CN110545503A - 信号传输电路及信号传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供信号传输电路及信号传输方法，其在将供给电源的电源配线、GND线及使测量信号传输的信号线各个通过2线构成时，能够提高PSRR而以规定的精度传输测量信号且简单地进行电路的常数决定，使PSRR及测量信号的放大率在个体间无波动地稳定且容易地制造。本发明的信号传输电路具有：共通配线，供给电源和传输信号；信号放大单元，具有将使用电源放大处理后的测量信号向共通配线输出的第1运算放大器；偏置电源生成单元，基于电源使用第2运算放大器生成在从传感器设备取得测量信号时使用的偏置电源；第1低通滤波器，设置于共通配线与第1及第2运算放大器各自的电源端子之间；以及接地配线，与信号放大单元及偏置电源生成单元各自的接地端子连接。

Description

信号传输电路及信号传输方法
技术领域
本发明涉及将微小的振幅的输入信号放大而对下一级其他装置输出的信号传输电路及信号传输方法。
背景技术
当前，存在将ECM(Electret Condenser Microphones)、MEMS(Micro ElectricalMechanical Systems)等小型的传声器输出的微小的振幅的声音信号(电信号)放大而向下一级的电路传输的信号输出电路(例如，参照非专利文献1及非专利文献2)。
如果从传声器至下一级电路为止的声音信号的传输距离为例如50mm左右的近距离，则对用于声音信号的传输的信号线所叠加的噪声信号少。
即使传声器的输出阻抗高，传输距离短，叠加的噪声信号少，因此能够将传声器(ECM 2)所输出的传声器信号叠加于偏置电压，如图4所示地，对输入电路200传输。
输入电路200从电源201经由电阻202将偏置电压供给至ECM2，由声压导致而ECM 2向偏置电压叠加的信号作为测量信号而经由隔直电容器203进行输入。
但是，如果从传声器至下一级电路为止的传输距离为例如1m以上的传输距离，则传声器的输出阻抗高，因此随着传输距离变长，向信号线叠加的噪声的影响变大，所传输的声音信号的品质发生劣化。
因此，为了使输出阻抗降低，使用了如下电路结构，即：在输出级设置将测量信号放大的晶体管或使用放大器电路的放大部，进行由对驱动上述电路的电源进行供给的电源线、对信号进行传输的信号线以及接地(GND)线这3线实现的信号传输。
图5示出了由双极晶体管构成通过3线进行信号传输的信号传输电路300中的放大部301的信号传输电路的例子。在信号传输电路300中，经由端子T301从输入电路400供给电源，经由偏置电阻302对ECM 2供给偏置电压。
放大部301将由声压导致而ECM 2向偏置电压叠加的信号作为测量信号经由隔直电容器303进行输入，使用双极晶体管进行放大，作为声音信号而经由端子T302针对输入电路400进行传输。
并且，输入电路400经由隔直电容器403而输入从放大部301供给的声音信号。
非专利文献1：“離れたところの音を伝送する？”，https://ameblo.jp/jq1itw/entry-12365085694.html(2018年5月2日访问)
非专利文献2：“FMワイヤレスマイク”，http://www.zea.jp/audio/fmw/fmw_01.htm(2018年5月2日访问)
例如，在将上述的ECM或MEMS等传声器用作音响传感器，对汽车的规定部位的异常声音进行检测，或者对驾驶员发出的声音进行检测的情况下，需要将所取得的测量信号传输至汽车内的控制器，传输长距离。
但是，在汽车内，能够用于信号线等的配线的空间是有限的。因此，难以增加配线数，优选将所取得的测量信号通过2线进行传输而非图5所示的3线。
因此，需要通过2线实现对用于放大的电源进行供给的电源配线、GND线、以及使放大后的测量信号进行传输的信号线的功能。
因此，将电源配线和信号线设为共通的配线(下面，共通配线)，即，使信号叠加于电源配线，使测量信号进行传输。
