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Schaltung zur automatischen Dynamik-Kompression oder
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-Expansion (Zusatz zu Patent DT-PS 24 06 258) Es ist bekannt, die
Qualität der Wiedergabe von Tonfrequenzdarbietungen durch Vergrößern des Signal-Rausch-Abstandes
durch ein Kompressions-Expansions-System (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.
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Bei den bekannten Systemen besteht die Schwierigkeit, unter anderem
die folgenden Forderungen möglichst weitgehend zu erfüllen: Geringer wirtschaftlicher
Aufwand; sich entsprechende Kennlinien bei der Kompression und Expansion; gute Reproduzierbarkeit
der verlangten Werte bei den Geräten z.B.
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einer Fabrikationsserie und die Ausbaufähigkeit des System-Konzeptes
bezüglich der Wahl des Expansions- und Kompressions-Grades. Die bisher bekannten
Kompressions-Expansions-Systeme erfordern entweder bei guter Qualität einen relativ
großen Aufwand oder sie erfüllen nicht bei einem - insbesondere bei Konsumgeräten
erforderten - geringen Aufwand in ausreichendem Maße die oben genannten Forderungen.
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Der Gegenstand des Hauptpatents DT-PS 24 06 258 löst deshalb die Aufgabe,
eine Schaltung für ein
Kompressions-Expansions-System zu schaffen,
die bei vergleichsweise geringem Aufwand'ermöglicht: Eine gute Qualität bezüglich
der sinngemäßen (komplementären) Übereinstiinmung der Trennlinien bei Kompression
und Expansion, eine geringe Temperaturabhangigkeit, eine gute Reproduzierbarkeit
der verlangten Werte bei Geräten einer oder verschiedener Fabrikationsserien ohne
die Arbeit des Abgleichens und einer Erweiterung des Systems zu sehr hohen Kompressions-
und Expansions-Graden hin.
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Der Gegenstand des Hauptpatents bezieht sich auf eine Schaltung zur
automatischen Dynamik-Kompression oder Expansion in einem Nutzsignalweg mit Mitteln
zum Ändern des ubertragungsmaßes, bei der vom Ausgang bzw. Eingang des Nutzsignalweges
ein Weg abgezweigt ist, auf dem aus dem Nutzsignalweg in einem Steuerspannungserzeuger
eine Steuerspannung gewonnen wird, die den Mitteln zum Ändern des Ubert tragungsmaßes
im Nutzsignalweg zugeführt wird. Die genannte Aufgabe wird bei de$Hauptpatentanmeldung-dadurch
gelöst, daß die Steuerspannung auch im Zweigweg liegenden Mitteln zur Änderung des
Übertragungsmaßes zugeführt wird und zwar im Sinne einer Gegenregelung des t)bertragungsmaßes
im Zweigweg.
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Durch diese Gegenregelung (Patentanspruch 1 des Hauptpatents) wird
zunächst erreicht, daß die Steuerkennlinien (Abhängigkeit der Ausgangssignale U2
von den Eingangssignalen Ul vergleiche Fig. 1), für die Kompression und Expansion
(nachfolgend kurz als Kennlinien bezeichnet) in logarithmischer Darstellung annähernd
linear sind, wodurch ihre Reproduzierbarkeit in den Geräten z.B. einer Fabrikationsserie
erleichtert wird. Die normalen Streuungen der Eigenschaften der Bauelemente haben
hierauf keinen wesentlichen Einfluß.
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Die mit der beschriebenen Schaltung erzielbaren Kennlinien weisen
entsprechend der Fig. 1 einen ersten, linearen Teil 1 mit einer einer linearen Dynamik
entsprechenden Steigung
bei. geringen Eingangspegeln auf sowie einen
zweiten, ebenfalls linearen Teil 2 mit einer gegenüber dem ersten Kennlinienteil
1 verringerten und einer Dynamik-Kompression entsprechenden Steigung. Beim Erreichen
eines bestimmten Pegelwertes, zB. beim Erreichen des sogenannten Nenn- und Bezugspegels
bei Tonstudio-Anlagen geht die Kennlinie in einen dritten linearen Teil 3 über,
der wieder einem linearen Dynamikverlauf entspricht.
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Die DT-OS 25 29 012 beschäftigt sich bereits mit dem Kurvenverlauf
an der Knickstelle 4 zwischen den Kennlinienteilen 2 und 3. Es hat sich nämlich
gezeigt, daß der exakte Knick 4 (z.B. bei Nemlpegel) zwar leicht und gut auch bei
unterschiedlichen Fertigungsserien reproduzierbar ist, daßciber - abrupt mit dem
Knickpunkt beginnend - oberhalb dieses Punktes 4 keine Dynamik-Kompression bzw.
