DE2058939A1

DE2058939A1 - Integratorschaltung

Info

Publication number: DE2058939A1
Application number: DE19702058939
Authority: DE
Inventors: Meyer Bernhard Hellmuth; Greenwood Robert Ray
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-12-02
Filing date: 1970-12-01
Publication date: 1971-06-09
Also published as: FR2072777A5; US3619659A; JPS4925062B1; GB1302239A

Description

. YatenfcnwSIfe

TWng. Wilhelm Reiche! Dipl-Ing. Wolfgang Beichel

Frankfurt a. M. 1 Parksiraße 13

6474

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, VStA

Integratorschaltung

Die Erfindung betrifft eine Integratorschaltung. Diese Schaltung wird vorzugsweise zur Ableitung von Impulsen und als Datenübertragungsschaltung verwendet. Sie ist besonders zur Herstellung in Form einer integrierten Schaltung und zur Verwendung in einer Bipolar-Geberschaltung, die monopolare Signale in bipolare Signale umsetzt, geeignet.

Wenn Impulse und Impulsfolgen in Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitungssystemen, die in einem Nachrichtenübertragungsnetzwerk eingesetzt sind, bei dem die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Impulses in kodierter Form die Modulation einer bestimmten Schwingung anzeigt, und in Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden, bei denen die Impulse Informationsbits darstellen, dann müssen diese Impulse vorbestimmte Eigenschaften aufweisen. Das heißt, die Anstiegs- und Abfallzeit müssen kurz im Verhältnis zur Impulsdauer sein, die Amplitude muß konstant bleiben und die Vorder- und Rückflanken müssen konstante und gleiche positive und negative Steigungen aufweisen. Die Impulse kommen gewöhnlich aus "logischen" Schaltungen (auch Schaltglieder genannt) der Datenverarbeitungsanlage in Form monopolarer Signale und werden durch einen Bipolar-Geber oder eine. Nachrichtenverbindungs-

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schaltung an einer Schnittstelle in bipolare Signale ungesetzt, um sie Datensendestationen, sogenannten "Modems"¹ (gleich Modulator-Demodulator) oder •"Datenstationen" zur Aussendung über Übertragungsleitungen eines Nachrichtenübertragungsnetzwerkes zuzuführen.

Während der Aussendung und dem Empfang werden die Impulse, die ursprünglich die erwähnten Eigenschaften aufweisen, häufig so verzerrt, daß sie nicht zur Durchführung der gewünschten Operationen verwendet werden können. Es gibt zahlreiche Einflüsse, die additiv zu dieser Verzerrung beitragen. Einer der stärksten Einflüsse, die zur Verzerrung beitragen, sind Störsignale oder Rauschsignale. Da Rechteckimpulse, die über eine Leitung übertragen werden, Hochfrequenzkomponenten enthalten, die häufig in benachbarte Übertragungsleitungen als Störsignale eingekoppelt werden, werden zur Verringerung der Hochfrequenzkomponenten Impulse mit geregelter Anstiegsund Abfallsteilheit bzw. Flankensteigung erzeugt. Änderungen von Größen, die in die Anstiegs- und Abfallzeit eingehen, wie die Betriebsspannungen der Schaltungen, die die Impulse erzeugen oder ableiten, und die Umgebungstemperatur der Schaltungsbauteile, tragen daher ebenfalls zur Verzerrung der Impulse und zur Erzeugung von Störsignalen bei.

Mit zunehmender Datenverarbeitungs- und Datenübertragungsgeschwindigkeit wird es immer wichtiger, für eine fehlerfreie Informationsübertragung Impulse mit gleichen Anstiegsund Abfallverzögerungszeiten und konstanten Flankensteilheiten zu erzeugen, wenn die Signale ihre Polarität wechseln. Gleiche Verzögerungszeiten und konstante Steilheiten sind nicht nur zur Verhinderung fehlerhafter oder verzerrter Informationssignalimpulso, sondern auch zur genauen zeitlichen Steuerung und Synchronisierung der Schaltungen erforderlich, die die Informationsimpulse empfangen. Gleiche und genau de-

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finierte Verzögerungszeiten sind daher eine wünschenswerte Eigenschaft von Integrator- und Bipolar-Geberschaltungen bzw.. Bipolar-Senderschaltungen, weil sich dadurch höhere Datenübertragungsfrequenzen oder -geschwindigkeiten erzielen lassen.

Serienfertigungsverfahren, wie die Verfahren zur Herstellung monolitischer integrierter Schaltungen, v/erden besonders bei der Herstellung von Schaltungen angewandt, die für ein über ein Nachrichtenübertragungsnetzwerk verbundene und/oder an- Λ wählbare Datenverarbeitungssysteme mit zahlreichen gleichen Nachrichtenübertragungsschaltungen verwendet werden. In der Datenverarbeitungs- und Nachrichtenübertragungstechnik ist es daher zweckmäßig, die in großen Stückzahlen benötigten aktiven Schaltungsbauelemente mit Mikrominiaturabmessungen zusammen mit den Verbindungen der Bauelemente in Form einer einzigen monolitischen Halbleiterplatte als integrierte Schaltung herzustellen.

Man ist daher bestrebt, die Vorteile, die sich durch die Ausbildung monolitischer integrierter Schaltungen ergeben und in einem besseren Betriebsverhalten und einer besseren Zuverlässigkeit, geringerer Abmessung, geringeren Gewichts, % geringeren Energiebedarfs und geringeren Stückkosten bestehen, auch auf die Schaltung zur Durchführung der Integration und der Bipolar-Geberfunktionen zu erstrecken, indem man diese Schaltung in einer einzigen Halbleiterplatte ausbildet. Die bei der Nachrichtenübertragung an Grenzstellen verwendeten Anschlußschaltungen sind jedoch, soweit sie einzelne Bauelemente aufweisen, verhältnismäßig kompliziert und benötigen zusätzliche aktive und passive Bauelemente, wie mehrere Kondensatoren und ohmsche Widerstände mit grossen Widerstandswerten sowie NPN- und PNP-Transistoren in '

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einer Schaltung, um das Betriebsverhalten dieser Schaltung zu verbessern. Bei dem derzeitigen Entwicklungsstand der Technologie integrierter Schaltungen sind diese Forderungen jedoch nur schwer zu erfüllen, so daß man bislang nur Transistoren eines einzigen Leitfähigkeitstyps in einer einzigen integrierten Schaltung verwendet und die Verwendung von Kondensatoren und Widerständen mit großen Widerstandswerten vermeidet.

