DE2218803A1 - Speicher für elektrische Signalamplitude - Google Patents

Description

410-18.6Μ8Ρ 18. 4. 1972

COMMISSARIAT A L«ENERGIE ATOMIQTJE. Paris.,

(Frankreich.)

Speicher für elektrische Signalamplitude

Die Erfindung betrifft einen Speicher für die Amplitude eines elektrischen Signals, das eine begrenzte Dauer hat, die sehr kurz sein kann. Die im folgenden betrachtete Amplitude ist die der Signalspannung, wobei eine Strommessung immer auf eine Spannungsmessung zurückgeführt werden kann.

Ein idealer Abtastspeicher registriert den genauen Wert der Amplitude eines Signals, selbst wenn es unendlich kurz ist, und speichert diese Information unendlich lange, bis sie gelesen oder gelöscht wird. Die realen Speicher erfüllen jedoch nicht diese idealen Bedingungen. Die Qualität eines Speichers wird im allgemeinen durch folgende drei Merkmale bestimmt:

410-B 3936.3-Hd-r (7)

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Den systematischen Fehler (ausgedrückt in Relativoder Absolutwerten); dieser Fehler, der die Differenz zwischen der gespeicherten Amplitude V und der am Eingang

angelegten Amplitude V_ ist,.muß möglichst gering sein und darf sich nicht merklich für eine große Betriebsdynamik ändern;

die Zugriffs- oder Abtastzeit t (die Mindestzeit,

Sl

während der die Information am Eingang eingespeist werden

muß, damit die gespeicherte Information nicht mehr als £ $

von der eingespeisten Information abweicht): Diese Zeit sollte möglichst kurz sein;

die Speicher- oder Haltezeit t (die Höchstzeit, während der der Speicher das gespeicherte Ergebnis mit einem relativen Fehler von weniger als 6$ speichert); Diese Zeit sollte möglichst lang sein.

Ein klassischer Speicher zur Speicherung der Amplitude eines elektrischen Impulses besteht aus der Serienschaltung einer Diode und eines Kondensators: Ein derartiger Speicher hat einen systematischen Fehler, der der Driftspannung entspricht, und eine Speicherzeit, die durch die Verluste über die parasitären oder Streuwiderständ« der Schaltung begrenzt ist. Man hat bereits versucht, djen systematischen Fehler durch Anschalten eines Stromgenera-o tors an die Diode zu verringern, wobei der Stromgenerator einen schwachen Dauerstrom fließen läßt, und die Zugriffszeit zu verkürzen, indem der Kapazitätswert verringert wird. Aber diese Verringerung reduziert gleichzeitig die Speicherzeit.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Speicher für die Amplitude eines elektrischen Signals anzugeben, der besser als die bekannten Speicher arbeitet, insbesondere eine geringe Zugriffszeit und einen systematischen Fehler zeigt, der ebenfalls klein und im wesentlichen unabhängig von der Form des eingespeisten Signals (insbesondere von seiner Flankensteilheit) ist.

Ein Speicher zur Speicherung der Amplitude eines elektrischen Signals, mit einem Speicherglied einschließlich einer Kapazität, die durch das Signal über eine Diode aufladbar ist, und einschließlich einer Einrichtung zum Lesen der Ladespannung der Kapazität, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein Korrekturglied zur Korrektur des dynamischen Widerstands der Diode, bestehend aus Bauelementen mit denselben elektrischen Kennlinien wie die Bauelemente des Speicherglieds, wobei das Korrekturglied mit denselben Signalen beaufschlagbar ist, sowie aus einer Einrichtung für eine vor dem Speicherglied stattfindende Einspeisung eines Stroms proportional der Fehlerspannung infolge Stromflusses durch die Diode.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist zur Erhöhung der Speicher- oder Haltezeit eine Speichereinheit vorgesehen, die aus mehreren erfindungsgemäßen Speichern in Kaskadeschaltung besteht, wobei die Speichereinheit die sehr kurze Zugriffszeit des für sich genommenen erfindungsgemäßen Speichers bewahrt.

