DE102008022588A1

DE102008022588A1 - Kondensatormikrofon und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE102008022588A1
Application number: DE102008022588A
Authority: DE
Inventors: Henrik Blanchard
Original assignee: Individual
Current assignee: Blanchard Henrik De
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kondensatormikrofon mit einer als Kondensator ausgebildeten Mikrofonkapsel (2), die von einer eine Polarisationsspannung (Upol) abgebenden Spannungsquelle (20) über einen Speisewiderstand (1) mit einer Kapselspannung (UK) beaufschlagbar ist und mit einem der Mikrofonkapsel (2) nachgeordneten Pufferverstärker (5) für das von der Mikrofonkapsel erzeugbare niederfrequente (NF-) Signal, wobei die Polarisationsspannung (Upol) in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Sollwert (W) regelbar ist, wobei die Spannungsquelle (20) einen zu dem Pufferverstärker (5) separaten Regelverstärker (8) umfasst, mittels dessen die Kapselspannung (UK) mit dem vorgebbaren Sollwert (W) vergleichbar ist und bei Abweichung der Kapselspannung (UK) vom Sollwert (W) die Polarisationsspannung (Upol) der Spannungsquelle (20) entsprechend nachführbar ist. Es wird ferner auch ein Verfahren zum Betreiben eines Kondensatormikrofons angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kondensatormikrofon mit einer als Kondensator ausgebildeten Mikrofonkapsel, die von einer eine Polarisationsspannung abgebenden Spannungsquelle über einen Speisewiderstand mit einer Kapselspannung beaufschlagbar ist und mit einem der Mikrofonkapsel nachgeordneten Pufferverstärker für das von der Mikrofonkapsel erzeugbare niederfrequente (NF-)Signal, wobei die Polarisationsspannung in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Sollwert regelbar ist.
Kondensatormikrofone sind vielfältig bekannt und gelten als die hochwertigsten Schallempfänger. Für Messzwecke und in der professionellen Studiotechnik werden sie daher bevorzugt eingesetzt. Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Kondensatormikrofon insbesondere ein extern polarisiertes Kondensatormikrofon in Niederfrequenzschaltung verstanden, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Mikrofonkapsel über eine extern erzeugte Polarisationsspannung mit der zur Erzeugung des Tonsignals erforderlichen Kapselspannung beaufschlagt wird.
Ein derartiges Kondensatormikrofon ist beispielsweise in der EP 0 096 778 A1 beschrieben. Ein derartiges Kondensatormikrofon verfügt über eine Schaltungsanordnung, die meist im Gehäuse des Mikrofons untergebracht ist. Die Mikrofonkapsel bildet einen Kondensator, bestehend aus einer leitfähigen Membran und mindestens einer ihr gegenüberliegenden festen Gegenelektrode. Auf die Membran auftreffende Schallwellen versetzen die Membran in Schwingungen und modulieren durch Abstandsänderung zwischen Membran und Gegenelektrode die Kapselkapazität. Wird nun der Kapselkon densator durch Anlegen der Polarisationsspannung U_pol auf eine Kapselspannung U_K aufgeladen, so ändert sich durch die Modulation der Kapselkapazität die Spannung an der Mikrofonkapsel im Rhythmus der auftreffenden Schallwellen. An der Mikrofonkapsel liegt demnach eine schallanaloge Niederfrequenzspannung an, die von der als Gleichspannung vorliegenden Kapselspannung U_K überlagert ist. Nach Entfernung der Gleichspannungskomponenten über einen Entkopplungskondensator kann die schallanaloge Niederfrequenzspannung einem Verstärker zugeführt und von dort einer weiteren Signalverarbeitung zugeführt werden.
Für die Qualität eines derartigen Kondensatormikrofons ist insbesondere eine möglichst hohe Rauscharmut, idealerweise Rauschfreiheit mitbestimmend.
Um ein möglichst geringes Rauschen der Mikrofonschaltung zu erreichen, erfolgt daher die Beaufschlagung der Mikrofonkapsel mit der Polarisationsspannung über einen Speisewiderstand, der für ein möglichst geringes Rauschen der Mikrofonschaltung einen möglichst hohen Wert besitzen sollte.
Andererseits kann dieser Wert des Speisewiderstandes und die damit einhergehende Rauschfreiheit nicht beliebig gesteigert werden, da durch einen endlichen Isolationswiderstand der Mikrofonkapsel und durch Umgebungseinflüsse, wie Feuchtigkeit usw. in der Praxis immer ein geringer Leckstrom durch die Mikrofonkapsel fließt. Dieser ruft einen Spannungsabfall am Speisewiderstand hervor, so dass sich die Kapselspannung U_K gegenüber der Speisespannung U_pol um den Spannungsabfall am Speisewiderstand verringert. Um die Funktionsweise des Mikrofons auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie z. B. Umgebungsfeuchtigkeit, Anhauchen usw. zu gewährleisten, darf der Wert des Speisewiderstandes daher nicht zu hoch liegen.
Die beiden oben genannten Gesichtspunkte für die Dimensionierung des Speisewiderstandes stehen daher im Gegensatz zueinander, so dass für seinen Wert in der Praxis ein Kompromiss gefunden werden muss, der nach heutigem Stand der Technik üblicherweise bei etwa 1 GΩ liegt. Der weitaus größte Teil der Rauschspannung einer heute üblichen Kondensatormikrofonschaltung resultiert demnach aus dem thermischen Rauschen des ohmschen Speisewiderstandes an der Mikrofonkapsel, so dass eine Erhöhung dieses Speisewiderstandes wünschenswert wäre, jedoch aus oben genannten Gründen nicht ohne weiteres möglich ist. Zu diesem Speisewiderstand liegt signaltechnisch meist noch ein weiterer parallel, der die Arbeitspunkteinstellung des auf die Mikrofonkapsel nachfolgenden Verstärkers besorgt und das Rauschen noch weiter erhöht.
