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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
für eine
Fernsprechteilnehmerstation, welche einen Sprechkreis mit einer
Kompensationsschaltung (Gabelfunktion) mit einem Sendeverstärker und mit
einem Empfangsverstärker
und eine Steuereinrichtung mit einem Speicher aufweist, wobei sämtliche
Einrichtungen auf einem gemeinsamen Substrat in CMOS-Technik aufgebracht
sind und die Schaltungsanordnung durch eine entsprechende Programmierung
an unterschiedliche Anschlußbedingungen anpaßbar ist.
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Eine derartige Schaltungsanordnung
ist bereits bekannt. So wird in der
EP-OS 0 480 842 eine auf einem gemeinsamen
Substrat befindliche Schaltungsanordnung für eine Fernsprechteilnehmerstation
beschrieben, welche programmierbar ist. Dabei läßt sich beispielsweise die
Impedanz als Funktion der Leitungslänge der Anschlußleitung
mit Hilfe einer entsprechenden Programmierung durch den auf dem Substrat
befindlichen Microprozessor anpassen. Dies geschieht in Verbindung
mit einem Analog/Digitalumsetzer.
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Weiterhin ist in der Druckschrift
IEEE Journal of Solid-State Circuits, VOL 26, No. 7, vom Juli 1991 auf
den Seiten 1015 bis 1026 ein softwareprogrammierbarer CMOS-Telefon-Schaltkreis
beschrieben, welcher durch seine Programmierbarkeit an unterschiedliche
Normen verschiedener Länder
anpaßbar ist.
Die Einstellung des Verstärkungsgrades
erfolgt über
eine automatische Verstärkungsregelung,
dabei ist der Wert eines Widerstandes in drei Stufen programmierbar
veränderbar.
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Die
US
4,823,092 offenbart einen Transkonduktanzverstärker mit
spiegelsymmetrischen und sich wiederholenden Schaltungsteilen für eine IC Herstellung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
nun darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben,
bei welcher unter Verwendung von einheitlich aufgebauten Verstärkern mit
einem weiten linearen Aussteuerbereich und geringem Rauschen eine
Veränderbarkeit
des Verstärkungsgrades
eines Verstärkers
auf einfache Weise möglich
ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Sendeverstärker und/
oder Empfangsverstärker
jeweils aus mehreren Verstärkermodulen
gebildet wird, welche gleichartig aufgebaut jeweils aus mehreren parallel
geschalteten Zellen bestehen, daß die Verstärkermodulen als Eingangsverstärker und
als Lastverstärker
eingesetzt werden, indem der Ausgang eines Eingangsverstärkers mit
dem Ausgang eines Lastverstärkers
verbunden und gegenkopplungsmäßig mit
einem Eingang des betreffenden Lastverstärkers verbunden ist und daß die einzelnen
Zellen der Verstärkermodulen
durch die Steuereinrichtung ein- und ausschaltbar sind.
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Durch das Ein- bzw. Ausschalten von
Zellen eines Verstärkers
läßt sich
die Spannungsverstärkung
verändern,
wobei die Werte der Spannungsverstärkungen eines Verstärkers dem
Verhältnis
der Zahl der aktiv geschalteten Zellen eines Eingangsverstärkers zur
Zahl der aktiv geschalteten Zellen eines Lastverstärkers entspricht.
Bei dem einheitlichen Aufbau der aus Zellen gebildeten Verstärkermodulen,
die als Eingangsverstärker
bzw. als Lastverstärker
eingesetzt werden, wirkt das Lastelement als aktive Widerstandsnachbildung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der
Erfindung besteht darin, daß eine
Zelle aus einer spannungsgesteuerten Stromquelle und einer nachgeschalteten Einrichtung
zur Bildung der arithmetischen Differenz der Ausgangsströme und jeweils
einem Schalter gebildet wird, wobei jeweils ein Schalter zwischen
die spannungsgesteuerte Stromquelle und die Einrichtung zur Bildung
zur Bildung der arithmetischen Differenz der Ausgangsströme geschaltet
ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben
sich auch aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, welches
in der Zeichnung dargestellt ist.
