DE2530144A1

DE2530144A1 - Verstaerker mit veraenderbarem uebertragungsmass, insbesondere fuer ein kompander-system

Info

Publication number: DE2530144A1
Application number: DE19752530144
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Dickopp; Ernst Dipl Ing Schroeder
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson oHG
Priority date: 1975-07-05
Filing date: 1975-07-05
Publication date: 1977-02-03
Also published as: DE2530144C3; DE2530144B2; US4066976A; BE843596A

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

Hannover,den 26.6.1975 PT-Schr/vß H 75/48

Verstärker mit veränderbarem Übertragungsmaß, insbesondere für ein Kompander—System

Es ist bekannt, die Qualität, der Wiedergabe von Tonfrequenz-Darbietungen durch Vergrößern des SignaI-Rausch-Abstandes mittels eines Kompressions-Expansions—Systems (sogenanntes Kompander—System) zu verbessern. Die Nutzsignale werden vor dem gestörten Übertragungsweg, z.B. Leitung oder Tonband, in ihrer Amplitude komprimiert und nach der Übertragung expandiert.

Bei Kompander-Systeinen mit einer frequenzunabhängigen Dynamik-Regelung zeigt sich bei bestimmten Betriebsbedingungen ein gewisser Nachteil dadurch, daß ein tieffrequenter Ton mit hohem Pegel nicht in der Lage ist, hochfrequente Störgeräusche wie . z.B. das Rauschen zu verdecken. Tritt ein solcher tieffrequenter Ton mit hohem Pegel auf, so wird wegen des hohen Pegels keine nennenswerte Kpmpression stattfinden. Das Rauschen beispielsweise ist dann auch voll zu hören. Verringert sich dagegen der Pegel des tieffrequenten Tones, so setzt die Kompander-Wirkung ein und es ergibt sich der weitere Nachteil, daß das Rauschen in Abhängigkeit vom Pegel des tieffrequenten Tones moduliert wird·

Es ist bekannt (Dolby-System nach DT-AS 14 87 276), bei einem Kompander-System rr.it einem das Nutzsignal mit linearer Dynamik und voller Bandbreite übertragenden ersten Signalweg und einem das Nutzsignal in einem bestimmten Frequenzbereich in seiner

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Dynamik beeinflussenden zweiten Signalweg sowie einer' die Ausgangssignale der beiden Signalwege vereinigenden Hilfsschaltung die Grenzfrequenz des bestimmten Frequenzbereiches mit zunehmender Amplitude des Nutzsignales zu hohen Werten hin zu verschieben.

Eine solche ara.plitudenabhängxge Verschiebung der Grenzfrequenz desjenigen Frequenzbereiches, in dem die Dynamik-Regelung stattfindet, ist geeignet, die vorstehend genannten Schwierigkeiten weitgehend zu vermeiden. Bei der bekannten Schaltung wird diese Wirkung dadurch erzielt, daß zwei hintereinander geschaltete Filter verwendet werden, von denen das zweite mittels steuerbarer Dioden bezüglich seiner Grenzfrequenz steuerbar ist. Zwei Filter bedeuten jedoch einen relativ großen Aufwand an Bauelementen, wodurch wiederum die Reproduzierbarkeit der erzielten Kennlinien bei großen Stückzahlen erschwert ist. Außerdem gelingt es mit der bekannten Schaltung nicht, die Frequenzgangs-Kennlinie — wie es zur Behebung der eingangs genannten Schwierigkeiten an sich erwünscht wäre - exakt parallel zueinander zu verschieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, die die genannten Nachteile vermeidet und die in einfacher Weise die amplxtudenabhangige Verschiebung der erwähnten Grenzfrequenz u.a. auch bei solchen Kompander-Systemen ermöglicht, die im Nutzsignalweg einen Verstärker aufweisen, der in seinem Übertragungsmaß steuerbar ist.

Die Erfindung betrifft einen im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Verstärker. Die genannte Aufgabe wird bei einem solchen Verstärker durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmale gelöst. Der erfindungsgemäße Verstärker

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hat den zusätzlichen Vorteil, daß er auch als ein Filter verwendet werden kann, dessen Grenzfrequenz mittels des steuerbaren Widerstandes veränderbar ist. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand eines .Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Kompander-System,

Fig. 2 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung des Systems nach Fig, I,

Fig. 3 ein weiteres Kompander-System zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verstärkers,

Fig. 4· ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung des Systems nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers,

Fig. 6 ein Frequenzgang-Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verstärkers und

Fig. 7 ein weiteres Ausführunsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers, .