Bei einem bekannten Integrator-Verstärker können mehrere Anstiegs- und Abfallzeit-Steuervorrichtungen, die jeweils einen Kondensator enthalten, gemeinsam oder einzeln zu einem Verstärker-Transistor parallel geschaltet sein, um Eingangssignalströrae zu integrieren und für eine gewünschte Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit oder Steigung der Vorder- und Rückflanken eines Ausgangsignalimpulses zu sorgen. Signalströme werden über Widerstände in Strompfaden geleitet, die speziell so ausgelegt sind, daß sie mit vorbestimmten Potentialen bzw. Betriebsspannungen aus geeigneten Spannungsquellen betrieben werden. Während der Zeit, in der die Schaltung betrieben wird, können die Stromzweige bzw. Strompfade für das Aufladen und Entladen des Kondensators ungleiche Lade- und Entladeströme liefern, und zwar aufgrund von Änderungen der Betriebsspannungen, was zur Folge hat, daß sich die Flankensteilheiten ändern. Die Temperaturabhängigkeit der Widerstände und Transistoren hat eine weitere Ungleichheit der Flankensteilheiten zur Folge. Die gleichen Verhältnisse liegen bei bekannten Bipolar-Gebern vor.

Die bekannten Integrator-Verstärker- und Bipolar-Geberschaltungcn haben also den Nachteil, daß sie einzelne Bauelemente benötigen, so daß ihre Abmessungen, ihr Energieverbrauch, ihr Gewicht und ihre Stückkosten verhältnismäßig groß sind,

1 0 9 IV? L / -) 0 G G

und auch den Nachteil, daß die Flankensteilheit ihrer Ausgangssignalimpulse nicht konstant ist.

Bei Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungs- und Datenverarbeitungsanlagen mit integrierten Schaltungen ist es daher erwünscht, die Verbindungsschaltungen in Form integrierter Schaltungen auszubilden und dafür zu sorgen, daß die Flankensteilheit der übertragenen Impulse genau eingehalten wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Integrator-Verstärker zu schaffen, der in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet werden kann. Diese Integrator-Verstärkerschaltung soll Ausgangssignalimpulse liefern, deren Flankensteilheit und Anstiegs- sowie Abfallverzögerungszeiten von Betriebsspannungsschwankungen und Umgebungstemperaturschwankungen weitgehend unabhängig sind. Dieser Integrator-Verstärker soll ferner in einer Bipolar-Geberschaltung eingesetzt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Dazu enthält die Integrator-Verstärkerschaltung eine Strompfad-Schaltvorrichtung, eine Spannungsregelvorrichtung, mehrere V/iderstände, Bauelemente mit gleichem Temperaturkoeffizienten und einen Integrationsverstärkungstransistor mit einer Integrationskondensator-Anschlußvorrichtung.

Der Widerstand bzw. eine Impedanzvorrichtung, der Transistor und ein Kondensator, die mit der Anschlußvbrrichtung verbunden sind, sind zu einem Integrator geschaltet. Während einer Folge von Integrationsoperationen sprechen die Schalt- und Regelvorrichtung auf Eingangssignal an, die einen vor-

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bestimmten Schwellwert überschreiten, und zwar dadurch, daß sie einem ersten Widerstand ein konstantes Bezugspotential zuführen, wenn der Schwellwert überschritten wird. Der erste Widerstand (unter Widerstand wird hier ein Widerstand im weitesten Sinne des Wortes verstanden, nämlich ein Wirkwiderstand oder ein Blindwiderstand oder ein Scheinwiderstand) ist so geschaltet, daß er auf die Abwesenheit und Anwesenheit des Bezugspotentials derart anspricht, daß er als ein Steuerstrompfad wirkt, der in den Integratorkreis eingeschaltet oder aus diesem herausgenommen wird, um einen gleichbleibenden Stromfluß durch den Kondensator und einen zweiten Widerstand hindurch zu erzielen, während der Kondensator geladen und entladen wird. Dadurch ergeben sich Ausgangsimpulse mit gleicher Anstiegsund Abfallgeschwindigkeit bzw. Flankensteilheit. Die Regelvorrichtung liefert ein konstantes Bezugspotential, und zwar unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung, die eine ungeregelte Spannungsquelle abgibt, um die Anstiegsund Abfallzeiten und Flankensteilheiten konstant zu halten. Die Schaltung kann daher innerhalb vorbestimmter Grenzen mit schwankender Betriebsspannung betrieben werden und dennoch Ausgangssignale mit gleichbleibender Anstiegs- und Abfall-Verzögerungszeit und konstanter Flankensteilheit zu erzeugen. Die Regelvorrichtung, die Basis-Emitter-Übergänge des Transistors und die Widerstände haben gleiche Temperaturkoeffizienten, um Temperaturschwankungen zu kompensieren, so daß die Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit bzw. Flankensteilheit auch bei schwankender Umgebungstemperatur konstant bleibt.

