CN101675669B - 麦克风放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种麦克风放大器，包括：偏压单元，可以使输入信号的电平稳定；电压电流变换单元，可以放大所述输入信号；恒流源，可以为所述电压电流变换单元提供具有一定强度的电流；以及电流放大单元，可以放大所述电压电流变换单元的电流变化。本发明麦克风放大器组合了具备低噪音特性的结型场效应晶体管及双极型晶体管，可以提供高输入阻抗、高放大增益及低电流消耗的高可靠性麦克风放大器。

Description

麦克风放大器
技术领域
本发明公开了一种麦克风，本发明使用结型场效应晶体管(JFET)与双极型晶体管元件实现了高输入阻抗、高放大增益及低电流消耗的麦克风放大器。
麦克风放大器适用于将语音信号转换成电信号的麦克风。
背景技术
图1是现有电容式麦克风放大器的电路图，麦克风放大器10包括单一结型场效应晶体管(JFET、15)及可以提供所述JFET15的动作基准电位的偏压单元13。
所述放大器10的JFET15的栅极在一节点(ni)与可以根据语音信号的振动而生成电信号的静电电容(Cmic)连接。所述静电电容(Cmic)的另一端则与所述JFET15的源极一起连接到接地端(GND)。由于所述节点(ni)可以把所述静电电容(Cmic)所生成的电信号传输到所述JFET15，因此可以视为所述放大器10的信号输入端。
所述JFET15的漏极在一节点(no)分歧，其中一个通过负荷电阻(RL)连接到外部电源(VDD)，其余一个则连接到可以提取输出信号后加以利用的输出端(Vout)。
偏压单元13可以为所述JFET15的栅极提供基准电位，该偏压单元13的一端连接到静电电容(Cmic)及JFET15互相结合的节点(ni)上，另一端连接到接地端(GND)。所述偏压单元13由电阻(R)及两极真空管(D)并联连接构成。
所述静电电容(Cmic)由导电性薄膜与固定电极板按照一定间隔互相相对的方式构成，在所述薄膜或固定电极板中一侧形成带电物质，所述带电物质带有数百伏特的静电荷。此时，如果语音信号被传到所述薄膜，薄膜就会振动。所述薄膜的振动将改变所述静电电容(Cmic)的容量而发生细微的电信号。所述电信号被输入所述麦克风放大器10时，所述输出端(Vout)将出现电流变化现象。所述电流变化在所述JFET15被放大后通过所述负荷电阻(RL)以电压方式分配后输出。
所述放大器10所需条件如下：第一、所述静电电容(Cmic)的输出阻抗高达数百mega欧姆以上，所述放大器10的输入阻抗也应该维持数百mega欧姆以上以尽量减少输入损失；第二、因为把微弱的信号加以放大，因此需要较大的放大增益，噪音则维持在-100dB以下，从而提高信噪比(SNR；signal to noise ratio)；第三、主要适用于便携式装置，因此所耗电流维持在500uA以下，供电电压则维持在3Volt以下，从而要求更低的电耗。因此，需要使用JFET元件来满足所述条件。
然而，即使利用所述JFET制成放大器，单一JFET构成的放大电路为了在音频频带(100Hz-10kHz)提升输入阻抗而需要尽量减小信号输入端的寄生电容，偏压单元13的电阻(R)则维持在数百mega欧姆以上。然而，为了提升所述放大器10的电压放大增益而增加所述JFET15的大小时，将促使寄生电容增加而输入阻抗减小，因此无法大幅提升电压放大增益。而且，在一定大小的JFET上增加动作电流而提升电压放大增益时，所耗电流与动作电压会增加。就算按照只提升输入阻抗的方式提升放大增益时，反而会增加噪音。所述单一JFET元件所制成的现有电容式麦克风放大电路虽然具有良好的低噪音特性，但是在实现高放大增益、低电流及高输入阻抗特性时受到了限制。
