-
Verstärkerschaltung für kapazitive Mikrophone Der elektrische Innenwiderstand
einer Kondensatormikrophon-Kapsel wird praktisch nur durch eine kleine Kapazität,
d.h. durch eine Impedanz, die im Bereich der hörbaren Frequenzen sehr grosse Werte
besitzt, gebildet.
-
Übliche Kapselkapazitäten liegen zwischen 30 und 80 pF, bei Kleinstmikrophonen
für besondere Zwecke strebt man noch kleinere Werte an.
-
Damit diese Mikrophonkapseln eine dem Schalldruck proportionale Spannung
abgeben können, werden sie über einen Widerstand auf eine verhältnismässig hohe
Gleichspannung aufgeladen. Der Widerstand muss sehr gross sein, weil die Ladung
bei Beschallung annähernd konstant bleiben soll und auch bei den tiefsten zu ubertragenden
Frequenzen nicht während einzelner Halbwellen zu-und abfliessen darf. Ferner muss
er extrem gross sein, weil nur dann das Widerstandsrauschen durch die parallelgeschaltete
Kapselkapazität kurzgeschlossen und vom Verstärkereingang ferngehalten wird. Bei
neueren Mikrophonen sind Widerstandswerte von 1 Giga-Ohm Ublich. Als nachgeschaltete
Verstärkerelemente werden vielfach Feldeffekt-Transistoren benutzt. Widerstände
dieser Grössenordnung zwingen zur Verwendung extrem guter Isolierstoffe fUr die
Mikrophonkapseln und die am Verstärkereingang liegenden Bauelemente, da schon eine
Verunreinigung oder Feuchtigkeitseinflusse, z.B. eine Benetzung der Oberfläche mit
kondensierendem Wasserdampf, wie sie beim Übergang von einem kalten in einen warmen
Raum vorkommen kann, Oberflächenwiderstände derselben Grössenordnung hervorrufen
und damit zu Störungen der Übertragung führen können.
-
Um die beschriebenen Schwierigkeiten infolge der hohen Impedanzen
vermeiden und mit niedrigen Impedanzen arbeiten zu können, hat man deshalb auch
Hochfrequenzschaltungen angewendet, bei denen Wechselspannungen von
z.B.
einigen MHz durch die Mikrophonkapsel moduliert und danach wieder demoduliert werden.
Diese Schaltungen sind aber komplizierter und in anderer Weise störanfällig, z.B.
bei gegenseitiger Verstimmung der verwendeten Schwingungskreise oder Brückenschaltungen.
Die Gefahr einer Verstimmung ist hierbei grösser als in sonstigen Hochfrequenzschaltungen,
weil die Grundkapazität einer Kondensatormikrophon-Kapsel weniger konstant als diejenige
eines Festkondensators ist. Es wird daher weitgehend nur noch die zuerst beschriebene
einfachere Schaltung, die sog. Niederfrequenzschaltung, angewendet Die vorliegende
Erfindung zeigt Wege auf, wie man unter Beibehaltung der Niederfrequenzschaltung
dennoch an den Anschlüssen der Mikrophonkapsel zu niedrigen Impedanzwerten und damit
zu sehr geringen Anforderungen an die Isolation und die Feuchtigkeitssicherheit
der am Verstörkereingang liegenden Bauelemente kommt.
-
Die Betriebssicherheit des Kondensatormikrophons auch unter ungünstigen
klimatischen Verhältnissen wird durch diese Massnahmen ganz erheblich heraufgesetzt
.
-
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass bei einem Kondensatormikrophon
in Niederfrequenzschaltung, bestehend aus der Mikrophonkapsel und einem nachgeschalteten
Verstärker, dieser Verstärker eine hohe Leerlaufverstärkung besitzt, insbesondere
als Operationsverstärker ausgebildet ist, auf dessen invertierenden Eingang die
Mikrophonkapsel geschaltet und dessen Ausgang Uber eine eine Gegen kopplung bewirkende
Kapazität mit dem am invertierenden Eingang liegenden Anschluss der Mikrophonkapsel
verbunden ist. Die Mikrophonkapsel selbst bildet somit ein Glied des kapazitiven
Spannungsteilers, der den Gegenkoppl ungsgrad bestimmt.
