CN101860778A

CN101860778A - 电容式麦克风的放大电路

Info

Publication number: CN101860778A
Application number: CN201010154635A
Authority: CN
Inventors: 木村安行; 金谷贤仁; 户叶贵士
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: JP2010245729A; US8600079B2; US20100254544A1; JP5319368B2; CN101860778B

Abstract

本发明提供一种电容式麦克风的放大电路，能够提高针对电源电压的噪声的抗噪声性。根据本发明的电容式麦克风的放大电路，虽然电源电压(Vdd)的噪声成分会通过相邻的外部电源布线(1)与外部布线(2)之间存在的寄生电容(Cpxl)而施加到放大部(10)的运算放大器(11)的反相输入端子(-)上，但是由于通过与内部电源布线(13)之间的电容耦合向另一方的非反相输入端子(+)施加成为问题的电源电压(Vdd)的噪声成分，因此能够在运算放大器(11)中去除该噪声成分。

Description

电容式麦克风的放大电路

技术领域

本发明涉及一种产生与声音相应的电信号的电容式麦克风的放大电路。

背景技术

近几年，MEMS麦克风作为电容式麦克风(condenser microphone)的一种而备受关注。该MEMS麦克风的基本结构是由振动膜(diaphragm)和背板这两个相靠近且对置配置的电极板构成的电容器，使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术，将该结构形成在硅基板上。该MEMS麦克风能够承受标准回流焊工艺的温度，例如，能够与其它部件一起焊接到印刷电路板上。另外，能够将MEMS麦克风形成得比一般的驻极体电容式麦克风(ECM)更小型。基于这些情况，包括MEMS麦克风的装置可提高安装密度从而实现小型化。

由于ECM利用半永久性保持电荷的驻极体元件因而是不需要偏压的构造，相对于这样的结构，MEMS麦克风的动作中需要比较高的直流偏压。通过该偏压的施加，在构成MEMS麦克风的电容器上蓄积一定的电荷Q。在该状态下，振动膜因声压而振动时，该电容器的静电电容C产生变化，生成端子间电压V的变化。该电压V的变化被作为声音信号输出。

关于MEMS麦克风的放大电路，专利文献1记载了使用电荷泵电路作为偏压的产生源并且在信号放大部中使用运算放大器而形成的MEMS麦克风的放大电路。另外，专利文献2记载了驻极体电容式麦克风(EMC)的放大电路。

【专利文献1】日本特开2008-153981号公报

【专利文献2】日本特开2001-102875号公报

但是，在将电容式麦克风的放大电路内置到便携式电话机中时，有时会在电源布线等中引入因短脉冲信号引起的噪声，并且该噪声与来自电容式麦克风的信号混在一起输入到运算放大器中。这样，来自电源布线等的噪声也会与该信号同时被放大并被输出，因此存在使放大电路的噪声特性劣化的问题。

另外，在现有的MEMS麦克风的放大电路中，有时作为偏压产生源而设置的电荷泵电路的噪声会与来自MEMS麦克风的信号混在一起而被输入到运算放大器中。这样，来自电荷泵电路的噪声同样也会与该信号同时被放大并被输出，因此存在使放大电路的噪声特性劣化的问题。

发明内容

在本申请所公开的发明中，列举以下所示的主要方案。

本发明的电容式麦克风的放大电路的特征在于，具备：电容式麦克风，其产生与声音相应的信号；运算放大器，其具有第一和第二输入端子，在所述第一输入端子上通过第一布线连接有所述电容式麦克风，在所述第二输入端子上通过第二布线连接有输入电容器；反馈电容器，其连接在所述运算放大器的输出端子与所述第一输入端子之间；第三布线，其供给电源电压；和耦合电容器，其连接在所述第二布线与所述第三布线之间；通过所述运算放大器放大由所述电容式麦克风产生的所述信号，并且通过设置所述耦合电容器，去除从所述第三布线经由所述第一布线输入到所述第一输入端子的噪声。

