DE1951295A1

DE1951295A1 - Breitbandverstaerker

Info

Publication number: DE1951295A1
Application number: DE19691951295
Authority: DE
Inventors: Harford Jack Rudolph
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-10-11
Filing date: 1969-10-10
Publication date: 1970-11-26
Also published as: SE359706B; DE1951295B2; DE1951295C3; FR2020377A1; AT306123B; BE740148A; GB1272655A; MY7500092A; NL164714C; ES372211A1; DK142387C; NL164714B; DK142387B; US3628166A; NL6915385A; BR6913152D0

Description

6896-69/H

RCA 60,218

Serial Ho. 766,905

Filed October 11, 1968

RGA-Corporation, Hew York, N.Y.,USA
Breitbandverstärker

Die Erfindung betrifft einen Breitbandverstärker mit einem
in Emitterschaltung liegenden und an der Basis angesteuerten ersten Transistor zum Verstärken von Eingangssignalen, die
von einer Signalquelle geliefert werden, sowie mit einem zweiten und einem dritten Transistor. Insbesondere betrifft die Erfingung einen Breitbandverstärker, der sich besonders gut zur Herstellung als integrierte Schaltung eignet.

Ein Breitbandverstärker gemäß der Erfindung kann insbesondere als die Stufe mit geregelter Verstärkung im Zwischenfrequenzkanal eines mit Transistoren bestückten Fernsehempfängers eingesetzt werden. Die für ein solches Gerät hergestellten Tuner liefern ein Ausgangssignal, welches bei der minimalen Signalstärke, v/enn keine Regelsignale einer automatischen Verstärkungsregelung angelegt werden (Zustand der maximalen Empfindlichkeit), einige Zehntel Millivolt beträgt. Bei maximaler
Si^nalstärke, wenn solche ReG'elsignale (AVR-Signale) angelegt werden (Zustand minimaler Enrpfindlichkeit), erreicht der vergleichbare Wert des Ausgangssignales häufig bis zu 100 Millivolt .

Während der kleinere dieser beiden Werte dem in üblicher Weise in Kaskode liegenden Transistorpatir in der nachfolgenden

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ZF-Stufe mit Verstärkungsregelung' keine Schwiexugkeiten bereitet, v/ird beim Anlegen des größeren Spannungswertes an die beiden Transistoren das verstärkte Ausgangssignal stark verzerrt. Durch eine Dämpfung des an die beiden Transistoren angelegten Signales auf einen annehmbaren Wert im Falle großer EinganGssignaiarnplituden wird diese Verzerrung zwar herabgesetzt, doch würde eine ähnliche Dämpfung der Signale im Falle kleiner Eingangssignalamplituden den Rauschabstand des erzeugten Ausgangssignales verkleinern, da die Hauptquelle des Rauschens, nämlich diejenige des in Emitterschaltung liegenden Kaskodetransistors, praktisch unverändert wirksam bleiben würde. Bei bekannten Schaltungen hat dies zur Folge, daß bei einer Verminderung der Verzerrung das Rauschen beispielsweise im wiedergegebenen Fernsehbild stärker wird.

Diese Nachteile werden weitgehend vermieden, wenn man einen Breitbandverstärker gemäß der Erfindung verwendet, welcher die an einen Transistor angelegten Signale kontinuierlich dämpft, wenn die Signalamplitude diejenige Höhe erreicht hat, bei der andernfalls eine Verzerrung auftreten würde, und welcher diejenigen Signale praktisch nicht dämpft, deren Amplituden von den erwähnten beiden Transistoren ohne Schwierigkeit verarbeitet werden können, und bei denen eine Dämpfung den Rauschabstand herabsetzen würde.

Die Erfindung bezweckt, einen Breitbandverstärker anzugeben, der diese Eigenschaften aufweist.

