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Integrierbare Gyratorschaltung Bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen
ist es im Hinblick auf die hier zur Anwendung kommende Dickfilm-Dünnfilm- und monolithische
Technik im allgemeinen erforderlich, Induktivitäten durch Halbleiterersatzschaltungen
zu realisieren, die ihrerseits wiederum im Hinblick auf eine Optimierung mit einer
möglichst geringen Anzahl von Widerständen und Kondensatoren auskommen sollen.
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Eine in der Literatur zwischenzeitlich vielfach diskutierte Halbleiterersatzschaltung
zur Realisierung von Induktivitäten ist der Gyrator. Er stellte einen positiven
Impedanzinverter dar, der eine an seinem Eingang angeschlossene Kapazität an seinem
Ausgang als Induktivität in Erscheinung treten läßt. Um mit Hilfe eines Gyrators
Induktivitäten mit ausreichender Güte zu verwirklichen, müssen an die Gyratorschaltung
hohe Anforderungen hinsichtlich geringer übertragungsverluste, hoher Temperaturstabilität,
guter Gleichtaktunterdrückung, einer weitgehenden Unabhängigkeit von Versorgungsspannungsschwankungen
und hohem Eingangs- und Ausgangswiderstand gestellt werden. Gyratorschaltungen,
die diese Forderungen weitgehend erfüllen, machen im allgemeinen von zwei antiparallel
geschalteten spannungsgesteuerten Stromquellen
Gebrauch. Um sie
universell anwenden zu können, muß weiterhin eine schwimmende Ausführung wenigstens
eines der Gyratoranschlußpaare gefordert werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen solchen schwimmenden bzw. halbschwimmenden
integrierbaren Gyrator, bestehend aus zwei antiparallel geschalteten, als Differenzverstärker
aufgebauten spannungsgesteuerten Stromverstärkern, bei dem die Verstärkertransistoren
der Differenzverstärker kollektorseitig wenigstens teilweise gegen Stromquellen
arbeiten, und bei dem die Differenzverstärker ein- und ausgangsseitig unter Ausschluß
einer Gleichstromabblockung zusammengeschaltet sind.
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Eine solche Gyratorschaltung, die beispielsweise durch die Literaturstelle
"Electronics Letters, 10. Juli 1969, Vol. 5, Nr. 14, Seiten 309 und 310, bekanntgeworden
ist, zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus, bei dem ausschließlich
Transistoren und Widerstände zur Anwendung gelangen. Der unvermeidliche Gleichspannungsversatz
zwischen Ein- und Ausgang der verwendeten Differenzverstärker wird hier im Hinblick
auf die antiparallele Zusammenschaltung dadurch kompensiert, daß die Differenzverstärker
mit zueinander komplementären Transistoren aufgebaut sind. Dieser Sachverhalt weist
im Hinblick auf eine Fertigung der Gyratorschaltung in monolithischer Technik einen
Nachteil auf, weil hier die Verstärkertransistoren des einen Differenzverstärkersals
vertikale Transistoren und die Verstärkertransistoren des anderen Differenzverstärkers
als laterale Transistoren gestaltet werden müssen. Laterale Transistoren haben gegenüber
vertikalen
Transistoren wesentlich ungünstigere elektrische Eigenschaften, insbesondere eine
verminderte Stromverstärkung bei relativ großen Fertigungstoleranzen. Es ergeben
sich dadurch Schwierigkeiten, die an eine solche Gyratorschaltung zu stellenden,
einleitend geschilderten hohen Anforderungen zu erfüllen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integrierbaren Gyrator
der genannten Art anzugeben, bei dem die Differenzverstärker ein- und ausgangsseitig
ebenfalls unter Ausschluß einer Gleichstromabblockung zusammengeschaltet sind, jedoch
die durch die Verwendung von komplementären Transistoren auftretenden Schwierigkeiten
vermieden sind.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Verstärkertransistoren
der beiden Differenzverstärker vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind und daß wenigstens
eine kollektorseitige Stromquelle eines der beiden Differenzverstärker als stromgesteuerte
Stromquelle ausgebildet ist, deren Ausgang den Ausgang des betreffenden Differenzverstärkers
abgibt.
