DE69832004T2

DE69832004T2 - Verstärker mit verminderter Eingangskapazität

Info

Publication number: DE69832004T2
Application number: DE69832004T
Authority: DE
Inventors: Peter L. Camden Madaffari
Original assignee: Tibbetts Industries Inc
Current assignee: Tibbetts Industries Inc
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: EP0880225A2; CA2236241C; CA2236241A1; EP0880225B1; DK0880225T3; DE69832004D1; EP0880225A3; US6023194A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Audiofrequenzverstärker-Schaltkreise, die als Vorverstärkerstufen von Mikrofonwandlern verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Schaltkreise, die Steilheitseinrichtungen verwenden, die mit Niederspannungsversorgungen arbeiten und die eine vorwiegend kapazitive Eingangsimpedanz aufweisen. Speziell bezieht sich die Erfindung auf einen Vorverstärker, der folgendes umfasst: Einen ersten Transistor mit Gate-, Drain- und Sourceelektroden; eine erste Lastimpedanz mit einem ersten Anschluss, der mit der Sourceelektrode verbunden ist; eine Gleichstromversorgung mit einem Schaltkreis, der so angeschlossen ist, dass er Strom durch die Drain- und Sourceelektroden fließen lässt und durch die erste Lastimpedanz; ein Paar von Eingangsanschlüssen, die mit der Gateelektrode bzw. einem zweiten Anschluss der ersten Lastimpedanz verbunden sind; ein Vorspannungsnetzwerk, welches ein kapazitives Element, dessen erster Anschluss mit der Gateelektrode verbunden ist, und einen Widerstand, der zwischen die zweiten Anschlüsse des kapazitiven Elements und der ersten Lastimpedanz geschaltet ist, umfasst; und einen Kondensator, der zwischen die Sourceelektrode und den zweiten Anschluss des genannten kapazitiven Elements geschaltet ist.
Ein Verstärker zum Verstärken eines Signals von einer Quelle hoher Impedanz, wie ein Elektret- oder Kristallmikrofon oder andere Wandler, die auf piezoelektrischer Grundlage arbeiten, erfordert eine hohe Eingangsimpedanz, um Impedanz-Fehlanpassungen zu vermeiden, die das Eingangssignal zu dem Verstärker abschwächen. Der Grund für diese Abschwächung ist die Spannungsteilung, die zwischen der Quellimpedanz des Wandlers und der Eingangsimpedanz des Verstärkers auftritt. Wenn wir die Quellimpedanz als z_s, die Eingangsimpedanz als z_in, die Spannungsquelle als v_s und die Eingangsspannung des Verstärkers als v_in bezeichnen, ergibt sich die Eingangsspannung des Verstärkers durch die bekannte Beziehung
Wenn die Impedanzen als ausschließlich kapazitiv gekennzeichnet sind, wie es bei einem mit einer Steilheitseinrichtung wie einem JFET verbundenen Elektretmikrofon der Fall ist, wird aus der Gleichung 1
wobei c_s die Wandlerkapazität ist und c_in die Eingangskapazität des Verstärkers. Aus (2) ist offensichtlich, dass sich, wenn c_in im Verhältnis zu c_s kleiner gemacht wird, eine geringere Abschwächung der Quellenspannung v_s an dem Eingang zu dem Verstärker, v_in, ergibt. Dies hat die vorteilhafte Wirkung eines größeren Signal-Rauschverhältnisses und eines größeren Ausgangssignals.
In der Technik der Hörhilfen ist die Verwendung von Elektret-Akustikwandlern üblich. Ein Elektret-Akustikwandler hat eine sehr niedrige Signal-Ausgangsspannung, eine sehr hohe Ausgangsimpedanz, die überwiegend kapazitiv ist, und ein sehr breites Ausgangs-Frequenzspektrum. Zusätzlich wird in der Technik der Hörhilfen für Verstärkungszwecke eine Einzellen-Energieversorgung von niedriger Spannung verwendet.
Die Verwendung einer Einzellen-Energieversorgung von niedriger Spannung, typischerweise etwa 1,3 Volt, bedeutet, dass die Spannung des Nutzsignals an dem Vorverstärkereingang oft nur geringfügig größer ist als diejenige des Rauschsignals. Am Ausgang ist es sehr wichtig, dass ein Verstärker in der Lage ist, die gesamte verfügbare Signalspannung zu verwenden, um ein brauchbares Signal-Rauschverhältnis zu erreichen. Rauschen von elektronischen Komponenten und Rückkopplungssignale von anderen Verstärkerstufen, die durch die Energiequelle von niedriger Impedanz gekoppelt werden, macht es zwingend erforderlich, dass das gesamte Ausgangsspannungssignal eines Elektret-Akustikwandlers verwendet wird, um ein brauchbares Signal-Rauschverhältnis zu erreichen.
