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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft im allgemeinen Operationsverstärker und
spezieller Klasse A Bipolar-Niederleistungs-Operationsverstärker, die unsymmetrische Vorrichtungsgrößen verwenden,
um Eingangsstufen-Verschiebungsspannungen bzw. -Offsetspannungen
zu kompensieren, und die für
eine Verwendung in medizinischen Niederleistungsvorrichtungen, wie
z.B. Hörgeräten u.ä., geeignet
sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Typischerweise
weisen Klasse A Operationsverstärker
eine symmetrische Eingangsschaltung auf, die aus ersten und zweiten
differentiellen Eingangstransistoren besteht, die invertierende
und nicht-invertierende Eingänge
bzw. Eingaben an ihre jeweiligen Basiselektroden empfangen. Die
Eingangsstufe stellt ein Ausgangssignal am Kollektor des zweiten
Eingangstransistors bereit. Mit den ersten und zweiten Eingangstransistoren
sind erste und zweite Lasttransistoren verbunden, deren Basiselektroden
mit dem Kollektor des Eingangstransistors gekoppelt sind. Die Emitterelektroden
der Eingangstransistoren sind mit einer Versorgungsspannungsquelle
(z.B. Masse) über
eine erste Stromquelle (Ib1) gekoppelt.
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Die
Ausgabe der Eingangsstufe wird an eine Ausgangsstufe angelegt, die
wiederum einen Ausgangsanschluss zum Koppeln mit einer Last aufweist.
Die Ausgangsstufe muss in der Lage sein, relativ große Ströme, die
mit Last verbunden sind, aufzunehmen, und weist daher im allgemeinen
eine relativ große
Stromquelle (I
b2) auf. Ein Beispiel einer solchen
Schaltung ist in der
EP 72082 offenbart.
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Um
für die
Verwendung in gewissen medizinischen Vorrichtungen, wie z.B. Hörgeräten, armbanduhrartigen
Pulsmonitoren, implantierbaren medizinischen Vorrichtungen u.ä. geeignet
zu sein, muss ein Operationsverstärker in der Lage sein, bei einer
niedrigen Leistung mit einer niedrigen Versorgungsspannung (z.B.
1,5 Volt) zu arbeiten. Daher ist es erwünscht, dass Ib1 relativ
klein, insbesondere kleiner als Ib2 ist,
welcher wiederum groß genug
sein muss, um die Last zu treiben. Leider erzeugt dieser Unterschied
nichtzufällige
Basisstromunsymmetrien, welche wiederum verursachen, dass die Ströme in den
Kollektoren der ersten und zweiten Eingangstransistoren in unterschiedlichem
Maß bzw.
Grad gestört
werden, was eine unerwünschte
Eingangsoffset- bzw.
-verschiebungsspannung erzeugt.
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In
der Vergangenheit ist das Problem der Eingangsoffsetspannung bei
bipolaren Operationsverstärkern
auf verschiedenen Weisen angegangen worden. Beispielsweise kann
ein Emitterfolger als ein Puffer zwischen den Eingangs- und Ausgangsstufen verwendet
werden. Alternativ kann ein höherer
Strom in dem vorderen differentiellen Paar verwendet werden, und
ein noch anderer bekannter Ansatz bezieht die Verwendung von Basisstrom-Abbruchtechniken ein.
Leider sind diese Lösungen
nicht komplett mit Niederleistungsausgestaltungen kompatibel.
