DE2222783A1

DE2222783A1 - Mit Gyratoren aufgebaute Transformatoren in integrierter Schaltungstechnik

Info

Publication number: DE2222783A1
Application number: DE19722222783
Authority: DE
Inventors: Golembeski John Joseph
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-05-11
Filing date: 1972-05-10
Publication date: 1972-11-16
Also published as: NL7206201A; SE384101B; IT957782B; US3713050A; HK35776A; CA938680A; GB1390664A; DE2222783B2; FR2139406A5; BE783202A

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated J. J. Golembeski - 9

New York, N. Y., 10007, USA

Mit Gyratoren aufgebaute Transformatoren in integrierter Schaltungstechnik.

Die Erfindung betrifft das Abschluß- und Übertragungsverhalten eines Transformators zeigende Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten Gyrator, mit einer ersten Ve rbindungs schaltung zur Verbindung eines Paares von S chaltungs eingangs klemmen mit dem Eingang des ersten Gyrators, mit einer zweiten Ve rbindungs Schaltung zur Verbindung des Ausganges des ersten Gyrators mit dem Eingang des zweiten Gyrator s und mit einer dritten Ve rbindungs schaltung zur Verbindung des Ausganges des zweiten Gyrators mit einem Paar von Schaltungsausgangsklemmen.

Der Fortschritt in der integrierten Schaltkreisteehnik hat dazu geführt, daß diese Schaltungsform immer mehr gegenüber der Ausführungsform mit diskreten Bauelementen bevorzugt wird. Trotzdem gibt es immer noch Beschränkungen in der Art der Schaltungen, die völlig integriert

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ORIGINAL !MSPECTED

ausgeführt werden können, und Schaltungen mit Induktivitäten sind das bedeutsamste Beispiel hiervon. Wenn nur geringe Werte der Induktivität erforderlich sind, können die Induktivitäten durch dünne Filmspulen in Form von flachen Spiralen in der integrierten Schaltkreistechnik hergestellt werden. Wenn jedoch stärkere Induktivitäten erforderlich sind, verlangt die konventionelle Praxis noch immer die Verwendung von diskreten induktiven Bauelementen.

Eine Teillösung des angedeuteten Problems liegt in der Verwendung von speziell integrierbaren Netzwerken mit induktiven Verhalten, und nicht im Versuch, induktive Bauelemente direkt zu integrieren. Die sogenannten Gyratoren sind als antireciproce Zweiport-Netzwerke bekannt und aus einer Kombination von integrierbaren aktiven und pasiven Schaltkreiselementen aufgebaut die beispielsweise Transistoren, Kondensatoren und Widerstände aufweisen können. Die Kombination erzeugt eine Induktivität, obwohl keine Spulen oder Induktoren im konventionellen Sinne gebraucht werden. Eine Beschreibung solcher Gyratoren findet sich in US-Patentschrift 3 OQl 157 vom 19. September 1961 (J. M. Sipress und F. J. Witt).

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Obwohl Gyratoren erfolgreich anstelle von Spulen in praktischen Schaltungen wie Filter verwendet worden sind,, (siehe o. g. US-Patentschrift) ist ihre Anwendung in anderen Bereichen auf theoretische Vorschläge beschränkt geblieben. Einer dieser Bereiche ist der der Transformatoren. Die grundliegende Theorie der Anwendung von Gyratoren zur Bildung von Transformatoren ist von B. D.H. Tellegen in Phillips Research Reports, Vol. 3, No. 2, Seiten 81 - 101 vom April J 948 in dem Artikel "The Gyrator, A New Electric Network Element" beschrieben worden.

Trotz der augenscheinlich sehr atraktiven Vorteile, die man sich aus der möglichen Verfügbarkeit von Transformatoren in integrierter Schaltkreis form versprechen kann, wurden bisher keine praktischen Schaltungen dieser Art realisiert. Diese fehlende effektive Durchführung in der theoretischen Arbeit von Tellegen scheint mindestens teilweise auf die fehlende Fähigkeit der Steuerung und Bemessung der Transformatorcharakteristigen nach Frequenzgang und effektivem Wicklungsverhältnis zurück zuführen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltung der Eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der eine Steuerung und Bemessung des Tansformatorverhaltens ermöglicht wird.

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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens eine der Verbindungsschaltungen ein nicht induktives Netzwerk einschließlich eines reaktiven Elementes zur Festlegung des Frequenzganges und des effektiven WindungsVerhältnisses des Ersatzschaltbild-Transformators der Schaltung aufweist.

