DE2254148A1

DE2254148A1 - Verstaerkeranordnung mit fernspeisung

Info

Publication number: DE2254148A1
Application number: DE2254148A
Authority: DE
Inventors: Petrie Johan Van Der Plaats
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-11-19
Filing date: 1972-11-04
Publication date: 1973-05-24
Also published as: DE2254148B2; AU4894572A; SE439087B; NL7115947A; CA973939A; JPS5212042B2; BE791588A; FR2161662A5; JPS4863604A; GB1395204A; US3810032A

Description

Anmelder: ^. Y. Philips'Gloeilampenfabriekee

Akte No. PHN- 5990 AomtJdiwfl vom; 2«, NOV. 1972

Verstärkeranordnung mit Fernspeisung.

Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung mit Fernspeisung über eine Uebertragungsleitung, über die gleichzeitig mit dem Speisestrom ein Wechselstromsignal von oder zur Verstärkeranordnung übertragen wird, welche Verstärkeranordnung eine Dämpfungsregelanordnung zum Dämpfen des Wechselstromsignals in Abhängigkeit von der Länge der Uebertragungsleitung enthält, so dass die Unterschiede in der Wechselstromdämpfung der Uebertragungsleitungen mit verschiedenen Längen ausgeglichen werden.

Die Empfindlichkeit einer Fernsprechverbindung wird u.a. durch die Empfindlichkeit der in den Fernsprechern angewendeten Mikrophon- und Fernsprechkapsel und durch die Länge und Dämpfung der Teilnehmerleitungen bestimmt. Es wird

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danach gestrebt, die Empfindlichkeit einer Fernsprechverbindung von der Länge der Teilnehmerleitungen unabhängig zu machen. Durch Anwendung von Mikrophonsignalverstärkern und/oder Fernsprechsignalverstärkern kann die Dämpfung langer Teilnehmerleitungen oder von Teilnehmerleitungen mit hoher Dämpfung (kleiner Durchmesser der Adern) ausgeglichen werden. Wenn die Sprechlautstärke einer Fernsprechverbindung zwischen zwei TeilnehmeranschlUssen mit langen Teilnehmerleitungen den maximal zulässigen Wert hat, so ist sie für kurze Teilnehmerleitungen zu gross. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird eine Dämpfungsregelung angewendet, die die Sprechsignale im Falle kurzer Teilnehmerleitungen mehr dämpft als im Falle langer Teilnehmerleitungen,

Bekannte Dämpfungsregelungen verwenden nichtlineare Elemente, wie spannungsabhängige Widerstände, die parallel «ur Mikrophonsignalschaltung und/oder Fernsprechsignalschaltung geschaltet sind. Diese nichtlinearen Elemente werden durch eine Regelspannung gesteuert, die durch den Speisestrom (oder einen Teil desselben) über einen Widerstand erzeugt wird. Die Dämpfungskennlinie derartiger Elemente ist schlecht reproduzierbar, der Regelbereich verhältnismässig klein. Eine Regelkennlinie, die als Funktion des Speisestroms denselben (linearen) Verlauf hat wie die Dämpfung der Teilnehmerleitung, lässt sich schwierig verwirklichen. Die nichtlinearen Elemente führen eine nicht lineare Verzerrung der Sprechsignale ein.

Die Erfindung bezweckt, einen neuen Entwurf der eingangs genannten Vers tärkeranordnurif; zu η cha ff on, (ILo Ln

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integrierter Schaltungsform einfach verwirklicht werden kann, und mit der die Nachteile bzw» Mängel der bekannten Dämpfungsregelungen beseitigt sind, und mit der insbesondere die Aenderung der Dämpfung der Teilnehmerleitung in bezug auf deren Länge genau ausgeglichen werden kann. Ein derartiger genauer Ausgleich bedeutet, dass die Empfindlichkeit der Fernsprechverbindung (innerhalb des Regelbereichs) konstant ist.