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In
Anbetracht des vorhergehenden sollte erkannt werden, dass es erwünscht wäre, einen
Niederleistungs-Bipolar-Operationsverstärker bereitzustellen,
welcher im wesentlichen reduzierte Eingangsoffsetspannungen für eine Verwendung
in medizinischen Niederleistungsvorrichtungen zeigt. Zusätzliche
wünschenswerte
Eigenschaften werden einem Fachmann aus dem vorhergehenden Hintergrund
der Erfindung und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
und den beiliegenden Ansprüchen
offenbar werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Niederleistungs-Operationsverstärker bereitgestellt
mit:
einer differentiellen Eingangsstufe mit: einem ersten und
einem zweiten differentiell gekoppelten Eingangstransistor, mit
jeweils einer Basis, einem Emitter und einem Kollektor, und einer
ersten Stromquelle; und einer ersten Stromspiegelschaltung, die
mit dem ersten und dem zweiten Eingangstransistor gekoppelt ist,
wobei die erste Stromspiegelschaltung einen ersten Strom erzeugt,
der den durch den ersten Eingangstransistor fließenden Strom stört; und
einer Ausgangsstufe, die mit der differentiellen Eingangsstufe und
mit der ersten Stromspiegelschaltung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangsstufe eine zweite Stromquelle aufweist und einen
zweiten Strom erzeugt, der größer als
der erste Strom ist, der den durch den zweiten Eingangstransistor
fließenden
Strom stört,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Emitterbereiche bzw. -flächen des
ersten und des zweiten Eingangstransistors ausgewählt ist,
um eine Offsetspannung, die von der Differenz zwischen dem ersten
Strom und dem zweiten größeren Strom
verursacht wird, im wesentlichen zu eliminieren, wobei das Verhältnis der Emitterbereiche
des ersten und des zweiten Eingangstransistors ausgewählt ist,
um der Gleichung A1/A2 =
IB1/IB2 zu genügen, wobei
A1 der Emitterbereich des ersten Eingangstransistors,
A2 der Emitterbereich des zweiten Eingangstransistors,
IB1 der Strom der ersten Stromquelle und
IB2 der Strom der zweiten Stromquelle ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
nachfolgenden Zeichnungen zeigen spezielle Ausführungsformen und beschränken daher den
Rahmen der Erfindung nicht, werden aber gezeigt, um ein korrektes
Verständnis
der Erfindung zu unterstützen.
Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu
(wenn es nicht anders dargestellt ist) und sind für eine Verwendung
in Verbindung mit den Erklärungen
in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung gedacht. Die vorliegende
Erfindung wird nun in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
erklärt werden,
in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, und;
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1 ein
schematisches Diagramm eines Operationsverstärkers gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
schematisches Diagramm eines Operationsverstärkers gemäß der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 ein
Blockdiagramm eines einfachen Hörgeräts, dass
für die
Verwendung der in den 1 und 2 gezeigten
Operationsverstärker
geeignet ist, ist.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines einfachen bzw. grundlegenden Operationsverstärkers mit
einer Eingangsstufe 10 und einer Ausgangsstufe 12.
Die Eingangsstufe 10 weist einen ersten und zweiten differentiell
gekoppelten NPN Transistor Q1 und Q2, einen ersten und zweiten PNP Lasttransistor
Q3 und Q4 und eine
Stromquelle IB1 auf. Die Basis des Transistors
Q1 ist mit einem invertierenden Eingang
IN-gekoppelt und
die Basis des Transistors Q2 ist mit einem
nicht-invertierenden Eingangsanschluss IN+ in der wohlbekannten
Weise gekoppelt. Die Stromquelle IB1 ist
mit den Emittern der Transistoren Q1 und
Q2 und mit einem ersten Versorgungsspannunganschluss 14 gekoppelt,
welcher vielleicht mit einer Versorgungsspannungsquelle Vee (z.B. Masse) gekoppelt ist. Die Lasttransistoren
Q3 und Q4 verbinden
bzw. koppeln in einer Stromspiegelkonfiguration die Kollektoren
der Eingangstransistoren Q1 und Q2 und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss 16,
welcher mit einer zweiten Versorgungsspannung Vcc (z.B.
1 Volt–1,5
Volt) gekoppelt sein kann.
