DE2438883A1 - Rueckgekoppelter verstaerker - Google Patents

Description

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rit. Serial No: J832O/73

Piled:August 13, 1973

RGA Corporation New York, N. Y., V,St,ν.Α.

Rückgekoppelter Verstärker

Die Erfindung bezieht sich auf Signalverstärkerschaltungen, die durch Rückkopplung stabilisiert sind, und betrifft speziell einen Verstärker, der zur Verstärkung von Niederfrequenzsignalen geeignet ist und als monolithische, integrierte Schaltung ausgeführt isb.

Es ist vorteilhaft, zum Bau elektronischer Verstärkersohal-"tungen Differentialverstärker zu verwenden, insbesondere wenn salche Schaltungen in monolithischer integrierter Form hergestellt werden sollen, Differentialverstärker haben viele Vorzüge, sie erfordern relativ wenig Kondensatoren, kommen meist ohne große Widerstände aus, und ihr Verstärkungsfaktor hängt von Verhältniswerten einzelner Widerstände und nicht von absoluten Widerstandswerten ab. Ferner lassen sich solche Verstärker über einen großen Bereich von Frequenzen einschl. niedriger Tonfrequenzen betreiben, ihre Eingänge und/oder Ausgänge können für Gegentakt oder Eintakt ausgelegt werden und ihr Betrieb ist stabil.

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Was die Stabilitätseigenschaften solcher Verstärker anbetrifft, so ist im allgemeinen eine Stabilität der Signalverstärkung, und eine Stabilität des Ruhe- oder Gleichstrompegels erwünscht. Zur Erzielung solcher Eigenschaften wird häufig eine negative Rückkopplung (Gegenkopplung) vorgesehen. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte man zur Realisierung einer solchen Rückkopplung mit einer möglichst geringen Anzahl von Überorückungs- ..der Ableitkondensatoren auskommen. Bei integrierten Schaltungen ist es ferner erwünscht, die Anzahl der Anschlüsse, an welche äußere Schaltungselemente wie z.3. Überbrückungskondensatoren gelegt werden müssen, möglichst gering zu halten.

In Fällen, wo die Eingangsstufe des Verstärkers ein Differentialverstärker ist, legt man gewöhnlich das Signal an eine Seite und die Rückkopplung an die andere Seite der "Differentialschaltung. In einer anderen Anordnung, wie sie beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 4-34- 069 gezeigt ist, wird der die übliche Konstantstromquelle (oder Senke) bildende Transistor für den Differentialverstärkertransistor durch ein 7Γ - Glied ersetzt, welches einen zwischen die Emitter der Differantialtransistoren geschalteten Widerstand und zwei weitere Stromquellentransistoren enthält, deren jeder zwischen den Emitter eines der Differentialtransistoren und einen Bezugsspannungspunkt geschaltet ist. Die Stromquellentransistoren werden durch eine Eintaktspannung auf den Differentialstrom rückkoppelnde Stufe angesteuert, um die gewünschte stabilisierende Gegenkopplung vom Verstärkerausgang zu erhalten. Eine solche Anordnung hat zwar eine Menge vorteilhafter Eigenschaften, sie erfordert jedoch andererseits das Anlegen positiver und negativer Betriebsspannungen, was in vielen Fällen, so auch bei monolithischen integrierten Schaltungen, lästig ist.

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Außerdem benötigt man für die "üekkopplungsschaltung eine beträchtliche Anzahl von Bauelementen, sowohl . aktiver als auch passiver Art, um'die Eintakt-Spannungsänderungen des Ausgangs in Differentialstromänderungen für die Rückkopplung umzuwandelnd

Gemäß der Erfindung wird ein gegengeköppelter Verstärker geschaffen, bestehend aus einem Differentialsignalverstärker mit mindestens einem ersten und einem zweiten " Signalverstärkertransistor und einer zu einem der Transistoren führenden Signaleingangsklemme. Ferner ist eine Ausgangsklemme vorgesehen, die gleichstrommässig mit dem Differentialverstärker gekoppelt ist. Mit dem Differentialverstärker ist ein erster Stromregelungstransistor verbunden, der den ersten und den zweiten Verstärkertransistbr mit Vorstrom versorgt. Zwischen der Ausgangsklemme und dem- Verstärkertransistor liegt ein Stromverstärker, der einen zweiten Stromregelnngstransistor, eine mit der Ausgangsklemme verbundene Eingangsklemme und eine Klemme zur Lieferung des RückkopplungsStroms aufweist, die mit den beiden Verstärkertransistoren verbunden ist, um eine Gegenkopplung herzustellen.

