DE2438472A1 - Nichtlinearer verstaerker - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. MITSCHERLICH 8 MÖNCHEN Dipl.-lng. K. GUNSCHMANN steinsdorfstraße

Dr. rer. nat. W. KÖRBER ® (oeii) ·29 6ί84

Dipl.-lng. J. SCHMIDT-EVERS 2438472

PATENTANWÄLTE

9. August 1974

SONY CORPORATION
7-35 Kitashinagawa-6
Shinagawa-Ku
Tokyo - Japan

Patentanmeldung

Nichtlinearer Verstärker

Die Erfindung betrifft einen nichtlinearen Verstärker und insbesondere einen transistorisierten nicht linearen Verstärker, bei welchem das Eingangssignal durch eine Potenz von η oder durch eine Potenz von l/n verstärkt wird, wobei η eine positive ganze Zahl ist, die größer als 1 ist.

Es sind transistorisierte nichtlineare Verstärker bekannt, bei welchen der Verstärkungsfaktor eine exponentielle Kennlinie zuläßt. Mit anderen Worten, das verstärkte Ausgangssignal steht in exponentieller Beziehung zum Eingangssignal. Diese bekannten nichtlinearen Verstärker bestehen gewöhnlich aus einem Verstärkungstran-

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sistor mit einer Basiselektrode, der das Eingangssignal zugeführt wird, und einer Kollektorelektrode, von der das verstärkte Signal abgeleitet wird. Zusätzlich ist eine erste Reihe von pn-Obergängen zwischen der Verstärkungstransistor-Basiselektrode und einem Bezugspotential geschaltet und ist eine zweite Reihe von pn-Obergängen vorgesehen, um die Verstärkungstransistor-Emitterelektrode mit diesem Bezugspotential zu verbinden.

Obwohl die verschiedenen Betriebseigenschaften der pn-Obergänge sowie des Verstärkungstransistors so gewählt werden können, daß sie im wesentlichen gleich sind, besteht ein innewohnender Nachteil solcher bekannten nichtlinearer Verstärker darin, daß das verstärkte Ausgangssignal und insbesondere der Ausgangsstrom temperaturabhängig sind. Mit anderen Worten, der Ausgangsstrom umfaßt eine Komponente, die für Temperaturveränderungen empfindlich ist. Die durch solche nichtlineare Verstärker erzielte Verstärkung kann dah»r nicht über einen ganzen Bereich von TemperaturSchwankungen konstant gehalten werden, was zu nachteiligen Wirkungen führt.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines nichtlinearen Verstärkers mit einem Verstärkungsfaktor, der von Temperaturschwankungen unabhängig ist.

Ferner soll durch die Erfindung ein verbesserter nichtlinearer Verstärker geschaffen werden, bei welchem ein Eingangssignal durch eine Potenz von η verstärkt wird.

Desgleichen soll durch die Erfindung ein verbesserter nichtlinearer Verstärker geschaffen werden, bei welchem ein Eingangssignal durch eine Potenz von l/n verstärkt wird.

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Auch soll durch die Erfindung ein verbesserter nichtlinearer Verstärker geschaffen werden, der temperaturstabil ist und der leicht als integrierte Schaltung hergestellt werden kann.

Weiter gehört es zur Aufgabe' der Erfindung, einen verbesserten nichtlinearen Verstärker zu schaffen, bei welchem ein Ausgangssignal zu einem Eingangssignal mit einer Potenz von η oder mit einer Potenz von l/n unabhängig von Temperaturechwankungen in Beziehung steht.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Ein erfindungsgemäßer nichtlinearer Verstärker besitzt einen Verstärkungstransistor zur Aufnahme eines Eingangssignals und zur Abgabe eines verstärkten Ausgangssignals, eine Reihe von pn-Übergängen zur Erzeugung einer bestimmten Vorspannung zum Anlegen an den Verstärkungstransistor, und eine Emitter-Folgestufe mit mindestens einem Emitter-Folgetransistor, der mit dem Eingang des Verstärkungstransistors verbunden ist. Bei der einen Aüsführungsform, bei welcher das Eingangssignal um einen Faktor η verstärkt wird, wird das Eingangssignal über die Emitter-Folgestufe dem Eingang des Verstärkungstransistors zugeführt und ist die Reihe von pn-Übergängen mit der Emitterfolgestufe verbunden, um an dieser die Vorspannung zu erzeugen. Bei einer anderen Ausführungsform, bei welcher das Eingangssignal um eine Potenz von l/n verstärkt wird, ist die Reihe von pn-Obergängen in den Basis-Emitter-Kreis des Verstärkungstransxstors geschaltet, um die Vorspannung an diesem zu erhalten, und die Emitterfolgestufe ist zum Basisemitterkreis des Verstärkungstransistors im wesentlichen parallelgeschaltet.

Die folgende nähere Beschreibung wird mit Hilfe der bei-

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liegenden Zeichnungen besser verständlich und zwar zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten nichtlinearen Verstärkers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines besonderen erfindungsgemäßen nichtlinearen Verstärkers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Verstärkers allgemeiner Art;

Fig. H eine schematische Darstellung eines vereinfachten erfindungsgemäßen nichtlinearen Verstärkers, bei welchem das Eingangssignal durch eine Potenz von 1/2 verstärkt wird;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Verstärkers allgemeiner Art, bei welchem das Eingangssignal durch eine Potenz von l/n verstärkt wird, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild, welches eine Anordnung zeigt, bei welcher die Erfindung ]eicht angewendet werden kann.

In den Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen, und insbesondere in Fig. 1 ist schematisch ein typischer nichtlinearer Verstärker des Standes der Technik dargestellt. Dieser nichtlineare Verstärker besitzt einen Verstärkungstransistor 1, eine erste Reihe von pn-Übergängen 2 und eine zweite Reihe von pn-Übergängen 3. Der Verstärkungstransistor 1 besitzt eine Basiselektrode zur Aufnahme eines Eingangssignals, das dieser durch eine konstante Stromquelle U von herkömmlicher Art zuge-

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führt wird. Die Basiselektrode des Verstärkungstransistors ist ferner über eine Reihe von pn-Übergängen 2 mit einer Bezugsspannungsquelle 5 verbunden. Die Reihe der pn-Obergänge wird hier durch j diodengeschaltete Transistoren gebildet, von denen jeder an seiner Basiselektrode direkt mit seiner Kollektorelektrode verbunden ist.

Die Emitterelektrode des Verstärkungstransistors I ist durch die Reihe 3 von pn-Übergängen mit einem Bezugspotential, beispielsweise mit der Erde, verbunden. Die Reihe 3 von pn-Übergängen wird durch (k-1) diodengeschaltete Trans istoren gebildet, die den diodengeschalteten Transistoren der Reihe 2 ähnlich sind. Die Arbeitsmerkmale der j diodengeschalteten Transistoren der Reihe 2 sowie die Arbeitsmerkmale der (k-1) diodengeschalteten Transistoren in der· Reihe 3 und des Verstärkungstransistors 1 sind im wesentlichen gleich gewählt. Das von dem dargestellten nichtlinearen Verstärker erzeugte verstärkte Ausgangssignal wird von der Kollektorelektrode des Verstärkungstransistors 1 abgeleitet.

Die Arbeitsweise des bekannten nichtlinearen Verstärkers, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, wird nachfolgend mathematisch beschrieben. Es sei angenommen, daß der Spannungsabfall über jeden pn-übergang der Reihe 2, d.h. der Basis-Emitter-Spannungsabfall über jeden diodengeschalteten Transistor gleich V. ist. Es sei ferner angenommen, daß der Spannungsabfall über den Basis-Emitter-Übergang des Verstärkungstransistors 1 sowie der Spannungsabfall über jeden pn-übergang in der Reihe 3 gleich V₂ ist. Wenn nun die durch die Bezugsspannungsquelle 5 erzeugte Spannung gleich E ist, kann die Spannung an der Basiselektrode des Verstärkungstransistors 1 wie folgt ausgedrückt werden:

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— ο —

+ E = kV₂ (1)

Hierbei ist zu bemerken, daß der Basisstrom I_ß, der durch den Verstärkungstransistors 1 fließt, vernachlässigbar ist im Vergleich zu dem Eingangssignalstrom I₀, der von der konstanten Stromquelle H geliefert wird, zu dem Strom Iq, der durch die Reihe 2 von pn-Obergängen fließt, zu dem Strom I_£, der durch die Reihe 3 von pn-Obergängen fließt, und zu dem Ausgangsstrom Ip, der im Kollektorkreis des Verstärkungstransistors 1 fließt. Der Basisstrom I„ kann daher zur Ableitung der folgenden gültigen Beziehungen zwischen den jeweiligen Strömen weggelassen werden:

Ι_Λ =? I- = Ι⁸= ρ · ^e"^ ² ~ ^*¹? ^{e 2} ^

wobei Ig. und Ig.·die Eingangsstromkoeffizienten der jeweiligen pn-Obergänge in den Reihen 2 und 3 (d.h. die Eingangskoeffizienten der jeweiligen diodengeschalteten Transistoren) sind, q ist die Ladung eines Elektrons, k die Boltzmann'sche Konstante, T die absolute Temperatur in Grad Kelvin und <£. gleich q/kT.

Bei der Auflösung nach den Spannungen V₁ und V? können die Gleichungen (2) und (3) wie folgt angeschrieben werden:

T₁-I. ./„3- CO

1 a S

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Die Spannungen V, und V₂, wie sie in den Gleichungen (4) und (5) ausgedrückt sind, können nun in die Gleichung (1) substituiert werden, um einen mathematischen Ausdruck für den Ausgangsstrom I_n wie folgt zu erhalten:

I₀ =- r-2| . e^K . l_ot (6)

'J. 'Ii

■si

Wie ersichtlich, ist der Ausgangsstrom I„ proportionel dem Eingangsstrom I um eine Potenz j./k. Mit anderen Worten, der in Fig. 1 dargestellte nichtlineare Verstärker kann den Eingangsstrom um eine Potenz von j/k verstärken. Hierbei ist zu bemerken, daß sowohl j als auch k mit jedem gewünschten Betrag gewählt werden können. Daher kann lediglich durch die Wahl der Zahl von pn-Übergängen, die in jeder Reihe enthalten.sind, das Verstärkungsvermögen eine ganze Zahl sein, wobei j/k gleich η ist oder es kann als Alternative der Verstärkungsfaktor j/k mit l/n gewählt werden.

Eine Prüfung der Gleichung (6) zeigt an, daß der Ausgangsstrom I„ den Faktor e —r·— enthalten, was bedeutet, daß der Ausgangsstrom von der Temperatur T abhängt. Der bekannte nichtlineare Verstärker ist daher in unerwünschter Weise temperaturabhängig, so daß der Ausgangsstrom I„ durch Temperaturschwankungen nachteilig beeinflußt wird.

Die Erfindung überwindet das Problem der Temperaturempfindlichkeit eines nichtlinearen Verstärkers, wie sich aus dem Nachfolgenden ergibt. Eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Transistorverstärkers ist in Fig. 2 dargestellt, bei welcher das Eingangssignal um eine Potenz 2 ver-

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stärkt wird. Wie gezeigt, wird der vereinfachte nichtlineare Transistorverstärker durch einen Verstärkungstransistor 14, eine Reihe von pn-Übergängen 12 und eine Emitterfolgestufe 13 gebildet. Der Verstärkungstransistor 14 nimmt ein zu verstärkendes Eingangssignal auf, welches durch eine Eingangsstromquelle 11 geliefert wird, die mit einer Anschlußstelle 16 gekoppelt ist. Die Emitterfolgestufe 17 ist zwischen dem Anschlußpunkt 16 und der Basiselektrode des Verstärkungstransistors 14 geschaltet, so daß das Eingangssignal dem Verstärkungstransistor zugeführt wird. Bei dieser vereinfachten Schaltungsanordnung wird die Emitterfolgestufe 17 durch einen Transistor 13 gebildet, in dessen Emitterkreis eine konstante Stromquelle 15 geschaltet ist. Der Emitterfolge-Iransistor 13 ist mit einer Speisespannungsquelle 19 verbunden.

Die Reihe von pn-Übergängen 12 weist zwei Verbindungsstellen auf, die zwischen der Verbindungsstelle 16 und einem Bezugspotential, beispielsweise der Erde, in Reihe geschaltet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform wird jeder der pn-Obergänge durch einen diodengeschalteten Transistor gebildet, dessen Basis und Kollektorelektrode miteinander verbunden sind. Die Reihe von pn-Übergängen dient zur Lieferung einer Vorspannung für den Verstärkungstransistor 14, welche Vorspannung durch die Emitterfolgestufe kompensiert wird.

Der Verstärkungstransistor 14 befindet sich in Emitterschaltung, so daß das verstärkte Signal an der Kollektorelektrode abgeleitet und einer Ausgangsklemme 20 zugeführt wird. Wie ersichtlich, ist die Kollektorelektrode des Verstärkungstransistors mit der Speisespannungsquelle 19 über einen Lastwiderstand 18 verbunden.

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Die Betriebseigenschaften des Verstärkungstransistors des Emitterfolge-Tran.sistors 13 und der diodengeschalteten Transistoren in der Reihe von pn-Übergängen 12 sind im wesentlichen die gleichen. Hierbei ist zu bemerken, daß solche übereinstimmende Betriebseigenschaften sich leicht durch herkömmliche integrierte Schaltkreise erzielen lassen. Der dargestellte nichtlineare Verstärker wird daher vorzugsweise als integrierte Schaltung ausgebildet, bei welcher die verschiedenen Transistorbauelemente im wesentlichen die gleichen Betriebseigenschaften aufweisen.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des dargestellten nichtlinearen Verstärkers beschrieben. Es sei angenommen, daß der Spannungsabfall über jeden der pn-Übergänge in der Reihe 12 den Wert V_ßEQ hat. Hierbei ist zu erwähnen, daß, wenn jeder pn-Obergang durch einen diodengeschalteten Transistor gebildet wird, der Spannungsabfall über diesen gleich dem Basis-Emitter-Durchlaßspannungsabfall über diesen Transistor ist. Wennferner der Basis-Emitter-Spannungsabfall über den Emitterfolgetransistor 13 in der Emitterfolgestufe 17 mit V_ßE- bezeichnet wird und der Basis-Emitterspannungsabfall über den Verstärkungstransistor IU mit Vgr?» erhält man, wenn die Spannung am Verb^ndungspunkt 16 betrachtet wird, die folgende Beziehung:

^/VBE0 BEI ^VBE2 '

Wenn der Stromverstärkungakoeffizient hp_E des Verstärkungstransistors 14 und des Emitterfolgetransistors 13 verhältnismässig groß gewählt wird, ist zu beachten, daß die Basisströme, die in diesen Transistoren fließen, vernachlässigbar sind und für die Zwecke der vorliegenden Diskussion ver-

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nachlässigt werden können. Daher können der Eingangssignalstrom I , der von der Eingangsstromquelle 11 erhalten wird, der EmitterfolgeStufenstrom I,, der von der konstanten Stromquelle 15 erhalten wird, und der Ausgangsstrom I„ des Verstärkungstransistors m mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:

21 (j)

X₁AT ₀"ίϊ^ιΥΒΕ . „^BSS- (10)

wobei Ig einen Eingangsstromkoeffizienten der jeweiligen Transistoren darstellt, der, wie ersichtlich, im wesentlichen der gleiche für alle Transistoren in Anbetracht der angenommenen Identität der Betriebseigenschaften ist,

Aus den Gleichungen (8), (9) und (10) läßt sich der jeweilige Basis-Emitter-Spannungsabfall wie folgt ableiten:

¹S

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Die Gleichungen (11), (12) und (13) können in die obige Gleichung (7) eingesetzt werden, um das Folgende zu erhalten:

Aus der Gleichung (13A) läßt sich der Ausgangsstrom I₂ mathematisch wie folgt ausdrücken:

1. O

Hierbei ist zu bemerken, daß unter der Bezeichnung I, der Strom zu verstehen ist, der durch die Emitterfolgestufe 17 fließt und ein konstanter Strom ist, der von der Stromquelle 15 abgeleitet wird. Der Faktor l/I-i ist daher ein konstanter Faktor. Hieraus ergibt sich, daß der Ausgangsstrom proportional dem Eingangsstrom verstärkt um eine Potenz 2 ist. Die nichtlineare Verstärkerschaltung, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, arbeitet daher als nichtlinearer Verstärker von der zweiten Potenz.

Eine Ausführungsform eines gewöhnlichen erfindungsgemäßen nihtlinearen Vlrstärkers von der η-ten Potenz wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben. Der Verstärkungsfaktor η des dargestellten nichtlinearen Verstärkers ist gleich oder größer als 3. Hieraus ergibt sich natürlich, daß, wenn η gleich 2 ist, die bevorzugte Ausführungsform wie in Fig. 2 dargestellt ist. Daher ermöglicht gewöhnlich und wie ersichtlich der in Fig. 3 allgemein dargestellte

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nichtlineare Verstärker eine Verstärkungspotenz gleich n, wobei η eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist.

