-
-
Verstärker für eine Signalouelle hoher Dynamik
-
Die Erfindung betrifft einen Verstärker, wie im Oberhegriff des Patentanspruches
1 angegeben. Er läßt sich bevorzugt als Mikrofonverstärker verwenden.
-
Zur Anpassung des Pegels der mittels eines Nikrofcns erzeugten Signale
an den Pegel der Übertragungsleitung eines Tonstudios ist es üblich, ein einstellbares
Verstärkungsglied und/oder eine Begrenzerschaltung zu verwenden. Die Verstärkung
des einstellbaren Verstärkungsgliedes wird dabei so eingestellt, daß bei den erwarteten,
vom Mikrofon aufgenommenen, lautesten Schallereignissen am Ausgang dvs Verstärkungsgliedes
ein vorgegebener Pegelwert erscheint.
-
Fur den Fall, daß die eingestellte Verstärkung z.B. bei einigen Aufnahmeteilen
einer Tonaufnahme zu so hohen Fegelwerten am Ausgang des Verstärkungsgliedes führt,
daß die Übertragungsleitungen bzw. die angeschlossenen Tonübertragungs- oder Tonaufzeichnungsgeräte
übersteuert werden können, kann eine 3egrenzerschaltung- vorgesehen sein.
-
Eine solche Anordnung verhindert zwar für einen praktisch brauchbaren
Pegelbereich die Überschreitung eines aorgegebenen Nennpegels. Es läßt sich dabei
jedoch nicht vermeiden, daß bei unerwartet hohen Signalpegeln der voreingestellte
Verstärker selbst übersteuert wird. per nachfolgende Begrenzer begrenzt dann nur
noch ein schon verzerrtes Signal.
-
Zur Vermeidung der Verzerrungen könnte man daran denken, den pegel
vor dem Vorverstärker ständig so weit ab zusenken, daß Übersteuerungen des Vorverstärkers
ausgeschlossen sind. Dann aber tritt an den leisen Stellen des zu übertragenden
Tonereignisses das Rauschen störend hervor.
-
SchlieBlich wäre es als Ausweg denkbar, eine selbsttätige Dynamikregelung
für die Verstärkung des Vorverstärkers vorzusehen, indem dem Vorverstärker ein Hüllkurvendetektor
nachgeschaltet wird, mit dessen Äusgangsgröße die Verstärkung des Vorverstärkers
geregelt wird. Eine solche Anordnung hätte aber den Nachteil, daß durch die Rückführung
des Ausgongsgröße des Hüllkurvendetektors zum geregelten Vorverstärker dessen äquivalenter
Rauschwiderstand erhöht wird. Gerade bei einem Vorverstärker, beispielsweise einem
Mikrofonverstärker ist es aber wichtig, daß dieser rauscharm ist.
-
In der UP-PS 3 714 462 ist ein Verstärkungssteuersystem beschreiben,
bei dem das elektrische Steuersignal auf einem Steuersignalweg so zugeführt wird,
daß die Rauscheigenschaften nicht verschlechtert werden. Dieses System weist einen
Logarithmierer und einen nachgeschalteten Delogarithmierer auf; beide enthalten
Halbleiter mit logarithmischer Übertragungscharakteristik. Zur Verstärkungsbeeinflussung
können diese Halbleiter steuerbar sein; in äquivalenter
Weise kann
zu diesem Zweck aber auch zum Ausgangssignal des Logarithmierers ein Steuersiganl
addiert werden. Übersteuerungen des Logarithmierers sind weitgehend vermeidbar,
denn er enthält einen Operationsverstärker mit einer Rückführung mit logarithmischer
Spannungs-Strom- Kennlinie. Durch diese Rückführung fließen bei starker Aussteuerung
große Ströme über die Eingangsklemme, chne aen -oserationsverstärker zu übersteuern.
