DE3512405A1

DE3512405A1 - Circuit arrangement for generating an output signal controlled by a supplied input signal, and headphones

Info

Publication number: DE3512405A1
Application number: DE19853512405
Authority: DE
Inventors: Amar G. Wayland Mass. Bose
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 1984-04-06
Filing date: 1985-04-04
Publication date: 1985-10-31

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for generating an output signal controlled by a supplied input signal, comprising a feedback-type amplifier, which arrangement can be advantageously used in headphones in which a largely interference-free reproduction occurs due to novel constructional and circuit-design measures. A cavity of the headphones contains an electroacoustic transducer 17 with a diaphragm 14 and a microphone 11. The microphone converts the sound vibrations existing close to the opening of the outer auditory canal into electrical signals. These are amplified in a special manner and supplied with reversed phase relationship to the electroacoustic transducer. This eliminates any interference noise in the area of the outer auditory canal. <IMAGE>

Description

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines von einemCircuit arrangement for generating one of a

zugeführten Eingangssignal gesteuerten Ausgangssignal Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines von einem zugeführten Eingangssignal gesteuerten Ausgangssignals mit einem gegengekoppelten Verstärker.supplied input signal controlled output signal The invention relates to a circuit arrangement for generating an input signal supplied by an input signal controlled output signal with a negative feedback amplifier.

Ein typisches Beispiel für die bisherigen Bemühungen zur Verringerung von Störgeräuschen besteht darin, einen Kopfhörer zu verwenden, der eine große Masse, einen Hohlraum von großem Volumen und eine federnde Lagerung hat, welche ihn mit starkem Druck auf den Kopf preßt. Die große Masse erhöht die Trägheit, welche einer Beschleunigung entgegenwirkt und auch zu einer Festigkeit der Seitenwände des Kopfhörers beiträgt. Der starke Druck bewirkt eine gute Abdichtung ohne unerwünschten Luftdurchtritt und erhöht dadurch die Dämpfung in den niederen Frequenzen. Die Nachgiebigkeit der Luftmenge im inneren Hohlraum (compliant air cavity) bewirkt einen starken Abfall bei hohen Frequenzen. Diese Konstruktion ist für den Träger des Kopfhörers sehr unbequem.Case in point of previous efforts to reduce noise is to use headphones that have a large mass, has a cavity of large volume and a resilient bearing which it with strong pressure on the head. The great mass increases the indolence which one Acceleration counteracts and also strengthens the side walls of the headphones contributes. The strong pressure creates a good seal without unwanted air penetration and thereby increases the attenuation in the lower frequencies. The compliance of the The amount of air in the inner cavity (compliant air cavity) causes a sharp drop at high frequencies. This construction is very inconvenient for the headphone wearer.

Bei einer anderen bisher angewendeten Technik zur Unterdrückung von Störgeräuschen wird ein außen angeordnetes Mikrofon dazu benutzt, um das Außengeräusch zu übertragen. Durch eine Schaltanordnung wird dann aus dem Störsignal ein Kompensationssignal mit entgegengesetzter Phase gewonnen und dazu verwendet, das äußere Störgeräusch zu beseitigen. Dieses ist ein System ohne yeschlossene Regel- bzw. Gegenkopplungsschleife, welches nicht den verschiedenen Benutzern anpaßbar ist und unter Umständen den Pegel der Störgeräusche innerhalb des Kopfhörers erhöhen kann.Another previously used technique to suppress An outside microphone is used to pick up the outside noise transferred to. A switching arrangement then turns the interference signal into a compensation signal obtained with opposite phase and used to reduce the external noise to eliminate. This is a system without a closed control or negative feedback loop, which cannot be adapted to the various users and, under certain circumstances, the level which can increase the noise inside the headphones.

Es ist Aufgabe der Erfindung, zu einem besseren Kopfhörer beizutragen, der in der Benutzung wesentlich angenehmer ist und eine bessere Wiedergabe der übertragenen Musik ermöglicht als die bisher bekannten Ausführungsformen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Schaltung anzugeben, welche ein Ausgangssignal erzeugt, das von einem zugeführten Ausgangssignal gesteuert ist. Diese Aufgaben werden durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen technischen Merkmale gelöst. Weitere Fortbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden, zum Teil schematisch vereinfachten Figuren beschrieben. In diesen sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, und es sind zum Verständnis der Erfindung nicht notwendige Einzelheiten fortgelassen worden.It is the object of the invention to contribute to better headphones, which is much more pleasant to use and a better reproduction of the transmitted Music made possible than the previously known embodiments. Another job the invention is to provide a circuit which generates an output signal, which is controlled by a supplied output signal. These tasks are carried out by solved the technical features specified in the characterizing part of the main claim. Further Further developments and refinements of the invention are characterized in the subclaims and are described below in connection with the exemplary embodiments, partly schematically simplified figures described. In these are each other Corresponding parts have been given the same reference numerals and are for understanding Details not necessary for the invention have been omitted.

Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines an ein Ohr angelegten Kopfhörers gemäß der Erfindung, zum Teil im Schnitt; Fig. 1A eine Ansicht des Kopfhörers vom Ohr her gesehen, wobei durch die Linie 1-1 angegeben ist, in welcher Richtung der in Fig. 1 dargestellte Schnitt vorgenommen wurde; Fig. 2 ein Blockschaltbild mit einer Darstellung des erfindungsgemäß ausgeführten Regelsystems; Fig. 3 eine graphische Darstellung der gemessenen Störgeräuschverringerung bei Anwendung der Erfindung im Vergleich mit der theoretisch möglichen Störgeräuschverringerung; Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche die Verstärkung bei einer offenen Schleife und bei einer geschlossenen Schleife des Regelsystems in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt; Fig. 5 ein Blockschaltbild mit Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 6 ein schematisch vereinfachtes Schaltbild zur Ergänzung des Schaltbildes der Fig. 5; Fig. 7 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des in Fig. 5 dargestellten Kompressors; Fig. 8 die Charakteristik des in Fig. 7 dargestellten Kompressors; Fig. 9A den Kurvenverlauf der Verstärkung eines normalen Operationsverstärkers mit einer Charakteristik erster Ordnung; Fig. 9B den Kurvenverlauf der Phase eines normalen Operationsverstärkers mit einer Charakteristik erster Ordnung; Fig.10A eine Veränderung des in Fig. 9A dargestellten Kurvenverlaufes bei Anwendung der Erfindung; Fig.10B eine Veränderung des in Fig. 9B dargestellten Kurvenverlaufes bei Anwendung der Erfindung; Fig. 11 die Charakteristik eines Bandpasses entsprechend der Erfindung.It shows: FIG. 1 a schematic representation of a one placed on an ear Headphone according to the invention, partly in section; 1A is a view of the headphone seen from the ear, the direction in which is indicated by the line 1-1 the section shown in Figure 1 was made; Fig. 2 is a block diagram with a representation of the control system implemented according to the invention; Fig. 3 a graphical representation of the measured noise reduction when using the Invention in comparison with the theoretically possible noise reduction; Fig. Figure 4 is a graph showing the gain in an open loop and with a closed loop of the control system as a function of the frequency represents; 5 is a block diagram showing a preferred embodiment the invention; Fig. 6 is a schematically simplified circuit diagram to supplement the The circuit diagram of FIG. 5; Figure 7 is a block diagram of a preferred embodiment the compressor shown in Fig. 5; FIG. 8 shows the characteristics of the circuit shown in FIG illustrated compressor; 9A shows the curve profile of the gain of a normal Operational amplifier with a first-order characteristic; 9B shows the curve the phase of a normal operational amplifier with a first order characteristic; Fig. 10A a change in the curve shown in FIG. 9A when using the Invention; 10B shows a change in the curve shape shown in FIG. 9B when applying the invention; 11 shows the characteristics of a bandpass filter accordingly the invention.

