DE3724262C2 - Schaltungsanordnung für kapazitive Spannungsquellen hoher Ausgangsimpedanz, insbesondere für Kondensatormikrophone - Google Patents

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 U_B. 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 U_B 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.