DE2811626A1

DE2811626A1 - Filter fuer digital-analog-wandler

Info

Publication number: DE2811626A1
Application number: DE19782811626
Authority: DE
Inventors: Michael Lawrence Rieger; Martin David Singer
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1977-04-11
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1978-10-26
Also published as: US4163948A; GB1571168A; NL7803676A; DE2811626C2; CA1100198A; JPS53126849A; FR2387548A1; JPS5644611B2; FR2387548B1

Description

Tektron ί χ, f nc.

Filter für Di g I ta I -Ana I og-'./and ler

Die hrflnaung bezieht sich auf ein Filter zur Dämpfung störender elektronischer Signafe.

Es sind verschiedene Systeme bekannt, die ein digitales Wort als Eingangssignal erhalten und dieses Signal in einen analogen Strom oder eine analoge Spannung umwandeln. Im allgemeinen sind diese Systeme unter der Bezeichnung Digital· Atia I og-Wand I er oder ü/A-Wandler bekannt. Die analogen A'usgangssignale enthalten jedoch falsche oder unerwünschte elektronische Signale, die von ungleichen Übertragungsverzögerungen zwischen den am Eingang des D/A-WandIers ankommenden Bits oder von Änderungen des Übergangsverhaltens ₍aer binär gewichteten Elemente innerhalb des D/A-Wandlers oder von einer Kombination beider Einflüsse herrühren.

Nach dem bekannten Stand der Technik werden zur Dämpfung dieser unerwünschten Störsignale herkömmliche lineare Tiefpassfilter benutzt, üiese Filter können dazu verwendet werden, die Ausgangswellenform zu glätten, Jedoch werden die Störsignale nicht wirklich beseitigt. Die Energie der Störsignale wird vielmehr nur umverteilt. Neoen den linearen Tiefpassfiltern werden nach dem bekannten Stand der Technik auch Sample- und Ho Id-SchaItüngen verwendet, wenn die Übergangsfrequenzen niedrig sind, üiese Art von Schaltungen sind sehr aufwendig und kompliziert, jedoch dämpfen sie die elektrischen Abweichungen.

Der Erfindung liegt die Aufgaoe zugrunde, ein Filter für einen Digita I-Ana Iog-WandI er zu schaffen, das die Nachteile des bekannten Stands der Technik überwindet. Eine

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weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht In der Entwicklung eines ηichtI Inearen Filters zur Dämpfung unerwünschter falscher oder störender elektronischer Signale. Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines ηichtIinearen Filters zur Dämpfung unerwünschter falscher oder störender elektronischer Signale, die der * Ausgangswe I I enf ortn eines D jgita I-Ana Iogtfandlers überlagert sind.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung 1st in der Entwicklung eines ηichtIlnearen Filters zu sehen, das einen Verstärker mit großer Bandbreite für KLeInsignale und begrenzter Anstiegsgeschwindigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an eine Eingangsschaltung für den Empfang zu dämpfender Signale eine erste Verstärkerschaltung zur Verstärkung der zu dämpfenden Signale angeschlossen 1st, daß die erste Verstärkerschaltung eine Schaltung zur Ausgabe der verstärkten Signale als doppelseitige Signale aufweist, daß die doppelseitigen Signale einer zweiten Verstärkerschaltung zuführbar sind, mit der ein einseitiges Signal erzeugbar ist und die eine Konstantstromquelle zur Erzeugung eines konstanten Stroms aufweist, daß eine Stromspiegelschaltung für den Empfang des einseitigen Signals und als Senke für den konstanten Strom vorgesehen 1st, daß mit wenigstens einem Teil des konstanten Stroms ein Kondensator beaufschlagbar ist, über dessen Anschlüssen eine Spannung gemäß dem empfangenen Teil des konstanten Stroms abfällt, daß ein Pufferverstärker mit der an den Anschlüssen abfallenden Spannung beauf sch lagoar ist. und diese einem Ausgangsanschluß zuführt und daß eine Rückkopplungsschaltung zwischen der

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Eingangsschaltung und dem Ausgangsanschluß angeordnet ist, mit der wenigstens ein Teil der Ausgangsanschiußspannung der ersten Verstärkerschaltung für die Kontrolle der Amplitude der Ausgangsanschiußspannung zuführbar Ist.

