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Schaltunganrodnung für kapazitive mechanisch-elektrische Wanller Die
Erfindung betrifft kapazitative mechanischen-elektrische Wanller, wie sie als Mikrofone
in z.B. Fernsprechanlagen, aber auch als Druck- und Beschleunigungswanller in der
Mestechnik Verwendung finden. Das kapazitative Wanllerprinzip ist von den Kondensator-Mikrofonen
her bekannt.
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Kondensator-Mikrofone haben die Vorteile geringer Verzerrung, geringer
bewwgter Masse und damit hoher Grenzfrequenz, benötigen aber zwischen der bewegten
und der feststehenden Elektrode eine Polarisationsspannung, die zumeinst einer zurätzlichen
Stromquelle entnommen wird. Die Stromversorgung bereitet daher Schwierigkeiten,
wenn in Fernsprechapparaten die zweipolige Kohlemikrofonkappel durch ein Kondensator-Mikrofon
ersetzt werden soll. Von der geringen zur Verfügung stehenden Betriebsspannung von
3 bis 12 Volt läßt sich der dem kapazitativen Wanller nachzuschaltende Transistorverstärker
betreiben, aber nciht ohne weiteres noch eine Polarisationsspannung abzweigen.
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Zur umgehung dieser Schwierigkeit wurde bereits vorgeschlagen (DAS
1 276 729), die Polarisationsspannung durch ein Elektromaterial als Dielektrum zwischen
den Kondesatorplatten des Kondensatormokrofons zu ereugen. Ähnlich wie ein Pernanntsmagnet
ein magnetisches Kraftlinienfeld besitzt, bildet das schichtförmige Elektret aus
einem granulierten Polykarbonat ein elektrostatischen @@@ Die mechanische Festigkeit
des Elektroden und die zeitliche und temperaturabhängige Konstanz einer selbst-Polarisationsspannung
reichen jedoch nicht immer aus. Gerade von der Größe der Polarisationsspannung ist
aber die Empfindlichkeit (Senlebezugsdämfung) des Mikrofons stark abhängig.
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Der Erfindung leigt die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltunganordnung
für einen kapazitativen mechnaisch-elektrischen Wandler, im besonderen eine Mokrofoneinheit,
bestehend uas einem Kondensator-Mikrofon und einem Transistorverstärker, anzugeten,
bei welcher eine konstante Polarisationsspannung aus der Leitungsanhängig veränlerlichen
Speisespannung entnommen wird.
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Diese Mikrofoneinheit roll als Zweipol ausgebildet, in Fernsprechsapparaten
statt der bisher verwendeten Kohlemikrofonkapseln einsetzbar sein und einen möglichst
geringen Speisestrombedarf haben.
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Die Erfindung löst die aufgabe durch eine Schaltungsanordnung, die
den Anschluß der Belegungen des kapazitiven Wechselspannungsgebers an die Gatter
(gate)- und Zufluß (source)- Elektoroden eines bestimmten, in den Ansprüchen und
der Beschreibung näher erläuterten, Metalloxyd-Halbleiter-Zeldeffekt-Transistors
(MCS-FET) vorsicht. Die Erfindung ist besonders dadurch gekennzeichnet, daß sich
an dem kapazitiven Wechselspannungsgeber automatisch eine Polarisationsspannung
einstellt, die durch die dem MCS-Feldeffekt-Transistor eingeprägte gate-source-Schwellenspannung
(threshold voltage) gegeben ist und die durch Stromsteuerung des angeschlossenen
galvanisch gekoppelten Transistorverstärkers so konstant gehalten wird, daß die
Differenz zwischen lieser konstanten Spannung und der Speisspannung an den Widerständen
des Speigestromkreises abfällt.
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Ein besondere Ausbildung der Erfindung sieht einen Konstantstromregler
im Speisestromkreis des Transistorverstärkers vor, so daß seine Stromaufnahme und
damit die an ihm anstehende Spannung unabhängigvon Leitungswiderstand und Speisespannung
wird, auch wenn beide stark schwanken.
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Dieser Stromregler oder eine zusätzliche Gleichrichteranordnung schützen
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die elektronischen Bauelements vor Schädeen
durch Falschpolung der Speissespannung.
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Besonders vorteilshaft wirkt sich auf die Kleinheit, Betriebssicherheit
und Wirtschaftlichkeit der Schaltungsanordnung aus,
wenn sie gemäß
weiterer Ausbildung der Erfindung als Integrierte Schaltung in monolithischer Bauweise
verwirklicht wird.
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Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführungs der Erfindung
des Stromlaufplanes eines Kondensator-Mikrofons mit Transistorverstärker.
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Der Wechelspanungsgeber, in diesem Fall das Kondensator-Mikrofon 4
mit einer festen und einer schwingenden Belegungs (Membrane), liegt mit seinen Anschlüssen
an den Gate- und Source-Elektroden G und S des MCS-Feldeffektransistors 1, wobei
zweckmäßig die schwingenie Membrane an das Gate angeschlossen ist.
