DE2821007A1 - Impulsverstaerker - Google Patents
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Description
Impulsverstärker
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalterkreis zur Steuerung eines Ausgangspegels über einen IIOSFET-Transistor, dessen
Kanalwiderstand bei Temperaturänderungen im wesentlichen konstant bleibt. In der Schaltungstechnik hat man viele Anstrengungen
bezüglich des generellen Problems von Temperaturkompensationen unternommen. In der Technik der integrierten Schaltungen
sind die meisten Untersuchungen dieser Art jedoch auf Schaltungen mit Bipolartransistoren gerichtet, und wenn man bei solchen
Schaltungen eine Temperaturkompensation vorsieht, dann zeigen sie entweder ein langsames Schaltverhalten oder neigen
zu Spannungsdurchbrüchen bei hohen Ausgangspegeln.
Bei dem hier zu beschreibenden erfindungsgemäßen Schalterkreis
wird ein Ausgangspegel über einen MOSFET-Transistor gesteuert,
und es ist eine Schaltung zur Veränderung der Gate-Source-Spannung dieses Transistors unmittelbar mit der Temperatur vorgesehen,
welche den Kanalwiderstand bei Temperaturänderungen praktisch konstant hält. Dieser Schalterkreis eignet sich vornehmlich
für Impulsverstärker, um seine Ausgangspegel zu bestimmen. Sie kann aber auch zur Bestimmung eines Ausgangspegels
des Impulsverstärkers benutzt werden, während ein zweiter Schalterkreis den anderen Ausgangspegel des Impulsverstärkers
über einen Bipolartransistor bestimmt. Ausführungsformen mit
einem solchen zweiten Schalterkreis können eine Schaltung zur Veränderung des Basisstroms des Bipolartransistors umgekehrt
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mit der Temperatur enthalten, um die am Transistor auftretende
Sättigungsspannung mit Temperaturänderungen im wesentlichen
konstant zu halten. In Fällen, wo der zweite Schalterkreis benutzt wird, können auch zur Unterbrechung des dem Bipolartransistor
zugeführten Basisstroms bei hoher Temperatur nicht in die Sättigung geratende Schaltungselemente benutzt werden, um
die Einschaltgeschwindigkeit des Bipolartransistors zu vergrößern. Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Darstellungen
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines ImpulsVerstärkers mit einem
gemäß der Erfindung ausgebildeten Schalterkreis zusammen mit einem zweiten Schalterkreis zur Bestimmung der hohen
bzw. niedrigen Ausgangspegel;
Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Impulsverstärkers
gemäß Fig. 1; und
Fig. 3 eine andere Ausführungsform des zweiten Schalterkreises in dem in Fig. 1 dargestellten Impulsverstärker.
Der in Fig. 1 dargestellte Impulsverstärker 10 enthält einen erfindungsgemäß ausgebildeten Schalterkreis 12. Ein dem Eingangsanschluß
14 des Verstärkers 10 zugeführtes Signal bestimmt, ob dem Ausgangsanschluβ 16 vom Quellenanschluß V„ eine eine
hohe Spannung oder vom SourceanSchluß V, eine niedrige Spannung
zugeführt wird. Der Schalterkreis 12 verbindet wahlweise den Anschluß V„ mit dem Anschluß 16 über die Drain-Source-Strecke
eines MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) Q-. Der Anschluß
14 ist mit dem Gate Q- über eine Kompensationsschaltung
18 zur Veränderung der Gate-Source-Spannung des Transistors Οίτη Sinne einer Konstanthaltung des Drain-Source-Kanalwiderstandes
bei Temperaturänderungen verbunden. Ein zweiter Schalterkreis 20 verbindet den Anschluß VT mit dem Anschluß 16 über
die Hauptstromstrecke eines Bipolartransistors Q_. Der Eingangsanschluß
14 ist mit der Basis des Transistors Q_ über eine
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Kompensationsschaltung 22 verbunden, vzelche den den Transistor
