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Schaltungsanordnung zur wahlweisen Dynamik-Kompression oder
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-Expansion Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur wahlweisen
automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 beschrieben ist.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind u.a. fiir Stellglieder (steuerbare
Verstärkerschaltungen bzw. Dampfungsschaltungen) in Kompander-Systemen vorgesehen,
deren Ubertragungsmaß mit einer Steuerspannung steuerbar ist und die zwischen zwei
Betriebszuständen mit zueinander komplementären Steuerkennlinien umschaltbar sind.
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Eompander-Systeme umfassen grundsätzlich eine Eompressionsschaltung
zur Dynamik-Eineingung vor Ubertragung oder Speicherung eines Nutzsignales wiP z.B.
einer NF-Spannung und eine Expansionsschaltung zur Dynamik-Erweiterung nach der
obertragung oder vor der Wiedergabe eines zuvor gespeicherten Sinals. Die für solche
Kompander-Systeme häufig vorgesehenen Stellglieder der oben erwahnten Art dienen
zur Verringerung oder Vergrößerung der zu verarbeitenden Signalamplituae und/ oder
zur Frequenzbeeinflussung der zu verarbeitenden Signale, wobei das zur Steuerung
des Stellglieds erforderliche Steuersignal aus dem Eingangs- oder Ausgangssignal
der Eompander-Schaltung abgeleitet wird.
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Ein entsprechendes System ist durch die DT-PS 24 06 258 bekannt. Bei
einem solchen System ist in einem Nutzsignalweg ein gegengekoppelter Verstärker
für das Nutzsignal vorgesehen dessen invertierender Eingang titer einen eine elektronisch
steuerbare Impedanz enthaltenden Gegenkopplungsweg mit dem Ausgang des Verstärkers
verbunden ist. Vom Ausgang bzw. Eingang des Nutzsignalweges ist ein Weg abgezweigt,
auf dem aus dem Nutzsignal eine Steuerspannung gewonnen will, die der elektronisch
steuerbaren Impedanz zugeführt ist.
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Bei einer durch die DT-OS 25 29 031 vorbekannten praktischen AusSilrungsform
für einen solchen Verstärker ist das Nutzsignal dem nicht invertierenden Eingang
des als Differenzverstärker ausgebildeten Verstärkers zugeführt, während der über
den Gegenkopplungsweg an den Ausgang des Verstärkers angeschlossene invertierende
Eingang im Falle der Kompression außerdem über eine Impedanz an die Bezugsspannung
(Masse) anschließbar ist.
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Im Falle der Expansion wirkt bei dieser bekannten Schaltungsanordnung
der elektronisch steuerbare Gegenkopplungsweg des entsprechend umschaltbaren Verstärkers
sowie die erwähnte, den invertierenden Eingang des Verstärkers im Falle der Kompression
mit der Bezugsspannung verbindende Impedanz als ein steuerbarer Spannungsteiler,
an dessen Abgriff die expandierten Nutzsignale abgreifbar sind.
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Da die zur Erzeugung der Steuerspannung für den steuerbaren Gegenkopplungsweg
bzw. Spannungsteiler vorgesehenen Schaltungsteile in der Regel nicht vermeidbare
Zeitkonstanten aufweisen, also Verzögerungen der Steuerspannung bewirken, besteht
die Möglichkeit, daß bei einem schnellen Ansteigen des Eingangs-Nutzsignals die
dann an sich erforderliche Veränderung der Verstärkung des erwähnten Verstärkers
diesem Ansteigen nicht folgen kann und daß somit ein sogenanntes Überschwingen auftritt.
Auf diese Weise erscheint am Ausgang des Kompander-Systems bei Kompression harzzeitig
ein überhöhtes Ausgangssignal. Eine entsprechende, ebenfalls unerwünschte Wirkung
tritt
bei der Expansion auf, wenn sich die Amplitude des EingaRga-Nutzsignals
sehr schnell ändert.
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Zur Vermeidung des geschilderten Nachteils könnte man daran denken,
diejenige Spannung zu begrenzen, die im Falle der Kompression über den Gegenkopplungsweg
und im Falle der Expansion über der entsprechenden Teilimpedanz des erwähnten Spannungsteilers
entsteht. Dieser Vorschlag ist Gegenstand der DT-OS 26 19 192.
