JP2001505747A - マイクロホンのための電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、マイクロホンからの信号を増幅するための回路に関するものであり、電源と、エレクトレットマイクロホンなどのマイクロホンに電気エネルギをパルスの形式で供給する電流発生器とを含む。この回路はマイクロホンへの電力供給を活性パルス時間ｔ１でクロックし、サンプリング回路は、マイクロホン信号を、あるウィンドウ内において、供給パルスの活性部分の後部側面から計算される持続期間ｔ２で読取り、それにより、ｔ１はサンプリング周波数１／Ｔに対応する時間期間Ｔよりも短く、およびそれによりｔ１はマイクロホン電流が利用可能な値に達することができる十分な長さを有し、およびそれによりｔ２はｔ１よりも短くなり得る。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロホンのための電源 この発明は、請求項１のプリアンブルに規定されるように、マイクロホンから の信号の増幅、アナログ信号処理およびＡ／Ｄ変換のための回路に関する。 マイクロホンおよび音声技術では、Ｄ／Ａ変換およびマイクロホン増幅を１つ のユニット内に統合し、それによってサンプリング点をマイクロホンに可能な限 り近くなるよう移動し、それによって、長い信号経路で生じ得る信号歪み、ノイ ズおよびハムを低減することは周知である。ノイズパルスを低減するのに、特許 出願ＧＢ−Ａ−２ ２９３ ７４０から、同じ回路板上に、Ａ／Ｄ変換器と、そ のＡ／Ｄ変換器におけるサンプリング周波数から導き出される周波数でパルス変 調とともに動作するマイクロホン電源とを形成することが知られている。この特 許出願は請求項１の２部形式に対する基礎をなすものである。 通信、映像および音響測定における幅広い携帯製品、ならびに聴覚補助および 他のマイクロエレクトロニクスでは、装備の重量および物理的寸法は、その装備 の適用および市場性において重要である。 電力消費は、典型的には、関連のバッテリ技術とともに、その携帯装備のまさ に重量および物理的寸法に対し決定力を有する重要な要因に属する。したがって 、数多くの関係において、可能な限り電力消費を低減するよう努力することは重 要なことである。 能動マイクロホン、たとえばエレクトレットマイクロホンなどの場合、これら は、通常、１００〜６００μＡの大きさの定電流を供給される。上述の適用例で は、これは高い電流消費をなす。したがって、この発明の主要な目的は電流消費 を低減することにある。 これは、請求項１に定義される発明によって達成される。 請求項２から請求項４に定義される発明に従うと、非常に低減された電流消費 が達成される。これは、マイクロホン電流が利用可能な値に達するほど短い持続 時間の電流パルスがマイクロホン結合に与えられることによる。そのような結合 における電流消費は、典型的には、デューティサイクルにつきわずか０．０１〜 ０．０３μＡである。 請求項５に規定される発明に従うと、特に有利な結合が達成される。これは、 マイクロホンと増幅器とを１つのユニットにおいて結合することにより高い信号 ／ノイズ比を可能にすることによるものである。 図面を参照して、この発明を以下により詳細に記載する。 図１は、この回路の原理図を示し、 図２は、この発明の例示的実施例を示し、 図３は、この発明に従う回路に対する信号シーケンスを示す。 原理図である図１に示されるのは、たとえば、約１５ｋＨｚの上限周波数を有 し得るエレクトレットマイクロホンである。この上限周波数は、高品質のマイク ロホンが用いられる場合には、可聴範囲の最大限周波数にさらに近くなり得る。 このマイクロホンは、たとえば、発泡材料からなる薄い層のような、薄い保護ネ ットによって保護され得るが、これは、しかしながら、マイクロホン膜の上限周 波数を低減してしまうものである。 エレクトレットマイクロホン上の膜は、そのマイクロホンがさらされる音響信 号によって変化する可変キャパシタを含む。このエレクトレットマイクロホンの 製造では、数年間変わらないままであり得る永久電荷がその膜に与えられる。エ レクトレットマイクロホンに対する等価な図は、したがって、可変キャパシタと 直列であるバッテリとして考えられ得る。 原理図である図１では、マイクロホンユニットＭＣＵは、そのようなエレクト レットマイクロホンと、トランジスタＴＭＩＣとを含み、それは、膜に物理的に 接近して配されかつその膜の端子に接続される。