DE1926960A1 - Aktives Zweitor-Schaltungselement - Google Patents

Description

PURDUE RESEARCH FOUNDATION W. Lafayette, Indiana, USA

Aktives Zweitor-Schaltungselement

Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden USA-Anmeldung Ser. No. 732 403 vom 27. Mai 1968 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives Zweitor-Schaltungselement und betrifft insbesondere ein aktives Zwei tor Schaltungselement und seine Kombinationen zur Herstellung von Bauelementen mit beliebig vorgeschriebenen Merkmalen.

In der Elektronik bestand bisher ein grundlegendes Problem sowohl in der Nichtverfiigbarkeit von zum Ausüben einer gewünschten Funktion geeigneten Vorrichtungen oder Bauelementen, als auch in der Nichtverfügbärkeit von zu einer gewünschten Funktion oder Verwendung passenden Vorrichtungen und Bauelementen, Beispielsweise bestand bisher ein grundlegendes Problem bei der Herstellung eines nichtlinearen Widerstandes, einer nichtlinearen Induktivität oder eines nichtlinearen Kondensators mit vorgeschriebener

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Spannung-Stromstärke-(V-I-), Flußverkettung-Stromstärke-(0-I-) oder Ladung-Spannung-(Q-V-)Kurve. Außerdem sind in Verbindung mit integrierten Schaltungen viele Probleme entstanden, zu welchen beispielsweise die Notwendigkeit praktischer induktivitätsloser Schaltungen bzw, Stromkreise gehört. Diese und weitere ungelöste Probleme haben es notwendig gemacht, neue "Bausteine" zu suchen, um die Herstellung von die erforderlichen Merkmale aufweisenden und doch zur Verwendung in beabsichtigter Weise geeigneten Bauelementen oder Vorrichtungen zu ermöglichen.

Die weit verbreitete Anwendung von Computern (Datenverarbeitungs- und elektronischen Rechenanlagen) bei Problemen der Analyse und der optimalen Gestaltung von Schaltungen und der phänomenale Fortschritt in der Technologie der integrierten Schaltungen haben in den letzten Jahren viele bisher als rein akademisch angesehene Schaltungsbeschränkungen beseitigt und auch eingeführt. Beispielsweise ist es jetzt bei Anwendung von Computern möglich, eine Gruppe erforderlicher Schaltungsfunktionen zu spezifizieren und den Computer die optimalen Werte einer Gruppe linearer Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren so auswählen zu lassen,.daß die Abweichungen der sich ergebenden Schaltungsleistung bzw. -arbeitsweise von der Soll-Leistung auf

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ein Mindestmaß herabgesetzt werden. Jedoch kann die sich ergebende optimale lineare Schaltung in Anbetracht der bej grenzten Leistungsfähigkeit oder Brauchbarkeit dieser Ii- ! nearen Schaltungselemente noch weitgehend unzulänglich

j sein, da die Abweichungen noch erheblich sein können. Un-

j ter diesen Bedingungen ist es notwendig, die Klasse zu-

lässiger Schaltungselemente so zu erweitern, daß sie nicht-

■·"■■"

; lineare Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren um-

faßt. Da die Klasse der linearen Elemente eine Untergrup-

j pe dieser größeren Klasse ist, ist klar, daß die optimal gestaltete Schaltung mindestens genau so gut oder besser sein sollte als im Felle von linearen Schaltungselementen. Mit anderen Worten übertrifft bei zwei gegebenen Schaltungen mit der gleichen Topdlogie eine optimale Auswahl nichtlinearer Elemente im allgemeineneine optimale Auswahl linearer Elemente. Umgekehrt sollte bei zwei Schaltungen zur Ausführung₄gleicher Funktionen (von welchen für die eine nichtlineare Bauelemente und für die andere ausschließlich lineare Bauelemente verwendet werden) die nichtlineare Ausführung im allgemeinen eine geringere Anzahl von Schaltungselementen erfordern.

Da die in ihrer natürlichen Form vorliegenden nichtlinearen Bauelemente Kennlinien aufweisen, die durch physikalischen Eigenschaften der die Elemente bildenden Werkstoffe

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bestimmt werden, muß erwartet werden, daß die I-V-, 0-1- und Q-V-Kurven, wie sie für eine optimale Schaltung erforderlich sind, im Handel nicht erhältlich sind. Somit muß, bevor sich eine optimale nichtlineare Schaltung herstellen läßt, ein nichtlinearer Widerstand, eine nichtlineare Induktivität oder ein nichtlinearer Kondensator mit vorgeschriebener I-V-, 0-1-, bzw. Q-V-Kurve zusammengestellt werden, indem man als Bausteine nur handelsübliche Bauelemente verwendet. Dieses fundamentale Problem wird oft als das Problem der Herstellung nichtlinearer Schaltungelemen-. te bezeichnet.