Diese Integrator-Verstärkerschaltung ist auch besonders zur Verwendung in einer Bipolar-Geber- oder Senderschaltung geeignet und läßt sich auch besonders vorteilhaft als monolitische integrierte Schaltung ausbilden, da sie nur HaIb-

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leiterbauelemente und ohrasche Widerstände, eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und einen hohen Störabstand aufweist. Die Schaltungsanordnung stellt auch die erforderlichen Äquivalente diskreter Schaltungsbauelemente durch gleichzeitige Verwendung von NPN- und PNP-Transistoren und ohne die Verwendung mehrerer Kondensatoren und ohmscher Widerstände mit großen ohmschen Widerstandswerten dar. Diese Schaltung hat daher eine bessere Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit gegenüber Integrator-Verstärkern und Bipolar-Gebern, die aus einzelnen Bauelementen aufgebaut sind.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Integrator-Verstärkerschaltung, die nach der Erfindung ausgebildet ist.

Die Fig. 2a und 2b stellen jeweils den zeitlichen Verlauf der Eingangs- und Ausgangssignale des Integrator-Verstärkers nach Fig. 1 bei der Erzeugung eines Ausgangssignals als Antwort auf ein Eingangssignal dar.

Fig. 3 stellt ein schematisches Schaltbild einer bipolaren Geberschaltung dar, bei der die integrierte Verstärkerschaltung, die nach der Erfindung ausgebildet ist, verwendet werden kann.

Das Schaltbild nach Fig. 1 stellt eine Integrator-Verstärkerschaltung dar, die in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet werden kann und einen Eingangsanschluß 10, dem Eingangssignale zuführbar sind, eine Strompfad-Schaltvorrichtung mit einem Schalttransistor 12, eine Spannungsregelvorrichtung in Form eines ohmschen Widerstands 14 und Dioden 16 - 19,' Impedanzvorrichtungen oder ohmsche Widerstände 23 und 30, einen

Verstärker-Transistor 22, Integrationskondensator-Anschlußvorrichtungen oder Anschlüsse 24 und 26, eine Konstantstromquelle oder Impedanzvorrichtung bzw. Widerstand 32 und einen Ausgangsanschluß 34 aufweist.

Die Transistoren 12 und 22 sind an sich bekannte NPN-Transistoren. Bei einem NPN-Transistor ist der Basis-Kollektor-Übergang oder der Basis-Emitter-Übergang leitend, wenn das Potential des N-leitenden Halbleitermaterials negativer als das Potential des angrenzenden P-leitenden Halbleitermaterials ist. In ähnlicher Weise ist ein Übergang gesperrt, wenn das Potential des P-leitenden Halbleitermaterials negativ und das Potential des angrenzenden N-leitenden Halbleitermaterials positiv ist. Der Transistor wird als leitend bezeichnet, wenn der Basis-Emitter-Übergang durchgesteuert bzw. leitend und der Basis-Kollektor-Übergang gesperrt ist. Wenn beide Übergänge gesperrt sind, bzw. an einer Sperrspannung liegen, ist auch der Transistor gesperrt bzw. nichtleitend.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Integrator-Verstärkers anhand von Fig. 1 beschrieben. Nimmt man an, daß das Betriebspotential des Emitters 13 des Transistors 12 etwa -10 Volt beträgt, dann bewirkt eine Eingangssignalspannung, die während eines Signalübergangs (siehe Fig. 2a) auf einen positiveren Wert ansteigt und dem Signaleingangsanschluß 10 zugeführt wird, daß das Potential der Basis 11 positiver wird als das des Emitters 13. Bei einem typischen integrierten Transistor tritt ein Spannungsabfall von etwa 0,75 Volt zwischen der Basis 11 und dem Emitter 13 auf,, um den Transistor 12 durchzusteuern bzw. leitend zu machen. Wenn daher das Potential der Basis 11 aufgrund eines Eingangssignals mit einem vorbestimmten Betrag gleich -9,25 Volt wird, dann

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wird der Transistor 12 leitend. Wenn ein typischer, integrierter Transistor vollständig leitend oder in die Sättigung gesteuert ist, tritt an den Emitter-Kollektor-Übergängen ein Spannungsabfall von etwa 0,3 Volt auf. Das Potential eines Schaltsignals am Kollektor 15 des Transistors 12 und an einem Verbindungspunkt A eines geschalteten Spannungsreglers wird daher etwa -9,7 VoIt₀

Der geschaltete Spannungsregler, der durch den ohmschen Widerstand 14 und in Reihe geschaltete Dioden 16 - 19 gebildet ist, die zwischen einem Anschluß 20 und Massepotential oder Erdpotential liegen, spricht auf das Schaltsignal am Punkt A an und erzeugt ein geregeltes Signal oder Bezugspotential an einem Verbindungspunkt P. Bei einem Potential von -9,25 Volt am Punkt A werden alle in Reihe geschalteten Dioden 16 - 19 gesperrt, und wenn über einen ersten Widerstand 28, insbesondere einen ohmschen Widerstand, ein Strom zur Basis 21 des Transistors 22 floß, dann wird er ausgeschaltet oder unterbrochen. Nimmt man an, daß der Transistor 22 vor dem Eingangssignalübergang leitend war, dann beträgt das Potential der Basis 21 etwa -9,25 Volt. Der Transistor 22, Widerstand 28 und ein äußerer Kondensator 36, der an den Anschlüssen 24 und 26 liegt, bilden einen Integrator, bei dem es sich beispielsweise um einen an sich bekannten Millerintegrator handeln kann, dessen Wirkungsweise in dem Buch "Principles of Transistor Circuits',¹ Edited by R.F. Shea, John Wiley and Sons, Inc., New York, Seventh Printing, December, 1957, pp. 415 - 419, beschrieben ist.