-Expansion mehr stattfindet. Dies kann z.B. dazu führen, daß auch noch bei der Verwendung
einer frequenzabhängigen Gegenkopplung bei den im Nutzsignalweg und im Zweigweg
liegenden Mitteln zur Änderung des tbertragungsmaßes eine Modulation von unverdecktem
Rauschen im Thythmus von niederfrequenten Nutztönen eintritt.
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Dieser Effekt wäre unterdrückt, wenn die Kennlinie bei der erwähnten
Unstetigkeitsstelle 2 stetig bezüglich des Differentialquotienten, also gekrümmt
verlaufen würde. Die Schaltung gemäß der DT-OS 25 29 012 ermöglicht es)den den erwähnten
Kennlinienknick durch einen stetigen, leicht reproduzierbaren Kennlinienverlauf
zu ersetzen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit den Schaltungsmerkmalen,
durch die ein gekrümmter Kennlinienverlauf erzielt wird. Die der Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe besteht darin, die durch die DT-OS 25 29 012 bekanateSchaltung
dahingehend zu vereinfachen, daß die Vereinigungsschaltung entfallen kann. Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung
dargestellt sinds erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Kennlinien-Diagramm für die Wirkungsweise
der bekannten und der erfindungsgemäßen Schaltung, Fig. 2 und Fig. 3 je ein Ausführungsbeispiel
für die bekannte Schaltung und Fig. 4 und 5 je ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Schaltung.
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In Fig. 2 ist eine bekannte Schaltung (Dll-OS 25 29 012) zur Kompression
von Wechselspannungssignalen als Blockschaltbild dargestellt. Eine solche Schaltung
kann z.B. beim Bespielen eines Tonbandgerätes verwendet werden.
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Es ist beabsichtigt, die an der Eingangsklemme 7 anliegenden Eingangssignale
U1 mit einem bestimmten Dynamikumfang in Sinalen U2 umzuwandlen, die an der Ausgangsklemme
10 abgreifbar sind und einen kleineren Dynamikumfang aufweisen. Zu dem beschriebenen
Zweck ist im Nutzsignalweg zwischen den Klemmen 7 und 10 ein in seiner Verstärkung
steuerbarer Verstärker 8 angeordnet. Der Verstärker 8 besitzt einen Steuereingang
9, über den zwecks Änderung des Übertragungsmaßes seine Verstärkung mittels einer
Steuergleichspannung steuerbar ist.
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Zur Gewinnung der Steuergleichspannung ist ein Zweigweg mit einem
weiteren Verstärker 11 vorgesehen, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers
8 angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers 11 speist über eine Vereinigungsschaltung
14 einen Steuerspannungserzeuger 13, der zur Erzeugung einer von der Amplitude der
Eingangswechselspannung abhängigen Gleichspannung an seinem Ausgang dient. Diese
Gleichspannung wird als Steuerspannung den Steuereingängen 9 und 12 der Vcrstärker
8 und 11 zugeführt. Über den Steuereingang 12 ist der Verstärker 11 ebenso wie der
Verstärker 8 über den Steuereingang 9 in seiner Verstärkung beeinflußbar.
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Die beschriebene Schaltung engt den Dynamikumfang des ,Nutzsignals
ein, weil mit zunelxsender Ausgangsspannung des Verstärkers
8 am
Ausgang des Steuerspannungserzeugers 13 eine Steuergleichspannung erscheint, die
die Verstärkung des Verstärkers 8 herunterregelt. Außerdem wird dann auch die Verstärkung
des Verstärkers 11 heruntergeregelt, so daß im Zweigweg eine Gegenregelung stattfindet,
die die logarithmisch dargestellte Regelkennlinie der Kompressionsschaltung nahezu
linearisiert. Die Steuerspannung ist also in Fig. 2 eine Regelspannung. Anhand der
Fig. 1 wird diese Wirkung erläutert, wobei die Vereinigungsschaltung 14 zunächst
außer Betracht gelassen wird.
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In Fig. 1 ist ein Pegeldiagramm in üblicher Darstellung wiedergegeben.
Da oberhalb des Nenapegels von 0 dB keine Kompression stattfindet, werden im folgenden
nur die Nutzsignale U1 zwischen -75 dB (angenommene Schwelle des Rauschens der Quelle)
und dem beispielsweise bei 0 dB liegenden Nennpegel betrachtet.