作为另一应用例，MEMS(micro-electromechanical system)麦克风也使用所述现有放大器，但与电容式麦克风不同的是，MEMS麦克风在图1中的静电电容(Cmic)的一端不是连接到接地端(GND)而是连接到外部恒压源，另一端则连接到放大电路的输入节点(ni)。所述现有电容式麦克风放大器的所述静电电容(Cmic)内部带有静电荷，因此静电电容(Cmic)的一端连接到接地端(GND)而另一端则连接到放大器的输入节点(ni)。然而，像MEMS麦克风一样不带静电荷时，可以在外部代替接地端(GND)向静电电容(Cmic)的一端供应定电压，因此会随着语音信号所造成的振动板颤动而发生电信号。此时可以从外部施加的定电压为数十伏特左右，静电电容(Cmic)的输出信号非常小而需要使用放大增益较大的放大器，MEMS麦克风的振动板静电电容(Cmic)容量较小而使得振动板的输出阻抗较大，因此放大器需要高输入阻抗。
其它方法还包括使用CMOS元件的差动放大器方法(韩国公开专利10-2006-0113925)，但CMOS元件的噪音大于JFET元件。而且栅极的氧化膜仅为数百埃(Angstrom)，其超薄的厚度容易受到外部电气冲击的影响降低了可靠性。
发明内容
发明需要解决的技术课题
为了解决所述现有技术的问题，本发明的目的是提供一种麦克风放大器（Microphone amplifier），该麦克风放大器可以大幅减少所耗电压及电流，而且在半导体基板或芯片(chip)上形成了信号放大电路，该信号放大电路可以使具有高放大增益的输入电容大幅减小。
解决课题的技术方案
为了实现所述目的，本发明麦克风放大器由提供输入信号的信号输入端、把信号放大后输出的输出端及作为电路基准的接地端构成，还包括：偏压单元，可以为所述信号输入端与所述接地端之间提供输入信号的基准电位；电压电流变换单元，可以放大所述输入信号；恒流源，为所述电压电流变换单元供应具有一定强度的电流；以及电流放大单元，可以把所述恒流源与所述电压电流变换单元之间的电流变化加以放大。
在本发明麦克风放大器中，还包括：第三电阻，位于所述接地端与电流放大单元及电压电流变换单元之间并且可以调整输入信号的放大增益；及第二电阻元件，位于所述电压电流变换单元与所述第三电阻之间并且可以调整偏压电流量。
在本发明麦克风放大器中，所述第三电阻或第二电阻由导体连接。
本发明的麦克风放大器中，所述恒流源由JFET构成，第一JFET的栅极与源极互相结合。
在本发明麦克风放大器中，所述偏压单元可以由第一电阻构成，可以在所述第一电阻上并联连接第一两极真空管，可以在并联连接到所述第一电阻的所述第一两极真空管上再对第二两极真空管进行交叉并联连接。
在本发明麦克风放大器中，所述电压电流变换单元可以由第二JFET构成，可以在第二JFET上并联连接第三JFET，可以在第二JFET上串联连接第四JFET。
在本发明麦克风放大器中，所述电流放大单元可以由PNP型第一双极型晶体管构成，也可以是由PNP型第一双极型晶体管与PNP型第二双极型晶体管构成的PNP达灵顿(Darlington)晶体管，也可以是由PNP型第一双极型晶体管与NPN型第三双极型晶体管构成的PNP/NPN达灵顿晶体管。
在本发明麦克风放大器中，连接到所述放大电路的信号输入端的电压电流变换单元使用JFET元件，所述JFET元件的大小可以自由调整而不受电路特性的影响，因此可以利用低噪音特性轻易地拥有高输入阻抗。而且，所述放大电路另外包括电阻以调整电流增益与耗电量。
在本发明麦克风放大器中，所述信号输入端所输入的信号是静电电容(Cmic)所识别出的语音信号变换后的电信号。
附图说明
图1是现有技术的电容式麦克风放大器的电路图；
图2是本发明电容式麦克风放大器的电路图；
图3是图2所示偏压单元、电压电流变换单元及电流放大单元的各实施例的适用结果电路图；
图4及图5是图2所示麦克风放大器的一较佳实施例的偏压单元电路图；
图6及图7是图2所示麦克风放大器的一较佳实施例的电压电流变换单元电路图；
图8及图9是图2所示麦克风放大器的一较佳实施例的电流放大单元电路图。
附图标记说明：
20：麦克风放大器   21：恒流源
23、23a、23b：偏压单元   25、25a、25b：电压电流变换单元
27、27a、27b：电流放大单元
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例做进一步说明。
图2是本发明电容式麦克风放大器的电路图。
请参阅图2，本发明麦克风放大器20的信号输入端是节点(ni)，静电电容(Cmic)所识别的语音信号被变换成电信号后传输到该节点(ni)。流入所述信号输入端的电信号由于太弱而需要由电压电流变换单元25加一放大并变换成电流。