-
Die Wirkungsweise der neuen Schaltung und die Möglichkeiten zur weiteren
Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sollen anhand der Fig. 1 ... 5 beispielsweise
erläutert
werden: In allen Figuren wird mit 1 die Mikrophonkapsel, mit 2 ein Verstärker, z.B.
ein Operationsverstärker, dessen Eingangsstufen mit Feldeffekt-Transistoren ausgerüstet
sind, und mit 3 eine Gleichspannungsquelle fUr die Polarisationsspannung der Kapsel
bezeichnet. Die G leichspannungsquelle 3 kann entfallen, wenn Kapseln verwendet
werden, die unter Ausnutzung des Elektret-Effekts permanent polarisiert sind.
-
Fig. 1 veranschaulicht beispielsweise das Prinzip des Erfindungsgedankens:
Die von der Kapsel 1 abgegebene Wechselspannung wird dem invertierenden Eingang
4 des Operationsverstärkers 2 zugeführt, der ausserdem über den Widerstand 7 mit
dem Bezugspotential 0 der Schaltung verbunden ist.
-
Widerstand 7 verbindet zugleich den nicht unmittelbar mit der Kapsel
1 verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle 3 mit der einen Elektrode-der Kapsel,
während die andere Elektrode der Kapsel 1 an dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle
3 unmittelbar liegt. Der nicht invertierende Eingang 5 wird mit dem Bezugspotential
0 verbunden.
-
Das Besondere der Erfindung besteht darin, dass die Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 2 vom Ausgang 6 Uber eine Kapazität 9 direkt auf den am
invertierenden Eingang 4 liegenden Kapselanschluss zurückgeführt wird.
-
Die Kapsel 1 ist also in den fUr die Gegenkopplung massgebenden kapazitiven
Spannungsteiler einbezogen. Die sich hierdurch ergebende kapazitive Spannungsgegenkopp
1 ung ist frequenzunabhängig .
-
Die Eingangsimpedanz des Operotionsverstärkers 2, der die Leerlaufverstärkung
VO besitzt, nimmt als Folge der G¢genkopplung den Charakter einer Kapazität Ce an,
deren Grösse angenähert VO Cg beträgt.
-
(Cg = Kapazität 9 der Fig. 1) Mit einer Kapselkapazitöt Ck von z.B.
30 pF, VO = 105 und Cg = 10 pF
besitzt der Verstärker 2 eine Eingangskapazität
von 105 10 pF = 1 pF.
-
Für Kapselkapazitäten der genannten Grössenordnung arbeitet die Mikrophonkapsel
1 also praktisch auf einen Kurzschluss. Die Nutzspannung der Kapsel 1 wird am Verstärkereingang
4 entsprechend der kapazitiven Teilung verkleinert und dann um den Faktor 10D verstärkt;
insgesamt ergibt sich demnach mit den im Beispiel gewählten Werten eine Spannungsverstärkung
V = Ck/C9= 3, d.h. das Verhältnis von Ck : Cg gibt unmittelbar die sich ergebende
Gesamtverstärkung an.
-
Entscheidend fUr die erzielbare Verbesserung ist die am Verstärkereingang,
d.h. an der Stelle, die bei herkömmlichen Kondensatormikrophonen am anfälligsten
gegen Isolationsfehler durch Feuchtigkeit und Schmutz, sowie gegen kapazitiv einwirkende
Störspannungen ist, auftretende grosse Kapazität. Sie stellt eine so kleine Impedanz
dar, dass nunmehr Fehlströme durch Isolationsfehler, sowie kapazitiv auf den Eingang
wirkende Störspannungen um mehrere Grössenordnungen (im Beispiel um den Faktor Vo
C9 = 33333) grösser sein dürfen, ehe sie den Störeffekt hervorrufen, 77 der sich
ohne die beschriebenen Massnahmen ergeben hätte.