Eine Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf die zweite Verbindungsschaltung, die ein Netzwerk aufweist, welches einem im Nebenschluß liegenden Kondensator einschließt und zur Erzeugung des Abschluß- und Übertragungsverhalten eines Transformators dient, dessen Ersatzschaltung an einem idealen Transformator mit einer zur primär Wicklung in Serie liegenden Induktivität entspricht.

Eine zweite Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf die zweite Verbindungsschaltung, die ein Netzwerk aufweist, welches eine im Nebenschluß liegende parallel Kombination aus Widerstand und Kondensator einschließt und zur Erzeugung des Abschluß- und Übertragungsverhalten eines Transformators dient, dessen Ersatzschaltung einem idealen Transformator mit einer Serienkombinätion aus Induktivität und Widerstand in Serie mit der Primärwicklung entspricht.

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Eine dritte Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf die erste und dritte Verbindungsschaltung, die jeweils ein Netzwerk einschließt, welches eine im Nebenschluß liegende Parallelkombination aus Widerstand und Kondensator aufweist.

Eine vierte Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf die erste und zweite Verb indungs schaltung, die jeweils ein Netzwerk einschließt, welches eine im Nebenschluß liegende Parallelkombination aus Widerstand und Kondensator aufweist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich darauf, daß jede der drei Verb indungs schaltungen ein Netzwerk einschließt, welches eine im Nebenschluß liegende Parallelkombination aus Widerstand und Kondensator aufweist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Auswahl und Verbindung der Kopplungnetzwerke mit einem Seriengyratorpaar, um einen wirksamen Entwurf eines Breitbandtransformätors zu schaffen.

Einzelheiten der neuen Schaltung werden an Hand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer integrierbaren Transformatorschaltung gemäß Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm der Ausgangs- und Eingangsspannung gegen die Frequenz für eine theoretische Chebyshev Ansprechkurve verglichen mit der tatsächlichen Ansprechkurve der Schaltung nach Fig. 1, wobei die Bauelementwerte im Hinblick auf Chebyshev Verhalten bemessen wurden,

Fig. 3 ein Diagramm des statischen Eingangs- Ausgangsverhältnisses für einen durch Gyratoren simulierten Transformator gemäß Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Transformators gemäß Erfindung unter Verwendung eines einzelnen zwischenliegenden Koppelnetzwerkes,

Fig. 5 das Ersatzschaltbild derSchaltung nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Diagramm, des Ansprechverhaltens der Schaltung nach Fig. 4,

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Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Transformators gemäß Erfindung, die mit der Ausführungsform nach Fig. 4 identisch ist, außer daß das zwischenliegende Koppelnetzwerk nur einen einzelnen Kondensator aufweist/

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. 7,

Fig. 9 ein Diagramm der Anspre eh charakteristik der Schaltung nach Fig. 7,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Transformators gemäß Erfindung, bei dem nur ein primäres und sekundäres Koppelnetzwerk verwendet wurden,

Fig. 11 eine schematische Ersatzschaltung der Schaltung nach Fig. 10,

Fig. 12 ein Diagramm der Ansprechcharakteristik der Schaltung nach Fig. 10,

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Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Transformators gemäß Erfindung, bei dem ein primäres und ein dazwischen liegendes Koppelnetzwerk verwendet wurde,

Fig. 14 eine schematische Ersatzschaltung der Schaltung nach Fig. 13, und

Fig. 15 ein Diagramm der Ansprechcharakteristik der Schaltung nach Fig. 13.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird bei einem Transformator gemäß Erfindung ein erster oder primärer Gyrator G₁ und ein in Reihe oder Kaskade dazu geschalteter zweiter oder sekundärer Gyrator G verwendet. Die Ausführungsform dieser Gyratoren ist ansich beliebig und kann beispielsweise die Ausführungsform nach US-Patentschrift 3 001 157 sein. Gemäß Erfindung werden sowohl das Windungs verhältnis als auch der Frequenzgang der Schaltung nach Fig. 1 durch die Verwendung einer oder mehrerer Koppelnetzwerke N , N oder N gesteuert.

