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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung mit variabler
Dämpfung,
welche in günstiger
Weise auf einen in einer Antennenschaltung einer in einem Fahrzeug
angebrachten Antennenvorrichtung eingesetzten Verstärker mit
AGC (automatic gain control – automatischer
Schwundausgleich) anwendbar ist.
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Nachdem
in einem starken elektrischen Feld einem Tuner ein übermäßiges Empfangssignal
einer Antenne zugeführt
wird, tritt in dem Tuner eine Verzerrung (speziell eine tertiäre Intermodulationsverzerrung)
auf, um die Empfangsleistung der Antenne zu verringern. Als eine
Maßnahme
hiergegen wird verhindert, daß ein
Empfangssignal, welches einen feststehenden Pegel oder darüber aufweist,
in den Tuner eingegeben wird, indem zwischen der Antenne und dem
Tuner ein Verstärker
mit einer AGC-Schaltung
zwischengeschaltet wird. Diese Maßnahme verbessert die Empfangsleistung
in gewissem Ausmaß, da
dem Tuner ein Empfangssignal mit einem feststehenden Pegel oder
darüber
nicht zugeführt
wird.
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Der
herkömmliche
Verstärker
mit einer AGC-Schaltung weist jedoch ein Problem auf, in welchem
eine Schaltung mit variabler Dämpfung,
welche ein Element ist, das die AGC-Schaltung ausmacht, auf einen
Empfang eines starken Signals hin eine große Verzerrung verursacht. Daher
ist der herkömmliche
Verstärker
in der Empfangsleistung nicht merklich verbessert worden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltung
mit variabler Dämpfung zu
schaffen, welche eine durch ein starkes Eingangssignal erzeugte Verzerrung
reduziert und in den Intermodulationsverzerrungseigenschaften verbessert
ist.
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US 3,348,805 offenbart eine
Schaltung mit variabler Dämpfung,
die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
und eine Verbindungsstelle zwischen den Anschlüssen, eine zwischen dem Eingangsanschluß und der
Verbindungsstelle angeschlossene erste Diode und eine zwischen der
Verbindungsstelle und Masse angeschlossene zweite Diode aufweist,
wobei die Dioden entgegengesetzte Elektroden mit der Verbindungsstelle
verbunden aufweisen. An die erste Diode ist eine umgekehrte Vorspannung
angelegt, und an die Verbindungsstelle ist eine variable Steuerspannung
angelegt, um das Vorspannungspotential über die Dioden zu variieren
und ein Eingangssignal zu dämpfen.
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Um
das vorstehende Problem zu lösen
und die vorstehende Aufgabe zu erfüllen, ist die Schaltung mit
variabler Dämpfung
der vorliegenden Erfindung wie folgt aufgebaut.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Schaltung mit variabler Dämpfung bereit,
welche aufweist: eine erste Diode, die zwischen einem Eingangsanschluß und einem
Ausgangsanschluß derart
angeschlossen ist, daß die
Kathodenseite hiervon zu dem Ausgangsanschluß hin gerichtet ist; ein Widerstandselement,
welches in Reihe mit einem Hochfrequenzkondensator geschaltet ist
und wobei beide parallel zu der ersten Diode geschaltet sind; eine
zweite Diode, die zwischen der Kathode der ersten Diode und Masse
derart angeschlossen ist, daß eine
Kathodenseite hiervon zur Masse hin gerichtet ist; eine Schaltung
zum Anlegen einer Steuerspannung, um einen Signalpegel des Ausgangsanschlusses
durch Variieren des Durchlasswiderstands der ersten und der zweiten
Diode variabel zu dämpfen;
und eine dritte Diode, welche durch ein weiteres Widerstandselement
in Reihe mit der zweiten Diode geschaltet ist.
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In
der zuvor erwähnten
Schaltung mit variabler Dämpfung
sind bevorzugte Merkmale wie folgt.
- (1) Die
dritte Diode ist eine Siliziumdiode.
- (2) Sowohl die erste als auch die zweite Diode ist eine PIN-Diode.
- (3) Die erste Diode enthält
wenigstens zwei in Reihe geschaltete Dioden.
- (4) Die dritte Diode enthält
entweder wenigstens zwei Dioden oder wenigstens zwei Zener-Dioden.