另外，本发明的电容式麦克风的放大电路的特征在于，具备：偏压电路，其产生偏压；电容式麦克风，其一个端子被施加所述偏压，从另一个端子产生与声音相应的信号；输入电容器；运算放大器，其第一输入端子上连接所述电容式麦克风的所述另一个端子，第二输入端子上通过所述输入电容器施加了所述偏压；和反馈电容器，其连接在所述运算放大器的输出端子与所述第一输入端子之间；通过所述运算放大器放大由所述电容式麦克风产生的所述信号，并且通过设置所述输入电容器，去除叠加在所述偏压上并输入到所述第一输入端子的噪声。

(发明效果)

根据本发明的电容式麦克风的放大电路，由于将从电源布线等引入的噪声输入给运算放大器的一对输入端子的两方，因此能够去除该噪声，结果能够提高放大电路的噪声特性。

另外，根据本发明的电容式麦克风的放大电路，由于将由偏压电路产生的噪声输入给运算放大器的一对输入端子的两方，因此能够去除该噪声，结果能够提高放大电路的噪声特性。

附图说明

图1是说明便携式电话机内部的电源电压的变动的图。

图2是表示内置在便携式电话机中的电容式麦克风的放大电路的图。

图3是本发明的第1实施方式的电容式麦克风的放大电路的电路图。

图4是本发明的第1实施方式的电容式麦克风的放大电路的电路图。

图5是本发明的第2实施方式的电容式麦克风的放大电路的电路图。

图6是本发明的第2实施方式的电容式麦克风的放大电路的噪声特性图。

图7是对比例的电容式麦克风的放大电路的电路图。

图中：1-外部电源布线；2、3-外部布线；10-放大部；11-运算放大器；12-内部布线；13-内部电源布线；14-调节器；15-内部布线；Ce-电容器；21-偏压电路；22-输入信号源；23-布线；30-放大部；31-运算放大器。

具体实施方式

[第1实施方式]

基于图1至图4，说明本发明的第1实施方式的电容式麦克风的放大电路。

如图1所示，在便携式电话机中，大多使用GSM(Global System forMobile Communication)等时分多路复用无线通信方式。在该无线通信方式中，通过调制器将载波调制成217Hz的短脉冲信号后进行放射。调制后的载波的频率一般是0.8GHz～1.9GHz。

此时，提供给内置在便携式电话机中的电容式麦克风的放大电路的电源电压Vdd，容易随着载波的短脉冲信号而变动为矩形状波。因此，要求提供这样的电源电压Vdd的电路模块具有针对该电源变动(噪声)的抗噪性。

图2是表示内置在便携式电话机100中的电容式麦克风的放大电路的图，其由驻极体电容式麦克风Ce和作为LSI芯片而构成的放大部10构成。提供电源电压Vdd的外部电源布线1(是LSI芯片的外部的布线，例如焊接线)被连接在放大部10的端子P1(LSI内部的焊盘电极)上。

在LSI芯片的外部的印刷电路板上设有作为驻极体电容式麦克风的电容器Ce，其通过外部布线2连接到放大部10的端子P2上。此时，通过互相相邻的外部电源布线1与外部布线2之间存在的寄生电容Cpx1(布线间的寄生电容)，电源电压Vdd的电压变动(噪声)被引入到放大部10的运算放大器的输入端子中。

另外，通过外部布线3、端子P3向LSI芯片输入L/R控制信号(用于选择音响的L输出(左)、R(右)输出的控制信号)。例如，构成为：当L/R控制信号为H电平(＝电源电压Vdd)时，选择L输出，当L/R控制信号为L电平(＝接地电压Vss)时，选择R输出。L/R控制信号为H电平(＝电源电压Vdd)时，电源电压Vdd的电压变动(噪声)也会产生在外部布线3上，通过互相相邻的外部布线2、3之间存在的寄生电容Cpx会被引入到放大部10的运算放大器的输入端子中。

