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Die
Erfindung betrifft eine Kapazitätsmessschaltung,
wobei der Wert einer Sensorkapazität oder anderen zu messenden
Kapazität
durch einen Frequenzausgang dargestellt wird, der eine Umkehrfunktion
des Wertes der Sensorkapazität
ist.
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Messschaltungen
mit Frequenzausgängen finden
weit verbreitet Verwendung, da sie sich für die weitere digitale Signalverarbeitung
leicht über
eine Schnittstelle an Mikroprozessoren anschließen lassen.
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Spezieller
betrifft die Erfindung eine Kapazitätsmessschaltung, die aus einer
Oszillatorschaltung besteht, wobei die Sensorkapazität eine Verbindung zweier
oder mehrerer in Reihe geschalteter Impedanzen bildet, die nur an
den Endklemmen der Reihenschaltung mit der Kapazitätsmessschaltung
verbunden sind, und wobei der eine Anschluss der Sensorkapazität eine mit
einer konstanten Spannung verbundene Endklemme der Reihenschaltung
ist, und die andere Endklemme der Reihenschaltung mit einem Sensorknoten
verbunden ist, welcher zur Aufrechterhaltung konstanter Spannungspegel
in jeder der Halbperioden mit einer Rechteckspannung oszilliert,
und der gleichzeitig den in die in Reihe geschalteten Impedanzen
fließenden
Ladestrom erfasst, um das Triggern der Kapazitätsmessschaltung in den Augenblicken,
in denen sich der hierdurch erfasste Ladestrom in vorgegebene Pegel
geändert
hat, zu ermöglichen.
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Kapazitäten werden
seit Jahren mittels einer Reihe wohlbekannter üblicher RC-Oszillatorschaltungen
gemessen, wobei die Frequenz durch die Messung der Ladespannung
direkt an der Sensorkapazität
und den Vergleich dieser mit Referenzspannungen bestimmt wird.
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Diese
Messung ist eine hochohmige Messung, und die üblichen RC-Oszillatorschaltungen sind
gegen Streukapazitäten
empfindlich, da diese parallel mit der Sensorkapazität auftreten.
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Es
ist deshalb unmöglich, Änderungen
in diesen Kapazitäten
voneinander zu unterscheiden. Die Streukapazitäten in den üblichen RC-Oszillatorschaltungen
kommen hauptsächlich
aus den Drähten,
die die Sensorkapazität
mit der Oszillatorschaltung verbinden, und aus der Eingangskapazität der Oszillatorschaltung
selbst, und da sie oft derselben Größenordnung sind wie die Sensorkapazität und nicht
konstant, stellen sie in der Praxis ein ernstes Problem dar.
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Im
US-Patent 4737706 wird eine derartige Kapazitätsmessschaltung gezeigt, wobei
die Sensorkapazität
eine Verbindung zweier oder mehrerer in Reihe geschalteter Impedanzen
bildet.
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Hier
erfolgt die Strommessung und die Erzeugung des Rechtecksignals mittels
eines Operationsverstärkers
mit einem Rückführungswiderstand, und
die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers, die eine Funktion des
Ladestroms in den in Reihe geschalteten Impedanzen darstellt, wird
in einem Spannungskomparator mit einer positiven und negativen Referenzspannung
während
der positiven bzw. negativen Zyklen des Oszillators verglichen.
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Wie
schon erläutert,
bietet diese Schaltung den Vorteil, dass Fehler, die von der Streukapazität des Sensorknotens
sowie der Streukapazität
der Verbindung mit der Sensorkapazität herrühren, reduziert werden.
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Die
Kapazitätsmessschaltung
funktioniert durch Messung des Ladestroms der Sensorkapazität über die
in Reihe geschalteten Impedanzen, die mit dem niederohmigen Sensorknoten
der Messschaltung verbunden sind.
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Hierdurch
ist die hohe Impedanz der Sensorkapazität durch die in Reihe geschalteten
Impedanzen gegenüber
dem niederohmigen Sensorknoten isoliert, d.h. der Einfluss der Streukapazität am Sensorknoten
und der Einfluss der Streukapazität des Verbindungsknotens zwischen
der Sensorkapazität und
der in Reihe geschalteten Impedanz sind getrennt.
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Durch
die Anordnung der in Reihe geschalteten Impedanz direkt am Sensorkondensator
kann die Streukapazität
am Verbindungsknoten zwischen dem Sensorkondensator und der in Reihe
geschalteten Impedanz sehr geringfügig und von keinerlei Bedeutung
sein.
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Die
niedrige Impedanz des Sensorknotens lädt die Streukapazität des Sensorknotens
schnell auf, und zwar lange bevor der Triggerpegel des Ladestroms
erreicht worden ist, weshalb der Einfluss der Streukapazität am Sensorknoten
reduziert ist.