Die Erfindung überwindet die oben beschriebenen Schwierigkeiten, die mit der Dämpfung unerwünschter elektrischer Abweichungen zusammenhängen, mittels eines ηichtI Inearen Filters, das einen Verstärker mit einer großen Bandbreite für Kleinsignale und mit begrenzter Anstiegsgeschwindigkeit aufweist. Die Ableitung des AusgangssfgnaIs liegt innerhalb spezifizierter Grenzen, während die Kieins IgnaI bandbreite eines solchen Signals innerhalb dieser Grenzen hoch Ist.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird fm nachstehenden Teil der Anmeldung ausführlich dargelegt und deutlich beansprucht. Dia Erfindung kann sowohl hinsichtlich der Gestaltung und der Arbaltsweise in Verbindung mit weiteren Vorteilen und Aufgaben besonders gut anhand der folgendan Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.

Die Erfindung wird daher Im folgenden anhand von AusführungsbeispIeI en näher erläutert, aus denen sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild, in Blockform und in Einzeldarstellung, eines Filters für die Dämpfung unerwünschter elektrischer Abweichungen,

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Fig. 2 ein Diagramm eines typischen Eingangssignals oder Datenworts, das in ein Analogsignal umgewandelt werden so I I,

FIg. 3 ein Diagramm eines typischen analogen Ausgangssignals, das von einem Digita I-Ana Iog-WandI er " erhaI ten wird,

Flg. 4 ein Diagramm eines Ausgangssignals, das nach der Filterung gemäß der vorliegenden Erfindung erha I ten wIrd,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Stromquelle, die in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform benutzt wird,

Flg. 6 ein schematisches Schaltbild eines herkömmlichen Pufferverstärkers, der in der AusfUhrungsform gemäß Fig. 1 benutzt wird und

Fig. 7 ein schematIsches Schaltbild einer zusätzlichen Schaltung, die zur Änderung der Filtercharakteristik der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform benutzt werden kann.

Ein Digita I-Ana log-Wand I er DAC 10, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, steht, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einem Eingangsanschluß 12 in Verbindung. Der Eingangsanschluß 12 wird mit einem digitalen Wort beaufschlagt, wie es als Eingangssignal in Fig. 2 gezeigt Ist. Dementsprechend

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stellt der UAC 10 einen typischen Digita I-Ana Iog-WandI er für die Umwandlung oder Umformung des Digitalworts als Eingangssignal In eine analoge Wellenform dar. Es versteht sich jedoch, daß der DAC 10 als Multiplikationstyp ausgebildet sein kann. Da der DAC 10 von herkömmlichem Aufbau ist, wird eine ausführliche Diskussion darüber nicht für notwendig gehalten. Für diejenigen, die mehr Informationen üDer Digita I-Ana Iog-WandI er wünschen, wird auf das Buch "integrated Electronics Analog and Digital Circuits and Systems" von Millman und Halklas, copyright 1972,. McGraw-Hill, Inc., hingewiesen.

Das Ausgangssignal des DAC 10 kann die in Flg. 3 dargestellte Wellenform aufweisen. Diese typische Wellenform Ist sozusagen eine treppenförmige Welle, die von dem In Fig. 2 gezeigten digitalen Eingangswort gewonnen wurde. Diese D/A-WandIer-AusgangsweiIenform enthält elektrische Spitzen oder Impulse, sobald das digitale Eingangswort geändert wird. Die Spitzen wiederum werden üblicherweise durch ungleiche Übertragungsverzögerungen zwischen den. am Eingang ankommenden Bits oder durch Änderungen im Übergangs verha I ten der binär gewichteten Elemente innerhalb des L)I g I ta I-Ana I og-Wand I ers oder durch die Kombination beider Einflüsse verursacht (sI ehe:"Computer Logic Design" by M. Mano, copyright 1972, Prentice-Hall, Inc. bezüglich der Definitionen und zum Verständnis der Bezeichnung: •'Bits" und "binär gewichtete Elemente").

