DE69918224T2

DE69918224T2 - System bestehend aus einem Mikrofon und einem Vorverstärker

Info

Publication number: DE69918224T2
Application number: DE69918224T
Authority: DE
Inventors: Aart Zeger Van Halteren; Claus Erdmann Fürst
Original assignee: SonionMicrotronic Nederland BV
Current assignee: Sonion Nederland BV
Priority date: 1998-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2019-07-03
Also published as: DE69918224D1; DK0969695T3; NL1009544C2; US6914992B1; EP0969695A1; EP0969695B1

Description

Die Erfindung betrifft ein aus einem Mikrofon und einem Vorverstärker bestehendes System, bei dem das Mikrofon ein Gehäuse umfaßt, das eine Öffnung zur Umgebung, eine Membran und eine Rückwand besitzt, während der Verstärker mit dem aus der Membran und der Rückwand bestehenden System gekoppelt ist und einen Feldeffekttransistor als Eingangselement besitzt. Ein derartiges System ist aus US-A-9 764 690 bekannt.
Genauer gesagt, ist das Mikrofon das Mikrofon eines Hörgeräts. In den vergangenen Jahren sind derartige Mikrofone und die zugehörigen Verstärker immer weiter miniaturisiert worden, so daß sie beispielsweise innerhalb statt außerhalb des Ohres oder sogar im Gehörgang untergebracht werden können. Da das Mikrofon kleiner ist, ist seine Kapazität generell entsprechend geringer. Da das von einem Verstärker erzeugte Rauschen umgekehrt proportional zur Kapazität an seinem Eingang ist, hat diese Miniaturisierung des Mikrofons den Nachteil, daß sein Rauschen immer weiter zunimmt und tatsächlich gegenüber dem Rauschen des Verstärkers, das bestimmend zu sein pflegte, dominant geworden ist. In dem Mikrofon befindet sich in der Trennwand zwischen dem sogenannten vorderen Volumen, das über eine gelegentlich als "Tülle" bezeichnete Öffnung mit der Umgebung in Verbindung steht, und dem hinteren Volumen, das in bezug auf die Umgebung abgeschlossen ist, eine Druckausgleichsöffnung, die gewährleistet, daß das hintere Volumen nicht als Barometer wirkt, wodurch der Betrieb des Mikrofons beeinträchtigt würde. Die Größe dieser Druckausgleichsöffnung beeinflußt auch das Rauschverhalten, da sie akustikmäßig einen Widerstand bildet, und muß daher sehr genau, mit Toleranzen im Mikrometerbereich, bemessen werden, was ein großes technisches Problem darstellt.
Um das Frequenzverhalten eines Miniaturmikrofons zu beeinflussen und das Rauschverhalten zu verbessern, ist ferner in der Tülle häufig ein Element wie Gaze oder ein Tropfen Kleber vorgesehen, um hohe Frequenzen zu dämpfen. Derartige Elemente können verschmutzen, beispielsweise durch Ohrenschmalz, so daß sich nicht nur die Tülle zusetzen kann, sondern auch das Frequenzverhalten unkontrollierbar beeinflußt wird.
Schließlich hat ein Miniaturmikrofon ein Frequenzverhalten mit einem Resonanzmaximum im hörbaren Hochfrequenzbereich, wodurch das Rauschverhalten ebenfalls beeinträchtigt wird. Falls das Resonanzmaximum sich außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs befindet, hat dies wiederum andere negative Folgen für das Rauschverhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angegebenen Probleme mit Rauschen im Niederfrequenzbereich zu lösen, und zu diesem Zweck sieht die Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel ein System der oben erwähnten Art vor, bei dem sich im Gehäuse, und zwar in einem Raum, der einerseits durch die Membran und andererseits durch die Gehäusewandung begrenzt ist und nicht die Öffnung zur Umgebung einschließt, eine Druckausgleichsöffnung vorhanden ist, deren Durchmesser so bemessen ist, daß sie im hörbaren Teil des Tonfrequenzspektrums keinen wesentlichen Beitrag zur Unterdrückung niedriger Frequenzen leistet, und worin ein Hochpaßfilter in der Eingangsstufe des Verstärkers, und zwar am Ausgang eines MOS-Feldeffekttransistors, der das Eingangselement bildet, angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist entweder eine Druckausgleichsöffnung in der Gehäusewand statt in der Membran ausgebildet oder die Druckausgleichsöffnung in der Membran ist so klein, beispielsweise etwa 20 μm, daß sie nicht nennenswert zu dem Rauschen beiträgt. Dies hat jedoch zur Folge, daß die Niederfrequenzfilterung, die üblicherweise durch die Druckausgleichsöffnung erzielt wird, ebenfalls verlorengeht. Niedrige Frequenzen sind für die Sprachhörbarkeit nicht von Bedeutung und können, falls sie nicht unterdrückt werden, zu einer Übersteuerung des Hörgeräts führen. Daher ist erfindungsgemäß diese Niederfrequenzfilterung an den mit dem Wandler gekoppelten Vorverstärker übertragen worden. Das Rauschen eines Verstärkers ist auch umgekehrt proportional zur Wurzel des Realteils der Impedanz an seinem Eingang, so daß eine hohe Eingangsimpedanz, wie bei einem MOS-FET, günstig für das Rauschverhalten ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben angegebenen Probleme mit Rauschen im Hochfrequenzbereich zu lösen, und deswegen ist nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in dem System des ersten Ausführungsbeispiels ein Tiefpaßfilter, das an den Ausgang eines MOS-Feldeffekttransistors angeschlossen ist, der das Eingangselement bildet, im Verstärker angeordnet. Vorzugsweise ist das Filter ein Aktivfilter zweiter Ordnung. Gemäß einer ersten Variante weist das Filter eine von außen einstellbare Filterkurve, d.h. eine einstellbare Grenzfrequenz und/oder einen einstellbaren Qualitätsfaktor auf. Die die Filterkurve bestimmenden Bauteile können sowohl in dem Mikrofongehäuse als auch außerhalb dessen angeordnet sein.
