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Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Gleichtaktunterdrüekung in Differenzverstärkeranordnungen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Er.
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hbhung der Gleichtaktunterdrückung in Differenzverstärkeranordnungen.
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Hochempfindliche Gleich- oder Wechselspannungsverstrke'r werden Ublicherweise
mit einer Dlfferenz-Eingangsstufe ausgeführt. Eine so aurgebaute Verstärkeranordnung
wird dann häufig mit Differenzverstärker bezelchnet. Eine Forderung, die an Differenzverstärker
gestellt wird, ist eine hohe GleichtaktunterdrUckung. Im Idealfall bedeutet dies,
dass keine Aenderung am Ausgang des Verstärkers eintritt, wenn beide Eingangssrannungen
sich um einen gleichen Betrag ändern. In prastischen Fällen wird man aber
immer
eine kleine Aenderung der Ausgangsspannung me sen, wenn beide Eingangsspannungen
sich um den gleichen Betrag ändern.
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Die Eigenschaft, wie gut ein Verstärker eine Gleichtaktänderung vom
Eingang auf den Ausgang unterdrückt, wird als Gleichtaktunterdrückung (CMRX) bezeichnet.
Diese Grösse ist definiert als das Verhältnis der auf gleichem Po tential liegenden
Eingänge zu der Differenz der beiden Eingangsspannungen, die am Ausgang des Verstärkers
dieselbe Aenderung hervorrufen.
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Bekannte Massnahmen zur Erhöhung der Gleichtaktunterdrükkung bestehen
beispielsweise darin, den gemeinsamen Emitterwiderstand der Differenz-Eingangsstufe
zu erhöhen oder ihn durch einen als Stromquelle geschalteten Transistor zu ersetzen.
Auch kann der gemeinsame Emitterwiderstand durch zwei, den Emittern zugeordneten
Einzelwiderstande ersetzt werden, mit deren Hilfe der Differenzverstärker auf maximale
Gleichtaktunterdrüekung abgeglichen werden kann (Industrielle Halbleiterscnaltungen,
Telekosmos-5Zerlag, Stuttgart 1968).
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Mit den oben angegebenen Massnahmen lässt sich Jedoch die GleichtaktunterdrUckung
nur in beschr-^inktem Masse ernönen.
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So erfordert beispielsweise die Vergrösserung des gemeinsamen Emittew
lderstandes eine entsprechende Erhöhung der.Betriebspannung' wenn die Aussteuerbarkeit
nicht vermindert werden soll. In der Praxis lässt sich Jedoch die Betriebsspannung
nur beschränkt erhöhen, was insbesondere für Differenzverstärker in integrierter
Schaltungstechnik zutrifft. Auch das genannte Abgleichen ist bei integrierten Verstärkerschaltungen
nicht ohne grossen Aufwand durchführbar.
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EC, ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Nachteile herkömmlicher
Differenzverstärkeranordnungen zu beseitigen und eine Schaltungsanordnung anzugeben,
mit deren Hilfe die Gleichtaktunterdrückung einfacher und preiswerter Differenzverstärker
ohne grossen Aufwand um mehrere Grössenordnungen erhöht werden kann.
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Die vorgenannte Aufgabe lässt sich erfindungsgemäss dadurch lösen,
dass Schaltungsmittel vorgesehen sind, die dazu dienen, den Nulleiter einer ersten
Verstärkerstufe, der das aus Nutzsignal und Gleichtaktsignal bestehende Eingangssignal
zugefUhrt ist, auf dem Potential des Gleichtaktsignals zu halten, und dass das verstärkte
Nutzsignal zwischen dem Ausgang und dem Nulleiter der ersten Verstärkerstufe abgreivbar
ist.
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Besondere Apsfürungsformen und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen von Schaltungsanordnungen
zur Erhöhung der C-leichtaktunterdrückllng in Differenzverstärkeranordnungen in
Verbindung mit der nachstehenden Beschreibung.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Differenzverstärkeranordnung, Fig. 2 eine erste Abwandlung der Schaltungsanordnung
gemäss Fig. 1, Fig. 3 eine zweite Abwandlung der Schaltungsanordnung gemess Fig.
