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Die vorliegende Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist, bezieht sich auf eine Schaltung zum Steuern der Frequenz- und/oder
Phasenantwort eines Signalverstärkungssystems, insbesondere für
Audiosysteme, zum Implementieren von Equalizer-Funktionen und/oder zum Erzeugen
von Spezialeffekten bei der Audiowiedergabe, wie z. B. dem sogenannten
"Surround"-Effekt in Stereosystemen. Das Dokument "Patent Abstracts of
Japan", Bd. 17, Nr. 494 (E-1428), 7. September 1993, beschreibt eine solche
Schaltung.
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Die komplexen Equalizer-Anforderungen in analogen
Signalverstärkungssystemen zum Kompensieren von inhärenten Frequenzantwortkennlinien von
Systemkomponenten und/oder zum willkürlichen Optimieren von Frequenz-
und/oder Phasenantwortkennlinien des Verstärkungssystems und/oder zum
Verwirklichen von Spezialeffekten, wie z. B. dem sogenannten Surround-
Effekt in Stereo-Audiosystemen, lassen gemeinsam den Bedarf für die
Implementierung mehrerer Schaltblöcke entstehen, um die
Übertragungseigenschaften zu modifizieren, deren Effekt speziell ausgewählt oder nicht ausgewählt
werden kann, um ein bestimmtes Gesamtergebnis zu erreichen.
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In Audiogeräten mit relativ kompakter Größe, wie z. B. in Magnetband- oder
Compakt-Disc-Abspielgeräten, die in Kraftfahrzeugen oder tragbaren
Systemen installiert werden sollen, werden gewöhnlich sogenannte verschachtelte,
serielle Architekturen (hinsichtlich des Signalpfades) bevorzugt, da sie
hinsichtlich der Schaltungskomplexität und der eingeführten Verzerrungen
weniger belastend sind als vergleichbare parallele Architekturen. Parallele
Architekturen erfordern tatsächlich Multiplizierer entlang des Signalpfades,
die dazu neigen, eine Verzerrung mit zweiter Oberwelle einzuführen, die
insbesondere in Audiosystemen störend ist.
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Andererseits favorisiert die Notwendigkeit der Begrenzung der Anzahl der
externen Komponenten einer integrierten Schaltung und gleichzeitig der
Reduzierung der Größe der integrierten Schaltung selbst die Verwendung
verschachtelter serieller Strukturen, in denen das behandelte Signal selektiv
von irgendeinem Punkt einer Kette von Schaltungsblöcken von
Equalizer/Modifizierer-Zellen der Frequenz- und/oder Phasenantwortkennlinie des
Verstärkungssystems abgeleitet werden kann. In Abhängigkeit vom Typ des
Effektes, der von der verschachtelten seriellen Modifikationsstruktur erzeugt
werden soll, kann die letztere eine Serie von reinen Phasenschiebezellen
und/oder von Emphasis-(Verstärker)- oder Deemphasis-(Dämpfungs)-Zellen
enthalten.
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Ein wichtiges Beispiel dieser Systeme wird von den Schaltungen repräsentiert,
die verwendet werden, um einen sogenannten "Surround"-Effekt in Stereo-
Audiosystemen zu implementieren. In diesem Fall unterliegt das Audiosignal
bei der Übertragung durch einen der Stereokanäle einer Phasenverschiebung
bei bestimmten Frequenzen des Audiospektrums gemäß einem ausgewählten
Surroundmodus. Das Signal läuft durch eine Serie von Blöcken oder Zellen,
die jeweils Phasenschiebeschaltungen mit einer bestimmten
Übertragungskennlinie enthalten, d. h. eine bestimmte Grenzfrequenz der Intervention,
allgemein durch ein RC-Netzwerk bestimmt. Das konditionierte Signal kann
von irgendeinem Punkt der Kette der Phasenschiebezellen wahlweise vom
Operator abgegriffen werden. Ein solches System ist in Fig. 1 schematisch
gezeigt.
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Die einzelnen Phasenschiebezellen (oder die die Frequenzantwort
modifizierenden Zellen) können eine spezielle Konfiguration aufweisen. Die Fig. 2, 3,
4, 5 und 6 zeigen unterschiedliche Filter- und/oder Phasenschiebezellen, die
gemäß den Bedürfnissen in Equalizer-Systemen und/oder für die
Implementierung bestimmter Effekte verwendet werden können. Grundsätzlich umfaßt jede
Zelle eine RC-Schaltung, die geeignet ist, eine bestimmte Frequenz- und/oder
Phasenschiebeantwort zu erzeugen (d. h. eine bestimmte
Übertragungsfunktion).
