DE2013365A1

DE2013365A1 - Mehrstufiger Transistorverstärker für Schwerhörigengeräte

Info

Publication number: DE2013365A1
Application number: DE19702013365
Authority: DE
Inventors: Lutz Dipl.-Ing.; Heyne Karl-August Dipl.-Ing.; 1000 Berlin. P Böttcher
Original assignee: Robert Bosch Elektronik GmbH
Current assignee: Robert Bosch Elektronik GmbH
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1970-03-20
Publication date: 1971-09-30
Also published as: ES389354A1; CH509719A; DE2013365B2; NL7017607A; US3764745A; AT304661B; DK139210B

Description

8/70 PLI Scht/Li

19. 3. 1970

ROBERT BOSCH ELEKTRONIK GMBH Berlin und Stuttgart

Mehrstufiger Transistorverstärker für Schwerhörigengeräte

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Transistorverstärker für Schwerhörigengeräte mit automatischer Verstärkungsregelung, bei der vom Eingang oder Ausgang des Verstärkers ein Teil der Tonfrequenzspannung abgenommen und in eine die Verstärkungsregelung bewirkende Regelgleiöhspannung umgeformt wird.

Um Hörbehinderten einen Schalleindruck eines Schallereignisses zu vermitteln, der dem eines Normalhörenden möglichst nahekommt, werden Hörgeräte mit Verstärkern verwendet, die im einfachsten Fall den zu verstärkenden Schallpegel so weit anheben, daß die Hörschwelle des kranken Ohres etwa mit der Hörschwelle eines Normalhörenden übereinstimmt, wobei z. B. frequenzabhängige Abweichungen der Empfindlichkeit des kranken Ohres durch eine Beeinflussung der Höhen- und/oder Tiefenwiedergabe mittels eines Klangeinstellers (Tonblende) korrigiert werden können.

Bei bestimmten Formen der'Schwerhörigkelt hat das kranke Ohr nur bis zu einem gewissen Schalldruckpegel einen schlechteren Schalleindruck als -ein normales Ohr. Von diesem Schallpegel ab tritt das sogenannte Recruitment (Lautheitsausgleich) auf, das

heißt,

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ORIGINAL INSPECTED

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heißt, das kranke Ohr hört dann genauso laut wie das normale Ohr. In der Nähe der Schmerzschwelle bzw. der oberen Unbehaglichkeitsschwelle kann das kranke Ohr unter Umständen sogar empfindlicher reagieren als ein gesundes Ohr (negatives Recruitment). In solchen Fällen darf also ein Verstärker eines Hörgerätes nicht alle Eingangsschalldruckpegel gleichmäßig um einen bestimmten Betrag anheben, sondern der Verstärker muß mit einer Dynamikregelung versehen sein, die kleine Schalldruckpegel mehr verstärkt als hohe Schalldruckpegel und die gegebenenfalls bei hohen Schalldruckpegeln sogar einen gegenüber dem Eingangsschalldruck verringerten Ausgangsschalldruckpegel liefert.

Pur die Dynamikregelung in Hörgerateverstärkern sind im wesentlichen drei verschiedene Methoden üblich, nämlich die automatische Verstärkungsregelung (Automatic Volume Control - AVC), die Amplitudenbegrenzung (Peak Clipping .- PC) und die Dynamikkompression (Dynamic Range Compression - DRC). Bei allen drei Methoden wurde jedoch bisher die Tatsache nicht berücksichtigt, daß das Recruitment (Lautheitsausgleich) von der Frequenz abhängt; vgl. Diagramm in Fig. 1, das Linien gleicher Lautheitsempfindung für ein krankes Ohr mit Recruitment zeigt.

Der Erfindung liegt daher im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, einen Hörgeräteverstärker zu entwickeln, der die Frequenzabhängigkeit des Recruitments automatisch ausgleicht und der darüber hinaus derart universell ist, daß er auch bei anderen eine schall· druokpegel- und frequenzabhängige Komponente aufweisenden Hörsohäden eingesetzt werden kann.

109840/0936 Erfindungsgemäß

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem mehrstufigen Transistorverstärker für Schwerhörigengeräte mit automatischer Verstärkungsregelung, bei der vom Eingang oder Ausgang des Verstärkers ein Teil der Tonfrequenzspannung abgenommen und in eine die Verstärkungsregelung bewirkende Regelgleichspannung umgeformt wird, dadurch gelöst, daß die Verstärkerschaltung mindestens ein den Frequenzgang des Verstärkers im Bereich der Sprachfrequenzen beeinflussendes Netzwerk enthält, dessen Frequenzcharakteristik durch die ausschließlich von der mittleren Amplitude der Tonfrequenzspannung abhängige Regelgleichspannung automatisch veränderbar ist.