In Fig. 1 ist schematisch vereinfacht ein an das äußere Ohr angelegter, erfindungsgemäß ausgeführter Kopfhörer im Vertikalschnitt dargestellt und in Fig.In Fig. 1 is a schematically simplified, applied to the outer ear, headphones designed according to the invention shown in vertical section and in Fig.

1A eine Ansicht auf den Kopfhörer, vom Ohr her gesehen.1A is a view of the headphones as seen from the ear.

Ein Mikrofon 11 ist im Hohlraum 12 im wesentlichen koaxial mit dem Gehäuse 13, dem elektro-akustischen Wandler 17 und dessen Membran 14 angeordnet. Ein Kissen 15 dichtet den Bereich zwischen äußerem Ohr 16 und dem Kissenträger 21 des Kopfhörers ab. Das Mikrofon 11 ist nahe dem Eingang des äußeren Gehörganges 18 angeordnet, um zu gewährleisten, daß die Amplitude der Druckwelle am Mikrofon 11 im wesentlichen gleich ist der Amplitude am Eingang des äußeren Gehörganges. Der Hohlraum 12 ist so klein wie praktisch möglich, um weitgehend sicherzustellen, daß der Druck innerhalb des Hohlraumes im wesentlichen konstant ist. Zu diesem Zweck hat das Kissen 15 eine hohe mechanische Nachgiebigkeit, einen hohen Flußwiderstand, eine große Dichte und die Fläche des axialen Querschnittes ist ungefähr gleichgroß wie die Membran 14 und kleiner als die Fläche des axialen kreisförmigen Querschnittes des den Hohlraum 12 umgebenden Kissens.A microphone 11 is in the cavity 12 substantially coaxial with the Housing 13, the electro-acoustic converter 17 and its membrane 14 are arranged. A cushion 15 seals the area between the outer ear 16 and the cushion carrier 21 of the headphones. The microphone 11 is near the entrance of the external auditory canal 18 arranged to ensure that the amplitude of the pressure wave at the microphone 11 is essentially the same as the amplitude at the entrance to the external auditory canal. The cavity 12 is as small as practically possible in order to largely ensure that the pressure within the cavity is substantially constant. To this end the cushion 15 has a high mechanical compliance, a high flow resistance, a high density and the area of the axial cross-section is approximately the same like the membrane 14 and smaller than the area of the axial circular cross-section of the cushion surrounding the cavity 12.

Das Gehäuse des Kopfhörers ist durch ein Reibung aufweisendes Kugelgelenk 22 beweglich am Kopfband 23 befestigt, wie dieses in Fig. 1 angedeutet ist.The housing of the headphones is through a friction ball joint 22 movably attached to the headband 23, as indicated in FIG. 1.

Ein nach Druckbelastung nur langsam wieder die ursprüngliche Gestalt annehmender Polyurethanschaum mit offenen Zellen ist als Material für das Kopfhörerkissen 15 geeignet. Das Kissen 15 drückt gegen das äußere Ohr 16 auf einer verhältnismäßig großen Fläche und das ergibt eine gute Abdichtung, wobei die für diese gute Abdichtung benötigte Kraft über eine große Fläche verteilt wird und infolgedessen der Druck auf das Ohr genügend klein ist, um Unbequemlichkeiten für den Benutzer zu vermeiden.After a pressure load, it slowly returns to its original shape adopting open cell polyurethane foam is as the material for the headphone pillow 15 suitable. The cushion 15 presses against the outer ear 16 on a relatively large area and that gives a good seal, the for this good seal The force required is distributed over a large area and, as a result, the pressure on the ear is small enough to avoid discomfort for the user.

Material mit offenen Zellen und hohem Durchgangswiderstand ist mechanisch gut zur Anpassung an die unregelmäßige Form des äußeren Ohres geeignet, während es zugleich die akustischen Vorteile von Material mit geschlossenen Zellen aufweist, nämlich eine deutliche Dämpfung von Spektralkomponenten oberhalb einer vorgegebenen Frequenz im mittleren Frequenzbereich, beispielsweise 2 kHz. Es hält auch den Druck innerhalb des Hohlraumes in diesem Frequenzbereich im wesentlichen gleichförmig. Mit Flüssigkeit gefüllte Kissen haben auch diese Eigenschaften.Open cell, high volume resistance material is mechanical well suited to adapting to the irregular shape of the outer ear while it also has the acoustic advantages of closed-cell material, namely a significant attenuation of spectral components above a predetermined one Frequency in the middle frequency range, for example 2 kHz. It also holds up the pressure substantially uniformly within the cavity in this frequency range. Pillows filled with liquid also have these properties.

Der vorstehend geschilderte erfindungsgemäße mechanische Aufbau ist deutlich verschieden von bekannten Anordnungen, welche eine das Ohr umgebende Abdichtung mit großem Hohlraum und starkem Druck auf den Kopf haben, der für eine gute Abdichtung benötigt wird, welche die Signale im niedrigen Frequenzbereich nur vernachlässigbar dämpft. Bei den Hohlräumen dieser bekannten Ausführungsform treten große Druckunterschiede auf, und es wird eine viel größere Auslenkung der Membran zur Erzeugung eines vorgegebenen Schalldruckes benötigt als bei dem kleineren Hohlraum 12 der erfindungsgemäßen Ausführung. Infolgedessen ergibt die Erfindung eine bessere Wiedergabe bei kleinerem Gerät, was für den Benutzer wesentlich angenehmer ist.The mechanical structure according to the invention described above is significantly different from known arrangements which provide a seal around the ear with a large cavity and strong pressure on the head, which ensures a good seal is required, which the signals in the low frequency range are only negligible dampens. Large cavities occur in this known embodiment Pressure differences on, and there will be a much larger deflection of the diaphragm to produce a given Sound pressure required than in the smaller cavity 12 of the embodiment according to the invention. As a result, the invention provides better playback with a smaller device, which is much more pleasant for the user.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild für einen erfindungsgemäß ausgeführten Kopfhörer. Das an die Eingangsklemme 24 anliegende, vom Kopfhörer wiederzugebende Signal wird in einer Addierstufe 30 mit einem Rückkopplungssignal kombiniert, das vom Mikrofonverstärker 35 geliefert wird. Die Addierstufe 30 liefert ein Kombinationssignal an den Kompressor 31, welcher den Pegel der Signale mit hohem Pegel begrenzt. Das dadurch erhaltene Signal mit begrenztem Pegel wird zum Kompensator 31A weitergeleitet. Die in diesem Kompensator enthaltene Schaltung bewirkt, daß die offene Verstärkung die Nyquist-Bedingung erfüllt, so daß keine Schwingungen bei geschlossener Schleife entstehen. Dieses System ist je einmal für das linke und für das rechte Ohr vorhanden.Fig. 2 shows a simplified block diagram for one according to the invention running headphones. That which is present at the input terminal 24 and can be reproduced by the headphones Signal is combined in an adder 30 with a feedback signal, the from the microphone amplifier 35 is supplied. The adder 30 supplies a combination signal to the compressor 31 which limits the level of the high level signals. That The limited level signal thereby obtained is passed to the compensator 31A. The circuit included in this compensator causes the open gain satisfies the Nyquist condition, so no closed-loop oscillations develop. This system is available once for the left and one for the right ear.