- (5) Wenn der Durchlaßwiderstand
der ersten Diode ΩD1
beträgt,
der Sperrwiderstand hiervon ΩD2 beträgt, und
der Widerstandswert des Widerstandselements ΩR1 beträgt, ist die nachstehende Beziehung
erfüllt: ΩD1 << ΩR1 < VD2.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine erste (PIN)-Diode durch einen Hochfrequenzkondensator
mit einem ersten Widerstandselement parallel geschaltet, und die
erste und die zweite (PIN)-Diode bilden ein L-förmiges Dämpfungsglied, um eine Amplitude
eines an eine Anode der zweiten (PIN)-Diode angelegten Signals zu
verringern. Ferner ist die zweite (PIN)-Diode mit einer Allzweck-Siliziumdiode durch
ein zweites Widerstandselement in Reihe geschaltet. Nachdem die
erste (PIN)-Diode in hohem Maße
umgekehrt vorgespannt ist, wird dann, wenn ein starkes Signal eingegeben
wird, die Selbstgleichrichtung der ersten (PIN)-Diode unterdrückt und
der Betrag einer Vorspannungsvariationsdämpfung reduziert. Demzufolge
kann die vorliegende Erfindung eine Schaltung mit variabler Dämpfung bereitstellen, welche
die durch ein starkes Eingangssignal erzeugte Verzerrung reduziert
und in Intermodulationsverzerrungseigenschaften verbessert ist.
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Es
wird verständlich
sein, daß bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung eine Unterkombination der vorstehend beschriebenen
bevorzugten Merkmale enthalten können.
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Die
Erfindung kann vollständiger
aus der nachstehenden genauen Beschreibung verstanden werden, wenn
sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird,
in welchen:
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1A und 1B eine Schaltung mit variabler Dämpfung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei 1A ein Blockdiagramm ist, welches den
Aufbau einer Verstärkungsschaltung
mit einer in einem Fahrzeug angebrachten, die Schaltung mit variabler
Dämpfung aufweisenden
AGC zeigt und 1B ein
Schaltbild ist, welches die Anordnung der Schaltung mit variabler
Dämpfung
darstellt;
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2A bis 2C Schaltbilder sind, welche die Anordnungen
von Schaltungen mit variabler Dämpfung
gemäß einer
zweiten bis vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellen; und
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3A und 3B Graphen sind, welche Ergebnisse von
Experimenten an den Schaltungen mit variabler Dämpfung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zeigen, in welchen 3A Ergebnisse
einer tatsächlichen
Messung einer tertiären
Verzerrung einer "Probe
M" mit dem Merkmal
der vorliegenden Erfindung zeigt und 3B Ergebnisse
einer tatsächlichen
Messung einer tertiären
Verzerrung einer "Probe
N" ohne das Merkmal
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Erste Ausführungsform
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Aufbau
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1A stellt den Aufbau einer
Verstärkungsschaltung 10 mit
einer an einem Fahrzeug angebrachten AGC, welche die Schaltung mit
variabler Dämpfung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist, dar Die Verstärkungsschaltung 10 ist
zwischen einer Antenne 1 und einem Tuner 2 zwischengeschaltet
und enthält
einen Eingangsfilter 11 zum Empfangen eines Signals von der
Antenne 1, eine Schaltung mit variabler Dämpfung und
niedriger Verzerrung 12, einen Ausgangsverstärker 13 zum
Ausgeben eines Signals an den Tuner 2, eine Erfassungsschaltung 14 und
einen Fehlerverstärker 15.
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Das
Ausgangssignal des Verstärkers 13 wird durch
die Erfassungsschaltung 14 erfaßt und durch den Fehlerverstärker 15 mit
einer Vergleichs-Bezugsspannung E verglichen. Eine Differenz zwischen diesen
wird verstärkt
und der Schaltung mit variabler Dämpfung 12 als die
Steuerspannung Vc zurückgeführt.
