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Die
Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung
für ein
Niederfrequenzsignal nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung
in der Form eines ICs mit einem externen Kondensator für ein tragbares
Tonwiedergabegerät
wie ein Magnetband-Abspielgerät
oder ein tragbares CD-Abspielgerät.
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Die üblichen
Stereo-Kopfhörer,
tragbaren Tonband- bzw.
Kassetten-Abspielgeräte
für DCCs und
DATs und die tragbaren Platten-Abspielgeräte für MDs und CDs werden meistens
mit einer oder zwei Batterien (worunter im vorliegenden Fall auch
wiederaufladbare Batterien, d.h. Akkus verstanden werden) betrieben.
Die Versorgungsspannung für
die Niederfrequenzschaltungen liegt daher in der Regel bei 1,2 V
bis höchstens
2,4 V. Mit einer Batterie bzw. mit einem Batteriesatz sollte außerdem eine
möglichst
lange Laufzeit erhalten werden.
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Die
genannten Geräte
sollen möglichst
kompakt und dünn
sein und doch eine hohe Tonqualität und eine große Leistung
im Niederfrequenzband aufweisen. Die bekannten Schaltungen sind
daher mit einem Niederfrequenz-Zwischen- oder Zusatzverstärker versehen,
um das Niederfrequenzband anzuheben.
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Die 6 der
Zeichnung zeigt einen bekannten IC-Schaltkreis für eine Niederfrequenz-Ausgangsschaltung
IC 1 mit einem Leistungsverstärker 4 mit einer unsymmetrischen
Ausgangsstufe, an die ein externer Ausgangs-Koppelkondensator (Ausgangskondensator)
Co angeschlossen ist. Bei Stereogeräten sind zwei solcher Schaltungen
für die
beiden Kanäle
vorzusehen. In der 6 ist nur eine Schaltung, für den rechten
oder linken Kanal, gezeigt.
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In
der Schaltung der 6 ist der Ausgangskondensator
Co extern an den Ausgangsanschluß 6 der Schaltung
IC 1 angeschlossen. Wenn die niedrigste wiederzugebende
Tonsignalfrequenz fL bei zehn und einigen Hertz liegt, ist bei einer
solchen Schaltung und einem Innenwiderstand RL eines Lautsprechers 2 im
Bereich von 4 Ω bis
32 Ω ein
Kondensator von 330 μF
bis 3300 μF
erforderlich.
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Das
Ausgangssignal des Operationsverstärkers (OP) 3 des Leistungsverstärkers 4 wird über einen
Rückkoppelwiderstand
Rf zum negativen Eingang des Operationsverstärkers 3 zurückgeführt, an den
ein Bezugs-Vorspannungswiderstand Rs angeschlossen ist. In der 6 bezeichnet
das Bezugszeichen 5 den Eingangsanschluß des ICs 1, 7 die Quelle
für das
Eingangssignal und 8 einen externen Koppelkondensator auf der Eingangsseite.
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Die
Kapazität
für den
Ausgangskondensator Co ergibt sich aus der folgenden Gleichung: fL = 159 × 103/RL × Co
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Die
Ausgangsspannung Vo der Schaltung nach dem Ausgangskondensator Co
wird durch die folgende Gleichung bestimmt: Vo
= sCoRL × Vp/(1
+ sCoRL), wobei s = jω ist
und Vp die Spannung am Ausgangsanschluß 6 des IC 1.
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Bei
einem tragbaren Tonwiedergabegerät kann
die Unterbringung des Ausgangskondensators Co zu einem Problem werden,
besonders dann, wenn das Gerät
dünn sein
soll, da sowohl die Durchbruchspannung wie auch die Kapazität eines
Elektrolytkondensators proportional zu dessen Größe (Volumen) sind. Wenn die
Kapazität
des Ausgangskondensators 100 μF übersteigt,
kann er daher nicht mehr in die Schaltung IC 1 eingebaut
werden. Wenn andererseits die Kapazität des Ausgangskondensators
Co so klein gemacht wird, daß der
Kondensator in die Schaltung IC 1 eingebaut werden kann,
reicht der Niederfrequenzanteil der von Kopfhörern usw. wiedergegebenen Töne möglicherweise
nicht aus, auch wenn der Niederfrequenzbereich angehoben wird.