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Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß sich
der bei Aufbau der Differenzverstärker mit Verstärkertransistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp
auftretende Gleichspannungsversatz zwischen Ein- und Ausgang der Differenzverstärker
dadurch in einfacher Weise kompensieren läßt, daß bei einem der Differenzverstärker
die kollektorseitig sowieso vorhandenen Stromquellen als stromgesteuerte Stromquellen
ausgeführt
werden, deren Ausgänge die ausgangsseitigen Anschlüsse
des betreffenden Differenzverstärkers sind.
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Hierbei läßt sich dann in einfacher Weise der vorhandene Gleichspannungsversatz
über die stromgesteuerte Stromquelle ausgleichen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die stromgesteuerte
Stromquelle aus drei gleichen, zu den Verstärkertransistoren der Differenzverstärker
komplementären Transistoren, von denen der erste Transistor mit seinem auf einem
Bezugspotential liegenden Emitter dem Emitter und mit seiner Basis der Basis und
dem Kollektor des zweiten Transistors parallel geschaltet ist, während sein mit
der Basis des dritten Transistors verbundeng Kollektor den Stromeingang bildet und
der Kollektor des dritten Transistors, dessen Emitter an die Basis und den Kollektor
des zweiten Transistors angeschlossen ist, den Stromausgang abgibt.
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Die Verwendung einer solchen, durch die Literaturstelle "IEEE Journal
of Solid State Circuits, Vol. SC-3, Nr. 4, Dezember 1968, Seiten 341 bis 348, insbesondere
auf Seite 344, Fig. 6a, bekanntgewordenen stromgesteuerten Stromquelle weist einen
sehr hohen Innenwiderstand auf, und kommt ohne Widerstände aus. Die Ausführung ihrer
Transistoren in einer zu den Verstärkertransistoren der Differenzverstärker komplementären
Leitfähigkeit stellt keine Beeinträchtigung der Gesamtschaltung dar, weil diese
Stromquelle auch in ihrer Ausführung mit Lateraltransistoren noch sehr hohen Ansprüchen
genügt. Zusätzlich hat diese stromgesteuerte Stromquelle
noch den
Vorteil, daß sie eine Phasenumkehr des eingangsseitigen Stromes am Ausgang bewirkt
und somit die für die Gyratoreigenschaft wichtige Phasenumkehr in der Gesamtschaltung
durchführt.
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Besonders günstig gestalten sich die Verhältnisse dadurch, daß die
stromgesteuerte Stromquelle im Bereich eines der beiden Differenzverstärker mit
ihrem Ausgang gegen eine Stromquelle arbeitet, über die ein Eingangsanschluß des
anderen der beiden Differenzverstärker mit einem Bezugspotential in Verbindung steht.
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Für den universellen Einsatz des Gyrators nach der Erfindung ist es
zweckmäßig, die für den Ve-rstärkerausgang maßgeblichen beiden Verstärkertransistoren
eines ein- oder mehrstufig aufgebauten Differenzverstärkers emitterseitig einerseits
durch einen Koppelwiderstand (Gyrationswiderstand) miteinander zu verbinden und
andererseits jeweils über eine Stromquelle an das emitterseitige Bezugspotential
anzuschließen. Auf diese Weise wird nämlich erreicht, daß die Gyrationswiderstände
gleichstromfrei sind, so daß der Arbeitspunkt der Gyratoren nicht von der Größe
der Gyrationswderstände abhängig ist. Kommt es beim Gyrator nach der Erfindung primär
auf eine hohe Arbeitspunktstabilität an, die auch auf Kosten einer Herabsetzung
der Güte anzustreben ist, so kann dies, wie die Literaturstelle "IEEE Transactions
on Circuit Theory", Mai 1969, Vol. CT-16, Nr.2, Seiten 261 und 262 angibt, dadurch
erreicht werden, daß die Ein- und Ausgangsanschlüsse des Gyrators mit den Anschlüssen
für die Gyrationswiderstände
vertauscht werden. Das Ergebnis ist
nämlich in diesem Falle wiederum ein Gyrator, der in bezug auf die Ausgangsgyratorschaltung
günstigere Eigenschaften hinsichtlich der Arbeitspunktstabilität aufweist. Dieser
günstigerenrbeitspunktstabilität steht jedoch eine geringere Güte gegenüber, da
in diesem Falle die Emitterwiderstände der Verstärkertransistoren der Differenzverstärker
als Serienwiderstände im Hinblick auf die Abschlußimpedanzen am Ein- und Ausgang
des Gyrators nicht mehr vernachlässigbar sind.