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Es zeigt 1 das Blockschaltbild eines Fernsprechapparates,
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2 das
Blockschaltbild eines Sprechkreises,
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3 den
Aufbau eines Verstärkermoduls,
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4 die
Zusammenschaltung mehrerer Verstärkermodule
als Eingangs- und als Lastelemente und
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5 den
grundsätzlichen
Aufbau einer Zelle.
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Ein analoger Fernsprechapparat weist
die in 1 gezeigten Einrichtungen
auf. Die Teilnehmeranschlußleitung
AL, die zur Übertragung
der Sprachsignale, der Signalisierung (Wahlinformation, Hörtöne, Rufsignal
usw.) und der Energie zum Betreiben des Fernsprechapparates dient,
ist an der Schnittstellenschaltung SS angeschlossen. Diese dient
zum Auskoppeln der Energie für
die Stromversorgungseinrichtung SR, welche die für den Betrieb der gezeigten
Einrichtung benötigten
Speisespannungen erzeugt. Die Schnittstellenschaltung SS enthält außerdem Mittel
zur Aussendung der Wahlinformation auf die Teilnehmeranschlußleitung
AL, zum Öffen
und Schließen
der Schleife bei Aushängen bzw.
Auflegen des Handapparates, usw. Diese Signale werden in der Schnittstellenschaltung
SS durch die daran angeschlossene Steuereinrichtung ST veranlaßt. Die
Steuereinrichtung ST, an welcher ein Speicher SP und eine Ein-/Ausgabeeinrichtung
EA in Form einer Anzeigevorrichtung und einer Eingabetastatur angeschlossen
ist, ist in der Regel durch einen Microprozessor realisiert, dessen
Programmierung im Speicher SP enthalten ist. Die Steuereinrichtung nimmt
beispielsweise die über
die Ein-/ Ausgabeeinrichtung EA eingegebene Rufnummer auf und veranlaßt deren
Aussendung auf die Teilnehmeranschlußleitung AL über die
Schnittstellenschaltung SS. Auf weitere Aufgaben und Funktionen
der Steuereinrichtung ST wird im weiteren der Beschreibung nur noch insoweit
eingegangen, wie dies zum Verständnis
der Erfindung unbedingt notwendig ist.
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An der Schnittstellenschaltung SS
ist auch der elektronische Sprechkreis SK angeschlossen, welcher
in erster Linie eine Zweidraht/Vierdrahtgabel zum Anschluß des Mikrofons
M und der Hörkapsel
H des Handapparates an der Schnittstellenschaltung SS dient.
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Das Blockschaltbild eines elektronischen Sprechkreises
SK wird anhand von 2 erläutert. Der
Sendeverstärker,
an welchem das Mikrofon M angeschlossen ist, wird aus den Verstärkermodulen L1
und E1 und der Empfangsverstärker,
an welchem die Hörkapsel
H angeschlossen ist, wird aus den Verstärkermodulen L2, E2 und E3 gebildet.
Sämtliche Verstärkermodulen
L1, L2, E1 bis E3 sind gleichartig aufgebaut, wie weiter unten noch
näher erläutert wird.