Ein gattungsgemäßes Kondensatormikrofon, bei dem die Polarisationsspannung U_pol variabel und in einen Regelkreis einbezogen ist, so dass sie auf einen vorbestimmbaren Wert einstellbar ist, ist beispielsweise aus der EP 1 585 365 A1 , US 2006/0062406 A1 sowie US 2006/0147061 A1 bekannt. Bei diesen Schaltungen dient die Regelbarkeit der Polarisationsspannung einem oder mehreren der folgenden Zwecke: Einstellung einer Richtcharakteristik, Empfindlichkeitseinstellung, Kalibrierung und Kompensation von Herstellungstoleranzen. Maßnahmen, das Rauschen des Kondensatormikrofons zu verbessern, sind diesen Druckschriften jedoch nicht entnehmbar.
Aus der DE 2020739 A1 ist bereits ein Kondensatormikrofon bekannt, bei dem die Polarisationsspannung in einen Regelkreis einbezogen ist und die Kapselspannung bei einem Ansteigen des Leckstroms in der Mikrofonkapsel konstant gehalten wird. In dieser Schaltung werden die NF-Verstärkung und die Regelung der Kapselspannung jedoch in einem einzigen Verstärker durchgeführt, der als invertierender Operationsverstärker oder ähnlicher invertierender Verstärker ausgeführt ist. Dies bringt spezifische Nachteile mit sich, wie ein erhöhtes Rauschen der invertierenden Schaltung sowie eine begrenzte Regelreserve, die eine signifikante Erhöhung des Kapselspeisewiderstandes nicht zulässt. Eine nennenswerte Reduzierung des Rauschens gegenüber üblichen konventionellen Schaltungen ohne Regelkreis ist mit dem bekannten Schaltungsprinzip daher nicht erreichbar und aus dieser Druckschrift auch nicht entnehmbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kondensatormikrofon der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kondensatormikrofons vorzuschlagen, bei welchem durch eine neuartige Schaltungsanordnung eine bisher nicht erreichte Rauscharmut und damit Qualitätsverbesserung möglich wird, wobei die im Rahmen der Schaltungsanordnung zum Einsatz kommenden Komponenten weitgehend dem bisher üblichen Standard entsprechen sollen, um eine kostengünstige Ausgestaltung der Erfindung zu ermöglichen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Kondensatormikrofon mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 vorgeschlagen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kondensatormikrofons ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Prinzips liegt darin, die Pufferung der Kapselspannung und die Vorverstärkung des NF-Signals einerseits sowie die Regelung der mittleren Kapselgleichspannung andererseits mit zwei getrennten Verstärkern durchzuführen. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Pufferverstärker, der auch als Vorverstärker des NF-Signals verwendet wird, als rauscharmen nichtinvertierenden Verstärker, beispielsweise FET-Spannungsfolger auszubilden, während die Spannungsversorgung der Mikrofonkapsel, die Regelverstärkung und Nachführung der Polarisationsspannung von einem separaten Verstärker besorgt wird, der bei Bedarf für entsprechend hohe Regelreserve und kleine Leistungsaufnahme dimensionierbar ist. Dieser letztgenannte Regelverstärker erhält dabei die mittlere Kapselgleichspannung oder ein annähernd lineares Maß dafür vom Ausgang des Pufferverstärkers zugeführt, d. h. er ist mit dem Ausgang des Pufferverstärkers insoweit verbunden, dass die Kapselspannung durch den Regelverstärker am Ausgang des Pufferverstärkers abgreifbar ist. Durch ein solches Abgreifen der tatsächlichen Kapselspannung U_K ist diese mit einem vorgebbaren Sollwert vergleichbar, so dass bei Abweichung der Kapselspannung U_K vom Sollwert die Polarisationsspannung U_pol, d. h. die Urspannung für einen Widerstand oder eine Stromquelle zur Speisung der Kapsel entsprechend veränderbar, d. h. nachführbar ist, um die Kapselspannung auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen und dergleichen stets auf dem gewünschten Optimalwert entsprechend der Sollwertvorgabe zu halten. Auf diese Weise kann nicht nur der optimale Betriebspunkt für die im Rahmen der Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons vorgesehenen Bauteile eingestellt werden, sondern die Schaltungsanordnung kann auch bei beispielsweise witterungsbedingtem Abfallen der Kapselspannung automatisch eine Erhöhung der Polarisationsspannung dergestalt bewirken, dass der Spannungsabfall der Kapselspannung durch entsprechende Erhöhung der Polarisationsspannung ausgeglichen wird.
