DE69124659T2 - Transkonduktanzverstärker mit drei Eingängen und verschmolzener Stromklemmschaltung, zur Verwendung in einem Oszillator - Google Patents
Transkonduktanzverstärker mit drei Eingängen und verschmolzener Stromklemmschaltung, zur Verwendung in einem OszillatorInfo
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf Transkonduktanz- Verstärker. Transkonduktanz-Verstärker können als integrierte Schaltungen hergestellt werden und in Oszillatorschaltungen Anwendung finden.
- Oszillatorschaltungen sind nützlich für die Lieferung einer stabilen Frequenz für den Einsatz in zolchen Einrichtungen, wie Frequenzfiltern und Mischern.
- In einem Aufsatz von B.Linares-Barranco et al mit dem Titel "Very High Frequency CMOS OTA-C Quadratur Osclillators", veröffentlicht in Proc.IEEE/ISCAS 1990, Internationales Symposium für Schaltungen und Systeme, 1.- 3.Mai 1990, ist auf den Seiten 3189-1392 ein Blockschaltbild eines Quadraturoszillators offenbart, der einen Integrator mit drei Eingängen aufweist, von denen ein Eingang ein negatives Rückkoppelsignal von einem Integrator mit einem Eingang erhält. Ein anderer seiner Eingänge enthielt einen positiven Eingangspfad, der eine Klemmscnaltung aufweist, die in Reihe mit einem Hilfsverstärker geschaltet war.
- Die Verwendung einer Klemmschaltung in Reihe mit dem Hilfsverstärker führt zusätzliche Schaltungen ein, die ihrerseits zu unerwünschten Leistungsverlusten und niedrigeren Grenzfrequenzen führen. Daher wäre es wünschenswert einen Quadraturoszillator ohne diese Nachteile zu haben.
- Die vorliegende Erfindung gibt einen Transkonduktanz- Verstärker an, der drei Eingänge aufweist, wie in Anspruch 1 ausgeführt. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, einen Oszillator zu haben, der den in Anspruch 1 aufgeführten Transduktanz-Verstärker mit drei Eingängen, kombiniert mit einer zweiten und dritten Rückkoppelschaltung nach Anspruch 2, enthält. Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die dritte Rückkoppelschaltung so wie in Anspruch 3 angegeben, angeordnet ist. Ferner ist von Vorteil, wenn der erste Transkonduktanz-Pfad wie in Anspruch 4 angegeben abgeglichen ist. Und es ist weiter vorteilhaft, daß der zweite Transkonduktanz-Pfad eine Anordnung nach Anspruch aufweist.
- Es zeigen:
- Fig.1 ein Blockschaltbild eines Oszillators, der einen abgeglichenen Transkonduktanz-Verstärker mit drei Eingängen enthält, welcher eine Strom-J Klemmschaltung aufweist, die mit einem Transkonduktanz- Verstärker verrrischt ist und
- Fig.2 ein schematisches Schaltbild des Tranduktanz- Verstärkers mit drei Eingängen gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung.
- Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt FIG.1 einen Oszillator 100 in einer abgeglichenen Schaltungskonfiguration, die einen abgeglichenen Transkonduktanz-Verstärker 10 mit drei Eingängen und einen abgeglichenen Transkonduktanz-Verstärker 20 mit einem Eingang sowie ein erstes Paar angepaßter Kondensatoren C11 und C12 und ein zweites Paar angepaßter Kondensatoren C21 und C22 aufweist. Der Transkonduktanz-Verstärker 10 mit drei Eingängen hat drei positive Eingangspunkte +a,+b und +c sowie drei negative Eingangspunkte -a,-b und -c als auch einen positiven Ausgangspunkt +d und einen negativen Ausgangspunkt -d. Man beachte, daß, weil beide Transkonduktanz-Verstärker 10 und 20 abgeglichen sind, der Transkonduktanz-Verstärker 10 mit drei Eingängen sechs physikalische Eingangspunkte hat und der Transkonduktanz- Verstärker 20 mit dem einen Eingang zwei hat. Das heißt sozusagen, daß in einer abgeglichen Schaltungskonfiguration der Term "m-Eingangs-Transkonduktanz-Verstärker" 2m physikalische Eingangspunkte kennzeichnet.