Daher ist eine Verstärkungssteuerbarkeit über einen Bereich von wenigstens + 50
dB bei geringen Verzerrungen erzielbar. Bei Verwendung dieser Schaltung als Vorverstärker
ergeben sich aber bezüglich der Rauscharmut dadurch Probleme, daß ein dem Operationsverstärkereingang
vorzuschaltender Widerstand einerseits so groß bemessen sein sollte, daß die Signalquelle
(z.B. Mikrofon) nicht unzulässig stark belastet wird, andererseits aber ein großer
Widerstand auch einen großen Rauschbeitrag liefert.
-
Wie anfangs angedeutet, wird beispielsweise als Vorverstärker fiir
ein Mikrofon ein Verstärker benötigt, der einen hohen Dynamikumfang verarbeiten
kann, d.h., der wenig rausch und der möglichst übersteuerungsfest ist. durch eine
ständig eingreifende, selbsttätige Dynamikregelung, würde der Dynamikumfang am Ausgang
des Verstärkers eingeschränkt werden.
-
Eine ständig eingreifende, selbsttätige Dynamikregelung kommt daher
nicht infrage, vielmehr muß der Verstärker den ganzen Dynamikumfang der Signal quelle
möglichst gut verarbeiten können, ja der Dynamikumfang des Verstärkers sollte sogar
noch über denjenigen der Signalquelle hinausgehen, weil der Dynamikbereich der Signal
quelle nicht inner vorausschauend genau in den Dynamikbereich des Verstärkers hineingelegt
werden kann, sondern nach oben oder unter verschoben sein kann. Dann muß durch Einstellen
einer Führungsgröße die mittlere Verstärkung so eingestellt werden, daß der Dynamikbereich
der Signalquelle im zulässigen Dynsmikbereich
des Verstärker bleibt.
Eine automatische Dynamikregelung sollte lediglich dazu dienen, bis zur korrekten
Einstellung der Führungsgröße Übersteuerungen zu vermeiden. Dabei wird die automatische
Dynamikregelung um so seltener eingreifen müssen oder gar ganz entbehrlich sein,
je größer d-er Dynamikbereich des Verstärkers ist.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker mit möglichst hohem
Dynamikbereich anzugeben, um das Rauschen und Übersteuerungen bis zur korrekten
Einstellung der Führungsgröße möglichst weitgehend zu vermeiden.
-
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Mit der Erfindung ist von folgenden Überlegungen ausgegangen worden.
Um nicht schon in der ersten Stufe des Verstärkers unerwünscht hohe Rauschanteile
zu erzeugen, mußte dafür gesorgt werden, daß diese erste Stufe einet hohen Dynamikumfang
verarbeiten kann, ohne daß die Ausgangsgröße eines Hüllkurvendetektors regelnd in
einerWeise auf sie einwirkt, daß das Rauschen erhöht wird. Hierzu erschien die bekannte
Verstärkungseinrichtung mit Logarithmierer und nachgeschaltetem Delogarithmierer
geeignet, was die obere Grenze des Dynamikbereiches betrifft, also die Grenze, bis
zu der eine übersteuerungsfreie Aussteuerung möglich ist.
-
Aber an der unteren Grenze des Dynamikbereiches, wo das Rauschen störend
in Erscheinung tritt, hat sich das be kannte Verstärkungssystem als unzureichend
erwiesen. Nit der Erfindung ist es gelungen, hier einen Ausweg dadurch zu finden,
daß eine Kombination eines umdimensionierten Logarithmierers mit nacheschaltetem-
Delogsithmierer und
eines vorgeschalteten Impedanzwandlers als Verstärker
fürdie Signalquelle hoher Dani:iik verwendet wirc. Die U'2" sionierung besteht darin,
daß der Vorwiderstand, der der Operationsverstärker des Logarithmierers vorgeschaltet
ist, in einer Weise verringert wird (im Extremfall bis zu 0 Ohm), daß - wie erwünscht
- das Rauschen vermindert wird; dadurch würde jedoch gleichzeitig die Signalquelle
in unzulässiger Weise belastet werden. Es wird daher ein Impedanzwandler vorgeschaltet,
so daß nicht mehr der an sich für Signale hoher Dynamik geeignete Logarithmierer
die Eingangsstufe des Verstärkers bildet, sonder der Impedanzwandler, der sich aber
leicht so gestalten läßt, daß er eine hohe Dynamik verarbeiten kann, ohne einen
störenden Beitrag zum Rauschen zu leisten.