In der Technik der Hörhilfen ist es üblich, Steilheitseinrichtungen von hoher Eingangsimpedanz als Vorverstärkerstufen zu verwenden. Diese Einrichtungen werden typischerweise in einer Folgerkonfiguration verwendet, was es erlaubt, dass die Ausgangsimpedanz einen niedrigeren Wert annimmt, der für nachfolgende Verstärkerstufen mit höherer Verstärkung und geringerer Eingangsimpedanz geeignet ist. Es ist üblich, zu diesem Zweck FET-Transistoren zu verwenden. Um dieses erwünschte Ergebnis zu erreichen, sind verschiedene Verfahren verwendet worden.
Der Stand der Technik über elektretbasierte Kondensatormikrofon-Vorverstärker beschreibt meistens Schaltkreise, in denen eine einzelne Zelle verwendet wird, und der gemeinsame Bezugspunkt für den Eingang und den Ausgang ist die untere Potentialschiene. Dies erlaubt die Verwendung von N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, allgemein die geräuschärmsten der Feldeffekttransistoren, als aktives Element. Obwohl die folgende Beschreibung Schaltkreise mit dieser Orientierung verwendet, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese Orientierung beschränkt ist, sondern genauso auf Schaltkreise angewandt werden kann, bei denen die obere Schiene die Erdreferenz ist oder bei denen eine aufgeteilte Versorgung verwendet wird. Die folgende Beschreibung ist auch nicht auf die JFET-Unterklasse der FETs beschränkt, sondern bezieht sich allgemein auf FETs. N-Kanal-JFETs sind jedoch die bevorzugte Ausführungsform.
Frühe elektretbasierte Kondensatormikrofone für die Anwendung bei Hörhilfen wiesen Wandlerelemente mit 7 bis 10 pF Quellkapazität auf. Der dem Mikrofon nachfolgende Verstärker hatte oft eine niedrige Eingangsimpedanz im Bereich von Kiloohm (kΩ) oder im Zehnerbereich von kΩ. Aufgrund dieser Impedanz-Fehlanpassung wurde es als notwendig angesehen, einen Feldeffekttransistor (FET) als Puffer zwischen dem Wandler und dem Hauptverstärker zu verwenden, um Verluste zu minimieren. Für diese frühen elektretbasierten Kondensatormikrofone wurde solch ein Transistor als annehmbar angesehen, wenn er eine solche Eingangsimpedanz und Steilheit aufwies, dass die Signalabschwächung sowohl am Eingang als auch am Ausgang minimal war.
Für solche Mikrofone verwendete der Stand der Technik im Allgemeinen einen einzelnen Sperrschicht-FET (JFET), meistens einen 2N4338 oder einen herstellerspezifischen entsprechenden Typ, als Transistor und setzte ihn im Sourcefolgerbetrieb ein, um die wirksame Eingangskapazität und Ausgangsimpedanz zu minimieren.
Für den Betrieb im Folgermodus ist es bekannt, dass die dem Transistor eigene Gate-Source-Kapazität c_gs durch die Leerlaufverstärkung der Stufe vermindert wird, und diese kann groß genug gemacht werden, um die wirksame Gate-Source-Kapazität vernachlässigbar zu machen.