In Übereinstimmung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 schließt

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jedes der Netzwerke N und N einen Nebenschlußkondensator C

1 ο

(C in dem dazwischen liegenden Netzwerk N) und einen Nebenschlußwiderstand R (R' in dem dazwischen liegenden Netzwerk N₉) ein, obwohl es sich versteht, daß die Prinzipien der Erfindung nicht auf diese spezielle Kombination von Schaltungselementen in den Koppelnetzwerken beschränkt sind. Die nun folgende Analyse zeigt, daß die richtige Bemessung der Koppelnetzwerke gemäß den Maßnahmen der Erfindung zu einem gewünschten Transformatorverhalten sowohl nach Frequenzgang als auch Windungsverhältnis führt. Um die mathematischen Aspekte der Analyse zu vereinfachen und klar zu stellen, sei angenommen, daß die Größen der Widerstände R und der Kondensatoren C in den Netzwerken N und N identisch sind. Ferner wird angenommen, daß

J- O

die Größe des Widerstandes R'und des Kondensators C'gleich der Hälfte der Größe der Widerstände R bzw. der Kondensatoren C ist. Die Übertragungsmatrix für die Schaltung Fig. 1 ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

¹IN	^At^Bt	E OUT "¹OUT

(D

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dabei kann gezeigt werden:

^At ■

C, =

^Bt⁼

R ,+R

g2

(sRC+lj ,

(sRC+l)x

R ,R gl

RCs +2RCs+l) +1

^Dt ⁼

^R 1^R O

gl g² R

2 (sRC+1) +

In den Gleichungen 1, 3,4 und 5 wird der Gyrationwiderstand des primären Gyrators G als R und der Gyrationwiderstand des se-

1 gl

kundären Gyrators G als R bezeichnet. Das Spannungsüber-

2 g2

tragungsverhältnis E /E bei offener Schaltung ist das Windungsverhältnis η des simulierten Transformators und durch folge η den Ausdruck gegeben:

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η -

^RC

Von spezieller Bedeutung ist das aus Gleichung 6 ersichtliche quadratische Ansprechverhalten. Zusätzlich wird darauf hingewiesen, daß die Polstellen eine Funktion der Elemente R und C sind.

Eine Serien verbindung idealer Gyratoren entsprechend R= ^ und C=O simuliert einen Transformator mit einem Windungsverhältnis gemäß:

η = Rg^Rg₁ . (7)

Der nicht ideale Transformator folgt jedoch aus den Nebenschlußelementen R und C in der Schaltung und das Niederfrequenz-Windungsverhältnis η (0) wird durch die Gleichung (6) mit C=O wieder gegeben, das heiflti

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(8)

Diese führt zur Gleichung(7), wenn R unendlich wird.

Das durch Gleichung (6) wiedergegebene Zweipol-Ansprechverhalten impliziert, daß das Hochfrequenz verhalten des Transformators so bemessen werden kann, daß eine vorgewählte Gestalt der Ansprechkurve erziehlt werden kann. Diese Implikation, auf denen die Prinzipien der Erfindung teilweise beruhen, wurde substantiiert und durch Testen eines Transformators gemäß Erfindung für wahr gefunden, der im Hinblick auf eine spezielle Gestalt des Ansprechverhaltens bemessen war, nämlich dem gut bekannten 1/2 dB Chebyshevverhalten. Dieser Entwurf wurde durch richtige Einstellung der konventionellen Polynomen Koeffizienten und Bemessung der Frequenz bewirkt. Die tatsächliche Schaltungsausbildung stimmt mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltung überein und es wurde gefunden, daß diese Aus führung s form die Basis für einen wirksamen Breitbandentwurf darstellt.

Der angedeutete Schaltungsentwurf wurde mit Bezug auf den kon-

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ventionell normalisierten 1/2 dB Chebyshe ν-Polynominalaus druck zweiten Grades ausgeführt:

P_o(2) = s² + I₄ 4256s + 1.51,62 , (9)

für diese war die 1/2 dB-Bandbreite 1 rad/s. Die Nenner der Gleichungen (6) und (10) werden gleich gemacht, um die Gestalt gemäß 1/2 dB Chebyshevverhälten zu erzielen, das zu der Bestimmung der Größe des Widerstandes R wie folgt führt:

R = 1.S9H (10)

dies führt wiederum zu der Größe der Kapazität C zu:

^{C =} 0:7128R ' (11)

Das asymptotische Windungsverhältnis (n) bei niedriger Frequenz für den Pail eines 1/2 dB Chebyshevverhälten ist wie folgt;

