DE2925049C2 - Verstärker für eine Signalquelle hoher Dynamik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben. Er läßt

sich bevorzugt als Mikrofonverstärker verwenden.

Zur Anpassung des Pegels der mittels eines Mikrofons erzeugten Signale an den Pegel der Übertragungsleitung eines Tonstudios ist es üblich, ein einstellbares Verstärkungsglied und/oder eine Begrenzerschaltung zu verwenden. Die Verstärkung des einstellbaren Verstärkungsgliedes wird dabei zo eingestellt, daß bei den erwarteten, vom Mikrofon aufgenommen, lautesten Schallereignissen am Ausgang des

ίο Verstärkungsgliedes ein vorgegebener Pegel wert erscheint Für den Fall, daß die eingestellte Verstärkung z. B. bei einigen Aufnahmeteilen einer Tonaufnahme zu so hohen Pegelwerten am Ausgang des Verstärkungsgliedes führt, daß die Übertragungsleitungen bzw. die angeschlossenen Tonübertragungs- oder Tonaufzeichnungsgeräte übersteuert werden können, kann eine Begrenzerschaltung vorgesehen sein.

Eine solche Anordnung verhindert zwar für einen praktisch brauchbaren Pegelbereich die Überschreitung eines vorgegebenen Nennpegels. Es läßt sich dabei jedoch nicht vermeiden, daß bei unerwartet hohen Signalpegeln der voreingestellte Verstärker selbst übersteuert wird. Der nachfolgende Begrenzer begrenzt dann nur noch ein schon verzerrtes Signal.

Zur Vermeidung der Verzerrungen könnte man daran denken, den Pegel vor dem Vorverstärker ständig so weit ab7usenken, das Übersteuerungen des Vorverstärkers ausgeschlossen sind. Dann aber tritt an den leisen Stellen des zu übertragenden Tonereignisses das

jo Rauschen störend hervor.

Schließlich wäre es als Ausweg denkbar, eine selbsttätige Dynamikregelung für die Verstärkung des Vorverstärkers vorzusehen, indem dem Vorverstärker ein Hüllkurvendetektor nachgeschaltet wird, mit dessen Ausgangsgrößen die Verstärkung des Vorverstärkers geregelt wird. Eine solche Anordnung hätte aber den Nachteil, daß durch die Rückführung der Ausgangsgröße des Hüllkurvendetektors zum geregelten Vorverstärker dessen äquivalenter Rauschwiderstand erhöht wird. Gerade bei einem Vorverstärker, beispielsweise einem Mikrofonverstärker ist es aber wichtig, daß dieser rauscharm ist.

In der US-PS 37 14 462 ist ein Verstärkungssteuersystem beschrieben, bei dem das elektrische Steuersignal auf einem Steuersignalweg so zugeführt wird, daß die Rauscheigenschaften nicht verschlechtert werden. Dieses System weist einen Logarithmierer und einen nachgeschalteten Delogarithmierer auf; beide enthalten Halbleiter mit logarithmischer Übertragungscharakteristik. Zur Verstärkungsbeeinflussung können diese Halbleiter steuerbar sein; in äquivalenter Weise kann zu diesem Zweck aber auch zum Ausgangssignal des Logarithmierers ein Steuersignal addiert werden. Übersteuerungen des Logarithmierers sind weitgehend vermeidbar, denn er enthält einen Operationsverstärker mit einer Rückführung mit logarithmischer Spannungs-Strom-Kennlinie. Durch diese Rückführung fließen bei starker Aussteuerung große Ströme über die Eingangsklemme, ohne den Operationsverstärker zu übersteu- em. Daher ist eine Verstärkungssteuerbarkeit über einen Bereich von wenigstens ±50 dB bei geringen Verzerrungen erzielbar. Bei Verwendung dieser Schaltung als Vorverstärker ergeben sich aber bezüglich der Rauscharmut dadurch Probleme, daß ein dem Operationsverstärkereingang vorzuschaltender Widerstand einerseits so groß bemessen sein sollte, daß die Signalquelle (z. B. Mikrofon) nicht unzulässig stark belastet wird, andererseits aber ein großer Widerstand

auch einen großen Rauschbeitrag liefert.

