CN104685904B - 电容式麦克风及其阻抗变换器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电容式麦克风，包括一个与所述电容式麦克风的换能器直接耦合的阻抗变换器。所述阻抗变换器包括用于阻抗变换的有源元件，用于对所述有源元件输出的音频输出信号进行滤波并对滤波后获取的信号中的直流电压成分进行放大以获取偏置直流电压作为设定值的控制电路，所述偏置直流电压加在所述偏置电阻的一端。实施本发明实施例可以省去所述电容换能器和所述有源元件之间的耦合电容从而消除作为噪声源的偏置电阻，继而可以增大省下的偏置电阻的阻值。

Description

电容式麦克风及其阻抗变换器

技术领域

本发明涉及采用直流耦合阻抗转换的电容式麦克风。

背景技术

对于外部极化电容式麦克风，其换能器电容量的变化与换能器膜片上受到的声学声压(如歌手的歌声)相关。为了将所述电容量的变化转化为电信号，换能器被加载恒定直流电压使其带静电。

带有稳定且恒定静电的换能器，其电容量与电容器电压之间的满足关系式：

Uc＝Qc/C

其中Uc代表加在电容器上的直流电压，Qc代表电容器上的静电荷量，C代表电容器的电容量。

上述关系式仅在换能器上的静电荷量Qc保持恒定的条件下有效。因此，电容器电压Uc的信号必须通过具有很高输入阻抗的放大器来获取，即阻抗变换器。这种阻抗变换器的主要作用是保持换能器上的静电荷量稳定的同时直接从换能器上获取信号电压。

因此，此类阻抗转换器需要非常高的输入电阻及非常低的输出电阻。加上麦克风需要高动态范围，因此所述阻抗转换器需能够处理峰峰值在10V以上的高强度信号而只添加通常在1uV以下的噪声。除此之外，所述换能器还需要通大的直流电以保证足够静电荷以实现高声学灵敏度(换能器电容量的变化要达到声压变化的级别)。作为当前现有技术的代表，图2所示的电路图可以满足以上所有要求。

如图2所示，为了实现多种指向性，电容换能器KAP通常由分列电机两侧的两个膜片构成。保持电极在中心稳定带静电的条件下，改变每个膜片上的静电荷量可以实现不同的指向性。在图2所示电路图中，两个膜片共用的电极与一60V直流电压相连。所述60V直流电压通过电阻R1加至所述换能器电极，其中所述电阻R1需为高阻值电阻(例如，6G欧)以保持静电荷量的稳定。

JFET(结型场效应管)是实现阻抗变换器的最优选择，因为它可以在处理高信号电压的同时保持很低的噪声。所述高信号电压可以通过将JFET的偏压点设置成50％电源电压而获得。如图2所示，所述偏压点为15V并通过电阻R2加载，其中电阻R2也需是高阻值电阻(例如，6G欧)。输出端AF-Out输出声音信号。一个JFET能承受的最大电压通常是50V，而加在换能器KAP上的电压为60V，因此，JFET不能直接与换能器KAP相连。为了克服这个限制，现有的设计方案使用电容C1。

图2所示的电路具有很多优点。其中一个是阻抗变换器噪声与偏置电阻R1,R2及换能器电容之间满足反正切关系。例如，若换能器电容大小为Ckap＝30pF，则噪声：

当R1＝R2＝2G欧时，频率在20Hz至20kHz的范围内的噪声为4.77uV；

当R1＝R2＝10G欧时，频率在20Hz至20kHz的范围内的噪声为2.16uV；

换能器电容及偏置电阻形成了一个高通滤波器。正是在此高通滤波器的作用下，形成了所述噪声、偏置电阻和换能器电容之间的反正切关系。所述高通滤波器的拐角频率须设在响应频率的亚声区(人耳听觉范围外)以获得最小的噪声。由于物理/声学的限制，很难对换能器电容大小进行调节。因此，可调的参数就只省下偏置电阻了。然而，改变偏置电阻需满足以下约束条件：

(1)电容器C1需通过偏置电阻R1,R2接电。大阻值偏置电阻意味着充电时间((R1+R2)*C1)会很长，可长达90秒。在充电过程中，麦克风无法完成特定功能，而这显然无法被市场接受。因此这限制了电容器电容量的上限。此外，若选择小电容C1则会生成电容分压器，与JFET T1的固有电容一起将会导致信号损失。一个选择电容容量的经验公式为C1＝>10*Cin；其中Cin是JFET T1的固有电容。

(2)JFET栅极的漏电流会流经大阻值偏置电阻R2。所述漏电流受温度影响很大，而且可能会根据元件属性、生产批次的不同有显著差异。选择阻值不是太大的R2，可以保证合理温度范围内和生产批次下的功能。

