DE2402801C2 - Transistor-Hörgeräteverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor-Hörgeräteverstärker nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind integrierte Operationsverstärker mit einstellbarer Vorwärtssteilheit, die auch Operational Tranconductance Amplifier (OTA) genannt werden, bekannt (RCA-Druckschrift ST-4286; 4.70-1699-5.70, Seite 373). Diese haben neben einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang einen zusätzlichen Steuereingang zum Zuführen eines Steuerstromes bzw. einer Steuerspannung. Der Pegel des Ausgangssignals eines solchen Operationsverstärkers hängt von der jeweiligen Größe der durch den Steuerstrom eingestellten Vorwärtssteilheit und der Größe der Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang ab. Wegen ihres geringen Stromverbrauchs und ihrer hohen Anstiegsgeschwindigkeit werden die genannten Operationsverstärker bevorzugt in Multiplexern, Amplitudenmodulatoren, Analog-Multiplizierern, Regelverstärkern, Multivibratoren oder dergleichen verwendet.

Die Anwendung eines integrierten Operationsverstärkers mit einstellbarer Vorwärtssteilheit (OTA) als Hörhilfeverstärker wäre wegen des geringen Stromverbrauchs und wegen der im Vergleich zu einem Verstärkeraufbau mit diskreten Bauelementen einfachen Bestückung der Verstärkerplatine eines Hörgerätes an sich wünschenswert
Da jedoch Hörhilfeverstärker, die beispielsweise in kleinen hinter dem Ohr zu tragenden Hörgeräten untergebracht sind, in der Regel mit einer Spannungsquelle auskommen müssen, die eine Nennspannung von 1,2 V (Akkumulatorzelle) oder 1,5 V (Batterie) aufweist,

kann der integrierte Operationsverstärker mit einstellbarer Vorwärtssteilheit an sich nicht für diesen Zweck eingesetzt werden. Bisher bekanntgewordene OTA-Verstärker benötigen eine Mindestspannung von 1,5 V, das heißt eine Spannung, die eine Batterie nur im frisch geladenen Zustand und eine Akkumulatorzelle überhaupt nicht erreicht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor-Hörgeräteverstärker zu schaffen, der im Vergleich zu einem aus diskreten Bauelememen zusammengesetzten Hörgeräteverstärker leicht in ein Hörgerät eingebaut werden kann, mindestens gleichwertige elektrische Daten aufweist, eine geringere Ausschußquote erwarten läßt, mit einer zwischen 1,0 und 1,5 V liegenden Betriebsspannung auskommt und einen geringen Stromverbrauch hat

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Anwendung der im Kennzeichen des Hauptanspruchs genannten Maßnahmen gelöst.

Die Anwendung eines integrierten Operationsverstärkers mit einstellbarer Vorwärtssteilheit als Hörhilfeverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung hat neben dem Vorteil der geringen Betriebsspannung und des geringen Stromverbrauchs und der sehr kleinen räumlichen Abmessungen gleichzeitig noch den Vorteil, daß dieser integrierte Verstärker in großen Stückzahlen mit gleichbleibender Qualität herstellbar ist und daß sich die Montage eines Hörgerätes erheblich vereinfachen läßt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der steuerbare Stromgenerator vier Transistoren enthält, daß die Emitter-Kollektorstrecke des ersten, als Diode geschalteten Transistors in Reihe mit mindestens einem Widerstand zwischen einem Schaltungspunkt festen Potentials und Masse liegt, daß der zweite, ebenfalls als Diode geschaltete Transistor mit seinem Kollektor über einen Widerstand mit dem Kollektor bzw. der Basis des ersten Transistors und der Emitter mit Masse verbunden ist, daß der dritte Transistor mit seiner Basis auf dem Basispotential des zweiten Transistors liegt und mit seiner Emitter-Kollektorstrecke zwischen dem Emitter der emittergekoppelten Transistoren und über einen Emitterwiderstand mit Masse verbunden ist und daß der Kollektor des vierten Transistors mit der Basis des zweiten und dritten Transistors, sein Emitter mit Masse und seine Basis mit einem Anschluß zum Zuführen der Regelgleichspannung verbunden sind.

Wird der steuerbare Stromgenerator in der vorgenannten Weise aufgebaut, dann lassen sich damit sehr kleine Arbeitsströme realisieren, ohne daß dazu Widerstände mit großen Widerstandswerten (z. B. über 2OkQ) einzufügen wären, die sich bekanntlich aus technologischen Gründen schlecht in eine integrierte Schaltung einbeziehen lassen.

Das Prinzip sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 ein vollständiges Schaltbild eines Hörgeräte-Vorverstärkers mit einem Operationsverstärker mit einstellbarer Vorwärtssteilheit und

F i g. 2 eine Regelkennlinie, die die Abhängigkeit des Ausgangsschalldrucks P_A des Transistorverstärkers vom Eingangsschalldruck Pfwiedergibt.

Nach dem Schaltbild in F i g. 1 hat ein Transistor-Hörgeräteverstärker einen Eingang 1, einen Ausgang 2, einen Anschluß 3 für eine stabilisierte Betriebsgleichspannung + Ub und einen Anschluß 4 für eine Regelgleichspannung Ur. Wesentliche Bestandteile des Verstärkers sind die in der Zeichnung durch strichpunktierte Linien umrahmten Baugruppen, nämlich ein Differenzverstärker 5, ein steuerbarer Stromgenerator 6 und eine Endstufe 7. Der in F i g. 1 gezeigte Verstärker bilde» beispielsweise einen Verstärker für ein Hörgerät mit Eintakt- oder Gegentakt-Transistorendstufe.

Der Eingang 1 des Transistor-Hörgeräteverstärkers ist über einen Koppelkondensator 8 mit der Basis eines Transistors 9 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 10 an den positiven Pol der Betriebsgleichspannung und dessen Emitter über einen Widerstand 11 an Masse liegt Der Kollektor des als Vorverstärkerstufe dienenden Transistors 9 steht mit der Basis eines Transistors 12 von zwei emittergekoppelten Transistoren 12, 13 in Verbindung. Die Basis des anderen Transistors 13 liegt, wie weiter unten erläutert, auf einem annähernd konstanten Potential. Die Kollektoren der Transistoren 12 und 13 sind mit der Basis je eines Zwischentransistors 14,15 verbunden, deren Emitter auf dem positiven Betriebspotential liegen und deren Kollektoren je einen Ausgang des Differenzverstärkers 5 bilden. Basis und Emitter der beiden Zwischentransistoren sind durch je einen als Diode geschalteten Transistor 16,17 überbrückt, wobei Basis und Kollektor jedes Transistors 16, 17 mit der Basis des zugehörigen Zwischentransistors 14, 15 und die Emitter der Transistoren 16, 17 mit dem Emitter des zugehörigen Zwischentransistors verbunden sind. Die Kollektorströme der Transistoren 12,13 liefert der Stromgenerator 6, an dessen Ausgang sich die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren 12 und 13 anschließen.

Der steuerbare Stromgenerator 6 umfaßt vier

Transistoren 18 bis 21. Der Transistor 18 ist als Diode geschaltet, und sein Kollektor und die damit unmittelbar verbundene Basis steht über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 22,23 mit dem positiven Betriebspotential + Ub in Verbindung. Der Emitter des ersten Transistors 18 liegt auf dem Massepotential. Von dem Kollektor bzw. der Basis des ersten Transistors führt eine Verbindung über einen Widerstand 24 an den Kollektor des zweiten Transistors 19, die Basis desselben Transistors und den Kollektor des vierten Transistors

21. Während die Basis des dritten Transistors 20 mit der Basis des zweiten Transistors 19 verbunden ist, besteht zwischen dem Kollektor des dritten Transistors 20 und den beiden Emittern der Transistoren 12 und 13 eine leitende Verbindung und zwischen dem Emitter des dritten Transistors 20 und Masse eine über einen

so Emitterwiderstand 25 führende Verbindung. In der nach Masse führenden Emitterzuleitung des Transistors 21 liegt ein einstellbarer Widerstand 26. Zwischen der Basis des vierten Transistors 21 und Masse liegt ein Widerstand 27 und in einer mit der Basis des gleichen Transistors verbundenen Regelspannungsleitung 28 ein Einstellwiderstand 29, an den sich der Anschluß 4 für die Regelgleichspannung Ur anschließt.

Wie bereits weiter oben erwähnt, bilden die Kollektoren der Zwischentransistoren 14 und 15 je einen Ausgang des Differenzverstärkers 5. Der eine Ausgang ist mit der Basis eines Transistors 30 zur Phasenumkehr und Verstärkung und der andere Ausgang mit der Basis eines ersten Endstufentransistors verbunden. Zwischen den Basen des ersten Endstufentransistors 31 und des Transistors 30 und Masse liegt je eine Emitter-Kollektorstrecke je eines Transistors 32, 33, dessen Basis offen ist. Während der Emitter des Transistors 30 unmittelbar mit Masse