Ein Leistungsverstärker 32 speist den elektro-akustischen Wandler 17, um im Hohlraum 12 ein akustisches Signal zu erzeugen, welches dem von äußeren Geräuschen herrührenden Signal überlagert ist, das in den Hohlraum 12 von außen eintritt. Dieses Signal liegt an der akustischen Eingangsklemme 25 an und erzeugt im Hohlraum 12 akustische Druckwellen, die durch einen Kreis 36 dargestellt sind, welche dem Mikrofon 11 zugeführt und von diesem weitergeleitet werden. Der Mikrofon-Vorverstärker 35 verstärkt dieses weitergeleitete Signal und gibt es an die Addierstufe 30 weiter.A power amplifier 32 feeds the electro-acoustic converter 17 in order to generate an acoustic signal in the cavity 12 which corresponds to that of the external Noise-originating signal is superimposed, which is in the cavity 12 from the outside entry. This signal is applied to the acoustic input terminal 25 and is generated in the cavity 12 acoustic pressure waves, which are represented by a circle 36, which are fed to the microphone 11 and forwarded by this. The microphone preamplifier 35 reinforced this forwarded signal and gives it to the adder 30 further.

Die Schaltung des Kompensators 31A ist so bemessen, daß die Schleifenverstärkung T(s) im Bereich von 40 - 2000 Hz (offene Schleife) möglichst groß ist, wie dieses in Fig. 4 durch die Kurve 20 dargestellt ist. Die Schleifenverstärkung P(s) = (CBDEMA), wobei D die Übertragungsfunktion des elektrischen Ausgangssignals des Mikrofons 11 ist, bezogen auf den elektrischen Eingang zum akustischen Wandler 17; A, B, C, D, E und M sind die Übertragungscharakteristiken des Mikrofon-Vorverstärkers 35 bzw. des Leistungsverstärkers 32 bzw. Kompressoren-Schaltung 31 bzw.The circuit of the compensator 31A is sized so that the loop gain T (s) in the range of 40 - 2000 Hz (open loop) is as large as possible, like this one is represented in FIG. 4 by curve 20. The loop gain P (s) = (CBDEMA), where D is the transfer function of the electrical output signal of the microphone 11 is related to the electrical input to acoustic transducer 17; A, B, C, D, E and M are the transmission characteristics of the microphone preamplifier 35 or of the power amplifier 32 or compressor circuit 31 or

Kompensatorenschaltung 31A bzw. akustischen Wandlers 17 und Mikrofons 11. Diese Schleifenverstärkung ist möglichst groß unter der Bedingung, daß die Phasenreserve und die Amplitudenreserve groß genug sind, um Stabilität bei verschiedenen Bedingungen zugewährleisten, einschließlich der Köpfe verschiedener Träger des Kopfhörers und auch bei abgenommenem Kopfhörer.Compensator circuit 31A or acoustic transducer 17 and microphones 11. This loop gain is as large as possible under the condition that the phase reserve and the amplitude reserve are large enough to provide stability under various conditions ensure, including the heads of different wearers of the headphones and even with the headphones off.

Die Übertragungsfunktion bei geschlossener Schleife vom elektrischen Eingang bis zum Druck-Ausgang PO am Eingang des äußeren Gehörgangs lautet Po / VI = Tu = CBDE / (1 + CBDEMA).The closed loop transfer function of the electrical The input to the pressure output PO at the entrance of the external auditory canal is Po / VI = Tu = CBDE / (1 + CBDEMA).

Diese Übertragungsfunktion für die geschlossene Schleife in Abhängigkeit von der Frequenz ist in Fig. 4 durch Kurve 21 dargestellt. Wenn P1 dem akustischen Störgeräuscheingang entspricht, dann beträgt die akustische Störgeräuschverringerung P PO / P1 = NR = 1 + CBDEMA = 1 + T(s).This transfer function for the closed loop as a function of the frequency is shown in FIG. 4 by curve 21. If P1 corresponds to the acoustic Corresponds to noise input, then the acoustic noise reduction is P PO / P1 = NR = 1 + CBDEMA = 1 + T (s).

In Fig. 3 ist die tatsächliche Verringerung des Störgeräusches graphisch dargestellt, welche durch ein Mikrofon gemessen wird, welches das Trommelfell simuliert. Diese tatsächliche Störgeräuschverringerung ergibt sich durch einen Vergleich der Kurve 23 mit dem in Kurve 24 dargestellten theoretischen Wert, der erhalten wird durch Messung der offenen Verstärkung plus 1.In Fig. 3, the actual reduction in noise is graphically which is measured by a microphone that simulates the eardrum. This actual noise reduction results from a comparison of the Curve 23 with the theoretical value shown in curve 24 which is obtained by measuring the open gain plus 1.

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild der Erfindung. Das System wird durch sechs Blocks dargestellt, die durch eingesetzte Nummern 1 bis 6 bezeichnet sind.Fig. 5 shows the block diagram of the invention. The system is through six blocks are shown, which are indicated by inserted numbers 1 to 6.

Hierbei ist der Kompensations-Block 2 in drei Teilblocks 2a, 2b, 2c, der Leistungsverstärker-Block 3 in zwei Teilblocks 3a und 3b, und der Kompressor-Block 5 in fünf Teilblocks, 5a, 5b, 5c, 5d und Se, aufgeteilt. Die Teile des Schaltkreises, welche die Blocks der Fig. 1 bilden, sind in Fig. 6 von unterbrochenen Linien begrenzt. Da der Fachmann in der Lage sein wird, die Erfindung durch Aufbau der Schaltung nach Fig. 6 zu realisieren, wird diese Schaltung nicht in allen Einzelheiten beschrieben. Im nachstehenden wird auf die Ausführung gemäß den Fig.The compensation block 2 is divided into three sub-blocks 2a, 2b, 2c, the power amplifier block 3 in two sub-blocks 3a and 3b, and the compressor block 5 divided into five sub-blocks, 5a, 5b, 5c, 5d and Se. The parts of the circuit which form the blocks of FIG. 1 are delimited in FIG. 6 by broken lines. Since those skilled in the art will be able to practice the invention by constructing the circuit 6, this circuit is not described in detail. In the following, reference is made to the embodiment according to FIGS.

5 und 6 verwiesen.5 and 6 referenced.

Der mit der eingesetzten Ziffer 1 bezeichnete Summier/Multiplizier-Block enthält den Summierer 30, dem von der Eingangsklemme 24 das Eingangs-Audio-Signal und das vom Verstärker 35 erzeugte Rückkopplungssignal zugeführt wird. Der Summierer ist in Fig. 6 als Operations-Verstärker in der üblichen Weise dargestellt.The summing / multiplying block marked with the number 1 inserted contains the summer 30 to which the input terminal 24 receives the input audio signal and the feedback signal generated by the amplifier 35 is supplied. The totalizer is shown in Fig. 6 as an operational amplifier in the usual manner.

Ein Kondensator, der an den Verbindungspunkt von zwei gleichartigen Eingangswiderständen und das System geschaltet ist, leitet die hochfrequenten Signalkomponenten an die Masse des Systems.A capacitor attached to the junction of two alike Input resistances and the system is switched, conducts the high-frequency signal components to the mass of the system.