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

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Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines bereits bekannten Abtastspeichers, der eine Stromgenerator-Eingangsstufe hat;

Fig. 2 eine Kurve, die die Änderung des Stroms durch die Diode von Fig. 1 in Abhängigkeit von der an sie angelegten Spannung angibt, wobei die Krümmung der Kurve und die Änderung des Widerstands gezeigt ist, die sich davon ableitet;

Fig. 3 eine Kurve der Änderung der Ausgangsspannung V der Schaltung von Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. h das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Speichers;

Fig. 5 ©in Diagramm, das erläutert die Art der mit dem erfindungsgemäßen Speicher von Fig. h durchgeführten Korrektur, um die Zugriffszeit zu verringern ; und

Fig. 6 das Schaltbild einer Speichereinheit, die sich vom Speicher von Fig. 4 im wesentlichen darin unterscheidet, daß sie aus mehreren in Kaskade geschalteten Speichern besteht.

Der in Fig. 1 abgebildete Speicher dient zur Speicherung der Amplitude V~ eines elektrischen Eingangssignals. Der Speicher hat in an sich bekannter Weise eine Diode 10, die in Reihe mit einem Kondensator 12 der Kapazität C liegt. Wenn an der Diode 10 eine Spannung V_E angelegt wird, tritt

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an den Anschlüssen des Kondensators 12 eine Spannung V

auf, die gleich der Differenz zwischen der. Spannung V_ und der Driftspannung V- der Diode 10 ist, und speichert diese. Wie weiter oben erläutert worden ist, kann man sich von dieser Driftspannung befreien, indem man an die Diode 10 eine Vorspannungsschaltung (nicht gezeigt) anschließt, die einen Stromgenerator hat, der ständig durch die Diode Ί0 einen schwachen konstanten Strom i in ·Durchflußrichtung fließen läßt. Die Drift, wenn sie auch noch auf die Vorspannung im Ruhezustand einwirkt, verschwindet bei den Signalen V und V„, bezogen auf diese Vorspannungen.

Der in Fig. 1 abgebildete Speicher hat auch eine Impedanzwandler-Eingangsstufe. Eine derartige Stufe.ist oft notwendig wegen des sehr großen Innenwiderstands des Generators, der das Signal liefert, dessen Amplitude V-, zu messen ist. Die abgebildete Eingangsstufe besteht aus einem Transistor 14, dessen Emitter und dessen Kollektor mit einer Speisequelle bzw. Erde über je einen gleichgroßen Widerstand mit dem Widerstandswert r verbunden sind. Das Signal, dessen Amplitude V- zu messen ist, wird an der Basis eingespeist, und die an der Diode 10 angelegte Spannung wird an den Anschlüssen des Kollektorwiderstands 16 abgenommen. Der Kollektorwiderstand i6 ist also ersatzschaltbildmäßig eine Spannungsquelle mit der EMK V_ und dem Innenwiderstand r. Da der Ausgang am Kollektor des Transistors 14 liegt, haben SpannungsSchwankungen am Ausgang nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Eingang.

Der Speicher von Fig. 1 hat einen großen Nachteil wegen der Änderung des von der Diode 10 herrührenden Widerstands, wenn man ihre Strom-Spannungs-Kennlinie durchläuft,

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die schematisch in Fig. 2 abgebildet ist. In Fig. 2 sind mit ν und i die Vorspannung bzw„ der entsprechende Strom und mit ν und i , die Spannung bzw. der Strom für einen speziellen Arbeitspunkt bezeichnet. Der statische Widerstand der Diode für diesen Arbeitspunkt ist also gleich;

■ ν. - ν

d o

Es ist also ersichtlich, daß in Abhängigkeit von der Aufladung des Kondensators 12 und der Verringerung des Stroms in die Diode 10 der Widerstand sich ändert. Durch Integration kann man näherungsweise die Änderung der Ausgangsspannung V in Abhängigkeit von der Eingangsspannung

V— berechnen und somit die Kurve von Fig. 3 zeichnen; die-

se Kurve zeigt:

einen steilen Anstieg der Spannung V während einer

Zeit t₁ - t , deren Dauer von der Zeitkonstanten rC abhängt und größenordnungsmäßig einige ns für eine Speicherzelle mit einem Kondensator von einigen pF beträgt; der relative Fehler (V~ - V )/V~ zur Zeit t. beträgt im all-