Die Verstärkeranordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Bezugsstromquelle enthält, deren Strom von Aenderungen in der Speisespannung unabhängig ist, und dass Mittel zum Erzeugen eines Regelstroms vorhanden sind, der gleich dem Unterschied zwischen einem von der Bezugsstromquelle hergeleiteten konstanten Strom und einem linear vom Speisestrom abhängigen Strom ist, und dass eine durch den Regelstrom gesteuerte Verstärkungsstufe vorhanden ist, deren Verstärkung innerhalb des Regelbereichs eine gleichförmig abnehmende Funktion des Speisestroms ist.

Die Erfindung wird anhand einiger Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 das Schaltbild eines Mikrophonsignalverstärkers und eines Fernsprechsignalverstärkers nach der Erfindung, » Fig. 2 einige Regelkennlinien,

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Mikrophonsignalverstärkers und eines Fernsprechsignalverstärkers, die an eine Teilnehmerleitung eines Fernsprechsystems angeschlossen · sind. Die beiden Leiter der Teilnehmerleitung sind mit a und b angegeben.

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Die Anordnung nach Fig. 1 besteht aus verschiedenen funktioneilen Einheiten, die jeweils aus verschiedenen Komponenten bestehen. Diesen funktionellen Einheiten werden funktioneile Bezeichnungen gegeben« (Die Komponenten einer funktioneilen Einheit werden aufeinanderfolgend numeriert. Eine funktionelle Einheit wird durch Angabe der niedrigsten und der höchsten Bezugsnummer identifiziert, die zur Bezeichnung einer Komponente benutzt wird. Die beiden Nummern werden durch einen waagerechten Strich getrennt).

Das Signal des Mikrophons 10 wird über einen Vorverstärker 11 (der mit Gegentakt-Ausgängen versehen ist) den Eingängen eines Differenzspannung-Regelverstärkers 12-15 zugeführt. An die Ausgänge der Differenzspannung-Regelverstärker 12-15 sind die Spannungsfoiger 16-17 und 18-19 angeschlossen, Der Ausgang des Spannungsfolgers 18-19 ist an den Eingang eines Endverstärkers 20-22 angeschlossen. Die Kollektor-Emitterbahn des Transistors 21 ist parallel zur Diagonalen P-Q der Brückenschaltung 23-25 geschaltet. Der Zweig Q.~S der Urückenschaltung wird durch die Eingangsimpedanz der Tei 1 ηe 11nier 1 extung gebildet,

.Der Fern spre chsignalver stärker enthält einen Differenzspannung-Vorverstärker 26-29. Ein Eingang dieses Verstärkers ist an Punkt Ii der Brückenschaltung 23-25 und der andere Eingang über einen Kondensator 30 an den Leiter b der Teilnehmerleitung angeschlossen. Dieser Kondensator hat für Sprechströme eine niedrige Impedanz, Die von der Teilnehmerleitung empfangene Sprechspannung liegt über den Widerstand 2 zwischen den Eingängen des Oifferenzspannung—Vorverstärkers 26*29«

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Statt des Kondensators 30 können andere Schaltungselemente angewendet werden, wie etwa eine Zener-Diode oder eine Reihenschaltung mehrerer Dioden, Diese Elemente können leichter integriert werden als ein Kondensator. Die Impedanz (für Sprechströme) dieser Elemente ist ebenfalls niedrig, während diese Elemente eine Verschiebung des Gleichspannungspegels verursachen, die für die Gleichspannungseinstellung des Differenzspannung-Vorverstärkers 26-29 notwendig ist.

Wenn die Brückenschaltung 23-25 abgeglichen ist und wenn in das Mikrophon 10 gesprochen wird, so entsteht über die Diagonale R-S keine Sprechspannung. In diesem Fall wird dem Differenzspannung-Vorverstärker 26-29 keine Sprechspannung zugeführt.

Die Ausgänge des Differenzspannung-Vorverstärkers 26-29 sind an die Eingänge eines Differenzspannung-Regelverstärkers 31-3^ angeschlossen, dessen Ausgänge an die Eingänge eines Differenzspannung-Endverstärkers 35 angeschlossen sind. An den Ausgang dieses letzten ist der Fernsprecher 36 angeschlossen.