Q2 zugeführten Basisstrom im Sinne einer Konstanthaltung von dessen
Sättigungsspannung bei Temperaturänderungen verändert. Es ist ohne weitere Erläuterungen verständlich, daß die T'ompensationsschaltung
18 thermisch mit dein Transistor O- und. die Kompensationsschaltung
22 thermisch mit dem Transistor Γ5·ι und die
Kompensationsschaltung 22 thermisch mit dem Transistor O_ gekoppelt
ist, so daß ein kontinuierlicher TemperaturZusammenhang
gegeben ist. Eine an den Anschluß 1G anzuschließende Last beeinflußt
den dort herrschenden Spannungspegel, wenn einer der Schalterkreise 12 oder 20 infolge eines Steuersignals am Anschluß
14 leitend wird. Jedoch hält die Kompensationsschaltung 18 den Kanalwiderstand des Transistors Q1 bei Temperaturschwankungen
praktisch konstant, während die Kompensationsschaltung 22 die Sättigungsspannung über dem Transistor O^ bei Temperaturschwankungen
im wesentlichen konstant hält. Daher sind Strom und Spannung für die Last am Anschluß 16 praktisch konstant,
ob nun der Schalterkreis 12 oder 20 infolge des Steuersignals
leitend ist, wenn man annimmt, daß die Auswirkungen der Last richtig temperaturkompensiert sind. Wie es bei Impulsverstärkern
üblich ist, macht das Steuersignal am Eingangsanschluß 14 entweder nur den Schalterkreis 12 oder nur den Schalterkreis 20
leitend.
Der Schalterkreis 12 gemäß der hier beschriebenen Erfindung eignet sich auch für andere Anwendungen als bei dem Impulsverstärker
10, wo niedrige AusgangsSpannungsdriften bei Temperaturänderungen
von Bedeutung sind. In Anwendungsfällen, wo die Last für den Schalterkreis 12 nicht temperaturkompensiert ist,
läßt sich der Kanalwiderstand des MOSFETs im Sinne einer solchen Temperaturkompensation steuern. Weiterhin kann der Schalterkreis
20 im Verstärker 10 gemäß Fig. 1 auch durch einen Schalterkreis 12 mit einem MOSFET mit einem dem Transistor Q-komplementären
Leitungstyp ersetzt werden.
Eine besondere Ausführungsform für den in Fig. 1 dargestellten
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Verstärker 10 ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dem Schalterkreis 12'
ist hier das Gate des MOSFET Q1' über eine Diode D1 mit dem Ausgang
eines nicht in die Sättigung geratenden Spannungskomparators 24 und auf einem getrennten Weg über die Hauptstromstrecke
eines Bipolartransistors Q_ mit dem Quellenanschluß V' verbun-
J ti
den. Die Diode D1 ist in Leitungsrichtung gepolt und erhöht die
Gate-Source-Spannung des Transistors Q1' in Übereinstimmung mit
einer Zunahme des Leitens seines Drain-Source-Kanals. Die Basis
des Transistors Q3 ist mit dem Signalausgang des !Comparators 24
verbunden, welcher den Transistor O3 leitend macht, wenn die
Diode D1 durch ihn gesperrt wird. Im Komparator 24 sind Bipolartransistoren
Q. und Q1- in Differenzschaltung vorgesehen, wobei
ein Ende ihrer Hauptstromstrecke mit einem Ende der Hauptstromstrecke eines Bipolartransistors Q,- zusaimnengeschaltet sind.
Die anderen Enden der Hauptstromstrecken der Transistoren Q.
und On liegen über Widerstände R1 bzw. R^ am Anschluß V '. Das
andere Ende der Hauptstromstrecke des Transistors Q, liegt über
einen Widerstand R, am Anschluß VL'. Die Widerstände Q., O5 und
Qg sind nacheinander in Reihe zwischen die Anschlüsse V ' und
V_' geschaltet, wobei die Basis des Transistors Q. am Verbindungspunkt
der Widerstände R, und R5 und die Basis des Transistors
Q6 am Verbindungspunkt der Widerstände Rc und R^- liegt.
Das dem Anschluß 14' des Verstärkers 10" zugeführte Steuersignal
gelangt zum Eingang des Komparators 24 an der Basis des Transistors Q5.