Ej S Ei I

gemeinen etwa 15 #5 \

einen asymptotischen Verlauf von V für Zeiten t > t. von der Form:

^Vs = ^VE — *^Vs = ^VE -

Ej

Diese letzte Gleichung zeigt, daß V immer kleiner als

V_ um eine Größe V ist, die mit zunehmender Dauer des

Ej 3

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Anlegens von V_ gegen Null geht. Praktisch genügt es für

Hl

übliche Speicher, daß t„ - t.. etwa 300 ns beträgt, damit der relative Fehler (V_£ - ^v _s)/^ve ^{auf 1} $ zurückgeht. Die Zeitintervalle t_o - t., und t, - t sowie die Konstanten

2 1 Io

K, Ot und ß sind praktisch unabhängig vom Diodentyp.

Die Formel (2) zeigt auch, daß der Fehler bei der Messung von Vp unabhängig von V_ ist, sobald die Spannung groß genug ist, in der Praxis größer als etwa 200 mV für r = 100 jQ. Der zweite Term des Nenners ist im wesentlichen vernachlässigbar gegen den ersten. Die Formel (2) zeigt aber auch, daß der Fehler den Spannungsabfall an den Anschlüssen der Einheit aus der Diode 10 und dem Widerstand 16 darstellt.

Um diesen Mangel zu beheben, geht die Erfindung folgendermaßen vors Das Signal V_ wird nicht nur an einem Speicherglied angelegt, sondern auch an einem Glied zur Erzeugung eines Korrektursignals mit einer Diode, einer Kapazität und einem Widerstand, deren Werte gleich denen der Diode 10, der Kapazität 12 und des Widerstands 16 sind, um so an den Anschlüssen des Widerstands und der Diode ein Signal auftreten zu lassen, dessen Amplitude im wesentlichen gleich der des Fehlers ist. Dieses Signal entsprechend dem Fehler ΔΥ wird anschließend algebraisch dem Signal V~

S E*

überlagert, bevor es an dem Meß-Dioden-Kapazitäts-Glied angelegt wird. Die Überlagerung bei diesem Pegel wird ermöglicht durch den Umstand, daß der Amplitudenfehler, der durch die Formel (2) gegeben ist, im wesentlichen unabhängig von V— ist und sich infolgedessen nicht ändert, wenn ein Korrektur term zu V_ zugeführt wird.

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Der in Fig. h schematisch abgebildete Speicher hat ein Speicherglied, das aus Bauelementen besteht, die denen von Fig. 1 entsprechen und zum leichteren Verständnis mit derselben Bezugszahl plus einem Apostroph versehen sind. Das Ausgangssignal V wird an einem Kondensator 12' mit

der Kapazität C abgenommen, die über die Diode 10· geladen wird. Ferner ist vorhanden ein Transistor 14', dessen Kollektorkreis einen Widerstand 16· mit dem Widerstandswert r hat, an dessen Anschlüssen die Ansteuerspannung für die Diode 10^f abgenommen wird.

Der Speicher von Fig. h hat außerdem ein Glied zur Erzeugung einer Korrekturspannung Δν ₂, das aus Bauelementen besteht, die dieselben Kennwerte wie die des eigentlichen Speicherglieds haben. Diese Schaltung hat eine Diode 20 mit derselben Kennlinie wie die Diode 10' und einen Kondensator 22 derselben Kapazität C wie der Kondensator 12*. Der Kondensator 22 wird über einen Stromgenerator aufgeladen, der ein Duplikat des den Kondensator 12· aufladenden Stromgenerators darstellt: Diese Schaltung hat einen Transistor Zh vom zum Transistor lh* komplementären Typ (NPN, wenn der Transistor lh* ein PNP-Transistor ist), der an seiner Basis das Signal empfängt, dessen Amplitude V— zu messen ist. Der Kollektor des Transistors Zh ist von einer Speisespannung (+ Zh V zum Beispiel) über einen Widerstand 26 beaufschlagt, der denselben Widerstandswert r wie der Widerstand 16' hat. Der Emitter des Transistors Zh ist mit dem Emitter des Transistors 14* durch einen Widerstand 28 gekoppelt, der im wesentlichen denselben Wert r wie die Widerstände 16· und 26 zeigt. Die an den Anschlüssen der Diode 20 abgenommene Korrekturspannung wird an der Basis eines Trenntransistors 30 angelegt, dessen Kollektor über einen Stoß-