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In
der Praxis hat die Kapazitätsmessschaltung
gemäß dem US-Patent
4737706 eine Anzahl von Beschränkungen,
erstens weil die Fähigkeit
der Schaltung, den Einfluss der Streukapazität zu reduzieren, von einer
schnellen und sehr niederohmigen Quelle zur Erzeugung der Viereckspannung,
die an die in Reihe geschalteten Impedanzen angelegt wird, abhängt, und
eine Viereckspannung, die durch den Ausgang eines Operationsverstärkers mittels
der Rückführung über einen
Widerstand erzeugt wird, relativ lange Anstiegszeiten und eine relativ
hohe Quellenimpedanz besitzt.
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Deshalb
sind Streukapazitäten
nur bis zu einem gewissen Grad reduziert.
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Zweitens
hängt die
Präzision
der Schaltung hauptsächlich
von der Geschwindigkeit und der Präzision der Messung des Ladestroms
sowie dessen Umsetzung in eine Spannung ab.
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Die
Eingangsruheströme
und Offsetspannungen des Operationsverstärkers in der Schaltung nach
dem US-Patent 4737706 sind temperaturabhängig und beeinflussen die Messung
des Ladestroms in die in Reihe geschalteten Impedanzen, und temperaturabhängige Variationen
des Leerlauf-Verstärkungsfaktors
des Operationsverstärkers
beeinflussen die Umsetzung des Ladestroms in die dem Spannungskomparator
angebotene Ausgangsspannung, und letztlich ist die Geschwindigkeit
der verfügbaren
Operationsverstärker
begrenzt, weil der Ausgangswert eine Spannung ist.
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Aus
diesen Gründen
ist die Genauigkeit der Schaltung nach dem US-Patent 4737706 nicht
ideal.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kapazitätsmessschaltung
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, wobei an den in Reihe
geschalteten Impedanzen eine hochpräzise und schnelle Viereckspannung
aus einer niederohmigen Quelle angelegt wird, und wobei die Messung des
Ladestroms in die in Reihe geschalteten Impedanzen mit einer hohen
Präzision
erfolgt, vorzugsweise mittels eines Stromkomparators mit niedriger Eingangsimpedanz.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die komplette Kapazitätsmessschaltung,
einschließlich
des Sensorknotens, alternierend zwischen zwei Spannungen wechselt
oder geschaltet wird.
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Hierdurch
wird eine Rechteckwelle mit den von den genannten beiden Spannungen
definierten konstanten Spannungspegeln in den Halbperioden an dem
mit dem Sensorknoten der Kapazitätsmessschaltung
verbundenen Ende der in Reihe geschalteten Impedanzen angelegt.
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Mit
schnellen, niederohmigen Schaltern, niederohmigen Spannungsquellen
und einem Stromkomparator mit niedriger Eingangsimpedanz erzeugt die
erfindungsgemäße Schaltung
eine fast perfekte Rechteckwelle am Sensorknoten, und eine wichtige Bedingung,
um den Einfluss von Streukapazitäten
zu reduzieren, ist erfüllt.
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Durch
die Schaltung der kompletten Kapazitätsmessschaltung, einschließlich des
Sensorknotens, zwischen den beiden Spannungen bleibt der Sensorknoten
des Stromkomparators dann, wenn die Strommessschaltung eine niedrige
Eingangsimpedanz besitzt, auf einer konstanten Spannung relativ
zur restlichen Schaltung.
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Dieses
charakteristische Merkmal der erfindungsgemäßen Kapazitätsmessschaltung bietet den sehr
wichtigen Vorteil, dass die Streukapazitäten zwischen dem Sensorknoten
und der restlichen Schaltung sowie der Eingangskapazität des Sensorknotens
auch konstante Spannungen haben und deshalb nicht bei jeder Oszillation
geladen und entladen werden.
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Da
diese Kapazitäten
konstante Spannungen und Ladungen besitzen, beeinflusst ihr Wert nicht
die Messung des Ladestroms, und aus diesem Grund ist die Schaltung
naturgemäß sehr schnell.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bestehen die in Reihe geschalteten Impedanzen aus
der zu messenden Kapazität, wobei
das eine Ende geerdet ist und das andere Ende über einen Widerstand mit dem
oszillierenden Sensorknoten verbunden ist.
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Dieser
Widerstand isoliert effektiv die hohe Impedanz der zu messenden
Kapazität
gegenüber dem
niederohmigen Sensorknoten.