Das Ausgangssignal des DAC 10 wird dem invertierenden (-) Eingang eines Verstärkers 14 zugeführt, der zwei Ausgangsleitungen 16 und 18 hat. Der Verstärker 14 hat einen nlchtinvertierenden Eingang (+), der an Erdpotential liegt.

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Die Ausgangs 1eitungen 16 und 18 dienen zur Ansteuerung der Basen eines Paars emittergekoppelter Transistoren QI und Q2. Dieses Paar von Differentia I transistören ist bezüglich des Arbeitspunktes so eingestellt, daß ein gemeinsamer Emitterstrom in Höhe von 21 durch einen Emitterwiderstand 20 fließt, wie es in der Zeichnung angedeutet ist*. Sowohl der Kollektor des Transistors QI als auch der Kollektor des Transistors Q2 ist mit einer Stromsp i egel - ·· schaltung 22 verbunden. In dieser Verbindung können die Transistoren QI und Q2 Kollektorströme im Bereich zwischen 0 und 21 aufweisen. Es soll noch erwähnt .werden, daß der Widerstand 20 und die Stromsenke 22 auch an Betriebspotentiale gelegt sind, die jeweils auf Stromversorgungs-Sammelleitungen 24 und 25 zur Verfügung stehen.

Ein Kondensator 28 ist mit einem Anschluß an Erde gelegt, während der andere Anschluß mit einer gemeinsamen Leitung 30 verbunden 1st, die zwischen einem Knotenpunkt, der von der Verbindung des Kollektors des Transistors Q2 und der Stromspiegelschaltung 22.gebildet wird, und dem Eingang eines Pufferverstärkers 32 verJäuft. In der angegebenen Verbindung hat der Kondensator 28 einen Strom zur Verfügung, der zwischen -21 und +21 verläuft. Die an den Anschlüssen des Kondensators 28 abfallende Spannung verändert sich miteiner Geschwindigkeit, die durch

- Tr- ·—-— begrenzt ist. Der Pufferverstärker 32 bildet L see

für.den Kondensator 28 eine hohe Impedanz und erzeugt _; einen Ausgang mit niedriger Impedanz am Ausgangsanschluß

Die Schaltung wird vervoI J standigt oder geschlossen durch eine Rückkopplung, wie z.B. den Widerstand 36, der zwischen

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dem invertierenden (-) Eingang des Verstärkers 14 und dem Ausgangsanschluß 34 angeordnet ist. Die Rückkopplungsanordnung wird aazu benutzt, die Amplitude des Ausgangssignals festzulegen, das z.B. die In Fig. 4 gezeigte Wellenform aufweisen.kann.

Im Grunde besteht das Prinzip der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Arbeitsweise eines nichtlinearen filters, das einen Verstärker mit großer Kleinsigna I bandbrei te und begrenzter Anstiegsgeschwindigkeit verfügbar macht. Die Ableitung des Ausgangssignals liegt innerhalb spezifizierter Grenzen, während die Kleinsfgnalbandbreite des Ausgangssignals innerhalb dieser Grenzen groß Ist. Die Anstiegsgeschwindigkeit muß natürlich größer sein als die gewünschte maximale Ä'nderungsgescTiwi nd Igke i t des Ausgangssignals.