(3)由于印刷电路板污染的原因造成的漏电流也会流经电阻R2，因此会进一步限定电阻阻值的上限。

在设计高性能阻抗变换器时，耦合电容C1的选择是一个主要问题。它需要平衡以下几个因素：

噪声；

在产品可以使用前需消耗的时间；

电容分压器造成的信号损失。

因此，市场上需要一种用于电容式麦克风的直接耦合阻抗变换器以解决前面提到的种种缺陷和不足。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种利用直接耦合阻抗变换器的电容式麦克风，其电容换能器和放大器之间不存在耦合电容。所述电容式麦克风包括电容换能器和阻抗变换器。所述电容换能器包括电极和至少一个膜片，所述膜片位于电极的一侧，所述电极通过偏置电阻连接偏置直流电压。所述阻抗变换器包括输入端直接与所述电极相连的用于阻抗变换的有源元件；用于对所述有源元件输出的音频输出信号进行滤波以获取所述音频输出信号中直流电压成分的低通滤波器；以及同相输入端接恒定直流电压，反相输入端接所述低通滤波器的输出，输出端接所述偏置电阻，反相输入端通过另一个电阻连接其输出端的运算放大器。

本发明的另一个目的是提供一种用于电容式麦克风的阻抗变换器，包括输入端直接与所述电容式麦克风的电容换能器相连的用于阻抗变换的有源元件；用于对所述有源元件输出的音频输出信号进行滤波以获取所述音频输出信号中直流电压成分的低通滤波器；以及同相输入端接恒定直流电压，反向输入端接所述低通滤波器的输出，输出端通过偏置电阻连接所述有源元件和所述电容换能器的连接点，所述反相输入端通过另一个电阻连接所述输出端的运算放大器。

所述有源元件可以是JFET,MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)，晶体管，电子管，运算放大器或其组合构成的用于阻抗变换的并联电路。

在一个实施例中，所述有源元件是N沟道JFET,所述JFET的栅极作为输入端，所述JFET的漏极连接比所述运算放大器所接恒定直流电压大的直流电压，所述JFET的源极作为输出端。

本发明的另一个目的是提供一个用于电容式麦克风的阻抗变换器，包括输入端直接与所述电容式麦克风的电容换能器相连的用于阻抗变换的有源元件；一端连接在所述有源元件与所述电容换能器连接点上的偏置电阻；用于对所述有源元件输出的音频输出信号进行滤波并对滤波后获取的信号中的直流电压成分进行放大以获取偏置直流电压作为设定值的控制电路，所述偏置直流电压加至所述偏置电阻的另一端；其中所述设定值用于调整作用于所述偏置电阻的电源电压，确保所述有源元件的输出端具有期望的偏置直流电压。

所述控制电路包括用于从所述音频输出信号中获取直流电压成分的低通滤波器；同相输入端接恒定直流电压，反相输入端接所述低通滤波器的输出，输出端接所述偏置电阻的另一端，所述反相输入端通过另一个电阻连接所述输出端的运算放大器。

结合以下描述及附图，本发明电容式麦克风的其他系统、方法、特征、优点对本技术领域内的人都是显而易见的。因此而所得出的所有其他同类系统、方法、特点和优点都属于本发明的描述及本发明电路所涵盖的范围内，受本发明权利要求所保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中电容式麦克风及其阻抗变换器的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。附图中的部件并不一定是按比例的，其重点是为了清楚地说明本发明的原理。另外，在所有各个附图中，相同的标号指代相同的部件。

图1是本发明实施例提供的用于电容式麦克风的阻抗变换器的结构图。

图2是传统阻抗变换器的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明电容式麦克风及其阻抗变换器的优选实施例作进一步地描述。

本发明实施例提供的电容式麦克风，如图1所示，主要包括电容换能器10，偏置电阻11，有源元件(在本实施例中指JFET12)，低通滤波器13和运算放大器14。所述有源元件选自JFET,MOSFET，晶体管，电子管，运算放大器或其组合构成的用于阻抗变换的并联电路。

在该实施例中，所述有源元件是N沟道JFET,所述JFET12的栅极直接与所述电容换能器10相连，所述JFET12的漏极通过端口18接直流电压(通常是加在所述JFET12上的偏置电压两倍的大小)，所述JFET12的源极作为所述阻抗变换器的输出端17，用于输出放大了的音频输出信号。所述JFET12的源极经一电流源接地，所述电流源用于维持所述JFET12工作电流的稳定。

所述运算放大器14的同相输入端通过输入端16接直流电压。所述运算放大器14的反向输入端接所述低通滤波器13的输出端。所述运算放大器14的输出端接所述JFET12的栅极(和所述换能器10的输出)。所述运算放大器14的反向输入端还通过电阻19与所述运算放大器14的输出端相连。

所述低通滤波器13连接在所述JFET12的源极17与所述运算放大器14的反向输入端之间，用于对音频输出信号进行滤波，以获取所述音频输出信号中的直流电压成分。

本发明实施例中的电容换能器10包括固定电极和两个膜片，所述膜片分列所述电极两侧。所述电极通过偏置电阻11和运算放大器14连接至15V直流电压(端口16)。为了使所述电极和所述膜片间具有60V的压差，给其中一个膜片上加-45V的电压(通过输入端15)，给另一个膜片加75V的电压。所述电容换能器的这种极化方式使得所述JFET12的栅极可以不需要耦合电路而直接与所述换能器10的电极相连。通过这样的配置，可以省去耦合电路，因此可以提高偏置电阻11的阻值。在本发明实施例中，所述偏置电阻11的阻值为18G欧。作为一个例子，所述JFET12的偏置电压为+15V。容易理解，在其他的实施例中，用于输出音频信号的电容换能器只能包括固定电极和一个膜片，所述膜片位于所述电极的一侧。

