DE2847098A1

DE2847098A1 - Korrekturschaltungsanordnung fuer einen an einem signaleingang liegenden halbleiterverstaerker

Info

Publication number: DE2847098A1
Application number: DE19782847098
Authority: DE
Inventors: John Lindsey Addis; Bruce Edward Hofer
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1977-10-31
Filing date: 1978-10-30
Publication date: 1979-05-03
Also published as: FR2407608A1; NL174896B; US4132958A; NL7810640A; NL174896C; FR2407608B1; JPS5468141A; GB2007054A; DE2847098C3; GB2007054B; CA1126351A; DE2847098B2

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. H. XPe ick man ν, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. Dr. Ing. H. LiSKA If-

DXIIIH

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820 3 0« ORt.

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Tektronix, Ine.
14150 S.W. Karl Braun Drive, Beaverton, Oregon 97077, V.St.A.

Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker mit wenigstens einem an den Signaleingang angekoppelten pn-übergang.

In Breitbandverstärkern soll ein konstanter Frequenzgang im gesamten Frequenzbereich vorhanden sein. Aufgrund von Halbleiterbauelementen eigenen physikalischen Beschränkungen, welche zu nicht linearen Verzerrungen, durch thermische Effekte bedingten Verzerrungen, zu Frequenzverzerrungen oder zu Phasenverschiebungsverzerrungen führen können, ist die Aufrechterhaltung eines genauen Frequenzgangs in einem grossen Frequenzbereich ohne Frequenzkompensations- und Signalsprungkompensations-Maßnahmen nur schwer realisierbar.

Breitbandige Differenzverstärker, wie sie beispielsweise in Vertikal-Verstärkerkanälen von Oszillographen verwendet werden, besitzen bei tieferen Frequenzen eine große Verstärkung und bei höheren Frequenzen eine reduzierte Verstärkung. Um einen konstanten Frequenzgang im gesamten Bandbreitebereich des Verstärkers zu realisieren, kann die Hochfrequenzyerstärkung durch Zustaltung von RC-Netzwerken zwischen die Emitter von als Differenzverstärker geschalteten Transistoren des Verstärkers angehoben werden,·Bei sehr hohen Frequenzen von beispielsweise oberhalb 500 MHz beeinflußt jedoch das induktive Verhalten von Zuleitungen der Halbleiterbauelemente die Frequenzcharakteristik in nachteiliger Weise. Der Schaltungsentwickler sieht sich dabei dem Dilemma gegenüber, daß er einerseits Leitungslängen"verkürzen und andererseits zur Realisierung der Anhebung der Verstärkung bei hohen Frequenzen zusätzliche Schaltelemente vorsehen muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine die vorstehend erläuterten Nachteile vermeidende Korrektur-

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schaltungsanordnung zur Korrektur von Fehlern im Frequenzgang eines Verstärkers anzugeben.

Insbesondere soll mit einer derartigen Korrekturschaltungsanordnung durch Korrektur von Fehlern bei tiefen Frequenzen eine konstante Verstärkung in einem breitbandigen Differenzverstärker realisierbar sein.

Die Korrekturschaltungsanordnung soll dabei vorzugsweise auch so ausgebildet sein, daß sie" mit den möglichen Herstellungstechniken für Verstärker kompatibel ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Korrekturschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

Eine an den Signaleingang angekoppelte/ dem Halbleiterverstärker parallelliegende Schaltung mit einem Kreis, der die durch den pn-übergang bedingte Verzerrung nachbildet und ein Korrektursignal erzeugt, das der durch die verzerrende Wirkung des pn-übergangs bedingten Fehlerkomponente" im Verstärkersignal proportional ist, und eine das Korrektursignal und das Verstärkersignal zwecks Eliminierung der Fehlerkomponente aus dem Verstärkersignal überlagernde stufe.

Die vorstehend definierte erfindungsgemäße Korrekturschaltungsanordnung zur Korrektur von Fehlern im Frequenzgang eines Verstärkers liegt nach Art eines Nebenschlusses parallel zum Verstärker. Insbesondere liegt sie dabei parallel zu den Verzerrungen erzeugenden Teilen des Verstärkers, wobei der das Korrektursignal erzeugende Kreis die die Verzerrung hervorrufenden physikalischen Mechanismen nachbildet. Das durch die Korrekturschaltungsanordnung erzeugte Korrektursignal wird in der überlagernden Stufe vom Verstärkersignal subtrahiert, so daß das Verstärkerausgangssignal fehlerfrei ist.