verbunden ist, besteht zwischen dem Emitter des ersten Endstufentransistors 31 und dem Emitter des dritten Transistors 20 des Stromgenerators 6 eine leitende Verbindung. An den Kollektor des Transistors 30 schließt sich die Basis eines zweiten Endstufentransistors 34 an. Die Transistoren 31 und 34 sind vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, und zwar liegt der Emitter des Transistors 34 auf dem positiven Betriebsspannungspotential, während die Kollektoren der beiden Endstufen-Transistoren 31 und 34 unmittelbar miteinander verbunden sind und der Emitter des ersten Endstufentransistors 31, wie bereits gesagt, mit dem Emitter des dritten Transistors 20 des Stromgenerators 6 verbunden ist. Zwischen dem Anschluß 3 des Transistorverstärkers und der Basis des zweiten Endstufen transistors 34 liegt noch ein als Diode geschalteter Transistor 35. Von den beiden miteinander verbundenen Kollektoren der Endstufen-Transistoren 31 und 34 führt eine Verbindung an den Ausgang 2 des Transistorverstärkers und eine andere Verbindung über ein T-Glied aus zwei Längswiderständen 36 und 37 und einem mit Masse verbundenen Querkondensator 38 an die Basis des Transistors 9.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Baugruppen 5,6 und 7 sowie des gesamten Transistorverstärkers näher erläutert. Liegt am Eingang des Transistorverstärkers nach F i g. 1 eine zum Beispiel von einem Mikrofon gelieferte Signalspannung, so wird diese durch den Transistor 9 vorverstärkt. Der Emitterwiderstand 11 des Transistors 9 erzeugt in Verbindung mit einem zu dem Widerstand parallel geschalteten Kondensator 39 eine frequenzabhängige Stromgegenkopplung und damit eine Anhebung der höherfrequenten Signalspannungsanteile. Die vorverstärkte Signalspannung gelangt an die Basis des ersten Transistors 12 des Differenzverstärkers 5. Die mit den einander zugekehrten Anschlüssen der Widerstände 22 und 23 verbundene Basis des zweiten Transistors 13 des Differenzverstärkers 5 liegt beispielsweise auf einem annähernd festen Gleichspannungspotential von etwa 850 mV. Die Summe der Kollektorströme der beiden Transistoren 12 und 13 wird durch den steuerbaren Stromgenerator 6 bestimmt, der als Konstantstromquelle in Stromspiegelschaltung ausgebildet ist. Eine Besonderheit des Stromgenerators 6 besteht darin, daß der als Diode geschaltete Transistor 18 dafür sorgt daß man trotz verhältnismäßig kleiner Ausgangsströme auf hochohmige Widerstände (größer als 20 kQ) verzichten kann. Zum Steuern des steuerbaren Stromgenerators 6 dient der vierte Transistor 21, der durch die an dem Anschluß 4 liegende Regelgleichspannung Ur steuerbar ist. Die Impedanz der Emitter-Kollektorstrecke dieses Transistors hängt somit von der jeweiligen Größe der Regelgleichspannung ab und bildet einen Nebenschluß für den Basisstrom der Transistoren 19 und 20. Während die Summe der Kollektorströme der Transistoren 12 und 13 weitgehend konstant bleibt, ändert sich das

to Verhältnis der Kollektorströme in Abhängigkeit von dem Wert der Eingangsspannung Ub Mit dem Einstellwiderstand 29 kann der Einsatzpunkt der automatischen Verstärkungsregelung festgelegt werden; vgl. Punkt E in F i g. 2. Der jeweilige Widerstandswert des einstellbaren Emitterwiderstandes 26, der eine Stromgegenkopplung bewirkt, bestimmt die Steigung der Regelkennlinie nach F i g. 2; vgl. Kennlinienverläufe 1,11,111.

Die Regelgleichspannung Ur kann entweder von der Ausgangsspannung Ua des Transistorverstärkers nach F i g. 1 oder vom Ausgang einer sich daran anschließenden Endverstärkerstufe abgeleitet werden.

Die Transistoren 14, 16 und 15,17 des Differenzverstärkers 5 dienen zur Phasendrehung um 180 Grad und zum Pegelversatz bzw. zur Potentlaiverschiebung zwecks Anpassung des jeweiligen Pegels an die Endstufe 7 und zur Impedanzanpassung. Die gegenphasigen Ausgangspotentiale des Differenzverstärkers 5 werden in dem Endverstärker 7 verstärkt. Dabei dienen die Transistoren 32 und 33 zur Kompensation des temperaturabhängigen Kollektor-Reststroms der Zwischentransistoren 14 und 15 und der Transistoren 30,31. Der Transistor 35 der Endstufe 7 hat die Aufgabe, dem zweiten Endstufentransistor 34 eine feste vorgegebene Verstärkung von etwa 1 zu geben, und zwar unabhängig von technologisch bedingten Schwankungen der Stromverstärkung.