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Die
Ausgangsstufe 12 weist einen PNP Transistor Q5,
einen Kompensationskondensator C und eine zweite Stromquelle IB2 auf. Der Ausgangstransistor Q5 weist
eine Basis, die mit den Kollektoren der Transistoren Q2 und
Q4 gekoppelt ist, einen Emitter, der mit
dem Versorgungsspannungsanschluss 16 gekoppelt ist, und
einen Kollektor, der mit einem Ausgangsanschluss 18 gekoppelt
ist, auf. Der Kompensationskondensator C verbindet den Kollektor
des Transistors Q5 und die Kollektoren der
Transistoren Q2 und Q4.
Schließlich
verbindet die Stromquelle IB2 den Kollektor
des Transistors Q5 und den Versorgungsspannungsanschluss 14.
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Der
in 1 gezeigte Operationsverstärker arbeitet in der wohlbekannten
Art. Diese ist, dass der Strom, der durch den Kollektor des Transistors
Q2 fließt,
größer ist
als der, der durch den Kollektor des Transistors Q1 fließt, wenn
ein Eingangssignal IN+ größer als
ein Eingangssignal IN– ist.
Weil der Kollektorstrom von Q1 am Kollektor
des Transistors Q4 gespiegelt wird, wird
die Spannung an der Basis des Transistors Q5 fallen,
was ein Einschalten des Transistors Q5 verursacht,
wodurch die Spannung am Ausgangsanschluss 18 ansteigt.
Wenn andererseits die Eingangsspannung IN+ kleiner als die Eingangsspannung
IN– ist,
wird der Strom, der in den Kollektor des Transistors Q1 fließt, größer als
der Strom, der in den Kollektor des Transistors Q2 fließt, sein.
Weil der Strom, der in den Kollektor des Transistors Q1 fließt, am Kollektor
des Transistors Q4 gespiegelt wird, wird die
Spannung an der Basis des Transistors Q5 steigen,
was ein Abschalten des Transistors Q5 verursacht.
In diesem Fall wird die Stromquelle IB2 Strom aus
dem Ausgangsanschluss 18 aufnehmen, was ein Abfallen der
Spannung am Ausgangsanschluss 18 verursacht.
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Der
in 1 gezeigte Operationsverstärker verstärkt die Differenz zwischen
den Signalen am invertierenden Eingang IN– und am nicht-invertierenden
Eingang IN+. Das verstärkte
Signal wird am Kollektor des Transistors Q4 erzeugt,
welcher wiederum den Ausgangstransistor Q5 treibt,
was verursacht, dass der Strom entweder an den Ausgangsanschluss 18 in
der wohlbekannten Art geliefert oder von diesem abgezogen wird.
Wenn der Eingang bzw. die Eingabe IN– im wesentlichen gleich zur
Eingabe IN+ ist, ist der Strom, der durch den Transistor Q1 fließt
(d.h. IQ1), im wesentlichen gleich zum Strom,
der durch Transistor Q2 fließt (d.h.
IQ2), und eine sehr kleine Eingangsoffsetspannung
resultiert. Diese ist IQ1 = IQ2 =
IB1/2. Wenn der Strom, der durch die Transistoren
Q1 und Q2 fließt, unterschiedlich
ist, wenn IN– gleich
IN+ ist, wird eine unerwünschte
Eingangsspannung erzeugt.
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Der
Basisstrom des Lasttransistors Q3 (d.h. IQ3b/2β,
wobei β die
Stromverstärkung
ist) und der Basisstrom des Lasttransistors Q4 (d.h.
IQ4b/2β),
die jeweils durch die Pfeile 20 und 22 angezeigt
werden, bilden in Kombination einen Strom IB1/β, der durch Pfeil 24 angezeigt
wird, der auf den Kollektorstrom des Transistors Q1 (d.h.
IQ1c) einwirkt oder diesen stört. Der
Basisstrom des Ausgangstransistors Q5 (d.h.