Fig. 1 zeigt ein bekanntes (DT-OS 22 18 823) Kompander-System bei dem die an der Eingangsklemme 1 anliegenden Tonfrequenzsignale auf einem Tonbandgerät 5 gespeichert werden sollen, wobei bei der Wiedergabe der gespeicherten Tonfrequenzsignale an der Klemme 9 möglichst wenig Rausch- und Störsignale erscheinen sollen, die an sich von dem Tonbandgerät 5 und anderen, zwischen den Klemmen 4 und 6 liegenden Geräten erzeugt werden.

Das Tonfrequenzsignal an der Eingangsklemme 1 wird einem Verstärker 2 zugeführt, dessen Verstärkung steuerbar ist. Zur Erzeugung einer entsprechenden Steuerspannung ist ein Steuerspannungserzeuger 3 vorgesehen, der im einfachsten Fall als

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Gleichrichter ausgebildet sein kann. Durch die beschriebene Anordnung wird die bekannte und in Fig. 2 wiedergegebene Kompressions-Kennlinie 10 erzeugt, so daß an der Klemme 4 ein in seiner Dynamik eingeengtes Tonfrequenzsignal abgreifbar ist. Dieses Tonfrequenzsignal wird dem Tonbandgerät 5 zugeführt, wo es gespeichert wird.

Bei der Wiedergabe der Tonfrequenzsignale werden diese über die Klemme 6 einem weiteren, in seiner Verstärkung steuerbaren Verstärker 7 zugeführt. Als Steuerspannung für den Verstärker 7 dient ein SteuerSpannungserzeuger 8, der genau so aufgebaut sein kann wie der Steuerspannungserzeuger 3. Die Steuerkennlinie des Verstärkers 7 ist komplementär zu der des Verstärkers 2, so daß die zwischen den Klemmen 6 und 9 liegende Expansionsschaltung die bekannte, ebenfalls in Fig. 2 dargestellte Kennlinie 11 aufweist. Entsprechend erscheinen an der Ausgangsklemme 9 die Eingangssignale der Eingangsklemme 1 mit der ursprünglichen Dynamik, wobei die Rausch- und Störsignale der zwischen den Klemmen 4 und 6 liegenden Baugruppen in bekannter Weise unterdrückt sind.

Eine weitere bekannte Möglichkeit (DT-AS 24 06 258) , ein Kompander-System mit einem steuerbaren Verstärker zu realisieren, ist in Fig. 3 dargestellt. Ein der Eingangsklemme 12 zugeführtes Tonfrequenzsignal wird einem in seiner Verstärkung steuerbaren Verstärker 13 zugeführt. Zur Erzeugung der erfoderlichen Steuergleichspannung für den Verstärker 13 ist ein Steuerspannungserzeuger 16 vorgesehen, dessen Eingang von der Ausgangsklemme 14 des Verstärkers 13 über einen weiteren in seiner Verstärkung steuerbaren Verstärker 15 gespeist wird. Die Steuerspannung des Steuerspannungserzeugers 16 steuert sowohl den Verstärker 13 als auch den Verstärker 15, deren Steuerkennlinien im Vorzeichen ihrer Steigung übereinstimmen. Die beschriebene Schal-

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tung erzeugt eine Kompressions-Kennlinie, die in Fig. 4 als Kennlinie 22 dargestellt ist. Diese Kennlinie hat gegenüber der Kennlinie 10 in Fig. 2 den Vorteil, daß sie wegen der linearen Teilstücke besser reproduzierbar ist.

Die komprimierten Tonfrequenzsignale werden über die Klemme dem Tonbandgerät 5 zugeführt, wo sie gespeichert werden. Bei der Wiedergabe der gespeicherten Tonfrequenzsignale werden diese über die Klemme 17 einem dritten Verstärker 18 mit steuerbarer Verstärkung zugeführt. Zur Steuerung dieses Verstärkers 18 ist ein weiterer Regelspannungserzeuger 20 vorgesehen, dem über einen vierten Verstärker 21 mit steuerbarer Verstärkung die dem Eingang des Verstärkers 18 zugeführten Tonfrequenzsignale zugeführt werden. Die Ausgangsspannung des Regelspannungserzeugers 20 steuert die beiden Verstärker 18 und 21, wobei in diesem Fall zwecks Expansion der Tonfrequenzsignale die beiden Verstärker 18 und 21 komplementäre Steuerkennlinien auf v/eisen.

