DE4441996A1 - Hörhilfsgerät - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Hörhilfsgerät mit einem Mikrofon, einem Übertra
gungsteil zur Signalverarbeitung und einem Ausgangsverstärker mit daran an
geschlossenem Hörer.
Ausverstärker für Hörhilfsgeräte sollten neben geringen Verzerrungen
einen geringen Energiebedarf, selbst bei hoher Ausgangsleistung, aufweisen.
Klasse-B-Verstärker haben einen besseren Wirkungsgrad als A-Verstärker.
Verstärker dieser Art sind bei Hörgeräten auch bisher üblich gewesen.
Ausgangsverstärker in Form von Schaltverstärkern haben einen noch besseren
Wirkungsgrad, da die Verluste in den Schaltern theoretisch Null sein können.
Bekannte Schaltverstärker verwenden die Pulsbreitenmodulation.
Beispiele solcher D-Verstärker sind z. B. in der Europäischen Patentanmeldung
05 90 903 A1 der Exar-Corporation und in der US-A 5,247,581 der Exar-Cor
poration sowie den US-A 4,689,819 und US-A 4,592,087 der Industrial
Research Products Inc. offenbart und ausführlich beschrieben.
Solche D-Verstärker arbeiten im Prinzip wie folgt:
Die im Ultraschallbereich liegende Rechteckimpulsfolge eines Oszillators wird
einem Integrator zugeführt, dem außerdem die Ausgangsspannung eines Nieder
frequenzsignals zugeführt wird, das von einem Mikrofon über einen Verstärker
zug ankommt und als Vorspannung dient. Das Ausgangssignal des Integrators
ist dann eine Dreiecks-Impulsfolge, deren Nulldurchgänge durch die dem
Integrator zugeführte, im Hörfrequenzbereich liegende Vorspannung variiert
werden. D.h., durch diese niederfrequente Vorspannung werden die Null
durchgänge des Dreieckssignals von einem zur Symmetrieachse symmetrischen
Verlauf ohne Vorspannungssignal variabel zu unsymmetrischen Verhältnissen
verschoben, wobei die Unsymmetrie bezüglich Vorzeichen und Größe eine
kontinuierlich sich ändernde Funktion der Amplitude des niederfrequenten
Eingangssignals ist.
Diese Nulldurchgänge werden dann zum Steuern des Zeitpunktes und der Pola
rität des Ausgangssigna s einer polaritätsumkehrenden, symmetrischen CMOS-
Schalt-Treiberstufe verwendet, die die Dauer der positiven und negativen
Schaltimpulse entsprechend der zeitlichen Verschiebung zwischen den Null
durchgängen des Integrator-Ausgangssignals variiert, und damit ein impuls
moduliertes Ausgangssignal an den Hörer mit einem Frequenzspektrum im
Niederfrequenzbereich abgibt, das ein verstärktes Abbild des Ausgangssignals
des Mikrofons darstellt.
Solche mit Impulsbreitenmodulation arbeitende D-Verstärker haben einen sehr
guten Wirkungsgrad und weisen fast keine Kreuzmodulation auf.
Ein Nachteil der D-Verstärker mit Impulsbreitenmodulation besteht darin, daß
die Impulsbreite entweder kontinuierlich oder in ganz kleinen Schritten verän
dert werden sollte, wenn ein hohes Signal- zu Rausch-Verhältnis erreicht
werden soll.
Die bekannten Klasse D-Ausgangsverstärker verwenden eine kontinuierliche
Modulation, d. h. eine kontinuierliche Variation der Impulsbreite und benö
tigen daher ein kontinuierliches Ausgangssignal des Mikrofons als Eingangssignal.
Wenn die dem Ausgangsverstärker vorangehende Signalverarbeitung zeitdiskret
und/oder amplitudendiskret erfolgt, dann muß dieses digitale Signal zunächst,
z. B. in einen Haltenetzwerk oder einen Digital/Analog-Wandler umgewandelt
werden. Dies stellt einen kaum vertretbaren zusätzlichen Aufwand dar.