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In einem breitbandigen Differenzverstärker wirkt die Korrekturschaltungsanordnung unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Verstärkung bei tieferen Frequenzen größer und bei höheren Frequenzen kleiner ist. Es kann dabei davon ausgegangen werden, daß die Verstärkung bei tieferen
Frequenzen überhöht ist. Die Korrekturschaltungsanordnung korrigiert dabei niederfrequente Fehler im Frequenzgang des Verstärkers, so daß die Verstärkung im gesamten Frequenzbereich konstant ist. Das durch die Korrekturschaltungsanordnung erzeugte Korrektursignal kann zur Fehlerkorrektur in den Verstärker eingespeist werden. Die Korrekturschaltung sanordnung enthält dabei gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung mindestens ein regelbares Tiefpaßfilter zur Signalformung sowie zur Erzeugung eines Korrektursignals in einem vorgegebenen Frequenzbereich, der als
Korrekturfrequenzband bezeichnet werden kann. Außerhalb dieses Korrekturfrequenzbandes, d.h., bei höheren Frequenzen, ist die Korrekturschaltungsanordnung unwirksam, so daß für sie keine speziellen Hochfrequenzeigenschaften erforderlich sind. Die Korrekturschaltungsanordnung erzeugt keine Nichtlinearitäten. Andere Verstärkerauslegungen, beispielsweise Verstärker mit einer hochfrequenten Resonanzanhebung für eine Optimierung einer Sprungsignalcharakteristik sind .mit der erfindungsgemäßen Fehlerkorrektur kompatibel. Die erfindungsgemäße Korrekturschaltungsanordnung ist auch sowohl für Verstärker mit einem einzigen Eingang als auch für Verstärker mit einem differentiellen Eingang anwendbar.

Weitere spezielle Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:

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Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker;

Figur 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker mit einem Eingang;

Figur 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker mit differentiellem Eingang; und

Figur 4 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform für einen Verstärker mit differentiellem Eingang.

Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 1 wird ein Eingangssignal V an einer Eingangsklemme 10 in einen Verstärker 12 eingespeist. Dieser Verstärker 12 besitzt einen Verstärkungsfaktor K, der durch eine dem Verstärker eigene Verzerrung d um einen bestimmten Betrag geändert wird/ so daß sich eine Übertragungsfunktion V(K+d) ergibt. Die durch den Verstärker bedingten Verzerrungen können verschiedener Natur sein. Es~kann sich beispielsweise um Nichtlinearitäten/ um durch thermische Effekte bedingte Verzerrungen, um Frequenzverzerrungen oder Phasenverschiebungsverzerrungen handeln. .Die Natur der die Verzerrungen bedingenden Mechanismen sind bekannt, so daß eine Nachbildung durch ein Netzwerk mit einem Verzerrungsfaktor d¹ möglich ist.." Das Eingangssignal V wird über einen Pufferverstärker 14· in ein die Verzerrung nachbildendes Netzwerk 16 eingespeist, um ein Korrektursignal Vd¹ zu erzeugen. Dieses Korrektursignal und das Verstärkersigna 1- werden in einem Summationsknoten 18 überlagert, wobei das Korrektursignal Vd¹ vom Verstärkersignal V(K+d) subtrahiert wird. Das Ausgangssignal an einer Ausgangsklemme 20 ist Y=VK+V(d-d·). Wird der die Verzerrungen bedingende Mechanismus richtig nachgebildet,.so wird der zweite Summand

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auf der rechten Seite der Gleichung gleich Null, so daß lediglich der verstärkte Signalanteil erhalten bleibt.