Das Prinzip sowie nähere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Schalldruckpegel, der Frequenz und der Lautheitsempfindung bei einem Ohr mit Recruitment zeigt,

Fig. 2 a ein Schaltbild einer Verstärkerstufe mit frequenzabhängiger Spannungsgegenkopplung im Kollektor-Basiskreis des Transistors,

Fig* 2 b ein Diagramm, das die Verstärkung der Verstärkerstufe gemäß Fig. 2 a in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Schwerhörigengerätes mit einer durch eine Regelgleichspannung beeinflußbaren frequenzabhängigen Gegenkopplung,

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Pig. 4 ein Diagramm, das den Ausgangsschalldruck des Schwerhörigengerätes gemäß Fig. j5 in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt,

Fig. 5 a ein Schaltbild einer Verstärkerstufe mit frequenzabhärigiger Stromgegenkopplung,

Fig. 5 b ein Diagramm, das die Verstärkung der Verstärkerstufe gemäß Fig. 5 a in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt,

Fig. 6 a ein Schaltbild eines frequenzsabhängigen Spannungsteilers in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 6 b ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit des Verhältnisses der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung des Spannungsteilers gemäß Fig. 6 a von der Frequenz zu ersehen ist,

Fig. 7 a ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform eines frequenzabhängigen Spannungsteilers und

Fig. 7 b ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit des Verhältnisses von Ausgangs- zu Eingangsspannung des Spannungsteilers gemäß Fig. 7 a von der Frequenz hervorgeht.

Das Diagramm in Fig. 1 läßt die Höreigenschaften eines kranken Ohres mit Recruitment (Lautheitsausgleich) erkennen: In Hörschwellennähe verlaufen bei dem kranken Ohr die Linien gleicher Lautheitsempfindung unterhalb etwa 250 Hz fast wie bei einem normalen Ohr (einige Kennlinien eines normalen Ohrs sind in

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Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet). Der mittlere Frequenzbereich ist dagegen stark gestört, während in Richtung höherer Frequenzen wieder eine, wenn auch geringe, Annäherung an die Eigenschaften des norroslsn Ohrs festzustellen ist. Zwischen der 60- und 40-dB-Linie gleicher Lautheitsempfindung des normalen Ohrs (die βθ-dB-Linien stimmen bei normalem und gesundem Ohr annähernd überein) drängen sich die Linien O bis 6o dB des kranken Ohrs, und oberhalb der 60-dB-Linie hat das kranke Ohr wieder die gleiche Lautheitsempfinöung wie ein normales Ohr. Zn manchen Fällen gehört Jedoch zu einem Recruitment auch eine Herabsetzung der Schmerzschwelle (negatives Recruitment); vgl. strichpunktierte 120-dB-Linie in Fig. 1.'

Ein Hörgerät zum Ausgleich der genannten Störungen muß, da das Recruitment auch frequenzabhängig ist, eine frequenzabhängige Dynamikregelung aufweisen.

Nach Fig. 2 a enthält eine Verstärkerstufe 1 eines Transistorverstärkers für Schwerhörigengeräte einen Transistor 2, in dessen zwei Anschlüsse 3, 4 aufweisenden Emitter-Basiskreis die zu verstärkende Sprachfr'equenzspannung eingespeist wird. Die verstärkte Spannung läßt sich zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 2 bzw, zwischen den Anschlüssen 5 und 6 abnehmen.

Kollektor und Basis des Transistors 2 sind über ein aus einer Reihenschaltung eines einstellbaren Widerstandes 7 und eines Kondensators 8 bestehendes frequenzabhängiges Netzwerk verbunden. Jede Änderung des Widerstandswertes des einstellbaren Widerstandes? 10984Π/0 9.3 6

