DE2506318A1

DE2506318A1 - Schaltungsanordnung zur verstaerkungsregelung

Info

Publication number: DE2506318A1
Application number: DE19752506318
Authority: DE
Inventors: Masayuki Hongu; Takao Sumi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-02-14
Filing date: 1975-02-14
Publication date: 1975-08-21
Also published as: FR2261652A1; JPS5625815B2; JPS50113153A; GB1485905A; FR2261652B1; DE2506318C2; US3940708A; NL7501624A; CA1025955A

Description

Die Erfindung betrifft Verstärkungsregelschaltungen und insbesondere eine verbesserte symmetrische Verstärkungsregelschaltung, die über einen weiten Bereich linear steuerbar ist und in der der Gleichspannungspegel des Schaltungsausgangs auf einem im wesentlichen konstanten Wert unabhängig von Veränderungen des Schaltungsregelstroms gehalten wird.

Symmetrische Verstärkungsregelschaltungen sind bekannt und insbesondere Schaltungsanordnungen zur automatischen Verstärkung, Diese herköranlichen automatischen Verstärkungsregler schaltungen bestehen aus einem Differentialverstärker, der durch Transistoren in Differenzschaltung gebildet wird, deren Emitter, die von einer ersten Stromquelle gesteuert

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werden, miteinander verbunden sind. Gevjöhnlich wird das zu verstärkende Eingangssignal über einen Transistor in Emitter-Folger- oder Emitter-Verstärkerschaltung einem der Eingänge der in Differenz schal tun et befindlichen Transistoren zugeführt. Ausserdem ist eine zweite Stromquelle mit der jeweiligen Basiselektrode der durch in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden in Differenzschaltung befindlichen Transistoren gekoppelt.

Obwohl diese, symmetrische Verstärkungsregelschaltung bisher verwendet wurde, ist deren Arbeitsweise von beträchtlichen Nachteilen begleitet. Wenn beispielsweise der Ausgangsgleichspannungspegel konstant gehalten werden soll, muß die ersterwähnte Stromquelle, die an die miteinander verbundenen Emitter angeschaltet ist, eine, konstante Stromquelle sein. Es wird daher die zweiterwähnte Stromquelle, die mit den Transistor-Basiselektroden verbunden ist, verändert, um dadurch die Regelung des Verstärkungsfaktors zu ermöglichen. Wenn jedoch während eines Vers.tärkungsregelvorgangs der Strompegel der zweiterwähnten Stromquelle auf einen geringen Wert herabgesetzt wird, um einen hohen Verstärkungsfaktor herbeizuführen, nimmt die Ausgangsimpedanz des Emitter-Folger-Transistors zu. Das Verhältnis des durch die zweiterwähnte Stromquelle erzeugten Stroms zu der dieser zugeführten Steuerspannung kann bei solch niedrigen Strompegeln nicht konstant gehalten werden, so daß der Stromverstärkungsfaktor des Verstärkers über einen zufriedenstellend weiten Bereich nicht linear gesteuert werden kann.

Andererseits muß, wenn der Stromverstärkungsfaktor linear gesteuert werden soll, die zweiterwähnte Stromquelle eine konstante Stromquelle sein. Daher wird in diesem Falle der durch die ersterwähnte Stromquelle (die mit den miteinander verbundenen Emittern gekoppelt ist), erzeugte Strom verändert, um den Verstärkungsfaktor entsprechend zu steuern.

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Nun verändert sich jedoch der Gleichspannungspegel am Verstärke raus gang auch entsprechend dieser Veränderung der ersterwähnten Stromquelle.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten Verstärkungsreglerschaltung, bei der die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen vermieden sind.

Ferner gehört es zur Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte symmetrische Schaltungsanordnung zur Verstärkungsregelung zu schaffen. Desgleichen gehört es zur Aufgabe der Erfindung, eine Verstärkungsreglerschaltung zu schaffen, bai welcher die Verstärkungscharakteristik linear über einen weiten Bereich gesteuert wird und der Gleichspannungspogel am Verstärkerausgang unabhängig von Veränderungen des Verstärkungsregelungssignals konstant gehalten wird. Weiter gehört zur Aufgabe der Erfindung die. Schaffung einer Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung mit einem ersten und einem zweiten Differentialverstärker.

Auch gehört es zur Aufgabe der Erfindung, Schaltungsanordnungen zur automatischen Verstärkungsregelung zu schaffen, bei welchen der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers durch Verändern der wirksamen Belastungsimpedanz einer Diode linear gesteuert wird.