控制电路100用于安全地提高偏置电阻11的阻值，而不需承担由于系统固有泄露电流造成电路失效的风险。所述控制电路的设定值为所述控制放大器14的同相输入端16处的+15V偏置电压。通过所述低通滤波器13对所述阻抗变换器的输出电压(输出端17输出的音频输出信号)进行低通滤波可以获取所述设定值。所述低通滤波器13的拐角频率被设置地尽可能的低，使得只有所述音频输出信号中的直流电压成分能通过滤波器到达所述运算放大器14。

低噪声JFET的栅极电压仅比源极电压(所述阻抗变换器的输出端17)低几百mV。在本发明实施例中，控制电路可以保证所述运算放大器14的输出(电阻11的偏压)总能够调整至合适的电压，从而使所述JFET12的输出端17(源极)能一直输出合适的偏置电压。因此，有效地消除了所述JFET12输入端的漏电流，所述换能器电极处的充电电压也总是被调整至合适的大小。

对于运算放大器14的噪声或者速度并没有特殊的要求。唯一需要说明的是所述运算放大器14的最大电源电压决定了电路的控制范围。可以理解，所述运算放大器的电源电压不能超过JFET能承受的最大电压。

需要强调的是，以上所述优选的实施例仅为本发明可能的实施方式，其仅仅用以解释本发明的原理。任何由本发明原理和精神以及本发明实施例得出的，在本发明揭露的技术范围内可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求所要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式麦克风，包括：

包括电极和至少一个膜片的电容换能器，所述膜片位于所述电极的一侧，所述电极通过偏置电阻连接偏置直流电压；和

阻抗变换器，包括：

输入端直接与所述电极相连的用于阻抗变换的有源元件；

用于对所述有源元件输出的音频输出信号进行滤波以获取所述音频输出信号中直流电压成分的低通滤波器；和

同相输入端接恒定直流电压，反相输入端接所述低通滤波器的输出，输出端接所述偏置电阻，所述反相输入端通过另一个电阻连接所述输出端的运算放大器。

2.根据权利要求1所述电容式麦克风，其中所述有源元件选自JFET，MOSFET，晶体管，电子管，运算放大器或其组合构成的用于阻抗变换的并联电路。

3.根据权利要求1所述电容式麦克风，其中所述有源元件是N沟道JFET,所述JFET的栅极作为输入端，所述JFET的漏极接比所述运算放大器所接恒定直流电压大的直流电压，所述JFET的源极作为输出端。

4.一种用于电容式麦克风的阻抗变换器，包括：

输入端直接与所述电容式麦克风的电容换能器相连的用于阻抗变换的有源元件；

用于对所述有源元件输出的音频输出信号进行滤波以获取所述音频输出信号中直流电压成分的低通滤波器；和

同相输入端接恒定直流电压，反相输入端接所述低通滤波器的输出，输出端通过偏置电阻连接所述有源元件和所述电容换能器的连接点，所述反相输入端通过另一个电阻连接所述输出端的运算放大器。

5.根据权利要求4所述阻抗变换器，其中所述有源元件选自JFET，MOSFET，晶体管，电子管，运算放大器或其组合构成的用于阻抗变换的并联电路。

6.根据权利要求4所述阻抗变换器，其中所述有源元件是N沟道JFET,所述JFET的栅极作为输入端，所述JFET的漏极接比所述运算放大器所接恒定直流电压大的直流电压，所述JFET的源极作为输出端。

7.一种用于电容式麦克风的阻抗变换器，包括：

输入端直接与所述电容式麦克风的电容换能器相连的用于阻抗变换的有源元件；

一端连接在所述有源元件与所述电容换能器连接点上的偏置电阻；

用于对所述有源元件输出的音频输出信号进行滤波并对滤波后获取的信号中的直流电压成分进行放大以获取偏置直流电压作为设定值的控制电路，所述偏置直流电压与所述偏置电阻的另一端相连；

其中所述设定值用于调整作用于所述偏置电阻的电源电压，确保所述有源元件的输出端具有期望的偏置直流电压。

8.根据权利要求7所述阻抗变换器，其中所述控制电路包括：

用于从所述音频输出信号中获取直流电压成分的低通滤波器；

同相输入端接恒定直流电压，反相输入端接所述低通滤波器的输出，输出端接所述偏置电阻的另一端，所述反相输入端通过另一个电阻连接所述输出端的运算放大器。

9.根据权利要求8所述阻抗变换器，其中所述有源元件选自JFET，MOSFET，晶体管，电子管，运算放大器或其组合构成的用于阻抗变换的并联电路。

10.根据权利要求8所述阻抗变换器，其中所述有源元件是N沟道JFET,所述JFET的栅极作为输入端，所述JFET的漏极接比所述运算放大器所接恒定直流电压大的直流电压，所述JFET的源极作为输出端。