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In bekannten Ausgangsstufen zur Ansteuerung von Lasten werden als
Schaltvorrichtungen Transistoren verwendet; die Kollektor-Emitter-Strecke des einen
Transistors liegt dabei zwischen der ersten Versorgungsspannungsklemme und der Ausgangsklemme,
und die Kollektor-Emitter-Strecke des anderen Transistors liegt zwischen der Ausgangsklemme
und der zweiten Versorgungsspannungsklemme. Eine solche Ausgangsstufe eignet sich
schlecht für die Abgabe binärer Signale an eine an die Ausgangsklemme angeschlossene
Last, wenn die binären Signale eine relativ große Amplitude haben und wenn eine
möglichst steile Signalflanke erforderlich ist. Die Forderung nach einer hohen Flankensteilheit
läßt sich jedoch mit den als Schaltvorrichtungen verwendeten Transistoren nicht
in befriedigender Weise realisieren. Die Flankensteilheit könnte zwar vergrößert
werden, wenn der jeweils zu schaltende Transistor mit hohem Strom angesteuert wird,
doch bedingt dies eine große Verlustleistung, so daß eine so aufgebaute Schaltung
nicht mehr ohne weiteres als integrierte Schaltung ausgeführt werden kann. -Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Ausgangsstufe der eingangs
geschilderten Art so auszugestalten, daß mit niedriger Ansteuerleistung eine große
Flankensteilheit der binären Signale erzielt wird, die an die an die Ausgangsklemme
angeschlossene Last angelegt werden soll.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß parallel zu
der zwischen der ersten Versorgungsspannungsklemme und der Ausgangsklemme liegenden
Schaltvorrichtung ein ebenfalls abhängig vom Anlegen des Signals mit dem einen Binärwert
an die Eingangsklemme in den leitenden Zustand versetzbares Halbleiterschaltelement
mit Thyristorverhalten geschaltet ist und daß parallel zu der zwischen der Ausgangsklemme
und der zweiten Versorgungsspannungsklemme liegenden Schaltvorrichtung ein ebenfalls
abhängig vom Anlegen des Signals mit dem anderen Binarwert an die Eingangsklemme
in den leitenden Zustand versetzbares Halbleiterschaltelement mit Thyristorverhalten
geschaltet ist.
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In der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe liegen parallel zu den Schaltvorrichtungen
Halbleiterschaltelemente mit Thyristorverhalten, die bei Zuführung eines niedrigen
Ansteuerstroms sehr schnell vom gesperrten Zustand in den leitenden Zustand übergehen.
Diese Schaltelemente ermöglichen eine große Flankensteilheit der der Last zuzuführenden
Signale, wobei dies, wie gesagt, unter Aufwendung eines sehr geringen Ansteuerstroms
erreicht werden kann. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die Ausgangsstufe ohne
weiteres in Form einer integrierten Schaltung hergestellt werden kann.
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Besonders gut geeignet ist die Ausgangsstufe für die Ansteuerung
kapazitiver Lasten. Bei solchen Lasten hört der Strom zur Last zu fließen auf, wenn
sie aufgeladen ist, so daß das jeweils eingeschaltete Schaltelement wieder in seinen
stromlosen Zustand übergeht, sobald der zur Last fließende Strom seinen Haltestromwert
unterschritten hat Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die Zeichnung erläutert, die ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Ausgangsstufe
zeigt Die dargestellte Ausgangsstufe enthält einen Schmitt-Trigger 1, an dessen
Eingangsklemme 2 ein digitales Signal angelegt werden kann, das einen von zwei Werten,
nämlich den H-Wert oder den L-Wert haben kann. Entsprechend den bei TTL-Schaltungen
üblichen Verhältnissen sei angenommen, daß das Signal mit dem H-Wert den Spannungswert
5 V hat und daß das Signal mit dem L-Wert den Spannungswert O V hat. Die Klemme
3 des Schmitt-Triggers 1 ist mit einer Versorgungsklemme 5a verbunden, die an Masse
liegt, und die Klemme 4 ist mit der Versorgungsspannungsklemme 5 verbunden. An der
Versorgungsspannungsklemme 5 soll eine Spannung von +25 V liegen.