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Wenn
der Widerstand baulich direkt an der zu messenden Kapazität angebracht
ist, ist nur die kleine Streukapazität des Verbindungsknotens zwischen
diesen beiden Impedanzen in Betracht zu ziehen.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Sensorknoten der Eingang eines Stromkomparators.
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Stromkomparatoren
bieten allgemein die Vorteile einer niedrigen Eingangsimpedanz und
eines schnellen Ansprechens, weil die Spannungsauslenkungen an den
Knoten sehr niedrig sind, und bieten den für die erfindungsgemäße Kapazitätsmessschaltung
sehr wichtigen Vorteil, dass sie den Ladestrom in den in Reihe geschalteten
Impedanzen direkt messen.
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Weiterhin
können
Stromkomparatoren in der CMOS-Technologie sehr empfindlich gemacht
werden.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die beiden Spannungen, welche die an den in
Reihe geschalteten Impedanzen angelegte Rechteckspannung definieren,
alternierend auf das eine Ende eines Widerstands geschaltet, der
am anderen Ende mit dem Sensorknoten verbunden ist, um die beiden
Referenzströme
zu erzeugen.
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Hierdurch
wird eine hohe Stabilität
erzielt, da die Einflüsse
aus Variationen in den beiden Spannungen zu Wirkungen von zweitrangiger
Bedeutung reduziert werden.
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In
einer vierten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Schaltpegel des Stromkomparators in der Nähe von null
gewählt.
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Hierdurch
wird der Einfluss des Verstärkungsfaktors
des Stromkomparators auf die Genauigkeit der Schaltung reduziert.
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In
einer fünften
Ausführungsform
der Erfindung werden Referenzströme
mit geeigneten Werten und Polaritäten intern in der Stromkomparatorschaltung
durch Stromquellen erzeugt, die gemäß der Polarität des Ladestroms
in den in Reihe geschalteten Impedanzen geschaltet werden.
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Diese
Ausführungsform
der Erfindung bietet den wichtigen Vorteil, dass fremde elektrische
Störquellen
keinen Einfluss auf die Referenzströme haben, da diese intern auf
dem Chip erzeugt werden.
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In
einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung ist der Sensorknoten durch eine Multiplexschaltung
mit einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Impedanzen, einschließlich einer
Mehrzahl von Sensorkapazitäten,
verbunden.
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Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass mehrere Sensorkapazitäten mittels derselben Schaltung
gemessen werden, welches die Möglichkeit
bietet, beispielsweise verschiedene Messmethoden einzusetzen.
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In
speziellen Fällen
ist. der Referenzstrom dazu vorgesehen, gemäß einer vorgegebenen Zeitfunktion
während
jeder Halbperiode der Oszillation umzuschalten, zum Beispiel durch
die Einfügung
einer Blindkomponente wie zum Beispiel eines Induktors in die den
Referenzstrom erzeugende Schaltung.
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Hierdurch
kann die Empfindlichkeit der Kapazitätsmessschaltung dann erhöht werden,
wenn der Ladestrom in der Nähe
des Schaltpegels liegt.
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Die
Erfindung wird nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben,
wobei
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1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung
zeigt,
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2 die Rechteckspannung V1 am Sensorknoten
Cu auf Erde bezogen zeigt,
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3 den Ladestrom durch die in Reihe geschaltete
Impedanz Rt mit den schnellen Übergängen und
dem sich exponentiell ändernden
Strom zwischen den Übergängen zeigt,
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4 den Strom durch den den Referenzstrom
erzeugenden Impedanz R1 zeigt, und
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5 die Summe Ivar der Ströme IRt und IR1
am Sensorknoten Cu zeigt.
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Die
Kapazitätsmessschaltung 1,
die vorzugsweise in einem CMOS-Chip integriert ist, enthält den Stromkomparator 2 mit
der Eingangklemme Cu, die mit den in Reihe geschalteten Impedanzen
Rt–Ct verbunden
ist, den Schalter S1 mit der Ausgangsklemme OF, die mit der festen
Spannung Vf verbunden ist, und den umgekehrten Schalter S2 mit der Ausgangsklemme
VOR, die über
den Widerstand R1 mit der Klemme Cu verbunden ist. Die Schaltung
besitzt die Stromversorgungsklemmen Vdd und Vss, die über die
Widerstände
R2 und R3 von den Stromquellen V2 und V3 gespeist werden.
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Die
Widerstände
R2 und R3 ermöglichen
bei oszillierender Schaltung, dass die komplette Kapazitätsmessschaltung 1 im
Spannungsbereich zwischen V2 und V3 herauf- und herabgeschaltet
wird.