Figur 2 zeigt ein Schaltbild eines breitbandigen Differenzverstärkers mit einem Nebenschluß-Korrekturkanal zur Korrektur von niederfrequenten Fehlern im Frequenzgang des Verstärkers, so daß die Verstärkung im gesamten Frequenzbereich konstant ist. Ein konventioneller breitbandiger Differenzverstärker mit einem einzigen Eingang und einem Gegentaktausgang enthält ein Paar"von Transistoren 40 und 42, deren Emitter über einen Widerstand 44 gekoppelt sind. Die Kollektoren der Transistoren 40 und 42 liegen über einen Lastwiderstand 46 bzw. einen Lastwiderstand 48 an einer positiven Versorgungsspannung +V, während die Emitter über Stromsenken 50 und 52 an einer negativen Versorgungsspannung -V liegen. Die Basis des Transistors 42 liegt über einen Widerstand 54 an Masse, um eine Eingangsreferenzspannung für den Verstärker zu erzeugen. Das Eingangssignal wird über eine Eingangsklemme 60 in die Basis des Transistors 40 eingespeist. Die Signalspannung fällt am Widerstand 44'ab, wodurch über die Transistoren 40 und 42 zur Erzeugung eines Gegentakt-Ausgangssignals an den Widerständen 46 und 48 ein Signalstrom fließt. Das Ausgangssignal ist an Ausgangsklemmen 66 und 68 abnehmbar. Die Nebenschluß-Korrekturschaltungsanordnung liegt zwischen der Eingangsklemme 60 und der Basis des Transistors 42. Das Eingangssignal wird zunächst durch einen Operationsverstärker 100 mit zugehörigen Widerständen 101 und 103" auf einen geeigneten Wert verstärkt. Am Ausgang des Verstärkers 100 liegt ein Tiefpaßfilter-Netzwerk mit regelbaren Filtern 110, 120 und 130. Die Filter sind mit Ausnahme der Werte ihrer Schaltungselemente identisch ausgebildet, wobei'die Werte so gewählt sind, daß jedes Filter einen vorgegebenen Frequenzbereich besitzt, in dem es Signale ohne Verluste überträgt. Beispielsweise.kann das Filter 110 Signale in einem Frequenzbereich f_Q bis f.. , das Filter 120 Signale

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in einem Frequenzbereich von f.. bis f„ und das Filter 130 Signale in einem Frequenzbereich von f„ bis f₃ durchlassen. Damit ist ein Korrekturfrequenzband f~ bis f_ realisiert. Für eine niederfrequente Korrektur kann es vorteilhaft sein, die untere Bandgrenze der Filter auf die Frequenz Null und die oberen Bandgrenzen auf die Frequenzen f., f₂ und f₃ zu legen, da die an Operationsverstärker-Eingangswiderständen 118, 128 und 138 abfallenden Spannungen summiert werden. Anstelle der dargestellten Zahl von drei Filtern können als Funktion des geforderten Korrekturfrequenzbandes auch andere Anzahlen von Filtern vorgesehen werden. In einer praktischen kommerziell erhältlichen Ausführungsform sind vier Filter-Netzwerke mit jeweils einem Frequenzbereich von 0 bis zu einer höheren Frequenz vorgesehen, um zur Reduzierung der Frequenzüberhöhung bei tiefen Frequenzen in einem Breitbandverstärker ein Korrekturfrequenzband von 0 bis etwa 2 MHz zu realisieren.

Das gefilterte Signal wird invertiert und durch einen Operationsverstärker 50 mit einem zugehörigen Rückkoppelwiderstand 152 verstärkt und sodann durch Widerstände 154 und gedämpft, um an der Basis des Transistors 42 ein Korrektursignal mit dem richtigen Wert zu erzeugen. Da das Korrektursignal im Gleichtakt mit dem Eingangssignal eingespeist wird,, wird eine überhöhte Amplitude im Korrektur frequenzband kompensiert. Bei höheren Frequenzen, das heißt, bei Frequenzen oberhalb des Korrekturfrequenzbandes von 0 bis MHz ist die Korrekturschaltungsanordnung unwirksam, wobei der breitbandige Verstärker dann allein wirksam ist. Die Korrekturschaltungsanordnung bewirkt keinerlei Nichtlinearitäten, wobei darüber hinaus auch andere Verstärkerausführungsformen, beispielsweise Verstärker mit Resonanzüberhöhung zur Optimierung des Verstärkerverhaltens vorgesehen werden können.