Wenn der über den Widerstand 28 fließende Strom ausgeschaltet ist, lädt sich der Kondensator 36 auf, so daß das Potential des Kollektors 25 und des Ausgangsanschlusses 34 mit konstanter Geschwindigkeit oder Steigung ansteigt, die durch die Kapazität des Kondensators 36 und den ohmschen

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Widerstandswert der Impedanzvorrichtung oder des ohmschen Widerstands 30 bestimmt ist. Zu Beginn des Spannungsanstiegs hat das Potential des Kollektors 25 den negativsten Wert, wie es in Fig. 2b dargestellt ist. Eine Spannungsquelle, deren positiver Pol beispielsweise auf +10 Volt liegt, kann mit einem Anschluß 38 verbunden sein. Ein von dem positiven Pol der Spannungsquelle zum Kollektor 25 fließender Strom wird durch eine Konstantstromquelle, die noch beschrieben wird, oder durch einen ohmschen Widerstand 32 verhältnismäßig konstant gehalten. Ein in die Basis 21 des Transistors 22 fließender Strom I ■ (siehe Fig. 1) hat einen wesentlich niedrigeren Betrag als andere Ströme, die nachstehend beschrieben sind. Dies ist eine Folge der grossen Stromverstärkung des Transistors 22, so daß Ströme I₁, I„ und I„ mit verhältnismäßig geringer Stromstärke zur Erzeugung eines starken Ausgangsstroms ausreichen. Nimmt man an, daß I„ während der Aufladung des Kondensators 36 vernachlässigbar klein ist, dann ist die Stärke des in den Kondensator fließenden Stroms I_p etwa gleich dem über den ohmschen Widerstand 30 fließenden Strom I-, da dies wegen des Strompfad-Schalteffekts am Punkt B der einzig irögliche Stromflußpfad ist. Auf diese V/eise wirkt der Widerstand 28 als Steuerstrompfad, der aus dem Integrator herausgeschaltet wird.

Während der Zeit, in der die Spannung mit der Anstiegssteilheit nach Fig. 2b ansteigt, ist der Transistor 22 leitend, so daß seine Emitter-Basis-Spannung weitgehend konstant auf 0,75 Volt gehalten wird. Die gleiche Spannung erscheint am Widerstand 30, so daß, da der Widerstandswert weitgehend konstant ist, I₁ weitgehend auf einem Wert konstant gehalten wird, der etwa gleich 0,75 Volt dividiert durch die Resistanz des ohmschen Widerstands 30 während der

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Aufladung des Kondensators ist. Der Kondensator lädt sich daher mit konstanter Geschwindigkeit auf, so'daß auch die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung am Anschluß 34 konstant ist. Die Steigung der Ausgangsspannung wird durch die Resistanz des Widerstands 30, die Kapazität des Kondensators 36 und die Eraitter-Basis-Spannung des Transistors 22 bestimmt, die alle von Betriebspotentialschwankungen innerhalb eines vorbestimmten Potentialbereichs unabhängig sind, der bei jedem Betriebspotential, das von der einen oder der anderen Quelle geliefert wird, die zwischen dem Anschluß 38 und Masse und dem Anschluß 20 und Masse liegt, ±3 Volt betragen kann.

In dem Augenblick, in dem die Ausgangsspannung ein Potential erreicht, das mit V„ bezeichnet ist (siehe Fig. 2b) und den Maximalwert des positiven Potentials der das positive Potential liefernden Spannungsquelle darstellt, ist der Kondensator auf V„ aufgeladen. Wenn der Kondensator 36 auf V_H aufgeladen ist, kann kein weiterer Strom durch den Kondensator fließen, so daß die. Stromstärke des Stroms I, auf null abnehmen muß. Das Potential der Basis 21 des Transistors 22 wird daher verringert, so daß der Transistor 22 gesperrt wird.

Eine dem Signaleingangsanschluß 10 zugeführte Eingangssignalspannung, die während eines Signalübergangs auf einen negativeren Wert abfällt, wie es in Fig. 2a dargestellt ist, bewirkt, daß das Potential der Basis 11 des Transistors 12 negativer als das oder gleich dem Potential des Emitters 13 wird. Wenn daher das Potential der Basis 11 negativer als -9,25 Volt wird, dann wird der Transistor 12 gesperrt. Wenn durch den Kollektor-Emitter-Übergang des Transistors 12 kein Strom fließt, dann liegt an dem geschalteten Regler oder ,der Reihenschaltung aus Widerstand 14 und Dioden 16 - 19 eine

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Spannung, die beispielsweise 10 Volt beträgt und so gepolt ist, daß die Dioden an einer Durchlaßspannung liegen oder leitend werden. Bei einer typischen, in Form einer integrierten Schaltung ausgebildeten Diode tritt an jeder Diode im leitenden Zustand der Diode ein Spannungsabfall von etwa 0,75 Volt auf. Da an jeder der Dioden 17 - 19 ein Spannungsabfall von 0,75 Volt auftritt, tritt am Verbindungspunkt B ein geregeltes Signal mit einem Potential von -7,75 Volt auf. Dies hat einen Strom I„ zur Folge, der über den Widerstand 28 fließt und sich in einen über den Kondensator 36 fließenden Strom Ip, einen in die Basis 21 fließenden Strom I„ und einen über den Widerstand 30 fließenden Strom I₁ aufteilt. Das Potential des Kollektors 25 des Transistors 22 beginnt mit einer konstanten Geschwindigkeit abzufallen, die dem gewünschten Sollwert entspricht, dex* durch die Resistanz der Widerstände 28 und 30 und die Kapazität des Kondensators 36 bestimmt ist.

Zu Beginn der Abnahme hat das Potential des Kollektors 25 den höchsten positiven Wert, wie es in Fig. 2b dargestellt ist. Wie zuvor, während der Anstiegszeit, ist der Wert des Stroms I„ vernachlässigbar klein. Wenn der Transistor 22 leitend ist, beträgt der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand 30 0,75 Volt und der am ohmschen Widerstand 23 etwa 1,5 Volt oder die Differenz zwischen -7,75 Volt am Verbindungspunkt B und -9,25 Volt am Verbindungspunkt C. Wählt man die Resistanz der Widerstände 28 und 30 gleich groß, dann ist die Stromstärke des Stroms Io gleich dem Zweifachen der Stromstäx-ke des Stroms I₁. Dies bedeutet, daß I_c = I wird. Die Ströme I und I- sind jedoch auch während der Anstiegszeit gleich. Der Kondensator 36 wird daher in entgegengesetzter Richtung mit der gleichen Geschwindigkeit wie während der Anstiegszeit aufgeladen. Die Steigung dos in Fig. 2b dargestellten abfallenden Spannungsübergangs hängt

1 0 9 8 2 U i 7 Π f Γ.

von der Resistanz der Widerstände 28 und 30, der Kapazität des Kondensators 36 und der Emitter-Basis-Spannung des Transistors 22 ab, die vom Betriebspotential der Anschlüsse 20 und 33 (Fig. 1) unabhängig sind. Die Abfall-Steigung ist in ähnlicher Weise wie die Anstiegs-Steigung bei Betriebspotentialschwankungen von etwa ±3 Volt konstant.