Nach dem Stand der Technik wurde für die Gate-Vorspannung ein sehr großer Widerstand, oft im GΩ-(Gigaohm-)Bereich, verwendet. Späterer Stand der Technik wie das US-Patent 3 512 100 (Killion et al) und das US-Patent 4 151 480 (Carlson et al) änderten die JFET-Folgerschaltung ab, indem der Gate-Vorspannungswiderstand durch ein paralleles Paar von Dioden mit entgegengesetzter Polung ersetzt wurde. Dies wurde vorgenommen, da der Realteil der von den Dioden verkörperten Impedanz viel größer war, als er normalerweise durch ein passives, aufgetragenes Widerstandselement erreicht werden konnte. Allgemein ist das von dem Vorspannungselement erzeugte Rauschen um so kleiner, je größer der Realteil der Impedanz des Vorspannungselements ist. Auf Keramik aufgetragene Widerstände sind, wenn sie richtig hergestellt sind, beinahe ausschließlich ohmische Elemente. Unglücklicherweise erfordert die richtige Herstellung von Widerständen in Gigaohm-(GΩ) Größe, dass sie im Vergleich zu Widerständen von geringem Wert sehr lang sind. Wenn sie physikalisch kurz gehalten werden, kann die Wechselstromimpedanz, obwohl immer noch ohmisch, ein kleiner Teil der Gleichstromimpedanz sein. Anscheinend handelt es sich um einen kapazitiven Nebenschluss entlang der Länge des Widerstandes, der seine wirksame Impedanz reduziert, ohne zu der über die Anschlüsse gemessenen Impedanz ein kapazitives Glied hinzuzufügen. Dioden werden andererseits durch die Sperrschicht zweier Halbleitermaterialien von umgekehrter Polarität gebildet und bilden aus sich heraus ein kapazitives Element als Teil ihrer Struktur. Diese Kapazität wirkt als paralleles Element zu der "idealen" Diode. Da c_gd, die Gate-Drain-Kapazität des JFET, der Gate-Drain-Diodensperrschicht des JFET eigen ist, überrascht es nicht, dass die Sperrschichtkapazität des Diodenpaars von ähnlicher Größe wie c_gd sein kann. Wie durch Gleichung (2) gezeigt, würde daher in dem Fall, dass die Sperrschichtkapazität des Diodenpaars c_gd gleichkommt, das Signal um ungefähr 6 dB mehr abgeschwächt, als wenn die Dioden nicht vorhanden wären. Die Verwendung der Dioden hat andere Einschränkungen. Wenn die Spannung über einer in Durchlassrichtung vorgespannten Diode zunimmt, nimmt die Impedanz der Diode ab und fällt um viele Größenordnungen, bis sie so niedrig wie Hunderte von Ohm sein kann. Dann stellt sich, wenn sich die Impedanz ändert, eine Signalverzerrung ein. In einigen Anwendungen, beispielsweise Studiomikrofonen, können gelegentlich sehr hohe Signalpegel üblich sein, und eine solche Verzerrung ist dann ein Problem. Der Stand der Technik wie Madaffari et al. im US-Patent 5 097 224 lehrt, dass ein GΩ-Widerstand in Reihe mit den Dioden das Überlastproblem überwindet, denn selbst wenn die Dioden auf eine niedrige Gleichstromimpedanz fallen, hat der GΩ-Widerstand eine ausreichend hohe Impedanz im Vergleich zu der Quellimpedanz, dass sich keine Verzerrung einstellt.
Das am 21. Januar 1992 an Madaffari erteilte US-Patent 5 083 095 offenbart einen Verstärker, der mehrere Sourcefolger-Verstärker verwendet. Diese Verstärker zeigen eine verbesserte Eingangsimpedanz; die Verstärker dieses Patents leiden jedoch an einer Verringerung des Gleichstrom-Betriebsbereichs, die es schwierig macht, die Verstärker bei niedriger Spannung und insbesondere mit Einzellen-Energieversorgungen zu betreiben, mit den begleitenden, oben beschriebenen Schwierigkeiten.
Das am 9. August 1994 an French et al erteilte US-Patent 5 337 011 offenbart einen Verstärker, der einen Mehrfach-Sourcefolgerverstärker mit einem Vorspannungsnetzwerk verwendet, welches ein Paar von entgegengesetzt orientierten, parallel geschalteten Dioden in dem Vorspannungsnetzwerk enthält. Zusätzlich zu dem oben beschriebenen verminderten Gleichstrombetriebsbereich gibt es keinen Weg, um mit den Sperrschichtkapazitäten des Dioden-Vorspannungsnetzwerks umzugehen. Diese zusätzliche Kapazität führt zu einer Abschwächung des Eingangssignals zu dem Verstärker, wie oben in den Gleichungen (1) und (2) beschrieben.
Das US-Patent 3 801 933 offenbart einen Verstärker, der einen Fotodetektor beinhaltet, der einen positiven Rückkopplungsschaltkreis vorsieht, um die Kapazität sowohl der Signalquelle als auch des Eingangsverstärkers zu neutralisieren oder zu vermindern.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, Mittel bereitzustellen, um die Wirkung der Kapazität c_gs des Transistors zusammen mit der Kapazität des Vorspannungsnetzwerks auf die Eingangsimpedanz des Verstärkers zu vermindern.
