DE2208209A1 - Impulsverstärker - Google Patents

Description

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Anmelder: >₂ϋ'' £· ■-<?.. .·. a η Bremen, den 18. Februar 1972

S:a/ocr.iraC2LTeSefoR 34201ft
Communications Satellite Corporation

L'Enfant Plaza, S.W.
Washington D.C. 20024

Impulsverstärker

Die Erfindung betrifft einen Impulsverstärker und bezieht sich insbesondere auf die Verstärkung von Impulsen, welche kurze Anstiegs- und Abfallzeiten aufweisen, wobei der verstärkte Impuls einer kapazitiven Last zugeführt werden muss. Die Erfindung umfasst insbesondere eine Stromschaltvorrichtung, die als Eingangssignal eine Beihe Impulse mit niedriger Amplitude erhält, die einer Last zugeführt werden, welche eine namhafte Streukapazität aufweist. Am Ausgang der Stromschaltvorrichtung wird ein Emitterfolger verwendet, um die Einschaltanstiegszeit wegen der Energiespeicherung in der Streukapazität der Last zu verringern.

Bei Fernübertragungen werden häufig digitale Signale verwendet, welche eine geringere Bandbreite als Analogsignale erfordern und welche gegenüber der normalen Verzerrung und Dämpfung des Übertragungssystems relativ unempfindlich sind. Die digitale Übertragung der Analoginformation wird im allgemeinen durch drei Stufen erreicht, nämlich

1. durch eine digitale Verschlüsselung des Analogsignals in eine Eeihe von Informationsbits, die sich dem veränderbaren Amplitudenanalogeignal annähern,

2. durch Übertragung der digitalen Information und

3. durch eine sich anschließende Entschlüsselung der digitalen bits in ein rekonstruie:^ltos Analogsignal.

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Die digitale Verschlüsselung der Analoginformation wird durch einen Pulscode - Modulationsentschlüsseier (PCM) erreicht, der das Analogsignal zu Beginn mit einer hohen Geschwindigkeit abtastet und eine Reihe von amplitudenmodulierten Pulsen (PAM) mit veränderbaren Amplituden erzeugt, die zusammen eine diskontinuierliche Annäherung an das ursprüngliche Signal bilden. Jeder Impuls der Pulsreihen wird sodann verstärkt und gequantet, d.h. mit den Bezugsspannungen zur Umwandlung in digitale Signale verglichen, welche für die Amplitude des Impulses repräsentativ sind. Der Strom der digitalen bits wird an einen entfernt gelegenen Empfänger übertragen, bei dem die bits in eine Reihe pulsamplitudenmodulierter Signale entschlüsselt werden und die pulsamplitudenmodulierten Signale werden sodann unmittelbar in ein rekonstruiertes Analogsignal umgewandelt.

Obgleich das übertragene Digitalsignal beim Empfänger in befriedigender Weise reproduziert werden kann, ißt das rekonstruierte Analogsignal auf Grund der durchgeführten Verschlüsselung nicht mit dem ursprünglichen Signal identisch. Selbst unter der Annahme, daß es möglich ist, einen genauen amplitudenmodulierten Rechteckimpuls herzustellen, so ist das System wegen der pulsamplitudenmodulierten Signalannäherung des Analogsignals beim übertrager von Natur aus ungenau· In der Praxis kann diese Ungenauigkeit durch die geringen Anstiegs- und Abfallzeiten der einzelnen pulsamplitudenmodulierten Impulse verstärkt werden, wodurch sich eine verzerrte Ver- und Entschlüsselung ergibt.

Die pulsamplitudenmodulierten Impulse beim Übertrager werden durch eine Diekriminatorschaltung erzeugt, die als ein Eingangssignal das zu übertragende Analogsignal und als ein zweites Eingangssignal eine Reihe von

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Abtastimpulsen empfängt, die ein periodisches Abtasten des Analogsignale bewirken. Las Ausgangssignal der Diskriminatorschaltung besteht aus einer Reihe von amplitudenmodulierten Impulsen, von denen Jeder eine Dauer aufweist, die gleich der Dauer der abtastenden Impulse ist und eine Amplitude, die gleich der Amplitude der analogen Eingangswelle während einer jeden Abtastperiode ist.