In Fig. 5 Ist die Stromspiegelschaltung 22 in ausführlicher Art gezeigt, üie SpIegelschaltung enthält einen NPN-TransI stör Q3, dessen Kollektor direkt mit dem Kollektor des Transistors Q2 verbunden ist und dessen Emitter üDer den Emitterwiderstand 50 an die Sammelleitung 2ö angeschlossen ist. Die Basis des Transistors Q'5 ist hinsichtlich des Arbeitspunkts voreingestellt und stabilisiert und wird als Stromspiegelanordnung in herkömmlicher Weise über das Reihenschaltungsnetzwerk betrieben, aas einen Widerstand 52 und einen als üiod'e geschalteten Transistor Q4 aufweist, der zwischen dem Kollektor des Transistors QI und der Sammelleitung 26 angeordnet ist. (Siehe US-Patentschrift 3 939 434, in der eine andere StromspiegeI scha Itung dargestellt ist).

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tn Fig. 6 ist der Pufferverstärker 32 dargestellt. Wte zu ersehen ist, besteht der Verstärker 32 aus einem NPN-Transistor Q5, dessen Kollektor, üblicherweise mit einem Nebenschluß, an die Sammelleitung 24 angeschlossen ist, während der Emitter üoer den Emitterwiderstand 54 mit der Sammelleitung 26 verDunden ist. Die Basis ist an die Leitung 30 angeschlossen.

Vor der Darlegung der gesamten Schaltung im Detail soll auf die folgenden Werte hingewiesen werden, die sich in einer Ausführungsform der Erfindung als nützlich erwiesen haben, wobei die Erfindung nicht auf eine besondere Gruppe von Werten beschränkt sein soll.

Verstärker 14 Fairchlld 733C

Widerstand 20 2.1 K Jb, 1/8 Watt, 1 %

Kondensator 28 0.068 ufd. Keramik 50V

Widerstand 36 2.0K&, 1/8 Watt, \%

Transistoren QI,02 . . Motorola MPS-H81

Transistoren Q3,Q4,Q5 . 2N4124

Widerstände 50,52 . . 1.07KJl , 1/8 Watt, \%

Widerstand 54 1.5K Jl, 1/8 Watt, \%

BetriebsspannungssammeI I ei tang 24 .... +15 Volt

Betriebsspannungssammelleitung 26 .... -15 Volt

Die oben aufgezählten Werte bewirken eIne AnstIegsge-

4 schwindigkeit von ungefähr 0,515 χ 10 Volt/sec, oder 194 jjsec/Volt, wie nachstehend gezeigt wird.

Unter de^rAnnahme, daß 2I einem Wert von 3.5 mA entspricht und daß die Spannung sich um 10 Volt ändert gilt:

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f-\ _mm

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d ν 7 1

~ (1OV) = ~ Volt/sec,

dv , _in. 3.5 X 10~³ , .. . . .

dt ^{(10) =} ÖTÖ68-X-TÖ-⁶ Volt/sec,

α ν ά

~j (10) = 5.15 X 10 Volt/sec.

Norm!ert w1rd:

dv ,,... 5. 15 X ΙΟ⁴ ,,« + ζ

^p (IV) = J^ Volt/sec,

Φ/ (IV) = 0.515 X 10⁴ Volt/sec, oder, dt

indem die Reziprokwerte verwendet werden, In etwa 194 jusec/Volt

Die Arbeitsweise des Filters gemäß der Zeichnung der vorliegenden Erfindung wi.rd im folgenden dargelegt. Im wesentlichen wird das Ausgangssignal des DAC 10 über'den Verstärker 14 geleitet, in dem es mit den Vorteilen des Verstärkers mit hohem Verstärku.ngsgrad verarbeitet und in ein doppelseitiges Ausgangssignal umgewandelt wird. Unter "doppelseitig" ist hierbei die SignaIführung auf zwei Leitungen zu verstehen, wobei das vom Verstärker ausgehende Signal auf der einen Leitung zum Verbraucher gelangt und.auf der anderen Leitung wieder zurückfließt. Demgegenüber wird bei einem "einseitigen" Signal nur eine Leitung für die SIgnaI führung verwendet, während als zweite Leitung z.B. der Masaleiter mit anderen Signalen geteilt wird.

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Dar Verstärker muß eine große Verstärkung erzeugen, da das Filter im ganzen einen Operationsverstärker mit Rückkopplung darstellt.