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Zweckmäßig ist die Gyratorschaltung so ausgeführt, daß die Gyrationswiderstände
extern anschließbar sind. Auf diese Weise läßt sich je nach der Anwendungsart die
gewünschte Größe für die Gyrationswiderstände frei festlegen, und darüber hinaus
die Gyratorschaltung je nachdem in der einen oder in der anderen Grundschaltung
betreiben.
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Um bei der Gesamtschaltung mit einem Minimum an Widerständen auszukommen,
ist es sinnvoll, die verwendeten Stromquellen zu von einem Referenzstrom festgelegten
Stromquellenbänken zusammenzufassen. Hierbei besteht jede Stromquelle aus wenigstens
einem Transistor. Außerdem sind die Basisanschlüsse sämtlicher einer Stromquellenbank
zugehöriger Transistoren an den vom Referenzstrom durchflossenen, gegebenenfalls
zu einem Referenzspannungsteiler erweiterten Referenzwiderstand parallel angeschaltet.
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Zur Erzielung extrem hoher Ein- und Ausgangswiderstände ist es zweckmäßig,
jeden Differenzverstärker zweistufig auszuführen und hierbei die Verstärkertransistoren
der
Eingangsstufen mit ihrem Emitter unmittelbar mit der Basis des
zugehörigen Verstärkertransistors der Ausgangsstufe und mit ihrem Kollektor unmittelbar
mit dem kollektorseitigen Bezugspotential zu verbinden.
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An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 eine schwimmende Ausführung eines Gyrators nach der Erfindung, Fig. 2 eine
halbschwimmende Ausführungsform eines Gyrators nach der Erfindung, Fig. 3 eine aus
drei Transistoren bestehende stromgesteuerte Stromquelle, Fig. 4 eine Stromquellenbank,
Fig. 5 eine weitere halbschwimmende Ausführungsform eines Gyrators nach der Erfindung.
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In der Gyratorschaltung nach Fig. 1 sind die beiden Verstärkertransistoren
des ersten Differenzverstärkers mit Tr1 und Tr2 und die beiden Verstärkertransistoren
des zweiten Differenzverstärkers mit Tr3 und Tr4 bezeichnet.
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Emitterseitig sind die beiden Verstärkertransistoren einerseits des
ersten und andererseits des zweiten Differenzverstärkers über den sogenannten Gyrationswiderstand
Rg miteinander verbunden. Außerdem ist jeder Emitter über eine Stromquelle mit einem
ersten negativen Bezugspotential V-verbunden. Diese Stromquellen sind entsprechend
ihrer Zugehörigkeit zu den verschiedenen Verstärkertransistoren mit Q1 bis Q4 bezeichnet.