Die Erfindung schafft demgemäß einen Breitbandverstärker mit einem in Emitterschaltung liegenden und an der Basis ange steuerten ersten Transistor zum Verstärken von Eingangssignalen, die von einer Signalquelle geliefert werden. Ein zweiter Transistor spricht auf die an der Basis des ersten Transistors entwickelte Vorspannung an. Ein dritter Transistor, dessen

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Eingangselektrode mit einer Ausgangselektrode des zweiten Transistors gekoppelt ist, ist in einen Stromkreis mit dem ersten Transistor geschaltet und wird gesperrt, wenn die angelegten Signale einen ersten Auslenkungsbereich.ihrer Amplituden aufweisen. Die Eingangssignalquelle ist mit der Basis des ersten Transistors über eine Kopplungseinrichtung verbunden, v;elche eine Impedanz enthält, die die Eingangssignale über den ersten Auslenkungsbereich der Signalamplituden im wesentlichen ohne Dämpfung an den ersten Transistor anlegt. Der dritte Transistor wird in den Leitzustand gesteuert, wenn die Amplitude der angelegten Signale den ersten. Auslenkungsbereich übersteigt, so daß der zweite und der dritte Transistor zwischen der Signalquelle und der Basis des ersten Transistors eine Gegenkopplungsschleife bilden, welche die Vorspannung an der Basis des ersten Transistors für außerhalb

des ersten Auslenkungsbereich§s liegende Eingangesignal^amplχι .

tuden auf einem bestimmten gewählten Potentialwert Mit.

Die Erfindung soll nun an einek "bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert v/erden, welche*? in der einzigen. Figur der Zeichnung dargestellt ist, \

Der dargestellte Breitbandverstärker enthält zwei in Kaskode geschaltete Transistoren 10 und 12, die als Teile einer integrierten Schaltung ausgebildet sind, welche sich innerhalb des mit einer unterbrochenen Linie dargestellten Rechtecks befindet· Der Emitter des Transistors 10 ist mit dem Kollektor des Transistors 12 gekoppelt, während der Emitter des Transistors 12 an einen Punkt 35 eines Bezugspotentials wie z.B. Hasse für die integrierte Schaltung angeschlossen ist, der mittels einer Kontaktfläche J geschaffen wird.

Die Basis des Transistors 10 liegt an einer Quelle einer Versorgungsspannung +V^j, während an die Basis des Transistors-12

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zu verstärkende Signale angelegt v/erden, wie noch erläutert v/erden wird. Die Eingangs signale, die von dem dargestellten Breitbandverstärker verstärkt v/erden sollen, werden an die integrierte Schaltung über eine Kontaktfläche 5 angelegt, und die Ausgangssignale der Schaltung stehen am Kollektor des Transistors 10 und an einer Kontaktfläche 7 zur Verfugung.

Der Breitbandverstärker besitzt ferner drei als Emitterfolger geschaltete Transistoren 14, 16 und 18, denen jeweils ein Lastwiderstand 20, 22 bzw. 24- zugeordnet ist. Die Kollektoren dieser Transistoren sind gemeinsam an eine Quelle einer Versorgungsspannung +V₂ angeschlossen, während ihre Emitter über ihren jeweils zugeordneten Lastwiderstand mit dem Bezugspotontialpunkt 35» also mit Masse, verbunden sind.

Der Emitter des Transistors 16 ist ferner mit der Basis des Transistors 18 gekoppelt. Der Emitter des Transistors 18 ist außerdem mit der Basis des Transistors 12 verbunden, und die Basis des Transistors 14 ist an die Kontaktfläche 5 für die Eingangssignale angeschlossen.

Der dargestellte"Breitbandverstärker enthält weiterhin ein Netzwerk, mittels welchem Signale vom Emitter des Transistors 14 zur Basis des Transistors 16 gekoppelt v/erden. Im einzelnen enthält dieses Netzwerk zwei Transistoren 26 und 28 und zwei Widerstände 30 und 32. Der Kollektor des Transistors 26 liegt an der Quelle der Versorgungsspannung +Vp, während der Kollektor des Transistors 28 mit äer Basis des Transistors 26 zusammengeschart et ist. Der Kollektor des Transistors-28 ist außerdem an eine Kontaktfläche 9 angeschlossen, wo .an die Halbleiterscheibe, auf der die integrierte Schaltung ausgebildet ist, zu einem weiter unten näher erläuterten Zweck Steuerströme angelegt werden.

