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Die Erfindung betrifft Mikrofone, insbesondere Kondensatormikrofone.
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Hintergrund
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Mikrofone sind Schallwandler, die Druckschwankungen der Umgebung in Strom- oder Spannungsänderungen umsetzen. Dies passiert in den in Mikrofonen enthaltenen Mikrofonkapseln, die normalerweise entweder nach dem dynamischen Prinzip oder dem kapazitiven Prinzip funktionieren. Im Folgenden sind mit Mikrofonen die Mikrofonkapseln gemeint. Dynamische Mikrofone enthalten eine Spule, die sich entsprechend dem Schalldruck in einem Magnetfeld bewegen kann, so dass in der Spule eine Spannung induziert wird. Die Impedanz eines dynamischen Mikrofons ist sehr gering. Bei Mikrofonen, die nach dem kapazitiven Prinzip funktionieren, kann sich eine leitfähige Membran gegenüber einem feststehenden leitenden Element, z.B. einer Platte, entsprechend dem Schalldruck bewegen. Dadurch ändert sich die Kapazität der Anordnung, weshalb Mikrofone dieser Bauform auch als Kondensatormikrofone bezeichnet werden. Kondensatormikrofone haben im Gegensatz zu dynamischen Mikrofonen eine sehr hohe Impedanz und liefern sehr geringe elektrische Stromstärken im kaum messbaren Bereich. Dementsprechend erfordern Kondensatormikrofone Verstärker mit sehr hoher Eingangsimpedanz. Oft wird ein Feldeffekttransistor (FET) als Impedanzwandler in unmittelbarer Nähe oder als Teil der Mikrofonkapsel eingebaut. Eine Bauform von Kondensatormikrofonen, bei denen eine Elektrode mit einem elektrisch geladenen Elektret beschichtet ist, wird als Elektretmikrofone bezeichnet.
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Kondensator- und Elektretmikrofone sind grundsätzlich sehr empfindlich gegen elektromagnetische Störeinstrahlungen. Daher werden üblicherweise nicht erst im Verstärker, sondern schon im Mikrofon Maßnahmen zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) getroffen. Dazu gehören sogenannte Ferrite (ferrite beads), die in die Zuleitung des Mikrofons gelegt werden, um insbesondere hochfrequente Störungen auszufiltern. Ferrite im engeren Sinn sind weichmagnetische Materialien, die aus gepressten und gesinterten Mischungen von Metalloxiden bestehen und eine hohe relative Permeabilität haben, so dass sie für Spulen mit hoher Induktivität bei kleiner Bauform benutzt werden können. Hier sind mit Ferriten jedoch Bauelemente mit im Wesentlichen induktiven Eigenschaften gemeint, also im Prinzip Spulen oder Drosseln, die zur Erhöhung ihrer Induktivität einen weichmagnetischen Kern enthalten. Zwar werden Ferrite in elektrischen Schaltplänen als von einer Leitung durchquerter Magnetring dargestellt, aber als Ersatzschaltbild wird üblicherweise das gleiche Symbol wie für eine Spule benutzt. Oft werden Ferrite in sehr kleinen Bauformen zur Entstörung verwendet, sogenannte SMD (surface mounted device)-Ferrite.
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Ein Schaltbild einer bekannten Anordnung für Kondensator- bzw. Elektretmikrofone mit solchen Ferriten ist in 1 dargestellt. Die kapazitive Mikrofonkapsel M ist zur Verstärkung und Impedanzwandlung an das Gate eines Feldeffekttransistors (FET) J1 angeschlossen, der über einen Kondensator C1 rückgekoppelt ist. Der FET hat eine nichtlineare Kennlinie, die elektromagnetische Einstrahlung demodulieren und somit hörbare Störgeräusche erzeugen kann. Durch die Rückkopplung über C1 arbeitet der FET als Spannungsverstärker, während er sonst nur als Impedanzwandler fungieren würde. Viele EMV-Störungen, die in die Schaltung einstreuen können, werden durch die Ferrite X1, X2 blockiert und gleichzeitig durch den Kondensator C2 kurzgeschlossen, so dass sie nicht über die Zuleitung Z1, Z2 des Mikrofons weitergeleitet werden. EMV-Störungen, die in die Zuleitung Z1, Z2 einstreuen, werden über den Kondensator C3 kurzgeschlossen.
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Es hat sich aber gezeigt, dass die EMV-Störfestigkeit von Kondensatormikrofonen weiter verbessert werden kann. Insbesondere wenn Kondensatormikrofone in direkter Nähe von Störungsquellen betrieben werden, z.B. nahe an einer Sendeantenne eines Mobilgerätes wie etwa einem Smartphone, oder bei Drahtlosmikrofonen nahe an der eigenen Sendeantenne, dann besteht Bedarf für verbesserte EMV-Entstörung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Kondensatormikrofons mit erhöhter EMV-Störfestigkeit bzw. mit geringerer Empfindlichkeit für EMV-Einstrahlung.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Kondensatormikrofon bzw. Elektretmikrofon gemäß Anspruch 1. Erfindungsgemäß wird mindestens ein induktives Bauelement, z.B. ein SMD-Ferrit, zwischen einer kapazitiven Mikrofonkapsel und dem Gate eines FET geschaltet. Insbesondere kann das mindestens eine zwischengeschaltete induktive Bauelement (X3, X4) ein SMD-Ferrit sein. In einer Ausführungsform werden zwei SMD-Ferrite als zwischengeschaltete induktive Bauelement (X3, X4) sowie optional ein zwischen beiden SMD-Ferriten angeschlossener Rückkopplungskondensator (C1) verwendet. Wie allgemein bekannt ist, können induktive Bauelemente auch (parasitäre) kapazitive Eigenschaften und/oder einen Ohm'schen Widerstand haben, wobei aber die induktive Eigenschaft überwiegt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Ansprüchen 2-8 beschrieben.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt. Darin zeigt
- 1 ein Schaltbild eines bekannten Kondensatormikrofons;
- 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons;
- 3 einen Vergleich der Unterdrückung von EMV-Einstrahlung beim bekannten und beim erfindungsgemäßen Kondensatormikrofon;
- 4 ein Blockdiagram eines Funkmikrofons; und
- 5 ein Diagramm der Dämpfungsfunktionen zweier unterschiedlicher induktiver Bauelemente.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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2 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons 100. Die kapazitive Mikrofonkapsel M ist zur Verstärkung und Impedanzwandlung an das Gate eines Feldeffekttransistors (FET) J1 angeschlossen, der optional über einen Kondensator C1 rückgekoppelt ist. Wenn der Kondensator C1 vorgesehen wird, arbeitet der FET als Verstärker. Anderenfalls arbeitet der FET als Impedanzwandler. Viele EMV-Störungen, die in die Schaltung einstreuen können, werden durch die Ferrite X1, X2 blockiert und gleichzeitig durch den Kondensator C2 kurzgeschlossen, so dass sie nicht über die Zuleitung Z1, Z2 des Mikrofons weitergeleitet werden. EMV-Störungen, die in die Zuleitung Z1, Z2 einstreuen, werden über den Kondensator C3 kurzgeschlossen. Zusätzlich werden jedoch hochfrequente EMV-Störungen, die in die Mikrofonkapsel M oder deren direkte Anschlüsse einstreuen, durch mindestens ein induktives Bauelement wie ein Ferrit X3, X4 blockiert. Dabei kann das Ferrit die Rückkopplung mit einbeziehen, wie X4, oder vor dem Rückkopplungskondensator angeschlossen werden, wie X3. In einer Ausführungsform werden mindestens zwei induktive Bauelemente X3, X4 in die Verbindung zwischen der Mikrofonkapsel M und dem FET J1 eingefügt. In diesem Fall können mehrere oder alle induktiven Bauelemente X3, X4 gleich sein, so dass sich ihre Wirkung verstärkt. Allerdings ist es ist besonders vorteilhaft, wenn die induktiven Bauelemente X3, X4 nicht alle gleich sind, sondern auf unterschiedliche Störfrequenzen abgestimmt sind. Außerdem können bei mehreren induktiven Bauelementen X3, X4 diese mit unterschiedlichen Bandbreiten auf die unterschiedlichen Störfrequenzen abgestimmt sein. Daher ist eine Reihenschaltung verschiedener Ferrite X3, X4 auch ohne Rückkopplung über den Kondensator C1 sinnvoll.
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Das mindestens eine induktive Bauelement X3, X4 hat dabei eine beabsichtigte, auf eine bestimmte Frequenz oder ein Frequenzband abgestimmte Induktivität, die über einen lediglich parasitären Effekt hinausgeht. Insbesondere kann das induktive Bauelement, bzw. mindestens eines der zwei oder mehr induktiven Bauelemente X3, X4, ein Ferrit oder SMD-Ferrit sein. SMD-Ferrite haben z.B. gegenüber Abschirmblechen oder sogenannten Ferritperlen den besonderen Vorteil, dass sie sehr klein sind und sich maschinell bestücken lassen.
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Da das mindestens eine induktive Bauelement X3, X4 an das Gate des FET J1 angeschlossen ist, wird es nur von einem äußerst geringen Strom durchflossen. Deshalb war konventionell an dieser Stelle ein induktives Bauelement nicht vorgesehen, weil die Wirkung induktiver Bauteile auf der Stärke des sie durchfließenden Stroms beruht.