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Bei den tatsächlich verwendeten Gyratoren wurden die Größen von R und R zu 15 Kilo/ohm bzw. 60 Kilo/ohm bestimmt. Das effektive Windungsverhältnis η wurde dann als Gleichung (12) zu 2, 67 und die Größe des Widerstandes R aus der Gleichung (10) zu 119 Kilo/ohm bestimmt. Der letzte Schritt besteht

3 in der Maßstabumänderung der Frequenz von 1 rad/s auf 2^(4x10 ) rad/s, wobei folgendes gilt:

C = (0.7128 χ 119 χ ΙΟ³)"¹ (8_π χ ΙΟ³)"¹ = 47OpF. (13)

Der Vergleich der experimentellen und theoretischen Ergebnisse des vorhergehenden Schaltungsentwurfes wird durch das Diagramm nach Fig, 2 illustriert, welches eine vorzügliche Übereinstimmung über den gesamten gemessenen Frequenzbereich zeigt.

Als zusätzlicher Vergleich von Interesse ist das statische oder Gleichstrom Eingangs-Ausgangs verhältnis eines Gyrator simulierten Transformators gemäß Erfindung in der Kurve nach Fig* 3 angegeben, und zwar für den Fall daß n=4 ist. Das lineare Teilstück der Kurve für E^ <0, 8 Volt entspricht dem bekannten Be- trieb. Die Transistor Sättigung und -Begrenzung gibt die Sättigung der Magnetisierungskurve wieder.

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Die vorhergehende Diskusion hat aufgezeigt, wie die Größe jedes Impedanzelementes in jedem der drei Koppelnetzwerke nach Fig. 1 gemäß Prinzipien der Erfindung bestimmt werden kann, um zu einer effektiven Transformatorschaltung mit gewünschten Eigenschaften in Ausdrücken des Frequenzganges und des effektiven Windungsverhältnisses zu gelangen. Wie aus Fig. 4, 7, 10 und 13 folgt, kann eine Vielfalt von Koppelnetzwerken und Kombinationen in einem Transformator gemäß Erfindung verwendet werden. Aus der nun folgenden Diskusion dieser Schaltungen wurde die mathematische Berechnung der Bauelementwerte meistens ausgelassen und statt dessen im Interesse der Kürze eine verallgemeinerte Ersatzschaltung und eine verallgemeinerte Ansprechcharakter istik in jedem Fall dargeboten.

Im Beispiel nach Fig. 4 ist ein einzelnes Zwisch'enkoppelnetzwerk N mit zwei Porte vorhanden, bei dem die Kombination eines Nebenschlußwiderstandes R und eines Nebenschlußkondensators C verwendet wurden, um die beiden Gyratoren G und G zu koppeln.

X Ci

Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt die Ersatzschaltung sowohl einen Widerstand als auch eine Induktivität in Serie mit dem effektiven Transformator T. ₍ Die Ansprechverhaltenskurve nach Fig. 6 zeigt, daß das Verhältnis E /E das effektive Windungsver-

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hältnis η des Netzwerkes ist und daß die Schaltung ein Einpolverhalten hat. Quantitative Ausdrücke für die Grenze f der

ouJd

Bandbreite und für den Nie der frequenz wert des effektiven Windungsverhältnisses η (ο) sind ebenfalls in Fig. 6 angedeutet.

Die Schaltung nach Fig. 7 verwirktlicht eine schwebend geschal-

2
tete Wicklung der Größe R C in Serie mit der primär Wicklung und des effektiven Transformators T , und zwar, wie aus Fig. 8 hervorgeht, durch die Verwendung eines zwischenliegenden Koppelnetzwerkes N mit zwei Port, bei dem ein einzelner Nebenschlußkondensator C zur Kopplung der Gyratoren G und G verwendet wurde. Die ABCD Matrix kann für diesen Fall wie folgt ausgedrückt werden:

(T)

i R
ί R

R₁R
gl

R
R

(14)

dabei ist R=R und Z = j/ω C, wobei Z die Impedanz des Koppelnetzwerkes ist. Wie angedeutet, führt dieser Fall zu einem schwebend geschalteten Induktor mit der in Fig. 7 angedeuteten

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Größe in Reihe mit einem 1 : 1 Transformator T . Die verallgemeinerte Ansprechkurve ist in Fig. 9 gezeigt.