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Der Schmitt-Trigger 1, der beispielsweise eine integrierte Schaltung
enthalten kann, weist zwei Ausgangsklemmen 6 und 7 auf, an denen er ein Ausgangssignal
in nichtnegierter und in negierter Form abgibt Liegt an der Eingangsklemme 2 ein
Signal mit dem H-Wert, also ein Signal mit der Spannung 5 V, gibt der Schmitt-Trigger
1 an der Ausgangsklemme 6 ebenfalls ein Signal mit dem H-Wert ab, während er an
der Ausgangsklemme 7 das entsprechende negierte Signal, also ein Signal mit dem
L-Wert abgibt Beim Anlegen eines Signals mit dem L-Wert an die Eingangsklemme 2
liegen die umgekehrten Verhältnisse
von Mit der Ausgangsklemme 6 des Schmitt-Triggers
1 ist eine Stromquelle 8 verbunden, die zwei voneinander entkoppelte Ausgänge 9
und 10 aufweist, an denen sie Ströme abgibt, wenn an ihren Eingang 11 ein Signal
mit dem H-Wert angelegt wird.
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Mit der Ausgangsklemme 7 des Schmitt-Triggers 1 ist eine weitere
Stromquelle 12 verbunden, die ebenso wie die Stromquelle 8 aufgebaut ist und an
ihren Ausgängen 13 und 14 Ströme liefert, wenn ihrem Eingang 15 vom Schmitt-Trigger
1 ein Signal mit dem H-Wert zugeführt wird.
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Mit dem Ausgang 9 der Stromquelle 8 ist die Basis eines PNP-Transistors
T1 verbunden, dessen Emitter mit der Versorgungsspannungsklemme 5 in Verbindung
steht und dessen Kollektor mit der Ausgangsklemme 16 der Ausgangsschaltung in Verbindung
steht In entsprechender Weise ist der Ausgang 14 der Stromquelle 12 mit der Basis
eines NPN-Transistors T2 verbunden, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor
mit der Ausgangsklemme 16 verbunden ist Der Ausgang 10 der Stromquelle 8 ist mit
dem Eingang 17 eines Treiberverstärkers 18 verbunden, der einen Sperreingang 19
aufweist In entsprechender Weise ist der Ausgang 13 der Stromquelle 12 mit dem Eingang
20 eines Treiberverstärkers 21 verbunden, der einen Sperreingang 22 aufweist Die
Sperreingänge 19 und 22 der Treiberverstärker 18 und 21 sind mit Verzögerungsschaltungen
23 bzw. 24 verbunden, deren Eingänge mit der Ausgangsklemme 16 der Ausgangsstufe
in Verbindung stehen.
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Zwischen der Versorgungsspannungsklemme 5 und der Ausgangsklemme
16 liegt ein Halbleiterschaltelement 25 mit Thyristorverhalten, das einen PNP-Transistor
T3 und einen NPN-Transistor T4 enthält Wie aus dem Schaltbild zu erkennen ist, ist
die Basis des Transistors T3 mit dem Kollektor des Transistors T4 verbunden, und
die Basis des Transistors T4 ist mit dem Kollektor des Transistors T3 verbunden.
Der Emitter des Transistors T3 ist an die Versorgungsspannungsklemme 5 angeschlossen,
und der Emitter des Transistors T4 steht mit der Ausgangsklemme 16 in Verbindung.
Das Schaltelement 25 ist ein Thyristor, dessen Anode vom Emitter des Transistors
T3 gebildet ist und dessen Kathode vom Emitter des Transistors T4 gebildet ist.