在图6所示的通过2线进行的信号传输中，即使传输距离长，出于使在配线叠加的噪声的影响减弱的目的，也使输出阻抗降低。另外，为了使输出阻抗降低，在信号传输电路的放大部101使用双极晶体管。同样，为了使向信号传输电路的电源供给中的输出阻抗降低，在偏置电源生成部102中也使用双极晶体管。
图6示出了将作为测量信号而由传声器即ECM所取得的传声器信号向其他装置作为声音信号进行传输的信号传输电路。
在图6中，由偏置电源生成部102对ECM 2供给偏置电压。并且，ECM 2通过声压而使偏置电压发生变动，将该变动成分经由隔直电容器103及电阻104作为测量信号而供给至放大部101。放大部101将所输入的传声器信号(测量信号)进行放大而设为声音信号，使该声音信号叠加于电源信号而进行相对于其他装置的传输。
但是，在双极晶体管的情况下，原本增益低，且制造波动大，因此测量信号的传输所需的声音频带的频率下的PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源电压变动抑制比)为不充分的数值(在本说明书中，将PSRR设为电源电压变动/输出电压变动之比)。
例如，在图6的电路中，即便进行了电路常数的最优化，通过SPICE(simulationprogram with integrated circuit emphasis，电路级模拟软件)模拟器的电路解析而求出的PSRR的数值为32dB，也不满足通常的信号传输所需的PSRR的数值即50dB以上。
另外，在将双极晶体管使用于声音信号的放大的情况下，即便试图对在共通配线的电源电压所叠加的噪声(即声音信号)的影响进行抑制，也由于增益低，因此无法使PSRR降低。
因此，由于无法使PSRR降低，导致无法使声音信号的信号传输中的精度提高、且放大率被限制为低的值。
并且，用于提高放大率及PSRR的电阻及电容器等的常数设定、即电路设计是繁杂的，且由于双极晶体管的制造波动，导致难以在不同的传输电路间将放大率及PSRR设为稳定的数值。
发明内容
本发明就是鉴于这种情况而提出的，其提供下述的信号传输电路及信号传输方法，即：在通过2线构成对用于放大的电源进行供给的电源配线、GND线、以及使放大后的测量信号进行传输的信号线时，能够提高PSRR而以规定的精度传输测量信号，且简单地进行电路的常数决定，使PSRR及测量信号的放大率在个体间无波动地稳定且容易地进行制造。
为了解决上述的课题，本发明的一个方式为信号传输电路，其具有：共通配线，其进行电源的供给和信号传输；信号放大单元，其具有第1运算放大器，该第1运算放大器将使用所述电源进行了放大处理的测量信号向所述共通配线输出；偏置电源生成单元，其基于所述电源而使用第2运算放大器生成在从传感器设备取得所述测量信号时使用的偏置电源；第1低通滤波器，其设置于所述共通配线与所述第1运算放大器及所述第2运算放大器各自的电源端子之间；以及接地配线，其与所述信号放大单元及偏置电源生成单元的各自的接地端子连接。
另外，本发明的一个方式的信号传输电路为，所述第1运算放大器的输出端子经由隔直电容器而与所述共通配线连接。
另外，本发明的一个方式的信号传输电路为，所述第1低通滤波器的截止频率设定为将所述测量信号去除的频率。
另外，本发明的一个方式信号传输电路为，具有第2低通滤波器，该第2低通滤波器设置于对所述偏置电源进行供给的所述第2运算放大器的输出端子与所述传感器设备的电源端子之间。
另外，本发明的一个方式的信号传输电路为，通过带隙电路对所述第2运算放大器供给用于对所述偏置电源的电压进行设定的基准电压。
另外，本发明的一个方式的信号传输电路为，所述偏置电源生成单元为LDO(低压差稳压器)。