另外，还向LSI芯片提供接地电压Vss、时钟信号等，从信号输出端子获取放大部10的输出信号。

对于上述的电源电压Vdd的电压变动，一般可通过在电源电压Vdd的供给线上设置滤波器或调节器来应对，但是为了确保S/N比，需将运算放大器的输入端子的输入阻抗设定得较高。因此，电源电压Vdd的噪声成分会被引入运算放大器的输入端子中，并且在运算放大器的输出中也会出现该噪声成分。

因此，在本实施方式中通过下述方式来应对，即，在具有差动对的运算放大器的一个输入端子上连接作为驻极体电容式麦克风的电容器Ce，并且通过与作为噪声源的电源布线间的电容耦合来向另一个输入端子施加成为问题的噪声，从而使该噪声成分在运算放大器上被共模化而被消除。

图3是本实施方式的电容式麦克风的放大电路。如图3所示，电容式麦克风的放大电路由作为驻极体电容式麦克风的电容器Ce和放大部10构成。

放大部10作为一个LSI芯片来构成，其中设有运算放大器11。在运算放大器11的反相输入端子(-)上通过LSI芯片的端子P2连接有电容器Ce。而且，运算放大器11的非反相输入端子(+)上通过LSI芯片的内部布线12连接有输入电容器Cin的一端。输入电容器Cin的另一端被接地。为了调整运算放大器11的输出信号Von、Vop的波形的平衡而设置了该输入电容器Cin，为了使输出信号Von、Vop的波形相对于中心电压Vs对称，优选将Cin的电容值设定成与电容器Ce相同的值，即Cin＝Ce。

而且，与运算放大器11的非反相输入端子(+)连接的内部布线12，通过耦合电容器Cx1与LSI芯片内部的内部电源布线13进行电容耦合。内部电源布线13连接在LSI芯片的端子P1(电源端子)上，端子P1连接在提供LSI的外部的电源电压Vdd的外部电源布线1上。基于与输入电容器Cin同样的理由，优选将耦合电容器Cx1的电容值设定成与寄生电容Cpx1相同的值，即Cx1＝Cpx1。

该运算放大器11具有反相输出端子(-)和非反相输出端子(+)，分别输出相对于中心电压Vs互相反相的一对差动电压信号即输出信号Von、Vop。非反相输出端子(+)与反相输入端子(-)之间并联连接有反馈电容器Cf、反馈电阻R。另外，与此相对称地在反相输出端子(-)与非反相输入端子(+)之间并联连接有反馈电容器Cf、反馈电阻R。另外，作为运算放大器11的电源电压，提供通过调节器14对端子P1的电源电压Vdd调整后的电压，在调节器14中去除了电源电压Vdd的噪声。

运算放大器11具有由Ce/Cf决定的增益，为了使该增益为1以上，将Cf设定成比Ce小的值。这里，Ce例如可以取几pF左右的微小的值，据此，将Cf也设定成极小的值。

反相输入端子(-)和非反相输入端子(+)在只连接了Ce和Cf的状态下呈浮置状态，并且由于这两个电容很小，因此不能够起到平滑化的效果，所以该反相输入端子(-)和非反相输入端子(+)的电位呈不稳定状态。因此，在连接有电容Cf的反馈路径上并联连接反馈电阻R，使反相输入端子(-)和非反相输入端子(+)的电位稳定。

另一方面，针对反馈电阻R要求以下事项，即：不会使根据声音而在反相输入端子(-)和非反相输入端子(+)上产生的电位变动经由该反馈电阻R传递到反相输出端子(-)和非反相输出端子(+)；要求维持相对于电容器Ce的高输出阻抗。因此，反馈电阻R被设定成非常大的值，并且仅以直流方式分别连接反相输入端子(-)与非反相输出端子(+)之间、非反相输入端子(+)和反相输出端子(-)之间。

