DE1591211A1 - Schaltung zum automatischen Konstanthalten der Amplitude des Rueckkopplungssignals eines eine Brueckenschaltung enthaltenden RC-Generators - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

793BaBLINGKN 8INDiLFINGIR STRASIK 49 FERNSPRKCHKR (»7031)4613·«

Böblingen, 28. Juli 1967 ne-ha

Anmelderin :

Aktenzeichen der Anmelderin :

Amtliches Aktenzeichen :

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504 Docket 18 286 Neuanm eldung

Schaltung zum automatischen Konstanthalten der Amplitude des Rückkopplungssignals eines eine Brückenschaltung enthaltenden RC-Generators

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum automatischen Konstanthalten der Amplitude des Rückkopplungs signals eines eine Brückenschaltung enthaltenden RC-Generators, welcher das Aus gangs signal der Brückenschaltung nach Durchlaufen eines Differenzverstärkers zugeführt wird und die als Längsglied eine Impedanz fester Grosse enthält, an deren ausgabeseitigem Ende als Querglied eine variable Impedanz angekoppelt ist.

Bei derartigen Schaltungen muss grosse Sorgfalt darauf verwendet werden, dall eine Verzerrung des Signales vermieden wird. NichtXinearitäten in der Schaltung führen zu periodischen Schwankungen der Signalamplitude mit

geringer Frequenz oder zu Verzerrungen, die dadurch bedingt sind, daß die Schaltung zum automatischen Konstanthalten der Signalamplitude nicht richtig arbeitet.

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In solchen Schaltungen wurden üblicherweise eine oder mehrere Dioden, deren Stromfluss gesteuert wurde, als variable Impedanzen verwendet. Zusammen mit einer Transistor- oder Röhrenschaltung würde ein«· Diodenpaar als Nebenschluss einer gegenkoppelnden Impedanz verwendet. Die Wirksamkeit des Nebenschlusses hängt ab von der Impedanz, die das Diodenpaar für ein Signal darstellt. Da die Impedanz der Dioden für ein gegebenes Wechselstromsignal sich umgekehrt proportional mit dem Diodenstrom verändert, kann die Amplitude eines Signals leicht konstant gehalten werden.

Während solche Schaltungen unter bestimmten Bedingungen zufriedenstellend arbeiten, kann sich die Nichtlinearität der Dioden nachteilig auswirken. Wenn Dioden als Nebenschluss für ein Gegenkapplungselement verwendet werden, kann das Anlegen starker Signale, die geeignet sind, die Impedanz einer Diode unter den Wert zu verringern, der durch den steuernden Gleichstrom bestimmt ist, dazu führen, daß starke unkontrollierbare Amplitudenschwankungen auftreten. Diese werden durch die Tatsache verursacht, daß die Dioden für starke Signale geringe Impedanzen darstellen und diese Signale gerade dann nicht dämpfen, wenn diese gedämpft werden müßten.

Darüberhinaus ist es erforderlich, daß der steuernde Gleichstrom, der

aus dem zu stabilisierenden Wechselstromsignal gewonnen wird, noch gesiebt werden muss. Dadurch ergibt sich eine Mindestzeitkonstante, bevor eine Regelung wirksam wird. In einigen Diodenschaltungen erfolgt die Rege-Docket 18 286 009839/0429

I VW ι Α. ι ,

lung aus s er dem nicht symmetrie eh. Während das nicht immer ein Nachteil sein muss, so gibt es doch Anwendungen, wo die Unsymmetrie nicht ■ geduldet werden kann.

