EP0485357A2 - Hörgerät mit Filterschaltung - Google Patents

Hörgerät mit Filterschaltung Download PDF

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EP0485357A2
EP0485357A2 EP91890266A EP91890266A EP0485357A2 EP 0485357 A2 EP0485357 A2 EP 0485357A2 EP 91890266 A EP91890266 A EP 91890266A EP 91890266 A EP91890266 A EP 91890266A EP 0485357 A2 EP0485357 A2 EP 0485357A2
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EP
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filter
amplifier
hearing aid
feedback loop
frequency response
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EP91890266A
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EP0485357A3 (en
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Zlatan Dipl.-Ing. Dr. Ribic
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Viennatone AG
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Viennatone AG
Viennatone GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R25/00—Electric hearing aids
    • H04R25/50—Customised settings for obtaining desired overall acoustical characteristics
    • H04R25/502—Customised settings for obtaining desired overall acoustical characteristics using analog signal processing

Definitions

  • the invention relates to a hearing aid with a microphone, at least one amplifier acted upon by its signal, which interacts to influence the frequency response with a higher-order filter, which is designed as a multiple filter, and a loudspeaker, which converts the amplified signals into sound waves.
  • bandpass filters which influence the frequency response more or less.
  • bandpass filters which are formed from a high and a low pass filter, a case is known where a "graphic equalizer" is used, a parallel connection of several bandpass filters with fixed frequency bands, but independently controllable amplitudes.
  • filters of a higher order which enable a correspondingly good adaptation of the frequency response, require a relatively high expenditure on components.
  • the aim of the invention is to propose a hearing aid of the type mentioned at the beginning, in which an optimal adaptation of the frequency response is possible.
  • the filter has a biquadratic structure and has at least two integrators and an inverting amplifier, in which components the active elements are formed by discrete components, in particular individual transistors.
  • This measure has the advantage that two or three parameters can be controlled in a simple manner.
  • the filter is arranged in the feedback loop of the amplifier.
  • the individual stages of the filter are connected to one another by one or more feedback lines.
  • This measure allows a particularly good adaptation of the hearing aid frequency response to be achieved by installing adjustable components in the feedback lines.
  • the feedback loop of the amplifier is guided via a potentiometer for setting the filter increase or decrease and a potentiometer for setting the center frequency of the filter is arranged in the filter circuit.
  • Fig. 1 shows a block diagram of a hearing aid according to the invention, wherein the microphone 1 converts the sound signal into an electrical signal, which is amplified in the preamplifier 2, then passes through the filter 3 to influence the frequency response and finally after it in the power amplifier 4 the required output level has been amplified, is converted back into an acoustic sound signal by a loudspeaker 5.
  • the filter is arranged in a conventional manner between two amplifier stages.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a hearing device according to the invention, the filter being arranged in the feedback loop of an amplifier.
  • the microphone 1 converts the sound signal into an electrical signal, which is amplified in the preamplifier 2. Then it passes through the intermediate amplifier 6, in the feedback loop of which the filter 3 is arranged, as a result of which the signal is influenced in a frequency-selective manner. Then the signal in the power amplifier 4 is amplified to the required output level and finally converted again by the loudspeaker 5 into an acoustic sound signal.
  • Fig. 3 shows the basic structure of such a filter 3.
  • This has a biquadratic structure, the transistors T2 and T3 in conjunction with the resistor R F1 and the capacitor C1, or the resistor R F2 and the capacitor C2 form two integrators .
  • the phase inversion stage required for a biquadratic structure is formed by the transistor T1 and the associated resistors R I2 , R X R A1 .
  • the load resistances of the transistors T1 to T3 are denoted by R A1 , R A2 and R A3 .
  • transistor T3 is fed back to the base of transistor T1 via resistor R x .
  • the base of transistor T1 is used as an input, the collector outputs of all three transistors T1, T2 and T3 being available as outputs.