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Der Widerstand 30 ist zwischen die Emitter der transistoren 14 und 26 geschaltet und-uer Widerstand J2 liegt zwischen den Basen der Transistoren 12 und 26. Der Emitter des Transistors 26 schließlich ist direkt mit der Basis des Transistors 16 zusamnengeschaltet,und der Emitter des Transistors 28 liegt direkt an Bezugspotentialpunkt 35»

Wenn dor dargestellte Verstärker als die erste ZlP-Verstärkerstufe mit Verstärkungsregelung in einem Farbfernsehempfänger verv/endet wird, uird die Kontaktfläche 5 für die Bingangssignale mittels eines Kondensators 51 mit dem Ausgang des Tuners gekoppelt, der durch die Klemme 53 dargestellt ist» Die Kontakt flache ? für die Ausgangssignale ist mit dem Eingang einer zweiten SF-Verstärkerstufe, nämlich der Klemme 55» und außerdem mittels eines Resonanzkreises 5?» ^©^ auf 5Φ MHz (entsprechend den Normen der Vereinigten Staaten von Amerika) ab— gestin.it ist, und eines Widerstandes 59. mit einer Quelle einer Betriebsspannung +Y-. für die Kaskodetransistoren 10 und 12 gekoppelt.

Vorspannungen für den Transistor 14 werden von einem Spannungsteilernetzwerk mit Widereständen 59» 61, 65 und 65 geliefert, welche in dieser Reihenfolge in Reihe zwischen die Quelle der Spannung +V- und Hasse geschaltet sind. Die Kontaktfläche 5 ist an die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen S3 und 65 angeschlossen.

Die Spannun-ssignale der automatischen Verstärkungsregelung, nachfolgend kurz AVR-Signale genannt, werden über eine Klemme 67 an die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 61 und 65 angelegt. Sie dienen zur Änderung der Vorspannung für den Transistor 14· An jedem Ende des Widerstandes 61 befindet sich ein Ableitkondensator 69 bzw, 71· Eine zusätzliche Quelle einer Steuerspannung +V^ ist über eine Klemme 73 und einen

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Widerstand 75 an die Kontaktfläche 9 angeschlossen, und ein Ableitkondensator 77 verbindet die Kontaktfläche 9 mit Masse» Diese Quelle der Spannung +V„ und der Widerstand 75,' die beide außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet sind, bilden die schon erwähnte Stromquelle., "-mit der der Schwellwert der Dämpfungswirkung eingestellt wird.

B_ei den angegebenen Umgebungsbedingungen reicht die Amplitude der vom !Tuner an die Klemme 53 angelegten Signale charakteristisch von wenigen Zehnteln eines Millivolts bis zu etwa 100 Millivolt· Signale, deren Amplitude in der Hähe der oberen Grenze dieses Bereiches liegt, könnten Sie"Verstärkerstufe aus den in Kaskode geschalteten transistoren und 12 überlasten und infolgedessen verzerrt werden· Bei einem Breitbandverstärker gemäß der Erfindung: wird diese Schwierigkeit Jedoch vermieden.

Wenn beim Betrieb des Verstärkers keine Signale an die Klemme 53 angelegt werden, beträgt die Spannung an der Basis des Transistors 16 bezüglich dem Punkt 35 (Masse) ungefähr +2,1 V, entsprechend dsr Summe der zwischen Basis und Emitter Jedes der Transistoren 12, 16 und 18 abfallenden Spannungen von je-, wells 0,7 V. Die Spannung +V^ und die Widerstände 32 und 75 sind so gewählt·, daß bei diesem Ruhezustand der durch den Widerstand 32 fließende resultierende Stront den transistor 28 in einen Sättlgungszustand bringt, während seine Kollektorspannung den Transistor 26 gesperrt hält.