Die neuen Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet. Der Aufbau und die Arbeitsweise sowie weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen im einzelnen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen erläutert werden. .

Figur 1 ist das Schaltbild eines vereinfachten erfindungsgemäßen Differentialverstärkers;

Figur 2 zeigt ein detailliertes Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Verstärkers, der ¹Sich- zur Herstellung in integrierter Bauweise eignet.

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Bei der \nordnung nach Figur 1 werden die zu verstärkenden Eingangssignale über eine Eingangsklemme 1o auf die "^;;asis eines ersten Transistors 12 gegeben, der einer von zwei in Differentialschaltung angeordneten Verstärkertransistoren 12 und 14- ist. )en Emittern der Transistoren 12 und 14-wird Betriebsstrom über eine Schaltung zugeführt, die änen eräen und einen zweiten Stromregelungstransistor 14- und 18 sowie einen Tiüclckopplungswiderstand 20 enthält. Der Widerstand 20 ist gleichstrommässig· zwischen die "Emitter der Transistoren 12 und 14- (und gleichermassen zwischen die Kollektoren der Transistoren 16 und 18^N geschaltet. "0_er Betriebsruhestrom für die Transistoren ,12 und 14- wird bestimmt durch die Reihenschaltung eines Widerstands 22 mit Dioden (Faible it erÜbergängen) 24- und 26, die zwischen zwei Anschlüssen einer die Betriebsspannung liefernden 'rldchspannungsquelle liegt. Die Diode 26 ist gleichstrommässig zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 16 geschaltet, um einen Stromverstärker zu bilden, der am Transistor 16 einen dem Strom durch die Diode "26 proportionalen Kollektorstrom liefert. Die Basen der ..ransistoren 12 und 14- erhalten ihre Vorspannung vom Verbindungspunkt zwischen dem '/iderstand 22 und der Diode 24- über Jeweils einen relativ großen Entkopplungswiderstand 28 bzw. 30.

Zur "ildung eines Eintaktausgangs werden die Kollektorströme der Transistoren 12 und 14- mittels eines Stromverstärkers 32 zusammengefaßt, der im dargestellten .Fall aus einer Diode 34- und einem Transistor 35 besteht. Die beiden Elemente 34- und 36 haben ähnliche Geometrie und temperaturmässig eine gemeinsame Umgebung, so daß beispielsweise am Kollektor des Transistors 36 ein Abbild des Kollektorstroms des Transistors 12 erscheint.

Von den zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 14- und-16 wird ein Ausgangssignal in Form eines Eintakt-

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diff er nz Stroms: auf die Basis eines, als Spannungsf olger arbeitenden Ausgangstransistors. 38. gegeben, dessen Emitter mit einer Ausgangsklemme 40 verbunden ist. Ein Lastwiderstand 42 liegt mit einem' Ende an der Ausgangsklemme 40 und mit dem anderen Ende über eine Diode 44 an 3ezugsspannung (. asse). :>ie Diode 44 bildet gemeinsam mit dem Stromregelungstransistor 18 einen Stromverstärker 46 zur. Gegenkopplung.