-
Die Schaltung nach Fig. 2, bei der anstelle des Widerstandes 7 ein
Widerstand 8 parallel zur Kapazität 9 eingefügt ist, bietet folgende Vorteile: Bei
dem Verstärker nach Fig. 1 könnte eine Verschiebung (Drift) des Gleichspannungspotentials
am Eingang eintreten, die zu einer Verschiebung des einmal gewählten Arbeitspunktes
führen kann. Die Verstärkung dieser Drift wird nämlich jemöss weiterer Ausbildung
der Erfindung in der Schaltung nach Fig. 2 weitgehend herabgesetzt, da etwaige Gleichspannungsönderungen
vom Ausgang 6 auf den Eingang 4 gegengekoppelt werden.
-
Die durch die Parallelschaltung von Kapazität 9 und Widerstand 8
am Eingang 4 zvstandekommende Phasendrehung hat einen Verstärkungsabfall zu tiefen
Frequenzen hin zur Folge, der z.R. an die untere
Grenze des Hörbereichs
gelegt und zum Ausblenden tieffrequenten Störschalls benutzt werden kann.
-
Da die Kapazität 9, wie aus dem obigen Beispiel ersichtlich ist, recht
kleine Werte annehmen kann, muss man den Widerstand 8 sehr gross wählen; z.B. muss
er für die im obigen Beispiel angesetzten Werte und eine untere Grenzfrequenz von
40 Hz einen Wert von etwa 400 MR erhalten.
-
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die damit verbundenen
Isolations- und Fehlstromprobleme vermieden werden. Der Widerstand 8 ist in die
beiden wesentlich kleineren Widerstände 10 und 11 aufgeteilt. Ferner ist der Verbindungspunkt
beider Widerstände über eine Kapazität 12 mit dem Bezugspotential 0 verbunden, die
wesentlich grösser als die Kapazitäten 1 und 9 gewählt werden kann.
-
In diesem Fall wird durch das niederohmig ausführbare RC-Glied aus
den Elementen 10 und 12 vorzugsweise die untere Grenzfrequenz F des Verstärkers
u festgelegt. Der Widerstand 11 kann, wenn sein Widerstandswert gross gegenüber
dem Blindwiderstand der Kapazität 12 bei der Frequenz Fu ist, als wechselsponnungsmossig
der sehr grossen Eingangskapazität des Verstärkers 2 parallelgeschaltet angesehen
werden. In diesem Falle bleibt sein Beitrag zum Eingangsrauschen des Verstärkers
sehr klein. Er kann aber auch so ausgebildet werden, dass er in Verbindung mit der
Eingangskapazitöt des Verstärkers ein weiteres, den Frequenzgang bei tiefen Frequenzen
beeinflussendes RC-Glied bildet.
-
Ein besonderer Vorteil der Schaltung nach Fig. 3 besteht darin, dass
die Driftverstärkung auf nahezu den Wert 1 herabgesetzt werden kann.
-
Die Schaltung gemäss-Fig . 4 kann zur Anwendung kommen, wenn kein
Operationsverstärker zur Verfugung steht, bei dem die Eingangsstufen mit
Feldeffekttransistoren
ausgerüstet sind. Der vor den invertierenden Eingang 4 geschaltete Feldeffekttransistor
16, beispielsweise ein N-Kanal-Typ, arbeitet in "common-drain"-Schaltung, also in
einer Verstärkerschaltung, bei der ein Pol des Eingangs und ein Pol des Ausgangs
gemeinsam auf dem Potential der Abflusselektrode D("Drain") liegen. Diese Schaltung
wird auch "Source follower" genannt. Er kann seinen Betriebsstrom aus der positiven
(13) und negativen (14) Speisespannungsquelle des Operationsverstärkers entnehmen.
Mit 15 ist der an der "Source"- (Quellen-) Elektrode S liegende Arbeitswiderstand
bezeichnet. Eine gegebenenfalls störende Ausgangsoffset-Spannung kann durch den
Einstellwiderstand 24 ausgeglichen werden. Die Ausgangsoffset-Spannung ist die verstärkte
Ruhespannungs-Differenz zwischen den Verstärkereingängen 4 und 5.