Werden Eingangssignale mit zunehmender Amplitude angelegt, so wird ein Pegel erreicht werden, bei welchem AVR-Signale auf irgendeine bekannte Weise erzeugt und an die Klemme 67 angelegt werden, um die Signalauslenkung an der Ausgangsklemme 55 des Verstärkers zu stabilisieren. Diese Eegelsignale werden mittels der Spannungsteilerwiderstände 63, 6*?, der Έτβη-

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sistoren 14-, 16 und 18 und des Widerstands 50 von der Klemme 67 zum Transistor 12 übertragen, dessen Leitfähigkeit sie dadurch herabsetzen, daß sie seine Basisvorspannung verkleinern, d.h. negativer machen.

Zur gleichen Zeit werden den Transistor 12 auch die angelegten Eingangssignale über den Transistor 14, den Widerstand 50, den Transistor 16 und den Transistor 18 in dieser Reihenfolge zugeführt. Danach würde eine Folge der zunehmenden Eingangssignalstärke darin bestehen, daß der Verstärkungsfaktor des Transistors 12 weiter sinken viürcle, um die gewünschte Stabilisierung des Ausgangssijnales au gewährleisten, und eine zweite Folge würde darin bestehen, daib der Transistor 28 im Sättigungssustand bleiben würde, bis die übertragenen Verstärkungsregelsignale das Erreichen einer bestimmten Vorspannung am Transistor 12 verursachen würden. Wenn dieser Pegel jedoch erreicht ist, geschieht folgendes:

Erstens wird der Transistor 28 außer Sättigung kommen, so daß seine Kollektor- oder Ausgangsspannung und somit die Basisvorspannung des Transistors 26 ansteigt. Wenn auf Grund dieses Anstiegs der Transistor 26 leitend wird, würde die sich ergebende Herabsetzung der Impedanz, die über die Quelle der Spannung +V₂ zwischen dem Emitter dieses Transistors und Hasse liegt, auf Grund ά-3Τ Spannun^steilerv/irkung in Verbindung uit dem Widerstand 50 das an den Transistor 16 angelegte Signal und somit das »Signal, das an die Basis des Transistors 12 angelegt wird, schwach dämpfen.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die als Emitterfolger geschalteten Transistoren 16 und 18 so arbeiten, daß sie die Impedanz, welche die vom Transistor 14 über den Widerstand 50 übertragenen Signale vorfinden, erhöhen. Der Widerstand 50 wird so gewählt, daß er im Vergleich mit der wirk-

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samen Eingangsimpedanz zwischen der Basis des Transistors 16 und Hasse genügend klein ist, so daß die AVR-Spannung nur wenig gedämpft wird, wenn der Transistor 26 gesperrt ist.

Zweitens wird durch den Spannungsanstieg am Kollektor des Transistors 28 die Impedanz des Transistors 26 herabgesetzt, so daß die gesamte AVH-Spannung so geteilt wird, daß die Gleichspannung an der Basis des Transistors 12 auf einen relativ konstanten Wert stabilisiert wird.

^: Wenn die Amplitude des angelegten Eingangssignal es weiterhin ansteigt, steigt auch das angelegte AVR-Signal weiter an, wird also negativer. Die die Transistoren 16, 18, 26 und 28 und den Widerstand p2 enthaltende Gegenkopplungsschelife dient jedoch zur Stabilisierung der Gleichspannung an der Basis des Transistors 26 und wirkt folglich jeder Änderung entgegen, die durch den Anstieg des AVE-Signales andernfalls in der Basisvorspannung des Transistors 12 bewirkt würde. Dieser Zustand, bei dem die Vorspannung des Transistors 12 konstant gehalten wird, ist vorherrschend, nachdem die Amplitude des Eingangssignals und die AVR-Spannung so weit angestiegen sind, daß der Transistor 28 außer Sättigung kommt.