-
Damit ist es möglich, die zu verstärkenden Signale schon weitgehend
verzerrungsfrei zu verarbeiten. Allenfalls im Delogarithmierer können dann noch
Übersteuerungen auftreten, wenn die oben erwähnte Führungsgröße für die Einstellung
des Eingangspegels des Verstärkers nicht richtig gewählt ist. Diese Übersteuerungsgefahr
ist aber geringer, als wenn auf die erfindungsgemäßen Merkmale verzichtet wird.
-
Um auch noch diese Übersteuerungsgefahr im Delogarithmierer zu verringern,
ist einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung entsprechend zur Erzeugung des
Steuersignals, mit dem das Ausgangssignal des Logarithmierers beeinflußt werden
kann, ein Hüllkurvendetektor vorgesehen, der am Signalweg hinter der ersten Stufe,
bevorzugt hinter den Delogarithmierer angeordnet -ist. Dabei wird das vom Hüllkurvendetektor
gelieferte Steuersignal, dem noch die Führungsgröße (Sollwert) zugefUgt werden kann,
bevorzugt zu einem Addierer oder Subtrahierer geführt, der zwischen dem Logarithmierer
und dem Delogarithmierer angeordnet ist.
-
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
näher erläutert 1 das Ig. 1 zeigt, whrerq Fig. 2 eine Alternative für ein Detail
der Fig. 1 darstellt Die Schaltung/zeigt ein Mikrofon 1 mit nachgeschaltetem Annach
Fig. 1 passungsübertrager 2, dessen Übertragungsverhältnis in der Regel zwischen
1 : 1 und 1 : 3 liegen wird. Es folgt der bereits zum Verstärker nach der Erfindung
zählende Impedanzwandler 3, der bevorzugt als Emitterfolger aufgebaut ist und eine
Spannungsverstärkung von ungefähr 1 -hat. Bei Verwendung eines dynamischen Mikrofon
als Mikrofon 1, das dann zusammen mit dem Anpassungsübertrager 2 als Signalquelle
dient, kann die Spannungsverstärkung des Impedanzwandlers auch oberhalb von 1 liegen
und im Extremfall bis zu 15 betragen. Bei Verwendung eines Kondensatormikrofon ist
eine Spannungsverstärkung des Impedanzwandlers bis zu v = 3 s mvoll.
-
Es folgt ein Vorwiderstand R für einen Operationsverstärker 4, der
Teil eines Logarithmierers 5 ist, Im dargestellten Beispiel hat der Vorwiderstand
R einen Wert von ca. 100 Ohm.
-
Er ist damit so niedrig gewählt, daß er keinen wesentlichen Rauschbeitrag
leistet, wenn man bedenkt, daß das Mikrofon 1 beispielsweise einen Innenwiderstand
von 200 Ohm aufweist, an welchen über den Anpassungsübertrager 2 der Eingangsinnenwiderstand
des Impedanzwandlers 3 angepasst ist.
-
Der niedrige Widerstandswert des Vorwiderstandes R würde ohne das
Vorhandensein des Impedanzwandlers 3 zu einer ;Rehlanpassung des LogariQhaierers
5 5 an den ausgang des Anpassungsübertragers 2 führen und danit die Signal quelle
zu stark belasten. Diesen Nachteil beseitigt der Impedanzwandler 3, der auf der
anderen Seite infolge seiner geringen Spannungsverstärkung bei den vorkommenden
spannungsspitzen der Signalquelle ausreichend übersteuerungsfest ist, weil sein
Versorgungsgleichspannung im Verhältnis zu seinem erforderlichen Ausgangshubbereich
ausreichend hoch gewählt ist.