另外，本发明的一个方式为信号传输方法，其中，利用共通配线供给电源，且对信号进行传输，信号放大单元将使用所述电源由第1运算放大器进行了放大处理的测量信号向所述共通配线输出，偏置电源生成单元基于所述电源而使用第2运算放大器生成在从传感器设备取得所述测量信号时使用的偏置电源，第1低通滤波器设置于所述共通配线与所述第1运算放大器及所述第2运算放大器各自的电源端子之间，将所述电源平滑化，将所述信号放大单元及偏置电源生成单元各自的接地端子与接地配线连接。
发明的效果
如以上说明，根据本发明，能够提供信号传输电路及信号传输方法，其在通过2线构成对用于放大的电源进行供给的电源配线、GND线、以及使放大后的测量信号进行传输的信号线时，能够提高PSRR而以规定的精度传输测量信号，且简单地进行电路的常数决定，使PSRR及测量信号的放大率在个体间无波动地稳定且容易地进行制造。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式涉及的信号传输电路的电路例的图。
图2是表示本发明的第2实施方式涉及的信号传输电路的电路例的图。
图3是表示第1实施方式及第2本实施方式中的信号传输电路的接收侧的输入电路的一个例子的电路图。
图4表示作为测量信号而将由传声器即ECM所取得的传声器信号向其他装置传输的信号传输电路的一个例子。
图5表示作为测量信号而将由传声器即ECM所取得的传声器信号向其他整理装置传输的信号传输电路的另一个例子。
图6表示作为测量信号而将由传声器即ECM所取得的传声器信号向其他装置进行传输的信号传输电路的另一个例子。
标号的说明
1、1A…信号传输电路 2…ECM 3…输入电路11…第1低通滤波器 12…放大部 13、13A…偏置电源生成部 14…基准电压生成部 15…第2低通滤波器 31、32、34、35、111、122、124、141、143、151…电阻 33、36、37、123、112、142、152…电容器 38…差动放大器 121、131…运算放大器 132…带隙基准部 C1…第1隔直电容器 C2…第2隔直电容器 L1…共通配线 L2…接地配线 L3…电源配线 L31、L3…配线 LG…接地线 LV…电源线
具体实施方式
本发明如在现有例中叙述的那样，涉及能够通过2根配线而实现对信号传输电路进行驱动的电源的供给和来自信号传输电路的信号的传输的信号传输电路的结构。在本发明中，使信号叠加于接收侧向信号传输电路供给的电源信号而从信号传输电路向接收侧的装置进行传输。
在本发明中，由于传输的信号作为噪声而叠加于电源，因此在从信号传输电路向传感器设备供给偏置电压的偏置电源生成部和对来自传感器设备的测量信号进行放大的放大部中，使用开环增益高的运算放大器，实现了信号传输电路中的PSRR的提高。
传感器设备是对ECM、MEMS、压电元件等的偏置电压进行供给而作为电压变动输出测量信号的结构的传感器。
<第1实施方式>
下面，参照附图，对本发明的第1实施方式涉及的信号传输电路进行说明。图1是表示本发明的第1实施方式涉及的信号传输电路的电路例的图。
在图1中，信号传输电路1具有第1低通滤波器11、放大部12、偏置电源生成部13、基准电压生成部14、第2低通滤波器15、第1隔直电容器C1以及第2隔直电容器C2。
第1低通滤波器11是从共通配线L1的信号(后面叙述的作为直流信号的电源信号)中去除声音频带的信号成分(使共通配线的信号平滑化)而将平滑化后的信号向电源配线L3输出的滤波器。即，第1低通滤波器11是在从端子T1经由共通配线L1，从未图示的外部装置供给的电源信号中作为噪声成分而将叠加于电源信号向上述外部装置传输的声音信号(声音频带的信号成分)去除，并将平滑化后的电源信号供给至电源配线L3的过滤器。
第1低通滤波器11具有例如电阻111及电容器112。电阻111的一端与端子T1连接，另一端与电源配线L3连接。电容器112的一端与电源配线L3连接，另一端与接地配线L2连接。
放大部12将经由第2隔直电容器C2输入的传声器信号放大而设为声音信号。并且，放大部12经由第1隔直电容器C1使声音信号叠加于共通配线L1中的电源信号。
由此，放大部12使将传声器信号放大而生成的声音信号叠加于电源信号，经由端子T1向外部装置进行声音信号的传输。
放大部12具有运算放大器121、电阻122、电容器123以及电阻124。运算放大器121的输出端子经由第1隔直电容器C1而与端子T1连接。
电阻122的一端与运算放大器121的输出端子连接，另一端与运算放大器121的反相输入端子(－)连接。
电容器123与电阻122并联，一端与运算放大器121的输出端子连接，另一端与运算放大器121的反相输入端子(－)连接。
电阻124的一端与运算放大器121的反相输入端子(－)连接，另一端经由第2隔直电容器C2向端子T3连接。
由此，放大部12例如是低通滤波器的结构，基于电阻122、电容器123以及电阻124各自的常数，将所输入的放大器信号中的声音的频带以上的频率成分作为噪声而去除，将声音频带的频率的信号成分放大，作为声音信号输出
在这里，由于运算放大器121与双极晶体管(以及MOS(metal oxidesemiconductor)晶体管)相比增益较高，因此与双极晶体管相比，能够使声音信号的PSRR提高。PSRR通常与运算放大器的开环增益的大小成正比，因此随着开环增益变高，PSRR的特性也提高。另外，运算放大器的开环增益存在频率依赖性(是频率的函数)，随着频率变高，从规定的频率下降，因此需要设定与想要取得的测量信号的频带对应的运算放大器及电路常数。
偏置电源生成部13是例如由运算放大器131构成的电压跟随器电路，将与从基准电压生成部14供给的基准电压Vref对应的电压值的偏置电压经由第2低通滤波器15从端子T4向ECM 2(电容器传声器)供给。
在这里，与运算放大器121相同地，运算放大器131与双极晶体管(以及MOS晶体管)相比增益较高，因此与双极晶体管相比，能够使基准电压Vref的输出电压的PSRR提高。
基准电压生成部14例如具有电阻141、电容器142以及电阻143。电阻141及电阻143串联地插入于电源配线L3和接地配线L2之间。电容器142在电阻141及电阻143的连接点与接地配线L2之间与电阻143并联连接。在这里，电阻141和电容器142构成将叠加于电源配线L3的由ECM 2产生的噪声成分去除的低通滤波器。基准电压生成部14将所生成的基准电压Vref向运算放大器121及运算放大器131的非反相输入端子(+)输出。
另外，基准电压生成部14只要能够生成上述的基准电压Vref，就可以使用任意电路结构。
另外，在本实施方式中，从基准电压生成部14向运算放大器121及运算放大器131供给共通的基准电压Vref，但也可以构成为，与用途对应地设置生成不同的电压值的基准电压的基准电压生成部，向运算放大器121、运算放大器131供给。
第2低通滤波器15具有例如电阻151及电容器152。电阻151的一端与运算放大器131的输出端子连接，另一端与端子T4连接。由此，第2低通滤波器15将叠加于偏置电压的规定以上的频率成分的信号去除，将平滑化后的偏置电压经由端子T4向ECM 2供给。
由此，ECM 2经由端子T3及隔直电容器C2将与声音的声压对应地生成的传声器信号向放大器12供给。另外，接地配线L2经由端子T5与ECM 2连接。
在上述放大部12中，运算放大器121与双极晶体管相比增益较高，且通过第1低通滤波器11将叠加于电源配线L3的声音信号去除，因此与图6所示的信号传输电路中的放大部相比，能够提高PSRR。
另外，在放大部12中，作为一个例子，设为将传感器设备作为ECM 2，使进行放大的对象的频带与声音对应，使用了运算放大器121的低通滤波器结构。但是，放大部12也可以构成为与传感器设备的测量信号的放大对象的频带对应的低通滤波器，或者构成为高通滤波器或带通滤波器。
另外，在放大部12中，由于使用运算放大器121构成放大电路，因此能够简单地设计电阻、电容器等的常数，并且由于与双极晶体管相比制造波动较低，因此与现有例相比，针对测量信号而放大率较高，并且由于能够提高PSRR，因此能够容易地实现使所传输的声音信号的音质提高的电路结构。
另外，在放大部12中，在不对频带有所限定的用途的情况下，也可以省略电容器123。
另外，在偏置电源生成部13中，运算放大器131与双极晶体管相比增益较高，且通过第1低通滤波器11将叠加于电源配线L3的声音信号去除，因此与图6所示的信号传输电路中的偏置电源生成部相比，能够提高PSRR。
另外，针对ECM 2，偏置电压经由第2低通滤波器15进行供给，因此能够通过抑制偏置电压的变动而使灵敏度提高，以使得实现更微小的声压的取得。
如上所述，根据本实施方式的第1低通滤波器11、放大部12、偏置电源生成部13以及第2低通滤波器15各自的结构，能够简单地提供与图6所示的信号传输电路相比可提高PSRR、增强信号的传输品质的信号传输电路。
在按照规定的电路常数进行了最优化的情况下，在本实施方式中的信号传输电路1的SPICE模拟中，通过适当地对放大部12的电路常数进行调整，从而能够在声音的不同使用用途的频带中的、例如100Hz至10kHz的频率范围或者20Hz至1kHz的频率范围内，实现信号传输所需的50dB以上的PSRR。
在现有例中进行了记载，在汽车的车内，在利用ECM等对车内的噪音或驾驶员的声音等进行测量时等，需要通过2根配线进行信号传输及电源供给。
因此，根据本实施方式，通过与现有例相比使PSRR提高的信号传输电路，利用2根配线进行信号传输，因此能够使由温度引起的波动减少，能够高精度地进行车内的噪音或驾驶员的声音等的取得。
<第2实施方式>
下面，参照附图，对本发明的第2实施方式涉及的信号传输电路进行说明。图2是表示本发明的第2实施方式涉及的信号传输电路的电路例的图。
在图2中，信号传输电路1A具有第1低通滤波器11、放大部12、偏置电源生成部13A、基准电压生成部14、第2低通滤波器15、第1隔直电容器C1以及第2隔直电容器C2。
在信号传输电路1A中，设置偏置电源生成部13A以代替第1实施方式中的偏置电源生成部13，这一点不同于第1实施方式。下面，仅对与第1实施方式不同的点进行说明。
偏置电源生成部13A具有运算放大器131及带隙基准部132。带隙基准部132是利用了晶体管的pn结的温度特性(在正向偏置时具有负温度系数)的基准电压生成电路，为了实现对温度变化及电源电压的变动的影响进行抑制的结构，将稳定的基准电压向运算放大器131的非反相输入端子(+)供给。
如上所述，第2实施方式的偏置电源生成部13A由于带隙基准部132而不受温度、电源配线L3中的电源信号的变动的影响地生成基准电压。因此，运算放大器131不受温度、电源配线L3中的电源信号的变动的影响，能够将稳定的电压值的偏置电压向ECM 2供给。因此，能够提高ECM 2取得的传声器信号的灵敏度，与第1实施方式中的信号传输电路1相比能够提高信号传输电路1A的PSRR。
另外，在本实施方式中，分别利用运算放大器131及带隙基准部132而构成偏置电源生成部13A，但也可以使用LDO(low dropout regulator，低压差稳压器)构成。对于信号传输电路1A，通过采用LDO而作为偏置电源生成部，从而能够进一步简化信号传输电路1A的电路结构。
<接收侧的输入电路>
对上述第1实施方式及第2本实施方式中的信号传输电路的接收侧的输入电路的一个例子进行说明。图3是表示第1实施方式及第2本实施方式中的信号传输电路的接收侧的输入电路的一个例子的电路图。
在下面，使用图3所示的输入电路3说明对从第1实施方式中的信号传输电路1输出的测量信号进行接收的装置的输入电路的结构。
端子T11经由共通信号线(未图示)与信号传输电路1的端子T1连接，端子T12经由接地信号线(未图示)与信号传输电路1的端子T2连接。
在图3中，输入电路3具有电阻31、32、34以及35、电容器33、36、37、差动放大器38。
电容器36为隔直电容器，一端经由配线L31而与端子T11连接，另一端与差动放大器38的第1输入端子38_1连接。