Bisher wurden die Forderungen nach minimaler Verzerrung stabilen Arbeiten« und symmetrischer Regelung nur von komplizierten und aufwendigen Schaltungen erfüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und betriebesichere Schaltung zum automatischen Konstanthalten der Amplitude des Rückkopplungesignales eines RC-Generators, der eine Brückenechaltung enthält, anzugeben, welcher Schaltung das Ausgange signal der Brückenschaltung nach Durchlaufen eines Differenzverstftrkers zugeführt wird und die als Llngsglied eine Impedanz fester Grosse enthält, an deren ausgangsseitigem Ende als Querglied eine variable Impedanz angekoppelt ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als variabfle Impedanz eine Serienschaltung aus einem ersten Transistor! mit einer ersten Diode vorgesehen ist, deren zweite Elektrode an das Bezugspotential angeschlossen ist und dadurch, daß der Verbindungspunkt von E-mitter und Diode über einen Kondensator mit dem ausgangsseitigen Ende des Längsgliedes verbunden ist.

Nach inem weiteren Merkmal der Erfindung ist parallel zu dem Stromweg, O

O «JE

Φ der aus der Basisemitterstrecke des ersten Transistors und der damit in

*** Reihe liegenden Diode besteht, ein zweiter Kondensator angeordnet, dessen O Spannung den Strom durch den Transistor und damit den Wert der Impedanz ^₀ des Quergliedes bestimmt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die an die Basis des ersten Transistors angeschlossene Elektrode

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des zweiten Kondensators mit einer zweiten Diode verbunden ist, über die dem Kondensator Ladestrom zugeführt wird und deren zweite Elektrode an den Verbindungspunkt des Kollektors eines weiteren Transistors mit dem Kollektowiderstand angeschlossen ist, dessen Emitter mit dem Bezugspotential verbunden ist.

Ein'weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Basis des zweiten Transistor ausser über den Basiswiderstand mit dem einen Pol der Betriebsspannungsquelle über eine dritte Diode mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, durch dessen Abgriffepannung die dritte Diode gesperrt wird und daß dem Abgriff dee Spannungsteilers über einen dritten Kondensator das Konstant zu haltende Rückkopplungs signal zugeführt wird.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der genaueren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen, von denen zeigen :

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Oszillators, bei

dem die erfindungsgemässe Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung verwendet wird,

Fig. 2 das Schaltbild der erfindungsgemässen Schal

tung zur automatischen Verstärkungsregelung.

Der in Fig. 1 dargestellte bekannte RC-Generator dient dazu, ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz von dem Wert eines Bauelementes in einer selbsterregten Brückenschaltung abhängt.

An die Ausgangsklemmen 1 und 2 des Oszillators ist die Last 3 angeschlossen. Weiterhin sind die Ausgangsklemmen 1 und 2 mittels der Rückkopplung sschleife 7 mit den Eingangsklemmen 4 und 5 der Brücken Schaltung 6 verbunden. An der Ausgangsklemme 8 der Brückenschaltung ist ein in der Amplitude veränderliches Signal vorhanden, das vom Verhältnis der Werte der Widerstände 9 und 10 abhängt. In der dargestellten Schaltung ist der Widerstand 10 veränderlich. Der Wert des Widerstandes' 10 kann z.B. von der Temperatur, dem Druck oder einer anderen Veränder-

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lichen abhängig sein. Die Signalamplitude an der Brückenausgangeklemme 8 ist daher eine Funktion der Veränderlichen, die auf den Widerstand 10 einwirkt. Das Signal an der Ausgangsklemme 8 ist in Phase mit der Speisespannung für die Brückenschaltung, die dar en Eingangsklemmen 4 und 5 zugeführt wird. An der Ausgangsklemme 11 liefert die Brückenschaltung ein Aus gangs signal, das gegenüber der den Eingangsklemmen 4 und 5 zugeführten Speisespannung phasenverschoben ist. Der Widerstand 12 und der Kondensator 13 sind so dimensioniert, daß bei der Nennfrequenz und bei gleichen Werten der Widerstände 9 und 10, die an den Ausgangsklemmen 8 und 11 abnehmbaren Spannungen eine Phasenverschiebung von 90 gegeneinander aufweisen. Die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 14, 15 und stellt die Vektorsumme der phasenverschobenen und der gleichphasigen Komponente dar. Das Verhältnis der Werte der Widerstände 14 und 15 ist gleich dem Verhältnis der Nennwerte der Widerstände 9 und 10. Da dem Eingang 17 des Differenzverstärkers eine gleichphasige Signalkomponente zugeführt wird, die gleich gross ist wie die beim Nennwert des Widerstandes 10 am Eingang 19 anliegende gleichphasige Komponente, heben sich diese gleichphasigen Komponenten im Differenzverstärker 18 auf. In diesem Fall weist das Signal an der Ausgangsklemme 20 des Verstärkers eine Phasenverschiebung von 90 auf.