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Wie in Fig. 1 gezeigt, erlaubt die Auswahl des "Anzapf"-Punktes des Signals
von irgendeiner Zelle der Kette von (verschachtelten) Zellen, eine bestimmte
Gesamtmodifizierungs- oder Optimierungskennlinie auszuwählen, hinsichtlich
der Frequenz- und/oder Phasenantwort für den jeweiligen Kanal oder das
Verstärkungssystem.
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Im Fall einer verschachtelten seriellen Schaltung, die zum Implementieren
eines "Surround"-Effekts in Stereo-Audiosystemen geeignet ist, kann jede
Phasenschiebezelle aus einer Schaltung bestehen, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.
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Andererseits sind in einem Audiosystem die Frequenzen diejenigen eines
sogenannten Audiobandes (d. h. ein Niederfrequenzspektrum), weshalb solche
Frequenz- und/oder Phasenantwortmodifizierungsschaltungen normalerweise
die Verwendung großer Kondensatoren erfordern, die gewöhnlich an
integrierten Schaltungen extern angeschlossen sind, oder es sind spezielle
Kapazitätsmultipliziererschaltungen integriert, um die Anzahl externer Komponenten zu
beschränken.
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In bekannten Systemen ist gewöhnlich jede Zelle so ausgelegt, daß sie einen
bestimmten Effekt erzeugt, der einzeln oder in Kombination mit den von
anderen ausgewählten Zellen der Kette erzeugten Effekten ermöglicht, einen
bestimmten Gesamteffekt für die Frequenz und/oder Phasenantwortkennlinie
des Verstärkers zu erreichen, indem der Punkt ausgewählt wird, an dem das
Signal für die weitere Verarbeitung abgeleitet (angezapft) wird.
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Im Fall der verschachtelten seriellen Strukturen beschränkt eine
Gesamtoptimierung der Kette insgesamt die Möglichkeit einer speziellen Optimierung der
einzelnen Zellen, da die Kennlinien der einzelnen Zellen untereinander
kombinierbar sein müssen, um einen gewissen Gesamteffekt zu erzeugen, der
unter unterschiedlichen Kombinationen ausgewählt werden kann, was durch
eine Auswahlvorrichtung möglich ist.
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Ein solcher Aspekt verschachtelter serieller Systeme des bekannten Typs
ergibt Beschränkungen und Nachteile sowohl hinsichtlich der
Leistungsfähigkeit als auch hinsichtlich einer reduzierten Flexibilität oder Regelung.
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In integrierten Systemen diktiert normalerweise der Wert der integrierten
Widerstände die Wahl des Wertes des externen Kondensators oder der
Kondensatoren des RC-Netzwerks für die verschiedenen Zellen. Das Variieren des
Wertes der extern angeschlossenen Komponenten (gewöhnlich ein
Kondensator) einer bestimmten Zelle zum Optimieren seiner Kennlinien impliziert daher
eine Modifizierung der Antwortkennlinie bezüglich der verschiedenen
Kombinationen der gleichen Zelle mit anderen Zellen der verschachtelten Kette.
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Immer wenn solche Beschränkungen verschachtelter serieller Systeme nicht
tolerierbar sind, wird das Problem gewöhnlich vermieden, indem eine
verschachtelte serielle Struktur (trotz ihrer Bequemlichkeit) durch eine parallele
Struktur ersetzt wird, obwohl dies konstenaufwendiger ist und leichter
harmonische Verzerrungsprobleme hervorruft.
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Es besteht ein klarer Bedarf oder Nutzen an einer Schaltung zum Einstellen
der Frequenz- und/oder Phasenantwortkennlinien eines
Signalverstärkungssystems, die, obwohl sie eine verschachtelte serielle Architektur beibehält, eine
verbesserte Flexibilität der Regelung oder Optimierung im Vergleich zu
derjenigen eines parallelen Systems besitzt.