Ein bedeutender Vorteil der Verwendung eines elektronischen Filters zum Sperren hoher Frequenzen besteht darin, daß es eine größere Freiheit bei der Positionierung des Resonanzmaximums in der Frequenzgangcharakteristik des Mikrofons ermöglicht und daß diese Position auch nicht so genau zu sein braucht. Dieses Resonanzmaximum kann durch Verändern der Steifigkeit der Membran und/oder Variieren des Abstands zwischen der Rückwand und der Membran beeinflußt werden. In Mikrofonen ohne elektronische Filterung wird das Resonanzmaximum im hörbaren Frequenzbereich angeordnet, um die Dämpfung des Rauschens von Frequenzen oberhalb derjenigen des Resonanzmaximums zu ermöglichen. Bei Nutzung der Erfindung kann das Resonanzmaximum außerhalb des hörbaren Bereichs plaziert sein, und mit Hilfe des elektronischen Filters kann ein praktisch ebener Frequenzgang in dem gewünschten hörbaren Frequenzbereich realisiert werden. Ferner ist es nicht mehr notwendig, in der Tülle Elemente zur Beeinflussung des Frequenzverhaltens vorzusehen. Durch all diese Maßnahmen kann die Mikrofonkapsel günstiger hergestellt werden, weil weniger Teile und/oder Herstellschritte benötigt werden und die Toleranzen für die Positionen oder Bemessungen einer Anzahl von Teilen des Mikrofons nicht so genau sein müssen.
Außer bei Hörgeräten bildet die Telekommunikationsausrüstung ebenfalls ein Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Mikrofon.
Im folgenden wird die Erfindung auf der Grundlage einer beispielhaften Ausführungsform mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mikrofons;
2 eine Frequenzcharakteristik eines herkömmlichen Mikrofons;
3 ein elektronisches Diagramm eines möglichen Vorverstärkers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4a ein elektronisches Diagramm eines möglichen Vorverstärkers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
4b ein Diagramm einer allgemeineren Form der Schaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine Explosionsansicht eines Mikrofons vom Elektrettyp, bei dem die Erfindung angewandt werden kann. Es sei jedoch betont, daß die Erfindung bei jedem Mikrofon anwendbar ist, bei dem das Rauschen der Druckausgleichsöffnung einen großen Einfluß auf das Gesamtrauschen des Mikrofons hat. Das Mikrofon weist ein erstes kastenförmiges Teil 1 auf, mit dem eine Schalleinlaßöffnung, die sogenannte Tülle 2, verbunden ist. In dem Kasten 1 ist eine an sich bekannte Rückwand 3 befestigt, und über der Rückwand ist im Abstand von dieser die Membran 4 in oder an dem Umfangsrand des Kastens 1 befestigt. Über der Membran 4 ist eine Grundplatte 5 angeordnet, auf der die elektronische Hybridschaltung 6 befestigt ist. In der Grundplatte ist ein Loch vorgesehen, damit die Schaltung 6 elektrisch mit der Membran verbunden werden kann. Das Gehäuse wird mit Hilfe einer Abdeckung 7 geschlossen. Der Bereich, der sich in der Figur "oberhalb" der Membran befindet, das heißt die Grundplatte 5, die Hybridschaltung 6 und die Abdeckung 7, bilden zusammen das sogenannte hintere Volumen des Gehäuses, das gegenüber der Umgebung abgesperrt ist, im Gegensatz zu dem mit der Umgebung über die Tülle 2 in Verbindung stehenden Volumen. Um zu verhindern, daß die in dem hinteren Volumen vorhandene Luftkammer als Barometer arbeitet und die Funktion des Mikrofons stört, ist es üblich, in der Membran 4, z.B. in deren Mitte, eine Druckausgleichsöffnung mit einem Durchmesser von wenigen Zehntel bis zu Hunderten von μm vorzusehen. Das oben beschriebene Mikrofon ist vom herkömmlichen Typ und wird von der Anmelderin in der sogenannten "90-Serie" verkauft. Es ist bekannt, daß der Durchmesser der Druckausgleichsöffnung einen Einfluß auf das Niederfrequenzverhalten des Mikrofons hat.