  • the collector of transistor T1 gives a high-pass output (FIG. 4a)
  • the collector of transistor T2 gives a band-pass output (FIG. 4b)
  • the collector of transistor T3 gives a low-pass output (FIG. 4c).
  • the same filter can thus be provided for different applications.
  • the center frequency of this filter is determined by the resistors R F1 and / or R F2 and the capacitors C1 and C2.
  • the filter 3 shown in FIG. 3 is a simplified Kerwin-Huelsman-Newcomb structure which is used for Group of biquadratic filters counts.
  • all three basic connections can be connected to a common input using three high-resistance resistors.
  • the collectors of transistors T1 or T3 can be used as a bandpass output. But then there is no high-pass exit.
  • Such a circuit then corresponds to a Tow-Thomas structure, which is also one of the biquadratic filters.
  • the base of transistor T3 can be used alone as an input.
  • the transistor T4 with its load resistor R5 serves as an amplifier, a base-collector negative feedback via the resistors R2 and R3 being provided in a known manner for operating point stabilization and gain adjustment.
  • this amplifier 6 is connected to the filter 3, which lies in the feedback loop of the amplifier 6.
  • the transistors T1 to T3 form a biquadratic structure, the transistor T3 with the resistor R I2 and the capacitor C1 as well as the transistor T2 with the capacitor top C2 and the resistor R I1 forming the two integrators.
  • the phase inversion stage is formed by the transistor T1 with the resistors R F and R7.
  • the gain of this amplifier T1 arranged in the filter 3 can be changed by the resistor R F connected as a potentiometer, the change in the gain also shifting the resonance frequency of the entire filter 3 results.
  • the working resistances of the filter 3 are formed by the resistors R8, R9 and R10.
  • the collector of the transistor T3 represents the bandpass output of the filter 3, a signal in phase opposition to it being able to be tapped at the collector of the transistor T1.
  • the amplitude and the phase of the signal fed back to the amplifier 6 can be influenced by the potentiometer R A.
  • the feedback of the transistor T4 can be selected such that, depending on the setting of the potentiometer R A , a positive increase (positive feedback) selective increase or a negative feedback (negative feedback) a reduction of the signal passing through the filter 3 is achieved.
  • the quality of the filter 3 is essentially determined by the dimensioning of the resistors R2, R3 and R4.
  • FIG. 6 shows, for example, the function of the circuit according to FIG. 5, the center frequencies of the increases or decreases being able to be selected by adjusting the resistance R F.
  • FIG. 6 shows only a few frequency responses which are picked out arbitrarily, the course of the curves above and below the center line indicating the extent to which the increase or decrease can be varied at the individual frequencies.

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Abstract

Hörgerät mit einem Mikrofon, mindestens einem von dessen Signalen beaufschlagten Verstärker, der zur Beeinflussung des Frequenzganges mit einem Filter höherer Ordnung zusammenwirkt und einem Lautsprecher, der die verstärkten Signale in Schallwellen umwandelt. Dieses Filter (3) kann auf konventionelle Weise zwischen zwei Verstärkerstufen oder in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers (6) angeordnet sein. Um bei einem solchen Hörgerät eine optimale Anpassung des Frequenzganges an die jeweiligen Erfordernisse zu ermöglichen, ist es vorgesehen, daß das Filter (3) als Mehrfachfilter mit biquadratischer Struktur aufgebaut ist und mindestens zwei Integratoren und einen invertierenden Verstärker aufweist, bei welchen Bauteilen die aktiven Elemente durch Transistoren, vorzugsweise Einzel-Transistoren (T1, T2, T3) gebildet sind. Dabei ist die Rückkopplungsschleife des Verstärkers (6) über ein einstellbares Potentiometer (RA) zur Einstellung der Filteranhebung oder -absenkung geführt und im Filterkreis (3) ist ein einstellbares Potentiometer (RF) zur Einstellung der Mittenfrequenz des Filters (3) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Hörgerät mit einem Mikrofon, mindestens einem von dessen Signal beaufschlagten Verstärker, der zur Beeinflussung des Frequenzganges mit einem Filter höherer Ordnung, das als Mehrfachfilter ausgebildet ist, zusammenwirkt und einem Lautsprecher, der die verstärkten Signale in Schallwellen umwandelt.