Durch die Erfindung soll daher ein Hörhilfsgerät mit einem neuartigen wesent
lich einfacheren Ausgangsverstärker vorgeschlagen werden, bei dem ein relativ
hohes Signal/Rauschverhältnis erreichbar ist, bei extrem niedrigem Leistungs
bedarf und hoher Ausgangsleistung, mit geringsten Verzerrungen und jeglichem
Fehlen von Kreuzmodulation sowie einer möglichen Ansteuerung des Ausgangs
signals mit einem digitalen oder einem analogen Eingangssignal. Der Ausgangs
verstärker kann dabei vollständig als digitale hochintegrierte CMOS-Schaltung
aufgebaut werden.
Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht.
Weitere Merkmale der Erfindung sind den weitern Ansprüchen im einzelnen zu
entnehmen.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Hörhilfsgerätes mit einem Aus
gangsverstärker gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen in dem Ausgangsverstärker des Hörhilfsgerätes ver
wendeten Signalkonverter und
Fig. 3 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des
Ausgangsverstärkers des Hörhilfsgerätes.
Fig. 1 zeigt beispielsweise ein Hörhilfsgerät mit einem neuartigen Ausgangsver
stärker, dessen Einsatz allerdings nicht auf die Verwendung in Hörhilfsgeräten
beschränkt ist, sondern allgemein bei digitalen Verstärkern anwendbar ist, wo
es auf ein hohes Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal ankommt.
Bei dem in Fig. 1 rein schematisch dargestellten Hörhilfsgerät wird das akusti
sche Signal von einem Mikrofon 1 aufgenommen und in einem Tiefpaßfilter als
Antialiasingfilter auf einen bei Hörhilfsgeräten üblichen Frequenzbereich be
schränkt. Dieses niederfrequente Signal wird nun in einem Signalprozessor 3
einer Signalverarbeitung unterzogen. Darunter ist z. B. zu verstehen, daß das
analoge Eingangssignal entweder analog in der Weise weiterverarbeitet wird,
daß die Verstärkerkennlinie des Signalprozessors an die für den jeweiligen
Hörschaden oder Hörverlust seines Trägers bezüglich aller erforderlichen Vari
ablen angepaßt wird.
Derartige, von der Frequenz abhängige beeinflußbare Variable sind z. B. die
Verstärkung der einzelnen Stufen, der Begrenzungspegel, die Kompressions
schwelle, die automatische Verstärkungsregelung mit ihren Ansprech- und
Abfallzeiten, eine Kombination von Kompression und Expansion oder überhaupt
ein nichtlinearer Verlauf der Verstärkung einzelner Stufen oder insgesamt
aller Stufen, sowie der Ausgangs-Schalldruckpegel.
Andererseits wird man wohl vorzugsweise eine digitale Signalverarbeitung
vorsehen. In diesem Fall müßte der Signalprozessor eingangsseitig einen Digi
tal-Analog-Wandler enthalten, für den ein eigener Taktgenerator für die Takt
gabe erforderlich wäre. Dies ist allgemeiner Stand der Technik. Selbstverständ
lich sind dann alle oben genannten variablen Funktionen in digitaler Technik
darstellbar.
Auf den Signalprozessor 3 folgt dann ein neuartiger Ausgangsverstärker. Dieser
besteht im wesentlichen aus einem Signalkonverter 4, der im wesentlichen ein
Σ-Δ-Konverter ist. Dieser Signalkonverter enthält als erstes eine Subtrahier
stufe 5 mit zwei Eingängen, nämlich einem positiven Eingang und einem nega
tiven Eingang, wobei der positive Eingang am Ausgang des Signalprozessors 3
angeschlossen ist. Auf diese Subtrahierstufe 5 folgt ein Tiefpaßfilter 6. In der
einfachsten Ausführung könnte das Tiefpaßfilter 6 ein Integrator sein. An
diesem Integrator 6 ist eine Vergleichsstufe 7 mit Haltenetzwerk angeschlos
sen. Der Ausgang dieser Vergleichsstufe ist über eine Rückkopplungsverbindung
mit dem negativen Eingang der Subtrahierstufe 5 verbunden. Außerdem ist ein
Hochfrequenz-Taktgenerator 8 vorgesehen, der ein hochfrequentes Taktimpuls
signal mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 MHz an die Vergleichsstufe
7 abgibt. Der Ausgang des Signalkonverters 4 ist über eine Tiefpaßfunktion
mit dem Hörer 10 verbunden.