Die beschriebene Expansionsschaltung besitzt die in Fig. 4 mit 23 bezeichnete Expansions-Kennlinie, die zu der Kompressions-Kennlinie komplementär ist, so daß die an der Ausgangsklemme erscheinenden Tonfrequenzsignale wieder die ursprüngliche Dynamik wie an der Eingangsklemme 12 aufweisen. Die Rausch- und Störsignale, die zwischen den Klemmen 14 und 17 den Nutzsignalen in unerwünschter Weise zugefügt worden sind, sind däei unterdrückt.

Für die steuerbaren Verstärker 2,7,13,15,18 und 21 ist gemäß der Erfindung ein Verstärker vorgesehen, für den in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Der Eingangklemme 24 wird z.B. das in Fig. 3 an der Klemme anliegende Tonfrequenzsignal zugeführt. An die .Klemme 24 ist der nichtinvertierende Eingang 26 eines Differenzverstärkers

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angeschlossen. Der Ausgang 28 des Differenzverstärkers 25 ist mit einer Ausgangsklemme 29 verbunden. Vom Ausgang 28 des Differenzverstärkers 25 führt ein Gegenkopplungsweg zu einem invertierenden Eingang 27 des Differenzverstärkers 25, wobei der Gegenkopplungsweg die Parallelschaltung aus einem elektronisch steuerbaren Widerstand 30 und einem Kondensator 33 enthält. Der steuerbare Widerstand 30 besitzt einen Steuereingang 31, dem über eine Klemme 32 z.B. eine Steuerspannung zwecks Veränderung des Widerstandswertes des Widerstandes 30 zuführbar ist. Der steuerbare Widerstand 30 wird vorteilhaft als Feldeffekttransistor ausgebildet. Zwischen dem invertierenden Eingang 27 des Differenzverstärkers 25 und Masse ist ein zweiter Kondensator 38 geschaltet.

Die soweit beschriebene Schaltung besitzt einen in Fig. 6 dargestellten Frequenzgang, z.B. gemäß der Kennlinie 40, die die Abhängigkeit der Ausgangsspannung (bei konstanter Eingangsspannung) von der Frequenz darstellt (logarithmische Darstellung).

Wenn der Widerstandswert des Widerstandes 30 über dessen Steuereingang 31 verändert wird, so verschiebt sich die Kennlinie 40 in Fig. 6 -parallel zu der Abzisse (Frequenzachse). Wird z.B. der Widerstand 30 vergrößert, so ergibt sich die Kennlinie 39. Wird dagegen der Widerstand 30 verkleinert, so ergibt sich die Kennlinie 41. Man erkennt, daß die Frequenzgang-Kennlinien des beschriebenen Verstärkers mit dem Differenzverstärker 25 exakt verschiebbar sind.

Die zugleich mit der beschriebenen Verschiebung der Grenzfrequenzen beabsichtigte Verstärkungsänderung des Verstärkers wird durch die bei einer beliebigen Frequenz f. parallel zur Ordinate eingezeichnete Gerade deutlich. Für die Frequenz f^

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verändert sich die Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers nach Fig. 5 bei konstanten Eingangssignalen mit abnehmendem Widerstandswert für den Widerstand 30 entsprechend den Schnittpunkten 43,44 und 45 der Kennlinien 39,40 und 41 mit der erwähnten Geraden.

Daß sich die erwähnte Verschiebung der Grenzfrequenz desjenigen Frequenzbereiches'^^em die Verstärkung des Verstärkers nach Fig. 5 veränderbar ist, als eine exakte Parallelverschiebung der Kennlinien 39,40 und 41 ergibt, ist auch aus der mathematischen Gleichung für die komplexe Verstärkung des Verstärkers nach Fig. 5 ersichtlich. Diese Gleichung lautet:

(1) V =

29

1 + JW (C₃₃₊C₃₈)-

30

U₂₄ I₊Jw

'38 30

Mit U₂₄ ist die Spannung an der Eingangsklemme 24 und mit U-g die Spannung an der Ausgangsklemme 29 des Verstärkers nach Fig. 5 bezeichnet. Mit R₃gist der Widerstandswert des Widerstandes 30 und mit C₃₃und C₃₈sind die Kapazitäten der Kondensatoren 33 und 38 bezeichnet. Mit "w" ist wie üblich die jeweilige Kreisfrequenz bezeichnet. Die im Zähler und Nenner der wiedergegebenen Gleichung auftretenden Ausdrücke für die Nullstellen und Pole dieser Gleichung, die zugleich für die Grenzfrequenzen der Kennlinien verantwortlich sind, sind exakt proportional zu dem Widerstandswert R_3Qdes Widerstandes 30.