Ein invertiertes Ausgangssignal läßt sich beispielsv/eise ■ dadurch erhalten, daß man die Basis-Emitter-Strecke■■eines weiteren Transistors 48 parallel zur Diode 44 ■ -schalet lindan den Kollektor des Transistors 48 eine ast 50 anschließt In diesem Fall stehen die geometrischen i-rößen des '''ransistors 48 und der Diode 44 im richtigen Verhältnis zueinander',, um die gewünschte Stromverstärkung zu erhalen. ■ . -

Der Frequenzgang des Verstärkers'.wird in erster Linie durch einen ~ ondensator 52 bestimmt,, der in einem die Kapazität vervielfachenden aückkopplungsweg zwischen-dem Kollektor und der T: as is des Transistors 14 liegt.. .Der effektive V/ert desKondensators 52 in /erbiiidung π it einem ■ zugeordneten Widerstand (z..B. dem Widerstand 3C) bewirkt eine passende j're-. quenzdämpfung für den jeweiligen Verwendungszweck des Verstärkers '•'ζ..-;, im oberen Bereich des Tonfrequenz spektrums, wenn das Einsatzgebiet die Tonteehnik ist . Im "Falle einer integrierten schaltung wird der. Stromverstärker 46, der im· dargestellten Fall aus für einen-relativ weiten Frequenzbereich geeigneten NPN-Elementen-besteht, das Frequenzverhalt en der gesamten'Schaltung nicht beeinträchtigen. "- - ·;

Im Betrieb der schaltung nach Figur' 1 · bestimmt sich der Kollektorstrom des Stromregelungstransistors 1:6 nach der Gleichung . ■ ^: ■ ' - - ■ . . . -

■ . ⁵^ " ²¹BK - ■■■· ·.'■' I₁₆ - -T₅ >

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worin V_pl? -die Spannung an ,jeder der Dioden 24 und 26 ist, die typischerweise in der Größenordnung von 0,7 Volt liegt.

Die 'Transistoren 14 und 18 seien nun vorübergehend außer Acht gelassen, und es sei angenommen, daß die Stromverstärkung ( ρ ) jedes der Transistoren 12 und 16 relativ hoch ist und daß der Stromverstärker 32 einen Verstärkungsfaktor vom ^T..^:ert 1 hat. 0er "ollektorstrom des Transistors 16 wird dann mittels des transistors 12, der Diode 34 und des

ransistors 36 am ■ ollektor des Transistors 36 wiedergegeben. Oie- resultierende Ansteuerung des Transistors 38 hat zur Folge, daß an der Ausgangsklemme 40 eine uuhespannung erscheint, die-dann in einen Strom in der Diode und in V/ider stand 42 umgewandelt wird.

■er resultierende Strom durch die Diode 44 läßt sich folgendermassendurch die Ausgangsruhe spannung V^q an der Klemme 4_· ausdrücken:

44 ~ R

V/enn man die Verbindung über den Viiderstand 20 vorübergehend außer Acht läßt und den Fall annimmt, daß die Diode 44 und der Transistor 18 gleiche Geometrie haben, so daß der Stromverstärker 46 'eine Stromverstärkung vom Wert 1 liefert, dann ist der ollektorstrom des Transistors 14 außerdem im wesentlichen gleich dem Strom 1^₁ (d.-h. I-io

In einem Verstärker dieses Typs ist es von Vorteil, wenn die Spannung 7^₀ etwa gleich ist der halben Versorgungsspannung B+, so daß als Antwort auf zugeführte 'ignale im wesentlichen symmetrische maximale Spannungsausschläge

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an der Ausgangskiemine 40 auftreten. Wenn man in der vorstehenden Gleichung für V_Qq den Wert B+/2 und für die Größe 1_ΛΟ einsetzt und außerdem in der weiter oben

Io

stehenden Gleichung I.- gleich mit I^□ setzt, dann läßt sich erkennen, daß die gewünschte Spannung V^q erhalten werden kann, indem man für Rpo den doppelten Wert von R^o wählt. Diese Ruhebedingung bleibt dank der Gegenkopplung über dem Stromverstärker 46 aufrechterhalten.

Der Ruhestrom im Widerstand 20 ist außerdem im wesentlichen O, wie es bei der getrennten Betrachtung der beiden Schaltungshälften angenommen worden war.