Zur Aufgabe der Erfindung gehört es ebenfalls, einp Schaltungsanordnung mit Gleichstromrückkopplung zu schaffen, um einen konstanten Ausgangsgleichspannungspegel unabhängig von Veränderungen der Temperatur, der Versorgungsspannung und der Betriebseigenschaften der Schaltungselemente aufrecht zu erhalten.

Weiter soll durch die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur automatischen Verstärkungsregelung geschaffen werden, die leicht in Form einer integrierten Schaltung hergestellt

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werden kann.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

Eine erfindungsgemäße. Verstärkungsreglerschaltung besitzt einen ersten Differentialverstärker, der mit einer ersten konstanten Stromquelle gekoppelt ist und ein Eingangssignal aufnehmen kann, das ihr differenzmässig zugeführt . wird, einen zweiten Differentialverstärker, der mit dem ersten Differentialverstärker in Reihe geschaltet und mit einer zweiten konstanten Stromquelle gekoppelt ist, welcher zweite Differentialverstärker ein verstärktes Ausgangssignal erzeugen kann, Richtleiter, die an den ersten Differentialverstärker als Belastungsimpedanzen für diesen angeschaltet sind, und veränderliche Stromquellen, die mit dem ersten Differentialverstärker gekoppelt sind, um den in den Richtleitern fliessenden Strom zu regeln und dadurch die Belastungsimpedanzen zu verändern, welche durch solche Richtleiter gebildet werden.

Die folgende nähere Beschreibung wird am besten in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich und zwar zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Grundform der erfindungsgemäßen Verstärkungsreglerschaltung;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Verstärkungsreglerschaltung und

Fig. 3 ein Schaltbild ebenfalls einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstärkungsreglerschaltung,

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In den verschiedenen Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugsziffern verwendet werden, zeigt Fig, 1 ein Schaltbild einer Verstärkungsreglerschaltung, die über einen weiten Bereich linear gesteuert wird und bei welcher der Gleichspannungspegel am Schaltungsausgang unabhängig von Veränderungen der die Verstärkung regelnden Ströme konstant gehalten wird. Die dargestellte Verstärkungsreglerschaltung besitzt einen ersten Differentialverstarker mit in Differenzschaltung befindlichen Transistoren Q. und Q^, deren Emitter über Emitterwiderstände 2A und 2B mit einer ersten konstanten Stromquelle 1 verbunden sind. Eine Eingangssignalquelle, die in der Zeichnung mit v- bezeichnet . ist, befindet sich zwischen den Basiselektroden der Transistoren Q₁ und Q₂ in Differenzschaltung.

Die Verstärkungsreglerschaltung besitzt zusätzlich einen zweiten Differentialverstarker aus in Differenzschaltung befindlichen Transistoren Q₃ und Q₁₊, deren Basiselektroden mit den Kollektorelektroden der Transistoren Q.. und Q₇ verbunden sind und deren Emitter miteinander verbunden sind, welche an eine zweite konstante Stromquelle 5 angeschaltet sind. Die Kollektoren des ersten Paares von in Differenzschaltung befindlichen Transistoren Q₁ und Q_? sind zusätzlich über in der Durchlaßrichtung vorgespannte Richtleiter, beispielsweise durch Dioden 3A und 3B, mit einer Versorgungsspann ungsquelle V₁ verbunden. Ferner sind mit den Kollektoren der Transistoren Q₁ und Q₂ (und damit mit den Basiselektroden der Transistoren Q₃ und Q^) steuerbare Stromquellen M-A bzw. *+B verbunden. Diese steuerbaren Stromquellen sind herkömmlich und können Ausgangsströme erzeugen, die in Abhängigkeit von einem nicht gezeigten Steuersignal verändert werden können. Die durch die steuerbaren Stromquellen 4A und HB erzeugten Ströme I sind gleich und sprechen auf ein die Verstärkung regelndes Signal so an, daß sie um den gleichen Betrag und in der gleichen Richtung verändert

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werden.

Der Kollektor des Transistors Q₃ im zweiten Differentialverstärker ist direkt mit einer Speisespannungsquelle V₂ verbunden dargestellt und der Kollektor des Transistors Q₁, ist mit dieser Speisespannungsquelle, über einen Belastungswiderstand 6 verbunden. An der Ausgangsklemme 7 der Schaltung wird das Ausgangssignal vom Kollektor des Transistors Q₄ abgenommen.