Die ungefähre Spannungsregelfähigkeit der Dioden 17 - 19 läßt sich nach dem Kirchoff'sehen Gesetz anhand folgender Gleichungen berechnen:

τ _ -(Betriebspotential) -4 (Diodenspannungsabfälle) Resistanz des Widerstands 14

¹A ■ ¹D ^{+ 1}S

τ . 3 (Diodenspannungsabfälle)-l(Basis-Emitter-Spannungsabf.)

Resistanz des Widerstands 23

_m 2.25 Volt - 0,75 Volt
Widerstand 28

„, 1,5 Volt

Widerstand 28

Daraus folgt

¹A-¹D ^{+ 1}S

-.(Betriebspotential) -4 (0.75) Volt _{m χ} ₊ 1,5 Volt

Widerstand 14 ^D Widerstand 28

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Bei Ij, ungefähr gleich null,

-(Betriebspotential) - _{(15) + 3}

Widerstand 28

Wenn der Widerstand 14 die doppelte Resistanz wie der Widerstand 28 aufweist, erhält man als Betriebspotential -6 Volt.

Eine Spannungsregelung ist daher möglich, bis der durch die Dioden 17 - 19 fließende Strom null wird, was dann der Fall ist, wenn das Betriebspotential -6 Volt beträgt. Betriebspotentialänderungen von +4 Volt werden daher ausgeregelt. In ähnlicher Weise läßt sich zeigen, daß eine Spannungsschwankung um etwa den gleichen Betrag bei jedem Betriebspotential auftreten kann, ohne daß sich die Anstiegs- oder Abfall-Geschwindigkeit wesentlich ändert.

Wie aus Fig. 2b zu ersehen ist, sind die Anstiegsverzögerungszeit T„ und die Abfallverzögerungs zeit T„ ebenfalls gleich, wenn die Anstiegs- und Abfall-Geschwindigkeit des Spannungsverlaufs gleich sind, ein hoher und ein niedriger Spannungspegel Vg und V- gleich sind und ein hoher und ein niedriger Spannungsschwellwert V_TH und V_TL gleich sind. Gleiche Steigungen ergeben sich wie zuvor, und V„ und V_L sind gleich, wenn der Betrag der positiven und negativen Betriebspotentiale gleich ist. Die Schwellwertspannungen ^VTH ^{und V}TL ^{sind durcn} eine die Ausgangssignale verarbeitende Schaltung bestimmt. Es ist eine normale Betriebsforderung, daß Schaltungen, wie Bipolar-Geber, so ausgelegt sind, daß sie mit Verarbeitungsschaltungen zusammenarbeiten, bei denen V_T„ und V₁-,- weitgehend gleich sind. Es können daher alle Bedingungen für gleiche Verzögerungszeiten T_ und T„ bei der dargestellten Integrator-Verstärkerschaltung erfüllt worden.

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Die Bauelemente der Integrator-Verstärkerschaltung können so gewählt werden, daß sie gleiche Temperaturkoeffizienten aufweisen, um Umgebungstemperatureinflüsse zu kompensieren, so daß die Gleichheit der Anstiegs- und Abfall-Geschwindigkeiten und deren Konstanz nicht durch Temperaturänderungen beeinflußt wird. Wenn der Integrator-Verstärker in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet wird, werden hauptsächlich zwei Größen, die in die An- · stiegs- und Abfallgeschwindigkeit eingehen, durch Temperaturänderungen beeinflußt, nämlich die Resistanz der λ Widerstände und der Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke oder den Dioden. Bei sehr enger thermischer Kopplung auf einer Halbleiterptatte oder einem Bereich eines plattenartigen Halbleitersubstrats, ändern sich die Spannungsabfälle an den Dioden 17 - 19 und den Emitter-Basis-Übergängen des Transistors 22 gleichermaßen in Abhängigkeit von der Temperatur, so daß die Einflüsse der Temperaturschwankungen kompensiert werden. Die Resistanzen der Widerstände 28 und 30 ändern sich ebenfalls so, daß das Verhältnis der Widerstandswerte bzw. Resistanzen konstant bleibt. Infolgedessen bleibt die Stromstärke I_n während des Anstiegs und Abfalls der Impulsflanken weitgehend gleich. Bei Schaltungen mit diskreten Bauelementen können die Tempe- ' ratureinflüsse durch die Auswahl von Bauelementen mit gleichen Temperaturkoeffizienten in ähnlicher Weise kompensiert werden.

Diese Integrator-Verstärkerschaltung kann für einen Bipolar-Geber oder -Sender verwendet werden, der beispielsweise entsprechend dem Schaltbild nach Fig. 3 ausgebildet sein kann. Typische Werte der Bauelemente für die V/idcrstände in Ohm und für einen äußeren Kondensator in Pikofarad sind in Fig... 3 neben den Bauelementen angegeben. Der Verstärker und dq,r V sind so geschaltet, daß sie in Form einer integricr-

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ten Schaltung ausgebildet werden können und Ausgangsimpulse mit konstanter Flankensteilheit bei Betriebspotentialschwankungen und Temperaturschwankungen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs abgeben. Die Temperaturunabhängigkeit wird dabei im wesentlichen durch die Auswahl von Bauelementen mit gleichen Temperaturkoeffizienten erreicht.