Der nichtlineare Verstärker mit der η-ten Potenz ist im wesentlichen ähnlich dem vereinfachten Schaltbild von Fig.2 insofern, als ein Verstärkungstransistor 14 vorgesehen ist, der einen Eingangssignalstrom aufnimmt, welcher diesem über eine Emitterfolgestufe 17 von einer Verbindungsstelle 16 aus zugeführt wird. Die Verbindungsstelle 16 ist ferner mit einer Reihe von pn-Öbergängen 12 verbunden. Ausserdem wird das Eingangssignal der Verbindungsstelle 16 durch eine Eingangsstromquelle 11 zugeführt. Im besonderen wird die Emitterfolgestufe 17 durch (n-1) Emitterfolgetransistoren in Kaskadenschaltung gebildet, wobei jeder Emitterfolgetransistor eine konstante Stromquelle umfaßt, die in seinen Emitterkreis geschaltet ist. Für die Zwecke der Beschreibung sind die konstanten Stromquellen mit I,, I^ ·.. I/ _-.) für die (n-1) Emitterfolgetransistoren bezeichnet. Der Ausgang des (n-l)ten Emitterfolgetransistors ist, wie 'ersichtlich, der Ausgang der Emitterfolgestufe 17 und mit der Basiselektrode des Verstärkungstransistors 14 gekoppelt.

Die Reihe von pn-Obergängen 12 wird hier durch η pn-Obergänge gebildet, von denen jeder die Form eines diodengeschalteten Transistors hat.

Zur mathematischen Beschreibung der Arbeitsweise des nichtlinearen Verstärkers von der η-ten Potenz sei angenommen, daß der Durchlaßspannungsabfall über jeden der pn-Obergänge in der Reihe 12 mit V_ßE0 bezeichnet ist und daß der Basisemitterspannungsabfall über die jeweiligen Emitterfolgetransistoren in der Emitterfolgestufe 17 mit V_ßE,, V_ßE2 ... ^BE(n-l) β^βζβ^^αηηβΐ sind. Der Basisemitterspannungsabfall des Verstärkungstransistors IU ist mit V_ßE bezeichnet. Die Spannungsbeziehung an der Verbindungsstelle 16 kann

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daher wie folgt ausgedrückt werden:

^VBEO = ^VBE1 ^{+ V}BE2 ⁺ '" ^VBEn ^{( 15}

Wie dies bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der Fall war, sind die durch die jeweiligen Basiselektroden der dargestellten Transistoren fliessenden Ströme vernachlässigbar, so daß der Eingangssignalstrom I , der durch die Reihe von pn-Übergängen 12 fließt, sowie der Kollektor-Emitter-Strom, der durch jeden der Emitterfolgetransistoren in der Emitterfolgestufe 17 fließt, und der Kollektor-Emitter-Strom I , der durch den Verstärkungstransistor 14 fließt, gegeben sind durch:

q _{π r}
¹O ~ ¹S * ^e ■ " = ¹S * ^e

BIS

I ά I_Q . e ^^iV32n _{= τ} - ^BEn . (_l6)

Durch Ordnen der Glieder der Gleichungen (16) können die jeweiligen Spannungen wie folgt ausgedrückt werden:

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BJSO ο< x_Q

^S

V₁^_n _ :r^_r- ' (3-7)

Wenn nun die Gleichungen (17) in die Gleichung (15) substituiert werden, wird folgendes erhalten:

O ο ι·> '■>

Durch Auflösen nach dem Ausgangsstrom I läßt sich der Ausgangsstrom wie folgt definieren:

¹Il "

Hierbei ist zu bemerken, daß die Glieder I,, I₂ ... I/ -,\ die jeweiligen konstanten Ströme sind, welche durch die konstanten Stromquellen erzeugt werden, die in die Emitterkreise der jeweiligen Emitterfolgetransistoren der Emitterfolgestufe 17 geschaltet sind. Diese Glieder sind kon stant, so daß der Faktor ■— _T ein konstan-

ter Faktor ist. Die ^{x £ d ln}"^i; Gleichung (18) stellt daher dar, daß der Eingangsstrom I durch eine Potenz von η verstärkt wird, um den Ausgangsstrom I zu erhalten, und daß der Ausgangsstrom I proportional dem Ein-

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gangsstrom I verstärkt zur η-ten Potenz ist. Daher ergibt sich, daß die in Fig. 3 schematisch dargestellte Schaltung als nichtlinearer Verstärker von der n-ten Potenz betrieben werden kann.

Was die Verbindungsstelle 16 in Fig. 2 und 3 betrifft, so ergibt sich, daß parallele Wege mit mehreren pn-Übergängen vorgesehen sind. Die Zahl der pn-Übergänge in jedem parallelen Weg ist gleich. So wird in Fig. 2 ein erster Weg aus der Reihe von pn-Obergängen 12 gebildet, und umfaßt zwei pn-Übergänge, von denen jeder durch den Basis-Emitter-Übergang eines diodengeschalteten Transistors gebildet wird. In dem anderen parallelen Weg wird ein erster pn-übergang durch den Basis-Emitter-Öbergang des Emitter-Folgetransistors 13 in der Emitterfolgestufe 17 gebildet und ein zweiter pn-übergang wird durch den Basis-Emitter-Übergang des Verstärkungstransistors 14 gebildet. In Fig. 3 umfaßt der erste Weg wieder die Reihe von pn-Übergängen und enthält η pn-Übergänge, von denen jeder durch den Basis-Emitter-Übergang eines diodengeschalteten Transistors gebildet wird. Der andere parallele Weg weist, wie ersichtlich (n-1) pn-Übergänge auf, von denen jeder durch einen Basisemitterübergang in der Emitterfolgestufe 17 und den η-ten Basis-Emitter-Übergang des Verstärkungstransistors 14 gebildet wird. Da die Zahl von pn-Übergängen, die in jedem parallelen Weg enthalten sind, gleich ist und es sich hier um einen Basis-Emitterübergang handelt, läßt sich feststellen, daß Spannungsschwankungen über diese, welche Temperaturschwankungen zuzuschreiben sind, aufgehoben werden. Der erfindungsgemäße nichtlineare Verstärker mit n-ter Potenz ist daher für Temperaturschwankungen unempfindlich. Das Eingangssignal wird daher um eine Potenz η verstärkt und das resultierende Ausgangs-

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signal wird durch Temperaturveränderungen nicht nachteilig beeinflußt.