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Diese Aufgabe wird vollständig gelöst durch die Schaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung, die gekennzeichnet ist durch die Tatsache, daß virtuell
wenigstens eine Komponente der RC-Schaltung jeder Zelle einer
verschachtelten seriellen Struktur in Form mehrerer Komponenten verwirklicht ist, die
einen Teilwert eines bestimmten Entwurfswertes der Komponente besitzen,
und die in Serie miteinander verbunden sind, wobei diesen mehrere
Umleitungsschalter zugeordnet sind, von denen jeder funktionell wenigstens eine der
Komponenten mit dem Teilwert kurzschließen kann. Die Konfiguration der
Umleitungschalter wird gesteuert von einer dedizierten Steuerschaltung, die
von der Bedienungsperson programmiert werden kann. Somit kann jede Zelle
unabhängig von den anderen optimiert werden. Außerdem kann eine extrem
große Anzahl von Antwortkennlinien implementiert werden, die sowohl durch
die Auswahl des Anzapfpunktes des Signals der verschachtelten seriellen
Kette sowie durch die Konfiguration dieser Schalter der RC-Netzwerke aller
Zellen, die funktional längs des Signalpfades aktiv sind, bestimmt werden.
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Die unterschiedlichen Aspekte und Vorteile des Systems der Erfindung
werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung mehrerer wichtiger
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in
welchen:
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Fig. 1 ein Schaubild eines verschachtelten seriellen Systems zur
Modifikation/Optimierung der Frequenz- und/oder Phasenantwortkennlinien eines
bestimmten Verstärkungssystems oder eines Kanals zeigt;
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Fig. 2, 3, 5 und 6 Schaltungen zeigen, die für die Implementierung von
einzelnen Zellen des verschachtelten seriellen Systems zur Signalverarbeitung
der Fig. 1 geeignet sind, und die in Abhängigkeit vom Typ der erforderlichen
Effekte verwendet werden können;
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Fig. 7 eine Phasenschiebezelle zeigt, die funktionell der Zelle der Fig. 2
ähnlich ist und entsprechend der vorliegenden Erfindung modifziert ist;
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Fig. 8 eine Emphasis-(Verstärkungs)- oder Deemphasis-(Dämpfungs)-Zelle
zeigt, die funktional der Zelle der Figur ähnlich ist, jedoch eine integrierte
Kapazität verwendet, die gemäß der vorliegenden Erfindung mittels einer
Multipliziererschaltung, deren Verhältnis vom Operator programmiert werden
kann, geeignet multipliziert wird.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltung zum Steuern einer Frequenz
und/oder einer Phase der Antwortkennlinien eines Signalverstärkungssignals
oder eines Systems mit einer verschachtelten seriellen Architektur, die
mehrere Phasenschiebe- und/oder Emphasis- und/oder Deemphasiszellen
enthält, wie es in Fig. 1 schematisch gezeigt ist. Selbstverständlich können die
verfügbaren Auswahloptionen sich von den in Fig. 1 dargestellten
unterscheiden, indem eine andere Auswahlvorrichtung oder funktional
ähnliche Auswahlschaltungen verwendet werden. Es ist wichtig, zu
unterstreichen, daß die in den Figuren gezeigten elektrischen
Beispielschaltungen rein erläuternden Zweck haben und daß sie nicht als
einschränkend für die speziellen Beispiele des Gebiets der Anwendung der
Vorrichtung und/oder des Prozesses der Erfindung aufzufassen sind.
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Wie bereits erwähnt, kann in Abhängigkeit von den beabsichtigten Effekten
das verschachtelte serielle System für die Signalverarbeitung Zellen
unterschiedlichen Typs verwenden, von denen Beispiele in den Fig. 2-6 gezeigt
sind. Im Fall eines Systems, das dazu dient, einen sogenannten Surround-
Effekt während einer stereophonen Wiedergabe zu erzeugen, kann die
Schal
tung mehrere Phasenschiebezellen z. B. des in Fig. 2 gezeigten Typs
verwenden. Eine Zelle oder Schaltung dieses Typs ist im wesentlichen ein Allpaß-
Filter, der eine Phasenverschiebung in einem Frequenzband bewirken kann,
das bei einer bestimmten Frequenz f0 des Audiospektrums zentriert ist, die
bestimmt wird durch:
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Grundsätzlich hat jede der verschiedenen Zellen ihre eigene Grenz- oder
Mittenfrequenz der Intervention, wobei die entsprechenden Frequenzen gemäß
den Kriterien über das Audioband verteilt sein können.
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Die bestimmte Auswahl des Punktes, von dem das Signal abgeleitet wird,
durch den Operator bestimmt die Auswahl eines bestimmten Surround-
Effektes unter mehreren auswählbaren Effekten.
