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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Funkkommunikationsvorrichtungen,
und insbesondere die Verbesserung von Verzerrungscharakteristiken
von Verstärkern
innerhalb der Transceiver von Funkkommunikationsvorrichtungen.
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Das
US-Patent 5,481,213 offenbart Steuerschaltungen einer hohen Seite
und einer niedrigen Seite, die gekoppelt sind, um eine gleichzeitige
Leitung in Ausgangsleistungstransistoren eines Verstärkers in
einer Audioausgangsschaltung zu verhindern.
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Selektivitätsfilter
sind herkömmlich
in Transceivern von Funkkommunikationsvorrichtungen verwendet worden,
um zu ermöglichen,
dass sich die Transceiver auf einen erwünschten Kanal "abstimmen" bzw. "einstellen", während sie
andere benachbarte Kanäle
zurückweisen.
Historisch bestanden Selektivitätsfilter
aus diskreten RLC-Komponenten oder akustischen Oberflächenwellen-(SAW
= Surface Acoustic Wave)-Vorrichtungen.
Diese Typen von Selektivitätsfiltern
waren allgemein linear und trugen somit nicht signifikant zur Intermodulationsverzerrung
oder zum 1 dB-Kompressionspunkt (P1dB) des gesamten Transceivers
bei. Eine Intermodulationsverzerrung tritt dann auf, wenn zwei Störer bei
zwei benachbarten Kanälen
eine Intermodulationskomponente erzeugen, die in das Selektivitätsfilterband
fallen. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, stellt der Intercept-Punkt
dritter Ordnung (IP3) des Filters eine Standardmaßnahme der
Intermodulationsleistungsfähigkeit
der Schaltung zur Verfügung.
Der 1 dB-Kompressionspunkt (P1dB) stellt ein Maß für die Linearität des Filters
dar und ist der Punkt, bei welchem die Differenz zwischen einer
gemessenen Ausgangsleistung vom Filter 1 dB unter derjenigen ist, die
aufgrund einer entsprechenden Erhöhung bezüglich einer Eingangsleistung
zum Filter erwartet werden würde.
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In
letzter Zeit sind Selektivitätsfilter,
wie beispielsweise Zwischenfrequenz-(IF = Intermediate Frequency)-Filter
zusammen mit zugehörigen
Treiberverstärkern
neu auf derselben anwendungsspezifischen integrierten Schaltung
(ASIC = Application Specific Integrated Circuit) wie eine andere
Transceiverschaltung angeordnet worden. Eine Integration aus IF-Verstärker und
Filtern hat jedoch allgemein eine Leistungsfähigkeit bezüglich einer Verzerrung verschlechtert.
Ein IF-Verstärker 105,
der ein integriertes IF-Filter 110 in einer herkömmlichen
integrierten Transceiverschaltung 100 antreibt, wie beispielsweise
derjenigen, die in 1 gezeigt ist, hat typischerweise
einen IP3, der 10–14
dB höher
als der P1dB ist.
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Im
integrierten IF-Filter 110 kann jedoch die Differenz zwischen
IP3 und P1dB so hoch wie 20 dB sein. Daher begrenzt der IF-Verstärker 105 die
Verzerrungscharakteristik der Kombination aus dem IF-Verstärker 105 und
dem IF-Filter 110. Der IF-Verstärker 105 trägt somit
signifikant zur gesamten Transceiververzerrung bei. Zum Optimieren
der gesamten Leistungsfähigkeit
eines integrierten Transceivers wäre es daher vorteilhaft, die
Verzerrung zu reduzieren, die ein Beitrag des IF-Verstärkers ist,
der das IF-Filter antreibt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
oben beschriebenen und weitere wünschenswerte
Charakteristiken werden durch die folgenden beispielhaften Ausführungsbeispiele
der Erfindung zur Verfügung
gestellt.