偏压单元23的一端(a)连接所述一节点(ni)，另一端(b)则连接接地端(GND)，该偏压单元23可以调整从所述静电电容(Cmic)流入的电信号的偏置(bias)而使其稳定。
所述放大器20的输出部分在一节点(no)分歧，其中一个通过负荷电阻(RL)连接到外部电源(VDD)，其余的一个则连接到输出端(Vout)，该输出端(Vout)可以提取输出信号后加以利用。为所述放大器20供应电流的所述节点(no)可以和所述输出端(Vout)一致或通过导线形成短路。在所述输出端(Vout)方面，被输入所述信号输入端的电信号被转换成电流并且以放大后的电流输出时，利用所述负荷电阻(RL)进行电压分配而得以在所述输出端(Vout)输出电压。
此时，所有的输入信号都以接地端(GND)为基准，电压电流变换单元25由特性优于其它半导体元件的N沟道结场效应管构成，该电压电流变换单元25可以把所述输入信号转换成电流信号并加以放大。
为所述电压电流变换单元25供应一定电流的恒流源21由第一JFET(T1)构成。所述第一JFET(T1)的栅级及源极形成短路，漏极则与所述放大器20的输出部分的一节点(no)形成短路。
所述恒流源21需要维持一定电流，当流经所述电压电流变换单元25的电流受到所述输入信号的变化影响而出现变化时，所述变化的电流将流向电流放大单元27的一端子(g)。
所述电压电流变换单元25由一个以上的N沟道结场效应管(N CHANNELJFET)构成并具备了3个端子(c、d、e)。所述一端子(c)在一节点(n1)上与所述恒流源21的源极及栅极形成短路。另一端子(d)则连接到如前所述与偏压单元23的一端子(a)形成短路的一节点(ni)并接收电信号。剩下的最后一个端子(e)则连接到第二电阻(R2)的一端。所述第二电阻(R2)的另一端在一节点(n2)分歧，其中的一个通过第三电阻(R3)与接地端(GND)形成短路，其余的一个则与电流放大单元27的一端子(h)形成短路。
所述电流放大单元27由一个以上的双极型晶体管构成并具备了3个端子(f,g,h)。所述一端子(f)则连接到与所述输出端(Vout)形成短路的一节点(no)。另一端子(g)和所述恒流源21的源极及栅极在一节点(n1)连接。剩下的最后一个端子(h)则连接到第二及第三电阻(R2、R3)如前所述互相形成短路的一节点(n2)。
在所述第二电阻(R2)方面，根据所述电压电流变换单元25元件特性所造成的电流变化及输入电位变化而调整一端子(e)的基准电压，从而调整所述放大器20的耗电量。而且，可以根据电压电流变换单元25的JFET元件特性而以导体代替第二电阻(R2)进行连接。
在所述第三电阻(R3)方面，使所述电压电流变换单元25的一端子(e)及另一端子(d)之间的电位差随着流经所述第三电阻(R3)的电流强度而变化，从而调整电流增益。而且，使用导体代替第三电阻(R3)进行连接时，可以最大限度地提高所述电流放大单元27的放大增益。
图3是图2所示偏压单元、电压电流变换单元及电流放大单元的各实施例的适用结果电路图。
请参阅图3，偏压单元23a由第一电阻(R1)构成，电压电流变换单元25a则由第二JFET(T2)构成。所述第二JFET(T2)的栅极、漏极及源极分别与所述电压电流变换单元25a的一端子(d)、另一端子(c)及其余端子(e)形成短路。所述电压电流变换单元(25a)的结构可以最大限度地应用所述放大器20的信号输入端所要求的高输入阻抗及低输入电容特性。电流放大单元27a在本发明的一较佳实施例中由PNP型第一双极型晶体管(Q1)构成。所述第一双极型晶体管(Q1)的基极、发射极及集电极分别与所述电流放大单元27a的一端子(g)、另一端子(f)及其余端子(h)形成短路。
图4是图2所示放大器的另一实施例的偏压单元电路图，图5是图2所示放大装置的另外一个实施例的偏压单元电路图。
请参阅图4，所述放大器20的偏压端23b可以在所述偏压端23a的第一电阻(R1)上并联连接第一两极真空管(D1)后对输入信号进行钳位(Clamping)。