2 zeigt diesen Einfluß des Durchmessers der Druckausgleichsöffnung auf die Frequenzcharakteristik. In dieser Figur zeigt Kurve I die Übertragung bei einem Öffnungsdurchmesser von 49 μm, Kurve II bei einem Öffnungsdurchmesser von 93 μm und Kurve III bei einem Durchmesser von 150 μm. Diese Figur zeigt deutlich, daß durch die Wahl des Öffnungsdurchmessers der Frequenzcharakteristik für niedrige Frequenzen auf einfache Weise die gewünschte Form gegeben werden kann. Erfindungsgemäß beträgt der Durchmesser der Öffnung in der Membran 4 beispielsweise 30 μm oder weniger, so daß der Überschneidungspunkt, unterhalb dessen Frequenzverlust auftritt, außerhalb des hörbaren Tonspektrums zu liegen kommt, beispielsweise bei 20 Hz. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in der Membran keine Druckausgleichsöffnung vorzusehen, sondern ein akustisches Filter in dem Wandbereich 7 des Gehäuses vorzusehen, das zusammen mit der Membran das hintere Volumen bildet, so daß die Öffnung keinen Einfluß auf die Frequenzcharakteristik hat. Dieses akustische Filter kann die Form eines Röhrchens oder einer kleinen Öffnung haben. Messungen haben ergeben, daß bei einer Verkleinerung der Druckausgleichsöffnung auf diese Weise oder bei einer Verlagerung derselben zu der Gehäusewand das inhärente Rauschen des Mikrofons um etwa 6 dB abnimmt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Wahl entweder eines sehr geringen Durchmessers der Druckausgleichsöffnung oder durch deren Vorsehen in der Gehäusewand die Toleranz des Durchmessers dieser Öffnung keine Rolle mehr spielt. Die Mikrofonen in bezug auf Niederfrequenzverhalten gestellten zunehmenden Qualitätsanforderungen erfordern einen Öffnungsdurchmesser von beispielsweise 50 μm mit einer Toleranz von beispielsweise 1 μm, was sehr schwierig zu realisieren ist. In der Erfindung spielt dieses Problem keine Rolle mehr, weil die Äquivalenz der Niederfrequenzfilter definitionsgemäß groß ist, da sie nun in einer IC für den Vorverstärker untergebracht werden können.
Auch bei der Verwendung von Paarmikrofonen, die zur Zeit bei Hörgeräten zur Verbesserung des Richtdiagramms üblich ist, ist es ein Vorteil, daß das Niederfrequenzverhalten nicht mehr von dem Mikrofon selbst, sondern von einem externen Filter bestimmt wird, da bei solchen Paarmikrofonen an die Äquivalenz von Phasen- und Frequenzcharakteristik sehr strenge Anforderungen gestellt werden.
3 zeigt schematisch ein ersten Ausführungsbeispiel eines Vorverstärkers, der in dem erfindungsgemäßen System verwendet werden kann. Der Verstärker ist um zwei MOS-FETs 31 und 32 herum aufgebaut, die in CMOS-Technik hergestellt sind, wodurch es ermöglicht wird, den MOS-FET 31 mit einem Eingangswiderstand von einigen TeraOhm und einer Eingangskapazität von nur 1,6 pF auszustatten. Andere Eingangselemente mit einer hohen Eingangsimpedanz sind natürlich auch verwendbar, und es ist auch möglich, die beiden Stufen des Verstärkers in unterschiedlichen Techniken und sogar in unterschiedlichen integrierten Schaltungen unterzubringen. Das Hochpaßfilter wird durch den Kondensator 33 und den Widerstand 34 am Eingang des MOS-FET 32 realisiert. Mit diesen Bauteilen läßt sich der gewünschte Niederfrequenzüberschneidungspunkt sehr leicht festlegen, da sie präzise in IC-Technik hergestellt werden können. In der Praxis beträgt der Wert des Kondensators 33 wenige Hundert pF und der Wert des Widerstands 34 wenige MΩ. Am Ausgang des MOS-FET 32 steht das verstärkte Mikrofonsignal zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
Unter dem Aspekt der Rauschunterdrückung funktioniert die Mikrofon- und Verstärkeranordnung optimal, weil das Signal bei niedrigen Frequenzen erst in einem späten Stadium gedämpft wird. Außerdem wird durch das aus dem Kondensator 33 und dem Widerstand 34 bestehende Filter auch das Niederfrequenzrauschen des Eingangsabschnitts des Verstärkers gedämpft. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen hat sich in der Praxis eine Verbesserung des Rauschverhaltens von etwa 6 dB als möglich herausgestellt, was hörmäßig einer Halbierung des festgestellten Rauschens entspricht.
4a zeigt die Schaltung nach 3, in der nun, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, eine einfache Variante eines Tiefpaßfilters 35 in Form eines Kondensators 36 angeordnet ist.
4b zeigt in stärker schematisierter Form, daß das Tiefpaßfilter 35 in den eigentlichen Verstärker oder außerhalb dessen integriert sein, in dem Mikrofongehäuse untergebracht sein kann oder nicht. Ferner kann das Filter von außen über 37 einstellbar sein, und zwar sowohl im Hinblick auf die Grenzfrequenz als auch auf den Qualitätsfaktor. Die Einstellung kann manuell erfolgen oder das Filter kann, falls es dafür geeignet ist, mittels einer seriellen oder parallelen Schnittstelle programmiert werden. Verschiedene Lösungen dafür sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektronik wohlbekannt.
Natürlich lassen sich die Varianten des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung sehr gut miteinander kombinieren, um ein Mikrofon mit einer vollständig elektronisch einstellbaren Frequenzcharakteristik zu realisieren.