Wie anfangs angedeutet, wird beispielsweise als Vorverstärker für ein Mikrofon ein Verstärker benötigt, der einen hohen Dynamikumfang verarbeiten kann, d. h., der wenig rauscht und der möglichst übersteuerungsfest ist Durch eine ständig eingreifende, selbsttätige Dynamikregelung, würde der Oynamikumfang am Ausgang des Verstärkers eingeschränkt werden. Eine ständig eingreifende, selbsttätige Dynamikregelung kommt daher nicht infrage, vielmehr muis der Verstärker den ganzen Dynamikumfang der Signalquelle möglichst gut verarbeiten können, je der Dynamikumfang des Verstärkers sollte sogar noch über denjenigen der Signalquelle hinausgehen, weil der Dynamikbereich der Signalquelle nicht immer vorausschauend genau in den Dynamikbereich des Verstärkers hineingelegt werden kann, sondern nach oben oder unten verschoben sein kann. Dann muß durch Einstellen einer Führungsgröße die mittlere Verstärkung so eingestellt werden, daß der Dynamikbereich der Signalquelle im zulässigen Dynamikbereich des Verstärkers bleibt. Eine automatische Dynamikregelung sollte lediglich dazu dienen, bis zur korrekten Einstellung der Führungsgröße Übersteuerungen zu vermeiden. Dabei wird die automatische Dynamikregelung um so seltener eingreifen müssen oder gar ganz entbehrlich sein, je größer der Dynamikbereich des Verstärkers ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker mit möglichst hohem Dynamikbereich anzugeben, um das Rauschen und Übersteuerungen bis zur korrekten Einstellung der Führungsgröße möglichst weitgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung ist von folgenden Überlegungen ausgegangen worden. Um nicht schon in der ersten Stufe des Verstärkers unerwünscht hohe Rauschanteile zu erzeugen, mußte dafür gesorgt werden, daß diese erste Stufe einen hohen Dynamikumfang verarbeiten kann, ohne daß die Ausgangsgröße eines Hüllkurvendetektors regelnd in einer Weise auf sie einwirkt, daß das Rauschen erhöht wird. Hierzu erschien die bekannte Verstärkungseinrichtung mit Lcgarithmierer und nachgeschaltetem Delogarithmierer geeignet, was die obere Grenze des Dynamikbereiches betrifft, also die Grenze, bis zu der eine übersteuerungsfreie Aussteuerung möglich ist. Aber an der unteren Grenze des Dynamikbereiches, wo das Rauschen störend in Erscheinung tritt, hat sich das bekannte Verstärkungssystem als unzureichend erwiesen. Mit der Erfindung ist es gelungen, hier einen Ausweg dadurch zu finden, daß der bekannte Logarithmierer mit nachgeschaltetem Delogarithmierer umdimensioniert wurde und ein vorgeschalteter Impedanzwandler als Verstärker für die Signalquelle hoher Dynamik verwendet wird. Die Umdimensionierung besteht darin, daß der Vorwiderstand, der dem Operationsverstärker des Logarithmierers vorgeschaltet ist, in einer Weise verringert wird (im Extremfall bis zu 0 Ohm), daß — wie erwünscht — das Rauschen vermindert wird; dadurch würde jedoch gleichzeitig die Signalquelle in unzulässiger Weise belastet werden. Es wird daher ein Impedanzwandler vorgeschaltet, so daß nicht mehr der an sich für Signale hoher Dynamik geeignete Logarithmierer die Eingangsstufe des Verstärkers bildet, sondern der Impedanzwandler, der sich aber leicht so gestalten läßt, daß er eine hohe Dynamik verarbeiten kann, ohne einen störenden Beitrag zum Rauschen zu leisten.

Damit ist es möglich, die zu verstärkenden Signale schon weitgehend verzerrungsfrei zu verarbeiten. Allenfalls im Delogarithmierer können dann noch Übersteuerungen auftreten, wenn die oben erwähnte Führungsgröße für die Einstellung des Eingangspegels des Verstärkers nicht richtig gewählt ist. Diese Übersteuerungsgefahr ist aber geringer, als wenn auf die erfindungsgemäßen Merkmale verzichtet wird.