Wenn das Steuersignal am Anschluß 14' den an der Basis des
Transistors Q4 liegenden Pegel übersteigt, dann wird der Transistor
Q,- leitend und verringert das Aus gangs signal des Komparators
24 gegenüber dem Anschluß V '. Infolge dieses niedrigeren Signalpegels fließt weniger Strom durch die Diode D1, so daß an
der Gate-Source-Strecke des Transistors Q1' eine Spannungsdifferenz
einer Polarität entsteht, bei welcher der Source-Drain-Kanal dieses Transistors leitend wird. Wäre die Gate-Source-Spannung
des Transistors Q1' fest, dann würde der Kanalwiderstand
dazu neigen, sich direkt mit der Temperatur zu ändern,
B09847/092Q
so daß der Spannungsabfall an ihm und der durch ihn fließende Strom bei einer gegebenen Belastung nicht konstant gehalten
würde. Daher ist der Transistor 0,- im Komparator 24 vorgesehen,
um den Stromfluß durch den Transistor Q5 zu regulieren und dabei
die Gate-Source-Spannung des Transistors Q.. ' im Sinne einer
Konstanthaltung des Widerstandes seiner Source-Drain-Strecke bei Temperaturechwankungen zu verändern. Weil der Transistor
Qg in Basisgrundschaltung arbeitet, ist sein Kollektorstrom
praktisch gleich seinem Emitterstrom. Weiterhin zeigen sowohl
der Kollektorstrom als auch der Emitterstrom des Transistors Q6
einen positiven Temperaturkoeffizient infolge des negativen Temperaturkoeffizienten, der sich ergibt aus dem Basis-Emitter-Übergangswiderstand
des Transistors Og und der konstanten Spannung, die seiner Basis vom Spannungsteiler R*, R5, Rg bei Temperaturänderungen
zugeführt wird. Natürlich beeinflußt der Widerstand R3 den Emitterstrom des Transistors Qg, während beide
Widerstände R„ und R-. die Gate-Source-Spannung des Transistors
Q1 beeinflussen, welche von dem den Transistor Qg durchfliegenden
Kollektorstrom abgeleitet wird. Wählt man also die Widerstände R2 und R, mit positiven Temperaturkoeffizienten, die zu
dem negativen Temperaturkoeffizienten des Basis-Emitter-Übergangswiderstandes
von Qg passen, dann ergibt sich für die Gate-Source-Spannung des Transistors Q.. ein positiver Temperaturkoeffizient,
welcher notwendig ist, um den Drain-Source-Kanalwiderstand des Transistors Q1 bei Temperaturschwankungen praktisch
konstant zu halten. Weiterhin kann man ausschließen, daß der Transistor Q5 im Komparator 24 gesättigt wird, um die
Schaltgeschwindigkeit beim Sperren des Transistors Q1 zu vergrößern.
Dies erreicht man durch geeignete Wahl der Werte R., R5 und Rg, so daß die Basis des Transistors Qg im Sinne einer
Begrenzung des Stromflusses durch die Hauptstromstrecke des Transistors Q5 auf einen Wert unterhalb des Sättigungsstroms
vorgespannt wird.
In der Kompensationsschaltung 22· des Schalterkreises 20' gemäß
Fig. 2 ist ein Schottky-Transistor Q_ und ein Widerstand R7
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vorgesehen. Die nicht gesondert dargestellte Schottky-Sperrschichtdiode
im Transistor 7 liegt zwischen Kollektor und Basis eines bipolaren Transistors, um einen Parallelleitungspfad über
dessen Kollektor-Basis-Stracke zu bilden. Wenn der Transistor leitet, wird seine Kollektor-Basis-Strecke auf die Durchlaßvorspannung
der Diode geklemmt, und damit wird die durch Sättigung des Transistors bedingte Schaltverzögerung minimalisiert. Zwischen
den Anschluß V„" und ein Ende der Hauptstromstrecke des
Transistors Q„ ist ein Widerstand R7 geschaltet, während der Anschluß
V1' mit dem anderen Ende von dessen Hauptstromstrecke
verbunden ist. Der an der Basis des Transistors Q- liegende Anschluß
14' ist der Signaleingang des Schalterkreises 2O1, dem
das Steuersignal zugeführt wird. Der Transistor Q2' ist mit
seiner Basis an den Verbindungspunkt von R7 mit der Hauptstromstrecke
des Transistors Q7 angeschlossen, und seine Hauptstromstrecke
liegt zwischen den Anschlüssen 16' und V '. Das Ausgangssignal des Schalterkreises 20' wird am Anschluß 16* abgenommen.