Das im Rahmen der Erfindung zum Einsatz kommende Verfahren zum Betreiben eines Kondensatormikrofons beruht darauf, dass eine als Kondensator ausgebildete Mikrofonkapsel vorgesehen ist, die von einer eine Polarisationsspannung abgebenden Spannungsquelle über einen Speisewiderstand mit einer Kapselspannung beaufschlagt wird und das von der Mikrofonkapsel erzeugte niederfrequente Signal von einem Pufferverstärker verstärkt wird, wobei die Polarisationsspannung der Spannungsquelle in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert geregelt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Spannungsquelle einen vom Pufferverstärker separaten Regelverstärker umfasst, der die Kapselspannung U_K abgreift und mit einem vorgegebenen Sollwert W vergleicht und bei Abweichung vom Sollwert W eine entsprechende Veränderung der Polarisationsspannung U_pol der Spannungsquelle bewirkt.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung für ein Kondensatormikrofon nach dem Stand der Technik,
2 eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erweiterte Schaltungsanordnung für ein Kondensatormikrofon nach dem Stand der Technik,
3 eine weitere Schaltungsanordnung für ein Kondensatormikrofon nach dem Stand der Technik,
4 eine Schaltungsanordnung für ein Kondensatormikrofon gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4a Ein Detail der Schaltungsanordnung gemäß 4 mit weiteren Erläuterungen,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
6a ein Detail der Schaltungsanordnung gemäß 6 mit weiteren Erläuterungen,
7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
1 gibt einen Überblick über die nach dem Stand der Technik übliche Schaltungsanordnung. Diese Schaltungsanordnung ist meist im Gehäuse des Mikrofons untergebracht. Die Mikrofonkapsel 2 bildet einen Kondensator, bestehend aus einer leitfähigen Membran und einer ihr gegenüberliegenden, festen Gegenelektrode. Auf die Membran auftreffende Schallwellen versetzen die Membran in Schwingungen und modulieren durch Abstandsänderung zwischen Membran und Gegenelektrode die Kapselkapazität. Wird der Kapselkondensator nun von einer Spannungsquelle auf eine Kapselspannung U_K aufgeladen, so ändert sich durch die Modulation der Kapselkapazität die Spannung an der als Kondensator ausgebildeten Mikrofonkapsel 2 im Rhythmus der auftreffenden Schallwellen. An der Mikrofonkapsel 2 liegt demnach eine schallanaloge Niederfrequenzspannung an, überlagert von der Kapselgleichspannung U_K.
Ein Entkopplungskondensator 3 entfernt die Gleichspannungskomponente und führt das schallanaloge NF-Signal einem hochohmigen Pufferverstärker 5 zu. Da die Kapselkapazität der Mikrofonkapsel 2 im Niederfrequenzbereich einen sehr hohen Blindwiderstand aufweist, muss der Verstärker 5 einen Eingangswiderstand im GΩ-Bereich besitzen. Wichtig ist ferner ein geringes Spannungs- sowie ein extrem geringes Stromrauschen. Daher kommt hier als verstärkendes Element nach heutigem Stand der Technik meist ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), bzw. eine Anordnung aus JFETs, zum Einsatz.
Der Pufferverstärker 5 übersetzt die extrem hohe Kapselimpedanz der Mikrofonkapsel 2 in eine relativ niedrige Ausgangsimpedanz und leitet das Signal an einen gegebenenfalls vorgesehenen Ausgangsverstärker 7 weiter. Dieser bereitet das Signal für den Transport über ein nicht dargestelltes, am Ausgang A anschließbares Mikrofonkabel oder ein Übertragungsmodul für eine Drahtlosübertragung entsprechend auf.
Die Kapselgleichspannung wird der Mikrofonkapsel 2 üblicherweise über einen hochohmigen Speisewiderstand 1 zugeführt. Mit Kapselspannung U_K ist hier diejenige Spannung gemeint, die tatsächlich an der Mikrofonkapsel 2 anliegt; im Gegensatz dazu bezeichnet U_pol die Speisespannung, die dem Speisewiderstand 1 von außen über eine Zuleitung 200 von einer nicht dargestellten Spannungsquelle zugeführt wird.
Theoretisch genügt für eine Arbeitsweise des Kondensatormikrofons eine rein statische Kapselspannung U_K. Bedingt durch einen endlichen Isolationswiderstand der Mikrofonkapsel 2 und durch Umgebungseinflüsse wie Feuchtigkeit usw. fließt in der Praxis jedoch immer ein geringer Leckstrom durch die Mikrofonkapsel 2. Dieser Leckstrom ruft einen Spannungsabfall am Speisewiderstand 1 hervor, d. h. die Kapselspannung U_K verringert sich gegenüber der Polarisationsspannung U_pol um den Spannungsabfall am Speisewiderstand 1. Um die Funktionsweise des Mikrofons auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie z. B. Umgebungsfeuchtigkeit, Anhauchen usw. zu gewährleisten, soll der Wert des Speisewiderstands 1 daher nicht zu hoch liegen. Andererseits soll der Speisewiderstand 1 für ein möglichst geringes Rauschen der Mikrofonschaltung einen möglichst hohen Wert besitzen. Der Speisewiderstand 1 rauscht mit der thermischen Rauschspannung
wobei K die Boltzmannkonstante, R der Widerstand, T₀ die absolute Temperatur und Δf die Bandbreite ist.
Die Rauschspannung des Speisewiderstands 1 wird (mit steigender Frequenz zunehmend) durch den Blindwiderstand der Kapselkapazität der Mikrofonkapsel 2 belastet. Der proportional mit dem Wert des Speisewiderstands 1 ansteigende Rauschquelleninnenwiderstand überwiegt die nur mit der Wurzel ansteigende Leerlaufrauschspannung derart, dass sich die Rauschspannung an der Mikrofonkapsel bei einer Verzehnfachung des Wertes des Speisewiderstands 1 auf etwa 1/3 reduziert.
Die beiden oben genannten Gesichtspunkte für die Dimensionierung des Speisewiderstands 1 stehen daher im Gegensatz zueinander, so dass für seinen Wert in der Praxis ein Kompromiss gefunden werden muss. Nach heutigem Stand der Technik liegt sein Wert üblicherweise um 1 GΩ. Zu diesem liegt signaltechnisch meistens noch ein Widerstand 4 parallel, der die Arbeitspunkteinstellung des verstärkenden Elements des Pufferverstärkers 5 besorgt. Er muss nicht notwendigerweise, wie hier gezeichnet, nach Masse geschaltet sein. Der das thermische Rauschen der Eingangsschaltung bestimmende Widerstandswert reduziert sich damit noch weiter, in diesem Beispiel auf 0,5 GΩ. Zu diesem, durch die beiden Widerstände 1 und 4 verursachten thermischen Rauschen kommt noch das Rauschen der Verstärker 5 und 7 hinzu.