1, Fig. 4 eine weitere Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1, Fig. 5
eine besonders vorteilhafte AusfUhrungsform einer Schaltungsanordnung zur Erhöhung
der Gleichtaktunterdrückung, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Speiseeinrichtung
zur Stromversorgung der vorgenannten Schaltungsanordnungen.
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In Fig. 1 ist ein erster Operationsverstärker mit 1 bezeichnet. Er
weist einen nichtinvertierenden Eingang 2 und einen invertierenden Eingang 3 auf.
Die Widerstände 4 und 5 symbolisieren die Eingangswiderstände der beiden Eingänge
2 und 3, liegen also zwischen diesen und dem Nulleiter Z1 des Operationsverstärkers
1. Die Batterien 6 und 7 dienen zur Speisung des Operationsver stärkers. Parallel
zum Eingang liegt eine Nutzsignalquelle Q5 (Innenwiderstand RS+ und RS-). Dem von
der Nutzsignalquelle QS gelieferten Eingangssignal U5 ist ein Gleichtaktsignal Uc
- erzeugt von der Gleichtktsignal-Quelle QC mit Innenwiderstand RC - Uberlagert.
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Parallel aum Eingang des Operationsverstärkers 1 liegt ferner eine
Reihenschaltung, bestehend aus zwei Widerständen 8, 9. Der Verbindungspunkt beider
Widerstände ist mit dem nichtinvertierenden Eingang 10 eines zweiten Operationsverstärkers
11 verbunden. Der invertierende Eingang 12 und der Ausgang 13 des zweiten Operationsver
stärkeres 11 sind mit dem Nulleiter Z1 des ersten Operationsverstärkers 1 verbunden.
Als Nulleiter für den zweiten Operationsverstärker dient die Masse Die Batterien
14 und 15 Ubernehmen die Speisung des zweiten Operationsversterkers 11. Die Ausgänge
16 bzw. 13 des ersten und zweiten Operationsverstärkers sind Je Uber zwei Widerstä.re
17 bZV;. 18 rnit dem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 19 verbunden.
Parallel zum invertierenden
Eingang' 20- und dem Ausgang 21 des
Operationsverstärkers 19 liegt ein Widerstand 22. Zwischen dem nichtinvertierenden
Eingang 23 und Masse, dem Nulleiter des Operationsverstärkers 19, ist ein weiterer
Widerstand 24 geschaltet. Gespeist wird der Operationsvers-tärser 19 von den Batterien
25 und 26. Das Ausgangssignal UA kann zwischen Ausgang 21 und Masse abgegriffen
werden.
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Der dieser oben beschriebenen Schaltungsanordnung zugrunde liegende
Idee ist die folgende: herkömmliche "normale" Operationsverstärker haben eine Gleichtaktunterdrückung
in der Grössenordnung loo dB. Liegt demnach das Nutzsignal loo dB unter dem Gleichtaktsignal,
so kann nicht mehr zwischen Nutzsignal und (störendem) Gleichtaktsignal unterschieden
werden0 Diese Schwierigkeit wird umgangen, indem die Verstärkung des Nutzsignals
in zwei Stufen erfolgt. In der ersten Stufe, dem ersten Operationsverstärker 1,
wird das Nutzsignal Us gleichtaktspannungsfrei" verstärkt, in der zweiten Stufe,
dem Operationsverstärker 19, wird das bereits verstärkte Nutzsignal zusammen mit
der Gleichtaktspannung verstärkt.
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Dies sei anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht. Das Nutzsignal
U3 habe eine Signalamplitude von 10/uV, der Verstärkungsfaktor des ersten Operatioserstrkers
1 betrage
al = 10, bei einer Gleich4aktunterdrUckung von 100 dB,
d.h. 1 105. Die Signalamplitude des Gleichtaktsignals UC sei 1Volt. Das Gleichtaktsignal
wUrde also die gleiche Aenderung der Ausgangsspannung wie das Nutzsignal erzeugen,
wenn der Operationsverstärker 1 in der herkömmlichen Weise beschaltet wäre. Da er
aber das Nutzsignal gleichtaktspannungsfrei verstärkt, wird dieses auf al. b X =
0,1 Volt verstärkt. Im nachgeschalteten Operationsverstärker 19 werden Nutzsignal
und Gleichtaktsignal zeiten verstärkt wobei aber Jetzt das Nutzsignal nur noch 20
dB unter dem Gleichtaktsignal liegt.