-
Der Logarithmierer 5, welcher die erste Stufe des im Prinzop bekannten
Verstärkungssystems mit den Addierern 6 und 7 und dem Delogarithmierer 8 bildet,
enthalt in zwei Rückführungen (für jede Polarität der vom Mikrofon 1 galieferten
Signale eine Rückführung) als nichtlineares Bauelement jeweils einen unterschiedlich
gepolten Transistor T1, 2, dessen logarithmische Durchlaßkennlinie hier ausgenutzt
wird, um zu einem linearen Eingangsspannungsverlauf am togarithmierer 5 einen logarithmischen
Ausgangsspannungsverlauf an den ausgangsklemmen Al und M2 zu erreichen. Durch die
nichtlineare Rückführung wird eine Momentanwert-Kompression der Ausgangsspannungswerte
des Logarithmierers gegenüber seinen Eingangsspannungswerten erzielt und damit eine
Übersteuerung der ersten Stufe des Verstärkungssystems 5, 6, 7, 8 vermieden, ohne
daß es einer dynamikabhängigen Steuerung der Verstärkung dieser Stufe bedarf. Abweichend
von der Darstellung kann der Operationsverstärker 4 in seinen Rückführungen auch
eine basisgesteuerte Transistorschaltung mit Eollektor-Basis-Rückführung derart
besitzen, daß ein linearer Eingangsspannungsverlauf der Transistorschaltung zu einem
logarithmischen Fmitter-Basis-Spannungsverlauf führt. Das gleiche Ziel kann auch
dadurch erreicht werden, daß die Transistoren 21, T2 jeweils durch eine entsprechend
der Basis-Emitter-Diode gepolten Diode ersetzt werden.
-
Dem Operationsverstärker 4 ist noch ein Widerstand r nachgeschaltet,
von dem aus jeweils eine Referenzspann~ungsquelle Urefl bzw. Uref2 zu den Ausgangsklemmen
A1, A2 führt. Sie liefern eine Referenzspannung in der Größenordnung vcn 300 bis
400 Millivolt, um den Übergang vom leitenden Zustand eines der Transistoren zum
anderen zu glätten. Dies führt zwar dazu, daß der Logarithmierer 5 bei sehr kleinen
Pegeln lineares statt logarithmisches Verhalten zeigt, jedoch wird dieser Fehler
durch einen entsprechenden Fehler des Delogarithmierers 8 kompensiert.
-
Als weitere Stufe folgt dem Logarithmierer 5 mittelbar ein dazu passender
Delogarithmierer 8 mit in den Längszweigen liegenden Kollektor-Emitterstrecken von
-Transistoren -13, T4 oder äquivalenten nichtlinearen Bauelementen entsprechend
denjenigen in den Rückführungen des Operationsverstärkers 4.
-
Nach Zusammenführung der beiden Kanäle, in denen sich für jede der
beiden Polaritäten des zu verarbeitenden Signales einer der Transistoren T3, T4
befindet, folgt ein weiterer Operationsverstärker 9 als Teil des Delogarithmierers
8.
-
Dessen Ausgang A kann das auf den richtigen Pegel gebrachte und verstärkte
Signal aus dem Mikrofon 1 entnommen werden.
-
Zwischen dem Logarithmierer 5 und dem Delogarithmierer 8 ist in jedem
der beiden Kanäle-jeweils ein addierer 6 bzw. 7 vorgesehen, woruber den komprimierten'
Signalen an den Äusgingen A1 und A2 Steuersignale additiv überlagert werden können,
beispielsweise eine Führungsgröße, die an die Klemme F angelegt- und über ein Zeitkonstantenglied
10 als Steuerspannung Ust zu einem Steuereingang E gelangt. Dieser ist einerseits
mit dem Addierer 6 und andererseits über einen Umkehrverstärker 11 mit der Verstärkung
v = -1 mit dem Addierer 7 verbunden. Durch das Zuführen der Steuerspannung Ust unmittelbar
oder umgepolt über den Addierer 6 bzw. 7 wird den logarithmierten Signalen auf dem
ignalweg, zwischen Logarithmierer und Delogarithmierer additiv oder subtraktiv eine
Steuergröße zugeführt. Der addierte oder subtrahierte Anteil der zum Delogarithmierer
gelangenden Signale wirkt sich an dessen Ausgang als multiplikativer Faktor aus,
so daß aus der Summe, die aus den Ausgangssignalen des Logarithmierers und der Steuergröße
gebildet und an Eingang des Delogarithmierers vorhanden ist, an dessen Ausgang das
Produkt der Eingangspannung des Logarithmierers und der mit der Steuergröße potenzierten
Basis des Logarithmus entsteht. Auf diese Weise ist mit der Führungsgröße
eine
Verstärkungsregelung möglich, verknüpft mit dem Vorteil, daß eine lineare Änderung
der Steuerspannung Ust eine logarithmische Verstärkungserhöhung bewirkt und damit
eine lineare Veränderung des Pegels, wenn man diesen in dB mI!3t.