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Der absolute Wert der Eingangsspannung steigt auf der Abszisse von
links nach rechts bis zum Nennpegel an. Die Ausgangspegel U2 bei Kompression liegen
im hier dargestellten Fall zwischen -45 dB und O dB. Der absolute Werte der Ausgangsspannung
steigt auf der Ordinate von unten nach oben bis zum Nennpegel an. Bei exakter Expansion
liegen die Ausgangssignale wieder zwischen den genannten Werten von -75 dB und 0
dB.
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Die Kurve 1, 2, 3 für die Abhängigkeit des Ausgangspegels U2 von U1
stellt die Kennlinie der Kompressionsschaltung nach Fig. 2 dar. Zwischen -75 dB
und 60 dB für U1 liegt eine konstante Verstärkung von 30 dB vor (Neigung des Eennlinienteils
1 von 450), so daß bei gleich angenommener Maximal-Verstärkung der Verstärker 8
und 11 in Fig. 2 am Ausgang des Verstärkers 11 eine Verstärkung von 60 dB gegenüber
der Eingangsspannung an der Eingangsklemme 7 vorliegt. Erst bei einem Eingangspegel
U1 von -60 dB (am Knick der Kennlinie ,1, 2), dem wegen der Verstärkung von 60 dB
ein Pegel von O dB am Ausgang des Verstärkers 11 entspricht, setzt im dargestellten
Beispiel die Regelwirkung (Kompression) ein, weil dort die Schwelle des Steuerspannungserzeugers
(13 in Pig. 2) überschritten wird. Von dem Wert U - -60 dB an nimmt die
Verstärkung
laufend ab und hat bei einem Eingangspegel von O dB den Wert O dB, also die Verstärkung
1. Oberhalb des Knicks 4 verläuft die Kurve 2, 3 mit dem Verstärkungswert 1 weiter.
Man erkennt, daß der Dynamikumfang von -75 dB bis O dB der Eingangssignal U1 auf
einen Umfang von -45 dB bis O dB der Ausgangssignale U2 verringert wird. Entsprechend
der Kompression verläuft im beschriebenen Fall auch die Expansion.
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Zur Vermeidung des Knicks 4 der Kennlinie 2, 3 in Fig. 1 ist die Schaltung
nach Fig. 2 zusätzlich zu den beschriebenen Schaltungsgruppen mit einer Vereinigungsschaltung
14 versehen, die zwei Eingänge 15 und 16 besitzt sowie einen Ausgang, der mit dem
Eingang des Regelspannungserzeugers 13 verbunden ist.
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Die Vereinigungsschaltung 14 ist so aufgebaut, daß an ihrem Ausgang
ein Signal erscheint, das gleich der Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen
ist, wobei der Signalwert am Eingang 16 von dem Signalwert am Eingang 15 abgezogen
wird. In der dargestellten Schaltung wird dem Eingang 16 der Vereinigungssciialtung
14 die Ausgangsspannung U2 des von der Eingangsklemme 7 über den Verstärker 8 zur
Ausgangsklemme 10 führenden Nutzsignalweges zugeführt.
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Die beschriebene Zuschaltung der Vereinigungsschaltung 14 hat die
Wirkung, daß sich für die dargestellte Schaltung eine Kennlinie gemäß der Kennlinie
6 in Fig. 1 ergibt. Anstelle des Kennlinienknicks 4 weist die Kennlinie 6 am Punkt
5 bei einem Eingangspegel von 0 dB für U1 einen bestimmten Wert auf. Unterhalb und
oberhalb des Punktes 5 schmiegt sich die Kennlinie 6 asymptotisch an die Kennlinienteile
2 und 3 an.
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Die in Fig. 1 wiedergegebenen Kurven zeigen zwar nur die prinzipielle
Wirkungsweise der Vereinigungsschaltung 14; man erkennt aber, daß die Kennlinie
6 im Bereich des Nennpegels um O dB bezüglich ihres Differentialquotienten stetig
verläuft. Da der Schnittpunkt 5 der Kennlinie 6 mit der Ordinate exakt und ohne
Abgleich auch bei Schaltungen aus unterschied lichen Fertigungsserien reproduzierbar
ist, erfüllt die beschriebene Schaltung mit der Kennlinie 6 die eingangs genannten
Forderungen.
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In Fig. 3 ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung bei der
Expansion von Wechselspanmlngssignalen dargestellt.
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Eine solche Schaltung dient z.B. dazu, die mit der in Fig. 2 dargestellten
Schaltung von U1 auf U2 komprimierten Signale so zu ezpandieren, daß die Ausgangssignale
U3 wieder den Dynamikumfang der Eingangssignale U1 der Schaltung nach Fig. 2 aufweisen.
