DE2134414A1 - Nichtlineare Verstärkeranordnung - Google Patents
Nichtlineare VerstärkeranordnungInfo
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Description
) Λ "Ϊ Ix L Λ L
Patentanwälte Dipl.-Ing. F. "Weickmann, *. |ί3 '
Dipl.-Ing. H. Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
DZIII 8 MÜNCHEN 86, DEN
POSTFACH 860 820
5 K^l T^o„M MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22
.w. Karl .braun <98 392i/22>
Drive
Beaverton, Oregon, USA
Uichtlineare Verstärkeranordnung
Die vorliegende Erfindung "betrifft eine nichtlineare
Verstärkeranordnung mit mehreren in Kaskade geschalteten gleichartigen Stufen und mit jeweils einem Operationsverstärker
in jeder Stufe, der einen Inverterverstärker,
eine vom Ausgang auf den Eingang des Inverterstärkers gekoppelte Rückkopplungsimpedanz und eine an den Eingang
des Inverterverstärkers angekoppelte Koppelimpedanz aufweist.
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, f
einen derartigen nichtlinearen Verstärker als einfach aufgebauten logarithmischen Verstärker auszubilden,
in dem alle Stufen identisch sind. Ein derartiger logaritmischer Verstärker soll insbesondere unempfindlich
gegen Änderungen der Eigenschaften der Schaltungskomponenten sein und keine Beschränkungen hinsichtlich
der Mittenfrequenz oder der Bandbreite aufweisen.
Diese Aufgabe wird bei einer Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß jeweils ein Begrenzer von mehreren Begrenzern über wenigstens eine erste Impedanzkomponente der Eingangs-
- 2 109883/1880 '
2134A1 A
impedanz jeweils einer gleichartigen Stufe geschaltet ist, um die Verstärkung der Verstärkeranordnung als
Punktion von Zunahmen der Eingangssignalamplitude zu reduzieren, und daß die Begrenzer ihren Widerstandswert
jeweils von einem kleinen auf einen großen Wert ändern, um die wirksame Eingangs-Koppelimpedanz der Operationsverstärker
zu vergrößern, und die Verstärkung zu reduzieren, wenn die Amplitude des EingangsSignaIs einen
vorgegebenen Wert überschreitet, so daß die Stufen in sukzessiver Folge von einem Ausgang zu einem Eingang der
Verstärkeranordnung derart betrieben werden, daß jede Stufe verschiedener Werte des Eingangssignals zu einem
Betrieb mit kleiner Verstärkung übergeht.
Obwohl die im vorstehenden gekennzeichnete erfindungsgemäße Verstärkeranordnung vielseitig verwendbar ist, wird
sie speziell als logarithmischer Verstärker für ein in einem Spektralanalysengerät verarbeitetes Signal verwendet.
Ein derartiges Spektralanalysengerät trennt verschiedene
frequenzkomponenten eines Signals und zeigt diese
Signalkomponenten als ]Frequenz-Amplitudenzusammenhang
an. Die erfindungsgemäße logarithmische Verstärkeranordnung ermöglicht die Anzeige eines dynamischen Amplitudenbereichs
von 60 Dezibel auf einer linearen Skala. Der logarithmische Verstärker erzeugt ein Ausgangssignal,
das im Zwischenfrequenz- oder Videofrequenzbereich mit dem Eingangssignal in einem logarithmischen Funktionszusammenhang
steht. Dabei erfolgt eine Kompression eines großen Bereichs der Eingangssignalamplitude in einen kleinen Ausgangsbereich, welcher mit dem Eingangsbereich in
logarithmisohem Zusammenhang steht. Bei einem aus der, US-Patentschrift
3 483 475 bekannten mehrstufigen logarithmischen Verstärker alt Operatio.nsverstärkerstufen werden
im Gegensatz zur erflndungsgemäßeß Veratärkeranordnung
- ■ 1098d3/1680 ~3~
213A4H
keine parallel zur Eingangs-Koppelimpedanz der Operationsverstärker
liegende Diodenbegrenzer verwendet, wie dies bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verstärkeranordnung der Fall ist. Es ist weiterhin
aus der US-Patentschrift 3 197 627 bekannt, zur Bildung eines !Temperatur kompensierten Begrenzers ein Paar von
gegensinnig in Serie geschalteten Dioden zu verwenden. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung
sind dabei die Begrenzer parallel zum Eingang einer j
einzigen Yerstärkerstufe geschaltet. Damit besitzt die letztgenannte bekannte Anordnung gegenüber der erfindungsgemäßen
Verstärkeranordnung den Nachteil, daß die durch die IBarallel-Begrenzer fließenden Ströme jeweils
eisen verschiedenen Wert haben, und genau durch in Serie
zu ihnen liegende variable Widerstände eingestellt werden müssen.