请参阅图5，所述放大器20的偏压端23c由所述第一电阻(R1)与第一及第二两极真空管(D1、D2)构成，所述第一及第二两极真空管(D1、D2)交叉结合后进行并联连接。这样就能使输入信号的对称性更优于所述图4的偏压端23b结构。
图6是图2所示放大器的另一实施例的电压电流变换单元的电路图，图7是图2所示放大器另外一个实施例的电压电流变换单元的电路图。
请参阅图6，在所述放大器20的电压电流变换单元25b中，所述第二JFET(T2)与第三JFET(T3)以漏极及源极为基准进行并联连接。此时，第三JFET(T3)的栅极与本身的源极形成短路。
所述电压电流变换单元25b的结构可以把输入所述信号的第二JFET(T2)的栅极分成两部分而减小输入电容。
请参阅图7，所述放大器20的电压电流变换单元25c也可以由第二及第四JFET(T2、T4)构成。此时，第二及第四JFET将以漏极及源极为基准进行并联连接。
所述第二JFET(T2)的漏极与第四JFET(T4)的源极连接。第二JFET(T2)的栅极与所述电压电流变换单元25c的一端子(d)形成短路。第四JFET(T4)的漏极与所述电压电流变换单元25c的另一端子(c)形成短路。而且，第二JFET(T2)的源极与第四JFET(T4)的栅极则与所述电压电流变换单元25c的其余一个端子(e)形成短路。
所述电压电流变换单元25c的结构可以由第二及第四JFET(T2、T4)各自承受一部分电压，从而减小所述第二JFET(T2)的源极与漏极之间的电压，因此可以大幅减小所述第二JFET(T2)的大小。
所述图6及图7所示结构可以有效地减小所述第二JFET(T2)的几何尺寸，因此有助于减小输入电容及元件的大小。
图8是图2所示放大器的另一实施例的电流放大单元电路图，图9是图2所示放大器的另外一个实施例的电流放大单元电路图。
请参阅图8，所述放大器20的电流放大单元27b包括PNP型第一及第二双极型晶体管(Q1、Q2)。第一双极型晶体管(Q1)的基极与所述电流放大单元27b的一端子(g)形成短路，第二双极型晶体管(Q2)的基极与所述第一双极型晶体管(Q1)的发射极形成短路。所述第一及第二双极型晶体管(Q1、Q2)的各集电极互相连接，并且与所述电流放大单元27b的另外一个端子(h)形成短路。而且，所述第二双极型晶体管(Q2)的发射极与所述电流放大单元27b的其余一个端子(f)形成短路。
所述电流放大单元27b的结构使用具有所述结构的PNP达灵顿双极型晶体管，可以有效地提升所述电流放大单元27的电流增益。
请参阅图9，所述放大器20的电流放大单元27c可以包括第一及第三双极型晶体管(Q1、Q3)。此时，第三双极型晶体管为NPN型。所述第一双极型晶体管(Q1)的基极与所述电流放大单元27c的一端子(g)形成短路，所述第三双极型晶体管(Q3)的基极与所述第一双极型晶体管(Q1)的集电极形成短路。所述第一双极型晶体管(Q1)的发射极与所述第三双极型晶体管(Q3)的集电极互相连接，并且与所述电流放大单元27c的另外一个端子(f)形成短路。而且，所述第三双极型晶体管(Q3)的发射极与所述电流放大单元27c的其余一个端子(h)形成短路。
所述电流放大单元27c结构使用了由所述第一双极型晶体管(Q1)及第三双极型晶体管(Q3)构成的PNP/NPN达灵顿(Darlington)双极型晶体管，提高了所述电流放大单元(27)的电流增益。
在另一实施例中，所述恒流源21及电压电流变换单元25所使用的JFET全部替换为金属氧化膜场效应晶体管(MOSFET)。所述麦克风放大器可以得到如前所述的电路特性。
本发明的麦克风放大器形成于半导体基板或芯片上。
在本发明的技术思想范畴内，可以根据本发明的详细说明而实现各种变形及修改，这对于本领域技术人员来说是非常明显的，因此所述实施例不能限定本发明，本发明真正的权利范围应根据权利要求书及其等值范围的技术思想而决定。
有益效果
如前所述，本发明使用具备低噪音特性的结型场效应晶体管(JFET)及双极型晶体管组合而成，可以尽量减少所需空间，不仅可以更加轻易地调整麦克风放大电路的放大增益、电流消耗及输入电容，还可以使用小型半导体芯片制作。

Claims (14)

1.一种麦克风放大器，由提供输入信号的信号输入端、把信号放大后输出的输出端及作为电路基准的接地端构成，还包括： 