Wenn der Klemme 10" iingängssignale zugeführt werden, dann ändern sich die Ströme im Transistor 12, in der Diode und im Transistor 36 entsprechend. Die Änderungen des Eingangssignals werden außerdem über den Widerstand 2ü auf den Emitter des Transistors 14- gekoppelt, um eine gegensinnige Änderung des Kollektorstroms des Transistors 14 hervorzurufen. Die resultierende Spannungsänderung an der Ausgangsklemme 4-0, die mit dem an der Klemme 10 zugeführten Signal phasengleich ist, führt zu einer Änderung des über den Stromverstärker 4-6 zugeführten Rückkopplungsstroms im Sinne eines Wiederausgleichs der Ströme in den Transistoren 12 und 14- (d.h. es wird eine Signalgegenkopplung erzielt). -

Die Signalspannungsverstärkung des Verstärkers wird in erster Linie bestimmt durch das gegenseitige Verhältnis der Widerstände 4-2 und 20 und durch die Stromverstärkung des Verstärkers 46 (für die vorstehend der Wert 1 vorgeschlagen wurde).

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.'"is hat sich gezeigt, daß Verstärker dieses _.'.'yps eine relativ kleine Verzerrung bringen, was zumindest teilweise daher kommt, daß sich die Strompegel in den Transistoren 12 und 14 gegenseitig mehr folgen, als es bei gewöhnlichen Differentialver starkem der Fall ist.

In der Figur 2 sind Schaltungselemente, die ähnliche Funktionen wie lemente in der Figur 1 haben, mit denselben Bezugszahlen wie dort bezeichnet, allerdings mit einem nachgesetzten ,otricliindex (').

Bei der Anordnung nach Figur 2 gelangen Eingangssignal über die Klemme 10' zur Basis einer aus zwei Transistoren gebildeten Darlingtonschaltung 12', die die eine ^r'_eite eines Differentialverstärkers darstellen. Die andere Seite des Differntialverstärkers wird durch ein in Darlington-Schaltung verbundenes Transistorpaar 14' gebildet. Die Betriebsvorspannung wird von einer Serienschaltung aus Halbleiterübergängen und Widerständen geliefert, die zwischen den Klemmen der Versorgungsspannungsquelle (B+ und Masse) l±gt. Die Halbleiterübergänge werden typischerweise mittels Transistoren gebildet, deren Kollektor-und Basisplektroden im Kurzschluß miteinander verbunden sind. Die Basis-Emitter-Spannungsabfälle der Darlingtonschaltungen 12' und 14* werden durch äquivalente als Diode geschaltete Transistoren 24' nachgebildet.

Zwei im wesentlichen gleiche Widerstände 22' bestimmen in erster Linie den Strom in der die Vorspannung liefernden Anordnung als Funktion der angelegten Versorgungsspannung (B+ etwa +16 bis +40 Volt). An den Mittelpunkt der Widerstände 22' ist ein Glättungskondensator 58 angeschlossen. Eine Stabilisierte Spannungsversorgung wird außerdem mittels einer Stromquelle 54 in Verbindung mit einer Avalanche-Diode (Zenerdiode 56) erhalten.

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Den Stromverstärkern 32' und 4b¹, der Stromquelle *j>^l\- und den Stromregelungstransistoren 16' und 18' sind Gegenkoppiungswiderstände in der Größenordnung von 100 bis 400 Ohm zugeordnet, um gev/ünsentenfalls die Anpassung der Ströme zu verbessern.