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Somit kann das verstärkte Nutzsignal unbeeinflusst von störenden.Gleichtaktsignalen
am Ausgang A abgegriffen werden.
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Die "gleichtaRtspannungsfreie" Verstarkung des Nutzsignals Us im ersten
Operationsverstärker 1 erfolgt erfindungsgemäss dadurch, dass als Bezugspotential
fUr diesen Operationsverstärker der auf Gleichtaktpotential liegende Nulleiter Z1
benutzt wird. Auf diese Weise fliessen keine vom Gleichtaktsignal hervorgerutenen
Ströme in den Operationsverstärker 1 und der Einfluss der Gleichtaktsignale wird
ausgeschaltet. Zum Angleichen des Nulleiters Z1 an das Potential des Gleichtaktsignals
ist erfindungsgemäss der zweite Operationsverstärker 11 vorgesehen. Dieter Ope rationsverstärker
ist als Spannungsfolger geschaltet. Er erzwingt Potentialgleichheit zwischen seinem
nichtinvertierenden
Eingang 10 und seinem mit dem Nulleiter Z1
des Operationsverstärkers 1 verbundenem Ausgang 12. Als vingangspotentialfur den
nichtinvertierenden Eingang 10 des zweiten Operätionsverstärkers 11 dient der Verbindungspunkt
der beiden in Reihe geschalteten Widerstände 8, 9, die parallel zum Eingang des
crsten Operationsverstärkers 1 liegen. Dieser Verbindungspunkt liegt auf Gleichtaktpotential,
vorausgesetzt der Eingangswiderstand des zweiten Operationsverstärkers 11 ist genügend
hoch.
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Mit der oben beschriebenen Schaltungsanordnung lässt sich eine bedeutende
Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung auf relativ einfachem Wege erzielen. Wie
das vorstehende Zahlenbeispiel zeigt werden dabei an die einzelnen Operationsverstärker
keine grossen Anforderungen hinsichtlich Gleichtaktunterdrückung gestellt. Eine
wesentliche Eigenschaft der vorgeschlagenen Anordnung ist es, dass sie sich auch
in integrierter Schaltungstechnik realisieren lässt.
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Zu einer noch vorteilhafteren Schaltungsanordnung gelangt man, wenn
der durch die parallel zum Eingang des ersten Operationsverstärkers 1 liegenden
Widerstände 8, 9 fliessende Strom unterdrUckt wird. Dies ist in der in Fig. 2 dargestellten
Schaltungsanordnung realisiert.
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Gegenüber der Schaltungsanordnung der Fig. 1 weist die in Fig. 2 dargestellte
einen weiteren Operationsverstärker 27 auf, dessen nichtinvertierender Eingang 28
mit dem Nulleiter 1 des ersten0peratiosverstärkers 1 verbunden ist. Invertierender
Eingang 29 und Ausgang 30 sind zusammengeschaltet und mit dem Nulleiter Z2 des zweiten
Operationsverstärkers 11 verbunden. Als Nullleiter dient also nicht wie in der Schaltungsanordnung
gemäss Fig. 1 die Masse.
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Der Operationsverstärker 27-ist - wie der Operationsverstärker 11
- als Spannungsfolger geschaltet. Aus diesem Grunde herrscht PotentialgleicKheit
zwischen seinem nichtinvertierenden Eingang 28, der mit dem Nulleiter Z verbunden
ist, und dem mit dem Ausgang 30 verbundenen Nulleiter Z2 des zweiten Operationsverstärkers
11. Daher können keine durch Gleichtaktsignale hervorgerufenen Ströme durch die
Widerstände 8, 9 fliessen. Der Verbindungspunkt beider Widerstände befindet sich
auf Gleichtaktpotential.
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Aehnliche Eigenschaften weist auch die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung
auf. Dort wird ebenfalls der Eingangs strom in den zweiten Ope rat ionsvers tärkerr
11 und damit ein vom Gleichtaltsignal hervorgerllfener Strom durch die Widerstände
8, 9 unterdrückt. Der Ausgang 302
des Operationsverstärkers 271
ist mit dem invertierenden Eingang 29t mit dem Nulleiter Zl des ersten Operationsverstärkers
1 und mit dem Nulleiter Z2 des zweiten Operationsverstärkers 11 verbunden. Der Ausgang
13 dieses Operationsverstärkers ist mit seinem invertierenden Eingang 12 und mit
dem nichtinvertierenden Eingang 28 des Operationsverstärkers 27' zusammengeschaltet.