- Der positive Ausgangspunkt +d des Transkonduktanz- Verstärkers 10 mit drei Eingängen ist so verbunden, daß er die Eingangspunkte +a und -b speist, wie auch den Ehngangspunkt +e des Transkonduktanz-Verstärkers 20 mit einem Eingang. Ferner ist dieser positive Ausgangspunkt +d so angeschlossen, daß er einen der C11 und einen positiven Ausgangsanschluß VOUT,P des Oszillators 100 speist.
- Der negative Ausgangspunkt -d des abgeglichenen Transkonduktanz-Verstärkers 10 mit drei Eingängen ist so angeschlossen, daß er den Kondensator C12, die negativen Eingangspunkte -a und -e, den positiven Eingangspunkt +b und einen negative Ausgangsanschluß VOUT,N des Oszillators 100 speist. Der Gesamtausgangspegel des Oszillators 100 ist dann gleich VOUT,P-VOUT,N.
- Der Ausgangspunkt +f des abaeolichenen Transkonduktanz- Verstärkers 20 mit einem Eingang ist so angeschlossen, daß er den Kondensator C21, sowie den Eingangstunkt -c des Transkonduktanz-Verstärkers 10 mit drei Eingängen speist Umgekehrt ist ist Ausgangspunkt-f des abgeglichenen Transkonduktanz-Verstärkers 20 mit einem Eingang angeschlossen, daß er den Kondensator C22, sowie den Eingangspunkt +c des Transkonduktanz-Verstärkers 10 mit drei Eingängen speist. Daher liefert der Transkonduktanz- Verstärker 20 mit einem Eingang ein negatives Rückkoppelsignal an den Transkonduktanz-Verstärker 10 mit drei Eingängen. Andererseits liefert der Transkonduktanz- Verstärker 10 mit drei Eingängen sowohl positive als auch negative Eingangssignale an sich selbst. So empfängt beispielsweise der Eingangspunkt +a positive Rückkoppelsignale vom positiven Ausgangspunkt +d, wohingegen der positive Eingangspunkt +b negative Rückkoppelsignale vom negativen Ausgangspunkt -d empfängt.
- Der Transkonduktanz-Verstärker 10 mit drei Eingängen hat noch einen anderen Eingangspunkt k, der wahlweise ist und zur Einstellung der Schwingungsamplitude verwendet werden kann. Zusätzlich kann der Transkonduktanz-Verstärker 10 mit dreh Eingängen noch einen anderen Eingangspunkt g haben, oder k mehrere davon, zur Einstellung (Abstimmung) der Frequenz der Schwingung F des Oszillators 100. Ebenso kann der Transkonduktanz-Verstärker 20 mit einem Eingang noch einen Eingangspunkt h haben, oder mehrere davon, zur Einstellung der Frequenz der Schwingung durch Veränderung der Transkonduktanz des Transkonduktanz-Verstärkers 20.
- Der Oszillator 100 ist ein Quadratur-Oszillator, da die Ausgangssignale des Transkonduktanz-Verstärkers 20 gegenüber den Ausgangssignalen des Transkonduktanz-Verstärkers 10 um π/2 Radian phashoverschoben sind. Diese π/2 Phasenverschiebung resultiert aus der Integration der Spannung V(+e)-7(e) bezüglich der Zeit aurch den Transkonduktanzverstärker 20, der hn Kombination mit den Kondensatoren C21 und C22 arbeitet.
