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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Hörgerät mit einem Mikrophon, einem
Ausgangswandler, einem digitalen Signalprozessor, der zwischen das
Mikrophon und den Ausgangswandler geschaltet ist, und einer Leistungsquelle,
die eine Standard-Hörgerätbatterie
für die
Versorgung des digitalen Signalprozessors mit einer Betriebsspannung enthält.
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Der
allgemeine Aufbau von digitalen Hörgeräten dieser Art ist in der Technik
wohlbekannt und ist z. B. im Patent WO-A-91/08654 offenbart.
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In
ihrem frischen Zustand liefert eine normale Hörgerätbatterie eine Spannung von
etwa 1,3 V und während
ihrer aktiven Lebensdauer kann die Batterie bis zu einer Spannung
von etwa 1 V einen Strom liefern, der für den Betrieb des Hörgeräts ausreichend ist,
wobei unter diesem Wert die Fähigkeit
der Batterie zur Leistungsbereitstellung rasch abfällt.
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In
der Hörgeräte-Technologie
des Standes der Technik ist es z. B. aus den Patenten EP-A-0 335 452,
US-A-4.539.440 und US-A-5.581.455 wohlbekannt, für bestimmte Verarbeitungsschaltungen
oder Komponenten, z. B. EEPROM-Speicher und Mikrophonschaltungen
mittels Aufwärtsspannungs-Umsetzern,
die meist in der Form von geschalteten Kondensatornetzwerken vorliegen,
die z. B. als so genannte Spannungsvervielfacher mit Ladungspumpe entworfen
sind, Betriebsspannungen bereitzustellen, die größer als die Nennspannung der
Batterie sind.
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Weitere
Beispiele der Verwendung von Spannungsreglern in Hörgeräten sind
z. B. in den Patenten DE-A-2 738 339, DE-C-3 134 888, DE-A-19 702
151 und WO-A-96/03848 offenbart. Im Patent DE-A-19 702 151 ist z.
B. ein Hörgerät mit einem Spannungsregler
offenbart, der mehrere stabilisierte Versorgungsspannungen bereitstellen
kann, die größer oder
kleiner als die Nennspannung der Batterie sein können.
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Außerhalb
des Gebiets der Hörgeräte ist eine
Spannungsverringerungsschaltung in MOSFET-Technologie mit verringertem
Leistungsverbrauch im Patent US-A-4.205.369 offenbart.
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Während in
der herkömmlichen
Technologie für
Hörgeräte die wesentliche
Forderung der Leistungsversorgung darin bestand, Betriebsspannungen
bereitzustel len, die für
den Betrieb von Signalverarbeitungsschaltungen ausreichend groß sind, und
eine Verringerung der Nennspannung der Batterie lediglich für eine Spannungsstabilisierung
oder für die
Bereitstellung von Referenzspannungen verwendet wurde, wurde eine
weitere Verringerung der Betriebsspannung als ungünstig betrachtet,
da das einen Verlust an Verarbeitungsgeschwindigkeit zur Folge hätte. In
bestimmten Abschnitten von digitalen Hörgeräten, wie etwa ein digitaler
D/D-Ausgangsumsetzer, der für
einen Hauptteil des Leistungsverbrauchs verantwortlich ist, würde eine
Verringerung der Betriebsspannung lediglich einen Anstieg des Stroms
zur Folge haben und bei der gleichen Ausgangsleistung von dem D/D-Umsetzer
keine Einsparung beim Leistungsverbrauch schaffen.
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Darüber hinaus
wurde bei kleinen Hörgeräten mit
einem geringen Spannungsabfall und einem Stromfluss von wenigen
Milliampère
oder sogar von lediglich einem Bruchteil eines Milliampère eine
Leistungseinsparung durch Verringerung der Betriebsspannung infolge
der komplexen Schaltungsanordnung eines verlustarmen Reglers für stabilisierte
Reihenspannungen als uninteressant betrachtet.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Tatsache, dass einige Signalverarbeitungsabschnitte in
Form von integrierten Schaltungen einer digitalen Hörhilfe,
wie z. B. digitale Filter, auf Schwankungen der Betriebsspannung
in dem Sinne weniger empfindlich sind, dass derartige Schwankungen
keine wesentliche Änderung
des Betriebsverhaltens zur Folge haben würden, solange die Betriebsspannung auf
einem Wert über
einer definierten minimalen Spannung gehalten wird.
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Es
ist deswegen eine Aufgabe der Erfindung, ein digitales Hörgerät mit einer
längeren
aktiven Lebensdauer und einem verringerten Leistungsverbrauch zu
schaffen.
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Gemäß der Erfindung
werden diese Aufgabe sowie weitere Aufgaben dadurch erfüllt, dass
der digitale Signalprozessor wenigstens einen Signalverarbeitungsabschnitt
in Form einer integrierten Schaltung umfasst, der ohne deutliche Änderung
seines Betriebsverhaltens mit einer verringerten Leistungsversorgungsspannung
innerhalb eines Bereichs, der wesentlich unter einer Nennspannung
der Batterie und über
einer definierten minimalen Spannung liegt, arbeiten kann, und dass
ein geschalteter Abwärtsspannungs-Umsetzer
zwischen die Leistungsquelle und den wenigstens einen Signalverarbeitungsabschnitt
geschaltet ist, um die verringerte Leistungsversorgungsspannung
bereitzustellen.
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Durch
Verringerung der erforderlichen Betriebsspannung für Abschnitte
der integrierten Signalverarbeitungsschaltungen sind der Gesamtstromfluss
und der Leistungsverbrauch des Hörgeräts verringert.
Das bringt insbesondere wesentliche Vorteile in Bezug auf den Leistungsverbrauch,
wenn die digitale Signalverarbeitung durch große hardware-programmierte Programme
gesteuert wird, was andernfalls einen wesentlichen Leistungsverbrauch
zur Folge hätte.
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Die
digitalen Signalverarbeitungsabschnitte, die geringere Anforderungen
an die Betriebsspannung aufweisen, sind vorzugsweise unter Verwendung
von Transistoren mit einer niedrigen Betriebsspannung, z. B. eine
geringe Schwellenwertspannung oder Klemmspannung im Vergleich zu
bipolaren Verarbeitungsschaltungen, die normalerweise in Hörgeräten verwendet
werden, in MOS- oder CMOS-Technologie entworfen. Typischerweise
umfassen derartige Signalverarbeitungsabschnitte Schaltungen, die
in Bezug auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit oder die geforderte
Ausgangsleistung nicht belastet sind, wie etwa digitale Filter,
wohingegen stärker
belastete Schaltungen, wie etwa ein Ausgangs-D/D-Umsetzer oder ein Ausgangsverstärker, trotzdem
mit einer höheren
Betriebsspannung versorgt werden können.
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Ein
brauchbarer Entwurf derartiger Signalverarbeitungsblöcke, die
durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit belastet sind, enthält z. B.
das Aufteilen in mehrere Blöcke
zur parallelen oder seriellen Verarbeitung, wobei die Anforderungen
in Bezug auf die Verarbeitungsgeschwindigkeit und demzufolge die Anforderung
an die Betriebsspannung für
derartige Schaltungsblöcke
verringert werden können.
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Somit
umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform des Hörgeräts gemäß der Erfindung
der wenigstens eine Signalverarbeitungsabschnitt parallele Signalverarbeitungsblöcke, wovon
jeder mit der verringerten Leistungsversorgungsspannung arbeitet.