-
Bei der Schaltung nach Fig. 5 wird die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers
2 durch die zwischen dem Ausgang 6 und dem Bezugspotential 0 liegenden Widerstände
18 und 19, deren Verbindungspunkt mit dem invertierenden Eingang 4 verbunden wird,
auf einen festen Wert eingestellt.
-
Dem nicht-invertierenden Eingang wird ein in "Common-Source" -Schaltung
arbeitender Feldeffekt-Transistor, beispielsweise vom N-Kanal -Typ, vorgeschaltet.
Bei der"Common-Source'LSchaltung liegen je ein Pol der Eingangs-und Ausgangsspannung
gemeinsam an der Quellenelektrode S ("Source").
-
Da die vorgesetzte Verstörkerstufe die Phase um 1800 dreht, kann sein
Gat-Anschluss G ("Gate") auch als ein zweiter invertierender Eingang des Operationsverstärkers
betrieben werden. Mit 20 ist der Arbeitswiderstand an der "Droin"-Elektrode D (Abflusselektrode>,
mit 21 der 11Source11-Widerstand
zum Erzeugen der "Gate"-Vorspannung bezeichnet. Er kann mit der Kapazitot 26 für
Wechselspannungen Uberbrückt sein. Die "Gate"-Elektrode bekommt ihr Gleichpotential
über den Widerstand 27, der hier nur so gross zu sein braucht, dass die in ihm entstehende.
Rauschspannung von der. Eingangskapozitat der Schaltung bis zu den tiefsten zu Ubertragenden
Frequenzen wirksam kurzgeschlossen wird.
-
Die Eingangskapazität wird, wie oben beschrieben, durch den auf die
Kapsel wirkenden Gegenkopplungskondensator 9 um mehrere Grössenordnungen heraufgesetzt,
bei dieser Schaltung jedoch nicht um den Faktor der Leerlaufverstdrkung Vo, sondem
um den mittels der Widerstände 18 und 19 eingestellten, im allgemeinen innerhalb
des Übertragungsbereichs konstanten Verstärkungsfaktor V des Operationsverstärkers
2, multipliziert mit dem Ve rstörkungstaktor der vorgesetzten Fel deffekttransistor-Stufe
.
-
Besondere Vorteile dieser Schaltung sind: Der Widerstand 19 kann sehr
klein gewählt werden. Sein Betrag zum Rauschen der Schaltung bleibt daher sehr klein.
-
Der Feldeffekttransistor 17 arbeitet auf den sehr grossen Eingangswiderstand
des nicht-invertierenden Eingangs 5, d,h. praktisch im Leerlauf, und braucht nur
kleine Wechselspannungen zu verarbeiten. Die Widerstände 18 und 19 können zur Beeinflussung
des Frequenzganges in bekannter Weise mit Blindwiderständen, vorzugsweise Kapazitäten,
kombiniert werden.
-
Die Fig. 5 zeigt eine Schaltung für die Ankopplung der Kapsel 1, die
es gestattet, diese einpolig mit dem Bezugspotential 0 bzw. dem Mikrophongehäuse
zu verbinden. Über die RC-Kombination 22, 23, 25 wird die aus der Gleichspannungsquelle
3 stammende Kapselvorspannung von der übrigen Schaltung ferngehalten. Diese Anordnung
lösst sich auch bei den anderen Mikrophonschaltungen nach der Erfindung anwenden.
-
Ein besonderer Vorteil aller dieser Schaltungen besteht darin, dass
die Gesamtverstärkung beim Entfernen der Mikrophonkapsel 1 auf angenähert den Wert
eins zurückgeht.
-
Der Verstärker 2 kann sowohl aus Einzeltransistoren als auch als Operationsverstärker,
z.B. in Hybrtätechnik oder als monolithisch-integrierte Schaltung
aufgebaut
sein. Entscheidend ist nur, dass er eine hinreichende Spannungsverstärkung sowie
ausreichend geringe Rcuscheigenschaften aufweist.