Der Bipolar-Geber oder -Sender nach Fig. 3 enthält eine Eingangsstufe mit einer an sich bekannten Dioden-Transistor-Eingangslogik, die Eingangsanschlüsse 50 und 51, Dioden 52 - 55, einen ohmschen Widerstand 58 und einen Transistor 60 aufweist, einen Pegeländerungstransistor , 62, eine Integrator-Verstärkerschaltung, wie sie oben beschrieben wurde, eine Stromquelle- und Stromsenke-Stufe mit Transistoren 64 - 69 und ohmschen Widerständen 82, 83, 85 und 91 - 95, und eine Ausgangsstufe mit Transistoren 72 - 75, ohmschen Widerständen 88 - 90, eine Diode und einen Ausgangsanschluß 96.

Bei den Transistoren 62, 64, 65 und 75 handelt es sich beispielsweise um integrierte Lateral-PNP-Transistoren, wie sie in dem Aufsatz "Lateral Complementary Transistor Structure for Simultaneous Fabrication of Functional Blocks" in der Zeitschrift "Proceedings of IEEE", Vol. 52, Dezember 1964 (Seiten 1491 - 1495) von H.C. Lin et al beschrieben sind.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Bipolar-Gebers nach Fig. 3 beschrieben. Nimmt man an, daß dem Anschluß 51 normalerweise ein Potential von +3 Volt und einem Eingangsanschluß 50 ein Eingangssignal mit einander abwechselnden Spannungswerten oder Potentialen gleicher Polarität von

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beispielsweise +3 Volt und +0,2 Volt .'zugeführt wird, dann wird der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 60 abwechselnd an eine Durchlaßspannung und eine Sperrspannung gelegt.

Wenn die Eingangssignalspannung auf einen positiveren Y/ert von etwa +1,4 Volt ansteigt, dann werden die Dioden 52 und 53 gesperrt und die Dioden 54 und 55 leitend, so daß ein Teil des über die Dioden 54 und 55 fließenden Stroms in die Basis des Transistors 60 fließt. Der Stromfluß hat ein positives Potential an der Basis des Transistors 62 zur Folge, " das weniger positiv als das Potential der Emitter-Elektrode ist. Der Transistor 62 wird dadurch leitend, so daß das Potential der Basis des Transistors 12 positiv wird, der in der erwähnten Weise als Schalter wirkt. Der Integrator-Verstärker spricht auf den Schalter dahingehend an, daß er ein integriertes Signal mit einer Anstiegsgeschwindigkeit und einem positiven Potential,entsprechend Fig. 2b an der Basis des Transistors 72 der Ausgangsstufe erzeugt. Die Basis und der Emitter des Transistors 72 sind ebenfalls jeweils mit einer Stromquelle und Stromsenke verbunden, die konstante Ströme in der nachstehend beschriebenen Weise erzeugen. (|

Die Transistoren 72 - 74 der Ausgangsstufe wirken in an sich bekannter Weise als Emitterfolger, so daß das Ausgangssignal am Anschluß 96 der Anstiegsgeschwindigkeit und dem Potential des Signals an der Basis des Transistors 72 folgt und ein V„ aufweist, das durch ein geeignetes positives Potential bestimmt ist, das beispielsweise +10 Volt betragen kann und dem Anschluß 98 aus einer Spannungsquelle zugeführt wird. Der Transistor 73 wird ebenfalls leitend, so daß an seinem Emitter ein positives Potential erscheint, das die Diode 80

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leitend macht und ein positives Potential an der Basis des Transistors 75 zur Folge hat, so daß der Transistor 75 gesperrt wird.

In ähnlicher Weise wird die Diode 52 leitend, wenn die Eingangssignalspannung am Anschluß 50 unter etwa +1,4 Volt sinkt, so daß die an die Reihenschaltung aus den Dioden 54 und 55 und dem' Emitter-Basis-Übergang des Transistors 60 gelegte Spannung nicht ausreicht, um den Transistor 60 leitend zu machen bzw. durchzusteuern.

Wenn der Transistor 60 gesperrt ist, fließt kein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 60, so daß am Widerstand 56 keine Spannung liegt. Das Potential der Basis des Transistors 62 wird daher positiver als das Potential seines Emitters oder es nimmt den gleichen Wert an, so daß der Transistor 62 gesperrt und der Basis des .Schalttransistors 12 über die Widerstände 61 und 40 ein negatives Potential zugeführt wird. Der Schalttransistor 12 wirkt dann in der anhand des Integrator-Verstärkers beschriebenen Weise dahingehend, daß ein integriertes Signal mit einer Abfallgeschwindigkeit und einem negativen Potential entsprechend Fig. 2b α an der Basis des Transistors 72 der Ausgangsstufe erzeugt wird.

Die durch die Transistoren 72 und 73 gebildeten Emitterfolger bewirken, daß am Emitter des Transistors 73 ein Potential auftritt, das die Diode 80 sperrt, so daß der Basis des Transistors 75 vom Kollektor des Transistors 69, der in nachstehend beschriebener Weise als Stromsenke wirkt, ein negatives Potential zugeführt werden kann. Der Transistor 75 wird dadurch leitend, so daß am Anschluß 96 ein Ausgangssignal erscheint, das der Abfallgeschwindigkeit und dem Potential des Signals an der Basis des Transistors 72 folgt.

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Das Ausgangssignal hat ebenfalls ein "VL, das durch ein geeignetes negatives Potential bestimmt wird, das beispielsweise -10 Volt betragen kann und dem Anschluß 20 aus einer Spannungsquelle zugeführt wird.