Die Abtastimpulse werden von einem üblichen Taktimpulsgeber mit geringer Amplitude erzeugt und werden sodann durch' einen Impulsverstärkerkreis verstärkt, damit sie dem Abtastgatter zugeführt werden können. Die Anstiegszeit· oder die Abfallzeitverzerrung des Taktimpulses wird durch den Impulsverstärker verstärkt und beeinflusst dadurch die Anstiegs- und Abfallzeit des pulsamplitudenmodulierten Ausgangssignals von dem Abtastgatter. Darüberhinaus neigt der Impulsverstärker dazu, eine weitere Verzerrung der Taktimpulse auf Grund des Einflusses der Streukapazität in dem Abtastgatter auf die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulse zu erzeugen.

Bisher werden die Taktimpulse für ein pulsamplitudenmoduliertes Abtastgatter über einen üblichen Strom-Modus-Schalter geführt, der als Impulsverstärkerkreis arbeitet. Dabei ist ein Kanaltaktpulsgeber mit dem Eingang des Strom-Modus-Schalters verbunden, der Jeden Taktimpuls verstärkt und dem Eingang des Abtastgatters zuführt. Im allgemeinen ist der Gattereingang mit dem Ausgang des Strom-Modus-Schalters über einen Impulsübertrager induktiv gekoppelt. Die Streukapazität des induktiven Pulsübertragers neigt dazu, die Vorderflanke der Impulse durch Erzeugung langer Obergangsanetiegszeiten abzurunden, wodurch sich eine Verzerrung der Pulsamplitudenmodulierten Impulse,

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welche durch das Abtastgatter erzeugt werden, ergibt.

Der Strom-Modus-Schalter ist ein nichtlineares Emittergekoppeltes logisches Gatter, welches eine negative Einschalterhöhungskennlinie aufweist und welches allgemein als ein verstärkender Kreis verwendet wird. Diese Kennlinien des Strom-Modus-ßchalters bewirken bei einem vorgegebenen Eingangsimpuls eine gute Abfallzeit, Jedoch ist der Schalter nicht in der Lage, den Speichereffekt der Streukapazität in einem Ausgangskreis zu kompensieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Impulsverstärker mit einer positiven Obergang serhöhungskennlinie, einer kurzen Anstiegszeit und einer kurzen Abfallzeit an seinem Ausgang vorzuschlagen, welcher in einem digitalen übertragungssystem für ein rechteckiges Impulseingangssignal an ein Abtasttor sorgt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild, welches die Erfindung wiedergibt,

Figur 2 einen Vergleich der verstärkten Impulsform mit und ohne Erfindung.

Wie aus Figur 1 hervorgeht, wird eine an eich bekannte pulsamplitudenmodulierte Abfrage- bzw. Abtestvorrichtung 1 mit einem analogen Eingangssignal beaufschlagt, welches üblicherweise eine niederfrequente Information darstellt. Die pulsamplitudenmodulierte Abfragevorrichtung erzeugt eine Reihe veränderbarer Amplitudenimpulse, die durch Ansprechen auf die abfragenden Impulse von einem Impulsverstärker 2 insgesamt für eine diskontinuierliche Annäherung an das analoge Eingangssignal sorgen.

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Ein Taktimpulsgeber 3 ist mit dein Eingang des Impulsverstärkers verbunden und liefert eine Folge von Abfrageimpulsen, die eine geringe Amplitude aufweisen und von kurzer Dauer sind. Die Impulse sind zeitlich genügend voneinander entfernt, um eine digitale Darstellung eines jeden pulsamplitudenmodulierten Ausgangßimpulses zu ermöglichen. Jeder Taktimpuls wird durch einen Impulsverstärker 4 (Strom-Modus-Schalter) auf einen Pegel verstärkt, welcher ausreicht, um ein genaues Abfragen des analogen niederfrequenten Eingangssignals durch die Abfragevorrichtung 1 zu ermöglichen.