IB2/β),
der durch Pfeil 26 gezeigt wird, wirkt auf den Kollektorstrom
des Transistors Q2 (d.h. IQ2c)
ein oder stört
diesen. Wenn diese störenden
Ströme
im wesentlichen gleich sind (d.h. IB1/β = IB2/β),
resultiert keine signifikante Offsetspannung. D.h., IB1 sollte
im wesentlichen gleich IB2 sein, um die
Erzeugung einer unerwünschten
Eingangsoffsetspannung zu vermeiden.
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Die
Stromquelle IB2 muss eine ausreichende Kapazität haben,
um hohe Ströme,
die durch Lasten mit niedrigem Widerstand, die mit dem Ausgangsanschluss 18 gekoppelt
sind, erzeugt werden, aufzunehmen. Im Gegensatz dazu erfordern Niederleistungs/Niederspannungs-Operationsverstärker-Ausgestaltungen
(d.h. diese, für
die die Spannungsdifferenz zwischen Vee und
Vcc ungefähr 1 V bis 1,5 V ist), die
für eine
Verwendung in medizinischen Vorrichtungen wie z.B. Hörgeräten geeignet
sind, ein relativ kleines IB1; (d.h. im wesentlichen kleiner als
IB2). In diesem Fall wird die Summe der
Basisströme
der Transistoren Q3 und Q4 (d.
h. IQ3b bzw. IQ4b)
im wesentlichen kleiner als der Basisstrom des Transistors Q5 (d.h. IQ5b) sein.
Nun fließt
mehr Strom durch Transistor Q2 und der Strom
IB1 wird nicht länger zu gleichen Teilen zwischen
den Transistoren Q1 und Q2 aufgeteilt,
was in einer Offsetspannung resultiert.
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Daher
kommt die Frage auf, wie ein Offset im wesentlichen reduziert werden
kann, wenn IQ1 kleiner als IQ2 ist.
Die Antwort liegt in der Erkenntnis, dass, während der störende Basisstrom
des Transistors Q5 (IQ5b)
im wesentlichen größer als
die Summe der störenden
Basisströme
der Transistoren Q3 und Q4 (IQ3b und IQ4b) ist,
diese Ströme
ausgestaltet werden können,
um die Kollektorströme
der Eingangstransistoren Q2 bzw. Q2 in einem im wesentlichen gleichen Prozentsatz
zu beeinflussen. D.h., dass IQ5b im wesentlichen
denselben prozentualen Einfluss auf den Kollektorstrom im Transistor
Q2 (d.h. IQ2c) haben kann,
wie die Summe von IQ3b und IQ4b Einfluss
auf den Kollektorstrom des Transistors Q1 (d.h.
IQ1c) hat. Daher kann das Verhältnis von
IQ1c zu der Summe aus IQ3b und
IQ4b im wesentlichen gleich zum Verhältnis von
IQ2c zu IQ5b gemacht
werden, wie es in Gleichung (1) unten gezeigt ist.
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Dies
kann durch Einstellung der Emitterbereiche von Q1 und
Q2 bewerkstelligt werden. Angenommen, Transistor
Q1 hat einen Emitterbereich A1 und
Transistor Q2 hat einen Emitterbereich A2, und angenommen, der Gesamtemitterbereich
ist A = A1 + A2,
dann gilt: IQ1c = IB1 (A1/A)und IQ2c = IB1 (A2/A)
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Es
wurde oben bestimmt, dass: IQ3b +
IQ4b = IB1/βund IQ5b = IB2/β
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Ersetzen
der Terme führt
zu:
oder
A1/A2 = IB1/IB2 -
Es
sollte beachtet werden, dass, wenn angenommen wird, dass Transistor
Q3 einen Emitterbereich A3 und
Transistor Q4 einen Emitterbereich A4 hat, dann die Werte von A3 und
A4 durch die Werte von A1 und
A2 getrieben werden, so dass: A1/A2 = A3/A4 =Ib1/IB2 (2)
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Daher
ist durch Einstellung der Emitterbereiche der Transistoren Q1, Q2, Q3 und
Q4 in Übereinstimmung
mit Gleichung 2 ein Niederleistungs-, Niederspannungs-, Niederoffset-Bipolar-Operationsverstärker erreichbar.