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Es hat sich gezeigt, daß Schwierigkeiten auftreten, wenn für die begrenzenden
Schaltmittel Bauteile oder Schaltungsanordnungen verwendet werden, deren Schwellwert,
bei dem die Begrenzung einsetzt gleich oder größer ist als die maximal zulässige
Spannung an denjenigen Impedanzen, deren Spannungsabfall begrenzt werden soll.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bsi der die erwähnte gewünschte Begrenzung
auch dann möglich ist, wenn die begrenzenden Mittel einen Schwellwert besitzen,
der nicht auf die für die steuerbare Impedanz maximal zulässige Spannung abgestimmt
ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 wiedergegebene Erfindung
gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausffihvung beispiele der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele, die in der
Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen als Ausfahrungsbeispiel der Erfindung zwei
Schalt=sano n wpn, die in einem Kompander-System wahlweise zur automatischen Dynamik-Kompression
oder -Expansion verwendet werden können. Das in seiner Dynamik zu verändernde Nutzsignal,
beispielsweise ein NF-Signal, wird einer Eingangsklemme 1 zugeführt, während das
verarbeitete
Nutzsignal sowohl im Palle der Expansion als auch im
Falle der Kompression an einer Ausgangsklemme 16 abgreifbar ist.
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In Fig 1 ist die Eingangsklemme 1 mit dem nichtinvertierenden Eingang
2 eines als Differenzverstarker ausgebildeten Verstärkers 4 verbunden. Der invertierende
Eingang 3 des Verstärkers 4 ist über einen ersten Widerstand 6 mit einer Bezugsspannung
(Masse) verbunden und ist über einen Mittelkontakt 9 eines zweiten Umschalters 8
sowie über dessen zweiten und ersten Kontakt 11, 10 wahlweise über einen Gegenkopplungswiderstand
7 oder eine Hilfsschaltung 17 mit dem Ausgang 5 des Verstärkers verbindbar. Die
flilfsschaltung 17 stellt im Prinzip ein steuerbares Dämpfungs- oder Verstarkungsglied
26 dar, dessen Ubertragungsmaß über eine der Klemme 20 zugeführte Steuerspannung
steuerbar ist. Aus diesem Grunde ist die Klemme 20 mit dem Steuereingang 27 eines
elektronisch steuerbaren Stellglied verbunden. Das elektronisch steuerbare Stellglied
28 besteht z.B. vorteilhaft aus einem Fe].deffekttransistor.
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Das elektronisch steuerbare Stellglied 28 und ein mit einer Bezugsspannung
(nasse) verbundener Widerstand bilden ein elektronisch steuerbares Dämpfungsglied
26. Es ist auch möglich, das elektronisch steuerbare Stellglied 28 zwischen dem
Signalweg und einer Bezugsspannung (Masse) und den Widerstand seriell in dem Signalweg
anzuordnen. Das elektronisch steuerbare Dämpfungsglied 26 ist einerseits über ein
Dämpfungsglied 29 mit einem ersten Schaltungskontakt 19 der Hilfsschaltung 17 und
andererseits über ein Verstärkungsglied 25 mit einem zweiten Schaltungskontakt 18
der Hilfsschaltung 17 verbunden.
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Die Ausgangsklemme 16 der dargestellten Schaltungsanordnung ist über
einen Mittelkontakt 13 eines ersten Umschalters 12 sowie dessen ersten oder zweiten
Kontakt 14, 15 wahlweise mit dem Ausgang 5 des Verstärkers 4 (Kontakt 14) oder mit
dem zweiten Schaltungspunkt 18 der Hilfsschaltung 17 (Kontakt 15) verbindbar.
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In der dargestellten Stellung der beiden Umschalter 12 und 8
ist
die Hilfsschaltung 17 im Gegenkopplungszweig des Verstärkers 4 angeordnet. Das elektronisch
steuerbare Stellglied 28 ist so aufgebaut, daß sein Widerstandswert bei zunehmender
Steuerspannung an seinem Steuereingang 27 kleiner wird.
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In der dargestellten Stellung der beiden Umschalter 12 und 8 bewirkt
die beschriebene Schaltungsanordnung eine Kompression der der Eingangsklemme 1 zugeführten
Nutzsignale, wenn dem Steuereingang 27 des elektronisch steuerbaren Stellgliedes
28 eine Steuerspannung zugeführt wird, die so aus dem Nutzsignal abgeleitet ist,
daß sie mit zunehmenden Nutzsignal ebenfalls zunimmt. Diese Kompressionswirkung
der beschriebenen Schaltungsanordnung erklärt sich dadurch, daß das am Abgriff des
Spannungsteilers im elektronisch steuerbaren Dämpfungsglied 26 zur Verfügung stehende
Signal vergrößert wird.
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Durch die Vergrößerung des Ubertragungsinaßes im Gegenkopplungsweg
des Verstärkers 4 wird das Ubertragungsmaß im Nutzsignaiweg verkleinert.
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Um mit der beschriebenen Schaltungsanordnung - unter der Voraussetzung,
daß die Steuerspannung für das elektronisch steuerbare Stellglied 28 mit zunehmendem
Nutzsignal zunimmt, eine Dynamik-Expansion der Eingangsklemme 1 zugeführten Nutzsignals
bewirken zu können, ist es erforderlich, die Umschalter 12 und 8 in die andere,
nicht eingezeichnete Stellung umzulegen. In diesem Fall weist der über den Gegenkopplungswiderstand
7 gegengekoppelte Verstärker 4 ein konstantes obertragungsmaß auf. Das am Ausgang
5 des Verstärkers 4 erocheinende Nutzsignal wird dem ersten Schaltungspunkt 19 der
Hilfsschaltung 17 zugeführt. Die Hilfsschaltung 17 wird in diesem Fall sinngemäß
wie ein Spannungsteiler, der im wesentlich aus dem elektronisch steuerbaren Däipitungsglied
26 besteht. Diese Spannung wird über das Verstärkungsglied 25 dem zweiten Schaltungspunkt
18 der Hilfsschaltung 17 zugeführt, Der zweite Schaltungspunkt 18 der Hilfsschaltung
17 ist in dem beschriebenen Fall dann über den ersten Umschalter 12 mit der Ausgangsklemme
16 verbunden, so daß dort das expandierte Nutzsignal abgreifbar ist. Die Expansion-Wirkung
einer solchen Schaltungsanordnung beruht darauf, daß - Wie vorausgesetzt -bei
zunehmendem
Nutzsignal auch die Steuer spannung zunimmt und daß das Ubertragungsmaß der nun
im Nutzsignalweg angeordneten Hilfsschaltung 17 mit zunehmendem Nutzsignal zunimmt.
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Um zu verhindern, daß insbesondere bei relativ schnellen Xnderungen
der Nutzsignale um einen relativ großen Betrag das eingangs erwähnte Überschwingen
des verarbeiteten Nutzsignals an der Ausgangsklemme 16 auftritt, sind Begrenzungsmittel
vorgesehen. Diese Begrenzungsmittel bestehen im vorliegenden Fall aus zwei antiparallel
geschalteten Dioden 21 und 22, die zwischen dem ersten Schaltungspunkt 19 und dem
zweiten Schaltungspunkt 18 der Hilfsschaltung 17 angeordnet sind. Die Dioden 21
und 22 begrenzen die zwischen den ersten Schaltungspunkt 19 und zweiten Schaltungspunkt
18 der Hilfsschaltung 17 auftretenden Signalspannungen und erhöhen momentan das
fibertragungsmaß der Hilfsschaltung 17. Die Begrenzung wird dadurch bewirkt, daß
die Dioden 21 und 22 einen Schwellwert besitzen, oberhalb dessen ihr Durchgangswiderstand
sehr klein wird und damit die Dämpfung der Hilfsschaltung 17 ebenfalls sehr klein
wird.
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Es ist nun aber möglich, daß die in dem elektronisch steuerbaren Stellglied
28 verwendeten Bauelemente, z.B. Peldeffekttransistoren, beim Auftreten einer Spannung,
deren Wert gleich dem vorstehend erwähnten Schwellwert der Begrenzungsmittel 21,
22 ist, gefährdet werden, oder bei nur unwesentlich kleineren Spannungen schon nicht
mehr verzerrungsfrei arbeiten. Für diesen Fall sind bei der erfindungsgemäßen Schaltung
Mittel vorgesehen, die die maximal über den Dioden 21 und 22 abfallende Spannung
betäglich des elektronisch steuerbaren Stellgliedes 28 auf einen solchen Wert verringern,
daß die entsprechenden Signale problemlos von dem elektronisch steuerbaren Stellglied
28 verarbeitet werden können. Zu diesem Zweck ist das elektronisch steuerbare Dämpfungsglied
26, das das elektronisch steuerbare Stellglied 28 beinhaltet, über ein Dämpfungsglied
29 mit dem ersten Schaltungspunkt 19 der Hilfsschaltung 17 und andererseits über
ein Verstärkungsglied 25 mit dem zweiten Schaltungspunkt
18 der
Hilfsschaltung 17 verbunden. Das Dämpfungsglied 29 bewirkt, daß die am ersten Schaltungspunkt
19 der Hilfsschaltung 17 erscheinende Signalspannung auf einen solchen Wert heruntergeteilt
wird, der von dem elektronisch steuerbaren Stellglied 28 problemlos verarbeitet
werden kann.