Die verringerte Betriebsspannung für die fraglichen Signalverarbeitungsblöcke würde vorzugsweise
gleich oder niedriger als 0,8 V sein und z. B. in einem Spannungsbereich
bei der Hälfte
der Nennspannung der Batterie liegen, wie etwa von 0,7 bis 0,4 V
oder vorzugsweise von 0,65 bis 0,5 V.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
würde der
geschaltete Abwärtsspannungs-Umsetzer, der die
verringerte Betriebsspannung bzw. die verringerten Betriebsspannungen
bereitstellt, ein Umsetzer mit kapazitiver Ladungspumpe sein, der vorteilhaft
so entworfen ist, dass er zwei oder mehrere Ausgangsspannungen liefert.
Alternativ kann jedoch außerdem
ein Umsetzer des Typs mit geschaltetem Induktor vorgesehen sein.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
genau beschrieben, in der:
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1 ein
schematischer Blockschaltplan einer Ausführungsform eines digitalen
Hörgeräts gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
erste Konfiguration eines Abwärtsspannungs-Umsetzers
mit geschaltetem Kondensator des Ladungspumpentyps zur Verwendung in
dem Hörgerät von 1 zeigt;
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die 3 und 4 vereinfachte
Darstellungen sind, die Ladungszustände in der Umsetzerkonfiguration
von 2 erläutern;
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5 eine
zweite Konfiguration eines Abwärtsspannungs-Umsetzers
mit geschaltetem Kondensator des Ladungspumpentyps zur Verwendung in
dem Hörgerät von 1 zeigt;
und
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die 6 und 7 vereinfachte
Darstellungen sind, die Ladungszustände in der Umsetzerkonfiguration
von 2 erläutern.
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Das
Hörgerät, das in 1 schematisch
dargestellt ist, umfasst elektrische Schaltungen 1, die zwischen
ein Mikrophon 2 und einen Ausgangswandler oder einen Empfänger 3 geschaltet
sind. Die elektrischen Schaltungen 1 enthalten einen Signalverarbeitungsabschnitt 5,
einen Steuerabschnitt 6 und einen Leistungsversorgungsabschnitt 7.
In einem digitalen Hörgerät umfassen
die Signalverarbeitungsabschnitte 5 wenigstens einen A/D-Umsetzer
für die Umsetzung
des analogen Signals von dem Mikrophon 2 in digitale Form,
digitale Signalverarbeitungsschaltungen mit Filtern und Verstärkern und
einen Ausgangsumsetzer, der ein digitales oder ein analoges Ausgangssignal,
das die Hörschädigung des
Benutzers kompensiert, an den Ausgangswandler 3 liefert.
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Der
Abwärtsspannungs-Umsetzer
mit geschaltetem Kondensator des Ladungspumpentyps, der in 2 dargestellt
ist, ist von einem Typ, der im Allgemeinen von dem Patent US-A-4.205.369
bekannt ist und umfasst eine Reihenschaltung aus einer Gleichspannungsquelle,
wie etwa eine Hörgerätbatterie,
die eine Nennspannung Ucc von etwa 1,3 V liefert, und einer Umsetzerkonfiguration,
die eine Ausgangsspannung xVout liefert,
die etwa den halben Wert der Nennspannung der Batterie darstellt.
Die Umsetzerschaltung umfasst ein Paar Transistoren T1 und T2, die
als p- bzw. n-MOSFET-Transistoren gezeigt sind, die durch eine Steuerspannung
v gesteuert werden und mit Schalterschaltungen S1 bzw. S2 verbunden
sind, wovon jede als ein Paar n- bzw. p-MOSFET-Transistoren implementiert
sein kann, die durch entgegengesetzte Taktphasen gesteuert werden.
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Die
Transistoren T1 und T2 und die Schalterschaltungen S1 und S2 steuern
das Laden und das Entladen von zwei Kondensatoren Cf und
CS in der folgenden Weise.