Der erfindungsgemäße logarithmische Verstärker besitzt
weiterhin den Torteil, daß seine Stufen gleichartig a«sgebildet
and voneinander entkoppelt sind, wobei jedoch
jeweils €1® gleiche öleichvorspannung anliegt, so daß
die Yerstärkeraaordnüng insgesamt einfach und billig |
im Aufbau ist. Darüber hinaus sind der erfiadungsgemäßen
Yeretärkeranordnung keine Beschränkungen der Kittenfretueaz
oder der Bandbreite eigen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Yerstärkeranor-dnuag in sich thermisch
stabilisiert und unempfindlich gegen änderungen
der Sigenscfaaftea der Schaltungskomponenten.
Weitere Merkaale und Einzelheiten der Erfindung ergebe©
sich as« der nachfoIgea&en Beschreibung von
föE»n anhand der Figuren. Ea zeigt:
Fig. 1 ei» BlöcfcschaltbiM einer nichtlinearen Yer-
«tärkeranordnung gemäß der Erfindung}
213AAU
Pig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer logarithmischen Verstärkeranordnung gemäß der
Erfindung; und
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Spektralana lysengerätes mit einer logarithmischen Verstärkeranordnung
nach Pig· 2.
Wie Hg. 1 zeigt, enthält die nichtlineare Verstärkeranordnung
gemäß der Erfindung eine Vielzahl von in Kaskade geschalteten gleichartigen Stufen. Jede Stufe enthält
einen Operationsverstärker und einen Begrenzer, welcher parallel zu einem Teil einer Eingangs-Koppelimpedanz
des Operationsverstärkers liegt. So enthält eine erste Stufe der nichtlinearen Verstärkeranordnung gemäß
der Erfindung einen Operationsverstärker, welcher durch einen Inverterverstärker 10, einen zwischen dessen Ausgang
und Eingang geschalteten Gegenkopplungswiderstand
12 und einen Eingangs-Koppelwiderstand aufweist. Dieser Eingangs-Koppelwi&erstand umfaßt zwei in Serie geschaltete
Widerstände 14 und 16, welche zwischen den Eingang des Verstärkers und eine Eingangsklemme 18 der Verstärkeranordnung
geschaltet sind. Bei diesen beiden Widerständen handelt es sich um einen ersten Eingangswiderstand
Z.. und einen zweiten Eingangswiderstand Zp. Der
konventionell ausgebildete Operationsverstärker besitzt aufgrund der liehen inneren Verstärkung des Inverterverstärker
s 10 und der Gegenkopplung eine äußereVerstärkung,
welche im wesentlichen gleich dem Verhältnis 2 /Z. der
Mckkoppelimpedans Ζψ und des Koppelwiserstandes Z. ist.
Gemäß der Erfindung wird die Verstärkung des Operationsverstärkers
durcii Ander eng des Wertes des Eingangs—Koppe?
!Verstandes Zi mittels eines Begrenzers 20 geändert,
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213UU
welcher parallel zum ersten Eingangs-Koppelwiderstand 14 bzw. Z^ liegt. Der Begreucer kann ein stromgesteuerter
Dioden-Begrenzer sein. Der Begrenzer 20 erhält eine Ruhevorspannung, derart, daß er eine kleine Impedanz Z-j- annimmt,
welche etwa gleich oder kleiner als der Widerstandswert des ersten Eingangswiderstandes 14 ist. Damit
wird die gesamte Parallelimpedanz der Größen Z, und Z,
durch beide Größen festgelegt. Wenn jedoch die Amplitude des auf den Begrenzer 10 gegebenen Eingangssignals einen |
vorgegebenen, durch den Gleichvorstrom in den Begrenzerdioden eingestellten Wert überschreitet, so schaltet
der Begrenzer in einen Zustand extrem hoher Impedanz um. Bei dieser Bedingung hoher Impedanz ist die gesamte
raralIe!impedanz der Giißen Z, und Z-^ im wesntl. gleich
der Impedanz Z, des ersten Eingangswiderstandes 14. Daher ist dann die gesamte Eingangskoppelimpedanz