Bei einer Anordnung wie in 1 mit zwei signaltechnisch parallel geschalteten 1 GΩ-Widerständen beträgt der Rauschanteil der Widerstände an einer heute üblichen Kleinmembrankapsel mit 36 pF Kapazität etwa 1.1–1.2 μV (IEC-A). Der Rauschanteil der Verstärker ohne die beiden Widerstände 1 und 4 beträgt mit der gleichen Kapsel etwa 0.5 μV (IEC-A). Der weitaus größere Teil der Rauschspannung einer heute üblichen Kondensatormikrofonschaltung resultiert demnach aus dem thermischen Rauschen der Widerstände an der Kapsel. Eine Erhöhung dieser Widerstände wäre demnach wünschenswert, ist jedoch aus oben genannten Gründen nicht ohne Weiteres möglich.
Es sind auch bereits Schaltungsanordnungen nach 2 beschrieben worden. Die Polarisationsspannung ist hier variabel und in einen Regelkreis einbezogen. In 2 wird einem Verstärker 11 der Istwert X der Polarisationsspannung U_pol mittels des Spannungsteilers 24, 25 zugeführt. Eine Sollwert-Vorgabeschaltung 9' generiert den Sollwert W für den Verstärker 11. Dieser erzeugt entsprechend der Regelabweichung eine Stellgröße Y, welche die steuerbare Polarisationsspannungsquelle 20 nachstellt, bis Gleichheit von Istwert X und Sollwert W erreicht ist. Die Sollwert-Vorgabeschaltung 9' ist meist im Mikrofon integriert und durch digitale Logik (Mikroprozessor, PLD usw.) realisiert. Bei diesen Schaltungen dient die Einstellbarkeit der Polarisationsspannung einem oder mehreren der folgenden Zwecke: Einstellung einer Richtcharakteristik, Empfindlichkeitseinstellung, Kalibrierung und Kompensation von Herstellungstoleranzen. Diese Schaltungsanordnung verwendet als Regelgröße (Istwert) die Polarisationsspannung U_pol, welche als Urspannung dem Speisewiderstand 1 zugeführt wird.
Weiterhin wurde auch ein Funktionsprinzip nach der 3 im Stand der Technik beschrieben. Ein Operationsverstärker 500 oder Verstärker äquivalenter Funktionsweise bekommt hierbei die Kapselgleichspannung sowie das dieser überlagerte NF-Signal über seinen invertierenden Eingang zugeführt. Die NF-Spannung wird in invertierender Schaltung verstärkt, wobei das Verstärkungsmaß durch einen kapazitiven Spannungsteiler bestimmt wird, der aus einem Kondensator 52 sowie der Kapazität der Mikrofonkapsel 2 selbst gebildet wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 500 führt über einen Tiefpass, bestehend aus dem Widerstand 51 und dem Kondensator 53, und weiter über einen hochohmigen Speisewiderstand 1 der Mikrofonkapsel 2 die benötigte Polarisationsspannung U_pol zu. Der Sollwert der Kapselspannung U_K, hier das Bezugssignal B, üblicherweise Masse, liegt am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 500 an. Bei Abweichung der mittleren Kapselgleichspannung am invertierenden Eingang vom Sollwert am nichtinvertierenden Eingang regelt der Operationsverstärker 500 seine Ausgangsspannung solange nach, bis wieder Gleichheit von Ist- und Sollwert der Kapselspannung erreicht ist. Eine solche Schaltung ist somit in der Lage, durch ungünstige Umgebungseinflüsse verursachte absinkende Kapselspannungen in gewissen Grenzen auszuregeln. Die invertierende Verstärkung des NF-Signals im Operationsverstärker 500 bedingt jedoch den Nachteil eines deutlich erhöhten Rauschens. Die Rauschverstärkung der Eingangsspannung eines gegengekoppelten invertierenden Verstärkers mit hoher Leerlaufverstärkung beträgt A_R = 1 + A_S. Hierbei ist AR die Verstärkung der Eingangsrauschspannung des Verstärkers und A_S die Verstärkung des NF-Signals. Bei einer anzustrebenden Verstärkung des NF-Signals von ungefähr 1 wird die Eingangsrauschspannung des Operationsverstärkers somit schon um den Faktor 2 verstärkt. Eine NF-Verstärkung > 1 ist nicht anzustreben und wird in heutigen Schaltungen, die dem Stand der Technik entsprechen, auch nicht angewandt, da dies die Aussteuerungsreserve und den Dynamikbereich eines solchen Mikrofons unzulässig herabsetzen würde.
Ein weiterer, entscheidender Nachteil der bekannten Schaltung nach 3 ist die nur geringe Regelreserve des Operationsverstärkers 500 bei absinkender Kapselgleichspannung. Eine angemessene Regelreserve des Operationsverstärkers 500 von 50 bis 100 V würde eine Versorgungsspannung desselben bedingen, die noch um die maximal zu verarbeitende Signalwechselspannung höher sein müsste, somit also etwa 60 bis 110 V. Dieser Umstand liegt in der Tatsache begründet, dass NF-Verstärkung und Regelung der Kapselspannung in einem einzigen Operationsverstärker 500 gemeinsam durchgeführt werden. Als NF-Verstärker für das Kapselsignal muss der Operationsverstärker 500 jedoch sehr rauscharm und hochohmig ausgeführt sein. Ein solcher Verstärker kann nach heutigem Stand der Technik und in einem phantomgespeisten Mikrofon niedriger Leistungsaufnahme jedoch nur mit einer maximalen Versorgungsspannung von ca. 30 V betrieben werden. Bei einer veranschlagten maximalen Signalwechselspannung von 6 V_SS ist, Aussteuerungsreserven des Operationsverstärkers 500 berücksichtigend, somit nur noch eine Regelreserve für die Polarisationsspannung von rund 20 V vorhanden. Eine deutliche Erhöhung des Speisewiderstandes 1, die zur Verringerung des Rauschens der Schaltung unbedingt anzustreben ist, ist mit dieser bekannten Schaltung somit nicht realisierbar.