Kollektorseitig sind die Verstärkertransistoren Tri und Tr2 des ersten Differenzverstärkers
über
den Eingang einer stromgesteuerten Stromquelle Q1O und Q20 mit einem zweiten positiven
Bezugspotential V+ verbunden. In entsprechender Weise sind die Kollektoren der Verstärkertransistoren
des zweiten Differenzverstärkers über Stromquellen Q3 und Q4' mit dem zweiten positiven
Bezugspotential V verbunden. Beide Differenzverstärker sind im Sinne der Realisierung
einer Gyratorschaltung einander antiparallel geschaltet, und zwar sind die kollektorseitigen,
den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers darstellenden Anschlüsse mit den basisseitigen,
den Eingang des Gyrators darstellenden Anschlüssen 1 und 2 des ersten Differenzverstärkers
verbunden. Die basisseitigen, den Eingang des zweiten Differenzverstärkers darstellenden
Anschlüsse 3 und 4, die hierbei die ausgangsseitigen Anschlüsse der Gyratorschaltung
darstellen, sind ihrerseits mit den Ausgängen der stromgesteuerten Stromquellen
Q10 und Q20 zusammengeschaltet.
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Die für den Gyrator wesentliche Phasenumkehr in Abhängigkeit der Ubertragungsrichtung
durch den Vierpol kann entweder durch kreuzweise Vertauschung zweier Anschlüsse
eines der beiden Differenzverstärker bei der antiparallelen Zusammenschaltung erreicht
werden oder aber, wie noch ausgeführt werden wird, bei geeigneter Gestaltung der
stromgesteuerten Stromquellen Q10 und Q20 in diesen Stromquellen vorgenommen werden
Wie Fig. 1 erkennen läßt, entnält die Gyratorschaltung nach zwei weitere Stromquellen
Q3w' und Q4"", die zwischen der Basis des Transistors Tr3 bzw des Transistors Tr4
und dem ersten negativen Bezugspotential V- angeordnet
sind. Die
stromgesteuerten Stromquellen Q10 und Q20 arbeiten mit anderen Worten ausgangsseitig
gegen die Stromquellen Q3" und Q4". Auf diese Weise läßt sich eine hohe zeitliche
Konstanz der einmal eingestellten Gleichströme erzielen.
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Die in Fig. 2 dargestellte halbschwimmende ^Ausführung einer Gyratorschaltung
nach der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 lediglich
durch den Fortfall der stromgesteuerten Stromquelle QIO und der Stromquelle Q4".
Der Fortfall dieser beiden Stromquellen wird durch den nunmehr auf Nasse liegenden
Anschluß 4 des Ausgangs des Gyrators ermöglicht. Der Kollektor des Transistors Tr
1 ist mit anderen Worten unmittelbar mit dem zweiten positiven Bezugspotential V+
verbunden, während die Basis des Transistors Tr4 an der negativen Gleichspannung
Vo liegt.
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Die Gleichspannung Vo an der Basis des Transistors Tr4 des zweiten
Differenzverstärkers muß soweit negativ sein, damit ein Gleichspannungssprung AV
zum Kollektor des Transistors Tr4, der mit der Basis des Transistors Trl verbunden
ist, von solcher Art möglich ist, daß der Anschluß 1 auf Erdpotential liegen kann.
Die an der Basis des Transistors Tr1 erzwungene Gleichspannung stellt sich mit Rücksicht
auf die Symmetrie der Anordnung auch an der Basis des Transistors Tr2 ein. Die kollektorseitig
an diesen Transistor auftretende, um den Betrag V erhöhte Gleichspannung wird über
die stromgesteuerte Stromquelle Q20 auf den Wert Vo am Ausgang reduziert, der seinerseits
mit der Basis des Transistors Tr3 verbunden ist. Der Gleichspannungsversatz wird
also
hier über die stromgesteuerte Stromquelle ausgeglichen, so
daß bei der antiparallelen Zusammenschaltung der teilen Differenzverstärker keine
Gleichstromabblockung in Form von Kondensatoren vorgesehen werden muß.