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Es
wird angenommen, dass der Stromkomparator 2 bei einer sehr
niedrigen Eingangsimpedanz ideal ist, d.h. der Strommesseingang
Cu liegt ungeachtet des an diesem Eingang ein- und ausfließenden Stroms
an einer festen Spannung V1, und diese Spannung ist vorzugsweise,
aber nicht notwendigerweise, beim Mittelwert zwischen Vdd und Vss
festgelegt.
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Es
wird auch angenommen, dass der Stromkomparator bei genau definierten
Strömen
schaltet, die vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, derselbe
Strom für
positive wie auch negative erfasste Ströme sind, und dieser Strom vorzugsweise,
aber nicht notwendigerweise, ein Nullstrom ist.
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Moderne
CMOS-Stromkomparatoren haben niedrige Eingangsimpedanzen im Bereich
von 50 Ohm, Schaltströme
im Bereich vom 20 pA und sehr kurze Ansprechzeiten im Bereich von
5 ns und können
für alle
praktischen Zwecke als ideal betrachtet werden.
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Es
wird weiterhin angenommen, dass die Schalter S1 und S2, die in CMOS
implementiert werden könnten,
mit einem Reihenwiderstand, der praktisch null ist, im Vergleich
zu R2 und R3 ideal sind.
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Es
wird weiterhin angenommen, dass die Spannungen Werte besitzen, die
die Funktion der Schaltung möglich
machen, typischerweise können die
Werte für
V3 null, für
Vt 8,2 V und für
V2 16,4 V sein, jeweils auf Erde bezogen, und für Vss und Vdd jeweils –2,5 V und
+2,5 V, beide auf Erde bezogen.
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Die
Funktion der Kapazitätsmessschaltung wird
nachstehend in Bezug auf 1 und auf 2 bis 5 erläutert, die
die wichtigen Wellenformen der Schaltung zeigen.
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Wenn
der Schalter S1 zum Zeitpunkt t1 von der Verbindung von OF mit Vdd
auf die Verbindung von OF mit Vss schaltet, wird die komplette Schaltung,
einschließlich
des Strommessknotens Cu, auf Erde bezogen um Vdd-Vss angehoben,
und da auch Cu mit der Spannung V1 derselben Spannungsschwingung
unterworfen ist, wird ein Strom aus Cu ausgezogen, um Ct über Rt gemäß der wohlbekannten
exponentiellen RC-Ladefunktion zu laden.
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Gleichzeitig
verbindet der Schalter S2 R1 mit Vdd, und ein Strom IR1 = (Vdd – V1)/R1
wird an Cu angelegt.
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Wenn
der Ladestrom durch Rt zum Zeitpunkt t2 unter den Strom durch R1
fällt, ändert der
Strom an Cu sein Vorzeichen, und der Stromkomparator schaltet S1
auf die Verbindung von OF mit Vdd, wodurch die komplette Schaltung
auf Erde bezogen um Vss – Vdd
heruntergezogen wird, und in Cu wird dann ein Strom injiziert, wenn
Ct über
Rt entladen ist, wieder gemäß der wohlbekannten
exponentiellen RC-Ladefunktion.
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Gleichzeitig
verbindet der Schalter S2 R1 mit Vss, und ein Strom IR1 = (V1 – Vss)/R1
wird aus Cu ausgezogen.
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Wenn
der Entladestrom durch Rt unter den Strom durch R1 fällt, ändert der
Strom an Cu sein Vorzeichen, und der Stromkomparator schaltet wieder
S1 und S2, und in dieser Weise oszilliert die Schaltung mit einer
durch Rt, Ct und R1 bestimmten Frequenz. Das Verhältnis zwischen
dem Wert der Sensorkapazität
Ct und der Frequenz der Schaltung ist eine Umkehrfunktion.
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Anstatt
den externen Widerstand R1 zu schalten, kann der Schalter S2 oder
Schalter mit derselben Funktion erfindungsgemäß interne Stromquellen mit
entsprechenden Werten und Polaritäten schalten, die im Stromkomparator
mit dem Ladestrom der zu messenden Kapazität verglichen werden.
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Die
Ausgangsfrequenz der erfindungsgemäßen Kapazitätsmessschaltung kann an jedem
oszillierenden Knoten der Schaltung, vorzugsweise durch eine Pufferschaltung,
gemessen werden.
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Aufgrund
dessen, dass hierin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und
beschrieben worden ist, wird erfahrenen Fachleuten deutlich, dass
zu den hierin spezifisch offenbarten Formen Modifikationen und Verbesserungen gemacht
werden können.
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Demgemäß ist die
vorliegende Erfindung nicht auf die spezifisch offenbarten Formen
beschränkt,
beispielsweise können
die Versorgungsspannungen höhere
oder niedrigere Werte annehmen.