Die Arbeitsweise der Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung 21 wird im einzelnen später erörtert werden, da das Verständnis der generellen

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Arbeiteweise des Oszillators eine Vorbedingung für die Beschreibung dieses Teils der Schaltung ist. Unter der Annahme, daß die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung 21 überbrückt ist, sorgt der Phasenverschieber 22 bei der Nennfrequenz für eine weitere Phasenverschiebung von 90 . Das Eingangssignal des Verstärkers 23 ist daher um 180 gegenüber dem Ausgangssignal an den Ausgangsklemmen 1 und 2 phasenverschoben. Der Verstärker 23 verursacht eine weitere Phasenverschiebung von 180 , so daß die Bedingungen für ein dauerndes Schwingen erfüllt sind.

Es wird nun angenommen, daß der Wert des Widerstandes 10 als Folge .einer Druckänderung oder einer anderen Bedingung, die auf den Widerstand einwirkt, geändert wurde. Da das Verhältnis der Widerstände 9 und 10 nun von dem Verhältnis der Widerstände 14 und 15 abweicht, sind auch die phasengleichen Komponenten an den Eingängen 17 und 19 nicht mehr gleich. Ale Folge davon ist das Aus gangs signal , die Vektor summe der Komponente mit einer Phasenverschiebung von 90 und der gleichphasigen Komponente, die jetzt vorhanden ist. Der Phasenwinkel der Aus gangs spannung des Differenzverstärkers 18 wird daher grosser oder kleiner als 90 sein, abhängig von der Richtung der.Änderung des Widerstandes 10.

Die Frequenz der Schwingung ändert sich dabei, da die Forderung nach einer Gesamtphasenverschiebung von 360 weiterhin erfüllt sein muss.

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Die Frequenz der Schwingung verschiebt sich zu einem neuen Wert, bei dem die notwendige Phasendrehung von 180 des Aus gange signale s des Phasenschiebers 22 gegenüber dem Aus gangs signal der Brückenschaltung 6 gewährleistet ist.

Betrachtet man nun die Schaltung zur automatischen Verstärkung!!,regelung und die Notwendigkeit, die Amplitude der der Brückenschaltung zugeführten Speisespannung konstant zu halten, so kann man sehen, daß der Phasenwinkel des Ausgangssignales des Differenzverstärkers 18 von der Grosse der Amplituden der an den Eingängen 17 und 19 anliegenden Signale abhängt. Da diese veränderliche Phasenverschiebung im wesentlichen die Frequenz der Schwingung bestimmt, kann jede auftretende Amplitudenverzerrung ebenfalls eine Phasenverschiebung zur Folge haben, die ihrerseits eine weitere Frequenzverschiebung bewirkt. Es dürfte möglich sein, solche amplitudenbedingten Phasenverschiebungen zu vermeiden, in dem man die Schaltungen so bemißt, daß im gesamten Aussteuerungsbereich keine Nichtlineftritäten oder andere Verzerrungen auftreten. Eine solche Lösung wäre jedoch, selbst wenn es möglich wäre, die Schaltung entsprechend auszulegen, nicht praktikabel,

Die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung stellt nun die naheliegende Lösung dieses Probleines dar. Jedoch ist das Erfordernies,

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daß die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung keine . Phasenverschiebung in das System hineinbringen darf, mit den üblichen Schaltungen zur automatischen Verstärkungsregelung nicht leicht zu verwirklichen. Man wird zugeben, daß eine durch die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung bedingte Phasenverschiebung, die je nach dem Signal verschieden ist, die Beziehung zwischen dem Wert des Widerstandes 10 und der Frequenz der Schwingung zerstören würde.