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Die Änderung der Gleichspannung zwischen Ein- und Ausgang der stromgesteuerten
Stromquelle in der durch die Schaltung gegebenen gewünschten Richtung wird dadurch
herbeigeführt, daß die Transistoren, mit denen diese stromgesteuerte Stromquelle
zu realisieren ist, eine Rdmplementre Leitfähigkeit im Hinblick auf die Verstarkertransistoren
der Differenzverstärker aufweisen. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform
sind die Verstärkertransistoren npnrfransistoren. Entsprechend müssen die Transistoren
der stromgesteuerten Stromquelle Q20 pnp-Transistoren sein. Entsprechendes gilt
für die schwimmende Ausführungsform nach Fig. 1 Die Stromquellen Q3' und Q4' müssen
im Gegensatz zu den Stromquellen Q1 bis Q4 und Q3" und Q4" in den Fig. 1 und 2 als
pnp-Stromquellen ausgeführt sein. Um eine besondere Einstellung dieser pnp-Stromquellen
zu vermeiden, werden sie zweckmäßig ebenfalls als stromgesteuerte Stromquellen realisiert,
wobei der s-teuernde Strom durch zusätzliche npn-Stromquellen geliefert wird.
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Fig 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer stromgesteuerten Stromquelle,
Sie besteht aus drei Transistoren, die im Hinblick auf die Ausführung der Differenzverstärker
als npn-Transi staren pnp-Transi staren sind. Die Transistoren Tr1' und Tr" liegen
mit ihrem
Emitter auf dem positiven Bezugspotential V-. Der Kollektor
des Transistors Tr' ist mit dem den Eingang darstellenden Anschluß e der stromgesteuerten
Stromquelle und der Kollektor des Transistors Tor"' mit dem den Ausgang der stromgesteuerten
Stromquelle darstellenden Anschluß a verbunden. Der Transistor Tr" wird als Diode
betrieben und weist einen gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen Kollektor und Basis
auf. An diesen gemeinsamen Verbindungspunkt sind außerdem der Emitter.des Transistors
Tritt und die Basis des Transistors Tr' angeschaltet. Der in den Anschluß e hineinfließende
Strom II findet infolge der zwischen den Transistoren Tr' und Tr"' bestehenden Gegenkopplung
eine niederohmige Eingangsimpedanz vor.
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Die Spannungsschwankungen am Anschluß e treten praktisch in gleicher
Größe auch am Emitter des Transistors Tr"' und damit auch an der Basis des Transistors
Tr' auf. Die in der Basis des Transistors Tr' wirksamen Spannungsschwankungen steuern
diesen Transistor in dem Sinne aus, daß der in den Anschluß a hineinfließende Strom
I2 praktisch ungehindert in den Kollektor des Transistors Tr"' hineinfließen kann.
Somit ist die Eingangsimpedanz für den Strom I1 gleich der reziproken Steilheit
S des Transistors Tr". Da alle drei Transistoren als unter sich gleich angesprochen
werden können, ist somit der in den Anschluß a hineinfließende Strom I2 gleich dem
in den Eingang e hineinfließenden Strom II. Dies gilt nicht nur für Gleichströme,
sondern auch für den Gleichströmen gegebenenfalls überlagerte Wechselströme. Die
Anwendung dieser stromgesteuerten Stromquelle in einer der angegebenen Schaltungen
einschließlich der noch zu besprechenden Ausführungsform nach Fig. 5 zeigt, daß
sich
der gewiinschte, hiermit durchzuführende Gleichspannungsversatz
zwischen dem Ausgang des einen Differenzverstårkers und dem Eingang des anderen
Differenzverstärkers in der gewünschten Weise automatisch einstellt und sehr stabil
ist.