- Es sollte jedoch verstanden sein, daß die Schaltung zur Implementierung des Transkonduktanz-Verstärkers 10 mit drei Eingängen im wesentlichen aus drei abgeglichenen Pfaden besteht, die von ±a ±b ±c bis ±d laufen, wobei die Eingangsspannungen V(+a),V(-a);V(+b),V(-b);V(+c),V(-c), die an die Punkte ±a,±b,±c jeweils angelegt werden in abgeglichene Ströme I(+a),I(-a),I(+b),I(-b) und I(+c), I(-c) entsprechend umgewandelt werden. Diese Ströme werden dann von einem Paar von Stromsummierern (nicht dargestellt) summiert zu I(+a)+I(+b)+I(+c) und I(-a)+I(-b)+I(-c), die dann an die Punkte +d und -d geliefert werden. Die Schaltung für die Umwandlung von jeweils V(+a) und V(-a) in I(+a) und I(-a)ist in vorteilhafter Weise ein linearer Transkonduktanz-Verstärkerpfad in den eine Stromklemmschaltung integriert ist, d.h. ein im wesentlichen linearer Transkonduktanz-Verstärkerpfad, in dem, wenn die Eingangsspannung einen vorgegebenen Wert überscnreitet, die Linearität abbricht und der Ausgangsstrom stabil bleibt. Die Schaltung für die Umwandlung von jeweils V(+b) und V(-b) in I(+b) und I(-b) ist ein linearer Transkonduktanz- Verstärkerpfad, wie es die Schaltung für die Umwandlung von jeweils V(+c) und V(-c) in I(+c) und I(-c) ist.
- Bezugnehmend nun auf FIG.2 ist ein abgeglichener Transkonduktanz-Verstärker 200 zu sehen, die in einer schematischen Darstellung auf Transistorebene eine spezielle Ausführungsform des oben beschriebenen abgeglichenen Transkonduktanz-Verstärkers mit drei Eingängen repräsentiert. Den Anschlüssen und Punkten aie in den Fig. 1 und 2 einander ähnlich sind, wurden die gleichen Bezugszeichen gegeben. Die Schaltung 200 ist grundsätzlich eine komplementäre MOS(CMOS) Schaltung in welcher die Transistoren M1,M2,M3 und M4 n-Kanal-Transistoren sind, wohingegen die Transistoren M5, M6,... bis M23 alle p-Kanal- Transistoren sind.
- Darüber hinaus sind die Transkonduktanz- Abstimmtransistoren MAB...MEB und MAC...MEC p-Kanal- Transistoren. Die Transistoren MAB...MEB und MAC...MEC sind alle p-Kanal-Transistoren und dienen der Abstimmung (Veränderung) der Transkonduktanz und somit der Dämpfung der Eingangssignale, die jeweils an die Punkte ±b und ±c angelegt werden, wie unten noch vollständig erläutert wird.
- Während des Betriebs der Schaltung werden nie Spannungen gb1...gb 5 jeweils an die Gate-Anschlüsse MAB... MAC angelegt. Jede dieser Spannungen bestimmt den EIN-Zustand gegenüber dem AUS-Zustand des jeweiligen Transistors, an den sie angelegt wird. Folglich bestimmt der Satz von Spannungen gb1...gb 5 den Widerstand zwischen den Source-Anschlüssen der Transistoren M15 und M16, d.h. zwischen den Knoten N1 und N2, wohingegen der Satz von Spannungen gc1...gc5 den Widerstand zwischen den Source-Anschlüssen der Transistoren M13 und M14 bestimmt. Für eine Oszillatorfrequenz von etwa 15MHz ist der typische Widerstand dieser Transistoren MAB...MEB und MAC...MEC im EIN-Zustand etwa 500 bis 20,000 Ohm. Typisch ist ferner, daß die Eingangsspannungen gb1...gb 5 und gc1...gc5 so gewählt werden, daß
- Die Transistoren MAB...MEB dienen wegen ihres Dämpfungswiderstandes zur Steuerung der Größe der negativen Rückkopplung vcn den Punkten ±d zu den Punkten ±b. In annlicher Weise steuern die Transistoren MAC...MEC die Größe der negativen Rückkopplung von den Punkten ±f zu den Punkten ±c (Fig. 1).
- Ferner dienen die Transistoren MAC...MEC zu Abstimmung (Veränderung) der Schwingungsfrequenz F, wie unten noch vollständig erläutert wird. Andererseits kann Schwingungsamplitude variiert werden, indem etne Spannung an den Eingangspunkt k, d.h. an den Gate-Anschluß von M23 angelegt wird: Die Amplitude der Schwingungen ist dem Source-Drain-Strom protortional, der im Source-Drain-Pfad des Transistors M23 fließt.