Im folgenden werden anhand von Fig. 3 die Stromquelle und -senken näher beschrieben. Der Transistor 64 wird als Konstantstromquelle bezeichnet, weil der Strom aus seinem Kollektor herausfließt, während die Transistoren 67 und 69 als Stromsenken bezeichnet werden, weil der Strom in ihre Kollektoren hineinfließt. Die Ströme werden als konstant bezeichnet, weil sie sich nicht wesentlich ändern, wenn sich die Signalströme und Signalspannungen in der Geberschaltung ändern. Die dargestellte Anordnung wird gewöhnlich in integrierten Schaltungen zur Ausbildung von KonstantStromquellen und -senken verwendet.

Durch entsprechende Wahl der Resistanzen der Widerstände 91 und 94 wird am Kollektor und an der Basis des Transistors

68 ein geeignetes Potential ausgebildet. Durch passende Wahl der Resistanzen der Widerstände 92, 93 und 95 wird für die Ausbildung von Kollektorströmen der Transistoren 66, 67 und

69 gesorgt. Diese Ströme ändern sich nicht wesentlich bei einer änderung der Kollektorpotentiale aufgrund eines Eingangssignals, weil die Transistoreigenschaften so gewählt sind, daß der gewünschte Strom fließen kann. Die Kollektoren der Transistoren 66, 67 und 69 sind daher im wesentlichen Konstantstromsenken. Der Kollektorstrom des Transistors 66 ist gleich der Summe des Kollektorstroms des Transistors 6b und der Basisströme der Transistoren 64 und 65. Da die Widerstände 82 und 83 gleiche Resistanzen haben und die Transistoren 64 und 65 gleich sind, sind auch die Kollektorströme dieser Transistoren weitgehend gleich. Der Kollektqr-" strom des Transistors 64 ist weitgehend unabhängig von dessen Kollektorspannung. Durch passende Wahl der Resistanz

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des Widerstands 92 ergibt sich daher eine gewünschte Ausgangsstromstärke der Quelle 64.

Die Transistoren 74 und 75 der Ausgangsstufe sind in einer an sich bekannten komplementärsymmetrischen Anordnung geschaltet. Da diese beiden Transistoren Signale von Transistoren erhalten, die in Kollektor- oder Emitterfolgerschaltung betrieben werden, ergibt sich eine Ausgangsspannung, die ein Nachbild einer Eingangsspannung darstellt. Die Diode 80 erzeugt eine Verschiebungsspannung, die die Transistoren 74 und 75 so vorspannt, daß eine Verzerrung der Ausgangssignale während des Anstiegs und Abfalls verringert wird. Durch passende Wahl der jResistanzen der Widerstände 82, 83, 85, 94 und 95 können V_H und V_L so eingestellt werden, daß sie gleich sind. Die Widerstände S8 - 90 sorgen für eine Begrenzung des Ausgangsstroms und der Verlustleistung der Schaltung für den Fall, daß der Ausgangsanschluß mit einem unerwünschten Anschluß verbunden oder an ein unerwünschtes Potential gelegt wird.

Die Integrator-Verstärker-Schaltungsanordnung nach Fig. läßt sich in Form einer integrierten Schaltung ausbilden und benötigt keine intern angeschlossenen Kondensatoren, da sich diese schwer in Form einer integrierten Schaltung ausbilden lassen, und weist dennoch die wesentlichen Merkmale der Integration auf, nämlich daß sie Ausgangsimpulse mit gleicher Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit bzw. gleicher Flankensteilheit erzeugt.

Die Verbesserung der Schaltung besteht im wesentlichen in der Genauigkeit, mit der die Flankensteilheiten und die Versöge rungsze it en während Betriebspotential- und Temperatur» Schwankungen gleich gehalten werden und darin, daß die··

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Schaltung für eine Serienfertigung besonders geeignet ist, weil sie sich als integrierte Schaltung ausbilden läßt. Ein nach der Erfindung ausgebildeter Integrator-Verstärker und Bipolar-Geber ist besonders für den Einbau in integrierte Baueinheiten geeignet.

Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel bestimmte Polaritäten der Potentiale und Bauelemente angegeben sind, bedeutet es für den Fachmann keine Schwierigkeit, entsprechende Integrator- und Bipolar-Geber mit der gleichen Schaltungsanord- M nung, jedoch umgekehrt gewählten Polaritäten, und durch Verwendung von Transistoren von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp auszubilden.

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Claims

Patentansprüche

Integratorschaltung, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung, der über einen Eingangsanschluß eine Folge von Eingangssignalen zuführbar ist und die auf ein Eingangssignal mit einer vorbestimmten Spannungsamplitude anspricht und daraus ein Schaltsignal erzeugt, eine an die Schaltvorrichtung angeschlossene Regelvorrichtung, die auf das Schaltsignal anspricht und ein Bezugspotential aus einem von einer ersten Quelle abgegebenen Betriebspotential erzeugt, einen ersten Widerstand, der mit einem Anschluß an der Regelvorrichtung angeschlossen ist, so daß ihm das Bezugspotential zuführbar ist, einen zweiten Widerstand, der mit seinem einen Anschluß an dem anderen Anschluß des ersten Widerstands an einem Verbindungspunkt und mit seinem zweiten Anschluß an der ersten Quelle angeschlossen ist, eine Anschlußvorrichtung, an der ein Kondensator angeschlossen ist, der mit seinem einen Anschluß an dem Verbindungspunkt und mit seinem anderen Anschluß an einer Konstantstromquelle liegt, die Strom aus einer zweiten Betriebspotentialquelle liefert, und einen Transistor, wobei der Transistor, die beiden Widerstände und der Kondensator als Integrator geschaltet sind, der auf die Ab- und Anwesenheit des Bezugspotentials, das dem ersten Widerstand zugeführt wird, dahingehend anspricht, daß er ein Ausgangssignal mit einer ansteigenden und einer abfallenden Flanke erzeugt, deren Steigung von Betriebspotentialschwankungen, die innerhalb eines vorbestimmten Schwankungsbereiches liegen, unabhängig ist.
2. Integratorschaltung, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung, der über einen Eingangs-