Bei der dargestellten Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn angenommen wird, daß der konstante Strom, der durch die erste konstante Stromquelle 1 fließt, mit I^ bezeichnet wird, daß der durch jeden der Transistoren CL und Q_? fliessende Strom im wesentlichen gleich der Hälfte dieses konstanten Stroms ist, d.h. 1₁ 1„ ist. Dieser durch jeden der Transistoren Q.. und Q„ fliessende Strom wird als konstant ermittelt und ist gleich der Summe der zur Kollektorelektrode des Transistors fliessenden Ströme. Mit anderen Worten, der Strom Ij/λ i^st gleich I (der durch die Stromquelle 4 A oder M-B erzeugte steuerbare Strom) und dem Strom Ij-. (der durch die Diode 3A bzw. 3B fliessende Strom.) Wenn nun das die Verstärkung regelnde Signal (nicht gezeigt) so eingestellt wird, daß der regelnde Strom I abnimmt, muß der durch die jeweilige Diode fliessende Strom I~ zunehmen, um das konstante Stromverhältnis aufrecht zu erhalten. Die wirksamen Impedanzen der Dioden 3A und 3B nehmen daher ab, wodurch die Be laätungs impedanz des ersten Differentialverstärkers herabgesetzt wird, was zu einer Minderung des Verstärkungsfaktors der dargestellten Schaltungsanordnung führt.

Umgekehrt muß, wenn die Steuerströme Ip zunehmen, der durch die Diode 3A und 3B fliessende Strom I^ herabgesetzt werden, um dadurch die wirksamen Diodenimpedanzen zu erhöhen und

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damit die Verstärkung der Schaltung.

Da die in Differenzschaltung befindlichen Transistoren durch die konstanten Stromquellen 1 und 5 gesteuert werden, werden natürlich die Eingangsimpedanzen der Transistoren Q₁ und Q₂ konstant gehalten, so daß die Verstärkungscharakteristik der dargestellten Schaltungsanordnung durch ein die Verstärkung regelndes Signal über einen weiten Bereich linear steuerbar ist. Ferner wird der Gleichspannungspegel an der Ausgangsklemme 7 konstant gehalten, so daß die Schaltungsanordnung einen großen Dynamikumfang aufweist.

In Fig. 2 sind die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung der gleichen vorangehend in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Schaltungselemente verwendet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die steuerbaren Stromquellen MA und M-B als Stromerzeuger mit einem Transistor Q₅ dargestellt, dessen Basis mit einer Steuerspannungs-Eingangsklemme 10 verbunden ist, dessen Kollektor mit einer Speisespannungsquelle V ₃ verbunden ist und dessen Emitter über gleiche Widerstände 8A und 8B mit den Basiselektroden der in Differenz geschalteten Transistoren Q₃ und Q₄ verbunden ist. Der durch die Widerstände 8A und 8B zugeführte Strom wird natürlich durch die die Verstärkung regelnde Spannung bestimmt, die dem Transistor Qr an der Eingangsklemme 10 zugeführt wird. Widerstände 9A und 9B sind zwischen die Basiselektroden der Transistoren Qo und Q₁₊ und einer Bezugspotentialquelle, wie Masse, geschaltet.

Die durch die Ausführungsform nach Fig. 2 erhaltene Verstärkungsregelfunktion ist im wesentlichen ähnlich der durch die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erzielbaren. Wenn die die Verstärkung regelnde. Spannung, die der Eingangsklemme 10 zugeführt wird, sich verändert,. bewirken die zu den Basis--_.

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elektroden der Transistoren Q₃ und Q₁₊ (und damit zu den Kollektorelektroden der Transistoren Q₁ und Q₂) fliessenden Ströme, daß die Ströme 1^, die durch die Dioden 3A und 3B fliessen, in der vorangehend beschriebenen Weise sich verändern. Vorzugsweise haben die Widerstände 9A und 9B verhältnismässig geringe Widerstandswerte, um Schwankungen in den Betriebseigenschaften dieser Dioden auszugleichen. Dieser Ausgleich ist besonders für den Fall wirksam, bei welchem die. durch die Dioden 3A und 3B flie.ssendenStröme gering sind. Bei der Verstärkungsregelfunktion, bei welcher die durch die Widerstände 8A und 8B fliessenden Steuerströme auf einen hohen Wert erhöht werden, um dadurch die wirksame Belastungsimpedanz, welche durch die Dioden 3A und 3B gebildet werden, fließt daher immer noch die gleiche Strommenge durch die. Dioden wegen der Kompensationswiderstände.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, in welcher diejenigen Schaltungselemente, die den vorangehend in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird der Gleichspann ungs· pegel am Ausgang unabhängig von Schwankungen der Betriebseigenschaften der Dioden 3A und 3B, von der Veränderung der Umgebungstemperatur und von der Veränderung in der Speisespannung konstant gehalten. Diese, vorteilhafte Arbeitsweise ist einer Gleichstromrückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des zweiten Differentialverstärkers und dem Eingang des ersten Differentialverstärkers zuzuschreiben. Die Kollektorelektroden der Transistoren Q₃ und Q₁₊ entsprechen dem Ausgang des zweiten Differentialverstärkers und sind, wie gezeigt, diese Kollektorelektroden über die Belastungswiderstände 6A und 6B mit der Speisespannungsquelle V „ verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors Q~ ist durch einen Transistor Q_ß mit dem Basiseingang des Transistors Q₂ gekoppelt. In ähnlicher Weise ist die Kollektorelektrode