Der Widerstand R12 begrenzt den Basisstrom des Transistors Q7.
Wenn ein Steuersignal niedrigen Pegels am Anschluß 14' zugeführt
wird, dann wird der Transistor Q7 gesperrt, um den Transistor
Q2' leitend zu machen, und der Schalterkreis 20" führt dem Anschluß
16' eine Spannung zu. Da die Sättigungsspannung des Transistors
Q2 1 sich direkt mit der Temperatur zu verändern sucht,
wird R7 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten gewählt, so
daß der Basisstrom des Transistors Q2' sich umgekehrt mit der
Temperatur ändert. Durch Bemessung des Widerstandswertes und des Temperaturkoeffizienten von R7 in Übereinstimmung mit dem
Temperaturkoeffizienten der Sättigungsspannung von Q2' läßt sich
also der Sättigungsspannungsabfall am Transistor Q2' bei Temperaturänderungen
im wesentlichen konstant halten.
Obgleich die Eigenschaft der Nichtsättigbarkeit des Schottky-Transistors
Q7 in der Kompensationsschaltung 22' gemäß Fig. 2
für viele Anwendungsfälle recht zufriedenstellend ist, verschlechtern
sich solche Eigenschaften bei hoher Umgebungstempera-
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tür. Bei der in Fig. 3 dargestellten alternativen Ausführungsform
des Schalterkreises 20" benötigt man keinen Schottky-Transistor. In der Kompensationsschaltung 22" liegt R7 über die
Hauptstromstrecke eines bipolaren Transistors Qg zwischen den Anschlüssen
Vtt" und VT". Die Basis des Transistors Q0 lieat über
einem Widerstand R0 am Anschluß V1. " und über die Kauntstrom-
o L
strecke eines v/eiteren Bipolartransistors Qg in Reihe mit einem
Widerstand Rg am Anschluß Vn". Die Basis des Transistors o„ ist
mit jeweils einer Elektrode getrennter Dioden D~ und O-. zusammengeschaltet,
die beide durch einen Halbleiterübergang je eines Bipolartransistors gebildet sind, dessen anderer Halbleiterübergang
überbrückt ist. Dieser Zusarnmenschaltixnqspunkt liegt
weiterhin über einem Widerstand R1n am Anschluß V". Der Anschluß
14" liegt am anderen Ende von D„ und dient als Signaleingang
für den Schalterkreis 20", dem das Steuersignal zugeführt wird. Die andere Elektrode von D liegt über einem Widerstand
R11 am Verbindungspunkt zwischen Widerstand R7' und Hauptstromstrecke
des Transistors Q3, während Q2" mit seiner Basis ebenfalls
an diesem Schaltungspunkt und mit seiner Hauptstromstrecke zwischen den Anschlüssen 16" und V" liegt. Das Ausgangssignal
des Schalterkreises 20" wird am Anschluß 16" abgenommen.