Eine weitere Form einer Koppel- oder Kompensationsnetzwerkschaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt, deren Ersatzschaltung in Fig. U und deren Frequenz/ effektives Windungsverhältnis-Verhalten in Fig. 12 gezeigt sind. Insbesondere diese Figur zeigt, wie die natürliche Frequenz der Struktur von der Form der Eingangseregung abhängt. Für ein Stromquellen-Eingangs signal besitzt die einpolige Ansprechfunktion einen Pol bei f * -r-———— , und wie auch aus Fig. 12

^{C 2rrR}IN^CIN

hervorgeht, hat diese Funktion ein Niederfrequenz-Windungsverhältniswert von η (ο) = R /R .

Eine zusätzliche beispielsweise Kompensationnetzwerk Kombination gemäß Erfindung ist in Fig. 13 gezeigt, wo ein erstes Koppelnetzwerk N mit zwei Porte zur Kopplung der effektiven Transformatoreingangspunkte mit dem primären Gyrator G verwendet wird und wo ein zweites Koppelnetzwerk N mit zwei Porten als Zwischennetzwerk, welches die beiden Gyratoren G. und G_? koppelt. Die Ersatzschaltung oder das Schaltungsmodell nach Fig. 14 zeigt zwei unabhängige Reaktanzen, nämlich den Konden-

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sator C und die Induktivität der Größe R₁ C, welche eine Übertragungsfunktion zweiter Ordnung mit der in Fig. 15 gezeigten charakteristischen Spitze ermöglicht.

In allen gezeigten Beispielen werden die effektiven Transformatoreigenschaften in Ausdrucken sowohl des effektiven Windungsverhältnisses als auch des Frequenzganges gemäß Prinzipien der Erfindung durch die kombinierten Eigenschaften der Koppelnetzwerke und der Gyratoren gesteuert, so daß der Entwurfsverfertiger diejenigen Eigenschaften auswählen kann, die er für die gerade zutreffende Anwendung benötigt.

Es versteht sich, daß die beschriebene Ausführungsform nur zur Verdeutlichung der Prinzipien gebracht wurde. Der Fachmann kann zahlreiche Abänderungen durchführen, ohne den Erfindungsgedanken oder den Schutzbereich zu verlassen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

l.j Das Abschluß- und Übertragungsverhalten eines Transformators zeigende Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Gyrator (01,02), mit einer ersten Verbindungsschaltung zur Verbindung eines Paares von Schaltungseigangsklemmen mit dem Eingang des ersten Gyrators (Gl), mit einer zweiten Verbindungsschaltung zur Verbindung des Ausganges des ersten Gyrators (Gl) mit dem Eingang des zweiten Gyrators (G2) und mit einer dritten Verbin dungs Schaltung zur Verbindung des Ausganges des zweiten Gyrators mit einem Paar von Schaltungsausgangsklemmen, dort gekennzeichnet, daß mindestens eine der Verbindungschaltungen ein nicht induktives Netzwerk einschließlich eines reaktiven Elementes (N, Nl, N2, N3) zur Festlegung des Frequenzganges und des effektiven W indungs Verhältnisses des Ersatzschalt-Transformators der Schaltung aufweist.

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verbindungsschaltung (N2) ein Netzwerk (N) aufweist, welches einen im Nebenschluß liegenden Kondensator

(C) einschließt und zur Erzeugung des Abschluß- und Übertragungsverhaltens eines Transformators dient, dessen Ersatzschaltung einem idealem Transformator mit einer zur Primärwicklung in Serie liegenden Induktivität entspricht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verbindungsschaltung ein Netzwerk (N) aufweist, welches eine im Nebenschluß liegende Parallelkombination aus Widerstand (R) und Kondensator (C) einschließt und zur Erzeugung des Abschluß- und Übertragungsverhaltens eines Transformators dient, dessen Ersatzschaltung einem idealen Transformator mit einer Serienkombination aus Induktivität und Widerstand in Serie mit der Primärwicklung entspricht.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Verbindungsschaltung jeweils ein Netzwerk (Nl, N2) einschließt, welches eine im Nebenschluß liegende Parallelkombination aus Widerstand (R? R*) und Kondensator (C, C) aufweist.

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die erste und zweite Ve rbindungs schaltung jeweils ein Netzwerk (Nl, N2) einsehließt, welches eine im Nebenschluß liegende Parallelkombination aus Widerstand (R, R 0 und Kondensator (C, C) aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei Ve rbindungs schaltungen ein Netzwerk (Nl, N2, N3) einschließt, welches eine im Nebenschluß liegende Parallelkombination aus Widerstand (R, R*) und Kondensator (C? C) aufweist.

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