Der Speisestrom für alle Verstärker wird mit Ausnahme des Endverstärkers 20-22 über das Glättungsnetzwerk 37-38 von der Spannung zwischen den Leitern a und b. hergeleitet. Der Basiseinstellstrom für den Transistor 26 des Differenzspannung-Vorverstärkers 26-29 wird über den Widerstand 25 vom Leiter a hergeleitet. Der entsprechende Einstellstrom für den Transistor 27 wird über den Widerstand 39 vom Leiter a hergeleitet. -

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Während eines Telephongesprächs ist die Teilnehmerleitung am weiten Ende an eine Gleichspannungsspeisebrücke angeschlossen, die über ein Paar von Speisewiderständen an die Zentralbatterie angeschlossen ist. Der durch die Teilnehmerleitung fliessende Speisestrom hängt von den Speisewiderständen, dem Schleifenwiderstand der Teilnehmerleitung, dem Widerstand des Fernsprechgerätes und der Batteriespannung ab. In kurzen Teilnehmerleitungen fliesst ein grosser und in langen Teilnehmerleitungen ein kleiner Speisestrom. In der Praxis liegt der Speisestrom üblicher Fernsprechgeräte zwischen etwa 50 mA für kurze Teilnehmerleitungen und etwa 15 mA für lange Teilnehmerleitungen,

Die Teilnehmerleitung dämpft die Sprechsignale als Funktion der Länge der Leitung. Diese Dämpfung beträgt für eine Teilnehmerleitung mit einem Aderdurchmesser von 0,5 mm etwa 1 dB für jede Erhöhung des Schleifenwiderstandes tun 140 Ohm, Wenn die Sprechlautstärke einer Fernsprechverbindung zwischen Fernsprechgeräten mit langen Teilnehmerleitungen einen gewissen maximal zulässigen Wert hat, so ist infolgedessen die Sprechlautstärke für kurze Teilnehmerleitungen zu hoch. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird eine automatische Regelung der Dämpfung des Fernsprechers angewendet. Diese Regelung der Dämpfung wirkt derart, dass die Empfindlichkeit des Fernsprechers bei langen Teilnehmerleitungen nicht beeinflusst und bei kurzen Teilnehmerleitungen verringert wird. Mit einem Regelbereich von etwa 6 dB können die Dämpfungsunterschiede zwischen Teilnehmerleitungen mit einem Unterschied im Schleifenwiderstand von etwa ShO Ohm ausgeglichen werden. 309821 /0723

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Die Dämpfungsregelung wird in der Anordnung nach Fig. 1 durch Regelung der Verstärkung des Differenzspannung-Vorverstärkers 12-15 hinsichtlich des Mikrophonsignals und durch Regelung der Verstärkung des Differenzspannung-Regelverstärkers 31-3^ hinsichtlich des Fernsprechsignals bewirkt. Diese Verstärker werden derart geregelt, dass die Verstärkung (im Regelbereich) eine gleichförmig abnehmende Funktion des Speisestroms ist. In Fig. 2 ist das Verhältnis zwischen der Verstärkung A und dem Speisestrom I_T dargestellt (Kennlinie b), I₁ und I₂ geben die Grenzen des Regelbereichs an. A₁ und A„ bezeichnen die Werte der Verstärkung an den Grenzen des Regelbereichs. Für Stromwerte von weniger als X., ist A konstant und gleich A„. Für Stromwerte höher als I₂ ist A konstant und gleich A₁ . Im Regelbereich gilt, dass

A *= A₂ - c (I_L - I₁) (1)

ist, worin c eine Konstante ist, die gegeben wird durchs

c= (A₂ - A₁)Z(I₂ -I₁) (2).

Der Regelbereich beträgt 20 log A^A₁ dB» Mit einem Regelbereich von 6 dB können die Dämpfungsunterschiede zwischen Teilnehmerleitungen mit einem Unterschied im Schleifenwiderstand von etwa 84o Ohm ausgeglichen werden«, Wenn nun etwa I₂' dem Stromwert bei einem Schleifenwiderstand von 0 Ohm entspricht und wenn der Regelbereich 6 dB beträgt, so entspricht I₁ dem Stromwert bei einem Schleifenwiderstand von 840 Ohm.