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Gemäß einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Verstärker
zur Verfügung
gestellt. Der Verstärker
dieses beispielhaften Ausführungsbeispiels
weist folgendes auf: eine erste Differenzialstufe, die eine erste
Spannung mit einer zweiten Spannung vergleicht und einen ersten
Ausgangsstrom erzeugt, wobei die zweite Spannung von einer Rückkopplungsimpedanz
abgeleitet ist; einen ersten Stromspiegel mit einem Eingang, der
gekoppelt ist, um den ersten Ausgangsstrom zu empfangen, und einem
Ausgang, der einen zweiten Ausgangsstrom zuführt; und einen ersten Ausgangstransistor
mit einem Eingangsanschluss, der gekoppelt ist, um den zweiten Ausgangsstrom
zu empfangen, einem Ausgangsanschluss zum Zuführen eines dritten Ausgangsstroms
zum Antreiben einer Last und einem Anschluss für eine Rückkopplung zum Differenzialverstärker.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der folgenden
detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen verstanden
werden, wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines Teils einer herkömmlichen Transceiverschaltung
ist;
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2 ein
Blockdiagramm eines herkömmlichen
Nullorverstärkers
ist;
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3 ein
schematisches Diagramm einer Transkonduktanzverstärkerschaltung
gemäß einem ersten
beispielhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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4 ein
Ausdruck der Ausgabe über
der Eingabe des beispielhaften Transkonduktanzverstärkers der 3 ist;
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5 ein
schematisches Diagramm einer Transkonduktanzverstärkerschaltung
gemäß einem zweiten
beispielhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist;
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6 eine
Ausdruck über
der Eingabe des beispielhaften Transkonduktanzverstärkers der 5 ist;
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7 ein
schematisches Diagramm einer Stromverstärkerschaltung gemäß einem
dritten beispielhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist; und
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8 ein
Ausdruck der Ausgabe über
der Eingabe des beispielhaften Stromverstärkers der 7 ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Bei
beispielhaften Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung werden verbesserte Verzerrungskennlinien
bzw. -charakteristiken unter Verwendung von Verstärkern erreicht,
die in neuen "Nullor"-Konfigurationen
entworfen sind. Nulloren sind allgemein im Stand der Technik bekannt
und sind beispielsweise in Ernst H. Nordholt, "Design of High-Performance Negative-Feedback Amplifiers", ISBN 0-444-42140-8
(Vol. 7) (Elsevier Scientific Publishing Company 1983) beschrieben,
welches Dokument hierdurch hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit
enthalten ist. Wie es in
2 gezeigt ist, sind herkömmliche
Nullorvorrichtungen Verstärkungsvorrichtungen
mit vier Anschlüssen
mit einem Eingang mit zwei Anschlüssen, der einen positiven Eingangsanschluss
200 und
einen negativen Eingangsanschluss
210 aufweist, und einem
Ausgang mit zwei Anschlüssen,
der einen negativen Ausgangsanschluss
220 und einen positiven
Ausgangsanschluss
230 aufweist. Der Rückkopplungskreis wird durch
Verbinden des positiven Ausgangsanschlusses
230 mit dem
negativen Eingangsanschluss
210 und mit dem ersten Anschluss
eines Widerstands R
250 gebildet, der seinen zweiten Anschluss
auf Erde gelegt hat.
2 stellt einen Transkonduktanzverstärker oder
Spannungs-zu-Strom-Nullorverstärker dar,
bei welchem die Eingabe zum positiven Eingangsanschluss
200 eine
Spannung (V
+) und die Ausgabe vom negativen Ausgangsanschluss
220 ein
Strom (i
–)
ist. Die Verstärkung
der Nullorvorrichtung wird durch R
250 gemäß der folgenden
Beziehung bestimmt:
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Die
Verzerrungscharakteristiken der Nullorvorrichtung werden durch die "Schleifenverstärkung" bzw. "Kreisverstärkung" der Rückkopplung
durch R 250 zu dem negativen Eingangsanschluss 210 bestimmt.
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Die
beispielhaften Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung erreichen verbesserte Verzerrungscharakteristiken
einschließlich
eines sehr hohen 1 dB-Kompressionspegels und eines hohen IP3 über die
Implementierung einer hohen Kreisverstärkung. Eine hohe Kreisverstärkung wird
unter Verwendung einer Differenzialverstärkerstufe zum Antreiben von
einem oder mehreren Stromspiegeln erreicht, wobei der eine oder
die mehreren Stromspiegel einen Strom zum Antreiben eines Ausgangstransistors
zur Verfügung
stellen.
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Ein
erstes beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 3 dargestellt.
Dieses beispielhafte Ausführungsbeispiel
stellt einen Spannungs-zu-Strom-Nullorverstärker 300 dar, der
entworfen bzw. entwickelt ist, um durch Spannungen angetrieben zu
werden, die durch einen Mischer zugeführt werden, und um einen Ausgangsstrom
zum Antreiben eines IF-Filters zuzuführen. Der Verstärker 300 weist
zwei Schaltungsteile 305 und 310 auf, die auf
eine komplementäre
Weise arbeiten. Die Summe aus den Ausgangsströmen von den Teilen 305 und 310 treiben
den Lastwiderstand Rload 315 an.