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1B ist ein Schaltbild, welches
speziell die Anordnung der Schaltung mit variabler Dämpfung und
niedriger Verzerrung 12 zeigt. Wie in 1B dargestellt, enthält die Schaltung 12 eine
erste PIN-Diode D1 und eine zweite PIN-Diode D2. Die erste PIN-Diode
D1 ist zwischen einem Eingangsanschluß A und einem Ausgangsanschluß B derart
angeschlossen, daß die
Kathodenseite hiervon zu dem Ausgangsanschluß B hin gerichtet ist. Die
zweite PIN-Diode
D2 ist zwischen der Kathode der ersten PIN-Diode D1 und Masse durch
einen Kondensator C4 derart angeschlossen, daß die Kathodenseite hiervon
zur Masse hin gerichtet ist. Die Schaltung mit variabler Dämpfung 12 enthält auch
eine Schaltung zum Anlegen einer Steuerspannung Vc, um einen Signalpegel
des Ausgangsanschlusses B durch Variieren des Durchlaßwiderstands
der ersten und der zweiten PIN-Diode D1 und D2 variabel zu dämpfen. In
der vorstehenden Anordnung sind die erste und die zweite Diode PIN-Dioden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht hierauf beschränkt, vielmehr
können Dioden
mit einer Funktion ähnlich
der der PIN-Diode eingesetzt werden. Nachstehend wird jedoch nur
die Verwendung der PIN-Diode als eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben werden.
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Ein
erstes Widerstandselement R1 ist durch einen Hochfrequenzkondensator
C2 parallel zu der ersten PIN-Diode
D1 geschaltet, und die erste und die zweite PIN-Diode D1 und D2 bilden ein L-förmiges Dämpfungsglied.
Eine Allzweck-Siliziumdiode D3 ist durch ein zweites Widerstandselement
R2 mit der zweiten PIN-Diode D2 in Reihe geschaltet, und die erste
PIN-Diode D1 ist in hohem Maße
umgekehrt vorgespannt, wenn ein starkes Signal eingegeben wird.
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1B stellt Kopplungskondensatoren
C1 und C3, Bypaß-Kondensatoren
C4 und C5 und Hochfrequenz-Drosselspulen L1 und L2 dar. 1B stellt auch Partialdruck-Widerstandselemente
R3 und R4, eine Gleichspannung Vb und eine geteilte Spannung Vd
dar.
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Betriebsweise und Funktion
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Nachstehend
wird speziell eine Betriebsweise der Verstärkungsvorrichtung 10 und
der Schaltung mit variabler Dämpfung
und niedriger Verzerrung 12, die in 1A und 1B gezeigt
sind, beschrieben werden. In einem schwachen elektrischen Feld ist
der Pegel eines Signaleingangs an die Vorrichtung 10 von
der Antenne 1 niedrig. Der Fehlerverstärker 15 steuert eine
Steuerspannung Vc, um zu bewirken, daß ein Eingangssignal ohne Dämpfung des
Eingangssignal durch die Schaltung mit variabler Dämpfung und
niedriger Verzerrung 12 läuft. Genauer gesagt, wenn die
Steuerspannung Vc höher
wird als die Summe der geteilten Spannung Vd und einer Durchlaßspannung
(etwa 0,7 V) der PIN-Diode in ihrer Vorwärtsrichtung
Vc > Vd + etwa 0,7 V,
wird
die PIN-Diode D1 der Schaltung 12 eingeschaltet und ein
an den Eingangsanschluß A
angelegtes Signal kaum gedämpft,
sondern aus dem Ausgangsanschluß B
ausgegeben. Das Widerstandselement R1 ist auf Hochfrequenz-Weise
parallel zu der PIN-Diode D1 geschaltet. Falls der Wert des Widerstandselements
R1 sehr viel größer als
der Durchlaßwiderstand
der PIN-Diode D1 ist, d. h., falls das Widerstandselement die nachstehende
Beziehung:
(Widerstandswert von R1 >> Durchlaßwiderstand von
D1)
erfüllt,
kann der Einfluß des
Widerstandselements R1 ignoriert werden.
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Nachdem
in diesem Fall die PIN-Dioden D2 und D3 umgekehrt vorgespannt sind,
sind sie ausgeschaltet und weisen eine hohe Impedanz auf. Daher üben die
PIN-Dioden keine Wirkung auf die Betriebsweise der Schaltung aus.
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Wenn
ein elektrisches Feld verstärkt
wird und ein Ausgang der Erfassungsschaltung 14 beginnt,
die Vergleichs-Bezugsspannung E zu überschreiten, erhöht der Fehlerverstärker 15 einen Dämpfungsbetrag
der Schaltung mit variabler Dämpfung
und niedriger Verzerrung 12 und steuert die Steuerspannung
Vc, um einen Ausgangspegel des Verstärkers 13 auf einem
festgelegten Wert zu halten.
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Es
sei angenommen, daß die
Schaltung mit variabler Dämpfung
und niedriger Verzerrung 12 kein Widerstandsele ment R1
enthält.