Eine exemplarische Schaltungsanordnung zur Darlegung des erfindungsgemäßen Prinzips ist in 4 wiedergegeben. Die Polarisationsspannung U_pol wird der Mikrofonkapsel 2 über einen relativ hochohmigen Speisewiderstand 1 von einem separat zum Pufferverstärker 5 vorgesehenen Regelverstärker 8 über eine Anschlussleitung 200 zugeführt. Gemäß der 4a enthält der Regelverstärker 8 als integrativen Bestandteil eine nachführbare Polarisationsspannungsquelle 20, die in der 4 und den nachfolgenden Figuren nicht gesondert dargestellt ist. Zur Erzielung eines möglichst geringen Rauschens soll der Wert von Speisewiderstand 1 vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 GΩ liegen. Je nach Anforderung und Einsatzzweck sind aber auch Werte von 1 bis 100 GΩ möglich.
Die Kapselspannung U_K gelangt gleichspannungsgekoppelt auf einen hochohmigen Pufferverstärker 5 mit einem JFET oder Anordnung aus JFETs als aktives Element. Die Eingangsspannung des aktiven Elements des Pufferverstärkers 5 ist somit gleich der Kapselspannung U_K. Damit ist auch der Arbeitspunkt des aktiven Elements des Pufferverstärkers 5 festgelegt. Der Pufferverstärker 5 leistet vorzugsweise eine Spannungsverstärkung um 1, so dass seine Ausgangsspannung der Kapselspannung U_K in etwa entspricht. Aber auch andere Übertragungsmaße von Pufferverstärker 5 sind möglich (Spannungsverstärkung/Abschwächung, Offset), solange die Ausgangsspannung des Pufferverstärkers 5 ein annähernd lineares Maß für die Kapselspannung U_K darstellt.
Die Ausgangsspannung des Pufferverstärkers 5 wird nun als Regelgröße X dem separaten Regelverstärker 8 zugeführt. Der Regelverstärker 8 ist hierzu über eine Messleitung 80 eingangsseitig an den Ausgang von Pufferverstärker 5 angeschlossen und greift dessen Ausgangsspannung ab. Der Regelverstärker 8 kann Schaltungselemente zur Verkleinerung der tatsächlichen Istwertspannung X beinhalten. Eine Referenzspannungsquelle 9 oder sonstige Sollwert-Vorgabeschaltung 9' generiert den Sollwert W für den Regelverstärker 8. Die Referenzspannungsquelle kann auch als integrativer Bestandteil des Regelverstärkers 8 ausgebildet sein. Der Regelverstärker 8 erzeugt durch Vergleich der Werte X und W entsprechend der Regelabweichung als Stellgröße Y eine variable Polarisationsspannung U_pol, welche über die Leitung 200 und den Speisewiderstand 1 der Mikrofonkapsel 2 zugeführt wird. Die Polarisationsspannung U_pol wird vom Regelverstärker 8 solange nachgestellt, bis der Wert der Kapselspannung U_K den Sollwert entspricht.
Der Regelverstärker 8 enthält die für den Regelvorgang erforderlichen zeit- und verstärkungsbestimmenden Glieder (P-, I-, D-Anteile in entsprechender Kombination). Steigt nun der Kapselleckstrom an der Mikrofonkapsel 2 infolge ungünstiger Umgebungseinflüsse (Feuchtigkeit usw.) an, so sinkt infolge steigenden Spannungsabfalls am Speisewiderstand 1 die Kapselspannung U_K. Der Regelverstärker 8 erzeugt nun als Stellgröße Y eine steigende Polarisationsspannung U_pol, bis die Kapselspannung U_K wieder dem Sollwert entspricht. Ein steigender Spannungsabfall am Speisewiderstand 1 wird demnach durch eine Erhöhung der Urspannung bzw. Polarisationsspannung U_pol ausgeglichen. Da die Kapselspannung U_K immer auf konstantem Wert gehalten wird, können sinkende Kapselwiderstände keinen Empfindlichkeitsverlust des Mikrofons mehr verursachen. Andererseits kann so ein relativ hoher Wert für den Speisewiderstand 1 von 1 bis 100 GΩ, vorzugsweise 5 bis 15 GΩ gewählt werden, wodurch das Rauschen der Schaltung erheblich reduziert wird. Ein Vorspannungswiderstand für den Pufferverstärker 5 ist nicht mehr notwendig, da der Pufferverstärker 5 seine Vorspannung als Kapselspannung U_K zugeführt bekommt.
Der Pufferverstärker 5 erfüllt in der Schaltung gemäß 4 somit zwei Zwecke: zum einen versorgt er den separat vorgesehenen Regelverstärker 8 mit der Regelgröße X; zum anderen leitet er das schallanaloge NF-Signal, welches der Kapselspannung U_K überlagert ist, an den Ausgang A des Mikrofons weiter. Zwischen dem Pufferverstärker 5 und der Ausgangsleistung A des Mikrofons können noch ein oder mehrere NF-Verstärker sowie Schaltungselemente zur Abtrennung des Gleichspannungsanteils zwischengeschaltet sein, die in den Figuren der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind.