Z. gleich der Summe des ersten Eingangswiderstandes Z- und des zweiten Eingangswiderstandes Ζ«.
Die zweite Stufe enthält ebenfalls einen durch einen Invert er verstärker 22 gebildeten Operationsverstärker, |
bei dem ein Gegenkopplungswiderstand 24 zwischen Ausgang und Eingang und ein Eingangs-Koppelwiderstand ZiQ in
Eorm eines Paars von in Serie geschalteten Widerständen
26 und 28 vorgesehen ist, welche zwischen den Eingang des Verstärkers 22 und den Ausgang des Verstärkers 10
geschaltet sind. Weiterhin liegt parallel zum ersten Eingangskoppelwiderstand 26 ein zweiter Begrenzer 30
welcher ebenso wie der oben beschriebene Begrenzer 20 arbeitet. Es ist zu bemerken, daß der Begrenzer 30 durch
das auf die Eingangsklemme 18 gegebene Eingangssignal eher als der Begrenzer 20 geschaltet wird, da dieses
Eingangssignal vor der Einspeisung in den Begrenzer 30 durch die erste, den Verstärker 10 enthaltende Stufe
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versinkt wird. Obwohl also die beiden Begrenzer 20 und
30 den gleichen Ruhestrom erhalten und bei demselben Signalstromwert geschaltet werden, wird der Begrenzer
der zweien Stufen aufgrund der Verstärkung der vorhergehenden Stufe zuerst geschaltet.
Wenn der nichtlineare Verstärker nach Fig. 1 als logarithmischer
Verstärker verwendet wird, so besitzt jede Stufe die gleiche Verstärkungscharakteristik, welche
sich von einem großen Verstärkungswert größer als eins auf einen kleinen Verstärkungswert gleich eins ändert,
wenn der Begrenzer der jewei!eigen Stufe in einen Zustand
hoher Impedanz geschaltet wird. Daher bildet jede Stufe ein Segment einer logarithmischen Kurve, welche den
Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal
der logarithmischen Verstärkeranordnung angibt. Anstelle der dargestellten zwei Stufen können auch mehrere
gleichartige Stufen vorgesehen werden, was schematisch durch eine gestrichelte Linie 31 dargestellt ist, wobei
die weiteren Stufen zwischen den Ausgang der zweiten Stufe und einer Ausgangsklemme 32 der Verstärkeranordnung
geschaltet sind. Im Betrieb werden die Stufen aus dem Betriebszustand hoher Verstärkung in den Betriebszustand
mit der Verstärkung 1 im Vergleich zu ihrer Zusammenschaltung in umgekehrter Folge bzw. in sukzessiver Folge von
der Ausgangsklemme 32 zur ^ingangsklemme 18 der logarithmischen
Verstärkeranordnung umgeschaltet.
Die Begrenzer 20 und 30 können stromgesteuerte Schalter, wie beispielsweise Dioden sein, welche in den leitenden
Zustand vorgespannt sind, in dem sie eine geringe Impedanz von etwa 800 0hm besitzen. Wenn das Eingangssignal
diese Dioden in einen Zustand hoher Impedanz, d.he
. 7 109883/1680
in Sperrichtung schaltet, so können sie als Leerlauf, d.h.. als unendlich groese Impedanz betrachtet werden.
Aus Semperaturkompensationsgründen kann der stromgesteuerte Begrenzer durch ein Paar von gegensinnig in
Serie geschalteten Dioden gebildet werden.
Die Gesamtverstärkung G™ der logarithmischen Verstärkeranordnung
ist das Produkt der Einzelverstärkungen der Stufen G3, *= G, χ G„ χ G, χ ·α·, wobei jede Stufe eine f
Verstärkung besitzt, welche gleich dem Verhältnis Z^/Zj
ist. Wie oben angegeben, ist Z. = Z2 + X, worin X =
dem gesamten Parallelwiderstand der Größe Z-, des ersten Ei ngngswi der Standes 16 oder 18 und des Widerstandes Z-r
des Begrenzers 20 oder 30 im Zustand kleiner Impedanz oder einfach gleich Z, im Zustand großer Impedanz des
Begrenzers ist. Wenn der Begrenzer in den Zustand hoher Impedanz umschaltet, so ändert sich die Verstärkung der
Stufe auf 1, so daß Zf/(Z^ + Z2) = 1 ist.