Es ist eine zweite und damit zusammenhängende Aufgabe der Erfindung, Mittel bereitzustellen, um das Ausmaß der Verminderung in der Wirkung der genannten Kapazität als Funktion des gewünschten Frequenzgangs des Verstärkers zu steuern.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, beispielsweise dadurch, dass das Paar von Eingangsanschlüssen mit einer Signalquelle von hoher Impedanz verbunden ist, und dass der Kondensator für einen Signalpfad von niedriger Impedanz in dem vorbestimmten Frequenzbereich sorgt, wodurch sichergestellt wird, dass die Spannungspotentiale an jedem Anschluss des kapazitiven Elements von gleicher Größe und Phase sind. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
Andere Aufgaben der Erfindung werden durch die Erfordernisse der spezifischen Schaltungsausführungen, wie im nachfolgenden gezeigt und beschrieben, offensichtlich.
Unter Berücksichtigung der vorgenannten Aufgabe umfasst die Erfindung vorteilhafterweise eine Steilheitseinrichtung mit ersten, zweiten und dritten Elektroden, die eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist und die als Folgerschaltung konfiguriert ist, wobei die Ausgangsspannung in Größe und Phase ungefähr der Eingangsspannung gleich ist. Die Steilheitseinrichtung weist ein Vorspannungsnetzwerk auf, welches mit der ersten Elektrode verbunden ist. Das Vorspannungsnetzwerk umfasst vorzugsweise ein Paar von Dioden, die parallel geschaltet und entgegengesetzt gepolt sind, und die Dioden sind mit der ersten Elektrode der Steilheitseinrichtung verbunden und auch in Reihe mit einer ersten Impedanz, die mit Erde verbunden ist. Zwischen der zweiten Elektrode der Steilheitseinrichtung und Erde ist eine Lastimpedanz angeschlossen, so dass sich über ihr eine Ausgangsspannung einstellt. Zwischen der Reihenschaltung der Dioden mit der ersten Impedanz und dem zweiten Anschluss der Steilheitseinrichtung ist ein Kondensator angeschlossen, wodurch die den Dioden innewohnende Kapazität im interessierenden Frequenzbereich im Wesentlichen zwischen den ersten und zweiten Elektroden der Steilheitseinrichtung verbunden wird, und die zusammengefasste Kapazität wirksam um einen Faktor vermindert wird, der im Wesentlichen der offenen Schleifenverstärkung des Verstärkers entspricht.
Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung besser verständlich werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten vorbekannten JFET-Verstärkerschaltung;
1A ist eine schematische Darstellung einer zweiten vorbekannten JFET-Verstärkerschaltung;
2 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 ist eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den Figuren, die verschiedene Ausführungsformen darstellen, auf die gleichen Elemente oder auf Elemente, die dieselben oder vergleichbare Funktionen erfüllen.
Ausführliche Beschreibung
Mit Bezug auf 1 ist eine Steilheitseinrichtung 12 ein N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET). Wie in 1 gezeigt, ist der JFET 12 in einer Sourcefolger-Konfiguration mit einem Wandler 14 verbunden, der für die Zwecke der Erläuterung ein Elektretwandler von hoher Ausgangsimpedanz sein kann. Der JFET 12 hat eine Ausgangsimpedanz R_L in der Schaltung zwischen Source und Erde. Der JFET hat eine ihm innewohnende Gate-Source-Kapazität c_gs. Eine [nicht gezeigte] Gleichstrom-Energieversorgung zwischen einem B+-Anschluss 10 und der durch den Anschluss 8 dargestellten Erde angeschlossen. Es wird angenommen, dass ein Gate-Vorspannungswiderstand R_B einen sehr hohen Wert aufweist.
Der JFET arbeitet als spannungsgesteuerte Stromquelle, so dass seine Steilheit g_m als das Verhältnis des Stroms in der Ausgangsimpedanz zu der Spannung zwischen Gate und Source, v_gs, definiert wird. Daher gilt
Wenn der Strom i_s durch den Lastwiderstand R_L fließt, erzeugt er die Ausgangsspannung v_o. Daher gilt vo = gm vgsRL. (4)
Die Spannung zwischen Gate und Source, v_gs, kann wie folgt geschrieben werden vgs = vin – vo. (5)
Die Spannungsverstärkung des Verstärkers kann dann aus den Gleichungen (4) und (5) abgeleitet werden:
Es wird offensichtlich, dass sich für g_mR_L >> 1 die Verstärkung der Sourcefolgerstufe der Eins nähert.