Der Strom-Modus-Schalter ist ein nichtlineares Emittergekoppeltes logisches Tor mit einer negativen Übergangserhöhungskennlinie. Der Strom-Hodus-Schalter besitzt eine Polaritätsumkehrkennlinie und wegen seiner Erhöhungseigenschaften neigt er dazu, für einen positiven Eingangsimpuls eine kurze Abfallzeit aufzuweisen, wie aus Figur 2 ersichtlich ist.

Der in Figur 1 dargestellte Strom-Modus-Schalter besteht aus zwei Transistoren TR^ und TJE^» deren Emitter gemeinsam über einen Widerstand Ep mit einer Potentialquelle -Ε,- verbunden sind. Durch Verwendung einer großen negativen Spannung -E^ und eines großen Widerstandes R₂ derart, daß irgendeine Spannungsüberhähung am Punkt a. geringer wird alB die Spannung -E,., stellt die Kombination von ~&2 und -E^ eine effektive konstante Stromquelle dar. Aus diesen Gründen ist es sinnvoll anzunehmen, daß der Strom den Emittern der Transistoren TR,- und konstant zugeführt wird.

Die Transistoren TR₁ und TR₀ stellen Stromschalter dar, die wechselseitig auscchließlieh Strom von ihrem Emitter zu ihrem Kollektor übertragen, und zwar in Abhängigkeit von der relativen Größe des Eingangssignals an der Basis der zwei Transistoren.

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Der Stromfluss durch die Transistoren TR,. oder entsprechend TRp bestimmt die Größe der Spannung an der Ausgangaklemme des Strom-Modus-Schalter-Verstärkers. Die Verstärkung eines Eingangsimpulses wird durch geeignetes Vorspannen der Ausgänge der Transistoren TR₁ und TR₂ erreicht. In bezug auf die in Figur 1 dargestellte Schaltung ist die Vorspannung EC_x. größer als die Vorspannung EC₀.

Für diese Analyse wird angenommen, daß alle Elemente der dargestellten Schaltung Siliziumelemente sind, die an den Diodenanschlüssen der NP-Grenzflächen einen bekannten Spannungsabfall aufweisen. Es liegt Jedoch im Rahmen dieser Erfindung, diese Elemente durch ähnliche , wie beispielsweise Germaniumkristalle, zu ersetzen, die an den Grenzflächen ebenfalls einen bekannten Spannungsabfall besitzen.

Die Basis des Transistors TRo liegt an einer Bezugsspannung, die in Figur 1 als Erde dargestellt ist, die jedoch irgendeine Bezugsspannung sein kann, welche den geeigneten relativen Wert in bezug auf die Eingangsspannungen bei TR,. aufweist. Die Basis des Transistors TR₁ stellt die EingangEklemme des Strom-Modus-Schalters dar und empfängt eine Folge von Impulsen, die Maximum zu Minimum-Amplituden aufweisen, welche um die Bezugswechselspannung, die der Basis des Transistors TR₂ zugeführt wird, variieren.

Nimmt man an, daß die Basis des Transistors TB^ geerdet ist und daß der Transistor TB^ anfangs wegen eines geringen Eingangssignals von TR^ leitet, so fließt ein Strom von der konstanten Stromquelle -E₁ und IL· über den Emitter und Kollektor des Transistors TRg zum Ausgang des Transistors.

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Der Basis-Emitterspannungsabfall am Transistor ist der Standard-Spannungsabfall an einer Silizium-Diode, der etwa 0,7 Volt beträgt, wodurch bewirkt wird, daß die Spannung am Punkt ja -0,7 Volt wird. Da das Eingangssignal für den Transistor TR- klein ist, d.h. unterhalb des Bezugspegels der Basis beim Transistor TRp liegt, wird der Spannungsabfall von der Basis zum Emitter des T/ansistors TR-, welcher dazu neigt, die Basis-Emitterdiode in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, relativ gering sein oder sogar negativ, falls das Eingangssignal genügend negativ ist. Da eine minimale Vorspannung in Vorwärtsrichtung erforderlich ist, um einen Leitzustand zu bewirken, so wird die geringe Vorspannung in Vorwärtsrichtung eine nicht ausreichende Größe aufweisen, um die Basis-Emitterdiode in den Leitzustand zu schalten und einen Stromfluss zu bewix'ken.