Am Eingang des als Eingangsverstärker
E1 wirkenden Verstärkermoduls
ist das Mikrofon M angeschlossen. Der Ausgang des Eingangsverstärkers E1
ist mit dem Ausgang eines Lastverstärkers L1 verbunden, welcher
mit einem Eingang des Lastverstärkers
L1 derart verbunden ist, daß eine
Gegenkopplungswirkung entsteht. Die Ausgänge der beiden Verstärkermodulen
E1 und L1 sind außerdem
mit dem Eingang einer Pufferstufe B1 verbunden, das Ausgangssignal
der Pufferstufe B1 ist gleichzeitig das Sendesignal SE, welches
der Schnittstellenschaltung SS zur Aussendung auf die Teilnehmeranschlußleitung
AL zugeführt
wird. Gleichzeitig gelangt dieses Signal auch zum Netzwerk N, welches
die Leitungsnachbildung darstellt. Am Netzwerk N ist außerdem ein
Verstärker
V eingangs- und ausgangsmäßig angeschlossen,
wobei das Ausgangssignal des Verstärkers v auch einer automatischen
Verstärkungsregelung
AV und einem Eingangsverstärker
E3 des Empfangsverstärkers
zugeführt
wird. An der automatischen Verstärkungsregelung
AV ist der Eingangsverstärker
E1 und der Lastverstärker
L1 des Sendeverstärkers
angeschlossen, hierdurch ist eine Verstärkungsregelung der Verstärker L1
und E1 möglich. Wie
dies im einzelnen geschieht, wird weiter unten noch näher erläutert.
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Der Empfangsverstärker weist einen weiteren Eingangsverstärker E2
auf, welchem das von der Schnittstellenschaltung SS kommende Empfangssignal
EM zugeführt
wird. Die Ausgänge
der Eingangsverstärker
E2 und E3 und der Ausgang des Verstärkers L2 des Empfangsverstärkers sind
miteinander verbunden und mit dem Eingang einer Pufferstufe B2 verbunden,
welche das Signal für
die Hörkapsel
H im Handapparat der Fernsprechteilnehmerstation liefert. Das Ausgangssignal
der genannten Verstärker
wird außerdem
einem Eingang des Lastverstärkers
L2 derart zugeführt,
daß eine
Gegenkopplungswirkung entsteht. Die Aufgabe der Pufferstufen B1
bzw. B2 besteht darin, das Eingangssignal des jeweiligen Lastelements
L1 bzw. L2 von Belastungen durch Verbraucher frei zu halten.
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Der Sendeverstärker kann weitere Eingangsverstärker E aufweisen,
welche ebenso mit den Ausgängen
verbunden sind, wie dies in 2 gezeigt
wird. Dabei kann ein Eingangsverstärker beispielsweise zur Einspeisung
von Modemsignalen oder zur Einspeisung der MF (Mehrfrequenz)-Signale
verwendet werden. Ebenso kann der Empfangsverstärker durch weitere Eingangsverstärker E erweitert
werden, welche in gleicher Weise anzuschließen sind. Das Signal für die Hörkapsel
H kann auch einem weiteren nicht gezeigten Verstärker zugeführt werden, welcher zur Ansteuerung
eines nicht gezeigten Lautsprechers dient.
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Das vom Sendeverstärker erzeugte
Signal wird nicht nur auf die Teilnehmeranschlußleitung AL ausgesendet, sondern
dem Netzwerk N zur Leitungsnachbildung zugeführt, wobei das Netzwerk N ein
Signal für
den Eingangsverstärker
E3 des Empfangsverstärkers
erzeugt. Da das Empfangssignal EM in der Schnittstellenschaltung
SS auch einen Teil des Sendesignals SS enthält und als Empfangssignal EM dem
Empfangsverstärker
und zwar dem Eingangsverstärker
E2 zugeführt
wird, muß entweder
das Sendesignal des Sendeverstärkers
oder das Empfangssignal EM jeweils demjenigen Eingang des Eingangsverstärkers E2
bzw. E3 zugeführt
werden, damit eine Gegenkopplung entsteht, so daß der Hörkapsel H im Idealfall nur
ein Signal zugeführt
wird, welches keine Anteile des Signals des Sendeverstärkers enthält, welches
auf die Teilnehmeranschlußleitung
A1 ausgesendet worden ist.
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Wie bereits erwähnt, enthalten die die Eingangsverstärker E und
die Lastverstärker
L bildenden Verstärkermodule
eine Vielzahl von einzelnen Zellen, welche ein- bzw. ausgeschaltet
werden können.