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Die hinter dem elektronisch steuerbaren Dämpfungsglied 26 abgreifbare
Signalspannung wird dann mittels des Verstärkungsgliedes 25 verstärkt. Die Verstärkung
des Verstärkungsgliedes 25 ist so bemessen, daß die durch das Dämpfungsglied 29
bewirkte Dämpfung in dem das elektronisch steuerbare Dämpfungsglied 26 enthaltende
Signalweg durch die Verstärkung des Verstärkungsgliedes 25 kompensiert wird. Auf
diese Weise sind die beiden Signabege mit den Dioden 20 und 21 einerseits und den
Bauelementen 29, 26, 25 andererseits so aneinander angepaßt, daß der das elektronisch
steuerbare Stellglied 28 enthaltene Signalweg auch noch solche Signalwerte bearbeiten
kann, die an sich nicht von dem elektronisch steuerbaren Stellglied 28 verarbeitet
werden können.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Verstärkung des Verstärkungsgliedes
25 so groß ist, daß sie der Dämpfung des Dämpfungsgliedes 29 entspricht. Bei größeren
Unterschieden zwischen der Verstärkung des Verstärkungsgliedes 25 und der Dämpfung
des Dämpfungsgliedes 29 ist jedoch die Anpassung des elektronisch steuerbaren Dämrfungsgliedes
26 an die Dioden 21 und 22 nicht mehr in dem gewünschten Sinne vorhanden.
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Um die erwähnte Anpassung noch zu verbessern, ist es vorteilhaft,
die Ausgangsimpedanz des Verstärkungsgliedes 25 der Hilfsschaltung 17 groß zu bemessen
oder zwischen dem Ausgang des Verstärkungsgliedes 25 - sofern dieser eine niedrigere
Ausgangsimpedanz aufweist - und dem zweiten Schaltungspunkt 18 der Hilfsschaltung
17 einen Widerstand 24 anzuordnen, dessen Widerstandswert so gewählt ist, daß er
einerseits groß gegenüber dem Ausgangswiderstand des Verstärkers 4 und andererseits
klein gegenüber dem Eingangswiderstand des von der Klemme 18 gespeisten Signalwegs
ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die am zweiten Schaltungspunkt 18 der
Hilfsschaltung 17
auftretcnde Signalspannung nicht kleiner bzw.
größer werden kann als die Signalspannung am ersten Scbaltingspunkt 19 der Hilfsschaltung
17 abzüglich bzw. zuzüglich der Schwelispannung der Dioden 21 und 22.
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Es kann auch gewünscht sein, die Begrenzung nur bei Kompression oder
nur bei Expansion wirksam werden zu lassen. In diesem Fall ist es möglich, die Begrenzungsmittel
21 und 22 durch einen Schalter 23 abzuschalten. Statt des erwähnten Schalters 23
kann auch nach dem Ausf:hrungsbeispiel in Fig. 2 der niederohmige Ausgang des Verstärkungsgliedes
25 mit einem dritten Schaltungspunkt 30 der Hil£sschaltung 17 verbunden werden,
da die Begrenzungsmittel 21, 22 für die an diesem Schaltungspunkt 30 auftretenden
Signale unwirksan sind.
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Bei der beschriebenen Umschaltung zwischen Kompression und Expansion
ist es ni.cht unbedingt erforderlich, daß der Gegenkopplungswiderstand 7 in dem
Fall, daß die Hilfsschaltung 17 im Gegenkopplungszweig angeordnet ist, abgeschaltet
ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann der Gegenkopplungswiderstand 7 auch ständig
mit dem invertierenden Eingang 3 des Verstärkers 4 verbunden sein, insbesondere
wenn der Widerstandswert des Gegenkopplungswiderstandes 7 wesentlich größer ist
als der Wert des Widerstandes 24 bzw. des Ausgangswiderstandes des Verstärkungsgliedes
25.