Wird dem Anschluß 14' ein Steuersignal hohen Pegels und ausreichender
Amplitude zugeführt, um D- in Sperrichtung zu polen,
dann wird die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Qg in Durchlaßrichtung
vorgespannt und der vom Anschluß V " über dem Widerstand R10 gelieferte Basisstrom macht den Transistor Qg schnell
leitend. Die Werte der Widerstände Rg und R„ sind so gewählt,
daß am Widerstand R0 ein Spannungsabfall ausreichender Größe
entsteht, um die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q0 in
Durchlaßrichtung zu polen, so daß auch dieser Transistor rasch leitend wird. Die Hauptstromstrecke des Transistors Qg erhält
vom Anschluß V " über R7 1 Strom, so daß an der Basis des Transistors
Q2" ein Spannungsabfall entsteht, welcher dessen Basis-Emitter-Strecke
in Sperrichtung polt, so daß der Transistor nichtleitend wird. Wenn die Spannung an der Basis des Transistors Q2"
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genügend schnell abfällt, um den ilalbleiterübergang von D, gegenüber
der Spannung an der Basis des Transistors Qg in Durchlaßrichtung
zu polen, dann wird über dem Widerstand R11 Basisstrom vom
Transistor O0. abgezweigt. Der Spannungspegel an der Basis von Qq
ist um einen Betrag Vß,-,Og + V „ größer als V ", so daß D-. gesperrt
bleibt, bis die Spannung an der Basis von Q2" unter diesen
Spannungspegel mindestens um die Sperrschichtspannung dieses Widerstandes absinkt.
Wenn die Elemente Qn, QQ und D, alle leiten, dann fließt von V "
ο y J
rl
über R7 1, R-I1/ Do und R10 ein Kollektorstrom für den Transistor
Qo. Da der Widerstand R7 1 nur den Zweck hat, Basisstrom für den
leitenden Transistor Q2 1 zu üefern, wie bereits im Zusammenhang
mit dem Schalterkreis 20' gemäß Fig. 2 erläutert worden war, ist
sein Wert wesentlich größer als der Gesamtwert der Widerstände R1 und R11- Daher fließt der größte Teil des Kollektorstroms
von R0 über den Widerstand R11, die Diode D- und den Widerstand
0 Il J
R1 , wobei dieser Strom im wesentlichen um das Produkt der Stromverstärkungen
von Og und Qg größer als der Basisstrom von Og ist.
Der Transistor 0Q ist daher mit einem Kollektor-Basis-Rückführungszweig
über R11, D- und den als Emitterfolger wirkenden
Transistor Qq versehen, so daß sowohl sein Basisstrom als auch
der Kollektorstrom des Transistors Qn in Beziehung zum Spannungsabfall
an R10 gebracht wird. Dieser Spannungsabfall stabilisiert
sich auf einen Wert gleich V " - (V „-g + V„EOo) und kann durch
R1 geteilt werden, um im wesentlichen den Kollektorstrom von
Qo abzuleiten, der wesentlich größer als der Basisstrom von Og
ist. Da Q_ rasch nichtleitend werden muß, wenn Q2" schnell leitend
werden soll, ist R11 so bemessen, daß die Spannung an der
Basis von Q2" unterhalb seines V„ -Wertes gehalten wird, während
die Kollektor-Emitter-Spannung am Transistor Q„ niedriger als
sein Sättigungswert gehalten wird. Mit der Annahme, daß der durch R11 fließende Strom im wesentlichen gleich dem durch R1-fließenden
Strom ist und daß die Sperrschichtspannung von D- und Vßp von Q- und Q„ im wesentlichen identisch sind, wie es bei
einer integrierten Schalbung der Fall ist, erreicht man diese
H 0 9 8 A 7 / 0 9 2 0 0^NAL INSPECT^
Verhältnisse in der Schaltung gemäß Fig. 3, indem man
Führt man am Anschluß 14" ein Steuersignal niedrigen Pegels vor, um die Diode D2 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, dann werden
sowohl der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Qq als auch
die Sperrschicht von D3 in Sperrichtung gepolt. Og wird dann
nichtleitend und macht auch OR nichtleitend, ferner wird D, gesperrt
und unterbricht den Stromfluß im Widerstand ^1 -i · Da der
Transistor Q8 zuvor im nichtgesättigten Zustand war, sperrt er
rasch und spannt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q2"
in Durdiaßrichtung, der dadurch schnell leitend wird und Basisstrom aus VH" über R7 entnimmt. Da sich die Sättigungsspannung
von Q2" direkt mit der Temperatur zu ändern sucht, wird R7' mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten gewählt, so daß der Basisstrom von Q2" sich umgekehrt mit der Temperatur ändert.