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Widerstand 36 mit dem Eingang der Diode 1O¹ verbunden ist. Am Emitter gewährleistet ein Widerstand 38, der mit.einem Entkoppelkondensator 3h versehen ist, eine genaue Vorspannung des Transistors 30. In Reihe mit diesem Vorspannungsnetzwerk ist ein Widerstand 32 mit dem Widerstandswert r angeordnet. Unter diesen Bedingungen und unter der Voraussetzung, daß die Eingangsimpedanz des Transistors 30 bedeutend größer als der Widerstandswert r ist, gibt es keine Einwirkung des einen Glieds auf das andere, und die Fehlerspannung V ₂ (die vom Korrekturglied erzeugt ist) zeigt eine zeitliche Änderung, die gleich der der Fehlerspannung AV im eigentlichen Speicherglied ist. Anders ausgedrückt,

der Transistor 30 speist einen Strom Ai ein, der durch den Widerstand 32 gleich r definiert ist:

^AVs2
Ai = -^SS.

Dieser Strom fließt in den Widerstand 16' gleich r und erzeugt eine Korrektur-EMK gleich AV „.

Infolgedessen kann man die Korrektur, wie in Fig. 5 gezeigt, schematisieren: In dieser Figur bezeichnet V-, - AV _Λ

Hj SI

die Ausgangsspannung, wie sie im Fall von Fig. 1 auftritt. Die Kurv« V_ + AV _o zeigt die EMK des Generators entsprechend einer Schaltung mit dem Innenwiderstand r (Widerstand 16·), die den Kondensator über die Diode 10' auflädt. Schließlich gibt die Kurve V die Änderung der korrigierten Ausgangs-

spannung an, die durch den Speicher von Fig. h geliefert wird:

Man sieht, daß die Zugriffszeit (die Zeit, die notwendig ist, um bis auf £ $ die Eingangsamplitude zu erreichen) wesentlich verringert ist. Beispielsweise ermöglicht die

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Schaltung von Fig. 4, die außerdem Körrekturkapazitäten hat, eine Verringerung der notwendigen Zugriffszeit, damit V gleich der Eingangsspannung bis auf 1 $ wird, von et Va 300 ns auf etwa 5 ns. Es sei noch erwähnt, daß der Widerstandswert r der ¥iderstände 16·, 26 und 28 unkritisch ist und wenig Einfluß hat, solange er unterhalb 200 .C2 liegt.

Das in Fig. 4 abgebildete Schaltungsprinzip setzt voraus, daß die Stromverstärkungen der Transistoren sehr hoch sind und daß man eine absolute Identität zwischen dem Speicherglied und dem Transistor 14· einerseits und dem Korrekturglied und dem Transistor 24 andererseits herstellen kann. Tatsächlich haben die Stromverstärkungen einen endlichen Wert, außerdem sind die durchfließenden Ströme nicht genau gleich. Schließlich speist der Transistor 30 vor der Diode 10· einen Strom Ai ein, dessen Wert nicht genau A. V „/r ist. Infolgedessen haben die Widerstände i6'_t 28 und 26 in der Praxis nicht genau denselben Wert r, und man gibt dem Widerstand 28 einen Wert, der etwas kleiner als der gemeinsame Wert der Widerstände 16· und 26 ist, um den Transistor 14· und 24 eine etwas größere Verstärkung als Eins zu geben, was den Pegelverlust kompensiert. Ebenso ist der Wert des Widerstands 32 etwas kleiner als der der Widerstände 16' und 26. Außerdem führt das Vorhandensein von Streukapazitäten und von einer Abnahme der Stromverstärkung mit zunehmender Frequenz zur Zuschaltung von kleinen Korrekturkapazitäten (nicht abgebildet in Fig. 4), die das Intervall t₁ - t_o verkürzen.