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Wenn die nicht gewährleistet ist, kann auch vorteilhaft ein Impedanzwandler
vorgesehen werden. In der Schaltung nach Fig.
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2 ist ein als Impedanzwandler ausgebildeter Trennverstärker 32 angeordnet,
dessen Eingang 31 mit dem zweiten Schaltungspunkt 18 der Hilfsschaltung 17 verbunden
ist und dessen Ausgang 33 mit einem ersten Kontakt 36 eines dritten Umschalters
34 verbunden ist. Der dritte Umschalter 34 dient zum wahlweisen Ein- oder Ausschalten
der Begrenzung. Der zweite Kontakt 37 des dritten Umschalters 34 ist daher mit dem
dritten Schaltungspunkt 30 der Hilfsschaltung 17 verbunden, an dem Signale ohne
die Wirkung der Begrenzungsmittel 21, 22 abgreifbar sind. Der Nittelkontakt 35 des
dritten Umschalters 34
ist mit dem zweiten Kontakt 15 des ersten
Umschalter 12 und dem ersten Kontakt 10 des zweiten Umschalters 8 verbunden. In
der eingezeichneten Stellung des dritten Umschalters 34 sind die Begrenzungsmittel
21 und 22 wirksam.
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Der Trennverstärker 32 kann auch so ausgebildet Rein, daß sein Übertragungsmaß
frequenzabhängig ist. Da die tlbertragungscharakteristik bei der Umschaltung Kompression-Expans,.on
ebenfalls komplementär umgeschaltet wird, ergibt sich für Kompression und Expansion
zusammen ein linearer Frequenzgang.
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Eine Frequenzabhängige Ubertragungscharakteristik der Schaltungsanordnung
ist vorteilhaft, wenn die Schaltungsanordnung zur Aufzeichnung und Wiedergabe von
NF-Signalen auf Magnettonträger dient. Wegen der bei der Aufzeichnung üblichen Preemphasis
erreicht der Nagnettonträger bei hohen Pegeln und hohen Frequenzen eine Art Sättigung,
was dazu rührt, daß die N-Bandbreite bei hohen Pegeln kleiner ist als bei mittleren
und niedrigen Pegeln. Durch eine Absenkung der hohen Frequenzen bei der Aufnahme
und eine Anhebung der hohen Prequenzen bei der Wiedergabe kann daher eine Verringerung
der NF-Bandbreite bei hohen Pegeln vermieden werden. Zwar ist mit dieser Maßnahme
ansich ein schlechterer Störabstand bei kleinen Pegeln verbunden; dies wird aber
durch die Wirkung des Kompanders mehr als aufgewogen.
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Es ist auch möglich, das erste oder zweite Dämpfungs- oder Verstärkungsglied
29 oder 25 und/oder den Trennverstärker 32 so auszubilden, daß deren fibertragungsmaße
wahlweise linear oder frequenzabhängig sind.
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Ferner ist es möglich, statt des Dämpfungsgliedes 29 bei der beschriebenen
Schaltungsanordnung ein Verstärkungsglied vorzusehen und entsprechend gegebenenfalls
statt des Verstärkungsgliedes 25 ein Dämpfungsglied vorzusehen. In einem solchen
Fall wird die über dem das elektronisch steuerbare Stellglied 28 enthaltende Signalweg
abfallende Spannung angehoben.
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Die vorstehend beschriebene Schaltungsanonung ist auch dann
verwendbar,
wenn die iiilfsschaltung 17 bezüglich des Widerstandswertes des elektronisch steuerbaren
Stellgliedes 28 so gesteuert wird, daß sich der genannte Widerstandswert bei zunehmender
Nutzsignalspannung verringert. In der dargestellten Stellung der Umschalter 12 und
8 liegt dann im Gegenkopplungsweg des Verstärkers 4 sinngemäß eine Kompressionsschaltung;
am Ausgang des Verstärkers 4 ist dann also ein expandiertes Signal abgreifbar. Entsprechend
liefert dann die Ausgangsklemme 16 in der nicht eingezeichneten Stellung der Umschalter
12 und 8 ein komprimiertes Signal.