Um den Ausgangspegel des Verstärkers 13 auf
einem feststehenden Wert zu halten, wenn das elektrische Feld wie
vorstehend beschrieben verstärkt
wird, wird die Steuerspannung Vc nahe an die geteilte Spannung Vd
gebracht, wird der durch die PIN-Diode D1 fließende Strom reduziert, und
wird der Durchlaßwiderstand der
PIN-Diode D1 erhöht.
In diesem Fall sind die PIN-Dioden D2 und D3 nicht vorgespannt,
sondern ausgeschaltet und weisen weiterhin eine hohe Impedanz auf.
Der Dämpfungsbetrag
wird daher durch ein Verhältnis
des Widerstandswerts der PIN-Diode D1 und der Eingangsimpedanz (üblicherweise
als 50 Ω oder
75 Ω ausgelegt)
des Verstärkers 13 bestimmt.
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Es
ist bekannt, daß die
an die Anode der PIN-Diode D1 angelegte Steuerspannung Vc innerhalb
des nachstehenden Bereichs variiert wird, und dann, wenn der fließende Strom
in variabler Weise gesteuert wird, der Widerstandswert der PIN-Diode D1
innerhalb eines weiten Bereichs zwischen mehreren Ohm (Ω) und mehreren
Kiloohm (kΩ)
variiert.
Vd ≤ Vc ≤ (Vd + etwa
0,7 V)
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Die
Dämpfung
eines Dämpfungsglieds
mit einem Widerstand der PIN-Diode D1 und einer Eingangsimpedanz
des Verstärkers 13 reicht
von etwa 20 dB bis 30 dB, und das Dämpfungsglied fungiert als eine
Schaltung mit variabler Dämpfung.
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Wenn
ein elektrisches Feld verstärkt
wird, kann ein Betrieb einer AGC zum Halten eines Ausgangspegels
des Verstärkers 13 auf
einem feststehenden Wert unter Ausnutzung eines weiten Variationsbereichs
im Widerstandswert der PIN-Diode für eine Erhöhung von etwa 20 dB bis 30
dB in dem Eingangspegel von dem Stabpegel des Betriebs der AGC aus
durchgeführt
werden.
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Die
vorstehende Schaltung, die kein Widerstandselement R1 enthält, weist
jedoch einen Nachteil auf, in welchem eine von der PIN-Diode D1
aus erzeugte Verzerrung abrupt erhöht wird, da der durch die PIN-Diode
D1 fließende
Strom weniger wird, wenn die Steuerspannung Vc nahe an die geteilte Spannung
Vd gebracht wird. Die zu erzeugende Verzerrung hängt in hohem Maße von dem
Eingangssignalpegel ab. Der vorstehende Nachteil kann daher überwunden
werden, indem eine Schaltungsanordnung entworfen wird, in welcher
die Steuerspannung Vc auf den Empfang eines niedrigpegeligen Signals hin
nahe an die geteilte Spannung Vd gebracht wird, was die Verzerrung
reduziert.
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In
der ersten Ausführungsform
ist ein Widerstandselement R1 ausgewählt, um die Beziehung "Durchlaßwiderstand
von D1 << Widerstandswert von
R1 < Sperrwiderstand
von D1" zu erfüllen, und durch
den Kopplungskondensator C2 parallel zu der PIN-Diode D1 geschaltet.
Falls die Dämpfungsschaltung
das Widerstandselement R1 enthält,
wird dann, wenn die an die Anode der PIN-Diode D1 angelegte Steuerspannung
Vc innerhalb des gleichen Bereichs variiert wird, Vd ≤ Vc ≤ (Vd + etwa
0,7 V), wie vorstehend beschrieben, ein Widerstand zwischen dem Eingangs-
und dem Ausgangsanschluß A
und B durch eine Parallelkombination des Widerstands der PIN-Diode
D1 und dem des Widerstandselements R1 berechnet.
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Falls
die Steuerspannung Vc unter die geteilte Spannung Vd gesenkt wird,
werden die PIN-Dioden D2 und D3 in der Vorwärtsrichtung vorgespannt und
eingeschaltet und wird die Kathode der PIN-Diode D1 durch den Bypass-Kondensator
C4 auf Hochfrequenz-Weise auf Masse gelegt. In diesem Zustand ist
die PIN-Diode D1 umgekehrt vorgespannt und bilden der Widerstandswert
des Widerstandselements R1 und der Durchlaßwiderstand der PIN-Diode D2 eine
Schal tung mit variabler Dämpfung.