Die Pufferung der Kapselspannung U_K und die Vorverstärkung des von der Mikrofonkapsel erzeugten NF-Signals einerseits und die Regelung der Kapselgleichspannung U_pol andererseits werden somit mit zwei separaten Verstärkern durchgeführt. Der Pufferverstärker 5, welcher auch der Vorverstärkung des NF-Signals dient, kann somit als rauscharmer nichtinvertierender Verstärker, z. B. in Form eines FET-Spannungsfolgers ausgeführt werden. Die Regelverstärkung und Nachfolgung der Polarisationsspannung U_pol hingegen wird von einem an den Ausgang des Pufferverstärkers 5 angeschlossenen weiteren Verstärker, der als Regelverstärker 8 bezeichnet wird, bewirkt, der bei Bedarf für entsprechend hohe Regelreserven und kleine Leistungsaufnahmen dimensionierbar ist.
Eine weitere Ausführungsform ist in der 5 wiedergegeben. Die Schaltung entspricht grundsätzlich derjenigen aus 4, mit dem Unterschied, dass die variable Polarisationsspannung U_pol vom Ausgang des Regelverstärkers 8 der Mikrofonkapsel 2 hier über eine steuerbare Feldeffekttransistor-(FET)-Stromquelle 40, 41 zugeführt wird. Die Funktion der Schaltung gemäß 5 ist folgende:
Eine feste Polarisationsspannungsquelle 30 versorgt über den Speisewiderstand 1 die Mikrofonkapsel 2 mit der Polarisationsspannung U_pol. Solange kein erhöhter Leckstrom in der Mikrofonkapsel 2 fließt, entspricht die sich einstellende Kapselspannung U_K annähernd dieser festen Polarisationsspannung U_pol aus der Spannungsquelle 30 (U₃₀). Der dem Regelverstärker 8 zugeführte Sollwert W ist so gewählt, dass in diesem Zustand mit U_K ungefähr gleich U₃₀ die Spannung U_pol ausreichend negativ ist, um einen P-Kanal-FET 41 zu sperren. Dieser bekommt die Spannung U_pol vom Regelverstärker 8 über einen Widerstand 42 der oberen Kanalelektrode zugeführt. Da FET 41 in diesem Zustand sperrt, ist der Widerstand 42 vollkommen von der Mikrofonkapsel 2 getrennt. Das signalmäßig geerdete Gate von FET 41 isoliert das Widerstandsrauschen von Widerstand 42, so dass dieses nicht auf die Mikrofonkapsel 2 „durchrauschen" kann. In diesem statischen Zustand wird die Mikrofonkapsel 2 also lediglich vom Widerstand 1 gespeist und der FET 41 sowie die mit ihm verbundenen Bauteile leisten keinen Beitrag zum Gesamtrauschen der Schaltung gemäß 5.
Verringert sich durch einen erhöhten Leckstrom in der Mikrofonkapsel 2 die Kapselspannung U_K, so verringert sich auch der am Ausgang des Pufferverstärkers 5 abgegriffene und dem separaten Regelverstärker 8 zugeführte Wert X und dessen Ausgangsspannung U_pol wird nun positiver. Eingekoppelt über die Leitung 200 auf dem Widerstand 42 steigt nun auch das Potential der oberen Kanalelektrode von FET 41. Sobald dieses Potential in etwa das Gate-Potential von FET 41 erreicht hat, welches durch eine Hilfsspannungsquelle 40 festgelegt ist, fängt der FET 41 an zu leiten und die Mikrofonkapsel 2 erhält vom Regelverstärker 8 über den Widerstand 42 eine zusätzliche Speisespannung. Der hohe Wert des Widerstands 42, der vorzugsweise in der Größenordnung von 0,5 bis 5 GΩ liegt, wirkt für den als Stromquelle fungierenden FET 41 dabei als wirksamer Gegenkopplungswiderstand im Source-Pfad, der das Funkelrauschen des FET 41 stark herabsetzt.
Ein besonderer Vorteil dieser Stromquellenschaltung gemäß 5 mit einem FET 41 ist es, dass diese einen relativ hohen Gleichstrom in die Mikrofonkapsel 2 einspeisen kann, ihr dynamischer (Wechselstrom-)Widerstand dabei aber hoch bleibt, so dass die Funktionsfähigkeit der Schaltung auch bei relativ hohen Kapselleckströmen erhalten bleibt. Die Funktionsfähigkeit eines solchen Mikrofons kann somit auch noch bei Umgebungseinflüssen gewährleistet werden, bei denen eine reine Widerstandsspeisung nach 4 bereits nicht mehr funktionsfähig ist.
Alternativ kann in der Schaltung nach 5 als Stromquelle auch ein N-Kanal-FET anstelle des FET 41 zum Einsatz kommen. Die Polarität aller Spannungsquellen in der Schaltung ist dann zu vertauschen und die Mikrofonkapsel 2 wird hierbei mit einer negativen Polarisationsspannung betrieben. Für den Wert des Speisewiderstandes 1 gilt das in der Beschreibung der Ausführungsform nach 4 gesagte.
Es ist auch eine Kombination der geregelten Widerstandsspeisung nach 4 und der geregelten Stromquellenspeisung nach 5 in der Weise denkbar, dass in der Schaltung nach 5 die feste Polarisationsspannungsquelle 30 durch eine nachführbare ersetzt wird, die von einem weiteren Regelverstärker gesteuert wird. In dieser An ordnung würde bei steigendem Kapselleckstrom zuerst die Spannung dieser jetzt variablen Polarisationsspannungsquelle 30 erhöht, bis die Regelreserve dieses Regelkreises erreicht ist. Danach erst würde der Regelkreis mit dem Regelverstärker 8 und FET 41 wirksam und es erfolgte eine zusätzliche Speisung über den FET 41.