Die Eingangsimpedanz kann wie folgt definiert werden:
Substitution mit den Gleichungen (4) und (5) führt zu
wobei s der Laplace-Operator ist, der von der Frequenz abhängt. Es ist daher zu sehen, dass die Eingangsimpedanz nicht nur von der Frequenz des Signals, sondern auch von der offenen Schleifenverstärkung abhängt. Gleichung (8) zeigt, dass zwischen g_mR_L, die als offene Schleifenverstärkung definiert wird, und der Gate-Source-Kapazität c_gs eine inverse Beziehung besteht.
Wenn der JFET der 1 mit einem Wandler 14 wie einer Elektreteinrichtung, der im Hinblick auf Wechselstromsignale eine im wesentlichen kapazitive Ausgangsimpedanz z_s aufweist, verbunden wird, ergibt sich durch Substitution der Gleichung (8) in die Gleichung (1)
wobei c_s die Kapazität des Wandlerausgangs ist. Gleichung (9) zeigt, dass sich die Verstärkung Eins annähert, wenn der Wert des Glieds c_gs im Verhältnis zu c_s abnimmt, und dass eine solche Abnahme mit zunehmenden Werten der offenen Schleifenverstärkung hervorgerufen wird.
Dies kann man auch dadurch verstehen, indem man in Gleichung (6) beachtet, dass sich in einer Sourcefolger-Konfiguration mit zunehmenden Werten der offenen Schleifenverstärkung das Ausgangssignal derselben Größe wie das Eingangssignal annähert und mit dem Eingangssignal in Phase ist. Da die Größe und Phase der Spannungspotentiale an beiden Anschlüssen der Source-Gate-Kapazität c_gs dieselben sind, ist die Kapazität daher wirksam neutralisiert worden.
Die 1A zeigt einen JFET-Sourcefolger-Verstärker, bei dem der einzelne Vorspannungswiderstand durch zwei entgegengesetzt gepolte Dioden cr1 und cr2, die parallel und in Reihe mit einem Widerstand 16 geschaltet sind, ersetzt ist. Die Dioden haben eine Impedanz, deren Realteil viel größer ist, als er durch einen passiven Widerstand erhalten werden könnte. Wie Fachleuten geläufig ist, werden Dioden durch die Sperrschicht zweier Halbleitermaterialien von entgegengesetzter Polarität gebildet und bilden wie in der Zeichnung durch unterbrochene Linien gezeigt ein kapazitives Element c_jp als inhärenten Teil ihrer Struktur. Der Wert dieses Kondensators im Verhältnis zu dem der Gate-Drain-Kapazität c_gd ist beträchtlich. Da diese zusätzliche Kapazität die Größe des Nenners in Gleichung (2) erhöht, führt dies zu einer Abschwächung des Eingangs-Spannungssignals. In der Praxis ergibt sich eine Signalabschwächung von bis zu 6 dB, wenn c_jp ungefähr gleich c_gd ist.
Indem wir uns jetzt der 2 zuwenden, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart, ist ein allgemein mit 20 bezeichneter Verstärker mit Eingangsanschlüssen 24, 26 für die Verbindung mit einem elektroakustischen Wandler, beispielsweise einem elektretbasierten Kondensatormikrofon, versehen. Der Anschluss 26 ist mit der Erdschiene 8 verbunden. Der Ausgang befindet sich zwischen einem Anschluss 27 und der Erdschiene 8.
Die Schaltung umfasst allgemein einen ersten JFET 22, der im Folgermodus verschaltet ist. Die Gate-, Source- und Drainanschlüsse sind jeweils mit "G", "S" und "D" bezeichnet. Der Vorverstärker 20 weist ein Vorspannungsnetzwerk auf, das zwei parallel geschaltete, entgegengesetzt gepolte Dioden cr1, cr2 in Reihe mit einem Widerstand 32 umfasst. Das Vorspannungsnetzwerk ist zwischen der G-Elektrode des ersten JFET 22 und Erde 8 geschaltet. Die Lastimpedanz R_L ist zwischen die Source des ersten JFET 22 und Erde 8 geschaltet. Zwischen der S-Elektrode des ersten JFET 22 und der Reihenschaltung der Dioden und des Widerstands 32 ist ein Kondensator 35 angeschlossen.