Genauer gesagt ist das Schaltelement 25 eine Thyristor-Tetrode, da es vier Anschlußklemmen
aufweist, wie das Schaltbild zeigt. Der Verbindungspunkt 26 zwischen der Basis des
Transistors T3 und dem Kollektor des Transistors T4 bildet die n-Basis der Thyristor-Tetrode,
während der Verbindungspunkt 27 zwischen der Basis des Transistors T4 und dem Kollektor
des Transistors T3 die p-Basis bildet. Das Schaltelement 25 zeigt das bekannte Thyristorverhalten,
was bedeutet, daß die Strecke zwischen der Anode und der Kathode in den leitenden
Zustand übergeht, wenn an die vom Verbindungspunkt 26 gebildete n-Basis ein Steuerstrom
angelegt wird; der leitende Zustand bleibt erhalten, auch wenn der Steuerstrom zu
fließen aufhört, und der Sperrzustand tritt erst dann wieder ein, wenn der Strom
zwischen Anode und Kathode unter einen vorbestimmten Haltestromwert absinkt Zwischen
der Ausgangsklemme 16 und der an Masse liegenden Versorgungsspannungsklemme 5a liegt
ein weiteres Halbleiterschaltelement 28 mit Thyristorverhalten, das in seinem Aufbau
und in seiner Wirkung mit dem Schaltelement 25 übereinstimmt Dies bedeutet,
daß
es einen PNP-Transistor T5 und einen NPN-Transistor T6 enthält; die Basis- und Kollektor-Anschlüsse
der beiden Transistoren sind wie im Schaltelement 25 verbunden. Auch das Schaltelement
28 ist ein Thyristor, genauer gesagt eine Thyristor-Tetrode mit einer vom Emitter
des Transistors T5 gebildeten Anode, einer vom Emitter des Transistors T6 gebildeten
Kathode, einer vom Verbindungspunkt 29 der Basis des.
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Transistors T5 und dem Kollektor des Transistors T6 gebildeten n-Basis
und einer vom Verbindungspunkt 30 der Basis des Transistors T6 und des Kollektors
des Transistors T5 gebildeten p-Basis.
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Der Verbindungspunkt 27 des Schaltelements 25 und der Verbindungspunkt
29 des Schaltelements 28 stehen miteinander in Verbindung.
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Zwischen die Versorgungsspannungsklemme 5 und den Verbindungspunkt
26 ist ein Widerstand R 1 eingefügt, der den Zweck hat, Leckströme abzuleiten, damit
diese nicht das Schaltelement 25 unbeabsichtigt in den leitenden Zustand versetzen.
Ein ebensolcher Widerstand R2 ist zwischen Masse und den Verbindungspunkt 30 des
Schaltelements 28 eingefügt.
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Mit der Ausgangsklemme 16 ist eine Last 31 verbunden, die im hier
beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Kondensator ist.
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Die beschriebene Ausgangsstufe verhält sich folgendermaßen: Wenn
an die Eingangsklemme 2 des Schmitt-Triggers 1 die Spannung 5 V, also ein Signal
mit dem H-Wert, angelegt wird, gibt der Schmitt-Trigger 1 an seinem Ausgang 6 ein
Signal ab, das die Stromquelle 8 veranlaßt, an ihren Ausgängen 9 und 10 Ströme zu
liefern. Gleichzeitig gibt der Schmitt-Trigger 1 an seinem Ausgang 7 das zum Signal
am Ausgang 6 negierte Signal ab, das zum Eingang 15 der Stromquelle 12 gelangt,
und bewirkt, daß an den Ausgängen 13 und 14 dieser Stromquelle 12 keine Ströme abgegeben
werden.
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Der von der Stromquelle 8 am Ausgang 10 abgegebene Strom gelangt
über den Treiberverstärker 18 zum Verbindungspunkt 26 des Schaltelements 25, und
er bewirkt, daß dieses Schaltelement aufgrund seines Thyristorverhaltens sehr schnell
vom gesperrten Zustand in den leitenden Zustand übergeht. Dieser Übergang vom gesperrten
Zustand in den leitenden Zustand hat einen sehr schnellen Anstieg der Spannung an
der Ausgangsklemme 16 auf einen Wert zur Folge, der, abgesehen vom Spannungsabfall
am Schaltelement 25, der an der Klemme 5 anliegenden Versorgungsspannung entspricht.
Bei dem bereits erwähnten Versorgungsspannungswert von 25 V kann mit der dargestellten
Ausgangsstufe eine Anstiegszeit der Spannung an der Ausgangsklemme 16 von etwa 15
ns erreicht werden.
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In der beschriebenen Ausgangsstufe muß dafür gesorgt werden, daß
von den beiden Schaltelementen 25 und 28 stets nur eines leitet, und das jeweils
andere stets gesperrt ist. Würden beide Schaltelemente 25 und 28 leiten, wäre praktisch
ein Kurzschluß zwischen der Versorgungsspannungsklemme 5 und Masse vorhanden.
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Zur Vermeidung dieses unerwünschten Zustandes ist in der dargestellten
Ausgangsstufe eine besondere Maßnahme vorgesehen. Wie das Schaltbild zeigt, stehen
die Verbindungspunkte 27 und 29 der Schaltelemente 25 und 28 direkt miteinander
in Verbindung. Dies hat zur Folge, daß die Basis-Emitter-Strecke des NPN-Transistors
T4 und die Basis-Emitter-Strecke des PNP-Transistors T5 parallelgeschaltet sind.
Wenn sich das
Schaltelement 25 im leitenden Zustand befindet, leiten auch die beiden
in ihm enthaltenen Transistoren, so daß zwischen Basis und Emitter des Transistors
T4 in bekannter Weise die Basis-Emitter-Spannung VBE vorhanden ist. Da es sich bei
den Transistoren T4 und T5 um zueinander komplementäre Transistortypen handelt,
wirkt die im Durchlaßzustand des Transistors T4 vorhandene Basis-Emitter-Spannung
VBEam Transistor T5 als Sperrspannung, die diesen Transistor sicher gesperrt hält.
Dadurch wird verhindert, daß an irgendeinem Zeitpunkt die Schaltelemente 25 und
28 gleichzeitig leiten.
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Mit dem Anstieg der Spannung an der Ausgangsklemme 16 lädt sich die
kapazitive Last 31 auf. Wenn angenommen wird, daß die kapazitive Last 31 ungeladen
ist, fließt dabei zunächst ein relativ großer Strom, der dann mit steigender Ladespannung
an der Last 31 abnimmt. Wie oben bereits erläutert wurde, verhält sich das Schaltelement
25 wie ein Thyristor, was bedeutet, daß es vom leitenden in den gesperrten Zustand
übergeht, wenn der hindurchfließende Strom unter einen vorbestimmten Haltestromwert
absinkt.
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Dieser Haltestromwert liegt in der Praxis so hoch, daß der zur Last
31 fließende Strom mit Sicherheit unter den Haltestromwert absinkt, wenn die Last
31 vollständig geladen ist. Dies gilt auch dann, wenn die Last 3t verlustbehaftet
ist, vorausgesetzt, daß der durch diese Last fließende Strom kleiner als der Haltestrom
ist.
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Nach dem Übergang des Schaltelements 25 in den leitenden Zustand,
der durch die Zuführung von Strom zum Verbindungspunkt 26 hervorgerufen wurde, geht
das Schaltelement 25 daher nach der vollständigen Aufladung der kapazitiven Last
31 automatisch wieder in den stromlosen Zustand über.
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Damit das Schaltelement 25 nach Erreichen des stromlosen Zustandes
sicher in diesem Zustand gehalten wird und bei einer Änderung der Spannungsverhältnisse
am Ausgang nicht erneut durch den vom Treiberverstärker 18 abgegebenen Strom wieder
in den leitenden Zustand versetzt werden kann, wird die Spannung an der Ausgangsklemme
16 auch an eine Verzögerungsschaltung 23 angelegt, die ein Signal an den Sperreingang
19 des Treiberverstärkers 18 abgibt, das diesen Verstärker sperrt. Nach dem Anstieg
der Spannung an der Ausgangsklemme 16 ist daher der Treiberverstärker 18 gesperrt,
so daß zum Verbindungspunkt 26 kein Strom fließen kann, der das Schaltelement 25
wieder in den leitenden Zustand versetzen könnte. Die Verzögerungsschaltung 23 kann
beispielsweise aus in Serie geschalteten Negatorstufen bestehen, die aufgrund ihrer
internen Schaltverzögerungszeiten das Sperrsignal an den Sperreingang 19 in bezug
auf den Spannungsanstieg an der Ausgangsklemme 16 verzögert anlegen.
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Gleichzeitig mit der Abgabe des Stroms am Ausgang 10 der Stromquelle
8 wird auch am Ausgang 9 ein Strom abgegeben, der der Basis des Transistors T1 zugeführt
wird. Dieser Strom versetzt den Transistor T 1 in den leitenden Zustand, jedoch
erfolgt dieser Übergang, wie es bei normalen Transistoren bekannt ist, wesentlich
langsamer als bei einem Schaltelement mit Thyristorverhalten. Wie Messungen gezeigt
haben, dauert der Anstieg der Spannung am Kollektor des Transistors T1 auf den Wert
der Versorgungsspannung an der Versorgungsspannungsklemme 5 (bei Vernachlässigung
des Spannungsabfalls an der Emitter-Kollektor-Strekke) etwa 150 ns, was den zehnfachen
Wert der Dauer des Spannungsanstiegs an der Kathode des Schaltelements 25 entspricht.
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Der Transistor T1 wird parallel zum Schaltelement 25 deshalb verwendet,
weil die Last 31 in der Praxis kein ideal kapazitives Verhalten hat, sondern aufgrund
von Leckströmen, die anfänglich auf sie aufgebrachte Ladung wieder verliert. Der
in den leitenden Zustand versetzte Transistor T1 liefert den zur Aufrechterhaltun
der Ladung notwendigen Strom an die Last 31.
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Wenn nun an die Eingangsklemme 2 des Schmitt-Triggers 1 ein Signal
mit dem L-Wert, also eine Spannung mit dem Massewert 0 V, angelegt wird, muß die
dargestellte Ausgangsstufe dafür sorgen, daß auch an der Ausgangsklemme 16 ein Signal
mit dem Massewert erscheint (bei Vernachlässigung der an den enthaltenen Transistoren
auftretenden Restspannungen). Der Schaltungsteil, der für die Erzeugung des Signals
mit dem Massewert an der Ausgangsklemme 16 verantwortlich ist, ist völlig übereinstimmend
mit dem zuvor beschriebenen Schaltungsteil aufgebaut, der den Spannungsanstieg an
der Ausgangsklemme 16 beim Anlegen eines Signals mit dem H-Wert an die Eingangsklemme
2 bewirkte. Der den Massewert an der Ausgangsklemme 16 erzeugende Schaltungsteil
verhält sich daher auch völlig analog zu dem zuvor beschriebenen Schaltungsteil.
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Das Signal mit dem L-Wert an der Eingangsklemme 2 des Schmitt-Triggers
1 hat zur Folge, daß der Schmitt-Trigger an seinem Ausgang 7 ein Signal abgibt,
das die Stromquelle 12 veranlaßt, an ihren Ausgängen 13 und 14 Ströme zu liefern.
Gleichzeitig erscheint am Ausgang 6 des Schmitt-Triggers 1 ein Signal, das bezüglich
des Signals am Ausgang 7 negiert ist und die Stromquelle 8 unwirksam macht Die Stromquelle
8 kann daher an ihren Ausgängen 9 und 10 keine Ströme abgeben.