ίο Um auch noch diese Übersteueningsgefahr im Delogarithmierer zu verringern, ist einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung entsprechend zur Erzeugung des Steuersignals, mit dem das Ausgangssignal des Logarithmierers beeinflußt werden kann, ein Hüllkur-

i) vendetektor vorgesehen, der am Signalweg hinter der ersten Stufe, bevorzugt hinter dem Delogarithmierer angeordnet ist Dabei wird das vom Hüllkurvendetektor gelieferte Steuersignal, dem noch die Führungsgröße (Sollwert) zugeführt werden kann, bevorzugt zu einem Addierer oder Subtrahierer geführt, der zwischen dem Logarithmierer und dem Delogarithmierer angeordnet ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert, das

F i g. 1 zeigt, während

Fig. 2 eine Alternative für ein Detail der Fig.! darstellt Die Schaltung nach F i g. 1 zeigt ein Mikrofon 1 mit nachgeschaltetem Anpassungsübertrager 2, dessen Übertragungsverhältnis in der Regel zwischen 1 :1 und 1:3 liegen wird. Es folgt der Impedanzwandler 3, der bevorzugt als Emitterfolger aufgebaut ist und eine Spannungsverstärkung von ungefähr 1 hat Bei Verwendung eines dynamischen Mikrofons als Mikrofon 1, das dann zusammen mit dem Anpassungsübertrager 2 als

j-, Signalquelle dient, kann die Spannungsverstärkung des Impedanzwandlers auch oberhalb von 1 liegen und im Extremfall bis zu 15 betragen. Bei Verwendung eines Kondensatormikrofons ist eine Spannungsverstärkung des Impedanzwandlers bis zu v=3 sinnvoll.

Es folgt ein Vorwiderstand R für einen Operationsverstärker 4, der Teil eines Logarithmierers 5 ist. Im dargestellten Beispiel hat der Vorwiderstand R einen Wert von ca. 100 Ohm. Er ist damit so niedrig gewählt, daß er keinen wesentlichen Rauschbeitrag leistet, wenn man bedenkt, daß das Mikrofon 1 beispielsweise einen Innenwiderstand von 200 Ohm aufweist, an welchen über den Anpassungsübertrager 2 der Eingangsinnenwiderstand des Impedanzwandlers 3 angepaßt ist.
Der niedrige Widerstandswert des Vorwiderstandes

so R würde ohne das Vorhandensein des Impedanzwandlers 3 zu einer Fehlanpassung des Logarithmierers 5 an den Ausgang des Anpassungsübertragers 2 führen und damit die Signalquelle zu stark belasten. Diesen Nachteil beseitigt der Impedanzwandler 3, der auf der anderen Seite infolge seiner geringen Spannungsverstärkung bei den vorkommenden Spannungsspitzen der Signalquelle ausreichend übersteuerungsfest ist, weil seine Versorgungsgleichspannung im Verhältnis zu seinem erforderlichen Ausgangshubbereich ausreichend hoch gewählt ist.

Der Logarithmierer 5, welcher die erste Stufe des im Prinzip bekannten Verstärkungssystems mit den Addierern 6 und 7 und dem Delogarithmierer 8 bildet, enthält ^;n zwei Rückführungen (für jede Polarität der vom

_b5 Mikrofon 1 gelieferten Signale eine Rückführung) als nichtlineares Bauelement jeweils einen unterschiedlich gepolten Transistor Ti, T2, dessen logarithmische Durchlaßkennlinie hier ausgenutzt wird, um zu einem

linearen Eingangsspannungsverlauf am Logarithmierer 5 einen logarithmischen Ausgangsspannungsverlauf an den Ausgangsklemmen A 1 und A 2 zu erreichen. Durch die nichtlineare Rückführung wird eine Momentanwert-Kompression der Ausgangsspannungswerte des Logarithmierers gegenüber seinen Eingangsspannungswerten erzielt und damit eine Übersteuerung der ersten Stufe des Verstärkungssystems 5, 6, 7, 8 vermieden, ohne daß es einer dynamikabhängigen Steuerung der Verstärkung dieser Stufe bedarf. Abweichend von der Darstellung kann der Operationsverstärker 4 in seinen Rückführungen auch eine basisgesteuerte Transistorschaltung mit Kollektor-Basis-Rückführung derart besitzen, daß ein linearer Eingangsspannungsverlauf der Transistorschaltung zu einem logarithmischen Emitter-Basis-Spannungsverlauf führt. Das gleiche Ziel kann auch dadurch erreicht werden, daß die Transistoren 7Ί, 72 jeweils durch eine entsprechend der Basis-Emitter-Diode gepolten Diode ersetzt werden.

Dem Operationsverstärker 4 ist noch ein Widerstand r nachgeschaltet, von dem aus jeweils eine Referenzspannungsquelle UrefX bzw. Uref2 zu den Ausgangsklemmen A 1, A2 führt. Sie liefern eine Referenzspannung in der Größenordnung von 300 bis 400 Millivolt, um den Übergang vom leitenden Zustand eines der Transistoren zum anderen zu glätten. Dies führt zwar dazu, daß der Logarithmierer 5 bei sehr kleinen Pegeln lineares statt logarithmisches Verhalten zeigt, jedoch wird dieser Fehler durch einen entsprechenden Fehler des Delogarithmierers 8 kompensiert.

Als weitere Stufe folgt dem Logarithmierer 5 mittelbar ein dazu passender Delogarithmierer 8 mit in den Längszweigen liegenden Kollektor-Emitterstrekken von Transistoren 73, 74 oder äquivalenten nichtlinearen Bauelementen entsprechend denjenigen in den Rückführungen des Operationsverstärkers 4. Nach Zusammenführung der beiden Kanäle, in denen sich für jede der beiden Polaritäten des zu verarbeitenden Signals einer der Transistoren 73, 74 befindet, folgt ein weiterer Operationsverstärker 9 als Teil des Delogarithmierers 8. Dessen Ausgang A kann das auf den richtigen Pegel gebrachte und verstärkte Signal aus dem Mikrofon 1 entnommen werden.

Zwischen dem Logarithmierer 5 und dem Delogarithmierer 8 ist in jedem der beiden Kanäle jeweils ein Addierer 6 bzw. 7 vorgesehen, worüber den komprimierten Signalen an den Ausgängen A 1 und A 2 Steuersignale additiv überlagert werden können, beispielsweise eine Führungsgröße, die an die Klemme F angelegt und über ein Zeitkonstantenglied 10 als Steuerspannung Ust zu einem Steuereingang £ gelangt. Dieser ist einerseits mit dem Addierer 6 und andererseits über einen Umkehrverstärker 11 mit der Verstärkung v= — 1 mit dem Addierer 7 verbunden. Durch das Zuführen der Steuerspannung Ust unmittelbar oder umgepolt über den Addierer 6 bzw. 7 wird den logarithmierten Signalen auf dem Signalweg zwischen Logarithmierer und Delogarithmierer additiv oder subtraktiv eine Steuergröße zugeführt Der addierte oder subtrahierte Anteil der zum Delogarithmierer gelangenden Signale wirkt sich an dessen Ausgang als multiplikativer Faktor aus, so daß aus der Summe, die aus den Ausgangssignalen des Logarithmierers und der Steuergröße gebildet und am Eingang des Delogarithmierers vorhanden ist, an dessen Ausgang das Produkt der Eingangsspannung des Logarithmierers und der mit der Steuergröße potenzierten Basis des Logarithmus entsteht. Auf diese Weise ist mit der Führungsgröße eine Verstärkungsregelung möglich, verknüpft mit dem Vorteil, daß eine lineare Änderung der Steuerspannung Ust eine logarithmische Verstärkungserhöhung bewirkt

κι und damit eine lineare Veränderung des Pegels, wenn man diesen in dB mißt.

Das Verstärkungssystem 5, 6, 7, 8 läßt sich demnach als eine Kombination auffassen von einem Momentanwertkompressor mit nachgeschaltetem Momentanwert- -, expander.

Obwohl die bis hierher besprochene Anordnung bereits einen großen Dynamikumfang verarbeiten kann, kann es bei unerwartet lauten Schallereignissen dennoch geschehen, daß der Operationsverstärker 9

2» übersteuert wird, wenn die Führungsgröße noch nicht an das unerwartet hohe Schallereignis angepaßt worden ist. Um auch in diesem Fall Übersteuerungen zu vermeiden, ist der vom Zeitkonstantenglied 10 zu den Addierern 6, 7 führende Steuersignalweg ergänzt zu

r, einer Regelschleife, die in einer Verbindung vom Ausgang A zum zeitkonstanten Glied 10 einen Hüllkurvendetektor 11 enthält. Darin ist dafür gesorgt, daß die vom Hüllkurvendetektor 11 gelieferte Regelgröße u, die dem Istwert am Ausgang A entspricht,

in vereinigt mit der Führungsgröße von der Klemme Fund in geeigneter Weise (wie für Dynamikregelungen bekannt) im zeitkonstanten Glied 10 verzögert Bestandteil der Steuerspannung Ust wird und damit dafür sorgt, daß die Eingangsspannungen des Delogarithmierers 8

D bei Übersteuerungsgefahr für den Operationsverstärker 9 unterhalb des zulässigen Betrages gehalten werden.