Zur Stabilisierung des über die Transistoren 31 und 34 fließenden Querstroms in der Endstufe 7 wird von einer Stromgegenkopplung über den Emitterwiderstand 25 des dritten Transistors 20 des steuerbaren Stromgenerators 6 Gebrauch gemacht Das T-GIied aus den Längswiderständen 36 und 37 und dem Querkondensator 38 dient der Gleichstromgegenkopplung. In einem angenommenen Beispiel, für das die aus der Schaltung zu ersehenden Widerstands- bzw. Kapazitätswerte gelten, hat die Betriebsspannung Ub den Wert von ungefähr einem Volt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Transistor-Hörgeräteverstärker für eine Betriebsspannung von etwa 1,0 ... 1,5 V mit automatischer Verstärkungsregelung, dadurch gekennzeichnet, daß der Hörgeräteverstärker einen monolithisch integrierten Operationsverstärker mit einstellbarer Vorwärtssteilheit enthält der zwei emittergekoppelte Transistoren (12,13), einen in der gemeinsamen Emitterzuleitung liegenden steuerbaren Stromgenerator (6) in Stromspiegelschaltung und eine Verstärker-Endstufe (7) umfaßt, daß die emittergekoppelten Transistoren (12,13) fcollektorseitig mit der Basis je eines Zwischentransistors (14, 15) verbunden sind, daß der Kollektor des einen Zwischentransistors (15) mit der Basis eines ersten Endstufentransistors (31) und der Kollektor des anderen Zwischentransistors (14) über einen Transistor (30) zur Phasenumkehr mit einem zweiten Endstufentransistor (34) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie der erste Endstufentransistor (31) verbunden ist, daß die Kollektoren des ersten Endstufentransistors (31) und des zweiten Endstufentransistors (34) unmittelbar verbunden sind und den Ausgang des Transistorverstärkers bilden und daß an einem zum Einstellen der Vorwärtssteilheit dienenden Steuereingang (4) des Operationsverstärkers eine von dem Pegel der hinter dem Operationsverstärker vorhandenen Signalspannung abhängige Regelgleichspannung (Ur) liegt.

2. Transistor-Hörgeräteverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Stromgenerator (6) vier Transistoren (18 bis 21) enthält, daß die Emitter-Kollektorstrecke des ersten, als Diode geschalteten Transistors (18) in Reihe mit mindestens einem Widerstand (22) zwischen einem Schaltungspunkt festen Potentials (+ Ub) und Masse liegt, daß der zweite, ebenfalls als Diode geschaltete Transistor (19) mit seinem Kollektor über einen Widerstand (24) mit dem Kollektor bzw. der Basis des ersten Transistors (18) und der Emitter mit Masse verbunden ist, daß der dritte Transistor (20) mit seiner Basis auf dem Basispotential des zweiten Transistors (19) liegt und mit seiner Emitter-Kollektorstrecke zwischen dem Emitter der emittergekoppelten Transistoren (12, 13) und über einen Emitterwiderstand (25) mit Masse verbunden ist und daß der Kollektor des vierten Transistors (21) mit der Basis des zweiten und dritten Transistors (19,20), sein Emitter mit Masse und seine Basis mit einem Anschluß (4) zum Zuführen der Regelgleichspannung (Ur) verbunden sind.

3. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des einen Transistors (12) der emittergekoppelten Transistoren (12, 13) mit dem Eingang (1) des Transistorverstärkers und daß die Basis des anderen Transistors (13) mit einem Schaltungspunkt annähernd festen Potentials verbunden ist.

4. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (2) des Transistorverstärkers und dessen Eingang (1) Mittel zur Gleichstromgegenkopplung vorgesehen sind.

5. Transistorverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einem T-Glied mit zwei Längswiderständen (36, 37) und einem Querkondensator (38) bestehen.

6. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des über den ersten und zweiten Endstufentransistor (31, 34) fließenden Kollektorstroms eine Stromgegenkopplung derart vorgesehen ist, daß die gleichstrommäßig in Reihe geschalteten Emitter-Kollektorstrecken der beiden Transistoren (31, 34) zwischen einem Schaltungspunkt festen Potentials (+ Ub) und dem heißen Ende eines Emitterwiderstandes (25) hegen, der zu einem Transistor (20) des Stromgenerators (6) gehört, über dessen Emitter-Kollektorstrecke der von dem Stromgenerator abgegebene Gleichstrom fließt

7. Transitorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß jedem Zwischentransistor (14, 15) und dem zweiten Endstufentransistor (34) ein Transistor (16) zugeordnet ist dessen Emitter mit dem Emitter des zugehörigen Zwischentransistors (14) oder des zweiten Endstufentransistors und dessen Kollektor und Basis mit der Basis des zugehörigen Transistors verbunden ist

8. Transistor-Hörgeräteverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des vierten Transistors (21) des Stromgenerators über einen einstellbaren Emitterwiderstand (26) mit Masse verbunden ist

9. Transistor-Hörgeräteverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des vierten Transistors (21) des Stromgenerators (6) über einen einstellbaren Widerstand (29) mit dem Anschluß (4) zum Zuführen der Regelgleichspannung (Ur) verbunden ist.