Darüberhinaus muss die Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung im normalen Arbeitsbereich frei von Instabilitäten oder Nichtlinearitäten sein, da diese die gewünschte Beziehung zwischen dem Wert des Widerstandes 10 und der Frequenz der Schwingung zerstören würden. Da im normalen Arbeitsbereich die Arbeitsweise der Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung in erwünschter Weise linear ist, ist es ebenfalls wünschenswert, daß eine Form der Begrenzung für den Fall eingeführt wird, daß der normale Arbeitsbereich überschritten wird. Dies unterstützt die schnelle Erholung des Systems und hält die Störung möglichst klein.

Diese Erfordernisse von der Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung nach Fig. 2 erfüllt. Um die Amplitude der der Brückenschaltung zugeführten Speisespannung zu messen, ist eine Eingangsklemme 24 mit der Rückkopplungsschleife 7 verbunden. Die Eingangsklemme 25 ist über den Widerstand 27 mit der Ausgangsklemme 26 verbunden. Da der Widerstand 27 in Reihe zu einem von dem zu regelnden Signal durchlaufenen Strompfad

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liegt, kann eine automatische Verstärkungsregelung dadurch erreicht werden, daß ein Zweig mit steuerbarer Impedanz dem Widertand 27 an das ausgangsseitige Ende des Widerstandes 27 angeschlossen wird, um an diesem Widerstand einen veränderlichen Signal Spannungsabfall hervorzurufen. Die Steuerung der Impedanz dieses parallel zum Ausgang liegenden Zweiges wird in Abhängigkeit von der an der Eingangsklemme 24 gemessenen Signalamplitude vorgenommen. Ein Kondensator 28 verbindet die Rückkopplungsschleife 7 mit einem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 29 und 30, der den Zweck hat, eine Vergleichsspannung zu Eefern. Falls eine einstellbare Vergleichsspannung gewünscht wird, kann natürlich der eine oder andere der Widerstände 29 bzw. 30 veränderlich gemacht werden. Die Widerstände 29 und 30 bilden einen Spannungsteiler, an dem «lie die Bezugs-Vor spannung für die Kathode der Diode 31 abgegriffen wird, die dann in Sperr-Richtung vorgespannt ist. Der Transistor 32 ist vorgespannt, daß er leitet. In diesem seinem ersten Zustand fliesst der Strom durch den Widerstand 33 in die Basis 34. Der Wert des Widerstandes 33 ist so gewählt, daß ein hinreichend grosser Basisstrom fliessen kann, so daß der Transistor 32 im Sättigungsbetrieb arbeitet, bei dem zwischen dem Emitter 35 und dem Kollektor 36 eine sehr kleine Spannung besteht. Die kleine Spannung am Kollektor 36 hält den Verbindungspunkt des Lastwiderstandes 37 und der Diode 38 im wesentlichen auf Massepotential. Daher fliesst kein Strom über die Diode 38 in den Integrationskondensator 39. Da, wie erwähnt, die Diode 38 in Sperr-Richtung vorgespannt ist, kann auch kein Strom in der entgegengesetzten Rich-Docket 18 286

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lung fixe β »en. Um einen Weg für das Entladen des Kondensators 39 vorzusehen, ist ein Widerstand 40 dem Kondensator 39 parallel geschaltet. Der Wert des Widerstandes 40 ist so bemessen, daß eine zur Aufladekurve symmetrische Entladekurve erreicht wird, wobei der Widerstand, der durch nie Verbindung mit der Basis 41 des Transistors 42 bedingt ist, mit berücksichtigt wurde.

