EP0485357B1 - Hörgerät mit Filterschaltung - Google Patents

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EP0485357B1
EP0485357B1 EP91890266A EP91890266A EP0485357B1 EP 0485357 B1 EP0485357 B1 EP 0485357B1 EP 91890266 A EP91890266 A EP 91890266A EP 91890266 A EP91890266 A EP 91890266A EP 0485357 B1 EP0485357 B1 EP 0485357B1
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EP
European Patent Office
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filter
amplifier
hearing aid
transistor
frequency
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EP91890266A
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EP0485357A2 (de
EP0485357A3 (en
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Zlatan Dipl.-Ing. Dr. Ribic
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Viennatone AG
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Viennatone AG
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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, wherein the filter has a biquadratic structure with at least two integrators and an inverting amplifier.
  • a hearing aid of the type mentioned was known, in which, however, the biquadratic filter is constructed with an operational amplifier, or else the filter is contained in an integrated circuit.
  • Two branches connected in parallel are provided, in each of which an amplifier with a biquadratic filter is connected in series.
  • a high-pass filter is arranged in one of the branches and a low-pass filter in the other branch, both of which have a biquadratic structure.
  • the aim of the invention is to propose a hearing aid of the type mentioned at the outset in which an optimal adaptation of the frequency response is possible and which is simple to manufacture.
  • the biquadratic filter is arranged in a feedback loop of the amplifier and the active elements of the integrators and the inverting amplifier are formed by individual transistors.
  • 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 an adjustable 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, the microphone 1 converting the sound signal into an electrical signal, which is amplified in the preamplifier 2, then an intermediate amplifier 6 for influencing the frequency response, and a filter in its feedback loop 3 is arranged, passes through and is influenced frequency-selectively.
  • This intermediate amplifier 6 is followed by a power amplifier 4 which raises the signal to a desired level, the power amplifier 4 being followed by a loudspeaker 5 which converts the electrical signal back into an acoustic signal.
  • FIG. 2 shows the basic structure of such a filter 3.
  • This has a biquadratic structure, the transistors T2 and T3 forming two integrators in connection with the resistor R F1 and the capacitor C1, or the resistor R F2 and the capacitor C2 .
  • 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 .
  • the collector of the transistor T3 is fed back via the resistor R X to the base of the transistor T1.
  • the base of the 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 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. 2 is a simplified Kerwin-Huelsman-Newcomb structure, which belongs to the group of biquadratic filters. By arranging a further feedback from the collector of transistor T2 to the emitter of transistor T1 by means of an emitter resistor, it is also possible to change the quality factor of the filter and to upgrade the filter to a full Kerwin-Huelsman-Newcomb structure.
  • 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 it is no high pass exit available.
  • 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 stabilizing the operating point and adjusting the gain.
  • 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 and the transistor T2 with the capacitor C2 and the resistor R I1 forming the two integrators.
  • the phase inversion stage is formed by transistor T1 with 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 resulting in a shift in the resonance frequency of the entire filter 3.
  • the load resistors of filter 3 are formed by resistors R8, R9 and R10.
  • the collector of transistor T3 represents the bandpass output of filter 3, a signal in phase opposition to it being able to be tapped at the collector of 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. 5 shows, for example, the function of the circuit according to FIG. 4, wherein the center frequencies of the increases or decreases can be selected by adjusting the resistance R F.
  • FIG. 5 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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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, wobei das Filter eine biquadratische Struktur mit mindestens zwei Integratoren und einem invertierenden Verstärker aufweist.
  • 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. Es ist auch 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.
  • Durch die GB-PS 2 192 511 wurde ein Hörgerät der eingangs erwähnten Art bekannt, bei dem jedoch das biquadratische Filter mit Operationsverstärker aufgebaut ist, oder aber das Filter in einer integrierten Schaltung enthalten ist. Dabei sind zwei parallel geschaltete Zweige vorgesehen, in denen je ein Verstärker mit einem biquadratischen Filter in Serie geschaltet sind. Dabei ist in einem der Zweige ein Hochpaßfilter und im anderen Zweig ein Tiefpaßfilter angeordnet, die beide eine biquadratische Struktur aufweisen.