  • Für die Anpassung eines Hörgerätes an die jeweiligen Erfordernisse des Trägers ist es notwendig, den Frequenzgang des Gerätes entsprechend zu wählen und einzustellen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, Hoch- und/oder Tiefpaßfilter zu verwenden, welche den Frequenzgang mehr oder weniger beeinflussen. Manchmal werden auch Bandpaßfilter verwendet, die aus jeweils einem Hoch- und einem Tiefpaßfilter gebildet sind ist ein Fall bekannt, wo ein "Graphic Equalizer" zur Anwendung kommt, eine Parallelschaltung von mehreren Bandpaßfiltern mit festgelegten Frequenzbändern, aber unabhängig regelbaren Amplituden. Allerdings erfordern Filter höherer Ordnung, die eine entsprechend gute Anpassung des Frequenzganges ermöglichen, einen relativ hohen Aufwand an Bauteilen.
  • Wie zahlreiche Untersuchungen ergaben, genügt es zur Erzielung der meisten in der Praxis angestrebten Frequenzgang-Kurven, eines der bekannten Hoch- und/oder Tiefpaßfilter mit einem Bandequalizer zu kombinieren, der es ermöglicht, ein relativ schmales Frequenzband mit beliebig wählbarer Mittenfrequenz anzuheben oder abzusenken. Für einen solchen Bandequalizer bietet sich ein parametrisches Filter an, wie es - mit Operationsverstärkern aufgebaut - in der Studiotechnik seit langem in Verwendung steht. Ein solches parametrisches Filter erfordert aber einen hohen Schaltungsaufwand und war deshalb in der bislang üblichen Bauform aufgrund des geringen Platzangebotes und der niedrigen Betriebsspannung in der Hörgerätetechnik nicht verwendbar.
  • Ziel der Erfindung ist es ein Hörgerät der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem eine optimale Anpassung des Frequenzganges möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Filter eine biquadratische Struktur aufweist und mindestens zwei Integratoren und einen invertierenden Verstärker, bei welchen Bauteilen die aktiven Elemente durch diskrete Bauteile, insbesondere Einzel-Transistoren, gebildet sind, aufweist.
  • Durch diese Maßnahme ergibt sich der Vorteil, daß sich zwei bzw. drei Parameter auf einfache Weise regeln lassen. So können z.B. die Mittenfrequenz, die Filtergüte bzw. die Amplitude der Anhebung bzw. der Absenkung, als auch die Filterart, z.B. Tiefpaß, Hochpaß oder Bandpaß, je nach Anordnung des Filterausganges gewählt werden.
  • Mehrfachfilter mit biquadratischer Struktur sind in der Literatur bekannt, z.B. aus "RC Active Filter design hand-book", J. Wiley & Sons, 1985, doch sind diese Filter stets mit Operationsverstärkern aufgebaut. Ein solcher Aufbau des Filters ist aber für Hörgeräteanwendungen nicht geeignet, da es aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Raumes nicht möglich ist, zusätzlich zu den üblichen Verstärker-Bauteilen, die für das Filter notwendigen Bauteile und die bisher erforderlichen drei Operationsverstärker unterzubringen. Außerdem reicht auch die in der Regel für Hörgeräte vorgesehene Spannungsversorgung mit einer 1,4V-Batterie, durchschnittliche Betriebsspannung 1,2 - 1,3V, für den Betrieb von Operationsverstärkern nicht aus. Eine Spannungsquelle mit höherer Spannung läßt sich aber aus Platzgründen in einem Hörgerät (Ausnahme: Kästchengerät) nicht unterbringen.