Eine (nicht gezeigte) Energieversorgung, üblicherweise eine Einzellenversorgung niedriger Spannung, liefert Strom zwischen Erde 8 und der Verbindung 10. Eine [nicht gezeigte] Drainimpedanz kann wahlweise in Reihe zwischen der D-Elektrode des ersten JFET 22 und der Verbindung 10 angeordnet werden.
Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass der Kondensator 35 im interessierenden Frequenzbereich einen Signalpfad bereitstellt, der sicherstellt, dass die Signale an jedem Anschluss der Dioden-Sperrschichtkapazität c_jp von gleicher Größe und Phase sind, so dass die Sperrschichtkapazität der Dioden neutralisiert wird. Das heißt, dass der Kondensator 35 in dem interessierenden Frequenzbereich für einen Signalpfad von niedriger Impedanz sorgt, der im Vergleich zu der Impedanz des Widerstands 32 die Sperrschichtkapazität der Dioden parallel zu c_gs verbindet. Daher werden die wirkungsmäßig parallelen Kapazitäten c_gs und c_jp durch die offene Schleifenverstärkung, wie durch Gleichung (9) gezeigt, vermindert und neutralisiert. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Kondensator 35 viel größer als die Sperrschichtkapazität der Dioden.
Für einen Fachmann wäre es offensichtlich, parallel zu der Lastimpedanz R_L einen [nicht gezeigten] Sourcekondensator zu verwenden, um den Frequenzgang des Vorverstärkers anzupassen. Es ist bekannt, dass ein Sourcekondensator gewählt werden kann, um den Frequenzgang des Verstärkers bezüglich der Lastimpedanz anzupassen. Dies geschieht dadurch, indem für unerwünschte Signale oberhalb einer Grenzfrequenz ein Pfad niedriger Impedanz zu Erde vorgesehen wird. Oberhalb dieser Eckfrequenz wird der Verstärkergang um ungefähr 6 dB pro Oktave vermindert. Wenn die Grenzfrequenz mit der ungefähren Eckfrequenz des menschlichen Ohrs übereinstimmt, wird beispielsweise eine Verminderung des akustischen Gesamtrauschens erreicht, da höhere Frequenzen abgeschwächt werden, und die Wahrscheinlichkeit, dass der Verstärker übersteuert, wird vermindert. Ein solcher Sourcekondensator verbindet den Kondensator 35 wirkungsmäßig mit Erde, indem er bei und oberhalb der Grenzfrequenz einen direkten Weg zu Erde herstellt, und schaltet die Neutralisierungsschaltung bei diesen Frequenzen in funktioneller Hinsicht ab. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die Neutralisierung nur für die interessierenden Frequenzen gewünscht wird, und Signale oberhalb der Grenzfrequenz, wo der Neutralisierungseffekt ausgeschaltet wird, sind keine interessierenden Signale.
Wenden wir uns jetzt der 3 zu. Sie zeigt dieselbe Schaltung wie 2, ausgenommen dass die Lastimpedanz R_L durch einen zweiten JFET 40 ersetzt ist, der als aktive Laststromquelle geschaltet ist, wie im Patent 5 589 799 (Madaffari et al) beschrieben. Der Kondensator 35 erfüllt dieselbe Funktion wie in 2. Es ist auch naheliegend, einen [nicht gezeigten] Sourcekondensator parallel zu der Stromquelle anzuordnen, der zwischen der Source S des JFET 22 und Erde 8 angeschlossen ist, um den Frequenzgang wie oben beschrieben anzupassen.
Indem wir uns jetzt der 4 zuwenden, ist dort ein Vorverstärker 50 beschrieben, der mit Eingangsanschlüssen 72 und 74 für die Verbindung mit einer Eingangsquelle versehen ist, die in der bevorzugten Ausführungsform ein elektretbasiertes Kondensatormikrofon ist. Der Anschluss 74 ist mit der Erdschiene 8 verbunden.