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Trotzdem bewirkt das induktive Bauelement eine deutliche Verbesserung der EMV-Störfestigkeit bzw. eine deutlich geringere Empfindlichkeit für EMV-Einstrahlungen. 3 zeigt einen Vergleich der Übertragungsfunktionen und damit der Unterdrückung von EMV-Einstrahlung beim bekannten und beim erfindungsgemäßen Kondensatormikrofon. Die Kennlinie 310 des bekannten Kondensatormikrofons nach 1 liegt fast im gesamten Frequenzbereich oberhalb der Kennlinie 320 des erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons nach 2. Dabei beziehen sich im Prinzip alle Frequenzen oberhalb einiger MHz auf EMV-Störungen. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Kondensatormikrofon sorgt für eine verbesserte Dämpfung im Wesentlichen aller ungewollten Störfrequenzen. Wie aus 3 ablesbar, beträgt die durchschnittliche Dämpfung zumindest oberhalb von 200 MHz etwa das 10-fache der Dämpfung der bisher bekannten Schaltung. Insbesondere betrifft die verbesserte Dämpfung einen kritischen Bereich bei 800-1000 MHz, insbesondere um 900 MHz, weil diese Frequenzen nicht nur von Drahtlosmikrofonen, sondern auch von Mobiltelefonen (z.B. GSM-Band) benutzt werden. Damit wird z.B. die von Smartphone-Antennen ausgehende Störeinstrahlung deutlich reduziert.
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Die in 2 gezeigte Schaltung bezieht sich auf eine Mikrofonkapsel M, die als Elektretkapsel ausgeführt ist. Bei Verwendung einer Mikrofonkapsel M, die als Echtkondensator ausgeführt ist, ist z.B. ein sehr hochohmiger Widerstand R zur Erzeugung einer Vorspannung vorzusehen. Dieser kann ggf. noch über einen weiteren Kondensator vom FET entkoppelt werden.
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4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Funkmikrofons. Das eigentliche Mikrofon 100 gemäß 2 ist über seine Zuleitungen Z1, Z2 mit eine Verstärker 200 verbunden, der das verstärkte Mikrofonsignal an eine Sendereinheit 300 weiterleitet. Dieser sendet das Signal über seine Antenne Ant. Dabei werden oft Frequenzen im UHF-Band (470 - 865 MHz) sowie Frequenzen in Bereichen um 1800 MHz und um 2400 MHz verwendet. Insbesondere bei gleichzeitiger Verwendung mehrerer Funkmikrofone wird deren gegenseitige EMV-Störeinstrahlung durch die Erfindung deutlich reduziert, und damit die Audio-Übertragungsqualität verbessert. Das Mikrofon 100, der Verstärker 200 und die Sendereinheit 300 mit der Antenne Ant können in einem gemeinsamen Mikrofongehäuse 400 untergebracht sein, das der Nutzer z.B. in der Hand halten oder an einem Smartphone befestigen kann, oder das sich an der Kleidung des Nutzers befestigen lässt.
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5 zeigt exemplarisch ein vereinfachtes Diagramm der Dämpfungsfunktionen zweier unterschiedlicher induktiver Bauelemente X3, X4, die auf unterschiedliche Störfrequenzen abgestimmt sind. Außerdem sind in diesem Beispiel die beiden induktiven Bauelemente X3, X4 mit unterschiedlichen Bandbreiten auf die unterschiedlichen Störfrequenzen abgestimmt. Während eines der induktiven Bauelemente, z.B. X3, eine maximale Dämpfung bei einer Frequenz f1 bei einer Bandbreite von B1 aufweist, hat das andere induktive Bauelement, z.B. X4, eine maximale Dämpfung bei einer anderen Frequenz f2 und weist dabei eine andere Bandbreite B2 auf. Insbesondere die schmalbandige Kurve kann einen speziellen Frequenzbereich gezielter dämpfen, wie z.B. den von Mobiltelefonen benutzten Bereich 800-900 MHz oder 1,8 GHz, oder den von WLAN (IEEE-802.11) benutzten Bereich um 2,4 GHz oder 5 GHz. Die breitbandige Kurve ist weniger effektiv, deckt aber mehr mögliche Störfrequenzen ab.
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Da Mobilfunksender (wie Mobiltelefone) und WLAN-Sender sehr verbreitet sind, stellen sie eine besonders häufige Quelle von EMV-Störungen dar. Diese Störeinstrahlungen in Mikrofone können durch die Erfindung effektiv reduziert werden. Auch Störeinstrahlungen anderer Frequenzen werden stärker reduziert, wie oben gezeigt.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für Kondensatormikrofone mit eingebautem FET, wobei als Mikrofonkapseln sowohl Echtkondensatorkapseln wie auch Elektretkapseln verwendet werden können. Im Gegensatz zu den Elektretkapseln erfordern Echtkondensatorkapseln eine Vorspannung, was sich durch einen zusätzlichen hochohmigen Widerstand erreichen lässt.
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Im Prinzip ist die Erfindung aber auch für andere Schaltungen mit FET Eingangsstufe zur Reduktion von EMV-Störeinstrahlung einsetzbar, z.B. in Telekommunikations- und Aufnahmegeräten.