Claims

System, aus einem Mikrofon und einem Vorverstärker bestehend, worin das Mikrofon ein Gehäuse (1, 7) umfaßt, das eine Öffnung (2) zur Umgebung, eine Membran (4) und eine Rückwand (3) besitzt, während der Verstärker mit dem aus der Membran und der Rückwand bestehenden System gekoppelt ist und einen Feldeffekttransistor (31) als Eingangselement besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse, und zwar in einem Raum, der einerseits durch die Membran (4) und andererseits durch die Gehäusewandung (1, 7) begrenzt ist und nicht die Öffnung (2) zur Umgebung einschließt, eine Druckausgleichsöffnung vorhanden ist, deren Durchmesser so bemessen ist, daß sie im hörbaren Teil des Tonfrequenzspektrums keinen wesentlichen Beitrag zur Unterdrückung niedriger Frequenzen leistet, und worin ein Hochpaßfilter (31, 33, 34) in der Eingangsstufe des Verstärkers, und zwar am Ausgang eines Feldeffekttransistors (31), der das Eingangselement bildet, angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnung in der Membran (4) angebracht ist und einen Durchmesser von weniger als 30 μm besitzt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnung in der Gehäusewandung angebracht ist.
System nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaßfilter (35), das an den Ausgang eines Feldeffekttransistors (31) angeschlossen ist, der das Eingangselement bildet, im Verstärker angeordnet ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter ein Filter zweiter Ordnung ist.
System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz und/oder der Gütefaktor des Filters von außen (37) eingestellt werden kann.
System nach Anspruch 4, worin das Mikrofon einen Frequenzgang mit einem Resonanzmaximum besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzmaximum außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegt.