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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Rauschreduktion in
Schaltungsanordnungen und im Besonderen die Reduktion von Gleichtaktrauschen,
das von einem Verstärker,
etwa einem Eintakt-Verstärker,
abgefühlt
wird, indem zumindest eine Abschirmung für den Verstärker bereitgestellt und ein kapazitives
Element zwischen der Abschirmung und einem Eingang in den Verstärker gekoppelt
wird, sodass zwischen den Eingängen
des Verstärkers
und jedem Rückleitungsweg
für einen
Gleichtaktstrom eine symmetrierte Impedanz geschaffen wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Qualität
des von einem Verstärker
zur Verstärkung
eines Kleinsignals erzeugten Ausgangssignals ist gegenüber Gleichtaktrauschen
sehr empfindlich, da zur Erzeugung eines brauchbaren Spannungspegels
aus dem relativ niedrigen Spannungspegel des Kleinsignals ein relativ
hoher Verstärkungsfaktor
benötigt
wird. Beispielsweise muss der Verstärker für ein Kleinsignal mit einem
Maximalpegel von 10 Millivolt eine 500fache Verstärkung bereitstellen,
um ein Ausgangssignal, das das verstärkte Kleinsignal wiedergibt,
mit einem brauchbareren Spannungspegel von 5 Volt zu erzeugen.
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Gleichtaktrauschen
ist oft die Hauptrauschquelle in einem Ausgangssignal, das aus einem Kleinsignal
erzeugt wird, welches zur Verstärkung
an die Eingänge
eines Verstärkers
geführt
wurde. So ist beispielsweise die Qualität eines Ausgangssignals aus
einem Eintakt-Verstärker
für Gleichtaktrauschen anfällig. Gleichtaktsignale
können
bestehen, wenn ein Schaltkreis eine Schleife umfasst, die es einem Strom
erlaubt, von der Quelle der Gleichtaktsignale durch alle betreffenden
Signalwege zu fließen
und über
einen Nicht-Signalweg zur Quelle der Gleichtaktsignale zurückzukehren.
Typischerweise werden Gleichtaktsignale durch elektrische Felder
oder Gradienten erzeugt, die entweder in allen betreffenden Signalwegen
oder in einem beliebigen anderen Nicht-Signalweg in die Schaltkreisschleife
oder in beides eingekoppelt werden. Diese Gleichtaktsignale führen dazu,
dass Gleichtaktströme
durch die Gleich taktschaltkreisschleife fließen. Jedwede Impedanzunsymmetrie
zwischen den Signalen führt
dazu, dass der Gleichtaktstrom eine Differenzspannung zwischen den
eine Unsymmetrie aufweisenden Leitungen erzeugt. Daraus ergibt sich,
dass im Ausgangssignal des Verstärkers
gemeinsam mit dem betreffenden Signal auch Gleichtaktrauschartefakte
gegenwärtig
sind.
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Bisher
wurden auf dem Gebiet der Erfindung mehrere Versuche unternommen,
das Problem der Beseitigung oder der Unterdrückung des Gleichtaktrauschens,
das am Eingang eines Verstärkers
gegenwärtig
ist, so zu lösen,
dass das vom Verstärker erzeugte
Ausgangssignal ein hohes Verhältnis
von Kleinsignal zu Gleichtaktrauschen, d.h. ein verbessertes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR), aufweist.
Die Versuche nach dem Stand der Technik umfassen die folgenden:
- (1) Die Reduktion der Auswirkung der Änderung eines äußeren elektrischen
Felds durch das physische Wegversetzen der Quelle des Kleinsignals vom
elektrischen Feld;
- (2) das Verwenden eines separaten Differenzverstärkers zur
Anhebung des CMRR durch die Umwandlung eines Eintakt-Eingangs in
den Verstärkers
in einen Differenzeingang;
- (3) die elektrische Isolierung des Verstärkers zur Anhebung des CMRR;
und
- (4) die Verbesserung des CMRR durch das Anheben der Gegentaktimpedanz
und das gleichzeitige Senken der Gleichtaktimpedanz, indem eine zusätzliche
Schaltung hinzugefügt
wird, welche aktive Bauteile, wie etwa Operationsverstärker, umfasst.
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In 1A ist
ein schematischer Überblick 10 eines
elektronischen Schaltkreises zur Verstärkung eines Signals mit einem
nicht isolierten Eintakt-Verstärker
nach dem Stand der Technik veranschaulicht. Ein Ende einer Gleichtaktrauschquelle 18 ist über eine
parasitäre
Kapazität 15 erdgekoppelt,
während ein
anderes Ende der Rauschquelle an einer Kleinsignalquelle 16 angeschlossen
ist. Die Kleinsignalquelle 16 ist durch ihre Quellenimpedanzelemente
(dargestellt durch einen Widerstand 22 und einen Widerstand 24)
an einen Eingang eines Eintakt-Verstärkers 12 sowie an
den Referenzeingang für
den Verstärker gekoppelt.
Die nicht isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt) des
Verstärkers
ist sowohl mit Erde als auch mit Schaltkreis-Masse verbunden. Die
Impedanz für
den Gleichtaktstrom ist in den Leitungssignalen unsymmetrisch. Dies
führt dazu,
dass fast der gesamte Gleichtaktstrom durch den Widerstand 24 fließt, was
an den Widerständen 22 und 24 zu
unterschiedlichen Spannungsabfällen
führt.
Der Unterschied der Spannungsabfälle
wird zur Signalquelle 16 hinzuaddiert und bildet ein Artefakt
im Ausgangssignal. Da die Referenz für den Verstärker an die Schaltkreis-Masse
gekoppelt ist, ist am Eingang des Verstärkers keine Gleichtaktspannung,
wie in den nachstehenden 1B und 1C,
gegenwärtig.
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1B ist
eine schematische Übersicht 26, die
einen Differenzverstärkerschaltkreis
veranschaulicht, der zwei (invertierend- und nicht-invertierend-) Eingänge verwendet,
um die Signalquelle anzuschließen
und die Rauschquelle 15 für beide Eingänge gleich
wirken zu lassen. Eine Signalquelle 16 ist durch ihre Quellenimpedanzelemente
(dargestellt durch die Widerstände 22 und 24)
an beide Eingänge des
Verstärkers 20 angekoppelt.
Die Rauschquelle 18 ist über die parasitäre Kapazität erdgekoppelt.
Die Rauschquelle 18 ist auch an der Signalquelle 16 angeschlossen
und ist an beiden Eingängen
des Verstärkers
gegenwärtig.
Die nicht isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt) des
Verstärkers
ist sowohl mit der Erde als auch der Schaltkreis-Masse gekoppelt.
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Obwohl
der Schaltkreis nach dem Stand der Technik aus 1B das
CMRR verbessert, sorgt er nur für
eine relativ kleine Gleichtaktimpedanz, und dieser Schaltkreis ermöglicht es,
das Gleichtaktspannungssignal durch beide Eingänge des Verstärkers einzuprägen. Ist
das Gleichtaktspannungssignal größer als
die Versorgungsspannung des Verstärkers, so ist der Verstärker gesättigt und
verstärkt
das an den Eingängen
eingeprägte
Kleinsignal nicht mehr.
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In 1C veranschaulicht
eine schematische Übersicht 30 einen
Differenzverstärkerschaltkreis
nach dem Stand der Technik, der im Wesentlichen dem in 1B gezeigten
Schaltkreis ähnlich ist.
In diesem Fall wird eine isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt)
verwendet, um den Verstärker 20 mit
Energie zu beaufschlagen. Eine parasitäre Kapazität (dargestellt durch die Kapazität 28) wird
durch die Nähe
der Massefläche
der Vorrichtung zur Erde erzeugt. Obwohl durch das Anheben der Gleichtaktimpedanz
der Gleichtaktstrom gemindert wird, ist das Gleichtaktsignal noch
immer zumindest teilweise an allen Eingängen des Verstärkers gegenwärtig, da
sowohl eine Verbindung mit der Erde durch die Kapazität 28 als
auch eine andere Verbindung mit der Schaltkreis-Masse vorliegt.
Wie auch bei der in 1B gezeigten Schaltung können diese
Gleichtaktsignale den Gleichtakteingangsbereich des Verstärkers überschreiten
und so zu Fehlern im Ausgang führen.
Allerdings funktioniert dieser Schaltkreis bei höheren Gleichtaktsignalpegeln
als jenen aus 1B noch korrekt. Ein Nachteil
dieses Schaltkreises nach dem Stand der Technik liegt darin, dass
keiner der Eingänge
tatsächlich
als externe Referenz für Merkmale,
wie etwa eine serielle Ausgabe, verwendet werden kann, da beide
Eingänge
in Bezug auf die Schaltkreis-Masse erdfrei sind.
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1D veranschaulicht
einen schematischen Überblick 32 eines
Verstärkungsschaltkreises nach
dem Stand der Technik, der im Wesentlichen dem aus 1A ähnlich ist.
In diesem Fall wird aber der Verstärker 12 so wie in 1C durch
eine isolierte Spannungsversorgung (nicht dargestellt) mit Energie
beaufschlagt. Eine parasitäre
Kapazität
(dargestellt durch die Kapazität 28)
wird durch die Nähe
der Massefläche
der Vorrichtung zur Erde erzeugt. Allerdings ist die Impedanz gegenüber dem
Gleichtaktstrom, so wie in 1A, in
den Signalleitungen unsymmetrisch. Dies führt dazu, dass fast der gesamte Gleichtaktstrom
durch den Widerstand 24 fließt, was an den Widerständen 22 und 24 zu
unterschiedlichen Spannungsabfällen
führt.
Der Unterschied der Spannungsabfälle
wird zur Signalquelle 16 hinzuaddiert und bildet ein Artefakt
im Ausgangssignal. Da die Referenz für den Verstärker an die Schaltkreis-Masse gekoppelt ist,
ist am Eingang des Verstärkers
keine Gleichtaktspannung, wie in den 1B und 1C, gegenwärtig.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Verwendung der in 1D dargestellten Konfiguration
und der Vorteile, die diese mit sich bringt, beseitigt aber das
Problem der unsymmetrischen Impedanzen gegenüber den Gleichtaktströmen in den
Signalleitungen. Dies geschieht durch das Umgeben der elektronischen
Schaltungsanordnung mit zwei Abschirmungen – einer massiven inneren Abschirmung,
die mit der Schaltkreis-Masse und dem Referenzeingang verbunden
ist, und einer äußeren Gitterabschirmung, die
mit einem Nicht-Referenzsignalweg im Schaltkreis verbunden ist,
so wie in Anspruch 1 definiert ist. Auf diese Weise ermöglicht die
Erfindung gegebenenfalls die Verstärkung eines betreffenden Kleinsignals
auf einen brauchbaren Spannungspegel, ohne dabei ein Ausgangssignal
zu erzeugen, das zudem eine relativ große Komponente an Gleichtaktrauschen
umfasst.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die vollständige
Abschirmung eine weitere Abschirmung, die zumindest einen Abschnitt
des Verstärkers
im Schaltkreis abdeckt. Die andere Abschirmung ist an die Massefläche des
Schaltkreises angeschlossen und kann von den anderen Bauteilen der
Schaltungsanordnung isoliert sein. Es ist vorgesehen, dass die andere
Abschirmung aus einem großmaschigen,
leitfähigen
Material hergestellt ist.
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Auch
ist vorgesehen, dass eine weitere Verbindung zwischen der äußersten
Abschirmung und einer Kleinsignalquelle hergestellt ist. Diese Verbindung
kann einen Weg mit niedrigerer Impedanz auf einem Gleichtaktstrom
bereitstellen und somit die Wahrscheinlichkeit einer Umwandlung
von Gleichtakt- zu Gegentakt-Signal senken. Außerdem versteht sich, dass
die vorliegende Erfindung auch auf andere Schaltungsanordnungen,
die andere Schaltkreise beinhalten, beispielsweise ein A/D-Wandler, angewendet
werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorangegangenen Aspekte und zahlreiche Vorteile dieser Erfindung
treten deutlicher zutage, wenn die folgende zum besseren Verständnis dienende
detaillierte Beschreibung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in denen:
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die 1A–1D die
Versuche nach dem Stand der Technik veranschaulichen, das von einem Verstärker abgefühlte Gleichtaktrauschen
zu reduzieren;
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2A die
vollständige
innere und äußere Abschirmung
mit der zwischen den Abschirmungen angeordneten parasitären Kapazität und der
hinzugefügten,
zur parasitären
Kapazität
passenden diskreten Kapazität
veranschaulicht;
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2B eine 2A ähnliche
Abbildung ist, aber veranschaulicht, dass die innere Abschirmung nicht
vollständig
die Schaltungsanordnung umgeben muss – was bei einer Massefläche der
Fall wäre –, wenn
die Rauschemissionen und die Empfindlichkeit des Schaltkreises in
dieser Konfiguration eine annehmbare Größe aufweisen;
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3 ein
schematisches Modell des Betriebs des Kleinsignal-Verstärkungsschaltkreises
mit einer Gitterabschirmung oder einer grobmaschigen Abschirmung
ist;
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4A die äußere Gitterabschirmung
mit einer vollständigen
inneren Abschirmung gemeinsam mit der parasitären und dem diskreten Kapazität zeigt,
die in dieser Ausführungsform
ausgebildet oder hinzugefügt
wurden;
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4B eine 4A ähnliche
Abbildung ist, aber veranschaulicht, dass die innere Abschirmung nicht
vollständig
die Schaltungsanordnung umgeben muss – was bei einer Massefläche der
Fall wäre –, wenn
die Rauschemissionen und die Empfindlichkeit des Schaltkreises in
dieser Konfiguration eine annehmbare Größe aufweisen; und
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5 eine
Querschnittsansicht von der Seite ist, die einen Defibrillator mit
einer internen "inneren" Abschirmung, welche
die Leiterplatte umgibt, und einer internen "äußeren" Abschirmung, welche die
innere Abschirmung umgibt, der Spannungsversorgung und der Entladungskapazität sowie
mit einer Kapazität,
die zwischen der internen "äußeren" Abschirmung und
dem Signaleingang der Leiterplatte eingekoppelt ist, zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Symmetrierung
der Impedanz gegenüber
einem Gleichtaktstrom in den von einer Signalquelle kommenden Signalleitungen
bereit. Durch die Bereitstellung einer inneren und äußeren Abschirmung rund
um einen elektronischen Schaltkreis und das Hinzufügen einer
Impedanz zwischen der äußeren Abschirmung
und den nicht vom Schaltkreis für
eine Referenz verwendeten Signalleitungen ist es möglich, die
Impedanz auf dem Gleichtaktstrom für alle Signalleitungen zu symmetrieren.
Diese symmetrierte Impedanz gegenüber Gleichtaktströmen führt zu symmetrierten
Gleichtaktströmen
in allen Signalleitungen, was wiederum zu einer Nicht-Umwandlung der
Gleichtaktsignale in Gegentaktsignale an den Eingängen der
elektronischen Schaltungsanordnung mit sich bringt. So wird eine
Wirkung erzielt, die das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) einer Verstärkungsschaltung
verbessert, aber nicht von den Eigenschaften des Verstärkers oder
der zugeordneten Schaltungen abhängt.
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In
der folgenden Beschreibung der Erfindung wird die Erfindung mit
massiven und Gitterabschirmungen beschrieben. Eine massive Abschirmung
ist eine Abschirmung, die aus einem durchgehenden Stück eines
leitenden Materials mit Mindestanzahl an Rissen oder Löchern im
leitenden Material, beispielsweise dort, wo die Eingänge in die
Abschirmung hinein geführt
sind, hergestellt ist. Eine Gitterabschirmung ist eigentlich ein
massives Material mit großen Durchbrechungen
oder Löchern
in der leitenden Schicht. Die Wirkung besteht darin, dass elektrische Felder
zwar die Gitterabschirmung "durchdringen" können, nicht
aber die massive Abschirmung. Eine Gitterabschirmung kann durch
eine Maschenabschirmung ersetzt werden, die typischerweise aus gewebten,
leitenden Elementen besteht. Ist das Gewebe sehr dicht (d.h. sind
sehr kleine oder gar keine Löcher im
Gewebe), so wirkt die Maschenabschirmung ähnlich wie die massive Abschirmung.
Ist das Gewebe hingegen sehr locker (d.h. sind große Löcher im
Gewebe), so wirkt die Maschenabschirmung ähnlich wie eine Gitterabschirmung.
Die Verwendung einer Maschenabschirmung ist in der folgenden Beschreibung optional,
wobei es sich versteht, dass eine passende Art von Maschenmaterial
verwendet werden muss, um die Gitterabschirmung zu ersetzen.
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Die
vorliegende Erfindung setzt voraus, dass die abgeschirmte Schaltungsanordnung
von der Erde isoliert ist. Zwei Möglichkeiten, wie dies umgesetzt
werden kann, bestehen einerseits in der Isolierung der gesamten
Vorrichtung, die die abgeschirmte Schaltungsanordnung umfasst, und
andererseits in der Verwendung einer Isoliersperre zwischen der Schaltungsanordnung,
die nicht von der Erde isoliert ist, und der abgeschirmten Schaltungsanordnung. Die
zweite Art der Umsetzung verlangt isolierte Stromversorgungen und
Datenübertragungsschaltungsanordnungen.
Die vorliegende Erfindung kann mit beiden Arten der Umsetzung verwendet
werden.
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Die 2A und 2B stellen
Beispiele dar, die auf dem Prinzip des Anpassens einer diskreten
Kapazität
an die parasitäre
Kapazität,
die zwischen der Abschirmung und entweder der Massefläche oder
einer internen Abschirmung ausgebildet ist. In 2A ist
eine schematische Übersicht 34 einer massiven "äußeren" Abschirmung 42 bereitgestellt, die
eine massive "interne" Abschirmung 46A umgibt, welche
wiederum den Verstärker 26 umgibt.
Ein Ende der Rauschquelle 18 ist an eine Kapazität 15 gekoppelt,
die eine parasitäre
Kapazität
zwischen der Erde und der Rauschquelle darstellt. Ein anderes Ende
der Rauschquelle 18 ist am Anschluss A parallel an ein
Ende einer widerstandsbehafteten Leitung (dargestellt durch den
Widerstand 22) und an ein Ende der anderen widerstandsbehafteten
Leitung (dargestellt durch den Widerstand 24) gekoppelt.
Ein anderes Ende des Widerstands 22 ist an den Eingang
des Verstärkers 26 und
ein anderes Ende des Widerstands 24 ist an die Referenz
des Verstärkers gekoppelt,
die ebenfalls an Schaltkreis-Masse gelegt ist. Zudem ist ein Kleinsignal
zur Verstärkung
durch eine Kleinsignalquelle (nicht dargestellt) bereitgestellt,
die zwischen den Widerständen 22 und 24 zwischengeschaltet
ist.
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Eine
massive äußere Abschirmung 42,
die aus einem leitenden Material hergestellt ist, umgibt die massive
innere Abschirmung 46A und den Verstärker 26. Eine Kapazität 36A ist
zwischen der massiven inneren Abschirmung 46A und der massiven äußeren Abschirmung 42 eingekoppelt
und stellt die parasitäre
Kapazität
der inneren Abschirmung zur äußeren Abschirmung
dar. Eine Kapazität 38A ist zwischen
der massiven äußeren Abschirmung 42 und
der Erde eingekoppelt und stellt die parasitäre Kapazität der massiven äußeren Abschirmung
zur Erde dar. Eine diskrete Kapazität 40A ist zwischen der
massiven äußeren Abschirmung 42 (am
Anschluss B) und dem Eingang (am Anschluss C) des Verstärkers angeschlossen.
Der Wert (Farad) der Kapazität 40A ist
gewählt,
dass er an die durch die Nähe
der inneren Abschirmung 46A und der äußeren Abschirmung 42 gebildete
Kapazität,
die durch die Kapazität 36A dargestellt
ist, angepasst ist, sodass an allen Eingängen (einschließlich des
Referenzeingangs) des Verstärkers 26 eine
symmetrische Impedanz gegenüber
den Gleichtaktsignalen gegenwärtig ist.
Auf diese Weise stellt die Vorrichtung eine relativ symmetrische
Impedanz zwischen den Eingängen des
Verstärkers 26 und
jedem der Rückleitungswege für den Gleichtaktstrom
bereit. Zudem ist die Kapazität 40A für eine maximale
Nennspannung ausgelegt, die für
alle auftretenden Fälle
im Schaltkreis vorherrschen kann, d.h. ein in die Schaltungsanordnung
der vorliegenden Erfindung eingeschalteter Hochspannungskreis benötigt gegebenenfalls
eine Spannungsfestigkeit der Kapazität von über 5000 V. Obwohl dies nicht
dargestellt ist, versteht es sich, dass der Verstärkerschaltkreis 26 im
Inneren der inneren Abschirmung 46A durch andere elektronische Schaltkreise
ausgetauscht werden kann, so kann z.B. ein A/D-Wandler die vorliegende
Erfindung dazu verwenden, den Effekt von externen Rauschquellen auf
getastete Eingangssignale zu reduzieren.
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Obwohl
nicht dargestellt, ist vorgesehen, dass anstelle einer angepassten
Kapazität 40A ein angepasster
Widerstand zwischen der äußeren Abschirmung 42 und
der inneren Abschirmung 46A eingekoppelt werden könnte, um
die unsymmetrierte parasitäre
Kapazität
zu kompensieren. In einem anderen Beispiel könnte ein angepasster Widerstand (nicht
dargestellt) mit der angepassten Kapazität 40A zwischen der äußeren Abschirmung 42 und
der inneren Abschirmung 46A in Reihe geschaltet werden.
In diesem Fall führt,
wenn die angepasste Kapazität 40A in
einer geschlossenen Position versagt hat, der angepasste Widerstand
die Symmetrierung der Impedanz auf den Gleichtaktsignalen fort,
wenn auch mit einer geringeren Leistung im Vergleich zu jener, die
mit der angepassten Kapazität
erzielt wird.
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Es
ist vorgesehen, dass mit der Vorrichtung ein Hochspannungsschaltkreis,
beispielsweise ein Defibrillatorschaltkreis, verwendet wird. Ein
optionaler Defibrillatorschaltkreis ist durch eine punktierte Linie
dargestellt, ist von der massiven inneren Abschirmung 46A umgeben
und umfasst eine zwischen der Schaltkreis-Masse und einer Induktivität 39 eingekoppelte
Spannungsentladungskapazität 39.
Durch punktierte Linien ist ein Schalter 41 veranschaulicht, um
die Kapazität 37 und
die Induktivität 39 optional an
den mit dem Widerstand 22 verbundenen Eingang zum Zweck
der Defibrillation anzuschließen.
Auf diese Weise kann der Verstärker 26 ein
Kleinsignal am Anschluss A, beispielsweise ein Elektrokardiogramm-Signal
abfühlen,
bis beschlossen wird, den Schalter 41 zu verwenden, um
eine Wellenform aus der Defibrillationsschaltung über die
widerstandsbehafteten Leitungen (Widerstände 22 und 24)
an einen Patienten abzugeben. Die Widerstände 22 und 24 stellen
die Quellenwiderstände
dar, die in einem Patienten gegenwärtig sind und als solche Teil
des Patienten oder zumindest einer Kombination aus dem Patienten
und einem über
die widerstandsbehafteten Leitungen mit dem Patienten gekoppelten
Elektrodenpaar sind.
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Optional
sind ein Überspannungsschutz 45 (punktiert
hervorgehoben) und ein Widerstand 44 (punktiert hervorgehoben)
oder nur ein Überspannungsschutz 45 zwischen
der äußeren Abschirmung 42 und
der inneren Abschirmung 46A, die mit der Schaltkreis-Masse
verbunden ist, in Reihe geschaltet, wenn die Abschirmungen gegenüber den
im Schaltkreis gegenwärtigen
Spannungspegeln nicht isoliert werden können. Der Überspannungsschutz 45 und
der Widerstand 44 haben keine Auswirkungen auf das CMRR
oder die Kapazitäten
im Schaltkreis. Sie spielen aber dann im Schaltkreis eine Rolle,
wenn es zu einem Spannungsstoß kommt.
Wird beispielsweise die Vorrichtung in einem Gerät, wie etwa einem Defibrillator,
verwendet, könnte
die Abschirmung potentiell bis auf eine Hochspannung von 5000 Volt
oder mehr geladen werden. Durch die Verwendung des Überspannungsschutzes 45 und
des Widerstands 44 könnte
während
der Entladung des Defibrillators die Spannung an der Abschirmung
auf eine Größenordnung
von etwa 100 Volt geklemmt werden. Der Wert (Ohm) des Widerstands 44 ist
so gewählt,
dass er die Menge des Einschaltstroms, der durch den Überspannungsschutz
fließen
kann, beschränkt.
In einem Beispiel ist der Überspannungsschutz 45 gegebenenfalls
eine "Gasspalt"-Vorrichtung mit
einer maximalen Nennspannung von 90 Volt, während der Widerstand 44 gegebenenfalls
einen Wert von 4000 Ohm aufweist. In diesem Beispiel muss die massive äußere Abschirmung 42 nur
so konstruiert sein, um Höchstspannungen
standhalten zu können,
die nur etwas höher
als die Nennspannung des Überspannungsschutzes 45,
z.B. 90 Volt, sind, und nicht gleich der Nennspannung des Hochspannungsschaltkreises,
die bis zu 5000 Volt betragen kann. Obwohl dies in den nachstehend
erörterten
Figuren nicht dargestellt ist, können
der Widerstand 44 und der Überspannungsschutz 45 auch
zwischen der Schaltkreis-Masse und einer (massiven oder Gitter-)
Abschirmung, die in einer der nachstehend angeführten Konfigurationen angeordnet
ist, in Reihe geschaltet sein.
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In
einem weiteren Beispiel kann eine andere Verbindung zwischen der
massiven äußeren Abschirmung 42 und
dem Anschluss A über
einen Reihenwiderstand 23 (durch gestrichelte Linien dargestellt)
hergestellt sein. Diese Verbindung stellt einen sehr viel kleineren
Impedanzweg für
den Gleichtaktrauschstrom bereit, da dieser Strom nicht durch die Kapazitäten 36A und 40A fließen muss.
Dadurch wird der Gleichtaktrauschstrom wirksam an den Widerständen 22 und 24 vorbeigeführt, was
zu einem sehr viel kleineren Spannungsabfall an diesen Widerständen führt und
somit die Wahrscheinlichkeit einer Umwandlung von Gleichtakt- zu
Gegentakt-Signal senkt.
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Zudem
kann das Verbindungsmedium zwischen der Signalquelle und der elektronischen
Schaltungsanordnung abgeschirmt sein, beispielsweise durch die Verwendung
eines abgeschirmten Kabels. In diesem Fall sollte die Abschirmung
eines jeden aus der Quelle geführten
Kabels mit der äußeren Abschirmung
verbunden sein.
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Mit
Bezug auf 2B veranschaulicht eine schematische Übersicht
eine massive Abschirmung, die einen Verstärkungsschaltkreis umgibt, welcher
im Allgemeinen mit dem in 2A gezeigten
Schaltkreis vergleichbar ist. Die Ausnahme besteht darin, dass in
diesem Fall die interne massive Abschirmung 46B als Massefläche vorgesehen
ist und somit den Verstärker 26 nicht
vollständig
umgibt. Eine diskrete Kapa zität 40B ist
zwischen der äußeren Abschirmung 42 und
dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 26 eingekoppelt.
Der Wert (Farad) der Kapazität 40B ist
so gewählt,
dass er an die durch die Nähe
der inneren Abschirmung 46B und der äußeren Abschirmung 42 gebildete
parasitäre
Kapazität,
die durch die Kapazität 36B dargestellt
ist, angepasst ist, sodass an allen Eingängen (einschließlich des
Referenzeingangs) des Verstärkers 26 eine
symmetrierte Impedanz gegenüber
den Gleichtaktsignalen gegenwärtig
ist. Auf diese Weise stellt die Vorrichtung eine relativ symmetrische
Impedanz zwischen den Eingängen
des Verstärkers 26 und
jedem der Rückleitungswege
für den
Gleichtaktstrom bereit.
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3 ist
eine Darstellung der diskreten Bauteile und parasitären Kapazitäten in einer
Verstärkerschaltung 66,
die eine nicht-massive, d.h. eine Gitterabschirmung zur Verwendung
mit einem elektronischen Schaltkreis, wie beispielsweise einem Defibrillator,
bereitstellt. Gleichtaktrauschen kann an jedem beliebigen Punkt
in die Schleife eingeführt
werden; zwei Gleichtaktquellen ergeben sich aus einem Betreiber
und/oder einem an den elektronischen Schaltkreis angeschlossenen
Patienten. Eine Ende der Betreiberrauschquelle 72 ist über eine
parasitäre
Kapazität 74 erdgekoppelt,
während
ein anderes Ende der Betreiberrauschquelle in Parallelschaltung
mit einem Ende einer Kapazität 68 (parasitäre Kapazität zwischen
Betreiber und Abschirmung) und einem Ende einer Kapazität 70 (parasitäre Kapazität zwischen Betreiber
und Schaltkreis) gekoppelt ist. Das andere Ende der Kapazität 68 ist
mit einer nicht-massiven Abschirmung am Anschluss E und das andere
Ende der Kapazität 70 mit
der Schaltkreis-Masse am Anschluss F gekoppelt. Die Verbindungen
zwischen der Betreiberrauschquelle 72, der Kapazität 68,
der Kapazität 70,
der nicht-massiven Abschirmung und der Schaltkreis-Masse sind durch
gestrichelte Linien dargestellt, die darauf hinweisen, dass diese
Bauteile gegenwärtig
sind, wenn ein Betreiber Geräte,
die dem Schaltkreis (in der Nähe
oder diesen berührend) zugeordnet
sind, benutzt.
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Ein
Ende der Kapazität 38 (parasitäre Kapazität zwischen
Abschirmung und Erde) ist erdgekoppelt, und ein anderes Ende ist
mit der nicht-massiven Abschirmung am Anschluss E gekoppelt. Ein
Ende der Kapazität 36 (parasitäre Kapazität zwischen Abschirmung
und Schaltkreis-Massefläche)
ist mit dem Anschluss E (nicht-massive Abschirmung) gekoppelt, und
ein anderes Ende ist mit der Schaltkreis-Masse am Anschluss F gekoppelt.
Ein Ende einer diskreten Kapazität 41 (zwischen
Abschirmung und Verstärker)
ist mit dem Anschluss E (Abschirmung) gekoppelt, und ein anderes
Ende ist mit dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 20 und einem
Ende des Widerstands 22 gekoppelt. Das andere Ende des
Widerstands 22 ist mit einem Ende des Widerstands 24 und
einem Ende einer Patientenrauschquelle 76 gekoppelt. Weiters
ist das andere Ende der Patientenrauschquelle 76 mit einem
Ende einer Kapazität 78 (parasitäre Kapazität zwischen Patienten
und Erde) gekoppelt. Das andere Ende der Kapazität ist erdgekoppelt.
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Zudem
ist ein Ende einer Kapazität 64 (parasitäre Kapazität zwischen
Schaltkreis-Massefläche und
Erde) mit dem Anschluss F (Schaltkreis-Masse) gekoppelt, während das
andere Ende erdgekoppelt ist.
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Durch
die Verwendung einer nicht-massiven Abschirmung ergeben sich einige Überlegungen,
die sich von denen bei der Verwendung einer massiven (vollständigen)
Abschirmung für
einen Defibrillator, so wie oben erörtert wurde, unterscheiden.
Durch das Ignorieren des Effekts eines Betreibers (Betreiberrauschquelle 72 und
die Kapazitäten 68, 70 und 74)
muss der aus der Patientenrauschquelle 76 durch die Widerstände 22 und 24 fließende Strom
für beide
Widerstände
symmetriert werden. Das bedeutet, dass die von der Patientenrauschquelle 76 zurück zur Erde
hin gesehene Impedanz die gleiche sein muss wie die an den anderen
Enden der Widerstände 22 und 24.
Um diese Impedanz ohne die Verwendung der diskreten Kapazität 41 zu
symmetrieren, muss der Wert der Kapazität 38 (parasitäre Kapazität zwischen
Abschirmung und Erde) dem Wert der Kapazität 64 (parasitäre Kapazität zwischen Schaltkreis-Masse
und Erde) entsprechen. In Fällen, in
denen es sich schwierig gestaltet, die Kapazitäten 38 und 64 anzupassen,
kann eine diskrete Kapazität 41 mit
der Kapazität 38 in
Reihe geschaltet werden, sodass die reihengeschaltete Kombination
der Kapazitäten 38 und 41 dem
Wert der Kapazität 64 entspricht.
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Zweitens
muss, was nun die Auswirkungen des Betreibers (Betreiberrauschquelle 72 und
Kapazitäten 68 und 70)
betrifft, das Verhältnis
der Werte der Kapazität 68 zur
Kapazität 38 dem
Verhältnis
der Werte der Kapazität 70 zur
Kapazität 64 entsprechen.
Dadurch dass diese Verhältnisse
gleich gemacht werden, ist auch die von der Betreiberrauschquelle 72 an
den Eingängen
des Verstärkers
erzeugte Spannung gleich. Da der Wert der diskreten Kapazität 41 zwischen
Abschirmung und Verstärker
größer gewählt ist
als jener der anderen parasitären
Kapazitäten,
liegt ein relativ kleiner Spannungsabfall an der diskreten Kapazität 41 vor
und die Symmetrierung der Verhältnisse
ergibt relativ symmetrische Spannungen an den Eingängen des
Verstärkers 20. Es
sind zwei Spannungsteiler, einer an jeder Seite des "H-Brücken"-Schaltkreises, gegenwärtig, und während die
Impedanzen in jedem Zweig nicht gleich sein müssen, müssen die Verhältnisse
von oben nach unten gleich sein, um die Brücke zu symmetrieren. Da in
der Ausführungsform
mit der nicht-massiven Abschirmung die parasitäre Kapazität zwischen Abschirmung und
Schaltkreis-Masse (Kapazität 36) nicht
von Bedeutung ist, ist die diskrete Kapazität 41 zwischen Abschirmung
und Verstärker
nicht so gewählt,
dass sie an den Wert der Kapazität 36 angepasst
ist.
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Die 4A und 4B veranschaulichen die
Ausführungsformen
mit Gitterabschirmung, die auf eine andere Weise als die in den 2A und 2B gezeigten
Beispiele funktionieren. In 4A veranschaulicht
ein schematischer Überblick 50 eine "äußere" Gitterabschirmung 54, die
eine "interne" massive Abschirmung 58A umgibt,
welche ihrerseits wiederum den Verstärker umgibt. Ein Ende der Rauschquelle 18 ist über eine
Kapazität 15 (parasitäre Kapazität zwischen
Rauschquelle und Erde) gekoppelt. Ein anderes Ende der Rauschquelle
ist am Anschluss A in Parallelschaltung mit einem Ende der widerstandsbehafteten
Leitung (dargestellt durch den Widerstand 22) und einem
Ende der anderen widerstandsbehafteten Leitung (dargestellt durch
den Widerstand 24) gekoppelt. Ein anderes Ende des Widerstands 22 ist
mit dem Nicht-Referenzeingang des Verstärkers 20 gekoppelt,
während
ein anderes Ende des Widerstands 24 mit der Schaltkreis-Masse
gekoppelt ist, bei der es sich gleichzeitig um den Referenzeingang
des Verstärkers
handelt. zudem ist am Anschluss A (nicht dargestellt) eine Kleinsignalquelle 16 in
Reihenschaltung zwischen den Enden der Widerstände 22 und 24 eingekoppelt,
und diese Quelle stellt ein Kleinsignal für die Verstärkung bereit.
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Eine
Gitterabschirmung 54, die aus einem leitenden Material
hergestellt ist, umgibt die massive innere Anschirmung 58A,
welche wiederum den Verstärker 20 umgibt.
Eine Kapazität 36C (parasitäre Kapazität zwischen äußerer Gitterabschirmung
und massiver innerer Abschirmung) ist zwischen der massiven inneren
Abschirmung 58A und der äußeren Gitterabschirmung 54 eingekoppelt.
Eine Kapazität 38B (parasitäre Kapazität zwischen
Gitterabschirmung und Erde) ist zwischen der Gitterabschirmung und
Erde eingekoppelt. Weiters ist eine Kapazität 52A (parasitäre Kapazität zwischen
massiver innerer Abschirmung und Erde) zwischen der massiven inneren
Abschirmung und der Erde eingekoppelt.
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Eine
diskrete Kapazität 41A ist
zwischen der Gitterabschirmung 54 und dem Nicht-Referenzeingang des
Verstärkers 20 eingekoppelt.
Die Gitterabschirmung ist so gewählt
und angeordnet, dass die Gesamtverhältnisse der Kapazitäten so wie
Oberflächen
bei der Beschreibung von 3 symmetriert sind. Somit ist
eine relativ symmetrische Impedanz zwischen den Eingängen des
Verstärkers
und allen Rückleitungswegen
für den
Gleichtaktstrom bereitgestellt.
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Die
Feinheit der Abstände
in der Gitterabschirmung 54 ist vorzugsweise so gewählt, dass
sie geringer als die relative "Punktförmigkeit" eines angelegten
elektrischen Feldes einer Rauschquelle ist, z.B. eines Fingers eines
Benutzers. Auf diese Weise wird die parasitäre Kapazität, die durch die Nähe des Fingers
in Bezug auf die Gitterabschirmung erzeugt wird, durch die parasitäre Kapazität, die zwischen dem
Finger und den Bauteilen des Verstärkungsschaltkreises, einschließlich der
Schaltkreis-Massefläche,
erzeugt wird, symmetriert. Die Abstände in der Gitterabschirmung
sind gegebenenfalls so groß, dass
ein einen Finger umgebendes elektrisches Feld auf mehrere Zwischenräume in der
Gitterabschirmung auftrifft.
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Auch
die Dünne
des die Gitterabschirmung 54 bildenden Drahts ist vorzugsweise
so gewählt, dass
die Bauteile des Verstärkungsschaltkreises
für das
den Finger des Benutzers umgebende elektrische Feld "sichtbar" sind. Beispielsweise
kann eine weit entfernt vom Verstärkungsschaltkreis angeordnete
Gitterabschirmung aus einem dünneren
Draht hergestellt sein als eine, die in großer Nähe zum Verstärkungsschaltkreis
angeordnet ist. Auf diese Weise reduzieren die größeren "Löcher" in der aus dünnerem Draht hergestellten
Gitterabschirmung eine Unsymmetrie zwischen in den parasitären Kapazitäten, die
zwischen dem Finger und dem externen Gitter und zwischen dem Finger
und den Bauteilen des Verstärkungsschaltkreises
erzeugt werden. Auch die Grobheit der Gitterabschirmung kann so
gewählt werden,
dass eine Anordnung einer Batterie ermöglicht wird, sofern das Gesamtverhältnis der
Kapazitäten
symmetrisch gehalten wird.
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In 4B veranschaulicht
ein schematischer Überblick 56 ein
Paar aus Abschirmungen, die einen Verstärkungsschaltkreis umgeben,
welcher im Allgemeinen mit dem in 4A gezeigten
Schaltkreis vergleichbar ist. Die Ausnahme besteht darin, dass in
diesem Fall die interne massive Abschirmung 58B als Massefläche vorgesehen
ist und somit den Verstärker 26 nicht
vollständig
umgibt. Eine diskrete Kapazität 41A ist
zwischen der Gitterabschirmung 54 und dem Nicht-Referenzeingang
des Verstärkers 20 eingekoppelt.
Die Gitterabschirmung ist so gewählt und
angeordnet, dass das Gesamtverhältnis
der Kapazitäten
so wie oben erörtert
symmetrisch ist. Somit ist eine relativ symmetrische Impedanz zwischen
den Eingängen
des Verstärkers
und allen Rückleitungswegen
für den
Gleichtaktstrom bereitgestellt.
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5 ist
eine Querschnittsansicht von der Seite, die einen Defibrillator 100E veranschaulicht, der
im Allgemeinen mit 5B vergleichbar ist. Eine innere
leitende Abschirmung 132 umgibt die Leiterplatte 104.
Eine äußere Abschirmung 130 umgibt
die Spannungsversorgung 106, die Entladungskapazität 108 und
die innere Abschirmung 132, innerhalb der die Leiterplatte 104 untergebracht
ist. Weiters ist eine Kapazität 109E zwischen
der externen Gitterabschirmung 134 und dem Nicht-Referenzeingang
eines Verstärkungsschaltkreises
auf der Leiterplatte 104 eingekoppelt. Der Wert der Kapazität 109E ist
so gewählt,
dass er wesentlich größer als
jener der parasitären
Kapazitäten
im Schaltkreis ist. Auch ist die nicht-massive Abschirmung 130 so
gewählt
und angeordnet, dass sie auf die oben beschriebene Weise arbeitet.
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Ein
wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass das Gleichtaktrauschen
an einem Eintakt-Eingang eines Verstärkers so gut wie eliminiert wird,
indem die parasitäre
Kapazität
mit einer angepassten Kapazität
und zumindest einer leitenden Abschirmung symmetriert wird. Obwohl
einige der oben erörterten
Ausführungsformen
die vorliegenden Erfindung für
eine Verstärkerschaltung
eines Defibrillators einsetzen, ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung
auch mit jedem beliebigen anderen Typ elektronischer Vorrichtung
verwendet werden kann, die ein Kleinsignal verstärkt, beispielsweise einem elektronischen
Instrument, das Kleinsignale misst, oder elektronischen Gerätschaften
im Bereich der Telekommunikations- und der Tonfrequenzverstärkungsindustrie.
Es ist ebenfalls vorgesehen, dass eine bestehende Verstärkerschaltung
mit der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden kann, um ein verbessertes
CMRR bereitzustellen.
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Nun
werden einige weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Ausführungsform
A: Vorrichtung zur Regelung der Gleichtaktimpedanz-Unsymmetrie eines
isolierten elektronischen Eintakt-Schaltkreises durch das Regeln
der Impedanzen gegenüber
den Gleichtaktströmen,
die zwischen jedem Signalweg im Schaltkreis und allen Rückleitungswegen
für den Gleichtaktstrom
gegenwärtig
sind, umfassend:
- (a) eine massive innere Abschirmung,
die zumindest einen Abschnitt des Schaltkreises umgibt, wobei die
massive innere Abschirmung mit einer Schaltkreis-Masse verbunden
ist, die eine Referenz für
jeden Signalweg im Schaltkreis ist; und
- (b) eine äußere Gitterabschirmung,
die zumindest einen Abschnitt der massiven inneren Abschirmung umgibt,
wobei die äußere Gitterabschirmung
mit einem Nicht-Referenzsignalweg
im Schaltkreis verbunden ist, wobei die Größe und die Anordnung der äußeren Gitterabschirmung
so gewählt
sind, dass die massive innere Abschirmung und die äußere Gitterabschirmung
externen Rauschquellen symmetrisch ausgesetzt sind.
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Ausführungsform
B: Vorrichtung aus Ausführungsform
A, worin die äußere Gitterabschirmung aus
einem grobmaschigen Material hergestellt ist.
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Ausführungsform
C: Vorrichtung aus Ausführungsform
B, worin der Wert der Kapazität
gewählt ist,
um dem Nicht-Referenzsignalweg und dem Referenzsignalweg die gleiche
Gleichtaktimpedanz bereitzustellen.
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Ausführungsform
D: Vorrichtung aus Ausführungsform
C, worin die Kapazität
ein diskretes Bauteil ist.
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Ausführungsform
E: Vorrichtung aus Ausführungsform
D, worin die Kapazität
aus einer weiteren massiven Abschirmung gebildet ist, die zwischen
der äußeren Gitterabschirmung
und der massiven inneren Abschirmung angeordnet ist, wobei die weitere massive
Abschirmung eine Größe aufweist,
die im Verhältnis
zur Größe der massiven
inneren Abschirmung oder der Größe der äußeren Gitterabschirmung
kleiner ist.
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Ausführungsform
F: Vorrichtung aus Ausführungsform
E, weiters umfassend eine elektronische Vorrichtung, wobei der Schaltkreis
zumindest ein Bauteil des elektronischen Geräts ist.
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Ausführungsform
G: Vorrichtung aus Ausführungsform
F, weiters umfassend eine Massefläche; die an der massiven inneren
Abschirmung angeschlossen ist.
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Ausführungsform
H: Vorrichtung aus Ausführungsform
G, worin der Schaltkreis ein Eingangskreis ist.
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Ausführungsform
I: Vorrichtung aus Ausführungsform
H, worin der Schaltkreis ein Ausgangskreis ist.
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Ausführungsform
J: Vorrichtung aus Ausführungsform
I, worin die äußere Gitterabschirmung
aus einem grobmaschigen Material gebildet ist.
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Obwohl
hier die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde, versteht es
sich, dass daran verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne dadurch den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.