Um den Bereich in definierter Weise einengen zu können, innerhalb dessen die Kennlinien verschiebbar sind, ist ein Parallelwiderstand 34 vorgesehen, der über einen Schalter 35 parallel zu dem Widerstand 30 schaltbar ist. Wenn der Schalter 35 geschlossen ist, also stromleitend ist, dann kann die Kennlinie des beschriebenen Verstärkers auch bei einem gegen Null gehenden Widerstandswert für den Widerstand 30 z.B. nicht über die Kennlinie 39 hinaus zu tiefen Frequenzen hin verschoben werden.

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Über einen weiteren Schalter 37 ist parallel zu dem Widerstand 30 und dem Kondensator 33 ein dritter Kondensator 36 schaltbar, mit dem die Amplitude des Durchlaßbereiches veränderbar ist, so daß z.B. anstelle der Kennlinie 40 die gestrichelt eingezeichnete Kennlinie 42 erzielt wird.

Man erkennt, daß der beschriebene Verst arker auch als Filter mit beliebig einstellbarer Kennlinie bezüglich der Grenzfrequenzen und der Amplitude im Durchlaßbereich verwendbar ist.

Wenn statt des Differenzverstärkers 25 ein normaler Verstärker verwendet wird, so ist es erforderlich, den Gegenkopplungsweg in bekannter Weise an einen bezüglich der Ausgangssignale des Verstärkers invertierenden Eingang anzuschalten, also bei einem mehrstufigen Verstärker eine ungerade Anzahl von invertierenden Stufen zu verwenden.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß dem in Patentanspruch 9 wiedergegebenen Verstärker ist in Fig. 7 dargestellt. Dieser Verstärker ist ebenfalls geeignet, für die in den Figuren 1 und 3 dargestellten Verstärker 2,7,13,15,18 und 21 eingesetzt zu werden.

Der Eingangsklemme 46 wird z.B. das in Fig. 3 an der Klemme 12 anliegende Tonfrequenzsignal zugeführt. An die Klemme 46 ist über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 48 und einem steuerbaren Widerstand 47 der invertierende Eingang 50 eines Verstärkers 51 angeschlossen. Der Ausgang 52 dieses Verstärkers 51 ist mit der Ausgangsklemme 53 verbunden. Vom Ausgang 52 führt ferner ein Gegenkopplungsweg über eine Parallelschaltung au^s einem Kondensator 54 und einem steuerbaren Widerstand 55 an den Eingang 50 des Verstärkers 51.

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Die Steuereingänge 49 und 56 der steuerbaren Widerstände 47 und 55 sind an eine Klemme 57 angeschlossen, der eine Steuerspannung zwecks Veränderung der Widerstandswerte der steuerbaren Widerstände 47 und 55 zugeführt ist.

Die soweit beschriebene Schaltung verhält sich bei einer Steuerung des Widerstandswertes der Widerstände 47 und 55 ähnlih wie die Schaltung nach Fig. 5. Es ergeben sich Kennlinien, die den Kennlinien in Fig. 6 gleichen, d.h. auch bei der Schaltung nach Fig. 7 werden die Kennlinien exakt parallel verschoben, wenn sich die Widerstandswerte der Widerstände 47 und 55 ändern.

Daß sich die Kennlinien in der genannten Weise parallel zueinander verschieben, ergibt sich auch aus der Gleichung für die Verstärkung der Schaltung nach Fig. 7. Entsprechend der Gleichung (1) ergibt sich für die Verstärkung V:

(2) V =

^53

^U46

Wenn die Widerstandswerte der Widerstände 47 und 55 bei jeweils gleicher Steuerspannung in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen, insbesondere gleich sind, dann ergibt sich auch eine exakte parallele Verchiebung der Kennlinie entsprechend Fig. 6.

Wenn die vorstehend genannten Bedingungen nicht genau eingehalten werden, ergibt sich ein von der Kennlinienschar nach Fig. 6 abweichendes Diagramm.

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Um bei der Schaltung nach Fig. 7 ebenfalls die Verschiebung der Frequenzgangkennlinien entsprechend Fig. 6 innerhalb bestimmter Grenzen festlegen zu können,ist es erforderlich, jeweils parallel zu den Widerständen 47 und 55 über Schalter je einen Widerstand zu schalten. Die Kennlinien des beschriebenen Verstärkers kören dann auch bei einem gegen Null gehenden Widerstandswert für die Widerstände 47 und 55 z.B. nicht über die Kennlinie 39 hinaus zu tiefen Frequenzen hin verschoben werden.