In Fig. 4· ist eine schematische Darstellung eines vereinfachten nichtlinearen Verstärkers gegeben, bei welchem ein Eingangssignal um die Potenz -j verstärkt. Die Schaltung umfaßt einen Verstärkertransistor 22, eine Reihe von pn-Übergängen 2 3 und eine Emitterfolgestufe·29. Der Verstärkertransistor 2 2 nimmt ein Eingangssignal auf, das seiner Basiselektrode zugeführt wird und erzeugt ein Ausgangssignal an seiner Kollektorelektrode. Die Kollektorelektrode des Verstärkertransistors ist daher mit einer Speisespannungsquelle 25 durch einen Belastungswiderstand 24 gekoppelt und ein Ausgangsanschluß 26 ist von der Kollektorelektrode abgezweigt. Das dem Verstärkertransistor zugeführte Eingangssignal wird diesem über die Eingangsstromquelle 21 zugeführt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten vereinfachten Ausführungsform wird die Reihe von pn-Übergängen 2 3 durch einen einzigen pn-übergang gebildet, der die Form eines diodengeschalteten Transistors hat. Diese Reihe von pn-Öbergängen dient zur Kopplung der Emitterelektrode des Verstärker-■fransistors 22 mit einem Bezugspotential, beispielsweise mit der Erde.

Eine Verbindungsstelle 27, über welche das Eingangssignal der Basiselektrode des Verstärkungstransistors 22 zugeführt wird, ist zusätzlich mit der Emitter-Folgestufe 29 verbunden. Bei der hier dargestellten vereinfachten Ausführungsform wird die Emitterfolgestufe 2 9 durch einen Emitter-Folgetransistor 28 mit einer konstanten Stromquelle 31 gebildet, die in seinen Emitterkreis geschaltet ist. Der Ausgang der Emitter-Folgestufe, d.h. die Emitter-

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Elektrode des Emitter-Folgetransistors 28, ist mit der Basis-Elektrode eines weiteren Transistors 30 verbunden, von welch letzterem die Emitter-Elektrode mit der Erde verbunden ist. Die Kollektor-Elektrode des weiteren Transistors ist unmittelbar mit der vorerwähnten Verbindungsstelle 2 7 verbunden.

Die jeweiligen Transistor-Bauelemente werden so gewählt, daß ihre Betriebseigenschaften und insbesondere ihre pn-Übergangs-Charakteristik alle gleich sind. Dies läßt sich natürlich ohne weiteres mit Hilfe herkömmlicher integrierter Schaltkreise erreichen.

Die Arbeitsweise der in Fig. U dargestellten vereinfachten Schaltung wird nachfolgend mathematisch beschrieben. Die Basis-Emitter-Spannung des weiteren Transistors 30 sei nachfolgend mit ν_βΕ0 bezeichnet, die Basis-Emitter-Spannung über den Emitter-Folgetransistor 28 in der Emitter-Folgestufe 2 9 mit V_ßE1 und der Spannungsabfall über den pn-übergang in der pn-Obergangsreihe 2 3 mit ^VBE2* Zusätzlich wird der Basis-Emitter-Spannungsabfall des Verstärkertransistors 22 gleich dem pn-Obergangs-Spannungsabfall angenommen und daher mit V_ßE„ bezeichnet, Daher stellt mit Bezug auf die Verbindungsstelle 27 der folgende Ausdruck die Spannungsbeziehung an diesem dar:

V +V = 2V (19)

^VBE0 ^VBE1 ^^VBE2 ^K1*'

Wenn nun die durch die jeweiligen Basiselektroden der dargestellten Transistoren fliessenden Ströme als vernachlässigbar angenommen werden, können diese Ströme bei der weiteren Betrachtung weggelassen werden, so daß der durch den weiteren Transistor 30 fliessende Strom I , der durch die Emitter-Folgestufe 29 fliessende Strom I, und

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der durch den Verstärkertransistor 22 und die pn-Übergangsreihe 23 fliessende Strom I₂ wie folgt ausgedrückt werden kann:

Y — T r> ^lv- SjViJ — .L-j.V-J

Durch Ordnen der Glieder lassen sich die jeweiligen in den Gleichungen (20) ausgedrückten Spannungen wie folgt ermitteln:

Die in den Gleichungen (21) dargestellten Spannungen können in die Gleichung (19) substituiert werden, um folgendes zu erhalten:

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Durch Auflösen nach dem Ausgangsstrom I2 läßt sich der Ausgangsstrom wie folgt darstellen:

I 1

2j2 (22)

Herzu ist zu bemerken, daß das Glied I, in der Gleichung (22) den konstanten Strom darstellt, der durch die Emitter-Folgestufe 2 9 fließt und durch die konstante Stromquelle erzeugt wird, die in den Emitterkreis des Emitterfolgetransiätors 28 geschaltet ist. Das Glied Ι,γ ist ein konstanter Faktor. Daher wird, wie in der Gleichung (22) ausgedrückt, der Eingangs strom I durch die Potenz -=■ verstärkt, um den Ausgangsstrom I„ zu erzielen. Mit anderen Worten, der Ausgangsstrom ist proportional dem Eingangsstrom mit der Potenz ■*·. Das in Fig. 4 dargestellte vereinfachte Schaltbild stellt daher einen nichtlinearen Verstärker mit der Potent -j dar.

In Verbindung mit Fig. 5 wird nachfolgend eine allgemeine Ausführungsform eines nichtlinearen Verstärkers mit der Potenz l/n beschrieben. Der nichtlineare Verstärker mit der Potenz l/n wird durch einen Verstärkertransistor 22, eine Reihe von pn-Obergängen 2 3, eine Emitterfolgestufe 29 und einen weiteren Transistor 30 gebildet, wie vorangehend in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben. Bei der in Fig. 5 dargestellten allgemeinen Ausführungsform wird jedoch die Reihe von pn-Obergängen 2 3 durch (n-l)reihengeschaltete pn-Obergänge gebildet, von denen jeder die Form eines diodengeschalteten Transistors hat, so daß der pn-Obergang durch den Basis-Emitter-Obergang jedes Transistors gebildet wird. In ähnlicher Weise wird die Emitter-Folgestufe 2 9 durch (n-1) Emitterfolgetransistoren in Kaskadenschaltung gebildet, wobei die Basis-

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Emitter-Übergänge der Emitter-Folgetransistoren in Reihe geschaltet sind. In jeden der jeweiligen Emitterkreise der Emitter-Folgetransistoren ist eine konstante Stromquelle geschaltet. Wie dargestellt, ist der Ausgang der Emitter-Folgestufe 29, d.h. der Ausgang des (n-l)ten Emit ter Folge-Transistors mit der Basiselektrode des weiteren Transistors 30 verbunden, von welch letzterem der Basis-Emit ter-Öber gang geerdet ist.

Entsprechend der vorangehend erläuterten mathematischen Analyse des dargestellten nicht linearen Verstärkers, kann die Spannungsbeziehung bezogen auf die Verbindungsstelle 27 wie folgt ausgedrückt werden:

t ^VBE1 ^{+ V}BS2 +· · *^{+ V}BE(n-l)

wobei V_ßE1, ^VBE2" *^VBE(n-l) ^{der Bas}i^s~^Enii'^tter>-^sPa^rinungsabfall über den jeweiligen Emitter-Folgetransistor in der Emitter-Folgestufe 27 ist; V_ßE0 ist die Basis-Emitter-Spannung des weiteren Transistors 30 und V_ßE ist die Basis-Emitter-Spannung des Verstärkertransistors 22 oder jedes der diodengeschalteten Transistoren in der Reihe von pn-Obergangen 23.

Wenn die vernachlässigbaren Ströme, die durch die jeweilige Transistor-Basis-Elektrode fliessen, weggelassen werden, können die Kollektor-Emitter-Transistorströme wie folgt ausgedrückt werden:

"ΈΓ * ^νΒ30 - J^* ^VBSO

ο ·

· _{T o} "tS ' ^V3S1 _T «· ^VB31

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J_n V Ig - C - - -L₅ .

wobei die Ströme I₁, 1.,...I, _lX die Ströme sind, welche

1' 2' (n-1) '

durch die jeweilige konstante Stromquelle erzeugt werden, die in den Emitterkreis der Emitterfolgetransistoren der Emitterfolgestufe 2 9 geschaltet sind und der Strom I ist der Ausgangsstrom, der durch den Verstärkertransistor 22 fließt und zusätzlich durch die Reihe von pn-Übergängen 23.

Die in den Gleichungen (24) ausgedrückten Spannungen können wie folgt dargestellt werden:

i -Jn

^νΒΐ2 = ex X₈

ν =! ·Λϋ£ .. ·. (25)

^νΒΞη c* X₃

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Wenn nun die Gleichungen (25) in die Gleichung (2 3) eingesetzt werden, wird folgendes erhalten:

J-g

Durch Ordnen der Glieder kann der Ausgangsstrom I wie folgt ausgedrückt werden:

I_n = (I₁ . I₂,... . I_n-1)H . I_on (26)

Hierbei ist zu bemerken, daß der Faktor (I-, . I₂,... I_η_τ)η" allein von den konstanten Stromquellen abhängt und daher ein konstanter Faktor ist. Der durch den in Fig. 5 dargestellten nichtlinearen Verstärker erzeugte Ausgangsstrom ist daher proportional dem Eingangsstrom mit der Potenz l/n. Mit anderen Worten, der nichtlineare Verstärker dient zur Verstärkung des Eingangsstroms I um die Potenz l/n.

Hierbei ist zu erwähnen, daß bei der dargestellten Ausführungsform jeder Basis-Emitter-Öbergang der Emitterfolgetransistoren in der Emitterfolgestufe 29 ein pn-übergang ist. Daher ist die Zahl der pn-Öttergänge in der Reihe von pn-Obergängen 23 gleich der Zahl der pn-Obergänge, die in der Emitterfolgestufe 29 in Kaskade geschaltet sind.

Spannungsschwankungen in diesen pn-Obergängen, die Temperaturschwankungen zuzuschreiben sind, werden daher aufgehoben, so daß die Basisemitterspannung des Verstärkertranaistors 22 im wesentlichen konstant gehalten wird.

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Die Verstärkung mit einer Potenz l/n wird daher unabhängig von Temperaturschwankungen erzielt. Die in Fig.5 beispielsweise dargestellte Ausführungsform arbeitet daher als nichtlinearer Verstärker mit der Potenz l/n, d.h. temperaturstabil, wobei η größer als 1 ist.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer typischen Anwendung der erfindungsgemäßen Lehren. Im besonderen zeigt Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Bandgerätes und insbesondere eines Video-Bandaufzeichnungs- und Wiedergabegerätes, bei welchem ein nichtlinearer Verstärker von n-ter Potenz sowie ein nichtlinearer Verstärker von der 1/n-ten Potenz zur Verarbeitung der Informationssignale verwendet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt eine Signalaufzeichnungsechaltung zur Aufzeichnung von Signalen auf einem magnetischen Medium, beispielsweise auf einem Magnetband T einen Entzerrungskreis 42 und einen Modulator 43. Die zur Wiedergabe der Signale aus dem magnetischen Medium verwendete Schaltung besitzt einen Demodulator 4 6 und ein Anhebungsfilter 47.

Der Entzerrungskreis 4 2 enthält einen.nichtlinearen Verstärker von 1/n-ter Potenz von der vorangehend in Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Art und weist einen Eingang auf, der mit einem Signaleingangsanschluß 41 gekoppelt ist. Dieser nichtlineare Entzerrungskreis kann das ihm zugeführte Signal verdichten, so daß auf dem magnetischen Medium ein verdichtetes Signal aufgezeichnet wird. Nachdem das Eingangssignal auf den gewünschten Grad verdichtet worden ist, wird der Ausgang des nichtlinearen Entzerrungskreises dem Modulator 4 3 zugeführt. Dieser Modulator ist ein Frequenzmodulator zur Frequenzmodulation des verdichteten Signals und für die Zufuhr desselben zu einem magnetischen Aufzeichnungskopf 44, durch welchen das verdich-

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tete frequenzmodulierte Signal auf dem magnetischen Medium aufgezeichnet wird.

In der Signalwiedergabeschaltung liefert ein Wiedergabe-Magnetkopf 45 aufgezeichnete Signale an den Demodulator 46. Hierbei ist zu bemerken, daß der Demodulator durch einen Frequenzdemodulatorkreis gebildet wird, der an seinem Ausgang ein verdichtetes Signal erzeugen kann, welches dem Signal im wesentlichen ähnlich ist, das dem Modulator 4 3 zugeführt worden ist. Dieses demodulierte verdichtete Signal wird dem Anhebungsfilter 47 zugeführt, welches den vorangehend in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen nichtlinearen Verstärker von der η-ten Potenz enthält. Das nichtlineare Anhebungsfilter (emphasis circuit) dient zur Dehnung des wiedergegebenen Signals auf einem gewünschten Pegel. Das gedehnte Signal wird von dem Signalausgangsanschluß 48 abgeleitet, der mit dem nichtlinearen Anhebungsfilter (emphasis circuit) gekoppelt ist.

Obwohl der erfindungsgemäße nichtlineare Verstärker ohne weiteres für verschiedene Anwendungsfälle verwendet werden kann, ermöglicht seine Anwendung zur Bandaufzeichnung und insbesondere auf ein Videobandaufzeichnungssystem die Aufzeichnung und Wiedergabe eines Signals mit einem verhältnismässig hohen Pegel ohne gleihzeitige Bandsättigung. Ausserdem zeigen die Signalverarbeitungsschaltungen eines solchen Video-Bandaufzeichnungsgerätes relative stabile und zuverlässige Betriebseigenschaften und sind nicht temperaturempfindlich.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß der erfindungsgemäße nichtlineare Verstärker von der η-ten Potenz und der 1/nten Potenz leicht hergestellt werden kann, wobei η eine gewünschte ganze Zahl, die größer als 1 ist, sein kann. Wie

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ersichtlich, wird das zu verstärkende Eingangssignal parallelen Leitungswegen zugeführt, von denen jeder η pn-Übergänge aufweist. In dem einen Leitungsweg werden die in Reihe geschalteten pn-Übergänge beispielsweise durch diodengeschaltete Transistoren gebildet. In dem anderen Leitungsweg werden die pn-Übergänge durch in Kaskadenschaltung befindliche Emitterfolgetransistoren gebildet, deren Basis-Emitter-Übergänge den pn-Übergängen entsprechen. Bei dem nichtlinearen Verstärker von n-ter Potenz ist der Verstärkertransistor in den Leitungsweg geschaltet, der die Emitterfolger enthält, so daß der Basis-Emitter-Übergang des Verstärkertransistors einen der pn-Übergänge in diesem Leitungsweg bildet. Bei dem nichtlinearen Verstärker von 1/n-ter Potenz ist der Verstärkertransistor in den anderen Leitungsweg geschaltet, d.h. in den Leitungsweg., der die Reihe von pn-Übergängen enthält, die beispielsweise durch diodengeschaltete Transistoren gebildet werden. Nichtsdestoweniger ist zu beachten, daß die Gesamtzahl von pn-Übergängen in jedem Leitungsweg gleich ist. Hieraus ergibt sich, daß der Exponentialfaktor η in einfacher Weise dadurch gewählt werden kann, daß die Zahl der in den jeweiligen parallelen Leitungswegen enthaltenen pn-Übergänge gewählt wird. Auf diese Weise kann die Exponentialbeziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal gewählt werden. Die die Verstärkung des nichtlinearen Verstärkers darstellende Exponentialkurve kann daher leicht gewählt werden.

Die vorangehend beschriebenen und gezeigten verschiedenen Ausführungsformen des nichtlinearen Verstärkers enthalten, wie erkennbar, lediglich ein einziges Widerstandselement, d.h. den Verstärkertransistor-Lastwiderstand. Der erfindungsgemäße nichtlineare Verstärker läßt sich daher leicht zur Fertigung integrierter Schdtkreise verwenden. '

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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die vorangehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

Patentansprüche;

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Claims (1)

1. - 27 -

   PatentansD r ü c h e

   Nichtlinearer Verstärker mit einem Verstärkertransistor zur Verstärkung eines Eingangssignals, gekennzeichnet durch eine Reihe von pn-Übergängen (12, 13), die so geschaltet sind, daß sie eine bestimmte Vorspannung an den Verstärkertransistor (14, 22) liefern, und eine Emitterfolgestufe (17, 29), die mit einem Eingang des Verstärkertransistors zur Kompensation der erwähnten Vorspannung verbunden ist.

   2. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfolgestufe (n-1) Emitterfolgetransistoren umfaßt, die in Kaskade geschaltet sind, wobei η eine ganze Zahl ist,.die größer als 1 ist, so daß das Eingangssignal durch einen in Beziehung zu η stehenden Exponentialfaktor verstärkt wird.

   3. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 2_? dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Obergang des Verstärkertransistors mit einem der Reihe von pn-Übergängen oder der Emitterfolgetransistoren in Reihe geschaltet ist.

   ■+. Nicht linearer Verstärker nach Anspruch 3, dadurch ge-

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   kennzeichnet, daß eine jeweilige konstante Stromquelle in den Emitterkreis des jeweiligen der erwähnten (n-1) Emitterfolgeverstärker geschaltet ist.

   5. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von pn-Öbergängen durch in Reihe geschaltete diodengeschaltete Transistoren gebildet wird.