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Im
Vergleich zu einem Tonwiedergabegerät in der Art einer Stereoanlage,
bei der weder die Größe der Schaltungen
noch die zur Verfügung
stehende Versorgungsspannung besonders eingeschränkt ist, wird das tragbare
Tonwiedergabegerät
gewöhnlich mit
einer Batterie geringer Spannung betrieben. Man ging deswegen bisher
davon aus, daß das
tragbare Gerät
einfach eine geringere Tonqualität
besitzt. Gegenwärtig
besteht jedoch die Tendenz, auch für tragbare Geräte eine
hohe Tonqualität
zu fordern. Aus den obigen Gründen
läßt sich
die geforderte hohe Tonqualität
bei einem mit geringer Spannung betriebenen tragbaren Gerät jedoch
praktisch kaum erreichen.
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DD 132 225 offenbart eine
Verstärkerschaltung
für ein
tragbares Tonwiedergabegerät
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Bei
der bekannten Schaltung ist der Verstärker zweistufig, wobei ein
den Verstärkungsfaktor
bestimmender Rückkoppelwiderstand
vom Ausgang der zweiten Stufe auf den negativen Eingang der ersten Stufe,
weitere Schaltungselemente dagegen auf den Verbindungspunkt zwischen
den beiden Verstärkerstufen
rückgekoppelt
sind. Dadurch soll im Wiedergabebetrieb eine niedrige Frequenzkorrektur
bei frequenzunabhängiger
Verstärkung
erzielt werden.
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Aus
U. TIETZE, Ch. SCHENK "Halbleiter-Schaltungstechnik", 3. Auflage, Springer-Verlag 1974,
Seite 253, insbesondere 10.67, ist
eine Verstärkerschaltung
bekannt, die die im ersten und im dritten Absatz des Anspruchs 1
angegebenen Schaltungselemente enthält. Dort handelt es sich jedoch
um einen PID-Regler, bei dem die oben genannte Aufgabe nicht besteht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung
zu schaffen, mit der sich Tonsignale wiedergeben lassen, bei denen
die Tonqualität
im Niederfrequenzbereich auch dann gut ist, wenn ein kleiner Ausgangskondensator verwendet
wird.
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Diese
Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1
erfindungsgemäß mit einer
Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung
gelöst.
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Erfindungsgemäß ist es
somit möglich,
den Niederfrequenzbereich der Niederfrequenz-Verstärkerschaltung
zur Seite niedrigerer Frequenzen hin dadurch zu erweitern, daß die Werte
für den
ersten und den zweiten externen Kondensator so gewählt werden,
daß sich
die Zeitkonstanten derart verhalten, daß die. Abnahme der Niederfrequenzverstärkung aufgrund
der Verkleinerung des ersten Kondensators im wesentlichen durch
ein Ansteigen der Niederfrequenzverstärkung aufgrund der Rückkoppelschleife aus
dem zweiten Kondensator und dem Widerstand aufgehoben wird.
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Der
Ausgangskondensator kann daher in diesem Fall einen kleinen Wert
haben, aus dem sich eine abgeschwächte Verstärkung im Niederfrequenzbereich
ergibt. Die Grenzfrequenz im Niederfrequenzbereich kann mit anderen
Worten auf einen höheren
Wert gesetzt werden als bei der herkömmlichen Schaltung, so daß als externer
Ausgangskondensator ein kleiner Kondensator verwendet werden kann.
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Zum
Beispiel ist es möglich,
für den
ersten Ausgangskondensator eine Kapazität von 100 μF oder weniger vorzusehen, was
einen Bruchteil des Wertes für
den Ausgangskondensator der herkömmlichen
Schaltung darstellt, wenn als zweiter Kondensator ein kleiner Kondensator
mit 0,01 μF
bis 0,33 μF hinzugefügt wird,
auch wenn die kleinste wiederzugebende Frequenz fL wie üblich auf
zehn und einige Hertz eingestellt ist.
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Im
Ergebnis ist es möglich,
als Ausgangskondensator einen Kondensator mit einer Größe zu verwenden,
die es ermöglicht,
den Kondensator in ein kompaktes und dünnes tragbares Gerät einzubauen,
wobei das Gerät
trotz der kleinen Kapazität des
Ausgangskondensators aufgrund der Korrektur des Übertragungsverhaltens durch
den zweiten Kondensator sehr gute Niederfrequenz-Wiedergabeeigenschaften
aufweist.