  • Durch die vorgeschlagene Lösung werden diese Probleme vermieden, wobei sich trotz der Verwendung von Einzeltransistoren oder niedrig integrierter Bauteile eine Art Biquad-Filter ergibt, mit dem sich, wie bereits oben dargelegt, mehrere Parameter auf einfache Weise einstellen lassen und damit der Frequenzgang des Hörgerätes sehr weitgehend an den gewünschten Frequenzgang angepaßt werden kann.
  • Weiters kann bei einem Hörgerät mit einem mit einer Rückkopplungsschleife versehenen Verstärker vorgesehen sein, daß das Filter in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers angeordnet ist.
  • Auf diese Weise ist es möglich nur einen Frequenzbereich selektiv zu beeinflussen und eine Equalizerschaltung für ein Hörgegrät aufzubauen.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die einzelnen Stufen des Filters durch eine oder mehrere Rückkopplungsleitungen miteinander verbunden sind.
  • Durch diese Maßnahme läßt sich durch Einbau von einstellbaren Bauteilen in die Rückkopplungsleitungen eine besonders gute Anpassung des Hörgeräte-Frequenzganges erreichen.
  • Weiters kann vorgesehen sein, daß die Rückkopplungsschleife des Verstärkers über ein Potentiometer zur Einstellung der Filteranhebung oder -absenkung geführt ist und im Filterkreis ein Potentiometer zur Einstellung der Mittenfrequenz des Filters angeordnet ist.
  • Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher Aufbau, der aber eine sehr weitgehende Anpassung des Hörgerätes an die jeweils gewünschte Frequenzgang-Kurve ermöglicht.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hörgerätes, wobei das Filter zwischen zwei Verstärkerstufen angeordnet ist,
    • Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hörgerätes, wobei das Filter in der Rückkopplungsschleife eines Verstärkers angeordnet ist,
    • Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Filter,
    • Fig. 4 (a, b und c) die Filtercharakteristika der drei, bei einem erfindungsgemäßen Filter zur Verfügung stehenden Ausgänge,
    • Fig. 5 eine praktisch ausgeführte Filterschaltung und
    • Fig. 6 die Funktion der Schaltung von Fig. 5 in einer Frequenzgangdarstellung.
  • Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hörgerätes, wobei das Mikrofon 1 das Schallsignal in ein elektrisches Signal umwandelt, welches im Vorverstärker 2 verstärkt wird, danach zur Frequenzgangbeeinflussung das Filter 3 durchläuft und schließlich, nachdem es im Endverstärker 4 auf den erforderlichen Ausgangspegel verstärkt wurde, von einem Lautsprecher 5 wieder in ein akustisches Schallsignal umgewandelt wird. Bei dieser Schaltungsvariante ist das Filter auf konventionelle Weise zwischen zwei Verstärkerstufen angeordnet.
  • Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hörgerätes, wobei das Filter in der Rückkopplungsschleife eines Verstärkers angeordnet ist. Das Mikrofon 1 wandelt das Schallsignal in ein elektrisches Signal um, welches im Vorverstärker 2 verstärkt wird. Danach durchläuft es den Zwischenverstärker 6, in dessen Rückkopplungsschleife das Filter 3 angeordnet ist, wodurch das Signal frequenzselektiv beeinflußt wird. Danach wird das Signal im Endverstärker 4 auf den erforderlichen Ausgangspegel verstärkt und schließlich vom Lautsprecher 5 wieder in ein akustisches Schallsignal umgewandelt.
  • Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Filters 3. Dieses weist eine biquadratische Struktur auf, wobei die Transistoren T2 und T3 in Verbindung mit dem Widerstand RF1 und dem Kondensator C1, bzw. dem Widerstand RF2 und dem Kondensator C2 zwei Integratoren bilden. Die für eine biquadratische Struktur erforderliche Phasenumkehrstufe wird durch den Transistor T1 und die zugehörigen Widerstände RI2, RX RA1 gebildet. Die Arbeitswiderstände der Transistoren T1 bis T3 sind mit RA1, RA2 und RA3 bezeichnet.
  • Weiters ist der Kollektor des Transistors T3 über den Widerstand Rx auf die Basis des Transistors T1 rückgekoppelt.
  • Bei diesem Filter wird die Basis des Transistors T1 als Eingang verwendet, wobei die Kollektorausgänge aller drei Transistoren T1, T2 und T3 als Ausgänge zur Verfügung stehen. Dabei ergibt der Kollektor des Transistors T1 einen Hochpaßausgang (Fig. 4a), der Kollektor des Transistors T2 einen Bandpaßausgang (Fig. 4b) und der Kollektor des Transistors T3 einen Tiefpaßausgang (Fig. 4c). Damit kann dasselbe Filter für verschiedene Anwendungen vorgesehen werden. Die Mittenfrequenz dieses Filters wird dabei durch die Widerstände RF1 und/oder RF2 und die Kondensatoren C1 und C2 festgelegt.
  • Bei dem in Fig. 3 dargestellten Filter 3 handelt es sich um eine vereinfachte Kerwin-Huelsman-Newcomb-Struktur, die zur Gruppe der biquadratischen Filter zählt. Durch Anordnung einer weiteren Rückkopplung vom Kollektor des Transistors T2 auf den Emitter des Transistors T1 mittels eines Emitterwiderstandes ist es auch möglich den Gütefaktor des Filters zu verändern und das Filter auf eine volle Kerwin-Huelsman-Newcomb-Struktur aufzuwerten.
  • Weiters können alle drei Basisanschlüsse durch drei hochohmige Widerstände zu einem gemeinsamen Eingang verbunden werden. In einem solchen Fall können die Kollektoren der Transistoren T1 oder T3 als Bandpaßausgang verwendet werden. Es ist dann aber kein Hochpaßausgang vorhanden. Eine solche Schaltung entspricht dann einer Tow-Thomas-Struktur, die ebenfalls zu den biquadratischen Filtern zählt.
  • Für einen vereinfachten Bandpaß kann die Basis des Transistors T3 allein als Eingang verwendet werden.
  • Mit dem Filter 3 nach Fig. 3 und den erwähnten Abänderungen desselben können fast alle Equalizerschaltungen durch entsprechende Auswahl der Impedanzen und Rückkopplungen ausgeführt werden.
  • Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen Verstärker 6 mit diesem Filter 3. Dabei dient der Transistor T4 mit seinem Arbeitswiderstand R5 als Verstärker, wobei zur Arbeitspunktstabilisierung und Verstärkungseinstellung in bekannter Weise eine Basis-Kollektor-Gegenkopplung über die Widerstände R2 und R3 vorgesehen ist.
  • Über die Widerstände R4 und R6 ist dieser Verstärker 6 mit dem Filter 3 verbunden, das in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers 6 liegt. Dabei bilden die Transistoren T1 bis T3 eine biquadratische Struktur, wobei der Transistor T3 mit dem Widerstand RI2 und dem Kondensator C1 als auch der Transistor T2 mit dem Kondensatop C2 und dem Widerstand RI1 die beiden Integratoren bilden. Die Phasenumkehrstufe wird durch den Transistor T1 mit den Widerständen RF und R7 gebildet. Dabei ist die Verstärkung dieses im Filter 3 angeordneten Verstärkers T1 durch den als Potentiometer geschalteten Widerstand RF veränderbar, wobei sich durch die Änderung der Verstärkung auch eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des gesamten Filters 3 ergibt. Die Arbeitswiderstände des Filters 3 sind durch die Widerstände R8, R9 und R10 gebildet.