   6. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfolgestufe umfaßt (n-1) Emitterfolgetransistoren, die mit der Basiselektrode des Verstärkertransistors in Kaskade geschaltet sind, zur Aufnahme des Eingangssignals und zur Zufuhr desselben zum Verstärkertransistor, wobei die Reihe von pn-Übergängen durch η in Reihe geschaltete pn-Übergänge gebildet wird, welche in Reihe geschalteten pn-Obergänge sich in Parallelschaltung zu den in Kaskade geschalteten Emitterfolgetransistoren und dem Verstärkertransistor befinden, so daß das Eingangssignal durch eine Potenz von η verstärkt wird, wobei η eine ganze Zahl größer als 1 ist.

   7. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß konstante Stromquellen in die Emitterkreise der erwähnten (n-1) Emitterfolgetransistoren geschaltet sind, wobei die Basis-Emitter-Obergänge der Emitterfolgetransistoren miteinander und mit dem Basis-Emit te r-Ö bergan g des Verstärkertransistors in Reihe geschaltet sind.

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   8. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die η pn-Übergänge durch η diodengeschaltete Transistoren gebildet werden, wobei die Basis-Emitter-Übergänge der n-diodengeschalteten Transistoren sich in Parallelschaltung mit der Reihenschaltung befinden, welche durch die (n-1) Basis-Emitter-Übergänge der erwähnten EmitterfοIgetransistoren und den Basis-Emitter-Übergang des Verstärkertransistors gebildet wird.

   Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfolgestufe (n-1) Emitterfolgetransistoren umfaßt, die in Kaskadenschaltung mit der Basiselektrode des Verstärkertransistors verbunden sind, zur Aufnahme des Eingangssignals, welches der erwähnten Basiselektrode zugeführt wird, wobei die Reihe von pn-Übergängen durch (n-1) pn-Übergänge gebildet wird, die mit dem Verstärkertransistor in Reihe geschaltet sind, welche in Reihe geschalteten pn-Übergänge und der Verstärkertransistor sich in Parallelschaltung mit den in Kaskade geschalteten Emitterfolgetransistoren befinden, so daß das Eingangssignal mit einer Potenz l/n verstärkt wird, wobei η eine ganze Zahl grosser als Eins ist.

   10. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen weiteren Transistor in Kaskadenschaltung mit den in Kaskade geschalteten Emitterfolgetransistoren, so daß die Basis-Emitter-Übergänge der Emitterfolgetransistoren und der erwähnte weitere Transistor in eine

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   erste Reihenschaltung geschaltet sind.

   11. Nichtlinearer Transistor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die konstanten Stromquellen in die Emitter kreise der(n-l) Emitterfolgetransistoren geschaltet sind.

   12. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die (n-1) pn-Übergänge durch (n-1) diodengeschaltete Transistoren gebildet werden, wobei die Basis-Emitter-Öbergänge der erwähnten (n-1) diodengeschalteten Transistoren mit dem Basis-Emitter-Übergang des Verstärkertransistors in einer zweiten Reihenschaltung verbunden sind, welche erste und zweite Reihenschaltungzueinander parallelgeschitet sind.

   13. Temperaturstabiler nichtlinearer Verstärker mit einem Eingang für die Zufuhr eines zu verstärkenden Eingangssignals und einem Verstärkertransistor zur Erzeugung an einem Ausgangsanschluß eines Signals, das zum Eingangssignal exponentiell proportional ist, gekennzeichnet durch zwei parallele Leitungswege (12, 14, 17, 22, 2 3, 29, 30), die mit dem Eingang (16, 27) verbunden sind, wobei jeder der Leitungswege durch η pn-Übergänge gebildet wird, und wobei η eine ganze Zahl größer als Eins ist, der Verstärkertransistor (14, 22) sich in einem der erwähnten Leitungswege befindet und (n-1) Emitterfolger (17, 29) in einem der Leitungswege enthalten sind.

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   Temperaturstabiler nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten η pn-Übergänge in jedem der Leitungswege in Reihe geschaltet sind.

   15. Temperaturstabiler nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß konstante Stromquellen in die Emitterkreise der erwähnten (n-1) Emitterfolger geschaltet sind.

   16. Temperaturstabiler nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten (n-1) Emitterfolger durch (n-1) Emitterfolgetransistoren gebildet werden, deren pn-Übergänge durch ihre in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Obergänge gebildet werden.

   17. Temperaturstabiler nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Übergänge, die in dem anderen der Leitungswege enthalten sind, durch mindestens (n-1). diodengeschaltete Transistoren gebildet werden, deren Basisemitterübergänge in Reihe geschaltet sind.

   18. Temperaturstabiler nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor sich in Kaskadenschaltung mit den erwähnten (n-1) Emitterfolgetransistoren befindet, so daß die pn-Übergänge, welche durch den Basis-Emitter-Übergang

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   des Verstärkertransistors gebildet werden, mit den erwähnten (n-1) Emitterfolgetransistor-Basis-Emitter-Obergängen in Reihe geschaltet sind, und wobei η diodengeschaltete Transistoren sich in Parallelschaltung mit den in Reihe geschalteten Emitterfolgetransistor- und Verstärkertransistor-Basis-Emitter-Übergängen befinden, so daß das erwähnte Ausgangssignal der η-ten Potenz des Eingangssignals proportional ist.

   19. Temperaturstabiler nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor sich in Reihenschaltung mit den erwähnten (n-1) diodengeschalteten Transistoren befindet, so daß der pn-Obergang, der durch den Basis-Emitter-Obergang des Verstärkertransistors gebildet wird, sich in Reihenschaltung mit den erwähnten (n-1) diodengeschalteten Transistor-Basis-Emitter-Obergängen in einem der Leitungswege befinden, und die erwähnten (n-1) Emitterfolgetransistoren sich in Kaskadenschaltung mit einem weiteren Transistor befinden, um dadurch die erwähnten pn-Übergänge der erwähnten (n-1) Emitterfolgetransistor-Basis-Emitter-Übergänge und den Basis-Emitter-Übergang des weiteren Transistors im anderen Leitungsweg zu bilden, so daß das erwähnte Ausgangssignal proportional der 1/n-ten Potenz des Eingangssignals ist.

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