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Der sehr hochohmige Widerstand 5 führt dem - in einer Arbeitsweise
noch näher zu beschreibenen - MCS-Feldeffekttransistor 1 über die Gate-Elektrode
G Durchlaßspannung und dem Kondensatormikrofonidie Polarisationsspannung zu, Verändert
sich bei Besprechung der Membrane des Mikrofon dessen Kapazität, dann entstehen
im Rhythmus der Sprachschwingungen am Gate Tontfrequenzspannungen, die in der Transistorkaskade
1, 2 und 3 verstärkt als Widerstandsschwankungen der Kollektor-Emitter-Strecke des
Ausgangstransistors 3 in Erscheinung treten. Diese Schwankungen modulieren den Speisestrom
aus der batterie 9 in gleicher Art wie ein Kohlemikrofon mit seinem veränderlichen
Innenwiderstand und können beispielsweise durch ein als Außenwiderstand im Stromkreis
liegendes Telefon hörbar gemacht werden.
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Die vom Kondensatormiktofon an das gate G abgegenen 7 anfrequenzspannungen
steigen überproportional mit der Polarisationsspannung an und auch die Verstärkung
des Transistorverstärkers steigt mit der an den Punkten X und G liegenden Speisespannung.
Andereseits ist es wünschenswert, den Seniepegel des Mikrofons unabhängig von der
Größ der Speisespannung 9 und des Leitungswiderstandes 8 zu halten.
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Diese Aufgabe übernimmt erfindungsgemäß der MCS-Feldeffekttransistor
1, wenn er von den vielen möglichen die nachstehenden Eigenschaften hat.
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Er muß (im Gegensatz zu Sperrschicht-Feldeffekttransistoren) eine
Gate-Elektrode heben, die durch eine Oxydschicht vom Halbleiter elektrisch isoliert
ist. Der Drain-Strom, des ist der Strom über die Zufluß (source)-Abfluß (drain)-Strecke
S-l dF3 Halbleiterkirtalls, muß bei der Gate-Source-Spannung von C Volt ebenfalls
0 sein und beim N-Kenal-Typ bei positiver, beim P-Eanal-Typ bei negativer Gate-Spannung
durch Influenz und erhöhung der Elketronendichte im Gebiet unter dem Gate ansteigen;
die für den Stromtransport notwendigen Ledungstrager müssen alqo ernst durch Anlegen
der Durchlaßspannung an das Gate im Kanalgebiet "angereichert" werden.
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Feldeffekttransistoren mit diesen Eigenschaften sind "selbstsperend"
(normally-off), d.h. nichtleitend bei O Volt Gatespannung und vom Anreicherungstyp
(enhancement type). Der Drain-Strom diese Transistoren steigt eret an, wenn die
Gate-Spannung vom Source-Potential kommend und in Richtung Drain-Potential ansteigend,
eine bestimmte Schwellenspapnung (threshold-voltage) erreicht. Je nach Ausführung
und Dotierung des Transistors kann diese Schwellenspannung zwischen 3 und 12 Volt
liegen. Vorteilhaft ist, daß dies Spannung bei diesem Transistortyp innerhalb des
Potentialbereiche der Drain-und Source-lektroden liegt und unter Finsparung einer
zusktzlichen Stromquelle der Speisespannung des Trnnsistor-Mikrofons entnehmbar
ist.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise dieses MOS-Feldeffekttransistors innerhalb
der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsenorinung Pei vorerst angenommen, dA
die Bauelemente 10 bis 14 durch die, die Punkte X und Y Überbrückende Verpolungsschutzdiode
7 ersetzt sind.
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Die Batterieepannung 9 liegt über dem Widerstand 8, die Diode 7 und
den Widerstand 5 an den hochisolierten Kapazitäten des Kondensatormikrofons 4 und
der Gate-Source-Strecke des MOS-Feldeffekttransistors 1 (die Gegenelektrode zum
Gate, das Substrat, ist elektrisch mit Source verbunden). Solange die Batteriespannung
die Schwellenspannung des MOS-Feldeffekttransistors nicht erreicht, fließt in ihm
kein Drain-Strom
und damit auch kein Strom durch die Verstärkertransistoren
2 und 3. Erst beim Uberachreiten der Schwellenspannung steigt der Drain-Strom an
und würde durch die hohe Verstärkung der nachfolgenden Transistoren zu einem Kurzschlußstrom
über die Kollektor-RmittPr-strecke des Transistors 3 anwachsen, wenn nicht der Spannungsabfall
am Widerstand 8 die Spannung an den Punkten X und Z bei der Schwellenspannung (
vermehrt um die etwa 1 Volt der Spnnnungsabfälle nn den drei Transistoren) festhalten
würie, solange die Batteriespannung einen Mindostbetrag über der Schwellenspannung
liegt, regelt sich der Arbeitspunkt nue der steilen, Zenerdiodenartigen Strom-Span
nungskurve auf konstante Polarisationsspannung am Mikrofon ein, womit die rmpfindlichkeit
des Transistormikrofons weitgehend unabhängig von Spannungs'schwankungen und Leitungswiderständen
ist.