Dies ist durch die zur Steuereinrichtung ST führenden Leitungen angedeutet,
welche mit dem Eingang E der Verstärkermodulen verbunden sind.
Hierbei handelt es sich nur um eine symbolische Darstellung, da
ein Verstärkermodul
eine Vielzahl von Eingängen
E aufweist. Durch die Steuersignale aus der Steuereinrichtung ST
kann nun der Verstärkungsgrad
der einzelnen Verstärkermodulen
verändert werden
und zwar durch das Anlegen von digitalen Informationen an die Eingänge E der
Verstärkermodulen
des Sendeverstärkers.
Hierdurch ist es beispielsweise möglich, den Verstärkungsgrad
jeweils an einen bestimmten Mikrofontyp anzupassen. Das gleiche
gilt für
den Empfangsverstärker,
bei welchem ebenfalls der Verstärkungsgrad
der Verstärkermodulen
desselben veränderbar
ist, um beispielsweise Hörkapseln
H unterschiedlichen Typs einzusetzen oder unterschiedliche Übertragungsdämpfungen
auf der Leitung AL auszugleichen. Bei einem gleichartig aufgebauten,
nicht gezeigten Lauthörverstärker ist
es darüberhinaus
möglich,
neben der statischen Einstellung auch eine dynamische Einstellbarkeit
vorzusehen, indem in Abhängigkeit
von einer nicht gezeigten Lautstärkeeinstellvorrichtung
von der Steuereinrichtung ST in Abhängigkeit von dem Einstellsignal
den Verstärkungsgrad
des betreffenden Verstärkers,
d. h. die Lautstärke
des Lautsprechers entsprechend einzustellen.
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Darüberhinaus ist es möglich, den
Verstärkungsgrad
der einzelnen Verstärker
auch im Hinblick auf die unterschiedlichen Anschlußbedingungen
einzelner Postverwaltungen einzustellen, die bei Fernsprechteilnehmerstationen
gefordert sind. Der Speicher SP (1)
enthält
mehrere Speicherbereiche, welche beispielsweise für die Einspeicherung
der Einstellinformationen für
die Verstärkermodulen
vorgesehen sind, wobei jeweils ein Speicherbereich für die Einstellinformationen
zur Erfüllung
der Anschlußbedingungen
einer Postverwaltung vorgesehen ist. Weiterhin können Speicherbereiche vorgesehen sein,
welche zur Anpassung der Verstärkung
an unterschiedliche Typen von Mikrofo nen und Hörkapseln des Handapparates
der Fernsprechteilnehmerstation benutzt werden. Der Aufruf der Speicherbereiche kann
entweder über
einen externen Anschluß an
der Steuereinrichtung ST (beispielsweise interner Bus) oder auch über die
Wähltastatur
der Eingabe- und Anzeigevorrichtung EA erfolgen, wobei vor der Eingabe
der Speicherbereichauswahlkriterien ein dem Benutzer nicht bekanntes
Codewort einzugeben ist. Dies kann beispielsweise durch das Wartungspersonal
erfolgen. Es ist jedoch auch denkbar, diese Einstellungen in Abhängigkeit
von den Mikrofontypen bzw. Hörkapseltypen
während
des Montage- oder Prüfvorgangs
festzulegen. Der Inhalt des ausgewählten Speicherbereichs wird
einer nicht gezeigten Speichereinrichtung zugeführt, welche fest mit den zu
den einzelnen Verstärkermodulen
führenden
Leitungen verbunden ist. Die Einstellinformation kann dabei aus einem
Adreß-
und einem Datenfeld bestehen, wobei das Adreßfeld zur Adressierung des
Verstärkermoduls
und das Datenfeld zur Einstellung der einzelnen Zellen innerhalb
des Verstärkermoduls
dient. Bei diesen statischen Einstellinformationen handelt es sich um
Dauerinformationen, welche in der Regel während des Betriebs nicht mehr
verändert
werden. Die dynamischen Einstellinformationen zur Lautstärkeeinstellung
in Abhängigkeit
von einer Lautstärkeregeleinrichtung
werden dagegen in gleicher Weise zugeführt, sie sind jedoch, wie bereits
erwähnt,
veränderbar.