Das doppelseitige Ausgangssignal beaufschlagt anschließend das Transistorpaar QI, 02, das als Stromschalter arbeitet, um den Strom in den oder aus dem Kondensator 28 heraus zu leiten. Die über den Anschlüssen des Kondensators abfallende Span.nung, die auf dem Strom im Kondensator beruht, wird sodann über den Pufferverstärker 32 dem Ausgangsanschluß 34 zugeführt. Wie bereits oben dargelegt wurde, bildet der Pufferverstärker 32 eine hohe Impedanz für den Kondensator 28 und eine niedrige Impedanz für den Ausgang.

Es ist hiermit eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden. Daraus Ist ersichtlich, daß viele Änderungen oder Abwandlungen ohne Abweichung von ihrem breiteren Umfang möglich sind. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, die Eigenschaften des Filters bezüglich der Anstiegsgeschwindigkeit zu ernöhen. Dementsprechend Ist In Flg. 7 eine zusätzliche Scnaltung gezeigt, mit der diese Aufgabe erreichbar ist.

Wie dargestellt, enthält die. zusätzliche Schaltung einen NPN-TransIstorschaIter Qö, dessen Emitter an Erdpotential liegt und dessen Basis über eine Leitung 100 ferngesteuert wird. Mit der Leitung 100 kann beispielsweise ein Reihenwiderstand 102 und ein Zwei IagenschaIter 104 verbunden . sei η. Befindet sich der Schalter 104 in der dargestellten Lage, dann ist der Transistor Q6 nichtleitend. Folglich fließt kein Kollektorstrom durch die ' Lastwiderstände 106 und 108, die

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zwischen der Sammelleitung 24 und dam Kollektor des Transistors Qo angeordnet sind. üeshdlo ist ein Transistor Ql, der vorzugsweise ein PNP-Typ ist und dessen Emitter-Basis-Strecke parallel zum Widerstand 108 geschaltet ist, ebenfalls nicht-I e i tend.

Wenn jedoch der Schalter 104 in eine zweite Stellung gebracht wird, in der der Widerstand 102 mit der Sammelleitung 24 verbunden Ist, geht der Transistor 06 in den leitenden Zustand üüer. Als Ergebnis eines Stroms durch die Lastwidarstände 106 und 103 wird der Transistor Ql leitend. Daher ist der Kollektorstrom von Ql über den Lastwiderstand 110 für die Beaufschlagung der bereits erwähnten Transistoren Q1 und 02 ' verfügbar. Dieser zusätzliche Strom bewirkt zusammen mit dem Strom 2I die Ladung und Entladung des Kondensators 23 mit viel größerer Geschwindigkeit und erhöht auf diese Weise die Anstiegsgeschwindigkeit.

Wiederum wird nachstehend ein Satz von Werten erwähnt, die sich in einer Ausführungsform der zusätzlichen Schaltung als nützlich erwiesen haben, womit die Filteranstiegsgeschwindigkeit auf ungefähr 68 jusec/Volt verändert wird. Auch diese Werte sollen keine Beschränkung darsteI I en.

Transistor Qo 2N3904

Transistor 07 2N3906

Widerstand R102 39KJl. , 1/4 Watt, 5%

Widerstand R106 47K Jl , 1/4 Watt, 5%

Widerstand R108 100K Si, 1/4 Watt, 5%

Widerstand Rl 10 1 K Jl , 1/8 Watt, \%

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Es sei noch vermerkt, daß in der Ausf ührungs form gernäß Fig. 1 der Verstärker 14 Stromversorgungsverbindungen benötigt, zu denen gewöhnlich ein Nebenschluß vorhanden ist. Ferner ist je ein Widerstand zwischen jeder Ausgangsleitung und Erdpotential zur Anpassung an die Transistoren QI und QZ notwendig. Weiterhin kann der geerdete Eingang des Verstärkers 14 über eine Impedanzschaltung, w,i β z.B. ein paralleles RC-Netzwerk, an Erde gelegt sel.n. Die oben erläuterten Verbindungen wurden nicht dargestellt, da sie als bekannte Maßnahmen angesehen werden.