Die Hälfte des Analogschalters U 304 liefert die verbleibenden niederfrequenten Komponenten an die virtuelle Masse am Eingang des integrierten Schaltkreises U 102. Ein Modulationssignal an der MOD-Leitung vom Kompressorblock 5 steuert die Umschaltung dieses Schalters im 50 kHz-Zyklus. Eine Steuerung des Tastverhältnisses bewirkt eine Multiplikation. Für Signale mit Spektralkomponenten in einem wesentlich unter 50 kHz liegenden Bereich kann der Schalter als Widerstand betrachtet werden, dessen Größe proportional ist dem Tastverhältnis des Modulationssignals. Bei normaler Arbeitsweise ist der Schalter die meiste Zeit geschlossen. Nachdem der Kompressor 5 eine ungewöhnlich große Eingangsamplitude festgestellt hat, wird das Tastverhältnis des Schalters verringert, und dabei werden die niederfrequenten Spektralkomponenten des Eingangssignals gedämpft.Half of the analog switch U 304 supplies the remaining low-frequency ones Components to the virtual ground at the input of the integrated circuit U 102. A modulation signal on the MOD line from the compressor block 5 controls the switchover this switch in 50 kHz cycle. A control of the duty cycle causes a multiplication. For signals with spectral components in a significantly below 50 kHz, the switch can be viewed as a resistance, its Size is proportional to the duty cycle of the modulation signal. When working normally the switch is closed most of the time. After the compressor 5 an unusual has detected a large input amplitude, the duty cycle of the switch is decreased, thereby reducing the low frequency spectral components of the input signal muffled.

Über eine Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Kapazität werden die hochfrequenten Signalkomponenten direkt an den Eingang von U 102 geliefert, so daß sie von der Multiplikation nicht beeinflußt werden.A resistor and a capacitance are connected in series the high-frequency signal components are delivered directly to the input of U 102, so that they are not affected by the multiplication.

Der Summier/Multiplizier-Block 1 liefert ein Ausgangssignal an den Kompensationsblock 2. Dieser enthält ein aktives Filter mit solcher Amplituden/Phasen-Charakteristik, daß eine Stabilität der Rückkopplungsschleife gesichert ist, ohne daß mit der Schleifenverstärkung ein Kompromiß geschlossen werden muß.The summing / multiplying block 1 supplies an output signal to the Compensation block 2. This contains an active filter with such amplitude / phase characteristics, that stability of the feedback loop is assured without affecting the loop gain a compromise has to be made.

Der Abschnitt 2c liefert eine Verstärkung mit korrektem Abfall bei hohen Frequenzen. Die Abschnitte 2a, 2b kompensieren den Phasengang der Schleifenverstärkung bei niederfrequenten und bei hochfrequenten Übergangspunkten. Die Grundsätze der bevorzugten Form der Kompensation werden nachfolgend diskutiert und sie erleichtern eine hohe Verstärkung in einem Frequenzband, welches die meisten Spektralkomponenten der Sprache enthält und sichern dabei eine Stabilität, welche Schwingungen vermeidet.Section 2c provides gain with correct decay high frequencies. The sections 2a, 2b compensate for the phase response of the loop gain at low-frequency and high-frequency transition points. The principles of preferred forms of compensation are discussed below and facilitate them a high gain in a frequency band that has the most spectral components the language contains and ensures a stability that avoids vibrations.

Vom Kompensationsblock 2 wird dessen Ausgangssignal dem Leistungsverstärkerblock 3 zugeführt. Der Abschnitt 3b ist ein üblicher, die Phase nicht umkehrender Verstärker mit diskret aufgebautem Leistungstreiber. Der Abschnitt 3a enthält eine einfache Begrenzerschaltung mit Diode, um den elektro-akustischen Wandler gegen Überlastung zu schützen. Lichtemitierende Dioden leuchten auf, wenn eine derartige Begrenzung stattfindet. Vorzugsweise wird der Eingang wechselstrommäßig gekoppelt, um Gleichstromkomponenten vorhergehender Stufen abzutrennen.The output signal of the compensation block 2 is sent to the power amplifier block 3 supplied. Section 3b is a common non-phase inverting amplifier with a discreetly built performance driver. Section 3a contains a simple one Limiter circuit with diode to protect the electro-acoustic converter against overload to protect. Light emitting diodes light up when such a limitation takes place. Preferably the input is AC coupled to DC components separate previous stages.

Der Block 6, welcher das aus elektro-akustischem Wandler, Mikrofon und Ohr bestehende System umfaßt, ist in Fig. 6 nicht dargestellt. Der elektro-akustische Wandler 17 erhält das verstärkte Signal vom Leistungsverstärkerblock 3 und erzeugt ein akustisches Signal, das vom Ohr 16 und vom Mikrofon 11 aufgenommen wird. Eine ungenügende Abdichtung des Kissens 15 bewirkt einen Abfall bei niederen Frequenzen. Der Block 6 weist eine komplexe Struktur von Resonanzen oberhalb weniger kHz auf. Weiterhin ist eine sehr starke Phasenverschiebung vorhanden, welche von der Verzögerung der Schallwellen bzw.The block 6, which consists of the electro-acoustic converter, microphone and ear existing system is not shown in FIG. The electro-acoustic Converter 17 receives the amplified signal from power amplifier block 3 and generates it an acoustic signal that is picked up by the ear 16 and the microphone 11. One Insufficient sealing of the cushion 15 causes a drop at lower frequencies. The block 6 has a complex structure of resonances above a few kHz. Furthermore, there is a very large phase shift, which is caused by the delay the sound waves or

deren Übertragungszeit vom elektro-akustischen Wandler 17 zum Mikrofon 11 herrührt und von der Art der Abstrahlung des elektro-akustischen Wandlers 17. Die in diesem System vorhandenen Elemente wirken jedoch zusammen, um diese ungleichen, unerwünschten Eigenschaften zu kompensieren und ergeben einen Frequenzgang im gesamten System zwischen Eingangsklemme 24 und äußerem Gehörgang 18, der im wesentlichen gleichförmig ist.their transmission time from the electro-acoustic converter 17 to the microphone 11 originates from and from the type of emission of the electro-acoustic transducer 17. However, the elements present in this system work together to resolve these unequal, to compensate for undesired properties and result in a frequency response throughout System between the input terminal 24 and the external auditory canal 18, which is essentially is uniform.

Der Mikrofon-Vorverstärkerblock 4 erhält das Signal vom Mikrofon 11 und enthält einen Operationsverstärker mit geringem Rauschen, der für eine die Phase nicht umkehrende Verstärkung geschaltet ist. Der Verstärker und seine Verstärkung wurden so gewählt, daß das Eigengeräusch des Mikrofons überwiegt und dabei der Anteil des vom elektronischen System bewirkten Geräuschpegels am Ohr 16 auf ein Minimum gebracht ist. Eine Z-Diode liefert die Vorspannung Vcc für das Elektret-Mikrofon 11. Das vom Mikrofon-Vorverstärker 4 vorverstärkte Signal wird dem Verstärker 35 im Summier/Multiplizier-Block 1 zugeführt.The microphone preamplifier block 4 receives the signal from the microphone 11 and includes a low noise operational amplifier that controls the phase non-inverting gain is switched. The amplifier and its reinforcement were chosen in such a way that the intrinsic noise of the microphone outweighs the proportion of the noise level caused by the electronic system at the ear 16 to a minimum is brought. A Zener diode supplies the bias voltage Vcc for the electret microphone 11. The signal preamplified by the microphone preamplifier 4 is sent to the amplifier 35 in the summing / multiplying block 1 supplied.