Der Differenzspannung-Regelverstärker 12-15 wird durch den Transistor ^O mit einem konstanten Strom I und durch den Transistor 41 mit einem Regelstrom I - I gespeist.

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Darin ist I ein Strom, der proportional dem Speisestrom 31 ist. Der durch jeden der Transistoren 12 und 13 fliessende Gleichstrom beträgt dann:

Für die Kleinsignal-Spannungsverstärkung des Transistors 13 gilt (annähernd), dass

A = r_c/r_E (U)

1st, worin r den Wert des Widerstandes 15 darstellt, und worin

r_E ο kT/qI_E = U_T/I_E (₅)

ist, so dass

A = r_c.I_E/U_T (6)

ist, worin I_p den Wert des Emitter-Gleichstroms darstellt.

Aus (3) und (6) erhält man die Beziehung«

A = r_c.(l_B- I_r/2)/U_T (7)

Die Beziehung (7) gibt an, dass die Verstärkung des Differenzspannung-Regelverstärkers 12-15 eine gleichförmig (linear) abnehmende Funktion des Speisestroms ist. Die Verstärkung ist maximal, wenn I β οι

^Amax = ¹VV¹¹T <⁸>

Der Höchstwert von I ist I , so dass

^A»ln = ^rc-V^2UT ^ist· ⁽⁹⁾

Der Regelbereich hat einen Wert von

20 log A_max/A_mindB . 6 dB.

Die Regelkennlinie hat den in Fig. 2 dargestellten Verlauf (Kennlinie C), Hierbei wird vorausgesetzt, dass A = A„ und A , = A₁ und dass I proportional zu I. ist. Wählt man den Strom, der durch den Transistor ^O geliefert wird, kleiner als I , so wird der Regelbereich grosser als 6 dB,

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S . 22541A8

De.r Regelbereich, hat im Falle der Kennlinie B (entsprechend der Theorie) als untere Grenze den Wert 3L =0. In der Praxis wird diese Grenze nicht erreicht, da die Schaltung einen gewissen Speisestrom braucht, um - von 0 abweichende Wechselstromsignale verstärken zu können. Eine vom Wert I_T =

• Lj

abweichende untere Grenze I_T = I₁ erzielt man dann, wenn man den Strom I proportional zum Unterschied zwischen dem Speisestrom I, und einem konstanten Strom macht. Hat dieser

Lj

konstante Strom den Wert I₁, so wird die Kennlinie B erhalten. Die Verstärkung des Differenzspannung-Regelverstärkers 31-3^ wird auf dieselbe Art und Weise geregelt. Der Transistor 42 speist den Verstärker mit dem konstanten Strom I ,

der Transistor h3 speist ihn mit dem Regelstrom I -I .

S I*

Der konstante Strom I wird von einer Bezugsstrom-

quelle 44-50 hergeleitet, deren-Strom von Aenderungen der Speisespannung unabhängig ist. Eine Stromquelle dieser Art ist in "Philips Technische Rundschau¹¹ Jahrgang 1971, Nr, 1, S, 1-12 beschrieben. Die Bezugsstromquelle besteht aus zwei gesteuerten Stromquellen, nämlich einer Stromquelle mit den pnp-Transistoren 44-46 und einer Stromquelle mit den npn-Transistoren 47-49, Die beiden Stromquellen sind derart geschaltet, dass der Ausgangsstrom der einen der Bezugsstrom der anderen ist, und umgekehrt. Der Strom I wird durch die

folgende Beziehung gegeben*

I_gR = U_T.lnp (10)

worin R den Wert des Widerstands 50 darstellt und ρ (p>i) das Verhältnis zwischen der Emitteroberfläche des Transistors Λ7 und der Emitteroberfläche des Transistors 49 ist. Ueber die