- Wie ferner in Fig.2 gezeigt ist, wird eine positive Betriebsspannung VDD an die Source-Anschlüsse von M8,M7,M10,M9,M20, M19 und M23 angeleat. Eine andere positive Gate-Vorspannung BP1 wird an die Gate-Anschlüsse von M6,M5,M12,M11,M18 und M17 angelegt. Ferner wird eine Gate- Vorspannung BN1 an die Gate-Anschlüsse von M4 und M3 und eine andere Gate-Vorspannung BN2 wird an die Gate-Anschlüsse von M2 und M1 angelegt. Die Source-Anschlüsse der Transistoren M1 und M2 werden mit Masse (negative Betriebsspannung) verbunden. Diese Transistoren bilden Stromquellen. Die Größe der Ströme, die von siesen Quellen geliefert werden ist jeweils gleich den Summen der vier Ströme, die von M3,M21,M15,M13 und M4,M22,M16,M14 ausgehen.
- Das p-Kanal-Transistorpaar M9 und M11 bilden eine Kaskoden-Stromquelle, wie auch alle p-Kanal-Transistorpaare M10,M7 und M5,M8 und M6,M19 und M17 und M20 und M18. Der Transistor M23 bildet eine einfache abstimmbare Stromquelle. Das n-Kanal-Transistorpaar M1 und M3 bilden ebenfalls ein Kaskoden-Stromquelle, wie auch das n-Kanal-Transistorpaar M" und M4.
- Es sollte verstanden sein, daß, um den Transkonduktanz- Verstärker 200 zum Schwingen zu bringen, sein Ausgangspunkte ±d jeweils mit den Eingangspunkten ±e eines Transkonduktanz-Verstärkers mit einem Eingang, beispielsweise 20(FIG.1) zu verbinden sind, dessen Ausgangspunkte, beispielsweise ±f jeweils mit den Punkt ±c verbunden sind (mit negativer Rückkopplungspolarität).
- In typischer Weise werden die angelegten Vorspannungen gegeben mit etwa VDD=5.0 Volt;BP2=3.7 Volt;BP1=1.7 Volt und BN2=1.1 Volt.
- Vorteilhafterweise ist zum Abgleich des Transkonduktanz- Verstärkers 200 jedes der folgenden ein angepaßtes Paar:M1 und M2;M3 und M4;M5 und M6;M7 und M8;M9 und M10; M11 und M12;M13 und M14;M15 und M16;M17 und M18;M19 und M21 und M22.
- Die Transistoren M21 und M22 wirken als Stromsteuer- Einrichtung, wänrend der Transistor M23 als Stromquelle wirkt. Als Reaktion auf eine kleine Signalspannungs- Differenz, die an die Punkte ±a angelegt wird, sind die Zuwächse an Differenzstrom - die Differenzströme durch M21 Und M22 - linear bezüglich aer Differenzen der angelegten Signalspannungen. Wenn jedoch diese Signaldifferenz einen bestimmten Pegel überschreitet, wird der Differenzstrom geklemmt - d.h. er ändert sich nicht, da jeglicher Strom, der durch den Transistor M23 fließt, entweder durch M21 oder M22 fließt. Daher wirken die Transistoren M21,M22 und M23 zusammen als ein geklemmter linearer Verstärkerpfad, in welchem M23 integriert ist und als Klemmschaltung wirkt.
- Die Transistoren in der Gruppe MAB...MEB und in der Gruppe MAC...MEC dienen als Widerstände, in typischer Weise fünf in jeder Gruppe. Jeder ihrer AUS-Zustände kann von den jeweiligen Spannungen gb1...gb 5 und gc1...gc5, die an den Eingangspunkt g(Fig.1) angelegt werden, separat gesteuert werden. Diese Anschlüsse entsprechen dem Eingangspunkt g(Fig.1) des Gegenstück-Transkonduktanz-Verstärkers 10. Daher gibt der Satz von Transistoren MAB... MEB einen steuerbaren Widerstand ab, ebenso wie der Satz von Transistoren MAC...MEC. Um die Funktion zu erläutern, die von dem Satz von Transistoren MAB...MEB bedient werden, die als Widerstände wirken, ist es instruktiv mit einer Anfangssituation zu beginnen, In der die Spannungen, die an die Punkte ±b angelegt werden, gleich sind. Daher werden auch die Ströme I&sub0; durch M15 und M16 wegen der Symmetrie gleich sein. Beginnend mit dieser Anfangssituation, läßt man eine Zuwachsspannung +ΔV an Punkt +b anlegen, während man eine Zuwachsspannung -ΔV an Punkt -b anlegt. Danach erscheint eine Zuwachsspannung +ΔV am Knoten N2 zwischen M16 und M18, vorausgesetzt, daß ΔV genügend klein ist wie unten erläutert.