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Die Expansionsschaltung nach Fig. 3 enthält zwischen der Eingangsklemme
18 und der Ausgangsklemme 20 einen steuerbcSren Verstärker 19. Der Zweigweg, dessen
Eingang in diesem Fall statt an den Ausgang an den Eingang des Verstärkers 19 im
Nutzsignaiweg angeschlossen ist, enthält den schon anhand der Fig. 2 beschriebenen
steuerbaren Verstärker 11. Der Steuereingang 21 des Verstärkers 19 sowie der Steuereingang
12 des Verstärkers 11 werden von dem Ausgang des Steuerspannungserzeugers 13 gespeist.
Der Verstärker 19 ist wegen der verlangten Expansion so aufgebaut, daß die Steigung
seiner Kennlinie das umgekehrte Vorzeichen aufweist wie die Steigung der Steuer
kennlinie des Verstärkers 8 aus Fig. 2, während der Verstärker 11 in Fig. 3 mit
dem Verstärker 11 in Fig. 2 übereinstimmt und wie dieser gegengeregelt wird. Wenn
die Eingang spannung U2 steigt und damit der Betrag der Steuergleichspannung an
den Steuereingängen 21 und 12 steigt, dann hat dies also-zur Folge, daß die Verstärkung
des Verstärkers 19 vergrößert wird, während die Verstärkung des Verstärkers 11 verringert
wird. Dies kann auch dadurch bewirkt werden, daß zwischen dem Steuerspannungserzeuger
13 und dem einen der beiden ansonsten gleich aufgebauten Verstärker 11 und 19 eine
Phasenumkehrschaltung für die Steuergleichspannung liegt.
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Gleich aufgebaute Verstärker können auch dann verwendet werden, wenn
die Verstärkung jeweils durch einen Gegenkopplungs-Spannungsteiler bestimmt wird.
Die für beide Verstärker gleiche Steuergleichspannung steuert dann in bekannter
Weise (DD-OS 22 18 823) bei Kompression den einen Spannungsteilerwiderstand und
bei Expansion den anderen Spannung steilerwiderstand.
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Wie bei der Schaltung nach Fig. 2 ist bei der beschriebenen Schaltung
nach Fig. 3 zwischen dem Ausgang des Verstärkers 11 und dem Eingang de s des Regelspannungserzeugers
13 eine Vereinigungsschaltung 14 eingefügt, die der Vereinigungsschaltung 14 in
Fig. 2 entspricht und genauso aufgebaut ist. Da es sich bei der Schaltung nach Fig.
3 jedoch um eine Expansionsschaltung handelt, ist der Eingang 16 der Vereinigungsschaltung
14'an den Eingang des Verstärkers 19 angeschlossen.
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Die Wirkung der Zuschaltung der Vereinigungsschaltung 14 bei der Expansionsschaltung
nach Fig. 3 ist entsprechend komplementär zu der Wirkung der Kompressionsschaltung
nach Fig. 2.
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Es ergibt sich somit für die Expansionsschaltung die in Fig. 1 gestrichelt
eingezeichnete Kennlinie 6'mit dem dem Punkt 5 entsprechenden Punkt 5' als Schnittpunkt
mit der Ordinate für einen Eingangspegel U2 von 0 dB.
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Die -ErfindZzng ermöglicht es, die oben beschriebene bekannte Schaltung
dahingehend zu vereinfachen, daß die Vereinigungsschaltung entfallen kann. Grundlage
der dahin führenden Überlegungen ist die Tatsache, daß sich das Übertragungsmaß
einer Anordnung aus einem ersten Verstärker und einem Differenzverstärker, wobei
der eine Eingang des Differenzverstärkers mit dem Eingang des ersten Verstärkers
und der andere Eingang des Differenzverstärkers mit dem Ausgang des ersten Verstärkers
verbunden ist, um den von dem Differenzverstärker gebildeten Betrag von dem Übertragungsmaß
des ersten Verstärkers unterscheidet. Dieser Differenzbetrag des Ubertragungsmaßes
ist nur abhängig von der Beschaltung des Differenzverstärkers.