Da die Teile 305 und 310 auf eine im Wesentlichen
gleiche Weise funktionieren, aber auf eine komplementäre Weise,
wird sich die folgende Beschreibung auf den oberen Teil 305 des
Verstärkers 300 richten.
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Die "aktive" Hauptschaltung im
oberen Teil 305 des Verstärkers 300 weist Transistoren
M1a 320 und M2a 325 als eine differenzielle Eingangsstufe auf,
Transistoren M3a 335 und M4a 330 als einen Stromspiegel
für den
Ausgangsstrom des M1a 320, Transistoren M6a 340 und
M5a 345 als Strom-"Spiegel" für den Ausgangsstrom
von M2a 325, Transistoren M7a 350 und M8a 355 als
Strom-"Spiegel" für den Ausgangsstrom
von M5a 345 und einen Transistor M9a 370 als die
Ausgangsstufe des oberen Teils 305 des Verstärkers 300.
Im Betrieb vergleichen n-Kanal-FETs
M1a 330 und M2a 325 die Spannung über dem
Widerstand Rea 360 mit der Eingangsspannung
bei dem Schaltungsknoten ina 365.
Jede Differenz zwischen diesen Spannungen wird durch M1a 320 und
M2a 325 in Ströme
umgewandelt. Der Strom von M1a 320 wird dann zu M4a 330 zugeführt und der
Strom von M2a 325 wird zu M6a 340 zugeführt. M4a 330 ist
in einer Strom-"Spiegel"-Konfiguration mit
M3a 335 konfiguriert, so dass durch M1a 320 zu M4a 330 zugeführter Strom
in M3a 335 reproduziert bzw. wiederhergestellt wird. Gleichermaßen ist
M6a 340 in einer Strom-"Spiegel"-Konfiguration mit
M5a 345 konfiguriert, so dass durch M2a 325 zu
M6a 340 zugeführter
Strom in M5a 345 reproduziert wird. Der Strom durch M5a 345 wird
weiterhin zu M8a 355 zugeführt und über die Strom-"Spiegel"-Konfiguration von
M7a 350 und M8a 355 in M7a 350 reproduziert. Der
Strom von M8a 355, der in M7a 350 "gespiegelt" ist, und der Strom
von M3a 335 dienen zum Antreiben des Gateanschlusses des
p-Kanal-FET M9a 370.
Ein Kondensator Csa 375 stellt
die Stabilität
dieses Rückkopplungskreises
sicher.
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Der
Drainstrom von M9a
370 stellt den Ausgangsstrom (i
0) dar und bezieht sich auf die Eingangsspannung
V
i (beim Knoten in
a 365)
durch die folgende Beziehung:
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Der
Ausgangsstrom i0 treibt den Lastwiderstand
Rload 315 an. Eine Gleich- bzw.
DC-Vorspannung V3 380 ist weiterhin in Reihe zu Rload 315 geschaltet. Der Widerstand
Rga 385 in Verbindung mit dem Quellenstrom
iref 390 liefert die Vorspannung
des Gateanschlusses des Eingangstransistors M1a 320 und, über den
Rückkopplungskreis,
auch den Strom durch den Ausgangstransistor M9a 370. Eine
Vorspannungs-Stromquelle ibias 395 stellt
eine Vorspannung für
die Transistoren des gesamten Verstärkers außer für M9a zur Verfügung. Wie
es oben diskutiert ist, arbeitet der untere Teil 310 des
Verstärkers 300 gleich
dem oberen Teil 305, aber auf eine komplementäre Weise.
Details des Betriebs des unteren Teils 310 sind daher weggelassen.
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Die
Kreisverstärkung
bzw. Schleifenverstärkung
G
L der beispielhaften Ausführungsbeispiele kann
durch die folgende Beziehung angenähert werden:
wobei g
m der
Durchschnitt der g
m's von beiden Transistoren M1a und M2a
ist und Z
OUT die kombinierte Ausgangsimpedanz
von M3a
335 und M7a
350 ist.
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Die
hohe kombinierte Ausgangsimpedanz von M3a 335 und M7a 35G erzeugt
daher die hohe Schleifenverstärkung.
Die hohe Schleifenverstärkung
erhöht
weiterhin den Intermodulations-Intercept-Punkt
dritter Ordnung (IP3). Darüber
hinaus resultiert die Ausgangskonfiguration (Transistor M9a 370 und
M9b) in nahezu einer Leitungsbahn-zu-Leitungsbahn-Kapazität und somit
einem sehr hohen P1dB. Die große
Differenz bzw. der große
Unterschied zwischen P1dB und IP3 führt zu verbesserten Verzerrungskennlinien
gegenüber
herkömmlichen IF-Verstärkern.