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Das in 3 gezeigte
Verstärkermodul
weist eine Vielzahl von Zellen Z1 bis Zn auf, die über die Eingänge 1, 2 bis
n von der Steuereinrichtung ST ein- und ausschaltbar sind. Dies
erfolgt durch ein binäres Signal,
welches entweder den Wert 0 oder den Wert 1 aufweist, wobei beispielsweise
durch den Wert "0" die Zelle Z gesperrt
und durch den Wert "1" die Zelle freigegeben
wird. Die Eingänge
+ und – des
Verstärkermoduls
werden den einzelnen Zellen Z zugeführt. Dies gilt ebenso für die Betriebsspannung
Udd und die Referenzspannung Un für die Konstantstromquellen
der einzelnen Zellen Z. GND ist die Bezeichnung für die Masse,
an welcher ebenfalls sämtliche Zellen
Z angeschlossen sind. Die Ausgänge
sämtlicher
Zellen Z sind ebenfalls zusammengefaßt und am Ausgang out herausgeführt. über den
Steuereingang US, welcher für
sämtliche
Zellen Z eines Verstärkermoduls
gemeinsam ist, läßt sich
der Verstärkungsgrad
des gesamten Verstärkermoduls
zusätzlich
verändern.
An diesem Eingang ist ein Ausgang der automatischen Verstärkungsregelung
AV gemäß 2 angeschlossen.
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Die Zusammenschaltung mehrerer Verstärkermodule,
welche als Eingangsverstärker
bzw. als Lastverstärker
wirken, wird in 4 gezeigt.
Die Ausgänge
der Eingangsverstärker
E1 bis En sind mit dem Ausgang des Lastverstärkers LV zusammengeschaltet,
sie erzeugen ein gemeinsames Ausgangssignal, welches über ein
reelles oder komplexes Netzwerk, angedeutet durch die Widerstände R1 und R2
dem invertierenden Eingang – des
Lastverstärkers
LV zugeführt
wird, so daß eine
Gegenkopplungswirkung entsteht. Das Ausgangssignal der Eingangsverstärker E1
bis En und des Lastverstärkers LV
wird auch dem Eingang einer Pufferstufe B zugeführt. Die Aufgabe der Pufferstufe
B besteht darin, das Eingangssignal des Lastverstärkers LV
frei von Belastungen zu halten, die auf den Ausgang A der Pufferstufe
B wirken. An den Eingängen
+ und – der Eingangsverstärker E sind
die Spannungsquellen S11, S21 bis S1n und S2n angeschlossen. Mit
Ux wird der Gegenpol der Spannungsquellen bezeichnet. Die Ein- und
Ausschaltung der einzelnen Zellen in den Verstärkermodulen erfolgt über ein
Bussystem AD, über
welches sowohl die einzelnen Verstärkermodulen als auch die einzelnen
Zellen innerhalb derselben angesprochen werden. Zu diesem Zweck
ist jedem Verstärkermodul
ein Adreßdecoder
AK zugeordnet, welcher beispielsweise die Adreßkennung des jeweiligen Verstärkermoduls
enthält.
Sobald die über
das Bussystem AD übermittelte
Adresse mit derjenigen Adresse des Verstärkermoduls übereinstimmt, werden die Einstellinformationen,
die ebenfalls über
das Bussystem übertragen
worden sind, übernommen
und dienen zur Einstellung der einzelnen Zellen innerhalb des betreffenden
Verstärkermoduls.
Jeder Zelle ist ein Eingang E zugeordnet, so weisen die Zellen des
Eingangsverstärkers
E1 die Eingänge
E11, E21 bis Em1 auf. Die zusätzliche
Beeinflußung
der Verstärkungseigenschaften
eines Verstärkermoduls
erfolgt über
die Steuereingänge
Us, wie bereits erwähnt.