Bei einem kleinen zum Transistor TR- führenden Eingangssignal wird die Spannung am Kollektor des Transistors TR,-wegen des Stromes von der Vorspannungsquelle EC- auf +EC- Volt gehalten. Die Spannung am Knotenpunkt b_ wird somit gleich der Vorspannung EC- plus einem Diodenspannungsabfall bei RC^. Die Basis des Transistors TR, ist direkt mit dem Knotenpunkt b_ verbunden und der Emitter des Transistors TR, besitzt am ImpulεvrStärkerausgang eine Spannung EC-, und zwar wegen des Spannungsabfalls an der Basis-Emitterdiode. Der Transistor TR₇, der für eine posutive Flankenerhöhung sorgt, erhält ebenfalls die Ausgangsspannung bei EC-, wobei er stets dann Strom von Ep führt, wenn die Ausgangsspannung unter EC- fällt. Da die Vorspannung ECp kleiner ist als die .Vorspannung EC-, so spannt die Größe der Spannungen am Ausgang die Diode RCp und RC, umgekehrt vor und verhindert irgendeinen Stromfluss von der Vorspannungsquelle +ECp zum Ausgang.

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Bei einem kleinen Eingangssignal zum Traneistor TIL wird daher das Ausgangssignal des Strom-Modus-Schalters umgekehrt und durch den Transistor TR, auf einen hohen Pegel gehalten, bis das Eingangssignal an den Transistor TR^ auf eine Größe ansteigt, die den Transistor TR,. durchschaltet und den Transistor TR2 sperrt.

Wenn der Eingangsimpuls an der Basis des Transistors größer wird, wird die BiJsis»Emitterdiode im Transistor TR* in Vorwärtsrichtung über ihre minimale Zündspannung vorgespannt und beginnt Strom zu führen, wodurch die Spannung beim Punkt a. verringert wird. Das plötzliche Absinken der Spannung am Punkt ja verringert den Spannungsabfall an der Basiß-Emitterdiode des Transistors TR₂ bis unterhalb der minimalen vorwartsgerichteten Zündvorspannung, wodurch die Stromführung vom Emitter zum Kollektor des Transistors TR₂ unterbrochen wird. Während dieses hohen Eingangssignals, bei dem die vom Transistor TR^ aufgenommene Eingangεspannung größer ist als die Bezugsspannung beim Transistor TR₂, fließt der Strom von der konstanten Stromquelle über den Traneistor TR^ zu seinem Ausgang und nicht über den Transistor

Der übergang des Stromflusses vom Transietor TR₂ zum Transistor TR₁ geschieht wegen der negativen Erhöhungskennlinien des Verstärkers mit großer Geschwindigkeit, wodurch bewirkt wird, daß die Spannung am Knotenpunkt £ sehr schnell von ihrem ursprünglichen Wert von EC^ +0,7 Volt auf Erdpotential abfällt. Wenn die Spannung bei b_ sehr schnell abfällt, wird der BaeisemitterÜbergang des Transistors TR, in Sperrichtung vorgespannt und der Transistor TR, wird schnell abgeschaltet. Die Vorspannung +EC₂ wird Jedoch den Knotenpunkt b_ auf einen Wert von +EC₂ - 1,4 Volt halten (Diodenabfälle an RC₂ und RC₅), so daß dann, wenn der Knotenpunkt t> unter diesen Wert abfällt, die Vorspannung +EC₂ Strom liefert, um die Spannung am Knotenpunkt t> konstant zu halten.