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Eine
simulierte Leistungsfähigkeit
des beispielhaften Verstärkers
der 3 ist in 4 ausgedruckt,
wobei die Verstärkereingabe
in Millivolt über der
X-Achse ausgedruckt ist und die Verstärkerausgabe in dBV über der
Y-Achse. Die 4 MHz- und 5 MHz-Quellen 307 und 309 der 3 erzeugen
Intermodulationskomponenten dritter Ordnung bei 2(4) – 5 = 3
MHz und 2(5) – 4
= 6 MHz. Extrapolationskurven der Intermodulationskomponenten dritter
Ordnung 3 MHz und 6 MHz sind jeweils bei 405 und 410 gezeigt.
Eine Extrapolationskurve des 5 MHz-Signals ist weiterhin bei 415 gezeigt.
Die Schnittstelle der 3 MHz-Extrapolationskurve 405 mit
der 5 MHz-Extrapolationskurve 415 zeigt den Intercept-Punkt dritter Ordnung
(IP3) 420 an, und die Schnittstelle der 6 MHz-Extrapolationskurve 410 mit
der 5 MHz-Extrapolationskurve 415 zeigt
den Intercept-Punkt dritter Ordnung (IP3) 425 an. Eine
simulierte Leistungsfähigkeit
des Verstärkers
der 3 ist in Kurven 430, 435 und 440 gezeigt.
Die Kurve 430 zeigt den simulierten Transfer der 5 MHz-Quelle 307 vom
Eingang zum Ausgang des Verstärkers.
Die Kurven 435 und 440 zeigen weiterhin den simulierten
Transfer der 6 MHz- und 3 MHz-Intermodulationskomponenten vom Eingang
zum Ausgang des Verstärkers.
Der Punkt 445 in der Kurve 415 stellt den P1dB-Punkt
des Verstärkers
dar und zeigt die Stelle an, wo eine Kompression bei der 5 MHz-Ausgabe
auftritt (d.h. wo der Unterschied zwischen der 5 MHz-Ausgabe 430 und der
5 MHz-Extrapolationskurve 415 1 dB ist).
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5 stellt
ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Stromspiegel entsprechend
denjenigen, die durch die Transistoren M6a und M5a, M7a und M8a, M6b
und M5b und M7b und M8b, die bei dem Ausführungsbeispiel der 3 enthalten
sind, entfernt worden sind. Eine Entfernung der vier Stromspiegel
resultiert vorteilhaft in einer geringeren Verwendung eines Halbleiterbereichs,
wenn der Verstärker
in einer integrierten Schaltung hergestellt wird. Die Stromspiegel
M6a und M5a und M7a und M8a sind bei dem Ausführungsbeispiel der 5 durch
Konstantstromquellen I5 500 ersetzt.
Die Stromspiegel M6b und M5b und M7b und M8b sind weiterhin durch
die Konstantstromquelle I6 505 ersetzt.
Da die Stromspiegel, die M5a, M6a, M7a und M8a aufweisen, im Verstärker der 5 nicht
vorhanden sind, wird der Strom von M2a nicht im Rückkopplungskreis
verwendet. Die Schleifenverstärkung
des Verstärkers
der 5 ist daher annähernd eine Hälfte der
Schleifenverstärkung
der 3. Eine simulierte Leistungsfähigkeit des beispielhaften
Verstärkers
der 5 ist in 6 ausgedruckt,
wobei die Verstärkereingabe
in Millivolt über
der X-Achse ausgedruckt ist und die Verstärkerausgabe in dBV über der
Y-Achse. Wie es in 6 gesehen werden kann, ist der
Intercept-Punkt dritter Ordnung (IP3) 605 etwa 7 dB niedriger
als der in 4 gezeigte IP3. Der P1dB 610 ist
jedoch annähernd
derselbe. Das Erniedrigen von IP3 stellt daher eine verschlechterte
Verzerrungsleistungsfähigkeit im
Vergleich mit dem Verstärker
der 3 dar.