Line Ausführungsform einer logarithmischen Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung mit fünf Stufen 34, 36, 38, 40 j
und 42 ist in Pig. 2 dargestellt, wobei jede Stufe von der ihr folgenden aus Gründen der Verdeutlichung durch
eine gestrichelte Linie 44 abgetrennt ist. Da die Stufen identisch ausgebildet sind, wird lediglich die erste
Stufe 34 im Detail beschrieben. InFig. 2 sind Elemente,
welche denen nach Fi*:. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Der Operationsverstärker enthält einen inverterverstärker-TranslBtor 10', welcher ein
npn-Transiator ist. Der JBnitter dieses Transistors ist
geerdet, während sein Kollektor über einen Lastwiderstand 46 von 1,5 k-0hm an eine positive Gleichspannung
von +10 V angeschaltet ist. Zwischen den Kollektor und dip --sein des Transistors ΙΟ1 ist ein Rtickkoppelwiderii^tic
1,- ν ·η 4,02 k-0hm genehaltet. Uie hi n gangs -Koppe 1-
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213UU
widerstände 14 und 16 von 3,83 k-Ohm bzw. 200 Ohm
sind über eine Wechselspannungs-Koppelkapazität 48
von 0,001 Mikrofarrad an die Basis des Transistors 10f angeschaltet. Der Begrenzer 20 enthält ein Paar
von gegensinnig in Serie geschalteten Dioden 50, 52, deren Kathoden an jeweils einer Klemme des ersten Eingangswiderstandes
16 liegen und deren Anoden über einen Vorspannungswiderstand 54 von 50 0hm gemeinsam an einer
Gleichspannun g von +10 V liegen. Ein weiteres Paar von Torspannungswiderständen 56 und 58 von jeweils .
100 kf0hm liegt zwischen einer negativen Vorspannung von - 10V und den Kathoden der Dioden 50 und 52. Daher
sind die Begrenzerdioden 50 und 52 beide im Durchlaß
vorgespannt, wobei in jeder Diode ein Gleichstrom von etwa 100 Mikroampere fließt. Der Inverterverstärker-Iransistor
10 ist ebenfalls in den leitenden Zustand vorgespannt, da seine Basis über einen Vorspannungswiäerstand
60 von 12 k*ohm an einer negativen Gleicher spannung
von -10 V liegt.
Eine weitere Wechselspannungs-Koppelkapazität 62 von
0,001 Mikrofarrad ist zwischen djs Kathode der Diode 50 und die Eingangsklemme 18 der logarithmischen Verstärkeranordnung
geschaltet. Diese Kapazität wirkt ebenso wie die Koppe!kapazität 48 primär als Gleichstrom-Entkoppelkapazität.
Aus Gründen der Anpassung an die Eingangssigna!quelle liegt zwischen der Eingangsklemme
18 und Erde ein Eingangs-Ableitwiderstand 64 von 51 0hm.
Die logarithmische Verstärkeranordnung nach Pig. 2 besitzt eine Mittenfrequenz von 5 HHz und eine Bandbreite
von 1 MHz· Dieser Verstärker kann in einem dynamischen Amplitudenbereich τοη 60 Dezibel arbeiten,
wobei jede der fünf Stufen eine Verstärkung von 4 im
Zustand !deiner Impedanz der Begrenzer besitzt.
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213UH
Die Gesamtverstärkung der logarithmischen Verstärkeranordnung ist etwa gleich 1 000. Daher erscheint ein auf
die Eingangsklemme 18 gegebener Eingang von 150 MikroVolt an der Ausgangsklemme 32 als Aus gangs signal mit
150 Millivolt· Wenn die Amplitude der Eing\igsspannung
um einen !Faktor 1 000 bzw. bis zur Grenze von 60 Dezibel des dynamischen Bereiches zunimmt, so wächst die Ausgangsspannung
lediglich etwa um den faktor 24» so daß sich für eine Eingangsspannung von 150 Millivolt eine Ausgangs- J
spannung von 3,6 YoIt ergibt.
Wie i"ig. 3 zeigt, kann ein in der US-Patentschrift
3 487 314 beschriebenes Spektralanalysengerät mit einem logarithmischen Verstärker 66 gemäß Fig. 2 bestückt
werden, welcher zwischen den Ausgang eines Zwischenfrequenz-Signalverstärkers 68 und den Eingang eines Videosignal-Detektors
70 zur Verstärkung des zu analysierenden Signals geschaltet ist. Ein auf einer Eingangeklemme
72 eines Eingangskreises 74 des Spektralanalysengserätes
gegebenes Hochfrequenz-Signal wird in ein Zwischenfrequenzsignal überführt, das zur Kompression seines AmpIi- ,
tudenbereich.es über den logarithmischen Verstärker 66 ge- "
schickt wird, bevor es in den Video-Detektor 70 gelangt, und in ein auf eine Ausgangsklemme 76 des Spektralanalysengerätes
videofrequentes Signal überführt wird«
Andererseits ist es auch möglich, zur Verstärkung des Videosignals
einen logarithmischen Verstärker zwischen den Video-Detektor 70 und die Ausgangsklemme 76 zu schalten.