偏压单元，可以为所述信号输入端与所述接地端之间提供输入信号的基准电位； 
电压电流变换单元，具备有一个以上的N沟道结场效应管，可以放大所述输入信号； 
恒流源，具备有JFET，为所述电压电流变换单元供应具有一定强度的电流；以及 
电流放大单元，具备有一个以上的双极型晶体管，可以把所述恒流源与所述电压电流变换单元之间的电流变化加以放大； 
所述信号输入端包括静电电容； 
所述输入信号是所述静电电容所识别的语音信号变换后的电信号。 
2.如权利要求1所述的麦克风放大器，其特征在于： 
还包括：第三电阻，位于所述接地端与所述电流放大单元及所述电压电流变换单元之间并且可以调整输入信号的放大增益；及第二电阻，位于所述电流放大单元与所述第三电阻之间并且可以调整偏压电流量。 
3.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述第三电阻由导体连接。 
4.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述第二电阻由导体连接。 
5.如权利要求1所述的麦克风放大器，其特征在于：所述JFET由栅极与源极互相结合。 
6.如权利要求1所述的麦克风放大器，其特征在于：所述偏压单元由第一电阻构成。 
7.如权利要求6所述的麦克风放大器，其特征在于：所述偏压单元在所述第一电阻上并联连接第一两极真空管后对输入信号进行钳位。 
8.如权利要求6所述的麦克风放大器，其特征在于：所述偏压单元在并联连接到所述第一电阻的第一两极真空管上再对第二两极真空管进行交叉并联连接。 
9.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述电压电流变换单元包括第二JFET，该第二JFET具备有连接到所述静电电容的栅极、连接到所述恒流源的漏极及连接到所述第二电阻的源极。 
10.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述电压电流变换单元还包括第二JFET与第三JFET，该第二JFET具备有连接到所述静电电容的栅极、连接到所述恒流源的漏极及连接到所述第二电阻的源极，该第三JFET的漏极与源极各自连接第二JFET的漏极与源极；所述第三JFET还包括连接到第三JFET的源极的栅极。 
11.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述电压电流变换单元还包括第二JFET与第四JFET，该第二JFET具备有连接到所述静电电容的栅极及连接到所述第二电阻的源极，该第四JFET具备有连接到所述恒流源的漏极、连接到所述第二JFET的漏极的源极、连接到所述第二JFET的源极的栅极。 
12.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述电流放大单元包括PNP型第一双极型晶体管，该PNP型第一双极型晶体管具备有连接到外部电源的发射极、连接到所述恒流源的基极、连接到第二电阻的集电极。 
13.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述电流放大单元是由PNP型第一双极型晶体管与PNP型第二双极型晶体管构成的PNP达灵顿晶体管，该PNP型第一双极型晶体管具备有连接到所述恒流源的基极、连接到第二电阻的集电极，该PNP型第二双极型晶体管具备有连接到外部电源的发射极、连接到所述PNP型第一双极型晶体管的发射极的基极、连接到所述第二电阻的集电极。 
14.如权利要求2所述的麦克风放大器，其特征在于：所述电流放大单元是由PNP型第一双极型晶体管与NPN型第三双极型晶体管构成的PNP/NPN达灵顿晶体管，该PNP型第一双极型晶体管具备有连接到外部电源的发射极、连接到所述恒流源的基极，该NPN型第三双极型晶体管具备有连接到所述PNP型第一双极型晶体管的发射极的集电极、连接到所述PNP型第一双极型晶体管的集电极的基极、连接到第二电阻的发射极。 
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