通过这样构成的电容式麦克风的放大电路，电源电压Vdd的噪声成分会通过互相相邻的外部电源布线1与外部布线2之间存在的寄生电容Cpx1施加到放大部10的运算放大器11的反相输入端子(-)上，但是由于通过与内部电源布线13之间的电容耦合来向另一方的非反相输入端子(+)施加成为问题的电源电压Vdd的噪声成分，因此能够在运算放大器11中去除该噪声成分。

另外，向LSI芯片输入上述的L/R控制信号时，还使与端子P3连接的LSI芯片内部的内部布线15通过耦合电容器Cx2与运算放大器11的非反相输入端子(+)上连接的内部布线12电容耦合。

由此，将L/R控制信号设定成H电平(＝电源电压Vdd)时，通过耦合电容器Cx2向非反相输入端子(+)施加电源电压Vdd的噪声成分，从而能够在运算放大器11中去除该噪声成分。基于与输入电容器Cin同样的理由，优选将耦合电容器Cx2的电容值设定为与寄生电容Cpx2相同的值，即Cx2＝Cpx2。

另外，上述的电容式麦克风的放大电路从运算放大器11获得了两个输出信号Von、Vop，但是本发明也能够应用在从运算放大器11只获得一个输出信号Vout的结构中。

即，如图4所示，在运算放大器11的输出端子16与反相输入端子(-)之间连接反馈电容器Cf、反馈电阻R。通过电阻R1使非反相输入端子(+)接地。此时，优选将电阻R1的电阻值和反馈电阻R的电阻值设定为相同的值(R1＝R)。另外，非反相输入端子(+)上连接有输入电容器Cin，优选将其电容值设定成Ce+Cf，即(Cin＝Ce+Cf)。其它结构与图3的电路相同。

另外，在图3和图4的电路中，电容器Ce是不需要偏压的驻极体电容式麦克风，取而代之也可以使用需要偏压的MEMS麦克风。

[第2实施方式]

下面，基于图5和图6说明本发明的第2实施方式的电容式麦克风的放大电路。在第1实施方式中，将来自电容式麦克风的放大电路的外部的噪声作为了问题点，但是在本实施方式中，作为问题点的是叠加在偏压电路的偏压上的噪声，即来自电容式麦克风的放大电路的内部的噪声，致力于解决该问题。

如图5所示，电容式麦克风的放大电路由作为MEMS麦克风的电容器Cm、产生偏压的偏压电路21以及放大部30构成。

优选偏压电路21由电荷泵电路构成，该电荷泵电路使电源电压升压来产生高电压的直流偏压。电荷泵电路具有从电源传送电荷的一个以上的泵单元(pumping packet)(由二极管等电荷传送元件和电容器构成)，是一种根据施加在电容器上的时钟信号从电源向输出端子传送电荷来使电源电压升压的电路。通过向电容器Cm的一端施加偏压电路21的偏压，对电容器Cm进行充电。

在图5中，电容器Cm与偏压电路21之间设有输入信号源22，用于在电路上等效地表示声音源。实际上，电容器Cm与偏压电路21是直接连接的，电容器Cm的电容值根据声音而变化，从而从电容器Cm的另一端输出与声音相应的电信号。另外，Cp1是将电容器Cm连接到放大部30上的布线23所具有的寄生电容。

放大部30作为一个LSI芯片而构成，其中设有运算放大器31。运算放大器31的反相输入端子(-)上通过LSI芯片的端子P4连接有电容器Cm。而且，偏压电路21的输出端子(输出偏压的端子)通过LSI芯片的端子P5和输入电容器Cin被连接到运算放大器31的非反相输入端子(+)上。这是本发明的特征，通过将叠加在偏压电路21的偏压上的噪声输入给运算放大器31的反相输入端子(-)和非反相输入端子(+)这两者，使其互相抵消，从而能够从运算放大器31的输出中去除噪声。

C1是与布线32耦合的电容器，该布线32用于将输入电容器Cin连接到运算放大器31的非反相输入端子(+)上。为了使运算放大器31的输出信号Von、Vop的波形相对于中心电压Vs对称，将输入电容器Cin与电容器Cp1的电容值分别设定成与电容器Cm与Cp1相同的值，即(Cin＝Cm，C1＝Cp1)。