Der Schaltkreis umfasst allgemein einen ersten JFET 52, der als Sourcefolger konfiguriert ist, und einen zweiten JFET 64, der ebenfalls als Sourcefolger konfiguriert ist. Jeder JFET 52 und 64 hat Anschlüsse, die mit "G", "S" und "D" bezeichnet sind. Der Eingangsanschluss 72 ist mit der G-Elektrode des ersten JFET 52 verbunden. Der Verstärker 50 weist ein Vorspannungsnetzwerk auf, das zwei parallel geschaltete, entgegengesetzt gepolte Dioden cr1, cr2 umfasst, die mit der G-Elektrode des ersten JFET 52 verbunden und in Reihe mit der Impedanz 32 geschaltet sind, wobei die letztere mit der Erdschiene 8 verbunden ist. Eine erste Lastimpedanz 58 ist mit der S-Elektrode des ersten JFET 52 und Erde verbunden, und ein erster Sourcekondensator 60 ist zum Anpassen des Frequenzgangs mit der ersten Lastimpedanz parallelgeschaltet. Ein Kondensator 62 ist mit der S-Elektrode des ersten JFET 52 und sowohl mit der G-Elektrode des zweiten JFET 64 als auch mit der Reihenschaltung zwischen den Dioden cr1 und cr2 und der Impedanz 32 verbunden. Die D-Elektroden des ersten und zweiten JFET 52 und 64 sind mit der Schiene 10 verbunden. Eine [nicht gezeigte] Energiequelle ist zwischen der Schiene 10 und der Erdschiene 8 angeschlossen. Eine zweite Lastimpedanz 66 ist zwischen der S-Elektrode des zweiten JFET 64 und der Erdschiene 8 angeschlossen.
Zusätzlich zu seiner Funktion als Wechselstromkopplung und als Gleichstromtrennung zwischen den Vorverstärkerstufen sorgt der Kondensator 62 für dieselbe Funktionalität wie der Kondensator 35 in den 2 und 3. Das heißt, er stellt einen Signalpfad bereit, der an jedem Anschluss der Sperrschichtkapazitäten der Dioden Spannungspotentiale von gleicher Größe und Phase schafft, so dass sie wirkungsvoll neutralisiert werden.
Es ist einleuchtend, dass unter bestimmten Entwurfsbedingungen eine [nicht gezeigte] Drainimpedanz in Reihe zwischen der D-Elektrode eines, oder beider, der ersten und zweiten JFETs 52 und 64 und der Schiene 10 eingefügt werden könnte. Zusätzlich wäre es für den Fachmann einleuchtend, dass parallel zu der zweiten Lastimpedanz 66 ein zweiter Sourcekondensator verwendet werden kann, um den Frequenzgang des Verstärkers weiter anzupassen.
Indem wir uns jetzt der 5 zuwenden, lässt sich ersehen, dass diese im wesentlichen die gleiche Schaltung wie 4 zeigt, mit der Ausnahme, dass die erste Lastimpedanz 58 funktionell durch einen dritten JFET 68 und eine Sourceimpedanz 70, die als aktive Laststromquelle geschaltet sind, ersetzt ist. Die G-Elektrode des dritten JFET 68 ist mit der Erdschiene 8 verbunden, die D-Elektrode des dritten JFET 68 ist mit der S-Elektrode des ersten JFET verbunden, und die Sourceimpedanz 70 ist zwischen der S-Elektrode des dritten JFET 68 und die Erdschiene 8 geschaltet. Der dritte JFET 68 erfüllt dieselbe Funktion wie der JFET 40 der 3, und ein erster Sourcekondensator 72 ist wie der Anpassungskondensator 60 angeschlossen und erfüllt dieselbe Funktion.
Unter bestimmten Entwurfsbedingungen kann eine [nicht gezeigte] Drainimpedanz in Reihe zwischen die D-Elektrode eines oder beider der ersten und zweiten JFETs 52 und 64 und den Anschluss 10 eingefügt werden. Zusätzlich wäre es einleuchtend, dass ein [nicht gezeigter] Sourcekondensator parallel zu der zweiten Lastimpedanz 66 verwendet werden kann, um den Frequenzgang des Verstärkers weiter anzupassen.
In den Schaltungen der 4 und 5 arbeitet der Widerstand 32 so, dass er für die Gateanschlüsse beider JFETs 52 und 64 eine Vorspannung bereitstellt.