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Durch den Transistor TBp kann kein Strom fließen, und da +EO₁ größer als 4£0₂ ist, wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt und leitet keinen Strom. Der Strom fließt daher zum Transistor TE₁ von der Vorspannung +E₂ durch R₁, von der Vorspannung +EC₂ durch RC^ und RC₂ und von der Last durch RC₂, um den Spannungewert an der Ausgangsklemme bei +ECp minus einem Diodenspannungsabfall aufrechtzuerhalten. Der Spannungsabfall bei RO₂ hält beim Transistor TR₅ eine in Sperrichtung gepolte Vorspannung aufrecht und der Transistor TR, wird bei Ausgangssignalen mit einem kleinen Pegel nicht-leitend«

Vie ersichtlich ist, kann bei einer vorgegebenen Größe der Elngangespannung der Strom durch einen Transistor und nicht durch den anderen Transistor des ßtrom-ModuB-Schalters fließen, während bei einer Änderung der Größe der Eingangsspannung der Strom seinen Weg umschaltet, un durch den zweiten Transistor und nicht durch den ersten zu fließen· Da die Größe der Vorspannungen +EC₁ und +ECg größer ist als diejenige der Eing&ngsimpulse, welche der Basis des Transistors TR₁ zugeführt werden, wird ein verstärkender Effekt erzielt.

Der Effekt der Streukapazität an der Ausgangsklemme kann durch Prüfung der Ausgangs spannungen des in Figur 1 dargestellten Strom-Modus-ßchalter-Verstärkers gezeigt werden. Venn das Eingangssignal gering ist und TR₂ eich im Leitsustand befindet, ist die Ausgangsspannung auf einen hohen Wert von +EC₁. Die Streukapazität an der Ausgangsklemme speichert die Spannung, die am Ausgang auftritt, und zwar mit einer Zeitkonstanten, welche von den Werten der Streukapazität C und des Lastwiderstandes R, abhängt.

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209837/1085 original inspected

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Diese gespeicherte Spannung wird aufrechterhalten bis das dem Transistor TH^ zugeführte Eingangssignal auf einen Pegel ansteigt, hei dem die gespeicherte Spannung über HC und TR^ abfließt und unmittelbar bewirkt, daß das Ausgangesignal auf +EC₂ minus einem Diodenspannungsabfall abfällt. Das Ausgangssignal verbleibt während des hohen dem Transistor T3L zugeführten Eingangssignals auf diesem niedrigen Pegel bis dem Transistor T&. ein anderer niedriger Eingangsimpuls sugeführt wird«

Bei den bisher bekannten Schaltungen stieg die Auegangsspannung des Strom-Modus-Schalters auf EC,., wenn das Eingangssignal groß war und kleiner wurde. Da jedoch die Spannung am Ausgang des Strom-Modus-Schaltere niedrig war (etwa BC₀) und der neue Vert der Spannung an Knotenpunkt b_ groß ist (etwa EC^) ist die Diode RC₂ in ßperrrichtung vorgespannt, bis die Streukapazität C auf die Spannung aufgeladen werden kann, die gleich. +EC₁ über eine Zeitspanne ist, welche von C_ß und R, der Ausgangskreise abhängt. Die zur Aufladung der Streukapazität verwendete Zeit bewirkt, daß die Anstiegszeit des Ausgangsimpulses merklich verzögert wird, wodurch die Kanten der eich ergebenden Impulse abgerundet werden und erhebliche Verzerrungen im Auagangskreis auftreten, wie in Figur 2 dargestellt ist.

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem eine große Stromquelle über TH, zur Ausgangslast zur Verfügung gestellt wird. Der Strom kompensiert die Polung der Vorspannung der Diode HCo i-ⁿ Sperrichtung, indem der Streukapazität schnell ein Strom zugeführt wird, wodurch die Anstiegszeit der Ausgangsspannung verringert wird. Da die Vorspannung +Ep nahezu eine unbegrenzte Stromquelle darstellt, ist ein Emitterfolger Transistor als Schalter zwischen der Spannungsqmelle +E₂ und dem Auegang gelegt, wobei seine Basis am Knotenpunkt b liegt, wie aus Figur 1 zu entnehmen ist·

209837/1085 _v,_

- ΛΛ -.