Wenn die Amplitude des angelegten Eingangssignals weiterhin ansteigt, bewirkt gleichzeitig die an den Transistor 14· angelegte wachsende AVE-Spannung, daß die Spannung am Emitter dieses Transistors weniger positiv wird. Dies hat wiederum einen Anstieg des durch den Widerstand 50 fließenden Stromes zur Folge, wodurch der Transistor 26 stärker leitend wird, und führt zu einer entsprechenden Impedanzhefabsetzung am Emitter* des Transistors 26. Dadurch wird das am Emitter des Transistors 14- erscheinende Signal im Maße dieser Iiapedanzherabsetzung bezüglich des Widerstandswertes des V/iderstands 30 gedämpft, bevor es zur Basis des Transistors 16 übertragen wird, wobei

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das Dänpfungsausmu.3 direkt proportional zur Amplitude des anr;ele,^tjn Eingangs signals ist. Im Ergebnis werden also effektiv die Signalauslenkungon an der Basis des !Transistors 16 und derjenigen des Transistors 18, und, was wichtiger ist, an der Basis des Transistors 12 stabilisiert.

Wenn somit das Eingangssignal eine Amplitude erreicht hat, bei welcher der Transistor 28 außer Sättigung kommt, wird die Regelung der Signal amplitude an der Ausgangsklemme 55> durch den Betrieb des Dämpfungstransistors 26 in Verbindung mit dem Widerstand 30 gesteuert oder reguliert werden. Mit anderen Wörtern 5¹Ur einen ersten Amplitudenbereich angelegter Eingangssignale erfolgt die Regelung im beschriebenen Verstärker mittels der angelegten AVB-Si^nale, welche den Verstärkungsfaktor der Stufe mit dem Transistor 12 herabsetzen, während außerhalb dieses Bereiches die Regelung durch eine Dämpfungswirkung erfolgt, welche ».ie Amplitude der an den Transistor 12 angelegten, zu verstärkenden Signale herabsetzt.

Es i.-ub leicht einzusehen, daß die Abgrenzung zwischen der ersten Ar, von liecelung und dor- zweiten Regelungsart primär und genau durch eine entsprochende Wahl der Quelle der Spannung +V₁, und des './idorstand 75 festgelegt wird, die gemeinsam den Schwellenwert be::timnen oder "hinauszögern", bei welchem der Transistor 2o außer Sättigung kommen wird, Offensichtlich dient fernor dor Emitterfolger bzw. Transistor 14 dazu, die sich auf Grund <)·:Τ Dämpf unijswirkuii^¹ ergebenden Impedanzähderungen gegen die i'?i die Eiii?jan:-jsklonr;ie 53 angeschlossene Schaltungsanordnung zur Zuführung der Sin^ancsaiijnale zu isolieren.

Diene Betriebsweise bietet besondere Vorteile im ZP-Verstärker einer; i'ernrsohömpfängors. Dort v/erden vom Tuner Eingangssignal ο ;.a-;olGjt, deren Amplitude, wie erwähnt, ungefähr von einiron Zohnboln eines Hillivolbs bis zu 100 mV reicht. Damit im

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Ausgangs signal eines Kaskode Verstärkers (z.B.. mit den Transistoren 10 und 12) keine Verzerrung auftritt, sollte., wie man festgestellt hat, der maximale Signalhub an der Basis des in Emitterschaltung liegenden Transistors des Paares (z.B. des, Transistors 12) etwa 10 mV betragen. Bei einem Verstärker gemäß der Erfindung i_st es ohne weiteres möglich, die Dämpfungswirkung hinauszuzögern, bis die Amplitude des an dem Transistor 12 angelegtem Signales diesem Wert von 10 mV erreicht, und zwar durch entsprechende Wahl der Spannung +V und des Widerstandes 75 (geeignete Werte für diese Spannung und für die Widerstände und Kondensatoren der beschriebenen Schaltungsanordnung sind beispielsweise in der Zeichnung angegeben),

Wenn die entsprechenden Eingangssignalamplituden so stark ansteigen, daß diese Grenze von 10 mV überschritten würde·,- so wird die Dämpfungseinrichtung die Amplitude der an den Transistor 12 angelegten Signale aufrechterhalten und eine Verzerrung im erzeugten Ausgangssignal verhindern, l?ür entsprechende Eingangssignale unterhalb dieser Amplitudengrenze erfolgt keine Dämpfung, so daß sich keine Verschlechteruns des Störabstandes im Ausgangssignal ergibt.