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Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Zellen sind offensichtlich biquadratische
Zellen (d. h. Zellen mit einer Übertragungsfunktion, die quadratische
Funktionen sowohl im Zähler als auch im Nenner enthält). Diese Zellen besitzen im
wesentlichen eine glockenförmige Frequenzantwortkennlinie (Bandpaß) und
werden gewöhnlich in Audioprozessoren verwendet, um z. B. eine
Tonsteuerfunktion oder dergleichen zu implementieren. Die Übertragungsfunktionen der
Zellen 3 und 4 sind im wesentlichen ähnlich.
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Die in Fig. 5 gezeigte Zelle besitzt eine Übertragungsfunktion, die eine
Frequenzantwortkennlinie des Bandpaßtyps zeigt, sowie einen
Verstärkungsfaktor kleiner oder gleich 1. Dieser Typ von Zelle wird gewöhnlich in
Deemphasis-(Dämpfer)-Schaltungen verwendet.
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Die Zelle der Fig. 6 zeigt eine typische Emphasis-(Verstärkungs)-Schaltung
für Hochfrequenztöne (d. h. mit der Kennlinie eines Hochpaßfilters), die
geeignet ist, um eine In-Band-Verstärkung größer als 1 zu erzeugen.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 schematisch
gezeigt. Funktional ist die Zelle der Fig. 7 äquivalent zur Zelle der Fig. 2. Sie
stellt eine Phasenschiebeschaltung des Allpaß-Typs dar (d. h. sie besitzt eine
im wesentlichen flache Frequenzantwortkennlinie), die in einer Schaltung zum
Erzeugen eines Surround-Effekts in einem stereophonen Wiedergabesystem
verwendet werden kann, wie oben bereits erwähnt worden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann jede Zelle (ZELLE1,
ZELLE2, ZELLE3, ..., ZELLEn) der verschachtelten seriellen Schaltung der
Fig. 1 eine Schaltung ähnlich der in Fig. 7 gezeigten Schaltung enthalten. Die
integrierten Komponenten des RC-Netzwerks (im speziellen Beispiel der
Widerstand R), der die Mittenfrequenz f0 bestimmt, wird in Form mehrerer
integrierter Widerstände r1, r2, r3, ..., rN verwirklicht, die in Serie zueinander
geschaltet sind. Jeder Widerstand besitzt einen Teilwert, bezogen auf einen
bestimmten Entwurfswert des Widerstands R. Parallel zu jeder
Teilkomponente ist ein integrierter Umgehungsschalter (S1, S2, S3, ..., SN)
angeschlossen, der von der Bedienungsperson durch Programmieren oder Auswählen von
einer Steuertafel gesteuert werden kann. Die Treiberschaltung der
Umgehungsschalter ist in den Schaltbildern der Figuren nicht gezeigt und kann in
irgendeiner geeigneten Weise leicht verwirklicht werden, wie Fachleuten
sofort klar ist. Auf diese Weise kann die Mittenfrequenz f0 jeder Zelle des
verschachtelten seriellen Systems von Zellen (Fig. 1) unabhängig optimiert
werden, d. h. sie kann vom Operator innerhalb eines bestimmten Bereichs
variiert werden, indem der Zustand der Umgehungsschalter S1, S2, S3, ..., SN,
eingestellt wird, um einen bestimmten effektiven Wert des Widerstands R des
RC-Netzwerks der Zelle zu bestimmen.
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Das gesamte verschachtelte serielle System, wie es in Fig. 1 schematisch
dargestellt ist, weist eine überraschende Flexibilität auf. Mit anderen Worten,
eine extrem große Anzahl möglicher Kombinationen kann erzeugt werden, die
relativ klein sind, wenn das Signal nach den "ersten" wenigen Zellen der Serie
abgeleitet wird, und groß ist, wenn das Signal nach der "letzten" Zelle der
Serie (ZELLEn) abgeleitet wird. Wenn die Schaltung der Fig. 1 eine Zahl n
Zellen umfaßt und jede Zelle (Fig. 7) mit einer Anzahl N konfigurierbarer
Widerstandsmodule verwirklicht ist, hat der Benutzer eine Anzahl von
Kombinationen zur Verfügung, d. h. eine Anzahl unterscheidbarer Effekte, die
frei ausgewählt werden können, die gegeben ist durch:
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Selbstverständlich können die umgehbaren Widerstandsmodule: r1, r2, r3, ...,
rN, sowie die Umgehungsschalter: S1, S2, S3, SN, vorteilhaft integriert sein.