Da die Spannung der Rückkopplunge schleife 7 eine Wechselspannung ist, gibt es eine Zeitspanne, in der der momentane Amplitudenwert des Sigtmls negativ ist, bezogen auf das Bezugspotential, das durch die Widerstände 29 und 30 festgelegt ist. Während dieser Zeitabschnitte wird die Diode 31 in Durchlassrichtung betrieben, wodurch der durch den Widersland 33 flieβsende Strom nicht mehr zur Basis 34 des Transistors flieset. Der Transistor 32 wird dadurch in den Sperrzustand umgeschaltet, der bewirkt, daß der Strom durch den Lastwiderstand 37 und die Diode 38 in den Kondensator 39 flies st. Das Zeitintervall, während dessen der Transistor sperrt, wird durch die Zeitspanne bestimmt, in der die Diode 31 in Durchlassrichtung gepolt ist. Dies ist wiederum abhängig von der Bezugs spannung, die durch die Widerstände 29 und 30 bewirkt wird, und von der Amplitude des Wechselspannungssignales auf der Rückkopplungsschleife 7. Wenn die Amplitude der Signal wechselspannung grusser wird, wird auch das Zeitintervall grosser, in dem die Diode 31 in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Dmaentsprechend nimmt die Breite der Stromimpulse zu, die über den

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Widerstand 37 in den Kondensator 39 fliessen. Da der Kondensator 39 dazu dient, diese Impulse zu integrieren, erhöht ein längerer Impuls die momentane Spannung am Kondensator, die einer Steuerelektrode, ζ. Β. zur Basis 41 des Transistors 42 zugeführt wird. Die Wirkung der erhöhten Spannung an der Basis 41 besteht nun darin, daß der das in Serie geschaltete Netzwerk aus dem Transistor 42 und der Diode 45 durchflies sende Strom zunimmt. Der Widerstand 47 begrenzt den Stromfluss durch Transistor 42 auf einen zulässigen Wert. Der Kondensator 46 kann einen wesentlich grösseren Kapazitätswert besitzen als der Kondensator 39. Er verbindet das ausgangeseitige Ende des Widerstandes 27 mit dem in Serie geschalteten Netzwerk, und zwar an einem Verbindungspunkt des Transistors 42 mit der Diode-45.

Die Signalab Schwächung im Widerstand 27 ist eine Funktion der Impedanz, die von dem Netzwerk einschliesslich des Kondensators dargestellt wird. Da der Kapazitätswert des Kondensators 46 festgelegt ist und die Impedanz im Arbeitsbereich sehr klein ist, ist die Abschwächung des Signals durch den Widerstand der Serienschaltung, vom Kondensator 46 aus gestehen, bestimmt. Der Blindwiderstand des Kondensators 46 sollte viel kleiner sein, als der kleinste Widerstand von Transistor und Diode, um die Phasenverschiebung möglichst gering zu halten. Es sei bemerkt, daß der Transistor 42 und die Diode 45 gleichspannungsmässig in Serie geschaltet sind, jedoch die Basisemitterdiode des Transistors 42 und die Diode 45 wechselspannungsmassig parallel geschaltet sind. Im normalen Arbeitsbereich ist die Grosse

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der Impedanz der Serienschaltung aus dem Transistor 42 und der Diode umgekehrt proportional zum Stromfluss. Daher erzeugt eine grössere Amplitude des Signals in der Rückkopplungs schleife 7 breitere Stromimpulse des Transistors 32, die ihrerseits die Spannung an der Basis 41 anheben. Dadurch nimmt der Stromfluss durch den Kollektor 43, Emitter und die Diode 45 weiter zu. Die sich daraus ergebende kleinere Impedanz dient dazu, den Signalspannungsabfall an dem Widerstand 27 zu vergrössern. Das wiederum verkleinert die Eingangs spannung des Phasenschiebers 22 und des Verstärkers 23 (Fig. 1) und damit das Ausgangs signal des Oszillators an den Ausgangsklemmen 1 und 2 und demzufolge auch die Signalspannung in der Rückkopplungs schleife 7, die die Speisespannung für die Brückenschaltung darstellt. Auf diese Weise wird diese Spannung auf den richtigen Wert gebracht. Für den Fall, daß die Signal spannung der Rückkopplungs schleife 7 au s φ er ordentlich gross wird, wird auch die Signalspannung, die dem Verbindungspunkt des Transistors 42 und der Diode 45 zugeführt wird, entsprechend gross. In diesem Fall arbeiten die Basis-Emitterdiode des Transistors 42 und die Diode 45 als Amplitudenbegrenzer zusammen. Während dieses Arbeite zustande s dient der Strom, der von dem Kondensator 39 geliefert wird, als Basisstrom für den Transistor 42, um einen verstärkten Stromfluss durch den Kollektor 43 zu verursachen. Gleichzeitig dient der Kondensator 39 dazu, die Basis 41 an Masse zu legen; er besitzt daher eine zweifache Funktion.