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Er bleibt also konstant, wenn das Übertragungsmaß des ersten Verstärkers
variiert wird. Von Bedeutung ist der Spezialfall, bei dem der 1)ifferenzverstärker
in der oben beschriebenen Schaltung so beschaltet ist, daß die von ihm gebildete
Differenz den Betrag 1 hat. Die gleiche Differenz im Betrag des Ubertragungsmaßes
besteht auch zwischen der invertierenden und der nichtinvertierenden Beschaltung
eines Differenzverstä.rkers,
wenn die gleichen Schaltelemente verwendet
werden. Daraus folgt, d&ß die Anordnung aus dem ersten Verstärker und dem Differenzverstärker
durch eine Anordnung mit einem einzigen Verstärker ersetzt werden kann, wenn von
den beiden Alternativen - invertierender Verstärker - nichtinvertierender Verstärker
- der zweite Verstärker in der anderen Alternative beschaltet ist wie der erste
Verstärker. Die Polarität des Ausgangssignals blcibt bei den obigen Überlegungen
unberücksichtigt, da es sich bei den in Frage kommenden Signalen um Wechselspannung
handelt.
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Eine derartige Anordnung ist für den Fall der Kompression in der Fig.
4 und für den Fall der Expansion in der Fig. 5 dargestellt.
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Die Kompressionsschaltung enthält zwischen der Eingangsklemme 7 und
der Ausgangsklemme 10 einen in seiner Verstärkung steuerbaren, vorzugsweise als
nichtinvertierender Verstärker ausgebildeten Verstärker 8. Der Verstärker 8 besitzt
einen Steuereingang 9, über den zwecks Änderung des Ubertragungsmaßes seine Verstärkung
mittels einer Steuerspanrnrng steuerbar ist. Zur Gewinnung der Steuerspannung ist
ein Zweigweg mit einem weiteren Verstärker 11 vorgesehen, dessen Eingang an den
Ausgang des Verstärkers 8 angeschlossen ist. In dem Fall, daß der im Nutzsignalweg
liegende Verstärker 8 als nichtinvertierender Verstärker beschaltet ist, ist der
im Zweigweg angeordnete Verstärker 11 als invertierender Verstärker beschaltet.
Der Ausgang des Verstärkers 11 speist einen Steuerspannungserzeuger 13, der zur
Erzeugung einer von der Amplitude der Eingangswechselspannung abhängigen Gleichspannung
an seinem Ausgang dient. Diese Gleichspannung wird &ls Steuerspannung den Steuereingängen
9 und 12 der Verstärker 8 und 11 zugeführt. ueber den Steuereingang 12 ist der Verstärker
11 ebenso wie der Verstärker 8 über den Steuereingang 9 in seiner Verstärkung beeinflußbar.
Die zur Beschaltung der beiden Verstärker dienenden Impedanzen sind gleich. Dadurch
wird erreicht, daß bei jeder möglichen Steuerspannung an den Steuereingängen 9 und
12 der Verstärker 8 jeweils eine
um den Betrag 1 größere Verstärkung
aufweist als der Verstärker 11.
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DieEepansionsschaltung gemäß der Fig. 5 enthält im Signalweg einen
als nichtinvertierender Verstärker beschalteten Verstärker 19. Der Verstärker 19
besitzt einen Steuereingang 21, über den zwecks Anderung des Übertragungsmaßes seine
Verstärkung mittels einer Steuergleichspanmlng steuerbar ist. Zur Gewinnung der
Steuergleichspannung ist ein Zweigweg mit einem weiteren Verstärker 11 vorgesehen,
dessen Eingang an den Eingang des im Nutzsignalweg angeordneten verstärkersAangeschlossen
ist. Bei einer angenommenen Beschaltung des im Nutzsignalweg angeordneten Verstärkers
19 als nichtinvertierender Verstärker ist der im Zweigweg angeordnete Verstärker
11 als invertierender Verstärker beschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 11 speist
einen Steuerspannungserzeuger 13, der zur Erzeugung einer von der Amplitude der
Eingangswechselspannung abhängigen Gleichspannung an seinem Ausgang dient. Diese
Gleichspannung wird als Steuer spannung den Steuereingängen 21 und 12 der Verstärker
19 und 11 zugeführt. Über den Steuereingang 12 ist der Verstärker 11 ebenso wie
der Verstärker 19 über den Steuereingang 21 in seiner Verstärkung beeinflußbar.
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Der Verstärker 19 ist wegen der verlangten Expansion so aufgebaut,
daß die Steigung seiner Kennlinie das umgekehrte Vorzeichen aufweist wie die Steigung
der Kennlinie des Verstärkers 8 aus Fig. 4 wahrend der Verstärker 11 in Fig. 5 mit
dem Verstärker 11 in Fig. 4 übereinstimmt und wie dieser gegengeregelt wird, Es
sind aber auch die bei der bekannten Schaltung erwähnten Schaltungsvarianten möglich.
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