Die Konfigurierungsschalter S1, S2, S3, ... SN, können digital gesteuert
werden und können somit mittels einfacher "Übertragungsgatter" realisiert
werden, die, wenn sie richtig dimensioniert sind, das System hinsichtlich des
Rauschens und/oder der Verzerrungen nicht beeinträchtigen.
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Das Schaltbild der Fig. 8 zeigt eine biquadratische Zelle mit einer Bandpaß-
Frequenzantwortkennlinie, die zum Erzeugen entweder einen Dämpfung oder
einer Verstärkung des Signals innerhalb des Bandes ausgelegt sein kann und
die funktional der in Fig. 4 gezeigten Zelle ähnlich ist. Die Kapazität C des
RC-Netzwerks des Signals wird im gezeigten Beispiel der Fig. 8 durch eine
integrierte Kapazität Ci gebildet, die einen relativ kleinen Wert hat, der mittels
einer dedizierten, integrierten Kapazitätsmultipliziererschaltung geeignet
multipliziert wird. Wie einem Techniker klar ist, ist die äquivalente Kapazität,
die vom Kapazitätsmultiplizierer geschaffen wird, gegeben durch:
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C = Ci · (R1/R2).
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist einer der zwei Zweige (R1) des
Spannungsteilers R1-R2 der Kapazitätsmultipliziererschaltung in Form
mehrerer integrierter Widerstände mit einem Teilwert: r1, r2 und r3
verwirklicht, wobei jedes Widerstandsmodul über einen entsprechenden integrierten
Schalter: S1, S2, S3 kurzgeschlossen werden kann.
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Auch in diesem Fall erlaubt ein verschachteltes serielles System (Fig. 1), das
aus mehreren Zellen mit einer Schaltung wie in Fig. 8 gezeigt besteht, die
Anzahl der auswählbaren Kombinationen zu "multiplizieren", um viele
unterschiedliche Antwortkennlinien zu erhalten.
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Die Erfindung ist insbesondere in Systemen und Geräten nützlich, die
notwendigerweise ein geringes Konstenniveau und eine hohe Kompaktheit
aufweisen müssen, wie im Fall tragbarer oder in Kraftfahrzeugen
angewendeter Wiedergabe- und Radiosysteme. In diesen Fällen neigen Betrachtungen der
Kosten, der Komplexität und der Größe der integrierten Vorrichtungen dazu,
die Option des Anwendens einer parallelen Architektur auszuschließen, wobei
unter diesen Umständen die vorliegende Erfindung ermöglicht, eine
überraschend hohe Flexibilität der Regelung zu erreichen, während die Kosten, die
Komplexität und die Größe der integrierten Schaltungen, die den
Audioprozessor bilden, niedrige gehalten werden können. Die Beseitigung externer
Komponenten (gewöhnlich Kondensatoren), die allgemein von Herstellern
elektronischer Geräte beabsichtigt ist, gefährdet im speziellen Fall der
Schaltungen für die Angleichung/Modifikation der Antwortkennlinien nicht die
Möglichkeit des Herstellers des Geräts, spezielle Vorgabebedingungen zu
implementieren, indem er z. B. Vorgabekonfigurationen der Schalter der
einzelnen Zellen des verschachtelten seriellen Systems einrichtet, die die
speziellen Kennlinien der anderen Komponenten der
Tonwiedergabevorrichtung berücksichtigt. Eine solche individuelle Ausrichtung, die gewöhnlich
ermöglicht wurde durch Auswählen der Werte der extern angeschlossenen
Kondensatoren, ist in einem System der Erfindung genauer und einfacher zu
implementieren, indem einfach eine oder noch besser mehrere auswählbare
Vorgabekonfigurationen der Umgehungsschalter der einzelnen Zellen (RC-
Netzwerke der Zellen) definiert werden.
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Selbstverständlich sind mehrere alternative Ausführungsformen möglich.
Insbesondere eine vorteilhafte Kapazitätsmultipliziererschaltung, die für die
Implementierung von RC-Netzwerken einzelner Zellen eines gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellten Systems nützlich sein kann, ist
beschrieben in einer früheren europäischen Patentanmeldung Nr. 92830419.5,
eingereicht am 28. Juli 1992 vom selben Anmelder.