助听器的基本结构---放大器

2008-07-13 20:20:57来源: 半导体应用网 关键字:电压  电流  二极管  滤波  电阻  反馈

  一、放大器的作用由于麦克风已经把声音转换成电压电流,放大器的主要作用是把小的电信号变成一个大的电信号。放大器有三种放大方式:第一,电压放大,电流不变;第二,电流放大,电压不变;第三,电压和电流都放大。这三种方式都将电信号的能量放大了,这种能量来自于助听器电池。放大器配合滤波器性能,可使其具有助听器所需的频率特性。

  二、放大器的构造

  用于放大的基本元件是晶体管。为了获得更好的放大性能,放大器采用多个晶体管、二极管电阻、电容等组成的集成电路。现在的助听器放大器、滤波器均已制成可直接焊接的芯片、芯片由焊盘、放大电路板、封装层组成。如图2-14所示。部分放大器、滤波器电阻、电容的容量较大,无法制成集成元件,往往将离散元件焊接在芯片表面。这就要求更高的芯片封装及焊接技术。由于电子元件易被静电击穿,芯片在设计时,应具有去静电电路。

  三、滤波器

  滤波器用于改变助听器的频率响应,分为有源滤波器和无源滤波器两种。无源滤波器仅由电阻、电容组成;有源滤波器中除无源滤波器外还加入了放大器,它比无源滤波器具有更宽的频率控制范围和更灵活的调节功能。

  滤波器按对信号频率的过滤功能分低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器。低通滤波器只允许低频信号通过,衰减高频;高通滤波器只允许高频信号通过,衰减低频;带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器组合而成,衰减低频和高频,只允许特定频带的信号通过。

  滤波器可通过截止频率和滤波斜率(阶数)来描述。如图2-15所示。图中竖坐标“0”起始的线表示低通滤波器的频响,另一根线表示高通滤波器的频响。截止频率由电阻、电容决定,一般通过调节音调电位器实现。滤波斜率由每倍频程下降的分贝数来表示。

  多通道助听器一般每个通道分别有一个滤波器,通过调节各自滤波器以及相邻两个滤波器的交叉频率可改变助听器的频率响应。

  对具有压缩线路的助听器,滤波器处于压缩反馈环路之前、之后、之中会对助听器的频率响应产生不同的影响,这将在第五章第二节详细讨论。多数滤波器设置在麦克风与放大器之间。

  四、助听器的最大输出控制

  (一)最大输出控制原则

  为了避免大声时助听器输出幅度过高超过听障者的不适阈,从而引起听障者的不适及听力损伤,助听器的最大输出幅度必须加以控制。控制原则就是将最大输出控制在接近听障者的不适阈处。目前的助听器均有最大输出控制功能。

  (二)最大输出控制的类型

  1.削峰电路(PC)  在线性放大线路(即增益不随输入声压级的变化而变化)中,最大输出控制主要采用削峰电路。削峰电路是最简单的输出限幅方式,就是把输出信号中超过限度的峰值部分削去,如图2-16所示。

  图2-17所示的是削峰电路在不同输入声压级下对应的输出曲线图。从图中可以看出在小输入声压级时,助听器为线性放大;在大输入声压极时,才产生削峰。削峰时输出幅度不变。现在部分助听器使用软削峰技术,它与以前的削峰技术(称为硬削峰)区别在于,软削峰在削峰拐点附近失真较小,当输入信号幅度超过拐点几个分贝以上时,它与硬削峰失真相近。

  2.压缩放大电路  由于削峰电路不可避免地引起信号丢失,因此需要一种既能达到限幅目的的又不丢失信号的限幅方式。

  压缩放大电路的处理方式是小输入声压级时,助听器为线性放大;在大输入声压级时,增益逐渐减小,最大输出不会超过某个限度。也就是将大范围的输入信号压缩至一个小范围的输出。它广泛应用于非线性放大线路(即增益随输入声压级的变化而变化)中。值得注意的是,这时的输出信号与输入信号形状上有所改变。如图2-18、图2-19所示。

  对于压缩放大,将在第五章第二节助听器线路中详细讨论。

  五、放大器的失真

  1.谐波失真  当削峰发生时,由于输出信号已不再是正弦波,它包含了输入信号中所没有的频谱成分,从而产生了失真。当输入信号是频率为f的正弦波时,它的频谱为一根单一垂线(基频)。当该信号被削峰时,输出信号中除基频成分外,还有2f成分(二次谐波)、3f成分(三次谐波)……nf成分(n次谐波)。这种失真称为谐波失真,这些谐波成分成为失真产物。

  如果削峰是对称的(输出的正反向峰值均被削去),失真产物仅发生在输入频率的奇数谐波。如果削峰是不对称的(只削去输出的正向峰值),失真产物还发生在偶数谐波。

  所有谐波成分能量和与总能量之比的平方根乘以百分之百,称为总谐波失真。由于谐波成分的主要能量集中在二次谐波和三次谐波上,因此常以二次谐波和三次谐波所产生的失真之和代替总谐波失真。   

  2.互调失真  当一个更复杂的信号被削峰时,失真产物发生在所有输入信号频率的谐波上,以及与输入信号相结合的频率上。如果输入两个音调,频率f1和频率f2,失真成分会发生在2f1,3f1,2f2,3f2,f2-f1,f1+f2,2f2-f1,2f1-f2等。由于失真产物来自所有输入成分的调制,这种失真称为互调失真,虽然引起失真的机制与谐波失真完全一样。

  由于互调失真在助听器中表现不明显,因而一般不作测量。

  虽然谐波失真和互调失真主要由削峰产生,但也会由压缩放大引起,不过产生的失真较小。

  3.失真对言语质量的影响  谐波失真进一步降低了信噪比,导致了言语可懂度的下降。

  总谐波失真是衡量助听器音质的重要指标。助听器厂家一般规定总谐波失真不大于15%,小于3%是助听器的理想目标。3%的失真相当于二次谐波分量的能量比基波小30dB,即使是听力正常人也较难分辨;10%的失真相当于二次谐波分量比信号声压级小20dB,听力损失较重者就难以分辨。

  由于规定的测量声压级为70dB,因而此时测得的失真数值较小,并不代表助听器在大输入声压极时失真也小。因为当输入信号在中等及中等以下时,放大器线性放大,这时无失真产生。当输入信号不太大时,信号被削峰较少,产生的谐波失真并不大,对言语的理解能力也影响不大。但当输入信号较大时,由于削峰程度加大,谐波失真会很大,对言语的理解能力也大为下降。规定的测量声压级为70dB主要是基于言语交流时听到的声强一般为60~70dB。但是助听器用户听自己的声音特别是打电话时,由于声源距离麦克风较近,助听器的输入声强可能有80~90dB,这时助听器的失真就有可能较大。经常有助听器虽然测出的失真很小,但听起来却声音沙哑,就是这个原因。因此衡量助听器的音质好坏,不能只看输入70dB声压级时的失真。

  最后,尽管削峰是在放大器的性能中讨论的,但助听器授话器也可以对信号产生削峰。这主要是由于受到授话器功率的限制。

关键字:电压  电流  二极管  滤波  电阻  反馈

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_182.html
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