Für das Regelsystem aus Regelverstärker 8, Referenzspannungsquelle 9 und Istwertabgriff über die Leitung 80 gelten die für die 4 gemachten Ausführungen sinngemäß. Die Sollwertvorgabe kann wie in 4 auch über eine Vorgabeschaltung 9' realisiert sein. Ebenso können zwischen dem Pufferverstärker 5 und der Ausgangsleitung A des Mikrofons noch ein oder mehrere NF-Verstärker sowie Schaltungselemente zur Abtrennung des Gleichspannungsanteils zwischengeschaltet sein.
Eine weitere Schaltungsvariante zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt 6. Hier liegt die Mikrofonkapsel 2 in Serie mit einer zusätzlichen Spannungsquelle 11. Diese zusätzliche Spannungsquelle 11 erzeugt eine Gegenspannung zur eigentlichen Kapselspannung U_K, d. h. eine Spannung mit umgekehrter Polarität zur Kapselspannung U_K. Die absolute Kapselspannung U_K tritt jetzt nicht mehr gegen Masse auf; sondern das Potential der oberen Kapselelektrode (am Verstärkereingang von Pufferverstärker 5) wird vielmehr um die Gegenspannung der Spannungsquelle 11 reduziert. Die sich einstellende resultierende Eingangsgleichspannung U_E am Pufferverstärker 5 kann somit auf handhabbare Werte herabgesetzt werden, die beispielsweise den Einsatz eines üblichen rauscharmen JFET-Verstärkers für den Pufferverstärker 5 ermöglichen. Je nach Schaltungsvariante sind positive oder negative Eingangsgleichspannungen U_E am Eingang von Pufferverstärker 5 realisierbar.
Die 6a zeigt exemplarisch im Ausschnitt aus 6 eine Schaltungsvariante für negative Eingangsgleichspannung-U_E. Das relativ niedrige Potential U_E dient gleichzeitig als Vorspannung für das aktive Verstärkerelement des Pufferverstärkers 5, womit sich besondere Schaltungsglieder zur Vorspannungserzeugung für dieses aktive Verstärkerelement erübrigen. Für das Regelsystem aus Regelverstärker 8, Referenzspannungsquelle 9 und Istwertabgriff über die Leitung 80 zum separaten Regelverstärker 8 gelten die für 4 gemachten Ausführungen sinngemäß. Die Sollwertvorgabe kann wie in 4 auch über eine Vorgabeschaltung 9' realisiert sein. Ebenso können zwischen Pufferverstärker 5 und der Ausgangsleitung A des Mikrofons noch ein oder meh rere NF-Verstärker sowie Schaltungselemente zur Abtrennung des Gleichspannungsanteils zwischengeschaltet sein.
Das Prinzip der Reduzierung des oberen (aktiven) Kapselpotentials gegen Masse nach 6 kann auch in Verbindung mit der geregelten Stromquellenspeisung nach 5 angewandt werden oder auch in Verbindung mit der Kombination aus geregelter Widerstandsspeisung nach 4 und geregelter Stromquellenspeisung nach 5.
In einer weiteren Ausführungsform nach 7 erfolgt die Spannungsversorgung für den Pufferverstärker 5 durch eine hochliegende Versorgungsspannungsquelle 22. Eine Hilfsspannungsquelle 21 bestimmt das absolute Potential der hochliegenden Versorgungsspannungsquelle 22 gegen Masse, welches so gewählt wird, dass die Versorgungsspannung des Pufferverstärkers 5 annähernd symmetrisch zu seiner Eingangsspannung U_E ist. Auf diese Weise ist eine Gleichspannungskopplung zwischen der Mikrofonkapsel 2 und dem Pufferverstärker 5 möglich, wobei die Eingangsgleichspannung des Pufferverstärkers 5 wie in der Schaltung nach 6 auf handhabbare Werte herabgesetzt werden kann. Die Schaltung nach 7 besitzt jedoch gegenüber derjenigen nach 6 den Vorteil, dass die Mikrofonkapsel 2 einseitig auf Masse liegen kann, was besonders für Kleinmembranmikrofone bedeutsam ist. Für das Regelsystem aus Regelverstärker 8, Referenzspannungsquelle 9 und Istwertabgriff über Leitung 80 gelten die für die 4 gemachten Ausführungen sinngemäß. Die Sollwertvorgabe kann wie in 4 auch über eine Vorgabeschaltung 9' realisiert sein. Ebenso können zwischen Pufferverstärker 5 und der Ausgangsleitung des Mikrofons noch ein oder mehrere NF-Verstärker sowie Schaltungselemente zur Abtrennung des Gleichspannungsanteils zwischengeschaltet sein.
Das Prinzip der Reduzierung der Eingangsgleichspannung für den Pufferverstärker 5 nach 7 kann auch in Verbindung mit der geregelten Stromquellenspeisung nach 5 angewandt werden oder auch in Verbindung mit der Kombination aus geregelter Widerstandsspeisung nach 4 und geregelter Stromquellenspeisung nach 5.
Die nachfolgende Tabelle zeigt den Vergleich eines nach konventioneller Technik aufgebauten Mikrofons mit einem erfindungsgemäß aufgebauten Mikrofon nach 7.