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Die
erfindungsgemäß auf der
Ausgangsseite der Schaltung vorgesehenen Kondensatoren lassen sich
von ihrer Größe her sehr
gut mit der integrierten Verstärkerschaltung
kombinieren, so daß sich
die erfindungsgemäße Schaltung
besonders für
den Einbau in kompakte, flache, tragbare Tonwiedergabegeräte eignet.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung, die
als Ausgangsschaltung für
ein batteriebetriebenes tragbares Tonwiedergabegerät dient;
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2 eine Darstellung der Anhebung im Niederfrequenzbereich
durch die Schaltung der 1, wobei die 2(a) den Verlauf der Ausgangsspannung der Schaltung
und den der Eingangsspannung eines Lautsprechers, der als Last dient,
und die 2(b) den Verlauf der Gesamtverstärkung des Tonwiedergabegerätes zeigt;
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3 ein
Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung
für ein
Tonwiedergabegerät;
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4 die
Verringerung der Niederfrequenzverstärkung als Folge des Innenwiderstandes
des Ausgangskondensators;
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5 eine
Darstellung der Unterschiede in der Verstärkung bei den Geräten der 3 und 1;
und
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6 ein
Blockschaltbild einer herkömmlichen
Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung,
die als Ausgangsschaltung für
ein batteriebetriebenes Tonwiedergabegerät dient.
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In
der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine
Ausgangsschaltung in der Form einer integrierten Schaltung (IC),
die als Ausgangsstufe einen Leistungsverstärker 11 mit einem
unsymmetrischen Operationsverstärker 3 enthält, das
Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Eingangsanschluß der Ausgangsschaltung 10 und
das Bezugszeichen 13 einen Ausgangsanschluß davon.
Der Operationsverstärker 3 umfaßt einen
ersten Rückkoppelwiderstand
Rf mit einem Wert von 100 kΩ und
einen Bezugs-Vorspannungswiderstand Rs mit einem Wert von 2 kΩ. In der 1 sind
im übrigen
gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie in der eingangs
bereits erläuterten 6 versehen.
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Der
Leistungsverstärker 11 weist
einen zweiten Rückkoppelwiderstand
Ra mit einem Wert von 43 kΩ auf,
der zwischen einen zweiten ausgangsseitigen Anschluß 14 der
integrierten Schaltung und dem negativen (-) Eingang (negativen
Rückkoppelanschluß) des Operationsverstärkers 3 geschaltet
ist. Ein Schicht- oder Tantalkondensator (Elektrolytkondensator)
Ca mit 0,033 μF
ist als externer Kondensator zwischen den Ausgangsanschluß 13 und
den Anschluß 14 der
Ausgangsschaltung 10 geschaltet, und zwischen den Ausgangsanschluß 13 und
einen Lautsprecher 2 (zum Beispiel einen Kopfhörer) ist
als Ausgangskondensator ein Elektrolytkondensator Co mit 100 μF geschaltet.
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Der
Wert des ersten Rückkoppelwiderstandes
Rf der Schaltung der 1 ist größer als der des Rückkoppelwiderstandes
Rf der herkömmlichen Schaltung
der 6, so daß die
Gesamt-Rückkopplung,
die mit dem ersten Rückkoppelwiderstand
Rf und dem zweiten Rückkoppelwiderstand
Ra der Schaltung der 1 erhalten wird, im wesentlichen der
Rückkopplung
entspricht, die mit dem Rückkoppelwiderstand
Rf der herkömmlichen
Schaltung der 6 erhalten wird. Die Verstärkung des
Leistungsverstärkers 11 der 1 entspricht
daher im wesentlichen der des Leistungsverstärkers 4 der 6.
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Im
Niederfrequenzbereich ist durch den zweiten Ausgangskondensator
Ca jedoch die Verstärkung
des Leistungsverstärkers 11 im
Vergleich zur herkömmlichen
Schaltung entsprechend einem Anstieg der Impedanz höher. Die 2(a) und 2(b) zeigen
die Niederfrequenzeigenschaften des Leistungsverstärkers 11 hinsichtlich
der Ausgangsspannung des Verstärkers
und hinsichtlich der Ausgangsspannung Vo am Lautsprecher 2.