Wird die Basis mit einem geeigneten Signal beaufschlagt, so wird ersichtlich, daß der Strom von der Quelle des Vordpannungspotentials +E_? direkt zum Ausgang über die Kollektor« und Emitterklemmen des Transistors TR, fließt. Wenn der Transistor TE₂ aufgeschaltet wird, springt die Spannung am Knotenpunkt b von +EC₀ auf +EC,- · Diese hohe Spannung an der Basis von TR, öffnet diesen und verbindet +E₂ mit dem Ausgang. Die Spannung am Ausgang steigt sehr schnell an, bis sie +EC^ erreicht, woraufhin die Basis-Emitterdiode des Transistors TR₇ in Vorwärtsrichtung weniger vorgespannt wird und der Transistor TR, abschaltet· Der Transistor verbleibt in einem Wartezustand und leitet dem Ausgang Strom zu, wenn die Spannung am Ausgang unter die Spannung am Knotenpunkt b_ minus einem Diodenspannungsabfall abfällt· Bei der vorliegenden Erfindung wird der Emitterfolger · verwendet, um während der positiven Übergangsperiode des Ausgangeimpulses dem Ausgang sehr schnell Strom zuzuführen.

Wenn der Transistor TR>. einmal erneut mit einer hohen Spannung beaufschlagt wird, ändert der Strom-Modus-Schalter seinen Zustand und bewirkt, daß der Strom von TR_-1 fließt. Der Strom durch den Transistor TR₂ wird unterbrochen und die Streukapazitätsspannung fließt über RC- und TR,. ab. Der verstärkte Ausgangsimpuls fällt daraufhin in einer kurzen Abfallzeit schnell auf seinen unteren Pegel und die folgende Planke des verstärkten Impulses wird rechteckig.

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Claims (6)

1. -12-Patentansprüche

   M)) Impulsverstärker, gekennzeichnet durch

   a) ein emittergeschaltetes logisches Tor (Verstärker) mit negativer Einschalterhöhung, welches eine Eingangs- und eine Außgangsklemme aufweist,

   b) eine Stromquelle, und durch

   c) eine Stromschaltvorrichtung, die zwischen der Stromquelle und der Ausgangeklemme liegt und die auf positive Einschaltsignale an der Ausgangsklemme anspricht, um von der Stromquelle zur Außgangsklemme Strom zu führen, wobei sich bei einer Löschung des positiven Einschaltsignale eine kurze Anstiegezeit des verstärkten Impulses ergibt·
2. 2) Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß das logische Tor einen Strom-Modus-Schalter aufweist, der eine Signalinversionekennlinie besitzt.
3. 3) Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strmschalter «inen Emitterfolgerschaltkreie aufweist.
4. 4·) Impulsverstärker nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der in einem Pulscode modulierte Abfrageschaltkreis-Verstärker eine Auegangsklemme aufweist, die mit einer Last verbunden ist, welche mit einem Impulsübertrager abschließt, der ein· Streukapazität aufweist, wobei der Ausgangsklemme Strom zugeführt wird, um die Streukapazität aufzuladen und die negativen Einschaltsignale unwirksam zu machen.
5. 5) Impulsverstärker nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Modus-Schalter derartig vorgespannt ist, daß

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   Γ~

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   ein verstärktes, jedoch inverses Ausgangssignal erzeugt wird.
6. 6) Impulsverstärker nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, da3 der Emitterfolger zwischen der Stromversorgung und der Ausgangsklemme liegt und dieser Kreis derartig vorgespannt ist, daß er auf positive Einschaltsignale am Ausgang anspricht, indem er diesem Ausgang Strom zuführt, wobei die kapazitive Last sehr schnell aufgeladen und die Anstiegszeit des verstärkten Impulses verringert wird.

   Für den Anmelder: Meissner & Bolte Patentanwälte

   Bremen, den 18.Februar 1972

   Anmelder;

   Communications Satellite Corporation L¹ Enfant Plaza, S.W. Washington, B.C. 20024

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