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Der Strom am Ausgang 13 der Stromquelle 12 gelangt über den Treiberverstärker
21 zum Verbindungspunkt 30 des Schaltelements 28, so daß dieses in den leitenden
Zustand übergeht Da das Schaltelement 29 ein Schaltelement mit Thyristorverhalten
ist, wie bereits erwähnt wurde, erfolgt der Übergang in den leitenden Zustand sehr
schnell, so daß demgemäß die kapazitive Last 31 sehr schnell auf den Massewert entladen
werden kann. Die sich im leitenden Zustand des Schaltelements 28 zwischen der Basis
und dem Emitter des Transistors T5 einstellende Spannung VBE wirkt sich am Schaltelement
25 zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T4 als Sperrspannung aus,
so daß das Schaltelement 25 mit Sicherheit gesperrt gehalten wird.
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Solbald der während der Entladung des Lastelements 31 durch das Schaltelement
28 nach Masse fließende Entladestrom unter den Haltestromwert des Schaltelements
28 abgesunken ist, geht dieses Schaltelement 28
wieder in den stromlosen Zustand
über. Während dieser Vorgänge hat auch der Strom vom Ausgang 14 der Stromquelle
12 den Transistor T2 in den leitenden Zustand versetzt, so daß nunmehr parallel
zur Last 31 der leitende Transistor T3 liegt, der, abgesehen von der Kollektor-Emitter-Restspannung
an der Ausgangsklemme 16, den Massewert aufrechterhält und die Last 31 im entladenen
Zustand hält Der Massewert an der Ausgangsklemme 16 gelangt über die Verzögerungsschaltung
24 auch zum Sperreingang 22 des Treiberverstärkers 21, so daß dieser gesperrt wird
und dem Schaltelement 28 keinen Strom mehr zuführt.
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In der beschriebenen Schaltung wird das schnelle Schaltverhalten
der Schaltelemente 25 und 28 zum Umschalten der Spannung an der Ausgangsklemme 16
von dem niedrigen Wert auf einen hohen Wert und umgekehrt ausgenützt, wobei ein
zusätzlicher wesentlicher Vorteil darin besteht, daß für die Durchführung der Umschaltvorgänge
nur eine geringe Schaltleistung benötigt wird. Die beschriebene Schaltung eignet
sich daher vor allem für solche Anwendungsfälle, in denen hauptsächlich kapazitive
Lasten mit binären Signalen, die einen relativ hohen Spannungshub haben, mit hoher
Geschwindigkeit und mit minimaler Leistung angesteuert werden müssen. Ein solches
Anwendungsgebiet ist die Impulserzeugung und Impulsverarbeitung in CCD-Kameras.
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Die dargestellte Ausgangsstufe läßt sich ohne weiteres in Form einer
integrierten Schaltung herstellen. Wenn auf die vollständige Integration der Ausgangsstufe
verzichtet wird und in Kauf genommen wird, daß externe Schaltungselemente hinzugefügt
werden, können die Treiberverstärker 18, 21 und die Verzögerungsschaltungen 23,24
weggelassen und durch jeweils einen zwischen die Ausgänge 10 und 13 und die Verbindungspunkte
26 bzw. 30 eingefügten Kondensator ersetzt werden. Ein solcher Kondensator hätte
die Wirkung, daß nur eine an den Ausgängen 10 und 13 der Stromquellen 8 bzw 12 auftretende
Stromänderung zu den Schaltelementen 25 bzw. 28 übertragen wurde, während nach Beendigung
der Stromänderung kein Strom mehr zu den Verbindungspunkten 26 bzw. 30 fließen würde.
Es wäre daher nicht notwendig, ein Sperrsignal von der Ausgangsklemme 16 abzuleiten
und die Verbindung zwischen den Stromquellen und dem zugehörigen Schaltelement zu
sperren Da Kondensatoren mit der für den geschilderten Zweck erforderlichen Kapazität
nicht in einer integrierten Schaltung untergebracht werden können, müßten sie außen
an eine den Rest der dargestellten Ausgangsstufe enthaltende integrierte Schaltung
angeschlossen werden.
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