Claims

Vorverstärker (20; 50), der in Kombination folgendes umfasst: – einen ersten Transistor (22; 52) mit Gate- (G), Drain- (D) und Source- (S) elektroden, – eine erste Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) mit einem ersten Anschluss, der mit der Sourceelektrode (S) verbunden ist, – eine Gleichstromversorgung mit einem Schaltkreis, der so angeschlossen ist, das er Strom durch die Drain- (D) und Source- (S) elektroden fließen lässt und durch die erste Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70), – ein Paar von Eingangsanschlüssen (24, 26; 72, 74), die mit einer Signalquelle von hoher Impedanz in Verbindung stehen und mit der Gateelektrode (G) bzw. einem zweiten Anschluss der ersten Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) verbunden sind, – ein Vorspannungsnetzwerk, welches ein kapazitives Element, dessen erster Anschluss mit der Gateelektrode (G) verbunden ist, und einen Widerstand (32), der zwischen die zweiten Anschlüsse des kapazitiven Elements und der ersten Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) geschaltet ist, umfasst, und – einen Kondensator (35; 62), der zwischen die Sourceelektrode (S) und den zweiten Anschluss des genannten kapazitiven Elements geschaltet ist und der in dem interessierenden Frequenzbereich für einen Signalpfad von niedriger Impedanz sorgt, wodurch sichergestellt wird, das die Spannungspotentiale an jedem Anschluss des kapazitiven Elements von gleicher Größe und Phase sind.
Vorverstärker (20; 50) nach Anspruch 1, bei dem das kapazitive Element ein Paar von entgegengesetzt gepolten, parallel geschalteten Flächendioden (cr1, cr2) umfasst.
Vorverstärker (20; 50) nach Anspruch 1, bei dem die erste Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) einen Widerstand (R_L) umfasst.
Vorverstärker (20; 50) nach Anspruch 1, bei dem die erste Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) einen zweiten Transistor (40; 68) umfasst mit einer Drainelektrode, die den genannten ersten Anschluss der ersten Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) umfasst, mit einer Sourceelektrode, einer Sourceimpedanz (R_L, 70), die einen ersten Anschluss aufweist, der mit der letztgenannten Elektrode verbunden ist, und einer Gateelektrode, die mit einem zweiten Anschluss der Sourceimpedanz (R_L, 70) verbunden ist und die den genannten zweiten Anschluss der ersten Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) umfasst.
Vorverstärker (20; 50) nach Anspruch 1, bei dem der erste Transistor (22; 52) einen Feldeffekttransistor umfasst.
Vorverstärker (20; 50) nach Anspruch 5, bei dem der erste Transistor (22; 52) einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor umfasst.
Vorverstärker (20; 50) nach Anspruch 1, bei dem die Gleichstromversorgung eine Batterie umfasst, die Anschlüsse (B+, B–) mit Schaltverbindungen zu der Drainelektrode (D) des ersten Transistors bzw. dem zweiten Anschluss der ersten Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) aufweist.
Vorverstärker (50) nach Anspruch 1, einschließlich – eines dritten Transistors (64), der Gate-, Drain- und Sourceelektroden aufweist, und – einer zweiten Lastimpedanz (66), die einen ersten Anschluss aufweist, der mit der zuletzt erwähnten Sourceelektrode verbunden ist, wobei der genannte Gleichstromversorgungsschaltkreis so angeschlossen ist, das er Strom durch die zuletzt genannten Drain- und Sourceelektroden und durch die zweite Lastimpedanz (66) fließen lässt, wobei die zuletzt genannte Gateelektrode mit dem zweiten Anschluss des genannten kapazitiven Elements verbunden ist.
Vorverstärker (50) nach Anspruch 8, einschließlich – eines frequenzgangformenden Kondensators (60; 72), der zwischen die Sourceelektrode des ersten Transistors (52) und den zweiten Anschluss der ersten Lastimpedanz (R_L; 40, R_L; 58; 68, 70) geschaltet ist.
Vorverstärker (50) nach Anspruch 4, einschließlich – eines dritten Transistors (64), der Gate-, Drain- und Sourceelektroden aufweist, und – einer zweiten Lastimpedanz (66), die einen ersten Anschluss aufweist, der mit der zuletzt erwähnten Sourceelektrode verbunden ist, wobei der genannte Gleichstromversorgungsschaltkreis so angeschlossen ist, das er Strom durch die zuletzt genannten Drain- und Sourceelektroden und durch die zweite Lastimpedanz (66) fließen lässt, wobei die zuletzt genannte Gateelektrode mit dem zweiten Anschluss des genannten kapazitiven Elements verbunden ist.
Vorverstärker (50) nach Anspruch 10, einschließlich – eines frequenzgangformenden Kondensators (72), der zwischen die Sourceelektrode des ersten Transistors (52) und den zweiten Anschluss der ersten Lastimpedanz (68, 70) geschaltet ist.