- Daher erscheint ein Spannungszuwachs von ΔV-(-ΔV=2ΔV längs der Knoten N1 und N2 und somit längs den Transistoren MAB...MEB, die als Widerstände wirken, wodurch ein Zuwachsstrom i=2ΔV/R durch sie hindurch fließt, wobei R der Parallelwiderstand dieser Transistoren ist. Daher werden die Ströme durch die Transistoren M15 und M16 jeweils gleich I&sub0;- i und I&sub0;+i Die Differenz dieser Strome ist gleich 2i=4ΔV/R-(2/R) (2ΔV), wohingegen die Differenz der anrelegten Zuwachsspannungen gleich ΔV-(-ΔV)=2ΔV war. Daher ist die Transkonduktanz-Verstärkung und damtt aie reziproke effektive Widerstandsdämpfung bezüglich der Eingangssignale an den Punkten ±b gleich 2/R. Daher kann durch den Abgleich von R die Transkonduktanz-Verstärkung abgeglichen(abgestimmt) werden. In ähnlicher Weise können durch Abgleich der Widerstände längs der Transistoren MAC...MEC die Transkonduktanz-Verstärkung und somit die Widerstandsdämpfung hinsichtlich der Eingangssignale an den Punkten ±c abgeglichen werden.
- Es sei angemerkt, daß das obige Erfordernis, nämlich daß ΔV genügend klein ist, befriedigt ist, wenn i viel kleiner als I&sub0; ist, wodurch die Gate-Source-Spannung von M15 und M16 festliegt.
- Der Prozess der Stromsummierung durch M1 und in ähnlicher Weise auch durch M2, arbeitet folgendermaßen. Als Reaktion auf ebn negativ werdendes Signal, das an Punkt+a angelegt wird heispielsweise, steigt der Strom durch M21 an, wodurch der Strom durch M3 absinkt, weil M1 als eine feste Stromquelle vorgespannt ist. Andererseits, da der Strom durch M3 abgesunken ist und weil M5 und M7 eine feste Stromquelle bilden, fließt der verbleibende, von den Transistoren M5 und M7 stammende Strom aus Punkt -d in den Kondensator C12. In ähnlicher Weise zient Punkt +d, als Reaktion auf ein positiv werdendes Signal, das an Punkt -a angelegt wird, Strom aus C12. Ähnliche Überlegungen gelten für Signale, die an die Punkte ±b und ±c angelegt werden.
- Wie oben erwähnt, stimmen die Spannungen gc1...gc5, die an die Transistoren MAC...MEC angelegt werden, die Frequenz F der Schwingung des Oszillators 100(FIG.1) ab. Diese Eigenschaft kann von der Tatsache abgeleitet werden, daß die Frequenz F grundsätzlich durch den Transkonduktanz- Verstärker 10 mit drei Eingängen gegeben ist, gemäß den Eingangsspannungen, die an die Punkte ±c angelegt werden, dividiert durch die in Reihe geschalteten Kapazitäten der angepaßten Kondensatoren C11 unt C12. Daher ist F grundsätzlich gegeben durch 2πF=(2/Rc)+C/2=4/RcC, worin Rc der Parallelwiderstand des Satzes MAC...MEC(FIG.2 und C=C11=C12 ist und angenommen ist, daß die ±e Eingänge des Transkonduktanz-Verstärkers 20 die gleiche Transkonduktanz- Verstärkung haben, wie diejenigen der ±c Eingänge des Transkonduktanz-Verstärkers 13 und daß C21=C22=C11=C12 ist. Daher kann durch Veränderung der Spannungen gc1...gc5 der Parallelwlderstand von MAC...MEC verändert werden und somit die Schwingungsfrequenz F abgestimmt werden.