Durch Wahl der Größe und des Temperaturkoeffizienten von R7'
in Übereinstimmung mit dem Temperaturkoeffizienten der Sättigungsspannung
von Q2" läßt sich der Sättigungsspannungsabfall an
Q2" bei Temperaturschwankungen im wesentlichen konstant halten.
Für den Fachmann ist es ohne weitere Erläuterungen verständlich, daß auch der Anschluß für die hohe Spannung anstatt des Anschlusses
für die niedrige Spannung mit dem AusgangsanschIuß über die
Schalterkreise 20, 20' bzw. 20" gemäß den Fig. 1, 2 bzw. 3 verbunden
werden können. Weiterhin können die in diesen Schalterkreis verwendeten Transistoren ebensogut PNP-Transistoren sein,
obgleich hier lediglich NPN-Transistoren dargestellt sind.
Hieraus ist ersichtlich, daß die Erfindung nur anhand einiger ausgewählter Beispiele erläutert ist und daß für den Fachmann
ohne weiteres zahlreiche Änderungen der Details.der Konstruktion
und der Zusammenschaltung und Anordnung von Teilen in den beschriebenen Ausführungsformen möglich sind, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Die beispielsweise dargestellten Ausführungsformen
stellen daher keine Beschränkung des Erfindungsgedankens
dar.
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Leerseife
Claims (4)
1) Schalterkreis mit einem ersten Feldeffekttransistor und
einer zwischen dessen Source- und Gateelektroden angeschlossenen Schaltsignalquelle, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltsignalquelle zur Kompensierung des Kanalwiderstandes des Feldeffekttransistors (01), wenn dieser
in den Leitungszustand geschaltet ist, gegen wesentliche Änderungen
mit der Temperatur folgende Merkmale aufweist:
einen ersten und einen zweiten Widerstand (R3 bzw. R2), denen jeweils an einem Ende ein erstes (V,.) bzw. ein zv/eites (VR)
Potential zugeführt wird,
einen Bipolartransistor (06), dessen Emitter mit dem zweiten Ende des ersten Widerstandes (R3) verbunden ist und dessen Basis
eine konstante Vorspannung zugeführt wird, deren Wert zwischen den beiden Potentialen (VL bzw. V„) liegt und die durch den
negativen Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung am Basis-Emitter-Übergang
des Bipolartransistors herabgesetzt wird, welcher als Spannungsabfall positiven Temperaturkoeffizientens
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-2-über dem ersten Widerstand (R3) erscheint,
und einen elektronischen Schalter (04,O5) zur wahlweisen Verbindung
des Kollektors des Bipolartransistors (Q6) mit dem zweiten Ende des zweiten Widerstandes (R3), dessen Spannungsabfall
einen positiven Temperaturkoeffizienten zeigt, der vom Verhältnis der Werte des ersten und zweiten Widerstandes abhängt, und
der zwischen Source- und Gateelektrode des Feldeffekttransistors
(O1) gelegt wird.
2) Schalterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Ende des zweiten Widerstandes (R2) mit dem Gate des Feldeffekttransistors (01) über die Basis-Eroitter-Strecke
eines Emitterfolgertransistors (O3) gekoppelt ist.
3) Schalterkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Basis-Emitter-Strecke des Emitterfolgertransistors (O3)
eine Diode (D1) antiparallel geschaltet ist.
4) Schalterkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter ein Paar
Transistoren (Q4,O5) enthält, deren Emitter nit dem Kollektor
des Bipolartransistors (Q6) zusamnengeschaltet sind, während
die Basis eines der Transistoren (04) an einen Bezugsspannungspunkt (Abgriff des Spannungsteilers R4, R5, R6) angeschlossen
ist und die Basis des anderen (05) des Transistorpaares an einen Eingangsanschluß (14) zur Zuführung eines Eingangsschaltsignales
angeschlossen ist und der Kollektor dieses Transistors an das zv/eite Ende des zweiten Widerstandes (R2) angekoppelt ist.
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