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Claims

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Patentansprüche

Breitbandverstärker mit einem in Emitterschaltung liegenden und an der Basis angesteuerten ersten Transistor zum Verstärken von Eingangssignal en, die von einer Signalquelle- geliefert werden, sov/ie mit einen zveLten und einen dritten transistor,dadurch gekennzeichnet,daß der zweite Transistor (28) auf die an der Basis des ersten Transistors (12) entwickelte Vorspannung anspricht; daß der dritte Transistor (26), dessen Eingangselektrode •.lit einer Ausganjselektrode des zweiten Transistors gekoppelt ist, in einen Stromkreis mit dem ersten Transistor geschaltet ist und gesperrt wird, wenn die Amplituden angelegter Signale innerhalb eines ersten Auslenkungsbereiches liegen; daß die Eingangssignalequelle (55) mit der Basis des ersten Transistors über eine Kopplungseinrichtung verbunden ist, welche eine Impedanz (50) enthält, die die Signale über den ersten Auslenkungsbereich der Signalamplituden im wesentlichen ohne Dämpfung an den ersten Transistor anlegt; und daß der dritte Transistor (26) in den Leitzustand gesteuert wird, wenn die Amplitude der angelegten Signale den ersten Auslenkungsbereich übersteigt, so daß der zweite und der dritte Transistor zwischen der Signalquelle und der Basis des ersten Transistors (12) eine Gegenkopplungsschleife (16, 18, 26, 28, 32) bilden, welche die Vorspannung an der Basis des ersten Transistors für außerhalb des ersten Auslenkungsbereiches liegende Eingangssignalamplituden auf einem bestimmten gewählten Potentialwert hält.

2, Breitbandverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dor zweite Transistor (28) für den ersten Auslenkungsbereich der angeleimten Signale in den Sattigungszustand · vorgespannt wird und außerhalb seines Sattigungszustandes

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betrieben wird, wenn die Amplitude der angelegten SIg-/nale diesen ersten Auslenkungsbereich übersteigt.

3. Breitbandverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung (30) für außerhalb'des ersten Auslenkungsbereiclies liegende Signalamplituden mit dem dritten Transistor (26) ein Dämpfungsnetzwerk bildet, welches den zweiten Transistor (28) a.ußer Sättigung bringt und den ditten Transistor in den Leitzustand steuert.

4. Breitbandverstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß eine quelle (67) für Signale einer automatischen Verstärkungsregelung (AVE-Signale) vorgesehen ist, und daß die Kopplungseinrichtung (30) diecer Regelsignale an die Basis des ersten Transistors (12) anlegt und zwar derart, daß das dort herrschende Vox^spannungspotential für den ersten Auslenkungsbereich geändert und bei außerhalb dieses Bereiches liegenden Signalaraplituden stabilisiert wird.

^. Breitbandverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung zusätzlich wenigstens einen vierten Transistor (14) enthält, der als Emitterfolger zwischen die Signalquelle (¹Jo) und die Impedanz (30) geschaltet ist.

6. Breitbandverstärker nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Signalquelle angeschlossene Kopplungseinrichtung zusätzlich einen vierton Transistor (16; 18) enthält, de:-¹ als Emitterfolger zwischen die Impedanz (30) und die Basis des ersten Transistors (12) geschaltet ist.

7. Breitbandverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeicli-

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net, daß die Impedanz (30) und der dritte Transistor (26) ein Dämpfungsnetzwerk bilden, welches über den ersten Auslenkungsbereich der Singangssignalamplituden im wesentlichen wirkungslos ist, so daß die Amplitude der vom ersten Transistor (12) erzeugten Signale primär durch die AVR-3ignale -geregelt wird, und welches für außerhalb des ersten Auslenkungsbereiches liegende Eingangssignalamplituclen derart arbeitet, daß die Amplitude der vom ersten transistor erzeugten Signale primär durch die sich ergebende Dämpfung der Eingangs signale geregelt v/ird.

3. Breitbandverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Transistor (12) ein zusätzlicher Transistor (10) in Kaskode geschaltet ist.

9. Breitbandverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle genannten Transistoren und Kopplungseinrichtungen als integrierte Schaltung auf einem einzigen Halbleiterkörper ausgebildet sind.

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