运算放大器31构成为具有非反相输出端子(+)和反相输出端子(-)，分别从这些端子输出相对于中心电压Vs相互反相的一对差动电压，即输出信号Von、Vop。非反相输出端子(+)与反相输入端子(-)之间并联连接有反馈电容器C和反馈电阻R。另外，与此相对称地在反相输出端子(-)与非反相输入端子(+)之间并联连接有反馈电容器C和反馈电阻R。

与第1实施方式相同，运算放大器31具有由Cm/Cf决定的增益，为了使该增益为1以上，将Cf设定为比Cm小的值。这里，Cm例如取几pF左右的微小的值，据此，将Cf也设定成极小的值。

反相输入端子(-)和非反相输入端子(+)在只连接了Cm和Cf的状态下呈浮置状态，由于其电容很小，不能够起到平滑化的效果，所以其输入端子的电位并不稳定。因此，在连接有电容Cf的反馈路径上并联连接反馈电阻R，使输入端子的电位稳定。

通过这样构成的电容式麦克风的放大电路，当偏压电路21所产生的噪声叠加在与声音相应的电容器Cm的信号上时，通过将该噪声输入给运算放大器31的反相输入端子(-)与非反相输入端子(+)这两者，使其被抵消，从而能够从运算放大器31的输出中去除噪声。特别是，由电荷泵电路构成偏压电路21时，由于易产生噪声，因此本发明在这种情况下特别有用。

图6是基于电路仿真的电容式麦克风的放大电路的噪声特性图。在图中，横轴表示作为偏压电路21的电荷泵电路的噪声的频率，纵轴表示运算放大器31的增益。对应于本发明的电容式麦克风的放大电路的噪声的增益比图7的电路低42dB。

图7的电路是对比例的电容式麦克风的放大电路，通过输入电容器Cin向运算放大器31的非反相输入端子(+)施加了接地电压。在该电路中，在与声音相应的电容器Cm的信号上叠加电荷泵电路的噪声时，噪声会同时与电容器Cm的信号一起被放大，并且会出现在运算放大器31的输出信号Von、Vop中。

Claims

1.一种电容式麦克风的放大电路，其特征在于，具备：

电容式麦克风，其产生与声音相应的信号；

运算放大器，其具有第一和第二输入端子，在所述第一输入端子上通过第一布线连接有所述电容式麦克风，在所述第二输入端子上通过第二布线连接有输入电容器；

反馈电容器，其连接在所述运算放大器的输出端子与所述第一输入端子之间；

第三布线，其供给电源电压；和

耦合电容器，其连接在所述第二布线与所述第三布线之间；

通过所述运算放大器放大由所述电容式麦克风产生的所述信号，并且通过设置所述耦合电容器，去除从所述第三布线经由所述第一布线输入到所述第一输入端子的噪声。

2.根据权利要求1所述的电容式麦克风的放大电路，其特征在于，

所述电容式麦克风内置于时分多路复用方式的便携式电话机中。

3.根据权利要求1或2所述的电容式麦克风的放大电路，其特征在于，

所述耦合电容器的电容值被设定为与所述第一布线和所述第三布线之间形成的布线间寄生电容的电容值相等。

4.一种电容式麦克风的放大电路，其特征在于，具备：

偏压电路，其产生偏压；

电容式麦克风，其一个端子被施加所述偏压，从另一个端子产生与声音相应的信号；

输入电容器；

运算放大器，其第一输入端子上连接所述电容式麦克风的所述另一个端子，第二输入端子上通过所述输入电容器施加了所述偏压；和

通过所述运算放大器放大由所述电容式麦克风产生的所述信号，并且通过设置所述输入电容器，去除叠加在所述偏压上并输入到所述第一输入端子的噪声。

5.根据权利要求4所述的电容式麦克风的放大电路，其特征在于，

所述偏压电路是电荷泵电路。