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des Transistors Q₄ über einen Transistor Q₇ mit dem Basiseingang des Transistors Q.. gekoppelt. Die Transistoren Q_ß und Q₇ sind in Emitter-Folger-Schaltung angeordnet, so daß die Widerstände 8A und 9A im Emitterkreis des Transistors Q₇ an Masse liegen. In ähnliher Weise sind die Widerstände 8B und 9B im Emitterkreis des Transistors Q_R an Masse liegend. Die Emitterelektroden der Transistoren Q₇ und Q₆ sind mit einer Ausgangsklamme 7A bzw. 7B verbunden.

V/ie gezeigt, sind die Widerstände 8A und 9A in Reihe geschaltet und ist ihr Verbindungspunkt mit dem Basiseingang des Transistors (L über einen Widerstand 1OA verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 8A, 9A und IQA ist V über einen Kondensator HA an Masse gelegt.

In ähnlicher Weise sind,wie ersichtlich, die Widerstände 8B und 9B in Reihe geschaltet und der Verbindungspunkt zwischen beiden mit dem Basiseingang des Transistors Q~ über einen Widerstand 1OB verbunden. Der Basiseingang des Transistors Q2 liegt über einen Kondensator HB an Masse.

Die Arbeitsweise der in Fig. 3 schematisch dargestellten Schaltungsanordnung ist der Arbeitsweise der vorangehend beschriebenen Verstärkungsregelschaltung im wesentlichen ähnlich, hat jedoch einen zusätzlichen Vorteil, Es sei angenommen, daß der an der Basis des Transistors Q erhaltene Gleichspannungspegel etwas höher geworden ist als der Gleichspannungspegel an der Basis des Transistors Q^. Daher nimmt natürlich der an der Basis des Transistors Q₇ erhaltene Gleichspannungspegel zu, während der Gleichspannungspegel an der Basis des Transistors Q₆ abnimmt, was zur Folge hat, daß der Gleich- : Spannungspegel am Ausgang 7A erhöht ist und der Gleichspannungspegel am Ausgang 7B verringert ist. Diese Erhöhung im Gleichspannungspegel am Emitter des Transistors Q₇ wird nun über " die Widerstände 8A und 1OA auf die Basis des Transistors Q₁

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übertragen. Bei einer entsprechenden Erhöhung des Gleichstrompotentials an der Basiselektrode wird die Spannung am Kollektor des Transistors Q₁ herabgesetzt. Daher wird der Gleichspannung spegel an der Basis des Transistors Q₃, der als erhöht angenommen worden ist, nun auf seinen richtigen Gleichspannungspegel zurückgeführt. In analoger Weise, wird die Herabsetzung des Gleichspannungspegels an der Ausgangsklemme 7B über die Widerstände 8B und 1OB auf die Basis des Transistors Q₂ übertragen, was zur Folge hat, daß das Gleichstrompotential am Kollektor des Transistors Q„ (und damit an der Basis des Transistors Q₁₊ zunimmt. Hieraus ergibt sich, daß der Gleichspannungspegel an der Basis des Transistors Q^, der als verringert angenommen wurde, auf seinen richtigen Wert zurückgeführt wird. Die Gleichspannungspegel an den Ausgängen 7A und 7B werden daher konstant und auf gleichen Werten in Übereinstimmung mit der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform gehalten.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie natürlich nicht auf diese beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren. Beispielsweise können, obwohl die jeweiligen Differentialverstärker als durch Transistorenpaare in Differenzschaltung gebildet dargestellt sind, äquivalente Transistorvorrichtungen, wie Darlington-Schaltungen, anstelle jedes Transistors verwendet werden. Ferner können die dargestellten Dioden durch äquivalente als Diode geschaltete Transistoren ersetzt werden. Desgleichen können, obwohl das dargestallte Bezugspotential als Massepotential beschrieben wurde, wenn gewünscht, auch irgendein anderes Bezugspotential gewählt werden.