Durch die besondere Ausgestaltung der Regelschleife derart, daß sie zwischen dem Logarithmierer und dem Delogarithmierer auf die Regelstrecke zurückgeführt

41, ist, wird ein nachteiliger Einfluß auf das Rauschverhalten des dargestellten Verstärkers vermieden und damit das Ziel gefördert, den verzerrungsarm verarbeitbaren Dynamikumfang zu vergrößern, indem nämlich die Übersteuerungsgefahr gebannt wird, ohne die Rausch- -, eigenschaft zu verschlechtern.

Allerdings besteht durch die Pegeländerung mit den Addierern 6, 7 zwischen dem Momentanwertkompressor (Logarithmierer 5) und dem Momentanwert expander (Delogarithmierer 8) die Gefahr, daß die passende

vi Expansion zur vorangegangenen Kompression gestört wird; diese Gefahr wird jedoch dadurch gebannt, daß der MorriCfitan-A-ertkernpressor als Logarithmierer 5 und der Momentanwertexpander als Delogarithmierer 8 ausgebildet sind, wodurch Pegelunterschiede unschäd-

lieh werden und die Regelgröße störungsfrei dem komprimierten Signal additiv zugeführt werden kann.

Fig.2 zeigt eine Detailänderung bezüglich der Anordnung der Addierer 6 und 7 aus F i g. 1; diese sind in F i g. 2 (hier als Addierer 12 und 13 bezeichnet) in die

bo Steuerleitungen der Transistoren 73 bzw. 74 verlegt, welche einen wesentlichen Teil des Delogarithmicrcrs 8 bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verstärker für eine Signalquelle hoher Dynamik, der mittels eines Steuersignals in seiner Verstärkung steuerbar ist, das dem Verstärker auf einem Steuersignalweg zuführbar ist, mit einem Verstärkungssystem, dessen Verstärkung mit Hilfe des Steuersignals (Ust) beeinflußbar ist durch Beeinflussung der Ausgangssignale des Logarithmierers (5) und/oder indem das Steuersignal (Ust) τα einem Addierer (12, 13) oder Subtrahierer geführt ist, welcher dem Steuereingang eines aktiven Bauelements (Transistor Γ3 bzw. 7*4) vorgeordnet ist, das Teil des Delogarithmierers (8) ist, wobei das Verstärkungssystem als erste Stufe einen Logarithmierer (5) mit Vorwiderstand (R), Operationsverstärker (4) und nicht linearer Rückführung (Ti, T2) und als weitere Stufe einen passenden Delogarithmierer (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Vorwiderstandes (R) so klein gewählt ist, daß der Logarithmierer (5) an sich eine zu hohe Belastung für die Signalquelle (1, 2) darstellt, und daß dem Verstärkungssystem ein zur Entlastung der Signalquelle (1, 2) dienender Impedanzwandler (3) vorgeschaltet ist, dessen positiver Ausgangswiderstand wesentlich kleiner als sein Eingangswiderstand ist und dessen Spannungsverstärker (v) so klein gewählt ist, daß sein Ausgangshubbereich bei seiner maximal vorkommenden Eingangsspannung nicht übersteuert ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1 mit einem Kondensatormikrofon (1) mit Anpassungsübertrager (2) als Signalquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (3) eine Spannungsverstärkung von ungefähr 0,9 bis 3 aufweist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 mit einem dynamischen Mikrofon (1), das einen Innenwiderstand Ri in der Größenordnung von 200 Ω aufweist (20Ω<Λ,<2000Ω), mit Anpassungsübertrager (2) als Signalquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (3) eine Spannungsverstärkung von ungefähr 0,9 bis 15 aufweist.

4. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler (3) eine Spannungsverstärkung von 0,9 bis 1 hat.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler ein Emitterfolger ist.

6. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Steuersignals (Ust) ein Hüllkurvendetektor (11) vorgesehen ist, der am Signalweg (1 bis 9, A) hinter der ersten Stufe (5) angeordnet ist.

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (Usl) zu einem Eingang eines Addierers (6, 7) oder Subtrahierers geführt ist, dem an einem anderen Eingang Signale vom Logarithmierer (5) zugeführt sind und der dem Delogarithmierer (8) vorgeordnet ist.