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anschluß eine Folge von Eingangssignalen zuführbar ist und die auf ein Eingangssignal mit einer vorbestimmten Spannungsamplitude dahingehend anspricht,daß sie ein Schaltsignal erzeugt, eine an die Schaltvorrichtung angeschlossene Regelvorrichtung, der das Schaltsignal zugeführt wird und die auf das Schaltsignal dahingehend anspricht, daß sie aus dem von einer ersten Betriebspotentialquelle abgegebenen Potential ein Bezugspotential erzeugt, und die das Bezugspotential in einem vorbestimmten Bereich von Betriebspotentialen konstant hält, die diese Betriebspotentialquelle abgibt, einen ersten Widerstand, der mit seinem einen Anschluß an der Regelvorrichtung angeschlossen ist, so daß er das Bezugspotential erhält, und während der Anwesenheit des Bezugspotentials dahingehend anspricht, daß er einen Steuerstrompfad bildet, einen zweiten Widerstand, dessen einer Anschluß mit dem anderen Anschluß des ersten Widerstands an einem Verbindungspunkt verbunden ist und dessen zweiter Anschluß mit der ersten Quelle verbunden ist, eine Kondensator-Anschlußvorrichtung, an der ein Kondensator angeschlossen ist und die den einen Anschluß des Kondensators mit dem Verbindungspunkt und den anderen Anschluß mit einer Konstantstromquelle verbindet, die Strom aus einer zweiten Betriebspotentialquelle liefert, ein Transistor mit einer Basis, die mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, mit einem Kollektor, der mit dem anderen Anschluß des Kondensators verbunden ist, und mit einem Emitter, der mit der ersten Quelle verbunden ist, wobei der Transistor, der Kondensator und die beiden Widerstände zu einem Integrator verbunden sind, #er auf die eine und die andere Stroaflußrichtung des durfh den Kondensator fließenden Stroms jeweils mit der Erzeugung der Vorderflanke und der Rückflanke eines Ausgangssignalimpulses anspricht, und wobei der Steuerstrompfad das Schalten eines ersten und eine» zweiten durch den Kondensator fließenden Stroms von weitgehend gleicher

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Stromstärke jeweils während der An- und Abwesenheit des Bezugspotentials steuert, so daß die Flankensteilheit der Ausgangssignalimpulse in dem vorbestimmten Betriebspotentialbereich konstant ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurchge kennzeichnet, daß die beiden Widerstände gleich sind.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände ohmsche Widerstände sind.
5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregelvorrichtung eine Reihenschaltung aus Dioden zwischen dem Verbindungspunkt und der ersten Betriebspotentialquelle aufweist.
6. Integratorschaltung gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung, der über einen Eingangsanschluß eine Folge von Eingangssignalen zuführbar ist, und die auf ein Eingangssignal mit einer vorbestimmten Spannungsamplitude dahingehend anspricht, daß sie ein Schaltsignal erzeugt, eine an die Schaltvorrichtung angeschlossene Regelvorrichtung, der das Schaltsignal zuführbar ist und die auf das Schaltsignal dahingehend anspricht, daß sie aus einer Betriebspotentialquelle ein vorbestimmtes Bezugspotential ableitet, einen Widerstand, der mit seinem einen Anschluß an die Regelvorrichtung angeschlossen ist, so daß er das Bezugspotential erhält, und mit seinem anderen Anschluß mit einem Verbindungspunkt verbunden ist, einen zweiten Widerstand, der zwischen dem Verbindungspunkt und der Betriebspotentialquelle liegt, eine Kondensatoranschlußvorrichtung,an der ein Kondensator angeschlossen ist, so daß er zwischen dem Verbindungspunkt und einer Konstantstromquelle liegt, die aus einer

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zweiten Betriebspotentialquelle einen Strom fließen läßt, einen Transistor mit einem Basis-Kollektor-Übergang, der zu dem zweiten Widerstand parallel geschaltet ist, wobei der Transistor, die beiden Widerstände und der Kondensator zu einem Integrator verbunden sind, der Transistor während jedes Übergangs zwischen der An- und Abwesenheit des Bezugspotentials leitend ist, so daß an dem zweiten Widerstand ein konstanter Spannungsabfall auftritt, wobei ferner " der erste Widerstand während der Abwesenheit des Betriebspotentials aus einem Strompfad zwischen dem Kondensator J und dem zweiten Widerstand herausschaltbar ist, so daß durch den Kondensator und den zweiten Widerstand ein Strom gleicher Stärke fließt, und während der Anwesenheit des Bezugspotentials in den Strompfad hineinschaltbar ist, so daß ein über den ersten Widerstand fließender Strom den gleichen Stromfluß durch den Kondensator und den zweiten Widerstand bewirkt, und wobei der Integrator auf die Gleichheit des Stromflusses durch den Kondensator während aufeinanderfolgender Potentialübergänge dahingehend anspricht, daß er einen Ausgangssignalimpuls mit gleichen Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeiten erzeugt, die in einem vorbestimmten Betriebspotential-Schwankungsbereich konstant sind. ^
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsrege!vorrichtung eine Reihenschaltung aus Dioden enthält, der Basis-Emitter-Übergang und die Dioden gleiche Temperaturkoeffizienten aufweisen und auch die beiden Widerstände gleiche Temperaturkoeffizienten aufweisen, so daß die Einflüsse von Umgebungstemperaturschwankungen auf die Flankensteilheit bzw. Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeiten der Ausgangsimpulse kompensiert werden.

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8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie' als
integrierte Schaltung ausgebildet ist.
9. Anwendung der Schaltung nach Anspruch 2 für einen
Bipolar-Geber oder -Sender zur Umsetzung monopolarer Signale in bipolare Signale mit einer Eingangsstufe, der die monopolaren Si.g_nai_e zugeführt werden, einer Zwischenstufe zur Erzeugung bipolarer Ausgangssignalimpulse und mit einer Ausgangsstufe zur Abgabe der Ausgangssignalimpulse,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstufe die Schaltung nach Anspruch 2 enthält.

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