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2 2 r> /ν Ί A B

Transistoren hO, h2, 51» 52 und 62 steht den anderen Schaltungen der konstante Strom I zur Verfügung, Zwei dieser Schaltungen, nämlich die Differenzspannung-Regelverstärker 12-15 und 31-3^, die durch die Transistoren ^O und 4i gespeist werden, sind bereits beschrieben. Der Transistor 62 speist den Differenzspannung-Vorverstärker 26-29 mit dem konstanten Strom I ,

Der Transistor 51 liefert den Bezugsstrom I zu einer gesteuerten Stromquelle k'\ , 53-5^» die im Zusammenhang mit der Speisung des Differenzspanriung-Regelverstärkers 12-15 mit dem Strom I -I benutzt wird. Der Transistor 52 liefert

sr

den Bezugsstrom I zu der gesteuerten Stromquelle kj, 55-56, die dieselbe Funktion beim Differenzspannung-Regelverstärker 31-3^ hat.

Die gesteuerte Stromquelle 41, 53-5^ ist von der in d«r obengenannten Zeitschrift beschriebenen Art. Die Basis-Emitter spannung ν_πΓ, des als Diode geschalteten Transistors $k

üb

ist (unter allen Umständen) gleich der Basis-Emitterspannung des Transistors 53. Die Kollektorströme sind dann gleich, in der Annahme, dass die beiden Transistoren gleiche Emitteroberflächen und infolgedessen gleiche Leckströme I haben.

C O

(in den weiteren Betrachtungen werden JBasisströme vernachlässigt, und es wird angenommen, dass alle Transistoren dieselbe Basis-Emitterspannung V „ haben, die etwa 0,6 V für Si-Transistoren beträgt. Dies gibt eine ausreichende Annäherung an die Wirklichkeit, um ein repräsentatives Bild von der Wirkungsweise zu erhalten). Ueber den Widerstand 57 wird dem Transistor 5^ der Strom I zugeführt, (lieber ilen Wider-

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BAD ORtQ)NAt

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stand 58 wird dem Transistor 56 der anderen gesteuerten Stromquelle der Strom I zugeführt). Der durch den Transistor 5^ fliessende Strom ist die Summe des Stroms I und des durch

den Transistor 41 fliessenden Stroms, und diese Summe ist gleich dem Kollektorstrom des Transistors 53· Dieser letztere ist gleich dem konstanten Strom I , der durch den Transistor geliefert wird, Ergebnis ist, dass der durch den Transistor ^ fliessende Strom gleich I -I ist. (Auf dieselbe Art und Weise kann nachgewiesen werden, dass der Kollektorstrom des Transistors 43 der anderen gesteuerten Stromquelle gleich I -I ist). Der Strom I ist proportional dem durch die Teilnehmerleitung fliessenden Speisestrom, Dieser Strom wird folgendermassen hergeleitet. Die Emitter der Transistoren 16 und sind über die Reihenschaltung der gleichen Widerstände 60 und 61 verbunden. Der Verbindungspunkt der Widerstände 60 und 61 ist mit der Basis eines Transistors 59 verbunden, dessen Emitter an die Widerstände 57 und 58 angeschlossen ist₀ Die Aenderungen der Emitterspannung des Transistors 16 stehen in Gegenphase zu den Aenderungen der Emitterspannung des Transistors 18, so dass sich die Spannung des Verbindungspunkts der Widerstände 60 und 61 nicht ändert. Dieser Verbindungspunkt hat eine Spannung, die um 2 V-„(Transistoren 20 und 21) höher ist als die Emitterspannung des Transistors 21, Die durch den Strom I Über den Widerstand 57 erzeugte Spannung ist um 2 V (Transistoren 59 "und 53) niedriger als die Spannung des Verbindungspunkts der Widerstände 60 und 61 . Die durch den Strom I₃, über den Widerstand 57 erzeugte Spannung ist gleich derjenigen Spannung, die durch den

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BAD ORIG)NAl.