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Die
Ausgangsspannung Vp am Ausgangsanschluß 13 ist durch die
folgende Gleichung gegeben: Vp = {1 + Rf||(Ra
+ 1/sCa)/Rs} × Vin,wobei
Vin die Eingangs-Signalspannung und RF||* der Gesamt-Widerstandswert der
Parallelschaltung des Widerstands Rf mit dem Widerstand * ist.
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Die
dem Lautsprecher 2 zugeführte Ausgangsspannung Vo ist,
wie erwähnt,
gleich sCoRL × Vp/(1
+ sCoRL).
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Die 2(a) zeigt den Verlauf der Verstärkung der
Ausgangsspannung Vp am Ausgangsanschluß 13 gegen die Frequenz
und die 2(b) den Verlauf der Gesamtverstärkung (Verstärkung der Ausgangsspannung
Vo) am Eingang des Lautsprechers 2 im Niederfrequenzbereich.
In der 2(a) stellt der geneigte Kurvenabschnitt
A den Verlauf der Verstärkung
der Ausgangsspannung Vp am Ausgangsanschluß 13 gegen die Frequenz
im Niederfrequenzbereich dar und der geneigte Kurvenab schnitt B
den Verlauf der Verstärkung
der Ausgangsspannung Vo am Eingang des Lautsprechers 2 bezüglich der
Ausgangsspannung Vp, d.h. Vo/Vp.
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In
den 2(a) und 2(b) ist
die untere wiederzugebende Grenzfrequenz fL und die Grenzfrequenz
fc gleich fL = 1/2ΠCa (Rf + Ra)bzw. fc = 1/2ΠCaRa).
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Gemäß 2(a) stehen der Abschnitt A, in dem die Verstärkung bei
abnehmender Frequenz mit einer Rate zunimmt, die durch die Zeitkonstante
der RC-Schaltung aus dem Kondensator Ca und dem Widerstand Ra bestimmt
wird, und der Abschnitt B, in dem die Verstärkung mit abnehmender Frequenz
mit einer Rate abnimmt, die durch die Zeitkonstante der RC-Schaltung aus dem
Kondensator Co und der Impedanz des Lautsprechers 2 bestimmt
wird, derart miteinander in Beziehung, daß sich die jeweiligen Auswirkungen
gegenseitig aufheben.
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Dies
beruht auf der Tatsache, daß das
Produkt aus der Kapazität
des Kondensators Ca und dem Widerstandswert des Widerstands Ra,
in diesem Fall 0,03[μF] × 43000[Ω] = 1419
[μFΩ], bezüglich des
Frequenzverhaltens im wesentlichen gleich dem Produkt aus der Kapazität des Kondensators
Co und der Impedanz des Lautsprechers 2, in diesem Falle
100[μF] × 16 [Ω] = 1600
[μFΩ], ist.
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Bei
der Ausführungsform
der 1 ist die Kapazität des Kondensators Co etwa
30% der eines herkömmlichen
Ausgangskondensators Co. Wenn die Impedanz des Lautsprechers 2 gleich
16 Ω ist,
ist daher die Kapazität
des Ausgangskondensators Co etwa 15 μF, während sie im herkömmlichen
Fall etwa 47 μF
beträgt;
sie ist etwa 33 μF,
wenn sie im herkömmlichen
Fall 100 μF
ist, sie ist etwa 75 μF,
wenn sie im herkömmlichen
Fall gleich 220 μF
ist, und sie ist etwa 100 μF,
wenn sie im herkömmlichen
Fall 330 μF
ist.
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Da
die Kapazität
des zweiten Rückkoppelkondensators
Ca klein ist und relativ frei gewählt werden kann, läßt sich
dieser Kondensator leicht in einem Tonwiedergabegerät unterbringen.
Auch ist es möglich,
durch Verwendung eines Lautsprechers 2 mit größerer Impedanz
einen Ausgangskondensator mit kleinerer Kapazität zu wählen. Da es Kopfhörer mit
einer Impedanz von 32 Ω und
mehr gibt, kann ein Tonwiedergabegerät mit einem solchen Kopfhörer noch
dünner
gemacht werden.