Der in Fig. 4 abgebildete Speicher hat eine Zugriffszeit, die viel kürzer als die der früheren Speicher ist,

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jedoch ist seine Speicher- oder Haltezeit nicht verbessert, weil sie zu einem großen Teil durch die Eingangsimpedanz der Schaltung bestimmt ist, in die sich der Kondensator 12' entlädt. Durch die Erfindung wird deshalb ferner ein Speicher wie der oben erläuterte angegeben, der außerdem eine wesentlich erhöhte Speicherzeit hat.

Dieses Ergebnis wird erzielt, indem mehrere Stufen vom in Fig. h abgebildeten Typ in Kaskade geschaltet werden, wobei jedoch der Wert der Speicherkapazität 12· mit der Ordnungszahl der Stufe zunimmt, so daß die Speicherzeit irgendeiner Stufe vergleichbar mit der Zugriffszeit der folgenden Stufe wird, bei Berücksichtigung maximalen Fehlers. Im folgenden darf der zusätzliche systematische Fehler, der wegen der Vermehrung der Stufenzahl η eingeführt ist, nicht verwechselt werden mit den Fehlern, die durch einen zu langsamen Zugriff am Eingang eines Speichers oder eine zu kurze Speicherung am Ausgang bedingt sein können*

Vernünftigerweise wird derselbe gemeinsame Wert £ für alle diese drei verschiedenen relativen Fehler gewählt.

Die Erfinder haben noch die folgenden Beobachtungen gemacht:

Das Verhältnis einer Zugriffszeit zu einer Speicherzeit bleibt für eine Stufe im wesentlichen konstant, wenn diese Parameter unter der Einwirkung einer Abwandlung der Kapazität 12' geändert werden,

für eine Stufe sind die Speicherzeiten t bis auf & £ ^m

knüpft:

und t¹ bis auf — # durch die näherungsweise Beziehung ver

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t = η · t¹ ,
m m'

die Zugriffszeiten t bis auf £ $> und t¹ bis auf 6/n

a a

sind durch die folgende näherungsweise Gleichung verknüpft:

t« = t (1 + n-1 ξ,) und damit t' «s t . a a """^^-■ a a

Wenn für eine Stufe die Speicherzeit bis auf — $ der Zugriffszeit (bis auf 6 oder £/n $) der folgenden Stufe nahekommt, wird eine zusätzliche Unsicherheit, die etwa S/n beträgt, eingeführt. Unabhängig von diesen Fehlern, die unter Berücksichtigung der Zugriffszeit bis auf 6 # der ersten Stufe und der Speicherzeit bis auf £- $ der letzten Stufe eingeführt werden können, existiert ein zusätzlicher globaler systematischer Fehler gleich (n-i) S/n, der im wesentlichen gleich £ ist.

Insgesamt unterliegt der gespeicherte Pegel einer relativen Verschiebung oder Drift von 3 6, wenn am Speichereingang ein Rechteckimpuls angelegt wird, dessen Dauer zwischen der Zugriffszeit bis auf 6 $ der ersten Stufe und der Speicherzeit bis auf C $ der letzten Stufe liegt.

Venn also die Mindestzugriffszeiten und die Höchstspeicherzeiten für einen maximalen Fehler 3 £ betragen, erlauben die vorangegangenen Betrachtungen, die Anzahl η der notwendigen Stufen zu bestimmen, ferner die Kennlinien der äußersten Stufen und das Bildungsgesetz der Progression der Speicherkapazität C:

^CP =

(P-D * t _a (p-1)

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wobei ρ die Ordnungszahl oder laufende Nummer der Stufe bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Speicher, der in Flg. 6 schematisch abgebildet ist, besteht aus drei in Kaskade geschalteten Stufen, wobei die Zahl drei offensichtlich keine Beschränkung darstellt, obwohl die durch eine zusätzliche Stufe gewonnene Verstärkung normalerweise nicht den zusätzlichen Aufwand rechtfertigt.