A	2	■ ^rc·	V^UT	.R₅₇	·^υτ
C		= ^rc·	R₂₃/2
I	1	- ¹V

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Emitterstrom des Transistors 21 über den Widerstand 23 erzeugt wird. Dieser letztere Strom ist gleich dem Unterschied zwischen dem Speisestrom I₁ (der durch die Teilnehmerleitung flieset) und dem Speisestrom I_v, der durch den Widerstand 37 flieset. Zwischen I , I. und I_w besteht die folgende Beziehung»

Γ JU V

I_r.R₅₇ » (I_L-I_V).R₂₃ (11)

worin R-_ und R„„ die Werte der Widerstände 57 und 23 sind.

Setzt man die Beziehung (ii) in die Beziehung (7) ein und gibt man der so erhaltenen Beziehung die Form der Be-ziehung (i), so erhält man ι

(12)

Der Strom I_v ist praktisch konstant, so dass die Regelkennlinie B erhalten wird, wobei I₁ = I_v ist.

Der Strom I„ liegt bei einer praktischen Ausführungsform in der Grössenordnung von 8ΟΟ-9ΟΟ /uA gegenüber I_T mit

/ k

einer Grössenordnung von 15-50 mA, und er ist deshalb praktisch vernachlässigbar. Aus der Beziehung (11) geht hervor, dass I praktisch proportional ist zu I₁ , wobei der Proportionalitätafaktor durch die Wahl von R₁₅₁₇ in bezug auf R„o bestimmt ist. Man erhält dann die Regelkennlinie C mit der (entsprechend der Theorie) unteren Grenze I. =0.

Für Werte von I₁, die so klein sind, dass die Schaltung mit einem Speisestrom I = I₁ nicht funktioniert, besteht lediglich ein theoretischer Unterschied zwischen den Kennlinien B und C, Wünscht man jedoch I₁ so einzustellen,

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dass die Verstärkung für lange Teilnehmerleitungen konstant ist, so wird zweckmässigerweise ein konstanter Strom vom Strom I abgezogen (der durch die Beziehung (11) gegeben wird). Dies kann auf* entsprechende Weise verwirklicht werden, wie in der Schaltung nach Pig. 1 der Strom I vom Strom I abgezogen wurde.

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Claims

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PATENTANSPRUECHEι ■ '

Verstärkeranordnung mit Fernspeisung über eine Uebertragungsleitung, über die gleichzeitig mit dem Speisestrom ein Wechselstromsignal von oder zur Verstärkeranordnung übertragen wird, welche VerstHrkeranordnung eine Dämpfungsregelanordnung zum Dämpfen des Wechselstromsignals in Abhängigkeit von der Länge der Uebertragungsleitung enthält, so dass die Unterschiede in der Wechselstromdämpfung der Uebertragungsleitungen mit verschiedenen Längen ausgeglichen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung eine Bezugsstromquelle enthält, deren Strom von Aenderungen in der Speisespannung unabhängig ist, und dass Mittel zum Erzeugen eines Regelstroms vorhanden sind, der gleich dem Unterschied zwischen einem von der Bezugsstromquelle hergeleiteten konstanten Strom und einem linear vom Speisestrom abhängigen Strom ist, und dass eine durch den Regelstrom gesteuerte Verstärkungsstufe vorhanden ist, deren Verstärkung innerhalb des Regelbereichs eine gleichförmig abnehmende Funktion des Speisestroms ist,

2, Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Regelstrom gesteuerte Verstärkungsstufe durch zwei Transistoren mit einem gemeinsamen Emitteranschluss gebildet wird, und dass Mittel vorhanden sind, um die Summe eines von der Bezugsstromquelle hergeleiteten konstanten Stroms und des Regelstroms dem gemeinsamen Emitteranschluas zuzuführen.

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3· Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des Regelstroms eine , durch die Bezugsstromquelle gesteuerte Stromquelle umfassen,- und dass Mittel vorhanden sind, um einen vom Speisestrom linear abhängigen Strom von dem durch die gesteuerte Stromquelle gelieferten Ausgangsstrom abzuziehen, 4, Verstärkeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Speisestrom linear abhängige Strom einer als Spannungsbezugsquelle für die gesteuerte Stromquelle wirksamen Diode zugeführt wird.

5» Fernsprechgerät mit einer Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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