Der Kompressorblock 5 überwacht sowohl das Signal an der Eingangsklemme 24 als auch das Rückkopplungssignal am Ausgang des Mikrofon-Vorverstärkers 4, um an der MOD-Leitung ein Modulationssignal für die niederfrequente Verstärkung des Summier/Multiplizier-Blocks 1 zu liefern. Im Abschnitt 5a werden die Rückkopplungs- und Eingangssignale sowohl vom linken als auch vom rechten Kanal addiert. Ein Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz bei 400 Hz überträgt selektiv das kombinierte Signal zur Vollweggleichrichtung. Abschnitt Sb stellt den Mittelwert des gleichgerichteten Signals her mit einer kurzen Ansprechzeit und langen Abfallzeit, um ein Ausgangssignal zu liefern, welches proportional ist der niederfrequenten Spektralenergie im linken und im rechten Kanal. Dieses Signal wird von Abschnitt 5c in einen dem Signal proportionalen Strom mit Gleichstromanteil umgewandelt, wobei Verstärkung und Gleichstromanteil durch Potentiometer einstellbar sind.The compressor block 5 monitors both the signal at the input terminal 24 as well as the feedback signal at the output of the microphone preamplifier 4 to on the MOD line a modulation signal for the low-frequency amplification of the To supply summing / multiplying blocks 1. In section 5a the feedback and add input signals from both the left and right channels. A low pass filter with a cutoff frequency at 400 Hz selectively transmits the combined signal to the Full wave rectification. Section Sb represents the mean of the rectified Signal with a short response time and long fall time to produce an output signal to deliver, which is proportional to the low-frequency spectral energy in the left and in the right channel. This signal is converted by section 5c into one proportional to the signal Converted current with direct current component, with gain and direct current component are adjustable by potentiometer.

Vom Abschnitt 5c wird das als Strom abgegebene Signal dem Abschnitt 5d zugeführt und liefert ein 50-kHz-Modulationssignal an der MOD-Leitung. Das integrierte Schaltelement U 305 in Fig. 6 enthält einen 50-kHz-Taktgeber, welcher die integrierte Schaltung U 306 triggert und alle 20 Mikrosendungen den Ausgang auf "L" setzt. Die am Stift 2 des integrierten Schaltelements U 306 anliegende Kondensatorspannung nimmt dann linear ab mit einer Geschwindigkeit, die proportional ist dem vom Abschnitt 5c gelieferten Strom, bis sie einen Schwellwert erreicht, bei welchem die Ausgangs schalter der integrierten Schaltung U 306 auf "H" gesetzt werden und die Kondensatorspannung am Stift 2 wieder an das positive Spannungspotential geschaltet wird, bis wieder getriggert wird. Da die Analogschalter im Summier/Multiplizier-Block 1 geschlossen sind, wenn Massepotential an den Steuereingängen 1 und 8 liegt, ist die Verstärkung von Block 1 für niedrigere Frequenzen umgekehrt proportional der vom Abschnitt 5c gelieferten jeweiligen Stromstärke. Hohe Stromstärke bewirkt, daß das an Stift 2 anliegende Kondensatorpotential der integrierten Schaltung U 306 den Schwellwert schneller erreicht und die Analogschalter U 304 dementsprechend für eine kürzere Periode geschlossen werden. Abschnitt 5e steuert eine LED-Anzeigevorrich- tung, welche den jeweiligen Betrag der Kompression anzeigt. Es genügt, nur die niederen Frequenzen zu beachten und nur in diesem Frequenzbereich zu arbeiten, weil die niederfrequenten Spektralkomponenten den größten Teil der Energie von typischen Eingangssignalen enthalten.From the section 5c, the signal emitted as a current is assigned to the section 5d and supplies a 50 kHz modulation signal on the MOD line. The integrated Switching element U 305 in Fig. 6 contains a 50 kHz clock, which the integrated Circuit U 306 triggers and sets the output to "L" every 20 micro-transmissions. the capacitor voltage applied to pin 2 of the integrated switching element U 306 then decreases linearly at a rate proportional to that of the section 5c supplied current until it reaches a threshold at which the output switch of the integrated circuit U 306 can be set to "H" and the capacitor voltage at pin 2 it is switched back to the positive voltage potential until again is triggered. Since the analog switches in the summing / multiplying block 1 are closed if ground potential is at the control inputs 1 and 8, the gain is of block 1 for lower frequencies is inversely proportional to that of section 5c supplied current strength. High amperage causes the pin 2 applied capacitor potential of the integrated circuit U 306 the threshold value reached faster and the analog switch U 304 accordingly for a shorter time Period to be closed. Section 5e controls an LED display device tion, which shows the amount of compression. It is enough just the lower ones Pay attention to frequencies and only work in this frequency range because the low frequencies Spectral components make up most of the energy of typical input signals contain.

Zusammenfassend kann man sagen, daß das vollständige System als ein Regelsystem mit zwei Eingangssignalen betrachtet werden kann. Das erste Signal ist das wiederzugebende Audio-Signal. Das zweite Signal ist das von der Umgebung herrührende akustische Störsignal am Ohr. Das System liefert am Ausgang das akustische Signal, welches am Ohr erzeugt wird. Das Rückkopplungssignal ist eine Spannung, welche proportional dem jeweiligen Schalldruck am Eingang des äußeren Gehörganges ist. Dieser Schalldruck ist eine Kombination der vom elektro-akustischen Wandler erzeugten Töne und des von der Umgebung herrührenden Störgeräusches. Das kleine Elektret-Mikrofon 11 wandelt dieses Signal um, der Vorverstärker-Block 1 verstärkt es, und der Summier/Multiplizier-Block 2 vereinigt dieses Rückkopplungssignal mit dem Eingangs-Audio-Signal und liefert ein Fehlersignal, welches für den Unterschied zwischen dem tatsächlichen Schalldruck am Ohr und dem gewünschten Druck kennzeichnend ist, wobei der letztere dem Eingangs-Audio-Signal proportional ist. Der Kompensations-Block 2 überträgt selektiv die Spektralkomponenten des Fehlersignals, um eine Stabilität zu gewährleisten. Der Verstärker-Block 3 verstärkt das kompensierte Signal und führt das verstärkte kompensierte Signal dem elektro-akustischen Wandler 17 zu, um am Ohr einen Schalldruck zu erzeugen, welcher dem gewünschten Eingangs-Audio-Signal entspricht. Im gan- zen Frequenzbereich, für den die Rückkopplungsschleife wirksam ist, korrigiert diese Schleife die spektrale Färbung des Wandler/Mikrofon/Ohr-Systems und eliminiert das Geräusch der Umgebung.In summary, one can say that the complete system as a Control system with two input signals can be considered. The first signal is the audio signal to be played back. The second signal is the one coming from the environment acoustic interference signal at the ear. The system delivers the acoustic signal at the exit, which is generated at the ear. The feedback signal is a voltage which is proportional is the respective sound pressure at the entrance of the external auditory canal. This sound pressure is a combination of the tones generated by the electro-acoustic transducer and the background noise. The small electret microphone 11 converts this signal is converted, the preamplifier block 1 amplifies it, and the summing / multiplying block 2 combines this feedback signal with the input audio signal and delivers an error signal which is responsible for the difference between the actual sound pressure on the ear and the desired pressure, the latter being the input audio signal is proportional. The compensation block 2 selectively transmits the spectral components of the error signal to ensure stability. The amplifier block 3 amplifies the compensated signal and leads the amplified compensated signal to the electro-acoustic Converter 17 to in order to generate a sound pressure at the ear which corresponds to the desired Input audio signal. As a whole zen frequency range, for which the feedback loop is effective, this loop corrects the spectral Coloration of the transducer / microphone / ear system and eliminates the surrounding noise.

