeordneten Emitterfolger-Transistor und Ausgangsanschluß.

Obwohl der Transistor 13 zur Abtrennung des Emitterfolger-Transistors 15 vom gemeinsamen Emitterwiderstand 2o abgeschaltet werden kann (*--;A»B«V-r» 0 ■ Vg.) , leitet dieser Transistors und bildet erstens einen Basisstrompfad für die Eingangstransistoren des CML-Gatters, welche mit dem Ausgangsanschluß 25 verbunden sind, und zweitens einen Keststrompfad für den Transistor 13» Die gleichen Betrachtungen gelten für den Emitterfolger-Transistor 16, wenn C « V„ ist.

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Um einen minimalen Emitterstrom für die Emitterfolger-Ausgangstransistoren 15 und 16 während der stabilen Zustände sicher zu stellen, kann ein Widerstandsnetzwerrk eingefügt werden, welches einen Stromableitungspfad für diese Transistoren darstellt. Beispielsweise kann ein einziger Widerstand 37 zwischen die Ausgangsanschlüsse 25 und 26 geschaltet sein. Wenn der Transistor 13 angeschaltet und der Transistor 14 abgeschaltet ist (Aoder B» Vg), dann ist auf diese Weise ein minimaler Emitterstrom für den Ausgangsemitterfolger-Transistor 16 in dem durch den Widerstand 37» die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 13 und den Widerstand 2o feebildeten Strompfad gewährleistet.

Die Einfachheit der Erfindung liegt in der rein unmittelbaren Verbindung über SaShlässigbar kleine Impedanzen (praktisch nur noch Leitungen)von den Basen 13b und 14b zu den Basen 11b bzw. 12b, so daß ein Eingangssignalstromschalter und Laststromschalter praktisch parallel durch einen Signalspannungssprung von dem gleichen Wert (d.h. Vg - V_L Volt ) betrieben werden. Auf diese Weise hat der Laststromschalter die gleiche Storunempfindlichkeit wie der Eingangsstromschalter. Zusätzlich tritt wegen der Parallelverbindung keine Verzögerung zwischen den Schaltvorgängen des Eingangsstromschalters und des Laststromschalters auf·

Es ist von Bedeutung, daß die Transistoren 31 und 32 die Eingangskapazität des erfindungsgemäßen CML-Gatters im Vergleich zu bekannten CML-Gattern, welche die Emitterfolger-Eingangstransistoren nicht enthalten, herabsetzen. Erstens halten die Emitterf olger-Eingangstransistoren 21 und 22 die Basiselektorden 11b und 13b um die zusätzliche Spannung V_fee unterhalb der Spannung des Stromzufühnungsanschlusses 21 (OVoIt). Auf diese Weise liegt

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über den Kollektor-Basis-Strecken der Transistoren 11 und 12 eine um einen Paktor von V, Volt höhere Sperrspannung, so daß die Tendenz zur Sättigung geringer und daher die effektive Kollektor-Basis-Kapazität etwas kleiner ist. Zweitens arbeiten die Emitterfolger-Transistoren 31 und 32 hinsichtlich der Basiselektroden 11b und 13b als Emitterfolger und verursachen eine Verringerung der Basis-Kellektorkapazität und der anderen Kapazitäten der Schalttransistoren 11 und 13 um einen Faktor ß im Vergleich zum Schaltungseingang. Demzufolge ergeben sich höhere Schaltgeschwindigkeiten und weitläufigere Anschaltmöglichkeiten, ohne daß die Schalteigenschaften anderer Gatter, welche die Eingangssignale A und B liefern, beeinträchtigt würden.

Patentansprüche:

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Claims

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U.S.Serial No,: 627 599
Filed: Marcli 51,1967

Patentansprüche

Nach dem Prinzip der Stromumschaltung arbeitende Logikschaltung, mit einem Eingangssignal-Stromschalter,der zwei duale Ausgangsfolger zur Erzeugung komplementärer Ausgangssignale an einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß

tunf'a/if-

als Folge binärer Eingangssignale 14e£#*Ä, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Laststrdnapfad (2o) einen Laststromschalter (15,14) der auf einen binären Eingangssignalzustand anspricht und den gemeinsamen Laststrompfad mit dem ersten Ausgangsanschluß verbindet und bei Ansprechen auf einen anderen binären Eingangssignalzustand den gemeinsamen Laststrompfad auf den zweiten Ausgangsanschluß schaltet.

2· Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalübertragungsschaltung (5o) mit mindestens einem Eingangsspannungsfolger (51.) vorgesehen ist, der an den erster Eingang (24) des Signalstromschalters (11,12) angeschlossen ist, daß ein festes Potential (V *) an den zweiten Eingang (25) des Signalstromschalters (11,12) angeschlossen ist, der auf der Signalübertragungsschaltung (5o) zugeführte binäre Eingangssignale anspricht und komplementäre Ausgangssignale an den beiden Ausgangsanschlüssen (25,26) erzeugt, und daß der LastStromschalter (15,14) zwei jeweils unmittelbar mit den beiden Eingängen des Eingangssignal-Stromschalters (11,12) verbundene Eingänge hat und parallel mit diesem geschaltet wird«

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Λ3. Ί537324

3». . Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangssignalstromschalter einen ersten und zweiten Transistor (11,12),der Laststromschalter einen dritten und vierten Transistor (13»14) enthält, daß die Basiselektroden des ersten und dritten Transistors (11,13) zusammengeschaltet und mit dem Binitrsignalausgang der Signalübertragungsschaltung (3o)verbunden sind, daß die Basen (12b,»14b) den zweiten und vierten Transistors (12,14) zusammengeschaltet sind und an einem Punkt (23) mit einer festen Spannung t^_ref) liegen, daß der Signalstrompfad unmittelbar mit den Emittern (lle,12e) des ersten und zweiten Transistors (11, 12) verbunden ist und weitere, getrennte Strompfade enthält, die mit den Kollektoren (lic,12c)des ersten und zwei-· ten Transistors (11,12) verbunden sind, daß die Emitter (13e» 14e) des dritten und vierten Transistors(13»14) mit dem gemeinsamen Laststrompfad verbunden sind, und daß die Kollektoren (13c»14c) des dritten und vierten Transistors (13,14) mit dem ersten bzw*zweiten Ausgangsanschluß (C,δ) verbunden sind.

4β Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterfolger-Eingangstransistor (31) einer von mehreren Emitterfolger-Eingangstransistoren (31,32) ist,welche in der Signalübertragungsschaltung (3o) enthalten sind und ,; mit ihren Kollektor-Emitter-Strecken parallel geschaltet sind und deren Basen binäre Eingangssignale(A,B) zugeführt werden.

5. Schaltung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet,daß die Transistoren (31,32) den gleichen Leitungstyp haben.

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6. Schaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Signalstrompfad (19) und der gemeinsame Laststrompfad (2o) getrennte Widerstände (19 bzw. 2o)
aufweisen.

7· Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungsquelle (25) jeweils getrennte Ströme durch die Widerstände (19 bzw,2o) liefert.

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