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Wenn
die Steuerspannung v nicht aktiv oder auf "Tiefpegel" ist, ist der Transistor T1 eingeschaltet und
der Transistor T2 ist ausgeschaltet und die Schalterschaltung S1
ist inaktiv und die Schalterschaltung S2 ist aktiv, so dass die
Kondensatoren Cf und CS in
Reihe geladen werden, wie im Ersatzschaltplan von 3 gezeigt
ist.
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Wenn
die Steuerspannung v aktiv oder auf "Hochpegel" ist, ist der Transistor T1 ausgeschaltet und
der Transistor T2 ist eingeschaltet und die Schalterschaltung S1
ist aktiv und die Schalterschaltung S2 ist inaktiv, so dass die
Kondensatoren Cf und CS parallel
zur Last entladen werden, wie im Ersatzschaltplan von 4 gezeigt
ist. In den Schaltplänen der 3 und 4 ist
eine Last durch einen Widerstand R1 repräsentiert.
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Wenn
die Kondensatoren Cf und CS die gleiche
Kapazität
besitzen, wird die Batteriespannung UCC halbiert
und die verringerte Betriebsspannung beträgt etwa die Hälfte der
Batteriespannung.
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In
der Konfiguration, die in 5 gezeigt
ist, sind drei MOSFET-Transistoren T1, T2 und T3 und vier Schalterschaltungen
S1, S2, S3 und S4 so geschaltet, dass sie das Laden und das Entladen
von drei Kondensatoren Cf, Cf2 und
CS in der gleichen Weise, wie oben beschrieben
wurde, steuern.
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Wenn
die Steuerspannung v auf "Tiefpegel" ist, sind die Transistoren
T1 und T3 eingeschaltet und der Transistor T2 ist ausgeschaltet,
während
die Schalterschaltungen S2 und S4 aktiv und die Schalterschaltungen
S1 und S3 inaktiv sind, so dass der Kondensator CS in
Reihe mit der Parallelschaltung der Kondensatoren Cf und
Cf2 geladen wird, wie im Ersatzschaltplan
von 6 gezeigt ist.
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Wenn
die Steuerspannung v auf "Hochpegel" ist, sind die Transistoren
T1 und T3 ausgeschaltet und der Transistor T2 ist eingeschaltet,
während die
Schalterschaltungen S2 und S4 inaktiv und die Schalterschaltungen
S1 und S3 aktiv sind, so dass die Reihenschaltung der Kondensatoren
Cf und Cf2 parallel
mit dem Kondensator CS und über den
dazu parallel geschalteten Widerstand R1 entladen wird, wie im Ersatzschaltplan
von 7 gezeigt ist.
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Wenn
die Kondensatoren Cf, Cf2 und
CS die gleiche Kapazität besitzen, wird die Batteriespannung
in Drittel geteilt und die verringerte Betriebsspannung beträgt etwa
zwei Drittel der Batteriespannung.
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Die
Konfigurationen, die in den 3 und 6 gezeigt
sind, sind lediglich Beispiele von bevorzugten Ausführungsformen
von Ladungspumpen-Umsetzern mit geschaltetem Kondensator zur Verwendung
in digitalen Hörgeräten gemäß der Erfindung.
Im mfang der Erfindung können
eine oder mehrere verringerte Betriebsspannungen für unterschiedliche
Signalverarbeitungsabschnitte des Hörgeräts als Bruchteile der Batteriespannung
erhalten werden.
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Aus
der obigen Beschreibung folgt, dass die verringerte Betriebsspannung,
die von dem Abwärtsspannungs-Umsetzer
der Erfindung geliefert wird, ursprünglich nicht stabilisiert ist
und somit Schwankungen der Betriebsspannung nachläuft. Für einen Fachmann
ist jedoch klar, mittels eines herkömmlichen Stabilisierungs-Spannungsreglers
außerdem eine
stabilisierte geringere Spannung zu erzeugen, wobei der Vorteil
eines geringeren Leistungsverbrauchs, der aus der Erfindung resultiert,
aufrechterhalten wird.