Der Betrag der Korrektur ist abhängig von der Größe der Verstärkung, welche die Schleife ohne Selbsterregung liefern kann. Der Kompressorblock 5 arbeitet mit dem multiplizierenden Teil des Summier-Multiplizier-Blocks 1 zusammen, um zu verhindern, daß ein Eingangs-Audio-Signal oder ein akustisches Signal die Schleife bis zum Abschneiden der Maximalwerte übersteuert.The amount of correction depends on the size of the gain, which the loop can deliver without self-excitation. The compressor block 5 works with the multiplying part of the summing-multiplying block 1 to get prevent an input audio signal or an acoustic signal from entering the loop overridden until the maximum values are cut off.

Nachdem eine bevorzugte Ausführung des Systems beschrieben wurde, werden nun verschiedene Teilsysteme und ihre Eigenschaften beschrieben. Der Kompressorblock 5 ist in einer besonders vorteilhaften Form ausgeführt, die Verzerrungen durch Kompression reduziert und nichtlineare Schwingungen vermeidet. Herkömmliche Kompressoren können normalerweise in die Grundtypen n-zu-1 und Schwellwertsysteme eingeteilt werden. Ein n-zu-1 Kompressor liefert 1 dB Veränderung des Ausgangssignals für jeweils ndB Veränderung des Eingangssignals. Ein Schwellwertkompre-ssor arbeitet für zugeführte Signale normalerweise unterhalb eines bestimmten Schwellwertes linear und oberhalb des Schwellwertes etwa mit einem n-zu-1 Kompressionsverhältnis; für Signale oberhalb des Schwellwertes ist das Kompressionsverhältnis manchmal unendlich, um den durchschnittlichen Ausgangspegel zu begrenzen.Having described a preferred embodiment of the system, various subsystems and their properties are now described. The compressor block 5 is implemented in a particularly advantageous form, the distortion by compression reduces and avoids non-linear vibrations. Conventional compressors can normally divided into the basic types n-to-1 and threshold value systems. An n-to-1 compressor provides 1 dB change in the output signal for every ndB Change in the input signal. A threshold value compressor works for the supplied Signals usually linear below a certain threshold and above the threshold value with approximately an n-to-1 compression ratio; for signals above of the threshold, the compression ratio is sometimes infinite to the average Limit output level.

N-zu-1 Kompressoren werden gewöhnlich verwendet in Rauschunterdrückungsgeräten (Kompander) zur Kompression von Signalen für die Übertragung der Signale durch mit Rausch behaftete Übertragungskanäle oder zur Aufzeichnung der Signale auf rauschenden Medien und späteren Expansion des komprimierten Signals nach dem Empfang bzw. der Wiedergabe, um den ursprünglichen Dynamikumfang wieder herzustellen, wobei das Übertragungskanal- oder Aufnahmerauschen nach der Expansion erheblich gedämpft ist. Ein Schwellwert-Kompressor wird im allgemeinen in Systemen verwendet, bei denen das Signal später nicht wieder expandiert wird, da er - bei ordentlicher Ausführung - weniger unerwünschte Verzerrung im Ausgangssignal hinterläßt als n-zu-1 Kompressoren. Ein Schwellwert-Kompressor mit einem unendlichen Kompressionsverhältnis wird typischerweise mit einer Rückkopplungsschleife ausgestattet. Wenn die Verstärkung des Kompressors und seine Ansprechcharakteristik und Abfallcharakteristik nicht sorgfältig gewählt werden, ergeben sich erhebliche hörbare Störungen, insbesondere für Eingangspegel gerade oberhalb des Schwellwertes, wobei das System schwingen kann und dabei unangenehme hörbare Töne erzeugt.N-to-1 compressors are commonly used in noise reduction devices (Compander) for the compression of signals for the transmission of the signals through with Noisy transmission channels or for recording signals on noisy channels Media and subsequent expansion of the compressed signal after reception or the Playback to restore the original dynamic range, with the transmission channel or pickup noise after expansion is significantly attenuated. A threshold compressor is generally used in systems where the signal does not come back later is expanded because - when properly executed - there is less unwanted distortion leaves in the output signal as n-to-1 compressors. A threshold compressor having an infinite compression ratio is typically used with a feedback loop fitted. When the gain of the compressor and its response characteristics and decay characteristics are not carefully chosen, the result is considerable audible interference, especially for input levels just above the threshold value, whereby the system can vibrate and generate unpleasant audible tones.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung dar gegenüber dem herkömmlichen Schwellwert-Kompressor mit unendlichem Kompressionsverhältnis oberhalb des Schwellwertes. Das Blockdiagramm Fig. 7 zeigt die schematische Anordnung des normalerweise in Block 5 angeordneten Systems. Das System reagiert auf ein Eingangssignal X am Anschluß 51 mit einem komprimierten Signal Y am Anschluß 52. Der Eingang für den Dividenden der Dividierschaltung 53 ist mit dem Eingang 51 verbunden. Der Eingang 51 ist auch mit dem Eingang eines Vollweggleichrichters 54 verbunden. Der Ausgang des Vollweggleichrichters 54 ist mit dem Eingang eines den Mittelwert bildenden Tiefpaßfilters 55 verbunden, welches eine Abfall-Zeitkonstante hat, die viel größer ist als die Ansprech-Zeitkonstante. Der Ausgang (X) des einen Mittelwert bildenden Tiefpaßfilters 55 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 56 verbunden. Der Verstärker weist eine Verstärkung K auf, so daß an einem Eingang einer Additionsstufe ein Signal K (X) ansteht. Der Additionsstufe 57 wird ein Signal Ko am anderen Eingang zugeführt. Ihr Ausgang bewirkt ein Divisor-Signal am Divisor-Eingang der Dividierschaltung 53.The present invention is an improvement over that conventional threshold value compressor with infinite compression ratio above of the threshold. The block diagram of FIG. 7 shows the schematic arrangement of the system normally arranged in block 5. The system responds to an input signal X at connection 51 with a compressed signal Y at connection 52. The input for the dividends of the dividing circuit 53 is connected to the input 51. The entrance 51 is also connected to the input of a full wave rectifier 54. The output of the full-wave rectifier 54 is the mean value with the input of one forming low-pass filter 55, which has a fall time constant that is much larger than the response time constant. The output (X) of a mean forming low-pass filter 55 is connected to the input of an amplifier 56. The amplifier has a gain K, so that at one input of an addition stage a signal K (X) is present. The addition stage 57 receives a signal Ko at the other input fed. Its output causes a divisor signal at the divisor input of the dividing circuit 53.