Die erste Stufe I hat einen Aufbau, der praktisch identisch mit dem der Schaltung von Fig. k ist, weshalb auch dieselben Bezugszeichen für beide Fälle benutzt sind. In Fig. 6 sind jedoch Kondensatoren 38 zur Korrektur von Streukapazitäten und von Änderungen der Transistorkennlinien in Abhängigkeit von der Frequenz zusätzlich vorgesehen..

Das Ausgangssignal des Speicherglieds wird in die Basis eines Transistors 4O* eingespeist, der als Impedanzwandler geschaltet ist und die zweite Stufe II ansteuert. Diese hat einen der ersten Stufe sehr ähnlichen Aufbau und braucht daher nicht vollständig beschrieben zu werden. Es sei nur darauf hingewiesen, daß die Stufe II keine Kondensatoren zur Korrektur von Streukapazitäten hat, da der Kondensator 12", der dieselbe Funktion wie der Kondensator 12¹ in der Stufe I hat, einen sehr hohen Wert aufweist und die Wirkung der Streukapazitäten vernachlässigbar klein macht. Das Verhältnis zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 12" und 12· ist im wesentlichen gleich dem Verhältnis zwischen der Zugriffszeit der Stufe II (d. h. der Speicherzeit der ersten Stufe)' und der Zugriffszeit der Stufe I. Bei-

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spielsweise hat ein praktisch erprobter Speicher einen Kondensator 12' von 50 pF und einen Kondensator 12" von 1000 pP.

Die Stufe III hat im wesentlichen denselben Aufbau wie die Stufe.II, und die gespeicherte Ausgangsspannung wird am Emitterwiderstand eines Transistors 40" der Wandlerstufe abgenommen, wobei, wenn das eben erwähnte praktisch erprobte Ausführungsbeispiel wieder zugrundegel egt wird, der Kondensator 12¹" einen Wert von etwa 20.000 pF hat. Man gelangt so bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel zu einer Zugriffszeit bis auf 6=5$ von 5 ns und zu einer Speicherzeit·bis auf £ = 5 $ von 400 /us bei einer Nichtlinearität von etwa 1 $ für das gesamte Betriebsintervall, also 200 mV bei 8 V.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ;. Λ/ Speicher zur Speicherung der Amplitude eines elektrischen Signals, mit einem Speicherglied einschließlich einer Kapazität, die durch das Signal über eine Diode aufladbar ist, und einschließlich einer Einrichtung zum Lesen der Ladespannung der Kapazität, gekennzeichnet durch ein Korrekturglied zur Korrektur des dynamischen Widerstands der Diode (10'), bestehend aus Bauelementen mit denselben elektrischen Kennlinien wie die Bauelemente des Speicherglieds, wobei das Korrekturglied mit denselben Signalen beaufschlagbar ist, sowie aus einer Einrichtung für eine vor dem Speicherglied stattfindende Einspeisung eines Stroms ( Δι) proportional der Fehlerspannung (Δν _o) infolge Stromflusses durch die Diode.

   2. Speicher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stromgenerator- und Impedanzwandler-Eingangsstufe.

   3· Speicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe zwei symmetrisch geschaltete komplementäre Transistoren (iV, 2k) hat, wobei jedes Glied jeweils an dem Kollektorwiderstand (i6^f, 26) des einen der beiden Transistoren angeschlossen ist.

   k. Speicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturs tr om ( Δ i) übe.r einen Trennstufen-Transistor (30) eingespeist wird.

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   5· Speicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorspannungsschaltung zum Vorspannen der Diode (1O')» um deren Driftspannungs-Einfluß zu unterdrücken»

   6. Speicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Speicher (i, II, III) in Reihe geschaltet sind, und daß die Zugriffszeit jeder Stufe im wesentlichen gleich der Speicherzeit der vorhergehenden Stufe für denselben Wert des Relativfehlers in Bezug ist«

   7. Speicher nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen als Stromgenerator geschalteten Impedanzwandler-Transistor (4O^f; kO"; 4θ·'·) zwischen den aufeinanderfolgenden Stufen (I, II, III).

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