Der !'Stromverstärker 32' ist anders ausgebildet als der .Stromverstärker 32 in Figur 1, er erfüllt jedoch die gleiche Aufgabe mit einer höheren Impedanz, wie es an sich bekannt ist. Der Ftromverstärker 46' hat ebenfalls eine gegenüber den Stromverstärker 46 abgewandelte --orm, er ist jedoch so ausgelegt, daß er eine Stromverstärkung (Dämpfung) von 1/2 liefert, und zwar aufgrund der Einfügung eines (nicht be z, iff er tan) Transistors, dessen Tasis-Einitter-tJbergangsfläche doppelt so groß ist wie diejenige des ihm augeordneten 'Transistors 18'. In ähnlicher--Weise ist die Diode 26' in ihrer Übex'gangsf lache um den .-aktor-~2 größer als der Transistor 16'. Diese Flächenverhältnisse sind deswegen so gewählt,- damit-im Vorspannungsteil höhere Ströme (und somit kleinere Widerstände)-' im Vergleich zu den gewünschten Strömen in den Transistoren 16^r" und 18' verwendet werden können. Solche Anordnungen sind--insbesondere darm vorteilhaft, wenn de dargestellte Schaltung -in"monolithischer integrierter Form aufgebaut ist, da - sich in diesem i?all mit kleineren Widerstandswerten der Raum auf dem integrierten üchaltnngsplättchen wirtschaftlicher ausnutzen laßt.

Als weitere Besonderheit enthält die Schaltung naciiYFigur 2 zusätzlich einen quasi-komplenrentären Leistungsverstärker als Ausgangsstufe 62 mit einer temperaturkompensierten, Überschrie Idungsver ζ errungen (cro-ssover dist.OJiM.on) vermindernden Yorspannungsschaltung 60 und einem Stromspeisetransistor 64.

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v.'ie bekannt, liefert die Ausgangsstufe 62 eine Spannungsverstärkung mit einen Faktor von im v/es entliehen 1. Damit er einen imwesentliehen konstanten Kollektorausgangsstrom liefert, kann dem Transistor 64 eine geeignete Basisvorspannung zugeführt v/erden, indem man seine Klemme A mit der gleichbezeichneteri . lemme an der Konstanthaltediode 56 verbindet. Diese Verbindung kann beispielsweise durch eine
Dioden- -iderstands-Kombination geschehen, wie sie in der
USA-fatentschrift 5 535 245 gezeigt ist.

.,ine geeignete verbraucherlast, wie z.B. ein Lautsprecher SC,ist an die Klemme 4-C' angeschlossen, um die dort erzeugten verstärkten .Signale zu verarbeiten. Mit den dargestellten Dimensionen der schaltungselemente und bei ihrer Anordnung in einer integrierten Schaltung kann an Lautsprecher verwendet werden, dessen ITennimpedanz im Bereich von 8-52 Ohm liegt. Mit der dargestellten Anordnung läßt sich eine ITE-Ausgangsleistung in der Größenordnung von
^L\- VJatt erhalten. Die Anordnung liefert eine Spannungsverstärkung in der Größenordnung von 55 db. Es sei hervorgehoben, daß zur Realisierung der Gegenkopplungsschaltung
keine äußeren Überbrückungskondensatoren benötigt werden.

Vorstehend wurden lediglich bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung behandelt, d.h. es sind verschiedene andere Ausführungsformen möglich, ohne den bereich der Erfindung zu verlassen, üo kann beispielsweise die Erzeugung der
Vorspannungen nach anderen Schemen erfolgen. Außerdem können zus ätz Hiß he oder andere Verstärkerstufen verwendet werden. Eine modifizierte ^T?etriebsruhespannung, die einen anderen Wert als etwa die" 'lälfte der Versorgungsspannung hat, läßt sich durch geeignete V/ahl der infrage kommenden Widerstandswerte erhalten. Durch geeignete Auslegung z.B. des Wider-

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stands 20 kann auch der Verstärkungsfaktor des Verstärkers geändert werden. So sind noch weitere geeignete odifikationen möglich..

Patentansprüche: 5098 0 8/0915

Claims (1)

1. Pa t en t an s pr ü G Ii e

   Gegengekoppelter Verstärker mit einem Differntialsignalverstärker, der mindestens einen ersten und einen Ξ^^feiten Signalverstärkungstransistor und eine mit einem dieser Transistoren verbundene Gignaleingangsklemme aufwärt, ferner mit einem ersten Stromregelungstransistor, der mit dem DiD?erentialsignalverstärker gekoppelt ist, um den beiden Signalverstärkertransistoren einen Vorstrom zuzuführen, und mit einer gleichstrommässig an den Differentialsignalverstärker angeschlossenen Ausgangsklemme, gekennzeichnet durch eine Stromverstärkerschaltung mit mindestens einem zweiten Stromregelungstransistor (18), deren Eingang mit der besagen Ausgangsklemme (4-0) verbunden ist und die einen Rückkopplungsstrom an den Differentialsignalverstärker (12, 14) liefert, um eine Gegenkopplung für diesen Verstärker zu bilden.