Ein für den Signalprozessor 3 erforderlicher Taktgenerator mit wesentlich
niedrigerer Frequenz wird vorzugsweise durch den Hochfrequenz Taktgenerator
8 synchronisiert. Dies kann beispielsweise in einfacher Weise durch Frequenz
teilung mit einem Faktor M erreicht werden. Eine typische Taktfrequenz für
den Signalprozessor 3 könnte etwa 32 kHz sein.
Die Wirkungsweise des Signalkonverters 4 soll anhand der Fig. 2 und 3
erläutert werden.
Das hochfrequente Taktsignal 11 des Taktgenerators 8 wird, wie bereits erwähnt,
der Vergleichsstufe 7 zugeleitet. Das digitale Eingangssignal 12 in Fig. 3
(eine extrem vereinfachte Darstellung) wird der Subtrahierstufe an ihrem
positiven Eingang zugeführt. Das Ausgangssignal 14 des Signalkonverters 4
gelangt über eine Rückkopplungsverbindung an den negativen Eingang der
Subtrahierstufe und wird dort vom Eingangssignal 12 subtrahiert.
Das dabei entstehende Ausgangssignal wird dem Integrator 6 (der hier das
Tiefpaßfilter darstellt) zugeführt und dort zum Ausgangssignal 13 integriert
Dieses Signal 13 wird in der Vergleichsstufe 7 mit Haltenetzwerk synchron
mit den Flanken des hochfrequenten Taktsignals in das Ausgangssignal 14
umgewandelt, das nur zwei mögliche Werte aufweist, die hier der Einfach
heit halber als +1 und -1 dargestellt sind.
Das Eingangssignal 12 soll zunächst den Wert -0,5 haben. Das integrierte
Signal 13 steigt dann von -1,5 auf Null an, was einen ersten Ausgangsimpuls
übergang von -1 auf +1 zur Folge hat. Das integrierte Signal fällt dann wie
der auf -1,5 ab, wonach das Ausgangssignal 14 wieder den Wert -1 annimmt.
Der nachfolgende Anstieg des Eingangssignals 12 auf den Wert Null be
wirkt einen steileren Anstieg des integrierten Signals 13 auf den Wert 0,5.
Für die Dauer des Eingangssignalpegels 0 erhält man dann über die Integra
tion die entsprechenden Signalwerte des Ausgangssignals 14 zwischen -1 und
+1, wobei jeweils die Werte -1 dem unteren Wert des integrierten Signals und
die Werte +1 dem oberen Wert des integrierten Signals entsprechen.
In gleicher Weise werden die weiteren Werte des Eingangssignals von 0,3,
0,6 und 1,0 über die Integration in entsprechende Impulse des Ausgangssignals
14 umgewandelt. D.h. in dem Ausgangssignal 14 ändert sich das Verhältnis
von positiven Werten zu negativen Werten je Zeiteinheit in Abhängigkeit
vom Eingangssignal 12.
Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß dies eine sehr stark vereinfachte, stark
gedehnte Darstellung ist. Eine Taktfrequenz von etwa 1 MHz ließe sich zeich
nerisch nicht darstellen. Außerdem sind die Amplitudenänderungen extrem
vereinfacht als grobe Stufen dargestellt.
Bei der Umwandlung eines niederfrequenten Analogsignals in ein digitales
Signal durch zeitdiskrete und/oder amplitudendiskrete Umwandlung wird
das Analogsignal quantisiert. Die in Fig. 3 gezeigten Stufen des Eingangssig
nals stehen also stellvertretend für entsprechende Amplitudenschritte eines
quantisierten Analogsignals.
Während man normalerweise bei einer Impulsbreitenmodulation üblicher Art
mit Taktimpulsfrequenzen von z. B. 100 kHz auskommt, sind im vorliegenden
Fall zur Erzielung eines großen Verhältnisses von Nutzsignal zu Störsignal
wesentlich höhere Taktimpulsfrequenzen erforderlich, die beispielsweise im
Bereich von 1 MHz liegen können.
Es ist offensichtlich, daß das Ausgangssignal 14 des Signalkonverters 4 neben
dem erwünschten verstärkten niederfrequenten Anteil einen starken hochfre
quenten Signalanteil enthält, der natürlich ein unerwünschtes Störsignal
darstellt, das z. B. durch ein passives Tiefpaßfilter entfernt werden muß.