  • Dabei ergibt sich jedoch neben dem sehr hohen schaltungstechnischen Aufwand der Nachteil, daß eine relativ hohe Versorgungsspannung vorgesehen werden muß, die bei einem Hörgerät nur durch Batterien aufgebracht werden kann, die bei einer höheren Versorgungsspannung einen sehr erheblichen Platzbedarf verursachen. So reicht die in der Regel für Hörgeräte vorgesehene Versorgung durch eine 1,4V Batterie für eine Versorgungsspannung von 1,2 bis 1,3V, die jedoch für den Betrieb von Operationsverstärkern nicht ausreicht. Eine Spannungsquelle mit höherer Betriebsspannung läßt sich aber aus Platzgründen in einem Hörgerät, sieht man von den heute kaum noch verwendeten Kästchengeräten ab, nicht unterbringen.
  • Es ist daher in der Praxis erforderlich integrierte Schaltungen zu verwenden, die jedoch entsprechend entwickelt werden müssen. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß für die bei Hörgeräten typischen kleinen Serien die Entwicklung und die Herstellung entsprechender integrierter Schaltungen sehr aufwendig ist.
  • Ziel der Erfindung ist es ein Hörgerät der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem eine optimale Anpassung des Frequenzganges möglich ist, und das einfach herstellbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das biquadratische Filter in einer Rückkopplungsschleife des Verstärkers angeordnet ist und die aktiven Elemente der Integratoren und des invertierenden Verstärkers durch Einzeltransistoren gebildet sind.
  • Durch die vorgeschlagene Lösung werden diese Probleme vermieden, wobei sich trotz der Verwendung von Einzeltransistoren oder niedrig integrierter Bauteile eine einem Biquad-Filter entsprechende Struktur ergibt, mit der sich mehrere Parameter auf einfache Weise einstellen lassen und damit der Frequenzgang des Hörgerätes sehr weitgehend an den gewünschten Frequenzgang angepaßt werden kann.
  • Auf diese Weise ist es möglich nur einen begrenzten Frequenzbereich selektiv zu beeinflussen und eine Equalizerschaltung für ein Hörgegrät aufzubauen.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß einzelne 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 einstellbares 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 in der Rückkopplungsschleife eines Verstärkers angeordnet ist,
    • Fig. 2 ein Filter,
    • Fig. 3 (a, b und c) die Filtercharakteristika der drei, bei einem Filter zur Verfügung stehenden Ausgänge,
    • Fig. 4 eine praktisch ausgeführte Filterschaltung und
    • Fig. 5 die Funktion der Schaltung von Fig. 4 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 einen Zwischenverstärker 6, in dessen Rückkopplungsschleife ein Filter 3 angeordnet ist, durchläuft und dabei frequenzselsktiv beeinflußt wird. Diesem Zwischenverstärker 6 ist ein Endverstärker 4 nachgeschaltet, der das Signal auf einen gewünschten Pegel anhebt, wobei dem Endverstärker 4 ein Lautsprecher 5 nachgeschaltet ist, der das elektrische Signal wieder in ein akustisches Signal umwandelt.
  • Fig. 2 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. 2 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. 2 und den erwähnten Abänderungen desselben können fast alle Equalizerschaltungen durch entsprechende Auswahl der Impedanzen und Rückkopplungen ausgeführt werden.
  • Fig. 4 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 Kondensator 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. 5 zeigt beispielsweise die Funktion der Schaltung nach Fig. 4, wobei die Mittenfrequenzen der Anhebungen bzw. Absenkungen durch Verstellen des Widerstandes RF gewählt werden können. Die Fig. 5 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. 5 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 (3)

  1. Hörgerät mit einem Mikrofon (1), mindestens einem von dessen Signal beaufschlagten Verstärker (6), der zur Beeinflussung des Frequenzganges mit einem Filter (3) höherer Ordnung, das als Mehrfachfilter ausgebildet ist, zusammenwirkt und einem Lautsprecher (5), der die verstärkten Signale in Schallwellen umwandelt, wobei das Filter (3) eine biquadratischer Struktur mit mindestens zwei Integratoren (T3, R₁₂, C1; T2, R₁₁, C2) und einen invertierenden Verstärker (T1) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das biquadratische Filter (3) in einer Rückkopplungsschleife des Verstärkers (6) angeordnet ist und die aktiven Elemente der Integratoren und des invertierenden Verstärkers des Filters (3) durch Einzel-Transistoren (T1, T2, T3) gebildet sind.
  2. Hörgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Stufen des Filters (3) durch eine oder mehrere Rückkopplungsleitungen miteinander verbunden sind.
  3. Hörgerät nach Anspruch 1 oder 2, 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 Einstellung 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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EP0485357A2 EP0485357A2 (de) 1992-05-13
EP0485357A3 EP0485357A3 (en) 1993-01-13
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