电容器37为隔直电容器，一端经由配线L32而与端子T12连接，另一端与差动放大器38的第2输入端子38_2连接。
配线L31经由串联连接的电阻32及31而与接收侧的装置的电源线LV连接。
配线L32经由串联连接的电阻35及34而与接收侧的装置的接地线LG连接。
另外，电容器33插入于电阻32及31的连接点与电阻35及32的连接点之间。
电容器33及电阻32分别构成为了使得在从端子T11向配线L31供给的电源信号叠加的声音信号不对电源线LV造成影响的低通滤波器。
另外，同样地，电容器33及电阻35分别构成为了使得在从端子T12向配线L32供给的接地信号叠加的声音信号不对接地线LG造成影响的低通滤波器。
通过与上述的电源线LV及接地线各自对应的低通滤波器，能够抑制叠加于电源信号从信号传输电路1向输入电路3传输的声音信号对接收侧的电源及接地的影响。
由此，输入电路3能够针对用于使差动放大器38驱动的电源线LV及接地线LG而去除作为噪声的声音信号，使差动放大器38的灵敏度提高，不使由电源的变动引起的失真叠加于差动放大信号，能够实现高精度的声音的播放。
上述的输入电路是针对第1实施方式的信号传输电路1(或者第2实施方式的信号传输电路1A)的一个例子，可以使用任意结构的输入电路。
至此为止，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式仅为一个例子，本发明不限定于上述的实施方式，当然也可以在其技术性思想的范围内以各种不同的方式进行实施。
另外，本发明的范围不限定于图示而记载的例示性的实施方式，也包含实现与本发明的目的等同的效果的所有实施方式。并且，本发明的范围不限定于根据各权利要求描述的发明的特征的组合，包含有在所有的公开的各个特征中的特定特征的所有期望的组合。

Claims (7)

1.一种信号传输电路，其具有：
共通配线，其进行电源的供给和信号传输；
信号放大单元，其具有第1运算放大器，该第1运算放大器将使用所述电源进行了放大处理的测量信号向所述共通配线输出；
偏置电源生成单元，其基于所述电源而使用第2运算放大器生成在从传感器设备取得所述测量信号时使用的偏置电源；
第1低通滤波器，其设置于所述共通配线与所述第1运算放大器及所述第2运算放大器各自的电源端子之间；以及
接地配线，其与所述信号放大单元及偏置电源生成单元各自的接地端子连接。
2.根据权利要求1所述的信号传输电路，其中，
所述第1运算放大器的输出端子经由隔直电容器而与所述共通配线连接。
3.根据权利要求1或2所述的信号传输电路，其中，
所述第1低通滤波器的截止频率设定为将所述测量信号去除的频率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的信号传输电路，其中，
具有第2低通滤波器，该第2低通滤波器设置于对所述偏置电源进行供给的所述第2运算放大器的输出端子与所述传感器设备的电源端子之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的信号传输电路，其中，
通过带隙电路对所述第2运算放大器供给用于对所述偏置电源的电压进行设定的基准电压。
6.根据权利要求5所述的信号传输电路，其中，
所述偏置电源生成单元为LDO即低压差稳压器。
7.一种信号传输方法，其中，
利用共通配线供给电源，且对信号进行传输，
信号放大单元将使用所述电源由第1运算放大器进行了放大处理的测量信号向所述共通配线输出，
偏置电源生成单元基于所述电源而使用第2运算放大器生成在从传感器设备取得所述测量信号时使用的偏置电源，
第1低通滤波器设置于所述共通配线与所述第1运算放大器及所述第2运算放大器各自的电源端子之间，将所述电源平滑化，
将所述信号放大单元及偏置电源生成单元各自的接地端子与接地配线连接。
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