Wie in Fig. 2 haben.die Operationsverstärker 11 und 27Zgetrennte Nulleiter.
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In den bisher beschriebenen Schaltungsanordnungen wird der Eingangswiderstand
des ersten Operationsverstärkers 1 durch die parallel zu seinem Eingang liegende
Reihenschaltung der Widerstände 8 und 9 herabgesetzt. Diese Verminderung des Eingangswiderstandes
kann vermieden werden, wenn gemäss Fig. 4 Operationsverstärker zur Bildung eines
Bezugspotentials herangezogen werden. In der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 4 werden
die Widerstände 8, 9 quasi durch die als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker
31 und 32 von den Eingängen 2'und 3'des ersten Operationsverstärkers 1 entkoppelt.
Der Eingang 2' ist mit dem nichtinvertierenden Eingang 33 des Operationsverstärkers
31, der Eingang 3t ist dem nichtinvertierenden Eingang 34 des Operationsverstärkers
32 verbunden.
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Die invertierenden Eingänge 35 und 36 sind Jeweils mit
den
Ausgängen 37 bzw. 38 verbunden, zwischen denen die aus den Widerständen 8 und 9
gebildete Reihenschaltung liegt. Der Verbindungspunkt beider Widerstände ist analog
der Schaltungsanordnungen der Figuren 1, 2 und 3 mit dem nichtinvertierenden Eingang
10 des zweiten Operationsverstärkers 11 verbunden. Die Nulleiter der Operationsverstärker
31 und 32 sind mit dem Nulleiter Z des ersten Operationsverstärkers 1 verbunden.
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Die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 4 unterscheidet sich von den bisher
beschriebenen weiterhin dadurch, dass der erste Operationsverstärker 1 in der gleichen
Weise beschaltet ist, wie der Operationsverstärker 19. Seine Verstärkung wird durch
die Widerstände 39, 40, 41, 42 in bekannter Weise bestimmt.
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Eine weitere vorteilhafte AusbiLdung der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung
zeigt Fig. 5. Sie stellt eine Variante der in Fig. 4 dargestellten Anordnung dar.
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Dort wird der Erniedrigung des Eingangswiderstandes des ersten Operationsverstärkers
1 durch die seinem Eingang parallel liegenden Widerstände 8 und 9 entgegengewirkt
durch zwei zwischen den Eingängen 2 und 3 und der Signalquelle eingeschaltete Operationsverstärker
43 und 44.
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Die nichtinvertierenden Eingänge 45 und 46 sind Jeweils mit der Nutzsignalquelle
QS verbunden, invertierendeEingänge
47 und 48 sind Je mit den
Ausgängen 49 bzw. 50 zusammengeschaltet und mit den Eingängen 2'bzw.3' des ersten
Operationsverstärkers 1 verbunden. Beide Operationsverstärker 43, 44 arbeiten somit
als Spannungsfolger.
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Ihre Nulleiter sind an den Nulleiter Z1 des ersten Operationsverstärkers
1 aiigeschlossen.
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In den oben beschriebenen Schaltungsanordnungen diente der dem ersten
Operationsverstärker 1 nachgeschaltete Operationsverstärker 19 dazu, das auf Bezugspotential
Nulleiter Z1 bezogene Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers 1 auf Massepotential
zu bringen, d.h.
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es konnte zwischen Ausgang 21 des Operationsverstärkers 19 und Masse
abgegriffen werden. Dies ist Jedoch fUr manche Anwendungen nicht notwendig. Alle
vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen können beipielsweise als Messverstärker für
Anzeige- und/oder Registriergeräte mit erdfreiem Eingang, z.B. Galvanometer, eingesetzt
werden.
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Ein derartiges Anzeige- und/oder Registriergerät kann direkt zwischen
Ausgang 16 des ersten O;erationsverstErker 1 und seinem Nulleiter Zl angeschlossen
werden. Die nachgeschaltete Verstärkerstufe, bestehend aus dem Operationsverstärker
i9 einschliesslich seiner Beschaltung fällt dann selbstverständlich fort.