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Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsformen von Korrekturschaltungsanordnungen für Verstärker mit differentiellen EingangsSignalen. In diesen Figuren sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein differentielles Eingangssignal wird über Eingangsklemmen 200 und 201 in die Basen eines Paars von Transistoren 204 und 206 eingespeist, deren Emitter über einen Emitterwiderstand 208 gekoppelt sind. Die Kollektoren der Transistoren 204 und liegen über einen Lastwiderstand 212 bzw. 214 an einer positiven Versorgungsspannung +V, während ihre Emitter über einen Emitterwiderstand 216 bzw. 218.an einer negativen Versorgungsspannung -V liegen. An den Kollektoren der Transistoren 204" und 206 entsteht ein Gegentakt-Ausgangssignal, das an Ausgangsklemmen 220 und 222 abnehmbar ist.

Die differentiellen Eingangssignale werden über Widerstände 230 und 232 in einen Operationsverstärker 235 eingespeist. Ein Widerstand 236 bildet einen Rückkoppelwiderstand für den Operationsverstärker, während ein Widerstand 238 mit dem Widerstand 232 einen Spannungsteiler bildet.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers wird in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 in ein Filternetzwerk 110¹, •120'/ 130' und einen Operationsverstärker 150' eingespeist, wobei diese Komponenten mit den entsprechenden Komponenten der Schaltungsanordnung nach Fig·. 2 identisch sind. Das am Ausgang des Verstärkers 150" erzeugte Korrektursignal wird durch einen Korrektursignal-Differenzverstärker mit Transistoren 250 und 252 in ein Gegentaktsignal überführt, wobei die Emitter dieser Transistoren über einen Emitterwiderstand 254 miteinander gekoppelt sind. Die Kollektoren der Transistoren 250 und 252 liegen an den Kollektoren der Transistoren 204 und 206, während die Emitter der Transistoren 250 und 252 über einen Emitterwiderstand 256 bzw. 258 an der

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negativen Versorgungsspannung -V liegen. Die Basis des Transistors 250 liegt an einer Referenzspannung, beispielsweise an Masse, während in die Basis des Transistors 252 das Korrektursignal eingespeist wird. Wegen der beiden Polaritätsinversionen in der Korrekturschaltungsanordnung ist das Korrektursignal an der Basis des Transistors 252 mit der Verstärker-Eingangssignalkomponente an der Basis des Transistors 204 in Phase und gegen die Verstärker-Eingangssigna lkomponente an der Basis des Transistors 206 um 180° in der Phase verschoben. Das differentielle Korrektursignal an den Kollektoren der Transistoren 250 und 252 besitzt dabei gegen das differentielle Signal an den Kollektoren der Transistoren 204 und 206 gegensinnige Polarität, so daß das Korrektursignal zur Erzeugung eines fehlerfreien Ausgangssignals an den Ausgangsklemmen 220 und 222 vom Verstärkersignal subtrahiert wird.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 235 in ein einen regelbaren Spannungsteiler enthaltendes Filternetzwerk eingespeist, das durch zwischen Masse und der negativen Versorgungsspannung -V liegende Widerstände 270, 272, 274 und 276, Widerstände 280, 282, 284 und 286 sowie Kapazitäten 292, 294 und 296 gebildet wird. Das am Ausgang des Filter-Netzwerkes erzeugte Korrektursignal wird durch einen Korrektursignal-Differenzverstärker mit Transistoren 300 und 302 in einen Gegentaktsignal überführt, wobei die Emitter dieser Transistoren über einen Widerstand 304 miteinander gekoppelt sind und über einen Widerstand 306 an der negativen Versorgungsspannung -V liegen. Die Kollektoren der Transistoren 300 und 302 sind mit den Kollektoren der Transistoren 204 und 206 gekoppelt, um das Korrektursignal vom Verstärkersignal zu subtrahieren, wodurch an den Ausgangsklemmen 220 und 222 ein fehlerfreies Ausgangssignal entsteht. Ein durch Widerstände 310, 312 und 314 gebildeter Spannungsteiler liegt an der Basis des Transi-

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stors 302, um den Korrektursignal-Differenzverstärker abgleichen zu können.