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei dem gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. gleichartige
Elemente kennzeichnen. Die Schaltung ist im wesentlichen ähnlich mit
der Ausnahme, dass die Konstantstromquelle IB2 durch
eine variable Stromquelle, welche einen PNP Transistor Q6 und eine Stromquelle IB3 aufweist,
einen zweiten Stromspiegel 28, der PNP Transistoren Q7 und Q8 aufweist, und
einen dritten Stromspiegel 30, der NPN Transistoren Q9 und Q10 aufweist,
ersetzt ist. Wie zu sehen ist, ist die Stromquelle IB3 in
Reihe mit dem Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors Q6 geschaltet,
wobei die Reihenschaltung bzw. -kombination zwischen die Versorgungsspannungsanschlüsse 14 und 16 gekoppelt
ist. Die Basis des Transistors Q6 ist mit
den Kollektoren der Transistoren Q2 und
Q4 gekoppelt, so wie es die Basis des Transistors
Q5 ist. Der Eingang des Stromspiegels 28 (d.h.
Basis/Kollektor des Transistors Q7) ist
mit dem Kollektor des Transistors Q6 gekoppelt,
und der Ausgang des Stromspiegels 28 (d.h. der Kollektor
des Transistors Q8) ist mit dem Eingang
des Stromspiegels 30 (d.h. Ba sis/Kollektor des Transistors
Q9) gekoppelt. Der Ausgang des Stromspiegels 30 (d.h.
der Kollektor des Transistors Q10) ist mit
dem Kollektor des Transistors Q5 und mit
dem Ausgangsanschluss 18 gekoppelt.
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Der
in Verbindung mit 1 gezeigte und beschriebene
Operationsverstärker
stellt keine Kontrolle bzw. Steuerung des Ausgangs-pull-down-Stroms
bereit. D.h., dass Strom IB2 unabhängig davon,
ob es notwendig ist oder nicht, Strom vom Ausgangsanschluss 18 aufzunehmen, abgeführt bzw.
verbraucht wird. Die in 2 gezeigte Schaltung ermöglicht jedoch
die dynamische Kontrolle des Ausgangs-pull-down-Stroms; d.h. der
Strom durch Transistor Q10 reagiert auf
die Differenz zwischen IN– und
IN+. Die Differenz zwischen Strom IB3 und
dem Kollektorstrom in Transistor Q6 (d.h.
IQ6c) fließt durch den Stromspiegel 28 und
wird anschließend
in Stromspiegel 30 gespiegelt, um ein dynamischer pull-down-Strom
am Ausgangsanschluss 18 zu werden.
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Neben
den oben beschriebenen Unterschieden trifft die oben beschriebene
Analyse, die sich auf die Offsetspannungsreduktion bezieht, auf
die in 2 gezeigte Schaltung mit der Ausnahme zu, dass
der Strom IB2 in 1 durch
die Summe der Kollektorströme
der Transistoren Q5 und Q6 (d.h.
IQ5c + IQ6c) ersetzt
ist.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines einfachen Hörgeräts, das von dem Einbau bzw.
der Verwendung des erfindungsgemäßen Niederleistungs-Operationsverstärkers profitieren
könnte.
Es weist ein Mikrofon 32, eine integrierte Schaltung 34,
einen Lautsprecher 36, einen Kondensator 38 und
eine Batterie 40 (typischerweise 1,5 V) auf. Wegen der
niedrigen Spannung der Batterie 40 sollte das Hörgerät so wenig
Strom wie möglich
ziehen. Deshalb sollten die Komponenten und Schaltungen auf der
integrierten Schaltung 34 in der Lage sein, bei niedrigem
Strom und bei niedriger Spannung zu arbeiten. Weil das Eingangssignal
vom Mikrofon 32 eine kleine Amplitude hat, ist die Verwendung
von Bipolar-Transistoren gegenüber
der Verwendung von CMOS Transistoren mit hohem Rauschen bevorzugt.