In anderen Worten, eine Betriebsweise zum Festlegen des Ausgangspegels
auf einem erforderlichen Wert wird durch ein L-förmiges Dämpfungsglied, welches aus dem
Widerstandselement R1 und der PIN-Diode D2 aufgebaut ist, durchgeführt. Der
Sperrwiderstand von D1 ist daher höher als der Widerstandswert
von R1 (Sperrwiderstand von D1 >> Widerstandswert von R1),
und der Sperrwiderstand der PIN-Diode D1 übt kaum eine Wirkung auf den
Betrieb aus. Die PIN-Diode D1 wird jedoch aufgrund eines starken
Eingangssignals selbstgleichgerichtet und beginnt, eine Vorspannungsvariationsverzerrung
zu erzeugen.
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In
der ersten Ausführungsform
ist die PIN-Diode D1 in hohem Maße umgekehrt vorgespannt, wenn
ein starkes Signal mit einem Pegel von 0 dBm eingegeben wird. Daher
ist die Allzweck-Siliziumdiode D3 durch das Widerstandselement R2
in Reihe mit der PIN-Diode D2 geschaltet, um den Betrag der Vorspannungsvariationsverzerrung
aufgrund der Selbstgleichrichtung der PIN-Diode D1 zu verringern. Eine
umgekehrte Vorspannung von etwa 1,4 V wird an die FIN-Diode D1 angelegt,
wobei ein Abfall in der Vorwärtsspannung
(etwa 1,4 V in beiden von diesen) zwischen der Anode und der Kathode
der Dioden D2 und D3 genutzt wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, wird eine niedrige Verzerrung innerhalb
eines weiten Bereichs von Eingangspegeln von dem Betriebsstartpegel
der AGC bis zu dem starken Eingangspegel von 0 dBm erzielt.
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Andere Ausführungsformen
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2A bis 2C sind Schaltbilder von Anordnungen
variabler Dämpfungsglieder
gemäß den anderen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. 2A zeigt
eine Schaltungsanordnung des variablen Dämpfungsglieds gemäß der zweiten
Ausführungsform,
in welcher die Allzwecksiliziumdiode D3 durch zwei Dioden D31 und
D32 ersetzt ist, die in Reihe zueinander geschaltet sind. 2B stellt eine Schaltungsanordnung
des variablen Dämpfungsglieds
gemäß der dritten
Ausführungsform
dar, in welcher die Allzwecksiliziumdiode D3 durch eine Zenerdiode
ZD ersetzt ist. 2C zeigt
eine Schaltungsanordnung des variablen Dämpfungsglieds gemäß der vierten
Ausführungsform,
in welcher die PIN-Diode D1 durch zwei Dioden D11 und D12 ersetzt
ist, die in Reihe miteinander geschaltet sind.
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Falls
die variablen Dämpfungsglieder
so angeordnet sind, wie es in 2A bis 2C gezeigt ist, werden die
Betriebsweise und die Funktion der ersten Ausführungsform deutlicher.
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Experimentelle Ergebnisse
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3A und 3B sind Graphen, welche Ergebnisse tatsächlicher
Messungen tertiärer
Verzerrungen zeigen, die von "Probe
M" und "Probe N" erzeugt werden,
wenn ein Signal f1 von 89 MHz und ein Signal f2 von 90 MHz in die "Probe M" und "Probe N" eingegeben werden.
Tatsächlich
sind es zwei Frequenzen von 88 MHz und 91 MHz, an welchen tertiäre Verzerrungen
erzeugt werden, 3A und 3B zeigen jedoch nur die
tertiäre
Verzerrung, die bei der Frequenz von 91 MHz erzeugt wird.
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Die "Probe M" ist ein Verstärker (Verstärkungsfaktor
10 dB) mit einer AGC-Schaltung, auf welche das variable Dämpfungsglied
der vorliegenden Erfindung angewendet ist, während die "Probe N" ein Verstärker (Verstärkungsfaktor 5 dB) mit einer AGC-Schaltung
ist, auf welche ein variables Dämpfungsglied
ohne die Merkmale der vorliegenden Erfindung angewendet ist.
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Wie
aus einem Vergleich von 3A und 3B ersichtlich, ist die tertiäre Verzerrung
von "Probe M" mit den Merkmalen
der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit der von "Probe N" ohne die Merkmale der
vorliegenden Erfindung stark verringert.