- Es sei ferner bemerkt, daß (innerhalb vernünftiger Betriebsgrenzen) die Transistoren M5,M8,M7,MB,M9,M10,M11,M12, M17,M18, M19 oder M20 in ihrem jeweiligen Sättigungsgebiet arbeiten, primär wegen des Vorliegens zweier Vorspannungen BP1 und BP2, die an Transistoren (z.B. M17 und M19) angelegt werden, deren Source-Drain-Pfade in Reihe geschaltet sind.
- Obwohl die Erfindung ausführlich anhand spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, können verschieden Modifizierungen vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise müssen die Transkonduktanz-Verstärker 10 und 20 nicht abgeglichen sein, in welchen Fall die festgehaltenen Punkte beispielsweise a, -b,-c,+d,+e und +f sind. Ferner können in der Schaltung 200 p- und n-Kanaltransistoren überall vertauscht werden.
Claims (5)
1. Verstärker mit drei Eingängen,
gekennzeichnet durch einen Transkonduktanz-Verstärker
(200) mit drei Eingängen, der folgende Bauteile umfaßt:
(a) einen ersten Transkonduktanz-Verstärkerweg (M21,
M22, M23), der einen ersten Ausgangsstrompunkt und
einen ersten Eingangsspannungspunkt (+a, -a)
besitzt, wobei eine Stromklemme (M23) in den
Verstärkerweg eingebracht ist,
(b) einen zweiten Transkonduktanz-Verstärkerweg (M15,
M16, M17, M18, M19, M20) mit einem zweiten
Ausgangsstrompunkt und einen zweiten
Eingangsspannungspunkt (+b, -b),
(c) einen dritten Transkonduktanz-Verstärkerweg (M9,
M16, M17, M12, M13, M14) mit einem dritten
Ausgangsstrompunkt und einem dritten
Eingangsspannungspunkt (+c, -c),
(d) eine Integrierschaltung (M1, C12, M2, C11) zur
Summierung und Integration erster, zweiter und
dritter Ströme, die aus dem ersten, zweiten bzw.
dritten Ausgangspunkt fließen, wobei eine
Ausgangsspannung (VOUT,P; VOUT,N) erzeugt wird, und
(e) eine erste Rückkopplungsschaltung zur positiven
Rückkopplung der Ausgangsspannung zum ersten
Eingangsspannungspunkt (+a, -a).
2. Oszillator, gekennzeichnet durch den Transkonduktanz-
Verstärker mit drei Eingängen nach Anspruch 1 und eine
zweite sowie eine dritte Rückkopplungsschaltung zur
negativen Rückkopplung der Ausgangsspannung getrennt an
den zweiten (+b, -b) und dritten (+c, -c)
Eingangsspannungspunkt.
3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die dritte Rückkopplungsschaltung eine Transkonduktanz-
Schaltung (20) mit einem einzigen Eingang enthält.
4. Verstärker mit drei Eingängen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Transkonduktanz-Weg
symmetrisch ist und im wesentlichen aus einem p-Kanal
MOS-Transistor (M23) besteht, dessen Source-Drain-
Strecke getrennt in Reihe mit je der Source-Drain-
Strecke eines Paares von p-Kanal MOS-Transistoren (M21,
M2) geschaltet ist.
5. Verstärker mit drei Eingängen nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Transkonduktanz-Weg im
wesentlichen aus wenigstens einem ersten MOS-Transistor
(M17) besteht, dessen Source-Drain-Strecke in Reihe mit
der Source-Drain-Strecke wenigstens eines zweiten MOS-
Transistors (M15) geschaltet ist, wodurch ein erster
Knoten (N1) zwischen der Source-Drain-Strecke des ersten
und des zweiten Transistors gebildet wird, ferner
wenigstens aus einem dritten Transistor (M18), dessen
Source-Drain-Strecke in Reihe mit der Source-Drain-
Strecke wenigstens eines vierten MOS-Transistors (M16)
geschaltet ist, so daß ein zweiter Knoten (N2) zwischen
der Source-Drain-Strecke des dritten und des vierten
Transistors gebildet wird, und aus wenigstens einem
fünften MOS-Transistor (MAB), dessen Source-Drain-
Strecke über den ersten und den zweiten Knoten
geschaltet ist.
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