Die Dividierschaltung 53 liefert x/a am Eingang des Ausgangsverstärkers 58, welcher das komprimierte Ausgangssignal Y abgibt.The dividing circuit 53 supplies x / a at the input of the output amplifier 58, which emits the compressed output signal Y.

Es kann gezeigt werden, daß für statische Signale, wie z. B. Sinuswellen, die Verstärkung vom Eingang zum Ausgnag Y/X = 1/(K + k (X)) beträgt. Fig. 8 0 zeigt graphisch die Charakteristik der Kompression.It can be shown that for static signals such as B. sine waves, the gain from input to output is Y / X = 1 / (K + k (X)). Fig. 8 shows 0 graphically the characteristics of the compression.

Diese Charakteristik ist ähnlich der Charakteristik eines Schwellwert-Kompressors mit unendlichem Kompressionsverhältnis oberhalb der Schwelle, so daß für kleine Signale die Bezeichnung Y/X = 1/K und für große Signale die Bezeichnung Y/X = 1/KX oder Y = 1/K gilt. Immerhin hat ein erfindungsgemäß ausgebildeter Kompressor wenigstens zwei Vorteile gegenüber den bekannten Kompressoren. Er verursacht weniger hörbare, durch Kompression entstehende Verzerrungen für komplexe Eingangssignale, beispielsweise Musik, weil der Übergang vom Bereich ohne Kompression in den Bereich mit voller Kompression allmählicher verläuft. Ferner kann es keine nichtlinearen Schwingungen geben, weil keine Rückkopplung vorhanden ist.This characteristic is similar to the characteristic of a threshold compressor with infinite compression ratio above the threshold, so that for small Signals the designation Y / X = 1 / K and for large signals the designation Y / X = 1 / KX or Y = 1 / K applies. After all, a compressor designed according to the invention has at least one two advantages over the known compressors. It causes less audible Compression distortion for complex input signals, for example Music because the transition from the area without compression to the area with full Compression is more gradual. Furthermore, there can be no non-linear oscillations give because no feedback is available.

Es soll nun auf bevorzugte Ausführungsformen der Kompensation näher eingegangen werden. Es ist bekannt, daß dann, wenn der Betrag der Verstärkung A (w) über den ganzen Frequenzbereich bekannt ist, die Phase (b ((au) für eine Schaltung mit kleinster Phasenverschiebung ausreichend bestimmt ist, und in ähnlicher Weise, wenn (w) über den ganzen Frequenzbereich bekannt ist, daß dann A (w) eindeutig bestimmt ist und für ein Netzwerk mit geringster Phasenverschiebung, das keine Pole und keine Nullstellen in der rechten Hälfte der s- oder der p-Ebene hat.We shall now look at preferred embodiments of the compensation in more detail To be received. It is known that when the magnitude of the gain A (w) is known over the entire frequency range, the phase (b ((au) for a circuit is sufficiently determined with the smallest phase shift, and in a similar way, if (w) is known over the entire frequency range, then A (w) is uniquely determined is and for a network with the lowest phase shift that has no poles and none Has zeros in the right half of the s or p plane.

Diese Eigenschaft ist unter der Überschrift ATTENUATION-PHASE RELATIONSHIPS FOR SERVO TRANSFER FUNCTIONS in Band 25 der Veröffentlichung des "M.I.T. RADIATION LABORATORY SERIES" unter dem Titel "Theory of Servomechanisms" in Abschnitt 4.9 enthalten. Über diese Beziehung wurde zuerst in einer Veröffentlichung von Y. W. Lee im Juni 1932 in dem JOURNAL OF MATHEMATICS AND PHYSICS berichtet und ist unter dem Titel Relation between Real and Imaginary Components of Network Functions" in NET-WORK ANALYSIS AND FEEDBACK AMPLIFIER DESIGN von Bode, herausgegeben von D. VanNostrand Co., New York 1945, behandelt worden. In Abschnitt 4.8 der vorstehenden "Theory of Servomephanisms" ist die "attenuation-phase" genannte Art der Analyse als günstigste Annäherung an das Problem eines Entwurfs von Servoschaltungen beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt das Kriterium von Phasenreserven bei der Rückkopplungs-Grenzfrequenz als gutes praktisches Kriterium für die Systemstabilität, die wenigstens 300, vorzugsweise 400 und mehr betragen soll. Für eine Dämpfung von 6 dB je Oktave jenseits der Grenzfrequenz erklärt dieser Abschnitt 4.8, daß die Frequenz, bei welcher die Verstärkung A den Wert 1 annimmt (log A = 0), wenigstens zweieinhalb Oktaven von der Grenzfrequenz entfernt sein soll, um eine genügende Phasenreserve zu haben. Der Zweck einer derartigen Phasenreserve besteht darin, eine Situation zu vermeiden, welche unerwünschte Schwingungen unterstützen könnte und auch darin, Amplitudenüberhöhungen zu vermeiden, die von außen kommendes Rauschen verstärken. Ein Nachteil eines solchen weiten Bereichs zwischen der Frequenz fc, bei der die Verstärkung 1 ist (Transitfrequenz) einerseits, und der 3 dB-Grenzfrequenz andererseits, besteht darin, daß die erwünschten Effekte der negativen Rückkopplung für Spektralkomponenten innerhalb des Frequenzbereichs erheblich vermindert sind. Die vorliegende Erfindung vermeidet diesen Nachteil durch die Kombination von Netzwerken auf eine Art, die eine hohe offene Verstärkung (Leerlaufverstärkung) in dem interessierenden Frequenzbereich gewährleistet, während sie noch genügend Stabilität aufweist, um sowohl eine derartige Dämpfungs- bzw. Verstärkungscharakteristik und auch Phasencharakteristik zu erzielen, daß eine angemessene Phasenreserve bei der Transitfrequenz c vorhanden ist.This property is under the heading ATTENUATION-PHASE RELATIONSHIPS FOR SERVO TRANSFER FUNCTIONS in Volume 25 of the publication of "M.I.T. RADIATION LABORATORY SERIES "under the title" Theory of Servomechanisms "in Section 4.9 contain. This relationship was first discussed in a paper by Y. W. Lee reported in the JOURNAL OF MATHEMATICS AND PHYSICS in June 1932 and is under the title Relation between Real and Imaginary Components of Network Functions "in NET-WORK ANALYSIS AND FEEDBACK AMPLIFIER DESIGN by Bode, edited by D. VanNostrand Co., New York 1945. In section 4.8 of the preceding "Theory of Servomephanisms ", the type of analysis called" attenuation phase "is the most favorable Approach to the problem of designing servo circuits. These Publication describes the criterion of phase reserves at the feedback cutoff frequency as a good practical criterion for system stability, the at least 300, preferably 400 and more should be. For an attenuation of 6 dB per octave beyond the Cutoff frequency, this section 4.8 explains that the frequency at which the gain A takes the value 1 (log A = 0), at least two and a half octaves from the cutoff frequency should be removed in order to have a sufficient phase reserve. The purpose of such Phase reserve consists in avoiding a situation that causes undesirable oscillations could support and also in avoiding excessive amplitudes caused by amplify incoming noise. A disadvantage of such a wide range between the frequency fc at which the gain is 1 (transit frequency) on the one hand, and the 3 dB cutoff frequency on the other hand, is that the desired effects the negative feedback for spectral components within the frequency range are significantly reduced. The present invention avoids this disadvantage combining networks in a way that has a high open gain (open loop gain) guaranteed in the frequency range of interest while still being sufficient Has stability to both such a damping or amplification characteristic and also phase characteristic to achieve that an adequate phase reserve at the transit frequency c is present.