   Gegengekoppelter Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromverstärkersclialtung mindestens einen ralbleiterübergang '4-4-' und einen ersten Widerstand •4-2) auf v/eist, die in Seihe zueinander zwischen die Ausgangsklemme (4-0) und einen mit dem zweiten Stromregelungstransisor (18) gemeinsamen Bezugspunkt (i-üasse) geschaltet sind und daß der zweite Stromregelungstransistor (18) mit seinem Basis-Emitter-Übergang dem besagten Halbleiter-Übergang parallel geschaltet ist, um an seinem Kollektor einen Ausgangsstrom zu liefern, der dem im besagten Halbleiterübergang fließenden Rückkopplungsstrom proportional ist. .

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   3. Gegengekoppelter Verstärker nacli Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der am Kollektor des. zweiten Stromregelungstransistors (18) erzeugte Ausganges brom Gleichstrom- und Signalkomponenten enthält.

   4-, Gegengekoppelter Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Signalverstärker-■ transistoren (12, 14) eine Basiselektrode, eine ^mi(,-torelektrode und eine Kollektorelektrode enthält, daß die Signaleiigangsklemme (10) mit einer der Basiselektroden verbunden ist, daß die Emitterelektroden gleiciistro^rnmässig miteinander gekoppelt sind, daß jeder der Stromregelungstransistoren (16, 18) eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode enthält, und daß die Kollektorelektroden der Stromregelungs transistoren gleichstrommässig mit den Emitterelektroden der Signalverstärkertransitoren verbunden sind.

   5. Gegengekoppelter Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektroden der Signalverstärkertransistoren (12, 14) jeweils gleichstrommässig mit der Kollektorelektrode eines entsprechenden der Stromregelungstransistoren (16, 18) verbunden sind und außerdem gleichstrommässig über einen zweiten Widerstand (20) miteinander gekoppelt sind.

   6. Gegengekoppelter Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorstromquelle vorgesehen ist, die eine Jveihenschaltung aus einem Serienwiderstand (22) und mindestens einem Halbleiterübergang aufweist, der einem Basis-Emitter-Übergang des ersten Stromregelungstransistors (16) parallel geschaltet ist, und daß

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   der or ste und eier zweite oerienv/idarstanci. (42, 22) ein derartiges .verteverhältnis zueinander haben, daß an der Ausgangsklemme (40) eine vorbestimmte .Ruhespannung ers ehe int.

   7. Gegengekoppelter Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Signalverstarkertransistoren (12, 14) eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode, und eine Kolle!:torelektrode aufweist, wobei die Emitterelektroden gleichstrommässig miteinander über einen zweiten -videüEband (2 .) gekoppelt sind, und daß Jeder der S.trom regelungstransistorsn (16, 18) eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode und eine ^ollektoreleidrode aufweist und daß die Kollektorelektroden der Stromregslungstransis toren gleichstrommässig mit den Emitterelektroden der Signalverstarkertransistoren verbunden sind.

   8. Gegengekoppelter Verstärker nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß an die Kollektorelektrode des zweiten Signalverstärkertransistors (14'; eine Kapazität (52) geschaltet ist, um dem Verstärker eine vorbestimmte Frequenzkennlinie zu geben.

   9. Gegengekoppelter Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Stromverstärkerschaltung (32) mit den Kollektorelektroden der Signalverstarkertransistoren verbunden ist, um ein Eintakt-Ausgangssignal zu liefern, und daß die Signaleingangsklemme (10) mit der Basiselektrode des ersten Signalverstärkertransistors (12) gekoppelt ist.

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