  • Der Kollektor des Transistors T3 stellt den Bandpaßausgang des Filters 3 dar, wobei am Kollektor des Transistors T1 ein dazu gegenphasiges Signal abgreifbar ist. Durch das Potentiometer RA können die Amplitude und die Phase des zum Verstärker 6 zurückgeführten Signals beeinflußt werden. Dadurch kann die Rückkopplung des Transistors T4 so gewählt werden, daß, je nach Einstellung des Potentiometers RA, durch positive Rückkopplung (Mitkopplung) eine selektive Anhebung oder durch negative Rückkopplung (Gegenkopplung) eine Absenkung des über das Filter 3 laufenden Signals erreicht wird. Dabei wird die Güte des Filters 3 im wesentlichen durch die Dimensionierung der Widerstände R2, R3 und R4 bestimmt.
  • Auf diese Weise lassen sich mit nur zwei Einstell-Organen eine nahezu unbegrenzte Vielzahl von Filterkurven realisieren. Diese Einstell-Organe können z.B. manuell bedienbare Potentiometer oder Trimmer sein, ebensogut aber auch durch elektrisch steuerbare Impedanzen, wie z.B. Transistoren gebildet sein.
  • Fig. 6 zeigt beispielsweise die Funktion der Schaltung nach Fig. 5, wobei die Mittenfrequenzen der Anhebungen bzw. Absenkungen durch Verstellen des Widerstandes RF gewählt werden können. Die Fig. 6 zeigt nur einige, beliebig herausgegriffene Frequenzgänge, wobei der Verlauf der Kurven oberhalb und unterhalb der Mittellinie angibt, in welchem Umfang bei den einzelnen Frequenzen die Anhebung bzw. Absenkung variiert werden kann.
  • Dabei zeigt sich, daß nach den tiefen Frequenzen hin die Verstellmöglichkeit der Absenkung zunimmt und umgekehrt. Dieses Verhalten kommt dem Hörverlust der meisten Schwerhörigen sehr entgegen, die in der Regel eine Absenkung der Tiefen zur Störlärmverminderung und eine Anhebung der Höhen zur Verbesserung der Sprachverständlichkeit benötigen. Fig. 6 zeigt aber auch, daß mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen biquadratischen Filterschaltungen sehr selektive Anhebungen und Absenkungen möglich sind. Durch die Kombination dieses parametrischen Filters mit einem Hoch- und/oder Tiefpaßfilter lassen sich, wie bereits erläutert, alle in der Praxis benötigten Frequenzgänge realisieren.

Claims (4)

  1. Hörgerät mit einem Mikrofon, mindestens einem von dessen Signal beaufschlagten Verstärker, der zur Beeinflussung des Frequenzganges mit einem Filter höherer Ordnung, das als Mehrfachfilter ausgebildet ist, zusammenwirkt und einem Lautsprecher, der die verstärkten Signale in Schallwellen umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (3) eine biquadratische Struktur aufweist und mindestens zwei Integratoren und einen invertierenden Verstärker, bei welchen Bauteilen die aktiven Elemente durch diskrete Bauteile, insbsondere Einzel-Transistoren (T1, T2, T3) gebildet sind, aufweist.
  2. Hörgerät nach Anspruch 1 mit einem mit einer Rückkopplungsschleife versehenen Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (3) in der Rückkopplungsschleife des Verstärkers (6) angeordnet ist.
  3. Hörgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stufen des Filters (3) durch eine oder mehrere Rückkopplungsleitungen miteinander verbunden sind.
  4. Hörgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschleife des Verstärkers (6) über ein einstellbares Potentiometer (RA) zur Einstellung der Filteranhebung oder -absenkung geführt ist und im Filterkreis (3) ein einstellbares Potentiometer (RF) zur Einstellüng der Mittenfrequenz des Filters (3) angeordnet ist.
EP91890266A 1990-11-07 1991-11-06 Hörgerät mit Filterschaltung Expired - Lifetime EP0485357B1 (de)

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EP0485357A3 EP0485357A3 (en) 1993-01-13
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