Die vorliegende Erfindung umfaßt Kompensationsmittel mit einem Frequenzverlauf der offenen Verstärkung, welcher Abschnitte von ausgewählter Steilheit am Ende oder an den Enden des Durchlaßbereiches hat, während eine stabile Phasenreserve bei der Transitfrequenz c erzielt wird. Diese Grundsätze werden durch das nachfolgende Beispiel besser verständlich.The present invention includes compensation means having a frequency response the open gain, which sections of selected steepness at the end or at the ends of the pass band, while a stable phase reserve at the Transit frequency c is achieved. These principles are illustrated by the example below better understandable.

Die Fig. 9A und 9B zeigen graphische Darstellungen des Betrages und der Phase des Übertragungsfaktors eines Operationsverstärkers, der eine normale Charakteristik erster Ordnung hat, als Funktion der Frequenz. Die Verstärkung (Betrag des Übertragungsfaktors) weist - wie üblich - einen gleichbleibenden Wert bis zur 3 dB-Grenzfrequenz f0 und sie nimmt nachher linear um 6 dB pro Oktave ab. Die Fig. 10A und 1OB zeigen eine graphische Darstellung einer Modifikation der Charakteristiken, die in den Fig.Figures 9A and 9B show graphs of the amount and the phase of the transfer factor of an operational amplifier that is a normal First order characteristic as a function of frequency. The gain (amount of the transfer factor) has - as usual - a constant value up to 3 dB cut-off frequency f0 and afterwards it decreases linearly by 6 dB per octave. The fig. 10A and 10B show a graph of a modification of the characteristics; which in Figs.

9A und 9B dargestellt sind; hierbei werden die Grundsätze der Erfindung benutzt, um eine höhere Schleifenverstärkung oberhalb f0 zu erzielen, während die Phasenreserve im wesentlichen unverändert bleibt.Figures 9A and 9B are shown; here are the principles of the invention used to achieve a higher loop gain above f0, while the Phase reserve remains essentially unchanged.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Bereich hinzukommt, welcher durch unterbrochene Linien dargestellt ist, mit einem Knickpunkt bei der jenseits der Frequenz f0 liegenden Frequenz f1 und einem Abfall von 12 dB pro Oktave bis zur Frequenz f2, von wo an dann der Abfall flacher wird und nur 6 dB pro Oktave beträgt. Die modifizierte Phasencharakteristik, welche durch die unterbrochene Linie in Fig. 1OB dargestellt ist, hat eine Phasenreserve von im wesentlichenfE/2.This is achieved by adding the area through which broken lines is shown, with a kink at the beyond the Frequency f0 lying frequency f1 and a drop of 12 dB per octave up to Frequency f2, from where the drop becomes flatter and is only 6 dB per octave. The modified phase characteristic, which is indicated by the broken line in Fig. 10B has a phase margin of essentially fE / 2.

Fig. 11 zeigt die Kurve für einen modifizierten Bandpaß, bei dem die unterbrochenen Linien die zusätzliche Verstärkung bzw. Dämpfung gegenüber einem normalen Kurvenverlauf zeigen, der an beiden Seiten des übertragenen Bandes einen Abfall von 6 dB pro Oktave hat. Diese erfindungsgemäßen Kompensationsschaltungen ergeben in der Nähe der 3 dB-Grenzfrequenz einen steileren Abfall als in dem Frequenzbereich, welcher näher zur Transitfrequenz c liegt, während eine ausreichende Phasenreserve vorgesehen ist.Fig. 11 shows the curve for a modified bandpass filter in which the broken lines the additional gain or attenuation compared to a show normal curve, the one on both sides of the transferred tape Has a drop of 6 dB per octave. These compensation circuits according to the invention result in a steeper drop near the 3 dB cut-off frequency than in the frequency range which is closer to the transit frequency c, while a sufficient Phase reserve is provided.

Die in Block 2 der Fig. 5 und 6 dargestellte Kompensationsschaltung verwirklicht die vorstehend genannten Grundsätze. Man kann aus den Kurven der offenen Verstärkung erkennen, daß die Kompensation der Schleife diesen Richtlinien folgt. In Fig. 4 beträgt der Abfall gleich nach der Grenzfrequenz, also bei 500 Hz, 18 dB pro Oktave. Die Schaltung in Abschnitt 2a hat eine Nullstelle bei 80 Hz und einen Pol bei 92 Hz mit Dämpfungskonstanten 0,56 bzw. 1,1. Die Schaltung für die hohen Frequenzen in Abschnitt 2b hat eine Nullstelle bei 3,1 kHz und einen Pol bei 7,3 kHz mit Dämpfungskonstanten von 0,49 bzw. 1. Die Schaltung und das Tiefpaßfilter in Abschnitt 2c haben Nullstellen bei 1,6 kHz und 3,4 kHz und Pole bei 160 Hz, 800 Hz, 32 kHz und 34 kHz.The compensation circuit shown in block 2 of FIGS realizes the above principles. One can take off the curves of the open Gain recognize that the compensation of the loop follows these guidelines. In FIG. 4 the drop amounts to 18 immediately after the cut-off frequency, that is to say at 500 Hz dB per octave. The circuit in section 2a has a zero at 80 Hz and a Pole at 92 Hz with damping constants 0.56 and 1.1. The circuit for the high Frequencies in Section 2b has a zero at 3.1 kHz and a pole at 7.3 kHz with attenuation constants of 0.49 and 1. The circuit and the low-pass filter in section 2c have zeros at 1.6 kHz and 3.4 kHz and poles at 160 Hz, 800 Hz, 32 kHz and 34 kHz.

Claims

Claims fo circuit arrangement for generating one of one supplied input signal controlled output signal with an input and an amplifier having an output for amplifying the input signal supplied and with a feedback branch, which connects the output to the input, wherein the amplifier by an open gain (open loop gain) and a Phase reserve is indicated when the feedback path is open; through this characterized in that the amplifier has an open gain, which at a predetermined level over a predetermined frequency range essentially constant is and is limited at at least one end by a cutoff frequency that the Amplifier contains means which change the open gain as a function the frequency outside the specified frequency range in a range between cause this cut-off frequency and a critical frequency at which the open Gain is substantially equal to 1, the drop being the open Reinforcement is more than 6 dB per octave for a substantial portion of the range, while the phase reserve in this area is sufficient to ensure stability, and that in this case a high gain over the specified frequency range mentioned is achieved while avoiding vibrations and reducing the deviation between the controlled Output signal and the desired output signal through the input signal Control signal is determined.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the phase reserve is at least 1T / 6.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the amplifier also contains means which change the frequency response cause the drop in open gain to be much greater than 6 dB per octave is from the cutoff frequency to a first frequency in between Cutoff frequency and the critical frequency and less than 12 dB per octave of this first frequency and up to a second frequency, that of this first Frequency separated by this critical frequency, and essentially zero dB per octave from this second frequency to a third frequency that is from the first critical frequency is separated by this second frequency.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the distance between the second frequency and the third frequency is at least one Octave.

5. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the drop in open gain between the cutoff frequency and the first frequency is at least 12 dB per octave.

6. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the drop in open gain between the first and second frequencies is not greater than 6 dB per octave.

7. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the decrease in open gain between the first and second frequencies is essentially 6 dB per octave.