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Bei
der Beschreibung der Ausführungsform der 1 wurde
der ohmsche Widerstand des Ausgangskondensators Co und der ohmsche
Widerstand des Lautsprechers 2 nicht berücksichtigt.
Das Vorhandensein eines solchen ohmschen Widerstandes verringert
die Verstärkung
im Niederfrequenzbereich mehr oder weniger.
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Die 3 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die Verringerung der Verstärkung im Niederfrequenzbereich
aufgrund eines solchen ohmschen Widerstandes vermieden wird. Die
Ausführungsform der 3 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
der 1 darin, daß der
Kondensator Ca zwischen den Anschluß 14 und die Verbindung
des Ausgangskondensators Co mit dem Kopfhörer (Lautsprecher) 2 geschaltet
ist. Bei der Ausführungsform der 3 ist
die Rückkoppelspannung
die Spannung am Eingang des Lautsprechers 2. Da entsprechend das
Ausmaß der
Rückkopplung
im Niederfrequenzbereich herabgesetzt ist, ist es damit möglich, die Verstärkung im
Niederfrequenzbereich anzuheben.
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Die
Verstärkungsverringerung
EG im Niederfrequenzbereich aufgrund des
ohmschen Widerstandes wird durch Darstellen des ohmschen Widerstandswertes
des Ausgangskondensators durch r und des ohmschen Widerstandwertes
der Last bzw. des Lautsprechers 2 durch RL sowie unter
Vernachlässigung
der Impedanzen der Kondensatoren Ca und Co im Niederfrequenzbereich
berechnet.
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Die
Verstärkung
Ga ist ohne Innenwiderstand r gleich Ga = (Rs
+ RL||Ra)/Rs.
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Die
Verstärkung
Gr bei einem Innenwiderstand r ist gleich Gr
= Ga × {RL/(RL
+ R)}.
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Die
Verstärkungsverringerung
EG ergibt sich daher aus der folgenden Gleichung: EG = 20 log (Gr/Ga) =
20 log {RL/(RL + r)}.
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Wenn
RL und r bei dem Beispiel der 3 zu 16 Ω und 2 Ω angenommen
werden, ergibt sich EG =
16/(16 + 2) = –1,02
dB.
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Die 4 zeigt
die Verstärkung
Ga als gestrichelte Linie, die um EG auf
die ausgezogen dargestellte Verstärkung Gr herabgesetzt wird.
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Um
die Verstärkungsverringerung
EG aufzuheben, wird die Grenzfrequenz fc
der Korrekturschaltung aus Ca und Ra etwa verdreifacht, in diesem
Fall auf 3/2ΠCaRa
eingestellt.
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Wenn
der Wert des Widerstands Ra vor der Korrektur zum Beispiel gleich
16 kΩ ist
und der Wert des Kondensators Ca der 1 im Bereich
von 0,1 μF
liegt, so daß die
Zeitkonstante CaRa wie im beschriebenen Fall zu 1600 [μFΩ] wird,
wird der Wert des Kondensators Ca nach der Korrektur zu 0,33 μF, wie es
in der 3 gezeigt ist, was im wesentlichen das dreifache
des Wertes des Kondensators Ca vor der Korrektur ist. Im übrigen haben
die jeweiligen Schaltungselemente Werte, die statistisch vorgegeben
sind. Wenn zum Beispiel der berechnete Wert eines Kondensators gleich
0,3 μF ist,
wird ein Kondensator mit einer Kapazität von 0,33 μF genommen, da dessen Wert in
der Nähe
des berechneten Wertes liegt.
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Die 5 zeigt
im Niederfrequenzbereich den Unterschied in der Verstärkung der
Schaltung der 1, in der Ra = 16 kΩ und Ca
= 0,1 μF
ist, und der Verstärkung
der Schaltung der 3, in der Ra = 16 kΩ und Ca
= 0,33 μF
ist.
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Die
Kurve C der Verstärkung
gegen die Frequenz ist die der Schaltung vor der Korrektur, die
in der 1 dargestellt ist, und die Kurve D der Verstärkung gegen
die Frequenz die der Schaltung nach der Korrektur, die in der 3 gezeigt
ist. Wie sich aus der 5 ergibt, ist die Verstärkung im
Niederfrequenzbereich von 40 Hz bis 200 Hz und insbesondere im Bereich
von 40 Hz bis 60 Hz verbessert.