Bevor die integrierten Schaltungen aufkamen, war das Problem der Herstellung nichtlinearer Schaltungselemente fast rein akademisch, da es schwierig war, viele einzelne Bauelemente ohne Herbeiführung eines übermäßigen Störüngsbetrages miteinander zu kombinieren. Darüber hinaus konnte, da üblicherweise aktive Elemente erforderlich sind, der Leistungsverlustbetrag untragbar sein. Selbst wenn diese Schwierigkeiten umgangen werden können, ist die körperliche Größe des zusammengestellten Bauelements zu massig bzw. sperrig. Diese praktischen Erwägungen lassen sich jetzt durch Verwendung integrierter Schaltungen überwinden. Jetzt ist es nicht mehr unrealistisch, an ein aus einigen Dutzenden Widerständen, Zenerdioden und Transistoren hergestellte

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nichtlineares Schaltungselement zu denken, da die endgültige Größe der integrierten Schaltung nicht größer zu sein braucht als die heutigen Einzelteile. Folglich hat die parallele Entwicklung der Techniken einer optimalen Gestaltung von Computern und der Technologie der integrierten Schaltungen das Problem der Herstellung nichtlinearer Schaltungselemente zu einem ziemlich dringenden Problem "gemacht. ;

Zur Herstellung eines nichtlinearen Widerstandes mit vorgeschriebener monotoner I-V-Kennlinie (nomotonic I-V curve) stehen mehrere Techniken zur Verfügung. Jedoch ist über die Herstellung einer nichtlinearen Induktivität oder eines nichtlinearen Kondensators wenig bekannt. Im Gegensatz zu nichtlinearen Widerständen stehen als Grundbausteine nur wenig Typen nichtlinearer Induktivitäten (beispielsweise Eisenkerninduktivitäten) und nichtlinearer Kondensatoren (beispielsweise dielektrische Barium-Titanat-Kondensatoren) zur Verfügung. Die Schwierigkeit wird ferner dadurch vermehrt, daß die meisten dieser Bauelemente einige Hysterese-Eigenschaften aufweisen, die sie also faktisch als Bausteine nutzlos machen.

Die Erfindung führt durch Einführung von linearen aktiven Zweitor-Schaltungselementen und ihren bisher unbekannten

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Kombinationen zur Lösung vieler der jetzt auf dem Gebiete der Elektronik bestehenden Probleme. Durch Verwendung dieser vorgeschriebenen Schaltungselemente lassen sich nichtlineare Bauelemente herstellen, die bisher unerreichbar waren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabelist in der Schaf- -fung- eines—neuartigen.- ~2wei-tos-Ssh-altu-ngserementsr-2iür~Hersteilung nichtlinearer Bauelemente mit bisher unerreichbaren vorgeschriebenen Merkmalen zu sehen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen Zweitor-Schaltungselements zur Herstellung eines vorgeschriebenen Widerstandes, eines vorgeschriebenen Kondensators oder einer vorgeschriebenen Induktivität.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines aktiven linearen Zweitor-Schaltungselements mit einem Paar von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, nicht mehr als zwei gesteuerten Quellen, bei welchen die Endvariable durch eine Funktion der Torvariablen gesteuert wird, und einem Schaltungsaufbau (synthesizin circuitry), der an die gesteuerte Quelle und die Anschlüsse so angelegt ist, daß an diesen Ausgangsanschlüssen ein vorgewähltes Bauelement mit vorige stimmt er Kennlinie (curve characteristics) entsteht. _In

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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. IA, IB und IC eine die Mutatorcharakteristik und -ausführung veranschaulichende Tabelle,

Fig. 2 ein Schaltbild eines L-R-Mutators, Fig. 3 ein Schaltbild eines C-R-Mutators,

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer in den Mutator— Schaltungen verwendeten induktivitätslosen spannungsgesteuerten Stromquelle,

Fig. 5 eine die Zusammensetzung einer nichtlinearen Induktivität durch Anschließen eines nichtli-. nearen Widerstandes an das Tor 2 eines L-R-Mutators veranschaulichende Schaltung,

Fig. 6 graphische Darstellungen der 1-0— bzw. V-£- und 7 ~*

Kurve der Schaltung nach Fig. 5,

Fig. 8 eine die Zusammensetzung eines nichtlinearen

Widerstandes durch Anschließen einer nichtlinearen Induktivität an das Tor 1 eines L-R-Mutators veranschaulichende Schaltung,

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Fig. 9 graphische Darstellungen der 1-0- bzw. I-V- und 10

Kurve der Schaltung nach Fig. 8,

Fig.. 11 eine die Zusammensetzung eines nichtlinearen Kondensators durch Anschließen eines nichtlinearen Widerstandes an das Tor 2 eines C-R-Mutators veranschaulichende Schaltung,

Fig.12 graphische Darstellungen der V-Q- bzw. V-I- und 13

Kurve der Schaltung nach Fig. 11.