- Patentansprüche -
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Claims (9)
1. Niclitlineare Yerstärkeranordnung mit mehreren, in Kaskade
geschalteten gleichartigen Stufen und mit jeweils einem Operationsverstärker in jeder Stufe, der einen
Inverter verstärker, eine vom Ausgang auf den Eingang des Inverterverstärkers gekoppelte Rüekkopplungsimpedanz
und eine an den Eingang des Inverterverstärkers angekoppelte Eoppelimpedanz aufweist, wobei die Verstärkung
des Operationsverstärkers gleich dem Verhaltsnis der Bückkoppelimpedanz zur Koppe !impedanz ist,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Begrenzer (20) von mehreren Begrenzern über wenigstens eine erste
Impedanzkomponente (14) der Eingangsimpedanz (14, 16) jeweils einer gleichartigen Stufe (34, 36, 38, 40, 42)
geschaltet ist, um die Verstärkung der Verstärkeranordnung als Punktion von Zunahmen der Eingangssignalamplitude
zu reduzieren und daß die Begrenzer ihren Widerstandswert jeweils von einem kleinen auf einen
großen Wert ä^ern, um die wirksame Eingangs-Koppelimpedanz
der Operationsverstärker (10, 12, 14, 16) zu vergrößern und die Verstärkung zu reduzieren, wenn die
Amplitude des Eingangssignals einen vorgegebenen Wert überschreitet, so daß die Stufen (34, 36, 38, 40, 42)
in sukzessiver Folge von einem Ausgang (32) zu einem Eingang (18) der Verstärkeranordnung derart betrieben
werden, daß jede Stufe bei verschiedenen Werten des Eingangssignals zu einem Betrieb mit kleiner Verstärkung
übergeht.
2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Äur Erzeugung einer logarithmischen
Verstärkercharakteristik jede Stufe (34, 36, 38, 40, 42)
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213 4 A1Ά
äie gleiche Verstärkung mit einem Wert größer 1 bei kleiner Impedanz ihres Begrenzers (20) und die Verstärkung
1 bei großer Impedanz ihres Begrenzers besitzt.
3· Verstärkeranordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Biickkoppelimpedanzen
(12) und die Eingangsimpedanzen (14, 16) Widerstände
sind. J
4. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzer (20) stromgesteuerte
Schalter sind.
5. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter ein Paar
von Dioden (50, 52) umfassen, welchen in gegensinniger Beihenschaltung über der ersten Widerstandskomponente
(14) der Eingangsimpedanzen (14, 16) liegen, und daß eine zweite Widerstandskomponente (16) der Eingangsimpedanzen zwischen die erste Widerstandsekomponente
und den Eingang der Inverterverstärker (10) geschaltet *
ist.
6. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzer (20) weiterhin einen ersten, an den Verbindungspunkt der Dioden
(50, 52) geschalteten Vorspannungswiderstand (54) and ein Paar von zweiten, jeweils an die andere Klemme der
Dioden geschalteten VorSpannungswiderständen (56, 58)
aufweisen.
- 12 -
109883/1680
7. Vers-fcrkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß j.e eine Kapazität eines
Paars von Koppelkapazitäten (48, 62) inSerie mit den Dioden (50, 52) an jeweils ein Ende der Begrenzer (20)
und jeweils eine (48) der beiden Koppelkapazitäten zwischen die erste und zweite Widerstandskomponente (14,
16) der Eingangs-Koppelimpedanzen geschaltet ist.
8· Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Inverterverstärker (10) in jeder Stufe (34, 36, 38, 40, 42) als Iransistorverstärker
(10*) in Emitterschaltung ausgebildet ist.
9. Verwendung einer Verstärkeranordnung nach einem der
Anspifche 1 bis 8 in einem Spektralanalysengerät, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen den Ausgang eiues
Zwischenverstärkers (68) und den Eingang eines Video-Detektors (70) gekoppelt ist
109883/16 80
Leerseite
Applications Claiming Priority (1)
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DE2134414C3 DE2134414C3 (de) | 1979-05-10 |
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ID=21984449
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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NL (1) | NL7109149A (de) |
Families Citing this family (1)
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1971
- 1971-04-28 CA CA111666A patent/CA928806A/en not_active Expired
- 1971-04-30 GB GB02309/71A patent/GB1299322A/en not_active Expired
- 1971-07-02 NL NL7109149A patent/NL7109149A/xx unknown
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- 1971-07-09 DE DE2134414A patent/DE2134414C3/de not_active Expired
- 1971-07-09 JP JP46050994A patent/JPS5235270B1/ja active Pending
Also Published As
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JPS5235270B1 (de) | 1977-09-08 |
NL7109149A (de) | 1972-01-11 |
US3646456A (en) | 1972-02-29 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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