Die oben beschriebenen breitbandigen Differenzverstärker stellen lediglich ein einfaches Beispiel zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Korrekturkonzeptes dar. In der Praxis können auch hochfrequente mehrstufige Cascode-Verstärker verwendet werden/ wie sie beispielsweise in der US-PS 3 633 120 beschrieben sind.

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Claims

- Patentansprüche

Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker mit wenigstens einem an den Signaleingang angekoppelten pn-übergang, gekennzeichnet durch eine an den Signaleingang (10; 60; 200', 202) angekoppelten, dem HaH^eiterVerstarker (12; 40, 42; 204, 206) paraile^iegenden Schaltung (14, 16; 100, 103, 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; 235, 236, 110', 118¹, 120', 128.', 130', 138¹, 150', 152'; 235, 236, 270-276, 282-286, 292-296) mit einem Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; 1.10', 118¹, 120', 128¹, 130', 138', 150', 152"; 72 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296), der die durch den pn-übergang bedingte Verzerrung nachbildet und ein Korrektursignal erzeugt, das der durch die verzerrende Wirkung des pn-übergangs bedingten Fehlerkomponente im Verstärkersignal proportional ist, und durch eine das Korrektursignal und das Verstärkersignal zwecks Eiiminierung der Fehlerkomponente aus dem Verstärkersignal· überlagernde Stufe (18; in 40, 42; 250, 252; 300, 302).

2. Korrekturschaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Korrektur von durch eine Verstärkungsüberhöhung im Niederfrequenzbereich eines Breitbandverstärkers bedingten Fehlern, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Verstärker-Eingangssignal aufnehmende Stufe (14; 100, 103; 235, 236) vorgesehen ist, und daß der das Korrektursignal erzeugende Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154;. 110', 118', 128¹, 13O¹, 138* , 15O¹, 152'; 272 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296) das Korrektursignal erzeugt, wenn die Frequenz des Verstärker-Eingangssignals in einem vorgegebenen Korrekturfrequenzband liegt, und das Verstärker-Eingangssignal sperrt, wenn dessen Frequenz

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a,'

außerhalb des vorgegebenen Korrekturfrequenzbandes liegt.

3. Korrekturschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Eingangssignal aufnehmende Stufe (14; 100, 103; 235, 236) als Operationsverstärker mit vorgegebener Verstärkungscharakteristik ausgebildet ist.

4. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (235, 236) ein differentielles Eingangssignal aufnimmt (Fig. 3 und 4).

5. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der das Korrektursignal erzeugende Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; 110¹, 118', 120¹, 128', 130', 138', 150', 152; 272 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296) Tiefpaßfilter (110, 120, 130; 110¹,. 120', 130'"; 270 bis 276, 282 bis 286, 292 bis 296) enthält, welche in dem vorgegebenen Korrekturfrequenzband liegende Signale durchlassen.

6. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die .Tiefpaßfilter (110, 120, 130; 110', 12O¹, 130'; 270 bis 276, 282 bis 286, 292 bis 296) regelbare Spannungsteiler (116, 126, 136; 282 bis 286) zur Einstellung der Signaldämpfung enthalten.

7. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der das Korrektursignal erzeugende Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; 110", 118', 12O¹, 128¹, 130', 138",

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15O¹, 152¹; 272 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296) eine Ausgangs-Operationsverstärkerstufe (150, 152; 150', 152') enthält.

8. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen Breitbandverstärker in Form eines Differenzverstärkers mit einem Paar von emittergekoppelten Transistoren (40, 42), in dem die Basis eines ersten Transistors (40) das Verstärker-Eingangssignal aufnimmt und die Basis eines zweiten Transistors (42) an Bezugspotential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal zur überlagerung mit dem Verstärkersignäl in die Basis des zweiten Transistors (42) und damit im Gleichtakt mit dem Verstärker-Eingangssignal eingespeist ist (Fig. 2).

9. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als überlagerungsstufe ein parallel zum Breitbandverstärker (204, 206) liegender Differenzverstärker mit-Transistoren (250, 252; 300, 302) vorgesehen ist, deren Kollektoren zur algebraischen Subtraktion des Korrektursignals vom Verstärkersignal mit den Kollektoren der Transistoren (204, 206) des Breitbandverstärkers gekoppelt sind (Fig. 3 und 4).

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