In der Erblehre wird man mitunter Zeuge von der Mutation einer "Gattungsart" in eine'andere Gattungsart von völlig anderem Aufbau. In der Schaltungstheorie gibt es drei Gattungsartenj und zwar Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren. Diese Gattungsarten sind durch eine Kurve in der I-V-, 0-1- bzw* Q-V-Ebene gekennzeichnet und demzufolge in ihrem Aufbau grundlegend verschieden, Mit Hilfe einer als Mutator bezeichneten Zweitor—Schaltung ist es möglich, einen nichtlinearen Widerstand, eine nichtlinea— re Induktivität oder einen nichtlinearen Kondensator in einen bzw. eine andere umzuwandeln.

Indem man einen Widerstand, eine Induktivität oder einen Kondensator mit X^ oder X„ bezeichnet, läßt sich formal

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ein "X^-Xp-Mutator" bestimmen, der eine Zweitor-Schaltung ist, die die Eigenschaft hat, daß, sofern ein X^-Bauelement an das Tor 1 angeschlossen wird, das entstehende Bauelement mit zwei Anschlüssen an dem Tor 2 ein Xp-Bauelement wird. Umgekehrt wird, sofern ein Xp-Bauelement an das Tor 2 angeschlossen wird, das entstehende Bauelement mit zwei Anschlüssen an dem Tor 1 ein X^-Bauelement. Es ist zweckmäßig, entsprechend der durch X^ und X_'verkörperten Gattungsarten drei Mutatorklassen zu bestimmen, und zwar einen L-R-Mutator, einen C-R-Mutator und einen L-C-Mutator. Im Nachstehenden wird nur der L-R-Mutator im einzelnen erörtert, da sich die beiden übrigen Klassen mittels eines analogen Verfahrens entwickeln lassen.

Zum Bestimmen eines L-R-Mutators genügt es, jeden Punkt ^Pl ^i» ^i ^ ·*·^η ^^er 0-j~Ii-Eb^ene in einen entsprechenden Punkt P₂(V₂, -I₂) oder P₃C-I₃, V₃) in der I₂-V₂-Ebene umzuwandeln und umgekehrt. Demzufolge gibt es zwei L-R-Mutatortypen, wobei die entsprechenden Zweitor-Schaltungen ausgedrückt werden durchs

Type Is V₁= ^dV2 , I. = -I, (Ml) ¹ dF" 12

#../10

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- ίο -

Im Frequenzbereich (P) wird dieGleichung (Ml) am besten durch die Übertragungsmatrix

■^{P 0}I ~ -(M₂) O 1

dargestellt.

Typ 2; V₁ = -^dI2 /_ I. =JV₅ ^x dt χ <£

Die Gleichung (M3) kann durch die Übertragungsmatrix

(P) = j I (M4)

dargestellt werden.

Durch ein analoges Verfahren läßt sich ermitteln, daß es zwei C-R-Mutator-Typen und zwei L-C»Mutator-Typen gibt. Die vollständige Kennzeichnung die die Symbole für jeden der sechs Mutatortypen sind in Fig. IA, IB und IC dargestellt.

Jeder der Mutatoren läßt sich mit Hilfe entweder einer oder zweier gesteuerter Quellen herstellen, deren Endvariable im allgemeinen durch die Zeitableitung oder das