Deshalb sind Niederspannungs-, Niederstrom-Bipolar-Operationsverstärker mit
reduzierten Offsetspannungen der Art, die in Verbindung mit den 1 und 2 gezeigt
und beschrieben ist, insbesondere für die Verwendung in Hörgeräten geeignet.
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Die
integrierte Schaltung 34 weist einen Vorverstärker 42 mit
einem Eingang, der gekoppelt ist, um die Ausgabe des Mikrofons aufzunehmen,
und mit einem Ausgang, der mit einem ersten Anschluss des Kondensators 38 gekoppelt
ist, eine Verstärkungssteuerungsschaltung 44 mit
einem Eingang, der mit einem zweiten Anschluss des Kondensators 38 gekoppelt
ist, auf. Eine Lautsprechertreiberrschaltung 46 weist einen
Eingang, der mit dem Ausgang der Verstärkungssteuerungsschaltung 44 gekoppelt ist,
und einen Ausgang, der gekoppelt ist, um den Lautsprecher 36 zu
treiben, auf.
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Der
Vorverstärker 42 weist
eine Verstärkung (typischerweise
ungefähr 10)
auf, und sein Ausgang ist mit der Verstärkungssteuerungsschaltung 44 über den
Kondensator 38 gekoppelt, um die Effekte einer Offset-Gleichspannung
im Vorverstärker 42 zu
eliminieren. Die Verstärkungssteuerungsschaltung 44 weist
jedoch eine variable Verstärkung
auf, die bis zu 20 betragen könnte, und Offsets bzw. Verschiebungen
in dem Verstärkungssteuerungsoperationsverstärker 48 werden
mit dieser Verstärkung
multipliziert. Dies könnte
ein vorzeitiges Abschneiden der Audiosignale verursachen. Daher
ist es extrem wichtig, dass der Operationsverstärker 48 gemäß einer der
vorher beschriebenen Arten ist.
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Der
Lautsprecher 36 enthält
eine Drahtspule, welche eine hohe Impedanz bei Audiofrequenzen darstellt,
aber bei Gleichstrom beinahe eine Kurzschlussschaltung ist. Jeder
Offset in dem Lautsprechertreiber-Operationsverstärker 50 könnte einen
exzessiven Stromabfluss von der Batterie 40 verursachen.
Daher würde
ein Operationsverstärker
der oben in Verbindung mit den 1 und 2 beschriebenen
Art speziell für
eine Verwendung im Lautsprechertreiber 46 geeignet sein.
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Daher
ist ein Niederleistungs-Bipolar-Operationsverstärker bereitgestellt worden,
der eine im wesentlichen reduzierte Eingangsoffsetspannung durch die
geeignete Auswahl der Vorrichtungsemitterbereiche für eine Verwendung
in Niederleistungs-Medizinvorrichtungen wie bzw. Hörgeräten zeigt.
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Während die
bevorzugten Ausführungsformen
in der vorangehenden detaillierten Beschreibung dargestellt worden
sind, sollte es offensichtlich sein, dass eine große Anzahl
von Variationen bei den Ausführungsformen
existiert. Es sollte auch offensichtlich sein, dass die bevorzugten
Ausführungsformen
nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Rahmen, die
Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise
zu begrenzen. Vielmehr rüstet
die vorangehende detaillierte Beschreibung Fachleute mit einem geeigneten
Plan zur Implementierung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung aus. Verschiedene Veränderungen können in der Funktion und Ausgestaltung,
die in Verbindung mit den beispielhaften bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben sind, gemacht werden, ohne den Rahmen der Erfindung,
wie er in den anhängenden
Ansprüchen
dargelegt wird, zu verlassen.