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Die in den Fig. 1 und 2 lediglich schematisch dargestellten Stromquellen
Q1 bis Q4 sowie Q3" und Q4" werden zur Einsparung von Widerständen zweckmäßig zu
einer Stromquellenbank zusammengefaßt, die in Fig. 4 beispielsweise und im Ausschnitt
dargestellt ist. Der Einfachheit halber sind lediglich zwei Stromquellen Q1 und
Q2 angegeben. Sie bestehen jeweils aus zwei npn-Transistoren in an sich bekannter
Kaskodeschaltung (Kaskodepaar), von denen der erste Transistor emitterseitig am
negativen Bezugspotential V- liegt, während der Kollektor des zweiten Transistors
den Ausgang der Stromquelle darstellt und im allgemeinen mittelbar mit dem positiven
Bezugspotential V+ in Verbindung steht. Die Basisanschlüsse der ersten Transistors
der Stromquellen Q1 und Q2 einerseits und ihrer zweiten Transistoren andererseits
sind jeweils einander parallel geschaltet und mit dem von einem Referenzstrom Iref
durchflossenen Referenzspannungsteiler verbunden Der Referenzspannungsteiler besteht
dabei aus den Transistoren Tr5 und Tr6 vom npn-Typ, die zusammen einen Verbundtransistorp
und zwar ein sogenanntes transparentes Paar bilden. Hierbei ist einerseits der Kollektor
des Transistors Tr6 mit der Basis des Transistors Tr5 und die Basis des Transistors
Tr6 mit dem Emitter des Transistors Tr5 verbunden0 Ferner ist der Emitter des Transistors
Tr6 mit dem negativen Bezugspotential V-verbunden,
während am Kollektor
des Transistors Tr5 das positive Bezugspotential V+ anliegt. Der Referenzgleichstrom
Iref fließt in den gemeinsamen Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors Tr6
mit der Basis des Transistors Tr5 hinein. Die hinsichtlich ihrer Basisanschlüsse
einander parallel geschalteten ersten Transistoren der Stromquellen sind mit der
Basis des Transistors Tr6 bzw. dem Emitter des Transistors Tr5 verbunden. Die einander
parallel geschalteten Basisanschlüsse der zweiten Transistoren der Stromquellen
sind ihrerseits an den Anschlußpunkt des Refenzgleichstroms Iref angeschaltet.
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Das in Fig. 5 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel unterscheidet sich
vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 durch eine zweistufige Ausführung der Differenzverstärker.
Hierbei entsprechen die ausgangsseitigen Verstärkerstufen mit den Transistoren Tr1
und Tr2 einerseits und Tr3 und Tr4 andererseits den einstufigen Differenzverstärkern
der Gyratorschaltung nach Fig. 2. Die erste Stufe der zweistufigen Differenzverstärker
wird beim ersten Differenzverstärker von den Transistoren Tr1' und Tr2' und beim
zweiten Differenzverstärker von den Transistoren Tr3' und Tr4' gebildet. Diese Transistoren
bilden jeweils mit ihrembasisseitigen Anschluß einen Ein- bzw. Ausgangsanschluß
des Gyrators und arbeiten emitterseitig jeweils auf die Basis des zugehörigen Transistors
der zweiten Stufe. Kollektorseitig sind sie unmittelbar mit dem ihnen zugehörigen
positiven Bezugspotential V+ verbunden.
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Entgegen einer Darlingtonschaltung, bei der die einander zugehörigen
Transistoren einer Stufe kollektorseitig
unmittelbar verbunden
sind, hat diese Schaltung den Vorteil einer geringeren Phasendrehung bei hohen Frequenzen.
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Zur Erzielung extrem hoher Ein- und Ausgangswiderstände können anstelle
einer mehrstufigen Ausführung der Differenzverstärker als Verstärkertransistoren
sogenannte Ersatztransistoren verwendet werden, die ihrerseits aus zwei oder drei
Transistoren bestehen. Bekannte Ersatzschaltungen dieser Art sind beispielsweise
das sogenannte Superpaar und das sogenannte Supertriplett.
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In den dargestellten Ausführungsformen nach den Fig, 1 bis 5 sind
die Verstärkertransistoren der Differenzverstärker einerseits und die Transistoren
der einfachen Stromquellen als npn-Transistoren auagefßhrte Selbstverständlich können
diese Schaltungen in gleicher Weise mit pnp-Transistoren realisiert werden. Die
entsprechenden Schaltungen nach den Fig. 1, 2, 4 und 5 mit pnp-Transistoren und
der Fig. 3 mit npn Transistoren werden in einfacher Weise dadurch erhalten, daß
die Pfeile im Emitterzweig der Transistoren umgedreht und die Potentiale V- und
V+ miteinander vertauscht werden.
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8 Patentansprüche 5 Figuren