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- li -

Zeitintegral der Torvariablen gesteuert wird. In Fig. 1 sind für jeden Mutatortyp verschiedene mögliche Ausführungen dargestellt. Die gesteuerten Quellen lassen sich mit Hilfe einer geeigneten Kombination aus aktiven' Bauelementen herstellen, wobei diese Quellen durch Rautensymbole bezeichnet sind, die für gesteuerte Spannungsquellen Plus-Minus-Polaritäten und für gesteuerte Stromquellen Pfeile aufweisen. Jede der in Fig. 1 dargestellten Grundausführungen ist mit Hilfe praktischer Schaltungen nachgebildet worden, wobei für einen L-R-Mutator vom Typ 1 die besten Ergebnisse erzielt wurden durch Nachbildung der Ausführung 4 mit Hilfe der in Fg. 2 dargestellten praktischen Schaltung. Eine im wesentlichen analoge praktische Ausführung eines C-R-Mutators vom Typ 1 ist in Fig. dargestellt. Für beide Schaltungen ist eine spannungsgesteuerte Stromquelle notwendig, die beispielsweise eine Stromquelle "sein kann,, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Zum Nachweis der praktischen Anwendbarkeit von Mutatoren wurden viele Schaltungen versuchsweise konstruiert und geprüft. Fig. 5 zeiget einen an das Tor 2 eine L-R-Mutators vom Typ 1 angeschlossenen typischen nichtlinearen Widerstand, während die Figuren 6 und 7 die 0-1-Kurve bzw. die I-V-Kurve der sich ergebenden Induktivität in graphischer

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Darstellung veranschaulichen. Zum Nachweis, daß ein Mutator in jeder Richtung arbeitet, wird eine nichtlineare Induktivität mit einer 0-1-Hysterese-Kurve gemäß Fig. 9 an das Tor 1 eines Mutators nach Fig. 8 (der der gleiche ist, wie der gemäß Fig. 5) angeschlossen und ihre sich ergebende I-V-Kurve in Fig. 10 dargestellt, in welcher zu Vergleichszwecken diese I-V-Kurve mit der Spannung als vertikale Achse aufgezeichnet ist. Schließlich zeigt Fig. 11 die Mutation eines nichtlinearen Widerstandes in einen nichtlinearen Kondensator mit der gleichen Kennlinie, wie es aus einem Vergleich der graphischen Darstellungen nach Figuren 12 und 13 ersichtlich ist. Da ein LC-Mutator vom Typ 1 einfach ein Gyrator ist, dessen Eigenschaften jetzt wohlbekannt sind, wurde für diesen Mutatortyp keine Aufzeichnung seines Verwendungsbereichs vorgenommen.

Die graphischen Darstellungen nach den Figuren 6, 7, 9, 10, 12 und 13 wurden mit Hilfe besonders konstruierter I-V-, 0-1- und Q-V-Kurvenschreiber erzielt, wobei auf Grund der Frequenzbegrenzung der Arbeitsverstärker die verwendete Frequenz verhältnismäßig niedrig war (etwa 5 kHz). Es ist jedoch hervorzuheben, daß beim Mutator Frequenzbegrenzungen nicht naturbedingt sind, sondern von den Frequanzkurven der aktiven Bauelemente abhängig sind. Demzufolge läßt sich bei Verwendung aktiver Bauelement mit

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hoher Frequenz ein Mutator mit hoher Frequenz (HF-Mutator) herstellen.

Obwohl Mutatoren in erster Linie zur Herstellung nichtlinearer Bauelemente erdacht wurden, besteht ein erhebliches Interesse an der Entwicklung einer linearen Induktivität' durch Anschließen eines linearen Widerstandes an das Tor 2 eines L-R-Mutators, und-die. Vers-Uchsergebnisse haben die Nützlichkeit dieser Bestrebungen bestätigt. Bis jetzt bestand die grundsätzliche Begrenzung in den Frequenzkurven der sich ergebenden induktivität, die sich natürlich durch Verwendung von Hochfrequenz-Mutatoren verbessern lassen. Bei Verwendung der Niederfrequenzkurve sind hochwertige Induktivitäten mit einm viel höheren Q-Wert als bei handelsüblichen Induktivitäten hergestellt wqrden. Auch lassen sich zwei wechselseitige Induktanzen durch Anschließen einer (drei Widerstände enthaltenden) T-Schaltung zwischen zwei L-R-Mutatoren herstellen.

Das neue Bauelement gemäß der Erfindung führt also zu einer Gruppe grundlegender Bausteine zur Herstellung willkürlich vorgeschriebener Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren. Als Ergebnis dessen ist der Bau einer praktischen, nichtlinearen Schaltung nicht mehr ein. rein akademisches Problem.

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009821/U40 ÖfflGWAL INSPECT

Claims (6)

192 6 96Q

Ansprüche

(l.jAktives lineares Zweitor-Schaltungselement, gekennzeichnet durch ein Paar Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, nicht mehr als zwei gesteuerte Quellen, deren Endvariable durch eine Funktion der Toraariablen gesteuert wird, und durch einen vereinigenden Schaltungsaufbau, der an die gesteuerte Quelle und an die Anschlüsse so angeschlossen ist, daß an den Ausgangsanschlüssen ein vorgewähltes Bauelement mit vorbestimmter Kennlinie (curve characteristics) entsteht.

2. Schaltungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endvariable der gesteuerten Quelle durch die Zeitableitung der Torvariablen gesteuert wird.

3. Schaltungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endvariable der gesteuerten Quelle durch das Zeitintegral der Torvariablen gesteuert wird.

4. Schaltungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Quelle eine spannungsgesteuerte Stromquelle ist.

009821/1440 original inspected

5. Schaltungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ! gekennzeichnet, daß die gesteuerte Quelle eine stromstärkegesteuerte Spannungsquelle ist·

j

6. Schaltungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ' gekennzeichnet, daß der vereinigende Schaltungsaufbau an

die gesteuerte Quelle und an die Anschlüsse so angeschlosj sen ist, daß an den Ausgejngsanschlüssen ein vorgewähltes nichtlineares Bauelement mit vorbestimmter Kennlinie entsteht, wenn die Eingangsanschlüsse an ein spezifisches nichtlineares Bauelement angeschlossen werden.

7. Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Bauelement ein nichtlinearer Widerstand mit vorgeschriebener I-V-Kurve ist.

8. Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Bauelement eine nichtlineare Induktivität mit vorgeschriebener 0-I-Kurve ist.

9. Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Bauelement ein nichtlinearer Kondensator mit vorgeschriebener Q-V-Kurve ist.

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-ίδιο. Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vereinigende Schaltungsaufbau bewirkt, daß das hergestellte nichüLneare Bauelement eine vorgewählte I_V-Kurve hat.

11. Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vereinigende Schaltungsaufbau bewirkt, daß das hergestellte nichtlineare Bauelement eine vorgewählte 0-1-Kurve hat.

12. Schaltungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vereinigende Schaltungsaufbau bewirkt, daß das hergestellte nichtlineare Bauelement eine vorgewählte Q_V-Kurve hat.

13. Schaltungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsanschlüsse an ein spezifiziertes Bauelement anschließbar sind, und daß das Schaltungselement das spezifizierte Bauelement an den Ausgangsanschlüssen in ein anderes Bauelement umwandelt.

14. Schaltungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet j daß die spezifizierten Bauelement-e nichtlineare Bauelemente sind, die in andere nichtlineare Bauelement umgewandelt werden.

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009821/1440 ORIGINAL JNSPECTED

15. Schaltungselement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das an die Ausgangsanschlüsse angeschlossene andere (unterschiedliche) Bauelement mit Hilfe des Schaltungselements an den Eingangsanschlüssen in das spezifizierte Bauelement umgewandelt wird.

16. Schaltungselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es ein L-R-Mutator ist in .der Weise, daß eine an das erste Tor angeschlossene Induktivität an dem zweiten Tor in einen Widerstand und ein an das zweite Tor angeschlossener Widerstand an dem ersten Tor in eine Induktivität umgewandelt wird.

17. Schaltungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der L-R-Mutator in dem Frequenzbereich (p) durch die Übertragsmatrix als

^LR.

dargestellt ist.

ρ Ο
O 1

18. Schaltungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der L-R-Mutator im Frequenzbereich (p) durch die Übertragungsraatrix als

0 ρ

1 O

.../18

009821 /1440

dargestellt ist.

19· Schaltungselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es ein C-R-Mutator ist in der Weise, daß ein an das erste Tor angeschlossener Kondensator an dem zweiten Tor in einen Widerstand und ein an das zweite Tor angeschlossener Widerstand an dem ersten Tor in einen Kondensator umgewandelt wird.

20. Schaltungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der C-R-Mutator im Frequenzbereich (p) durch die Übertragungsmatrix als

'CR,

dargestellt ist.

Cp)- =

1 0
O ρ

21. Schaltungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der C-R~Mutator im Frequenzbereich (p) durch die Übertragung sma tr ix als

dargestellt ist.

(P)

O 1
ρ Ο

.../19

0098 2 1

22. Schaltungselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet daß es ein L-C-Mutator ist in der Weise, daß eine an das erste Tor angeschlossene Induktivität an dem zweiten Tor in einen Kondensator und ein an das zweite Tor angeschlossener Kondensator an dem ersten Tor in eine Induktivität umgewandelt wird.

23. Schaltungselement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der L-C-Mutator im Frequenzbereich (p) durch die Übertragung sma tr ix als

*~0 1
1 0

dargestellt ist.

24. Schaltungselement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der L-C-Mutator im Frequenzbereich (p).durch die Übertragungsmatrix als

P O O l/p

dargestellt ist«

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