Patentansprüehe:

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Claims

- Ii -

Patentansprü ehe t

Verstärkungsreglerschaltung mit einem ersten Differentialvers tärkor, der mit einer ersten konstanten Stromquelle gekoppelt ist und Eingangsklemmen zum Empfang eines Eingangssignals aufweist, die diesem differenzmässig zugeführt werden, gekennzeichnet durch einen zweiten Differentialverstärker (Q-j Qi₊), der mit dem ersten Differential verstärker (Q₁, Q₂) in. Reihe geschaltet und mit einer zweiten konstanten Stromquelle. (5) gekoppelt ist, Richtleiter (3A, 3B), die mit den Ausgängen des ersten DifferentialVerstärkers als Belastungsimpedanzen für diese verbunden sind, und einen Stromerzeuger (Q₅) für die Zufuhr veränderlicher Ströme zu den Ausgängen des ersten DifferentialVerstärkers zur Steuerung der Ströme, die in den Richtleitern fliessen und damit zur Veränderung der Belastungsimpedanzen, welche durch solche Richtleiter gebildet werden.

2, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromerzeuger (Q₅) durch einen veränderlichen Stromerzeuger gebildet wird, welcher auf ein Steuersignal anspricht, das diesem zur Erzeugung von Strömen zugeführt wird, welche durch das Steuersignal bestimmte Werte haben.

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3, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß mit den Ausgängen des ersten Differentialverstärkers (Q₁, Q₂) niedrige Impedanzen (9A, 9B) zur Kompensation der Schwankungen in den Betriebseigenschaften der Richtleiter (3A, 3B) verbunden sind.

4, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die. niedrigen Impedanzen durch Widerstände gebildet werden, die zwischen die Ausgänge des ersten Differentialverstärkers (Q₁, O₂) und. einer Bezugsspannungsquelle geschaltet sind.

5, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungsschaltung, die zwischen die Ausgänge des zweiten DifferentialVerstärkers und die Eingänge des ersten Differentialverstärkers geschaltet ist.

6, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung Emitterfolger aufweist und das verstärkte Ausgangssignal an einem Ausgang mindestens eines der Emitterfolger abgenommen wird.

7, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfolger so miteinander verbunden sind, daß ein im wesentlicher konstanter Gleichspannungs-Ausgangspegel der Verstärkungsreglerschaltung unabhängig von den Gleichspannungspegelschwankungen an den

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jeweiligen Eingängen des ersten und des zweiten Differentialverstärkers aufrechterhalten wird.

Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Differentialverstärker durch zwei in Differenzschaltung befindliche Transistoren gebildet wird und die. Emitterfolger durch zwei Emitterfolger-Transistoren, wobei die Ausgänge der Emitterfolgertrahsistoren mit den jeweiligen Basiseingängen des ersten Paares von in Differenz geschalteten Transistoren verbunden sind.

9, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der zweite Differentialverstärker durch ein erstes und ein zweites Paar von in Differenz geschalteten Transistoren gebildet wird, wobei das erste Transistorpaar miteinander verbundene Emitterkreise aufweist, die mit der ersten konstanten Stromquelle gekoppelt sind, und das zweite Transistorpaar miteinander verbundene Emitterkreise aufweist, die mit der zweiten konstanten Stromquelle gekoppelt sind.

10, Verstärkungsreglerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden des ersten Transistorpaares (Q₁, Qo) ^mit den Basiselektroden des zweiten Transistorpaares (Q„, Q₁₊) verbunden sind, und die Richtleiter durch eine erste und eine zweite in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode gebildet wird, die mit der jeweiligen Kollektorelektrode des ersten Transi-

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storpaares verbunden ist.

11, Verstärkungsreglerschaltuncr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromerzeuger durch Stromquellen für die Zufuhr jeweils gesteuerter Ströme zu den Kollektorelektroden des ersten Transistorpaares gebildet wird, wobei die ieweils gesteuerten Ströme die gleichen Warte haben und so gesteuert werden, daß sie sich um den gleichen Betrag in der gleichen Richtung verändern.

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