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Claims

PATENTANWALT DIPL-INQ. JOACHIM STRASSE 281 1626

HANAU · RÖMERSTR.19 · POSTFACH 79S · TEL (06181) 2080S/20740 · TEUEXi 4184782pat · TELEQRAMME: HANAUPATENT

185-66)

TEKTRONIX, Inc.

14150 S.W. Karl Braun Drive ,, .... ,___

16. März 19 78

Beaverton, Oregon 97077 E/Bz - 11 631

U.S.A.

Filter für Dlgita I-Ana Iog-WandI er Patentansprüche:

Nicht Itneares Filter zur Dämpfung störender elektrischer Signale, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Eingangsschaltung (1Oi für den Empfang zu dämpfender Signale eine erste Verstärkerschaltung {14) zur Verstärkung der zu dämpfenden Signale angeschlossen ist, daß die erste Verstärkerschaltung (14) eine Schaltung zur Ausgabe der verstärkten Signale als doppelseitige Signale aufweist, daß die doppelseitigen Signal« einer zweiten Verstärkerschaltung (QI, Q2, 20) zuführbar sind, mit der ein einseitiges Signal erzeugbar ist und die eine Konstantstromquelle zur Erzeugung eines konstanten Stroms aufweist, daß eine Stromspiegelschaltung (22) für den Empfang des einseitigen Signals und als Senke für den konstanten Strom vorgesehen ist, ddß mit wenigstens einem Teil des konstanten Stroms ein Kondensator (28) beaufschlagbar ist, über dessen Anschlüssen eine Spannung gemäß dem empfangenen Teil des konstanten Stroms abfällt, daß ein Pufferverstärker (32)

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mit der an den Anschlüssen abfallenden Spannung beaufschlagbar ist una diese einem Ausgangsanschluß (34) zuführt und daß eine Rückkopplungsschaltung (36) zwiscnen der Eingangsschaltung (10) und dem Ausgangsanschluß (34) angeordnet ist, mit der wenigstens ein Teil dar Ausgangsanschlußspannung der ersten VerstärkerscnaItung (14) für die Kontrolle der Amplitude der Ausgan^sanschIußspannung zuführbar ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn-ζ e i c h η e t , daß eine zusätzliche Schaltung zur Erzeugung eines weiteren konstanten Stroms für die zweite Verstärkerschaltung (QI, Q2, 20) vorgesehen ist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangsschaltung (10) ein DIgita I-Analog-Wandler vorgesehen ist.

Filter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Verstärkerschaltung (14) ein Differentialverstärker mit jeweils einem invertierenden und nicht· Invertierenden Eingang und entsprechenden Ausgängen vorgesehen Ist.

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5. Filter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verstärkerschaltung (QI, Q2, 20) ein Transistorpaar (Q1, Q2) in DifferentI a I scha Itung aufweist und daß die Ko I Iektoren der Transistoren (QI, Q2) mit der Stromspiegelschaltung (22) verbunden sind.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kollektor des einen Transistors (Q2) an einen Anschluß des Kondensators (28) gelegt ist.

Filter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekenze lehnet, daß die StromspiegeI scha Itung (22) einen Transistor (Q3) aufweist, dessen Kollektor mit dem einen Transistor (Q2) der zweiten Verstärkerschaltung verbunden und dessen Basis an den zweiten (Q1) Transistor der zweiten Verstärkerschaltung und den Kollektor eines weiteren Transistors (Q4) angeschlossen ist, dessen Bas.i s-Ko I I ektor-Strecke kurzgeschlossen ist, und daß die Emitter der Transistoren über Widerstände an Betriebspotential (26) gelegt sind.

Filter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferverstärker (32) ein Transistor (Q5) In Emitterfolgeschaltung ist.

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