-
Das Verstärkungssystem 5; 6, 7, 8 läßt sich demnach als eine Kombination
aufpassen von einem Momentanwertkompressor mit nachgeschaltetem Momentanwertexpander.
-
Obwohl die bis hierher besprochene Anordung bereits einen großen Bynamikumiang
verarbeiten kann, kann es bei unerwartet lauten Schallereignissen dennoch geschehen,
daß der Cperationsverstärker 9 übersteuert wird, wenn die Führungsgröße noch nicht
an das unerwartet hohe Schall ereignis angepasst worden ist. Um auch in diesem Fall
übersteuerungen zu vermeiden, ist der vom Zeitkonstanten-glied 10 zu den Addierern
6, 7 führende Steuersignalweg ergänzt zu einer Regelschleife, die in einer Verbindung
vom Ausgang A zum zeitkonstanten Glied 10 einen Hüllkurvendetektor 11 enthalt, Darin
ist dafür gesorgt, daß die vom Hüllkurvendetektor 11 gelieferte Regelgröße u, die
dem . Istwert am Ausgang A entspricht, vereinigt mit der Führungsgröfle von der
Klernine F und in geeigneter Weise (wie für Dynamikregelungen bekannt) in zeitkonstanten
Glied 1Q verzögert Bestandteil der Steuerspannung Ust wird und damit dafür sorgt,
daß die Eingangsspannungen des Delogarithmierers 8 bei übersteuerungsgefahr für
den Operationsverstärker 9 unterhalb des zulässigen Betrages gehalten werden.
-
Durch die besondere Ausgestaltung der Regelscheife derart, daß sie
zwischen dem Logarithmierer und dem Delogarithmierer auf die Regelstrecke zurückgeführt
ist, wird ein nachteiliger Einfluß auf das Rauschverhalten des dargestellten Verst.rkers
vermieden und damit das Ziel gefördert, den verzerrungsarm
verarbeitbaren
Dynamikumfang zu vergrößen, indem nämlich die Übersteuerungsgefahr gebannt wird,
ohne die Rauscheigenschaft zu verschlechtern.
-
Allerdings besteht durch die Pegeländerung mit den Addierern 6, 7
zwischen dem Momentanwertkompressor (Logarithmierer 5) und dem Momentanwertexpander
(Delogarithmierer 8) die Gefahr, daß die passende Expansion zur vorangegangenen
Kompression gestört wird; diese Gefahr wird jedoch dadurch gebannt, daß der Momentanwertkompressor
als Logarithnierer 5 und der Momentanwertexpander als Delogarithmierer 8 ausgebildet
sind, wodurch Pegelunterschiede unschädlich werden und die Regelgröße störungsfrei
dem komprimierten Signal additiv zugefügt werden kann.
-
Fig. 2 zeigte eine Detailänderung bezüglich der Anordnung der Addierer
6 und 7 aus Fig. 1; diese sind in Fig. 2 (hier 8ls addierer 12 und 13 b-ezeichnet)
in die Steuerleitungen d-er Transistoren T3 bzw. T4 verlegt, welche einen wesen-tlichen
Teil des Delogarithmlerers 3 bilden.
-
L e e r s e i t e