Verwendet man diesen Ausgangsverstärker in einem Hörhilfsgerät, dann kann
die Induktivität der Schwingspule des Hörers und die Tiefpaßeigenschaften
des mechanischen und akustischen Systems des Hörhilfsgerätes und des
menschlichen Ohres diese Tiefpaßfunktion vollkommen übernehmen, so daß
ein gesondertes Tiefpaßfilter entbehrlich erscheint.
Dieser neuartige, insbesondere für Hörhilfsgeräte geeignete Ausgangsverstär
ker hat eine Reihe von Vorteilen. Alle Impulsflanken sind mit einer bekannten
Taktimpulsfrequenz synchronisiert, die zudem dazu verwendet werden kann,
den für den vorgeschalteten Signalprozessor erforderlichen, bei wesentlich
niedrigerer Taktfrequenz arbeitenden Taktimpulsgenerator zu synchronisieren.
Außerdem kann das Eingangssignal des Ausgangsverstärkers ein digitales Signal
sein, und der Ausgangsverstärker kann als reine Digitalschaltung konzipiert
werden. D.h. aber, daß die gesamte Schaltung als digitale Schaltung aufge
baut werden kann, wobei lediglich am Eingang des Signalprozessors 3 ein
Analog/Digital-Wandler vorzusehen wäre. Daraus ergibt sich die weitere
Möglichkeit, die gesamte Schaltung in CMOS-Technik als hochintegrierte
Schaltung aufzubauen.
Claims (9)
1. Hörhilfsgerät mit einem Mikrofon (1), einem Übertragungsteil (2, 3)
für die Signalverarbeitung, einem Ausgangsverstärker (4) und einem
daran angeschlossenen Hörer (10) sowie mit einer Batterie für die
Spannungsversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangs
verstärker (4) aus einem Signalkonverter, der im wesentlichen als
Σ-Δ-Konverter aufgebaut ist, einem daran angeschlossenen, ein
hochfrequentes Taktsignal (11) erzeugenden Taktgenerator (8) und
einer nachgeschalteten Tiefpaßfilterfunktion (15) besteht, wobei
das Eingangssignal des Signalkonverters (4) eine durch Signalverar
beitung erzeugte Darstellung des niederfrequenten Eingangssignals
des Hörhilfsgerätes ist, daß dieses Eingangssignal in dem Signal
konverter in ein Signal umwandelbar ist, das nur zwei mögliche
Signalwerte aufweist, und daß dieses Ausgangssignal (14) nach
Durchlaufen der Tiefpaßfunktion als im wesentlichen verstärktes
Abbild des niederfrequenten Eingangssignals erscheint.
2. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
eingangsseitig an den Übertragungsteil (2, 3) angeschlossene Signal
konverter (4) im wesentlichen aus einer Subtrahierstufe (5) mit einem
positiven und einem negativen Eingang, einem Tiefpaßfilter (6) und
einer durch einen Taktimpulsgenerator (8) mit hochfrequenten Takt
impulsen (11) gesteuerten Vergleichsschaltung (7) mit Haltenetzwerk
besteht, wobei der positive Eingang der Subtrahierstufe (5) mit dem
Übertragungsteil (2, 3) und der negative Eingang der Subtrahierstufe
mit dem Ausgang der Vergleichsstufe (7) über eine Rückkopplungs
verbindung verbunden ist.
3. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Eingangssignal (12) des Signalkonverters (4) ein Analogsignal ist.
4. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Eingangssignal (12) des Signalkonverters (4) ein zeitdiskretes
Signal ist.
5. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Eingangssignal des Signalkonverters in seiner Amplitude quan
tisiert ist.
6. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Eingangssignal des Signalkonverters eine aus mehreren Bits/Bytes
bestehende digitale Darstellung des Eingangssignals des Hörhilfsgerätes
ist.
7. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Taktfrequenz der durch den Taktgenerator (8) erzeugten Taktim
pulse im Bereich von 1 MHz liegt.
8. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das von einem Taktgenerator (9) zur Taktgabe an den Signalprozessor
(3) abgegebene Taktsignal durch das hochfrequente Taktsignal (11)
des Taktgenerators (8) synchronisierbar ist.
9. Hörhilfsgerät nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Tiefpaßfunktion durch die elektrischen, akustischen und mechani
schen Eigenschaften des Hörers (10) und gegebenenfalls des menschli
chen Ohres gebildet ist.
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