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Die Verbindung des Kondensators 39 mit der Basis des Transistors 42 erlaubt die Verwendung eines viel kleineren Kondensators als es sonst der Fall wäre, da der Kondensator 39 nicht direkt den Strom für den Kondensator 46 liefern muss. Das bedeutet, daß im wesentlichen eine Zeitkonstante gewählt werden kann ohne Rücksicht auf den Strom, der von dem Kondensator 39 geliefert werden muss. Die Anforderungen an den Filterkondensator bezüglich des Stromes in bekannten Schaltungen sind derart, daß kleine Kondensatoren nicht benutzt werden können, obwohl eine kleine Zeitkonstante für die Arbeitsweise der automatischen Verstärkungskontrolle nötig ist.

Die Nennfrequenz der Schaltung ist 1000 Hz. Die einzelnen Bauelemente der Schaltung nach Fig. 2 haben folgende Werte :

Widerstand 27 1 K

Kondensator 28 0, 1 /uF

Widerstand 29 20 K

Widerstand 30 3, 9 K

Widerstand 33 100 K

Widerstand 37 20 K

Kondensator 39 10/u F

Widerstand 40 10 K

Kondensator 46 33 ,uF ,

Widerstand 47 1 K

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Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltung zum automatischen Konstanthalten der Amplitude

des Rückkopplungssignals eines eine Brückenschaltung enthaltenden RC-Generators, der das Ausgangssignal der Brückenschaltung nach Durchlaufen eines Differenzverstärkers zugeführt wird, und die als Längsglied eine Impedanz fester Grosse enthält, an deren ausgabeseitigem Ende als Querglied eine variable Impedanz angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Impedanz aus der Serienschaltung eines ersten Transistors (42; Fig. 2) mit einer ersten Diode (45) besteht, deren zweite Elektrode an das Bezugspotential angeschlossen ist, und daß der Verbindungspunkt von Emitter und Diode über einen Kodensator (46) mit dem ausgangsseitigen Ende (26) des Längsgliedes (27) verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Stromweg, der aus der Basis-Emitter strecke des ersten Transistors und der damit in Reihe liegenden Diode (45) besteht, ein zweiter Kondensator (39) angeordnet ist, dessen Spannung den Strom durch den Transistor und damit den Wert der Impedanz des Quergliedes bestimmt.

3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die an die Basis des ersten Transistors angeschlossene Elektrode

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des zweiten Kondensators mit einer zweiten Diode (38) verbunden ist, über die dem Kondensator Ladestrom zugeführt wird und deren zweite Elektrode an dem Verbindungspunkt des Kollektors eines weiteren Transistors (32) mit dem Kollektorwiderstand angeschlossen ist, dessen Emitter mit dem Bezugspotential verbunden ist.

4. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Basis des zweiten Transistors ausser über den Basiswiderstand (33) mit dem einen Pol der Betriebsspannungsquelle (+12V) über eine dritte Diode (31) mit dem Abgriff eines Spannungsteilers (29, 30) verbunden ist, durch dessen Abgriffspannung die dritte Diode gesperrt wird und dass dem Abgriff des Spannungsteilers über einen dritten Kondensator (28) das konstantzuhaltende Rückkopplungssignal zugeführt wird.

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