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Standes 7 ergibt eine Änderung der Wechselspannungsgegenkopplung der Verstärkerstufe. In Fig. 2 b ist die Wirkung von zwei extrem großen Änderungen des Widerstandswertes angedeutet. Bei einem einstellbaren Widerstand J mit dem Widerstandswert R = oo findet keine Gegenkopplung statt, d. h. die Verstärkung behält im gesamten Übertragungsbereich einen konstanten Wert bei, der der maximalen Verstärkung der Verstärkerstufe bei einem bestimmten Sohaltungsaufbau entspricht. Mit abnehmendem Widerstandswert tritt eine Frequenzabhängigkeit der Verstärkung auf, und zwar nimmt die Verstärkung mit steigender Frequenz ab und erreicht bei einem Widerstandswert R=O und der maximalen Übertragungsfrequenz ein Minimum. Je nach dem augenblicklichen Widerstandswert des einstellbaren Widerstandes 7 und dem Kapazitätswert des Kondensators δ lassen sich verschiedene Kennlinienformen für die Verstärkerstufe 1 verwirklichen. Gemäß dem Schaltbild in Fig. 2 wird eine solche Verstärkerstufe in etwas abgewandelter Ausführungsform in einem Transistorverstärker mit vier Verstärkerstufen 9, 10, 11 und 12 angewendet. Die Verstärkerstufe mit einstellbarer Gegenkopplung ist in diesem Fall die zweite Verstärkerstufe 10 mit dem Transistor 10 a. Das die Spannungsgegenkopplung bewirkende frequenzabhängige Netzwerk besteht hier im wesentlichen aus einem Kondensator 13 und einem einstellbaren Widerstand in Form der Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors 14. Schaltungsmäßig verläuft der Gegenkopplungszweig vom Kollektor des Transistors 10 a über einen Kopplungskondensator 15 mit verhältnismäßig hohem Kapazitätswert, einen

Widerstand 16/ 109840/0936

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Widerstand l6, die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 14 und den Kondensator 15 zur Basis des Transistors 10 a.

Durch eine Veränderung der Steuerspannung für den Transistor 14 läßt sich der Widerstandswert der Emitter-Kollektorstrecke und damit der Grad der Gegenkopplung frequenzabhängig variieren, wobei sich eine zwischen den Kennlinien für R = öo und R=O (vgl. Diagramm in Fig. 2 b) liegende Verstärkung für die Verstärkerstufe 10 ergibt. Als Steuerspannung für den Transistor 14 dient vorzugsweise eine von der mittleren Amplitude der Tonfrequenzspannung abhängige Regelgleichspannung. Im-vorliegenden Schaltungsbeispiel'wird die Regelgleichspannung derart gewonnen, daß die Tonfrequenzspannung am Ausgang der letzten Verstärkerstufe 12 des Transistorverstärkers abgenommen, über einen Kondensator 17 geführt, mittels der Emitter-Basisdiodenstrecke eines Transistors 18 gleichgerichtet und mittels einer aus Widerständen 19 und Kondensatoren 20 bestehenden Siebschaltung geglättet wird. Die Regelgleichspannung kann gegebenenfalls auch von der Eingangsspannung des Transistorverstärkers abgeleitet werden. Bei geeigneter Dimensionierung der Bauelemente des Gegenkopplungskreises der Verstärkerstufe 10 wird die Gegenkopplung durch die Regelgleichspannung derart verändert, daß sich zum Beispiel eine aus dem Diagramm in Fig. 4·zu erkennende Frequenzabhängigkeit des Ausgangsschalldrucks P_a„_ des an einen Tonfrequenzausgang 21 des Verstärkers anzuschließenden Schallwandlers ergibt, und zwar entsteht die Kennlinie I, wenn eine in der Verstärkerschaltung gemäß Fig. 3 nicht eingezeichnete Tonblende auf "hoch" eingestellt ist,

d. h. 10984n/0936

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d. h. wenn die hohen Tonfrequenzen bei der Verstärkung betont werden, und wenn ein verhältnismäßig geringer Eingangsschal1-druck an einem Mikrofon 22 des Transistorverstärkers vorliegt.

Die Kennlinie I zeigt, daß der Ausgangsschalldruok P_.,_ bis zu einer gewissen Grenze mit steigender Frequenz annähernd proportional zunimmt. Da aber bei einem verhältnismäßig großen Eingangsschalldruck (gestrichelt gezeichnete Kennlinie II) eine proportionale Zunahme des Ausgangsschalldrucks zwangsläufig zum Erreichen oder sogar Überschreiten der Schmerzgrenze führen würde, muß dafür gesorgt werden, daß der Ausgangsschalldruck trotz zunehmender Frequenz etwa gleichbleibt oder - bei negativem Recruitment - gegebenenfalls abnimmt. Diese Aufgabe löst

die durch die Hegelgleichspannung automatisch sich verändernde frequenzabhängige Gegenkopplung, und zwar nimmt die Verstärkung der Fig. 2 b entsprechend bei einem von dem Wert R = oo abweichenden Widerstandswert der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 14 der Transistorstufe 10 mit zunehmender Frequenz ab. Das führt zu der aus dem Diagramm gemäß Fig. 4 ersichtlichen Kennlinie III, die im Vergleich zu der in der Praxis nicht erwünschten Kennlinie II deutlich eine Verringerung des Ausgangsschalldrucks bei höheren Frequenzen erkennen läßt. Die Fig. 4 zeigt somit andeutungsweise, daß der Dynamikbereich mit steigender Frequenz immer mehr zusammengedrängt wird, was einer frequenzabhängigen Dynamikkompression gleichkommt.