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Der so gewonnene Messverstärker ist dann unepfindlich
sowohl
gegen Gleichspannungs als auch Wechselspannungs Gleichtaktsignale, beispielswelse
symmetrische Bruminspannungen an seinem Eingang.
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In den vorstenend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgte die
Speisung der einzelnen Operationsverstärker mittels Batterien. Diese Batteriespeisung
wurde zunächst gewählt, weil sich mit ihr in einfacher Weise eine für die vorgeschlagenen
Schaltungsanordnungen notwendige bezugspotentialunabhängige Stromversorgung realisieren
lässt. In praktischen Anwendungen wird man Jedoch aus Zweckmässigkeitsgründen Netzspeisung
vorsehen müssen.
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Die Schaltungsanordnung der Fig. 6 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel einer
netzgespeisten Stromversorgungseinrichtung, die sich vorteilhaft in den vorgeschlagenen
Schaltungen einsetzen lässt. Diese Versorgungseinrichtung weist zwei Paare konventioneller
Spannungsquellen Q1'Q2; Q3sQ4 auf, die Je mit einem Pol an Masse liegen. Als Spannungsquellen
können beispielsweise sogenannte Gleichspannungs-Netzgeräte dienen. Der Pluspol
der Quelle Q3 und der Minuspol der Quelle Q4 können unmittelbar mit den mit (+A)
bzw. (-A) bezeichneten Versorgungsspannungs-AnschlUssen derJenigen Operationsverstirker
verbunden werden deren
Bezugspotential Masse ist. Die Versorgungsspannungs-AnschlUsse,
deren Bezugs potential Z1 bzw. Z2 also von Masse verschieden ist (in den Fig. 1
bis 5 durch (+B) bzw. (-B) angedeutet), sind über Konstantstromquellen und Zenerdioden
mit den anderen Polen der Spannungsquellen Q1 und Q" verbunden. In Fig. 6 ist der
Pluspol der Quelle Q1 ueber einem Widerstand RE1 mit demEmitter eines pnp-Transistors
T1 verbunden. An den Kollektor des Transistors T1 schliesst sich die Reihenschaltung
zweier Zenerdioden ZD1, ZD2 an. Beide Zenerdioden haben beispielsweise die gleiche
Zenerspannung. Der Minuspol der Quelle Q2 ist Uber einen Widerstand RE2 mit dem
Emitter eines npn-Transistors T2, dessen Kollektor mit der Anode der Zenerdiode
ZD2 verbunden ist, zusammengeschaltet.
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Die Widerstände RB1, R, RB2 dienen zur Einstellung des Arbeitspunktes
der Transistoren T1 und T2.
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Die in den Figuren 1 bis 5 mit (+B) bzw. (-B) bezeichneten Versorgungsspann1rngs-AnschlUsse
werden mit der Kathode der Zenerdiode ZD1 bzw. mit der Anode der Zenerdiode ZD2
verbunden. An die Verbindungsleitung der beiden Zenerdioden werden die Nulleiter
Z1, sowie die der entsprechenden anderen Operationsverstärker mit von Masse verschiedenem
Bezugspotential angeschlossen. Eine Asnahme hiervon bildet der Operationsverstärker
11 in Fig. 2, der eine separate Speisung benötigt (dort angedeutet durch (+C) und
(-C)).
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Damit ist die Stromversorgung der mit von Masse verschiedenem Bezugspotential
zu betreibenden Operationsverstarker bezugspotentialunabhängig. Es muss lediglich
dafUr gesorgt sein, dass die Summenspannung zwischen den nicht an Masse geschalteten
Polen der Spannungsquellen Qi und Q2 genügend gross ist, d.h. grösser als die Summe
VO,1 maximal auftretendem Gleichtaktsignalhub, Spannung zwischen +B und -B und den
an den Konstantstromquellen auftretenden Spannungsabfällen.
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Es sei noch bemerkt, dass auf die Spannungsquellen Q3 und Q4 dann
verzichtet werden kann, wenn die Operationsverstärker mit Masse als Bezugspotential
direkt an den Pluspol der Quelle Q1 bzw. an den Minuspol der Quelle Q2 angeschlossen
werden, was abhängig ist von der vorgeschriebenen Versorgungsspannung dieser Operationsverstärker.