DE3724262C2 - Schaltungsanordnung für kapazitive Spannungsquellen hoher Ausgangsimpedanz, insbesondere für Kondensatormikrophone - Google Patents
Schaltungsanordnung für kapazitive Spannungsquellen hoher Ausgangsimpedanz, insbesondere für KondensatormikrophoneInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für
kapazitive Spannungsquellen hoher Ausgangsimpedanz, ins
besondere für Kondensatormikrophone, bestehend aus zwei
aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen, deren jede für
sich eine Verstärkung von nahezu eins besitzt und einen
frequenzbegrenzenden Filter.
Kapazitive Spannungsquellen hoher Ausgangsimpedanz,
insbesondere eine solche, die durch ein kapazitives Mi
krophon gegeben ist, müssen an die elektrisch vorgegebenen
Übertragungseinrichtungen angepaßt werden.
Der zur Weiterleitung des elektrischen Signals an die
eigentlichen elektroakustischen Einrichtungen, wie bei
spielsweise Mischpulte, Verstärker, u.ä. gegebene Lei
tungsweg ist niederohmig, so daß eine Impedanzanpassung
zwischen dem kapazitiven Wandler und dem Leitungsweg, bzw.
Eingang der elektroakustischen Einrichtung vorgenommen
werden muß. Schaltungsanordnungen, die einer solchen Auf
gabe entsprechen, sind aus der DE-OS 20 20 739 und der
AT-PS 377 873 bekannt.
Bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen werden die
einzelnen Verstärkungsstufen in Parallelschaltung gespeist,
so daß die den einzelnen Stufen zufließenden Speiseströme
als Summe aller Ströme von der Speisequelle zu erbringen
sind.
Im allgemeinen wird, um zusätzliche Speisestromlei
tungen einzusparen, der gesamte Speisestrom aus einem Netz
versorgungsgerät über eine Phantomschaltung der Schaltungs
anordnung zugeführt. Dabei fließt der Speisestrom über
zwei symmetrische Signalleitungen der Schaltungsanordnung
zu; als Rückführleitung zum Netzversorgungsgerät wird die
Abschirmung der symmetrischen Signalleitung benützt.
Für die Phantomspeisung von Kondensatormikrophonen
sind eine Vielzahl elektroakustischer Einrichtungen, vor
allem in Tonstudios, vom Hersteller ausgestattet, wobei
das entsprechende Netzversorgungsgerät für einen maximalen
Speisestrom von etwa 2 mA pro Übertragungskanal, der je
weils ein Mikrophon anzuschließen gestattet, ausgelegt ist.
Da in der Tonübertragungstechnik an die Übertragungs
qualität höchste Anforderungen im Hinblick auf geringen
Klirrfaktor bei höchstmöglicher Aussteuerbarkeit des Ton
signals, Ausblenden von tiefstfrequenten Störanteilen
und geringstmöglichen Rauschen zum Erzielen eines hohen
Signal-Rauschabstandes gestellt werden, wird es immer
schwieriger, die beim kapazitiven Wandler notwendige
Schaltungsanordnung diesen Bedingungen anzupassen, ohne
dabei den Speisestrom für die gesamte Schaltungsanordnung
zu erhöhen.
In der JP 52-38 212 A ist ein mehrstufiger Transistor
verstärker beschrieben, der dazu dient, ein von einem Kon
densatormikrofon geliefertes Tonsignal zu verstärken. Das
verstärkte Signal gelangt in den Tonkopf eines magnetischen
Aufzeichnungsgerätes. Die Stufen des Verstärkers sind
gleichspannungsgekoppelt und in Emitterschaltung ausgeführt,
wobei der Arbeitswiderstand der letzten Stufe, an die der
Tonkopf angeschlossen ist, wiederum von einem Transistor
gebildet ist, um einen möglichst großen Innenwiderstand
der letzten Stufe zu erhalten. Dadurch wird die erforder
liche Stromsteuerung für den Tonkopf erreicht. Gleichzei
tig erfolgt eine Gleichspannungsgegenkopplung, um den Ar
beitspunkt des dreistufigen Verstärkers zu stabilisieren.
Hinsichtlich der Speisespannung sind alle drei Verstärker
stufen parallelgeschaltet.
Die Erfindung geht daher von der Aufgabenstellung aus,
für einen vorgegebenen maximalen Gesamtspeisestrom, der
2 mA nicht überschreiten darf, und für eine möglichst
große Last am Ausgang, was besonders langen Übertragungs
leitungen entspricht, eine solche Schaltungsanordnung
anzugeben, die ein geringstmögliches Eigenrauschen, eine
hohe Eingangsimpedanz, eine bestmögliche Dynamik und
einen möglichst niedrigen Klirrfaktor unter Einbeziehung
eines die tiefen Tonfrequenzen ausblendenden Filters
besitzt.
Es sind aber noch Schaltungsanordnungen aus der
AT-PS 374 639 und der US-PS 3,999,139 bekannt, bei denen
in Kaskade angeordnete Verstärkungsstufen von einem
gemeinsamen Speisestrom durchflossen werden. Diese Schal
tungsanordnungen gestatten jedoch nicht das Mitführen
der Betriebsspannung mit der Signalspannung zur erhöhten
Aussteuerbarkeit der Signalwechselspannung. Eine solche
erhöhte Spannungsaussteuerbarkeit ist deshalb nicht mög
lich, weil die Betriebsspannung für die einzelnen in
Kaskade angeordneten Verstärkungsstufen mittels Konden
satoren gesiebt wird, wodurch das Mitführen der Betriebs
spannung mit der Signalspannung unterbunden ist. Außerdem
weist die gesamte Schaltungsanordnung der bekannten Kas
kade-Verstärker eine möglichst hohe Verstärkung zum Unter
schied zur erfindungsgemäßen Anordnung auf, bei der zu
folge der Impedanzwandlung einer eingangsseitig vorhande
nen hochohmigen kapazitiven Spannungsquelle zu einer aus
gangsseitig angeschlossenen niederohmigen Leitung mit
nachfolgendem niederohmigen Signalverstärker die Gesamt
verstärkung kleiner als eins bleibt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt
in der optimal möglichen Nutzung des vom Netzversorgungs
gerät hergegebenen maximalen Speisestromes und auch der
Speisespannung. Die Kaskadierung der beiden Verstärker
stufen für die Speisestromversorgung läßt zu, daß jede
einzelne Stufe für sich vom maximal zur Verfügung stehen
den Speisestrom durchflossen wird, wodurch die gestellten
Bedingungen von einer hohen Eingangsimpedanz der ersten
Stufe bei geringstmöglichem Eigenrauschen unter best
möglicher Nutzung der Speiseenergie erfüllt werden
können.
Der eingeprägte Speisestrom bewirkt eine freie Ein
stellung der Arbeitsspannung in den einzelnen Verstärker
stufen, wodurch für die Aussteuerbarkeit einer jeden ein
zelnen Stufe bei entsprechender Schaltungsdimensionier
ung zwei Drittel der gesamt zur Verfügung stehenden
Speisespannung sich nützen lassen.
Damit ist aber gegenüber herkömmlichen Schaltungsan
ordnungen in der Aussteuerung des Wechselspannungssignals
ein Gewinn von 2,5 dB gegeben, bzw. die aus der Speise
quelle verfügbare Leistung wird um 1,25 dB besser genützt.
Vor allem kann die Ausgangsstufe der Schaltungsanordnung
den größtmöglichen Speisestrom aufnehmen, wodurch eine
optimale Anpassung an große Lasten, wie sie durch extrem
lange Tonleitungen gegeben sind, möglich wird.
Vor allem vermeidet die erfindungsgemäße Schaltungs
anordnung die nahezu klassisch gewordene Stromaufteilung
auf je eine Hälfte des Gesamtspeisestromes pro Stufe, die
immer zu Nachteilen im Hinblick auf technische Spezifi
kationen der Schaltungsanordnung geführt hat. Vor allem
hat bei den bisher bekannten Schaltungen die Anord
nung des die tiefen Frequenzen begrenzenden Filters den
Nachteil erhöhten Rauschens gebracht, wenn das Filter
gleichzeitig eine aktive Stufe des Impedanzwandlers dar
stellte, bzw. stellte es für den Impedanzwandler eine
zusätzliche Last dar, wenn es passiv dieser Stufe nachge
schaltet war. Wurde für das Filter eine eigene aktive
Stufe gewählt, kam es zu der bereits erwähnten nachteili
gen Halbierung des Gesamtspeisestromes.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung liegt nun darin, daß die zwei aufein
anderfolgenden Verstärkerstufen diskret aus einer ersten
Feldeffekttransistorstufe und einer weiteren aus einem
oder mehreren bipolaren Transistoren bestehenden Stufe
gebildet sind. Im Hinblick auf die kapazitive Spannungs
quelle ist die Eingangsstufe der Schaltungsanordnung mit
einem hochohmigen Eingang zu versehen, was am günstigsten
mit einem Feldeffekttransistor erfolgt. Zur Anpassung
des Ausgangs der gesamten Schaltungsanordnung an den
daran anschließenden Leitungsweg sind bipolare Transis
toren von besonderem Vorteil, weil diese in der Ausgangs
stufe besser einen besonders niederohmigen Ausgang ver
wirklichen lassen.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn nach einem weiteren
Erfindungsmerkmal in der Schaltungsanordnung die beiden
aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen aus je einem
Operationsverstärker bestehen. Für den Fall, daß die
gesamte Schaltungsanordnung mit großem Aufwand in den
einzelnen Verstärkerstufen erstellt werden muß, sind
Operationsverstärker von besonderem Vorteil, weil sie
die großflächige Anordnung mehrerer diskret er Transistoren
vermeiden und in der Anschaffung billiger sind.
Schließlich ist es noch vorteilhaft, wenn erfin
dungsgemäß die gesamte aus zwei aufeinanderfolgenden
Verstärkerstufen bestehende Anordnung als ein einziger
integrierter Bauteil ausgebildet ist. Zunehmende Minia
turisierung im Mikrophonbau richtet an eine dazu er
forderliche Schaltungsanordnung notwendiger Weise die
Forderung des geringsten Platzbedarfs. Einer solchen
kann nur durch einer in einem einzigen Bauteil unterge
brachten integrierten Schaltungsanordnung Folge geleistet
werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird an Hand der Beschreibung
näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild, Fig. 3 eine detaillierte
Schaltung und Fig. 4 ein Aussteuerungsdiagramm der Ver
stärkerstufen gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 wird der erfindungsgemäße Gedanke der
Kaskadierung für die Speisestromversorgung einschließlich
der Speisestromkonstantquellen dargestellt. Die Ver
stärkungsstufe V1 dient dabei der Anpassung der hoch
ohmigen kapazitiven Spannungsquelle, wie sie durch ein
Kondensatormikrophon gegeben ist, an die gesamte Schal
tungsanordnung. Die Stufe V2 dient der Ankopplung des
die tiefen Frequenzen begrenzenden Filters, das wahlweise
zugeschaltet werden kann, vor allem dann, wenn Trittschall
ausgeblendet werden soll. Die Stufe V3 stellt erneut
einen Impedanzwandler dar und hat die Aufgabe, die gesamte
Schaltungsanordnung an die anzuschließende Last, beispiels
weise ein einige hundert Meter langes Kabel mit einer
Kapazität von etwa 200 pF pro Meter, optimal anzupassen.
Das in Fig. 2 dargestellte Schaltbild ist eine stark
schematisierte Schaltung, die bereits aktive Bauteile,
wie einen Feldeffekttransistor und weitere bipolare
Transistoren in einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt.
Fig. 3 stellt die detaillierte Ausführung der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dar. Eine erste
Anpassungsstufe für das hochohmige kapazitive Mikro
phon, bzw. Doppelmikrophon M1, M2, ist durch den Feld
effekttransistor T1 gegeben. Daran schließt mit dem
Transistor T2 die Anpassungsstufe für das aus den
Kondensatoren C7, C8, C9, dem Widerstand R7 und dem
Schalter S1 gebildete, die tiefen Frequenzen begrenzende
Filter in wechselstrommäßiger Serienschaltung an. Die
eigentliche Impedanzwandlerstufe für den Ausgang der ge
samten Schaltungsanordnung bildet die aus den Transis
toren T3 und T4 gebildete Darlingtonschaltung, wobei diese
dritte Stufe der Gesamtanordnung ebenfalls für das Wechsel
spannungssignal zur ersten und zweiten Stufe in Serie
liegt.
Der über die symmetrische Signalleitung zur Verfügung
stehende Speisestrom durchfließt erfindungsgemäß die in
Kaskade angeordneten Verstärkerstufen, gebildet aus den
Transistoren T3, T4 und dem Feldeffekttransistor T1, als
auch T2, wobei der Transistor T5 als Stromquelle der
Schaltungsanordnung den Speisestrom einprägt. Die übrigen
in der Schaltung angegebenen passiven Schaltelemente sind
in ihrer Wirkung aus dem Stand der Technik bekannt.
Schließlich zeigt Fig. 4 ein Spannungsdiagramm der
maximalen Aussteuerbarkeit der beiden Verstärkerstufen
mit je zwei Drittel der gesamten zur Verfügung stehenden
Speisespannung UB. Wichtig dabei ist, daß im Durchlaß
bereich des Filters keine nennenswerte Phasenverschiebung
des Wechselspannungssignals eintritt. Wird die Schaltungs
anordnung so dimensioniert, daß, wie in Fig. 2 angegeben,
die einzelnen Spannungen U1, U2, U3 zu etwa je 1/3 UB auf
treten, dann bleibt auch für den Sperrbereich des Filters
die Aussteuerbarkeit erhalten. Dazu muß dann ein Filter
minimaler Phasenverzerrung gewählt werden.
Claims (4)
1. Schaltungsanordnung für kapazitive Spannungsquellen
hoher Ausgangsimpedanz, insbesondere für Kondensator
mikrophone, bestehend aus zwei aufeinanderfolgenden
Verstärkerstufen, deren jede einzelne für sich eine Ver
stärkung von nahezu eins besitzt, und einem frequenzbe
grenzenden Filter, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver
sorgungsspannung jeder Verstärkerstufe ungesiebt von der
vorhandenen Speisespannung für die Schaltungsanordnung
zur Verfügung gestellt wird, daß die zwei Verstärkerstufen
(V1, V3) einschließlich einer für das Filter erforderlichen
impedanzanpassenden Verstärkerstufe (V2) in Rollektorschaltung bzw.
Drainschaltung betrieben werden, daß die erste und zweite
Verstärkerstufe (V1 bzw. V3) sowie die zweite Verstärker
stufe (V3) und die impedanzanpassende Verstärkerstufe (V2) jeweils
zu ihrer Stromversorgung in Kaskade geschaltet und von
einem eingeprägten Speisestrom durchflossen sind
und daß ein Wechselspannungssignal die für dieses Signal
in Serie geschalteten Verstärkerstufen durchläuft, wo
bei für jede Verstärkerstufe maximal zwei Drittel der
vorhandenen Speisespannung zu deren Aussteuerung zur Ver
fügung steht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die zwei aufeinanderfolgenden Ver
stärkerstufen (V1, V3) diskret aus einer ersten Feld
effekttransistorstufe (T1) und einer weiteren, aus einem
oder mehreren bipolaren Transistoren (T3, T4) be
stehenden Stufe gebildet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die beiden aufeinanderfolgenden Ver
stärkerstufen aus je einem Operationsverstärker bestehen.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte
Anordnung als ein einziger integrierter Bauteil ausge
bildet ist.
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DE3724262A1 (de) | 1988-02-11 |
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