Die Spannung Ux, die einen Wert zwischen Udd und GND aufweisen kann
und zur Arbeitspunkteinstellung der Verstärkeranordnung (E1 bis En und
LV) dient, ist am nichtinvertierenden Eingang + des Lastverstärkers LV
und an dem Widerstand R2, dessen anderer Anschluß mit dem invertierenden Eingang – des Lastverstärkers SV
verbunden ist, angeschlossen. Außerdem bildet die Spannung Ux
das gemeinsame Gegenpotential der Spannungsquellen S11, S21 bis
S1n, S2n.
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In 5 wird
der grundsätzliche
Aufbau einer Zelle Z gezeigt. An dem Masseanschluß GND ist eine
Konstantstromquelle in Form eines Transistors T1 angeschlossen,
welcher mit seinem Steuereingang an der Referenzspannung Un angeschlossen ist.
Die Konstantstromquelle erzeugt den Konstantstrom Iref, welcher
den beiden Transistoren T2a und T2b zugeführt wird, welche die eigentliche
spannungsgesteuerte Stromquelle bilden. Der Transistor T2a bildet
dabei den nichtinvertierenden Eingang (+) und der Transistor T2b
bildet den invertierenden Eingang (–). An dem Ausgang der einen
spannungsgesteuerten Stromquelle T2a ist ein Transistor T3 und an
dem Ausgang der anderen spannungsgesteuerten Stromquelle T2b ist
ein Transistor T4 angeschlossen. Diese beiden Transistoren bilden
jeweils einen Schalter, welcher über
den Eingang E ein- und ausschaltbar ist. Mit Hilfe dieser beiden
Transistoren können
die beiden Ausgänge
zusammen freigegeben oder gesperrt werden. An den Ausgängen der beiden
Transistoren T3 und T4 ist eine Schaltung zur Bildung der arithmetischen
Differenz der Ausgangsströme
in Form der beiden Tranistoren T5 und T6 angeschlossen, welche als
Stromspiegelschaltung wirken. Das Signal am Ausgang out stellt somit
das Differenzsignal dar. Die Schaltung zur Bildung der arithmetischen
Differenz der Ausgangsströme
ist an der Betriebsspannung Udd der Zelle Z angeschlossen. Am Ausgang
der Konstantstromquelle, d. h. am Ausgang des Transistors T1 ist
noch ein Transistor T7 angeschlossen, welcher mit seinem Steuereingang mit
der Referenzspannung Us verbungen ist. In Abhängigkeit von der Höhe der Referenzspannung
Us kann nun der Konstantstrom Iref, welcher der spannungsgesteuerten
Stromquelle zugeführt
wird, derart verändert
werden, daß über den
Transistor T7 ein geringerer oder höherer Anteil weggezogen wird.
Hierdurch ist es möglich,
nicht nur den Verstärkungsgrad durch
die Zu- oder Abschaltung von Zellen Z innerhalb eines Verstärkermoduls
zu verändern,
sondern darüberhinaus
auch noch die Verstärkung
des gesamten Verstärkermoduls
zu verändern.
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Da die Geometrien im Layout aufgrund
der leichten Ausdiffusion der Strukturen nicht exakt den elektrisch
wirksamen Strukturen entsprechen, kann durch die Verwendung von
Zellen ein Ausgleich in gewissen Grenzen erreicht werden. Die Zellen
Z werden auf dem Substrat in wechselnder Folge seitenrichtig und
seitenverkehrt angeordnet, wodurch sich die Auswirkungen möglicher
Gradienten von Kennparametern in den einzeln, aus den Zellen Z gebildeten
Verstärkerelementen
aufheben. Elektrisch ergeben sich durch diese Maßnahme keine Unterschiede.
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Durch die Verwendung einheitlicher,
aus Zellen Z bestehender Verstärkermodulen
läßt sich
der Aufbau eines elektronischen Sprechkreises auf einem Substrat
in CMOS-Technik erheblich vereinfachen.