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In Speisestromkreisen mit niedrigem Innenwiderstand 8 oder hohen Schwankungen
der peisespannung 9 läßt sich die ttegelwirkung noch verbessern, wenn dem Transistormikrofon-Zweirol
in die eine an sich bekannte Konstantstrom-Regeleinrichtung vorgeschaltet wird;
ihr Innenwiderntand steigt mit der Batteriespannung automatisch an und hält damit
den Speisestrom unabhängig vorn nnungs- und Leitungsschwankungen. Durch die Stromregelung
lassen sich die Toleranzen des Innenwiderstandes des Verstärkerausganges (gemessen
an X und Z) herabsetzen; der Soll-Widerstand wird durch die Daten des Transistors
3 und dessen (nicht dargestellten) Strom und Spannungsgegenkopplungen bestimmt.
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In der Zeichnung ist zwischen die Punkte X, Y und Z ein Beispiel eines
an sich bekannten Konstantstrom-eglers eingezeichnet. Die Schutzdiode 7 kann jetzt
entfallen, da der Regler den Vrrpolungsschutz mit übernimmt. Der Speisestrom ffir
den Transietor-Verstarker fließt vom positiven Punkt Y über den niederohmigen Widerstand
10, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 8 zum Tunkt X und iiber den Verstärker
zurück zum Minuspol der Stromquelle 9. Bei Strömen unter dem mit dem Widerstand
10 einstellbaren Sollwert überwiegt der konstante Spannungsabfall an der in Durchlaßriichtung
durchflonsenen Diode 11 gegenüber dem Spannungsabfall am Widerstand 10, die Basis
den pnp-Transistore 14 ist in Durchlaß
richtung negativ vorgespannt
und der Spannungsabfall an seiner Kollektor-Rmitter-Strecke beträgt nur vehntelvolt.
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überwiegt bei hoher Betriebsspannung 9 und dnmit verbundenem höheren
Strom über den Widerstand 10 der Spannungsabfall an diesem Widerstand gegenüber
der Diodenspannung 11, so wird der Transistor 14 hochohmig gesteuert und nimmt einen
Teil der Batteriespannung 9 auf; er ist kapazitiv (Kondensator 13) überbrückt, damit
er nicht auch für die vom Transistor 3 erzeugten Wechselströme einen Widerstand
bietet.
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Die Schutzdiode 7 oder die Stromregeleinrichtung 1C bis 14 verhindern,
daß bei versehentlicher Umpolung der otromquelle 9 ein die elektronischen Bauelemente
beschädigender Strom fließt; ein Betrieb bei Umpolung ist in diesem Pall nicht möglich.
Soll das Transistormikrofon bei beiden Tolungsrichtungen arbeiten, so kann in bekannter
Weise seine Speisung über einen Graetz-Vollweggleichtichter geführt werden.
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Der außergewöhnlich hohe Eingangswiderstand des geschilderten MOS-Feldeffekttransistors
erlaubt Vorspannwide.rstände 5 in der Größenordnung von 1G7 Chm, womit eine nur
geringe Bedämpfung des ebenfalls sehr hohen Quellwiderstandes des kapazitiven Wandlers
gegeben ist. Der Widerstand 6 verringert zwar den Steuerstrom durch die parallelliegende
Basis-Emitter-Strekke des Vprstärkertransistors 2, er erhöht aber gleichzeitig den
Drain-Strom und damit die Steilheit des MOS-Feldeffekttransistors 1 und bewirkt
insgesamt eine größere Verstärkung der Darl ington-Schaltung.
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Bei Verwendung der Schaltungsanordnung als Mikrofon-Zweipol in Fernsprechapparaten
ist es zweckmäßig, die Bauelemente in Gehäuse der Form der bekannten Kohlemikrofone
einzubauen.
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hierbei würde sich die ganz oder teilweise Ausführung als Integrierte
Schaltung, statt mit diskreten Bauelementen, raumsparend auswirken.
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Es liegt im Rahmen der erfindung, unter jeweiliger Umpolung der Speisespannung
npn- oder pnp-Transistoren, bzw, Kanal oder N-Kanal MOS-Feldeffekttransistoren einzusetzen,
oder
die Schaltungsanordnung für kapazitive Geber zu verwenden,
deren bewegliche Elektrode nicht von tonfrequentem Schall, sondern anderen mechaninchen
Größen, wie Druck, Beschleunigung usw. beaufschlagt werden.