Es ist weiter möglich, über zusätzliche Schalter parallel zu den Kondensatoren 48 und 54 zusätzliche Kondensatoren zu schalten, mit denen die Amplitude des Durchlaßbereiches veränderbar ist, so daß .z.B. anstelle der Kennlinie 40 in Fig. 6 die gestrichelt eingezeichnete Kennlinie 42 erzielt wird.

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Claims

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Pa tentansprüche

I./Verstärker mit veränderbarem Übertragungsmaß und einer mittels einer Steuerspannung veränderbaren unteren Grenzfrequenz, wobei vom Ausgang des Verstärkers zu einem bezüglich der Ausgangssignale des Verstärkers invertierenden Eingang ein Gegenkopplungsweg vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungsweg eine Parallelschaltung aus einem elektronisch steuerbaren Widerstand (30) und einer ersten frequenzabhängigen Impedanz (33) enthält, daß zwischen dem invertierenden Eingang (27) und der Bezugsspannung eine zweite frequenzabhängige Impedanz (38) geschaltet ist und daß die Steuerspannung dem Steuereingang (31) des steuerbaren Widerstandes (30) zugeführt ist.
2. Verstärker nach Anspruch 1 für eine Schaltung zur Dynamik-Kompression oder -Expansion mit einer von der Amplitude der Eingangssignale in der Weise abhängigen Grenzfrequenz, daß die Grenzfrequenz mit zunehmender Amplitude zu höheren Werten hin verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem zu verarbeitenden Nutzsignal eine Steuerspannung ableitender Steuerspannungserzeuger (3) vorgesehen ist, dessen Ausgang an den Eingang des steuerbaren Widerstandes angeschlossen ist.
3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der SteuerSpannungserzeuger (3) eine Schaltung zur Gleichrichtung der Wechselspannungssignale des Nutzsignalweges enthält.
4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand aus einem Feldeffekttransistor besteht, dessen Steuerelektrode die Steuerspannung zugeführt ist.

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5. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker wenigstens eine Differenzverstärkerstufe (25) mit zwei Eingängen enthält, von denen der eine (27) als invertierender Eingang über den Gegenkopplungsweg mit dem Ausgang (28) des Verstärkers (25) verbunden ist.
6. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Schalter (37) parallel zu der ersten frequenzabhängigen Impedanz (33) eine weitere frequenzabhängige Impedanz (36) schaltbar ist.
7. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Schalter (35) parallel zu dem steuerbaren Widerstand (30) ein weiterer Widerstand (34) schaltbar ist.
8. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als frequenzabhängige Impedanzen Kondensatoren (33,36,38) verwendet werden.
9. Verstärker mit veränderbarem Übertragungsmaß und einer mittels einer Steuerspannung veränderbaren unteren Grenzfrequenz, wobei vom Ausgang des Verstärkers zu einem bezüglich der AusgarigssignajLe des Verstärkers invertierenden Eingang ein Gegenkopplungsweg vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungsweg eine erste Parallelschaltung aus einem ersten elektronisch steuerbaren Widerstand (55) und einer ersten frequenzabhängigen Impedanz (54) enthält, daß das von dem Verstärker (51) zu verarbeitende Nutzsignal über eine zweite Parallelschaltung aus einem zweiten elektronisch steuerbaren Widerstand (47) und einer zweiten frequenzabhängigen Impedanz (48) demselben oder einem weiteren invertierenden Eingang (50) des Verstärkers zugeführt ist, und daß die Steuerspannung (57) den Steuereingängen (56,49) der steuerbaren Widerstände (55,47) zugeführt ist.

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10. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als frequenzabhängige Impedanzen Kondensatoren (54,43) verwendet sind.
11. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der beiden steuerbaren Widerstände (55,47) bei jeweils gleicher Steuerspannung in einem festen Verhältnis zueinander stehen.
12. Verstärker· nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden steuerbaren Widerstände (55,47) die gleiche Abhängigkeit von einer an ihren Steuereingang angelegten Steuerspannung aufweisen.
13. Verstärker nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß über je einen Schalter parallel zu der ersten Parallelschaltung (54,55) und parallel zu der zweiten Parallelschaltung (47,48) je eine weitere rrequenzabhängige Impedanz schaltbar ist.
14. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß über je einen Schalter parallel zu der ersten Parallelschaltung (54,55) und parallel zu der zweiten Parallelschaltung (47,48) je ein weiterer Widerstand schaltbar ist.
15. Verstärker nach Anspruch 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der beiden weiteren Widerstände in demselben Verhältnis zueinander stehen wie die Widerstandswerte der beiden steuerbaren Widerstände.

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