Bei beiden Mikrofonen handelt es sich um Kleinmembranmikrofone in Niederfrequenzschaltung:

Schaltung	Kapselkapazität	Feldleerlaufübertragungsfaktor	Geräuschspannung (IEC-A)	Ersatzgeräuschpegel (IEC-A)
konventionell nach Fig. 1	36 pF	15 mV/Pa	1.2–1.3 μV	12–13 dBA
erfindungsgemäß nach Fig. 7 mit 15 GΩ für Wid. 1	36 pF	15 mV/Pa	0.64 μV	< 7 dBA

Es wird die erhebliche Verbesserung der Rauscharmut des erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons deutlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0096778 A1 [0003]
- EP 1585365 A1 [0008]
- US 2006/0062406 A1 [0008]
- US 2006/0147061 A1 [0008]
- DE 2020739 A1 [0009]

Claims

Kondensatormikrofon mit einer als Kondensator ausgebildeten Mikrofonkapsel (2), die von einer eine Polarisationsspannung (U_pol) abgebenden Spannungsquelle (20) über einen Speisewiderstand (1) mit einer Kapselspannung (U_K) beaufschlagbar ist und mit einem der Mikrofonkapsel (2) nachgeordneten Pufferverstärker (5) für das von der Mikrofonkapsel erzeugbare niederfrequente (NF-)Signal, wobei die Polarisationsspannung (U_pol) in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Sollwert (W) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (20) einen zu dem Pufferverstärker (5) separaten Regelverstärker (8) umfasst, mittels dessen die Kapselspannung (U_K) mit dem vorgebbaren Sollwert (W) vergleichbar ist und bei Abweichung der Kapselspannung (U_K) vom Sollwert (W) die Polarisationsspannung (U_pol) der Spannungsquelle (20) entsprechend nachführbar ist.
Kondensatormikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelverstärker (8) eingangsseitig mit dem Ausgang des Pufferverstärkers (5) zum Abgriff der vom Pufferverstärker (5) erzeugten Ausgangsspannung verbunden ist.
Kondensatormikrofon nach einen der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Mikrofonkapsel (2) verbundene Pufferverstärker (5) mit einer eigenen Versorgungsspannungsquelle (22) ausgebildet ist.
Kondensatormikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofonkapsel (2) in Serie mit einer Spannungsquelle (11) geschaltet ist, mittels derer eine Gegenspannung zur Kapselspannung (U_K) erzeugbar ist.
Kondensatormikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Speisewiderstand (1) einen Wert von 1 bis 100 GΩ, vorzugsweise 5 bis 15 GΩ aufweist.
Kondensatormikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle für die Mikrofonkapsel eine Polarisationsspan nungsquelle (30) umfasst, die über den Speisewiderstand (1) mit der Mikrofonkapsel (2) zur Beaufschlagung derselben mit der Polarisationsspannung (U_pol) verbunden ist und der Regelverstärker (8) über einen Feldeffekttransistor (41) an- und abschaltbar mit der Polarisationsspannungsquelle (30) parallel geschaltet ist, dergestalt, dass bei einer Abweichung der Kapselspannung (U_K) vom Sollwert (W) der Feldeffekttransistor durchsteuerbar ist und mittels des Regelverstärkers (8) die Polarisationsspannung (U_pol) entsprechend nachführbar ist.
Kondensatormikrofon nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsspannungsquelle (40) vorgesehen ist, mittels derer das Gate-Potential des Feldeffekttransistors (41) erzeugbar ist.
Kondensatormikrofon nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelverstärker über einen Gegenkopplungswiderstand (42) mit dem Feldeffekttransistor (41) verbunden ist
Kondensatormikrofon nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkopplungswiderstand (42) einen Wert von 0,1 bis 10 GΩ, vorzugsweise 0,5 bis 5 GΩ aufweist.
Kondensatormikrofon nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsspannungsquelle (30) in Abhängigkeit von der Kapselspannung (U_K) regelbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kondensatormikrofons, welches eine als Kondensator ausgebildete Mikrofonkapsel (2) umfasst, die von einer eine Polarisationsspannung (U_pol) abgebenden Spannungsquelle (20) über einen Speisewiderstand (1) mit einer Kapselspannung (U_K) beaufschlagt wird und das von der Mikrofonkapsel (2) erzeugte niederfrequente Signal von einem Pufferverstärker (5) verstärkt wird, wobei die Polarisationsspannung (U_pol) der Spannungsquelle (20) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (20) einen vom Pufferverstärker (5) separaten Regelverstärker (8) umfasst, der die Kapselspannung (U_K) abgreift und mit einem vorgegebenen Sollwert (W) vergleicht und bei Abweichung vom Sollwert (W) eine entsprechende Veränderung der Polarisationsspannung (U_pol) der Spannungsquelle bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gegenspannung zur Kapselspannung (U_K) erzeugt wird, so dass die Eingangsspannung (U_E) des der Mikrofonkapsel (2) nachgeschalteten Pufferverstärkers (5) reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polarisationsspannungsquelle (30) die Mikrofonkapsel (2) mit einer Polarisationsspannung (U_pol) beaufschlagt und der Regelverstärker (8) mittels eines Feldeffekttransistors bei einer Abweichung der Kapselspannung (U_K) vom Sollwert (W) zuschaltbar ist, um die Mikrofonkapsel (2) mit zusätzlicher Polarisationsspannung (U_pol) zu beaufschlagen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsspannungsquelle (30) in Abhängigkeit von der Kapselspannung (U_K) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Gate-Potential des Feldeffekttransistors (41) von einer Hilfsspannungsquelle (40) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferverstärker (5) von einer Versorgungsspannungsquelle (22) versorgt wird, deren absolutes Potential gegen Masse von einer Hilfsspannungsquelle (21) bestimmt wird.