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7 stellt
ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar, wobei ein Verstärker
700 entwickelt
bzw. entworfen worden ist, um Eingangsstromsignale anstelle von
Spannungssignalen zu empfangen. Der Verstärker
700 stellt somit
einen Strom-zu-Strom-Verstärker
dar. Widerstände
R
fa 705 und R
fb 710 sind
als zusätzliche Rückkopplungswiderstände hinzugefügt worden,
und zum Definieren der Verstärkerverstärkung. Die
Verstärkung
des Verstärkers
700 ist
als die folgende definiert:
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Zum
Sicherstellen einer Stabilität
sind die Kondensatoren C9 715 und
C8 720 jeweils parallel zu Rfa 705 und Rfb 710 platziert,
um eine "Phantom-Null" zu erzeugen.
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8 stellt
die extrapolierte und simulierte Leistungsfähigkeit des Stromverstärkers der 7 dar,
wobei die Verstärkereingaben
derart angenommen sind, dass sie 6 und 9 MHz-Signale sind. Bei Eingangssignalen
von 6 und 9 MHz sind die Intermodulationskomponenten dritter Ordnung
2(6) – 9
= 3 MHz und 2(9) – 6
= 12 MHz. Die 3 MHz-Intermodulationskomponente
ist durch eine Kurve 705 gezeigt. Der P1dB ist bei 710 gezeigt
und ist sehr ähnlich
zu denjenigen in den 4 und 6. Die Extrapolation
dritter Ordnung ist als Kurve 715 ausgedruckt zeigt. Wie
es aus dem Ausdruck gesehen werden kann, stimmt die 3 MHz-Intermodulationskurve 705 nicht
mit der 3 MHz-Extrapolationskurve 715 überein. Die
tatsächliche
Neigung bzw. Steigung der Kurve 705 ist steiler als bei
der extrapolierten Kurve 715, was anzeigt, dass die Intermodulation
tatsächlich fünfter und
nicht dritter Ordnung ist. Folglich kann ein IP3 nicht definiert
werden. Vergleicht man das Maß der
Intermodulation für
einen gegebenen Ausgangspegel der Ausdrucke der 9 und 5 kann
gesehen werden, dass die Leistungsfähigkeit der 8 annähernd 10
dB besser als diejenige der 4 ist.
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Obwohl
die in den 3, 5 und 7 gezeigten
beispielhaften Ausführungsbeispiele
FETs verwenden, wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass
gleichermaßen
BJTs zum Erreichen einer ähnlichen
Leistungsfähigkeit
verwendet werden könnten.
Zusätzlich
wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass die verschiedenen
Transistoren bei den unterschiedlichen beispielhaften Ausführungsbeispielen
in Kaskade bzw. in Reihe geschaltet sein könnten, um die Ausgangsimpedanz
der Stromspiegel zu erhöhen,
um dadurch die Schleifenverstärkung
bei niedrigen Frequenzen zu verbessern.
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Bei
den beispielhaften Ausführungsbeispielen
der 3 und der 5 koppeln
Kondensatoren Cina 302 und Cinb 304 Eingangsspannungen V0 307 und V1 309 mit
dem oberen 305 und dem unteren 310 Teil des Verstärkers. Jedoch
wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass diese Kondensatoren durch
eine herkömmliche
DC-Pegelverschiebeschaltung ersetzt werden können. Weiterhin sind bei den in 3 und
in 5 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispielen
die Eingänge des
Verstärkers über ein
Koppeln von Kondensatoren Cina 302 und Cinb 304 parallel geschaltet. Jedoch
kann in Abhängigkeit
von der bestimmten erwünschten
Anwendung ein Eingang alternativ geerdet sein, während der andere als Eingang
verwendet wird, oder können
beide Eingänge
mit zwei unterschiedlichen Spannungsquelleneingaben verbunden sein
und zum Addieren/Subtrahieren der Spannungseingaben verwendet werden.
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Obwohl
bei den beispielhaften Ausführungsbeispielen
der 3, 5 und 7 der obere 305 und
der untere 310 Teil des Verstärkers miteinander verbunden
sind und auf eine komplementäre
Weise funktionieren, ist es bei bestimmten Anwendungen möglich, alternative
Ausführungsbeispiele
der Erfindung zu haben, die nur einen Schaltungsteil (305 oder 310)
verwenden. Beispielsweise dann, wenn das Spannungseingangssignal
lediglich eine positive DC- bzw. Gleichspannung sein würde, wäre der obere
Teil 305 der beispielhaften Ausführungsbeispiele zum Verstärken des
Signals ausreichend.
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Obwohl
hierin eine Anzahl von Ausführungsbeispielen
zum Zwecke einer Darstellung beschrieben ist, sollen diese Ausführungsbeispiele
nicht beschränkend
sein. Fachleute auf dem Gebiet werden Modifikationen erkennen, die
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
durchgeführt
werden können.