Gemäß Fig. 5 a läßt sich in einer Verstärkerstufe 2? eine frequenzabhängige Wechselstromgegenkopplung duroh ein aus einem in

der 10984Π /0936

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der Emitterzuleitung des Transistors 24 liegendes Netzwerk aus der Parallelschaltung eines Kondensators 25 und eines einstellbaren Widerstandes 26 erzielen. Wie ein Vergleich des Diagramms in Fig. 5 b mit dem Diagramm in Fig. 2 b zeigt, unterscheidet sich die Verstärkerstufe gemäß Fig. 5 a von der gemäß Fig. 2 a in der Wirkung der Gegenkopplung durch einen anderen Kennlinienverlauf, und zwar nimmt gemäß Fig. 5 b die Verstärkung mit steigender Frequenz zu, sofern der Widerstandswert des einstellbaren Widerstandes 26 einen von Null abweichenden Betrag hat. Als einstellbarer Widerstand 26 kann iri der Praxis wieder die Emitter-Kollektorstrecke eines Transistors dienen, der durch eine Regelgleichspannung wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. gesteuert wird. Mit der Verstärkerstufe 23 ließe sich dann ein mehrstufiger Transistorverstärker für ein Schwerhörigengerät aufbauen, dessen Ausgangsschalldruck mit steigender Frequenz zunähme. Durch eine kombinierte Anwendung der Gegenkopplungsmaßnahmen gemäß den Fig. 2 a und 5 a lassen sich beliebige Formen von Kennlinien des Ausgangssohalldrucks verwirklichen. .^:

Andere Möglichkeiten zur frequenzabhängigen Beeinflussung der Lautheitsempfindung bei verschieden hohen Schalldruckpegeln sind in den Fig. 6 a und 7 a angedeutet. Hierbei wird von einem frequenzabhängigen Netzwerk in Form eines Spannungsteilers aus einem Widerstand 27 (Fig. 6 a), einem Kondensator 28 und einem einstellbaren Widerstand 29 Gebrauch gemacht. Die an der Reihenschaltung aus dem Kondensator 28 und dem einstellbaren Widerstand 29 abgegriffene Ausgangsspannung Ug nimmt im Verhältnis

zu 10984ΠΑ0936

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zu der Eingangsspannung U₁ mit steigender Frequenz ab, sofern der einstellbare Widerstand 29 einen von Null abweichenden Widerstandswert aufweist. Wird ein solcher Spannungsteiler z. B. zwischen zwei benachbarten Verstärkerstufen eines mehrstufigen Transistorverstärkers für Schwerhörigengeräte verwendet und der einstellbare Widerstand 29 durch die Emitter-Kollektorstrecke eines durch eine von der mittleren Amplitude der Eingangs- oder Ausgangsspannung abgeleitete Regelgleichspannung gesteuerten Transistors gebildet, so wird sich für den Ausgangsschalldruck des Hörgerätes eine den Kennlinien I oder III (Fig. 4) ähnliche Charakteristik erzielen lassen.

In analoger Weise besitzt ein Spannungsteiler mit einer Parallelschaltung aus einem Kondensator JO und einem einstellbaren Widerstand 51 sowie einem zu der Parallelschaltung in Reihe liegenden Widerstand J2 eine in Fig. 7 t> angedeutete, durch eine Veränderung des Widerstandswertes des einstellbaren Widerstandes 31 regelbare Charakteristik. Für die Steuerung des einstellbaren Widerstandes Jl gilt das zu Fig. 6 a Gesagte. Gemäß dem Diagramm in Fig. 7 b nimmt die am Widerstand 22 abgenommene Ausgangsspannung Ug im Verhältnis zur Eingangsspannung U₁ des Spannungsteilers mit steigender Frequenz zu, unter der Voraussetzung, daß der Widerstandswert des Widerstandes 31 größer als Null ist. Die Netzwerke gemäß den Fig. 6 a und 7 a lassen sich bei einem mehrstufigen Transistorverstärker kombiniert anwenden, und gegebenenfalls kann auch eine Kombination einer der Verstärkerstufen gemäß den Fig. 2 a und 5 a mit einem Netzwerk gemäß den Flg. 6 a und 7 & zweokmäßig sein.

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^ ig. 3* 1970

kann es atacft vo» Vorteil eelst* in gemäß Fig. > oder eine im Rahmen der Erfindung abgewandelte Schaltung zusätzlich eine der bei Schwerhörigengeräten üblicherweise verwendeten einstellbaren Tonblenden einzufügen. Bit Tonblende kann dann beispielsweise einmalig auf einen festen Wert abgeglichen werden*

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Claims

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Patentansprüche

1, Mehrstufiger Transistorverstärker für Schwerhörigengeräte mit automatischer Verstärkungsregelung, bei der vom Eingang oder Ausgang des Verstärkers ein Teil der Tonfrequenzspannung abgenommen und in eine die Verstärkungsregelung bewirkende Regelgleichspannung umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung mindestens ein den Frequenzgang des Verstärkers im Bereich der Sprachfrequenzen beeinflussendes Netzwerk enthält, dessen Frequenzcharakteristik durch die ausschließlich von der mittleren Amplitude der Tonfrequenzspannung abhängige Regelgleichspannung automatisch veränderbar 1st,
2. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk aus der Kombination mindestens eines Widerstandes (z, B, 7) und eines Kondensators (z. B, 8) besteht und daß der Widerstandswert mindestens eines Widerstandes (z. B. 7) oder der Kapazitätswert mindestens eines Kondensators (z. B. 8) duroh die Regelgleichspannung veränderbar ist.

J. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstand mit veränderbarem Widerstandswert die Emitter-Kollektorstrecke eines duroh die Regelgleichspannung steuerbaren Transistors (2, 14) dient,

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4. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kondensator mit veränderbarem Kapazitätswert eine durch die Hegelgleichspannung steuerbare Kapazitätsvariationsdiode dient.
5. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk in einem Gegenkopplungskreis eines Transistors (lOa) angeordnet ist, der zu einer der ersten Transistorverstärkerstufen (z. B. 10) gehört.
6. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk zwischen der Basis und dem Kollektor eines Transistors (10 a) einer Verstärkerstufe (10)

. liegt und aus einer Reihen- oder Parallelschaltung eines Widerstandes mit durch die Regelgleichspannung veränderbarem Widerstandswert und einem Kondensator (13) besteht,
7. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplung zwischen zwei verschiedenen Verstärkerstufen des mehrstufigen Transistorverstärkers vorgesehen ist.
8. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk ein frequenzabhängiger Spannungsteller (Pig· 6 a, 7 a) 1st· ·

• -

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19. 5. I97O
9. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzabhängige Spannungsteiler aus einer Reihenschaltung eines festen Widerstandes (27), eines Kondensators (28) und eines Widerstandes (29) mit ■ veränderbarem Widerstandswert besteht und daß ein Teil der Eingangsspannung (U,) an der Reihenschaltung aus dem zuletzt genannten Widerstand und dem Kondensator abnehmbar ist.

)
10. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzabhängige Spannungsteiler aus einer Reihenschaltung eines Kondensators (50) mit parallel geschaltetem Widerstand (21), der einen durch die Regelgleichspannung veränderbaren Widerstandswert aufweist, sowie einem festen Widerstand (jJ2) besteht und daß ein Teil der Eingangsspannung (U-,) am festen Widerstand (32) abgreifbar ist.

11. Mehrstufiger Transistorverstärker nach Anspruch 5* dadurch f gekennzeichnet, daß das Netzwerk in der Emitterzuleitung eines Transistors (24) angeordnet ist und aus der Parallelschaltung eines Kondensators (25) und eines Widerstandes (26) mit durch die Regelgleichspannung veränderbarem Widerstandswert besteht.

;. |2·; itehretufiger Transistorverstärker nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verstärker zusätzlich eine fest eingestellte oder einstellbare Tonblende vorgesehen ist.

1 0 9 8 4 Π / 0 9 3 6 ORIGINAL WSPECTEO

2ui

8/70 ·*- 15 » KiI Scht/U

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, Mehrstufiger Transistorverstärker nach einem eier Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung des Tran«* sietorverstärkers in einem Schwerhörigengerät mit automat tisohem Ausgleich des frequenzabhängigen Recruitments (Lautheitsausgleich).

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