トランジスタＴＭＩＣは、有利 なことに、そのタイプのトランジスタの理想的な無限にに高い入力インピーダン スのゆえに、Ｊ−ＦＥＴトランジスタであり得る。高い出力インピーダンスを伴 う信号源からの小さな信号が、これによって、さらなる信号処理に向けて増幅さ れ得る。 膜の動きの調整のために、この発明に従うと、マイクロホン内のトランジスタ ＴＭＩＣおよび後の信号処理に対して電気エネルギを供給するための電圧発生器 およびおそらくは電流発生器が開示される。図１は、定電流発生器と並列に接続 される非理想インピーダンスと等価である電圧発生器および電流発生器を示す。 上述の発生器の目的は、トランジスタＴＭＩＣの最適動作仕様に従って選択さ れる一定の動作電流をそのトランジスタに与えることである。 所与の時間に対する膜の偏りは、ある電圧をマイクロホン膜の端子にかけ、こ の結果、膜の偏りに比例する電流がトランジスタＴＭＩＣを通過する。 一定の動作電流はしたがって音響的に派生した信号によって変調され、ＴＭＩ Ｃを通過する電流はその一定の動作電流付近で変動する。この一定の動作電流が 、この発明によって低減されることが所望されるものである。 費用の点から、上述の結合における電流発生器をなくしてもよいが、この代替 例では信号／ノイズ比がより低くなり、なぜならば、トランジスタが理想的な条 件下で動作しないからである。 この発明に従うと、トランジスタＴＭＩＣは、デジタル制御回路ＣＴＵにより 信号ＭＩＣ．ＰＷＲを介して制御される電気スイッチＭ１を通して電流が与えら れる。このスイッチＭ１は周期的間隔Ｔで開閉されかつ時間ｔ１の間活性状態と なる。 マイクロホンからの電圧Ｕ_micは電気スイッチＭ２を介してサンプリングキャ パシタＣ５に供給される。電気スイッチＭ２は時間ｔ２の間活性状態となり制御 ユニットＣＴＵからの信号ＭＩＣ．ＳＭＰＬによって制御される。この信号は、 Ｍ１およびＭ２と同期してサンプリング周波数１／Ｔで動作する後のサンプリン グ回路（図示せず）によってデジタル値に変換される。 このサンプリング周波数またはナイキスト周波数は、音声信号の所望の上限周 波数の少なくとも２倍になるよう、通常の態様にて選択され得る。さらに、サン プリングは、サンプリング処理からのより高い高調波の寄与のフィルタ処理の悪 影響を低減するよう、従来の態様にて、オーバサンプリングで行なわれ得る。 さらに、このサンプリング処理は、類推によって動作する回路によっても行な われることが可能である。 信号ＭＩＣ．ＰＷＲおよびＭＩＣ．ＳＭＰＬの時間シーケンスを図３に示す。 時間ｔ１では、Ｍ１が電流をトランジスタＴＭＩＣに伝導するが、この時間は 、時間期間Ｔよりもかなり短いものであり、Ｕ_micが利用可能な値に達するよう に十分な長さを有するよう選択される。マイクロホン増幅器は、したがって、サ ンプ リング時間Ｔと比べて見た場合に相対的に短いパルスを与えられる。 時間ｔ１内にて、マイクロホンからの出力信号は、時間ｔ内の変動に比して見 た場合おおよそ一定であり、すぐ前のサンプルよりも高いまたは低いある値であ る。この信号変化は、ここで、トランジスタＴＭＩＣを通過する電流に変化を生 じさせる。 実際にはマイクロホン／トランジスタ結合ＭＩＣ／ＴＭＩＣは端子にわたる寄 生容量を含むため、トランジスタを通過する電流は、これらの容量が帯電および 放電され得る速度よりも高速には上昇し得ない。Ｕ_micは、したがって、すぐ前 のサンプル対する所与の膜の偏りの変化に比例する値の方向に漸近的に収束する 帯電または放電シーケンスに従う。 Ｕ_micの典型的なシーケンスをしたがって図３に示す。 図３において破線で示される信号Ｕ_mic'の大きさはしたがって所与の時間に対 する音声信号の振幅に依存する。 サンプリング回路はＵ_micを時間ｔ１内においてできるだけ遅く読む。これは 、Ｕ_micがｔ１の終りにおいて最もよい信号／ノイズ比を有するからである。Ｕ_{s mpl} は、したがって、Ｍ１によって制御される供給パルスｔ１の活性部分の後部 側面から見て或るウィンドウにおいて持続期間ｔ２で活性状態である。この時間 ｔ２はｔ１よりも短く、Ｃ５が帯電される速度に依存して、ｔ１よりもかなり短 くなるよう選択され得る。 Ｕ_micは時間ｔ２内においてはおおよそ一定であると考えられ得、時間ｔ２に おけるサンプリングキャパシタＣ５の帯電はＲが５００Ω〜５ＫΩで変動し得る ＲＣ回路と近似し得、なぜならば、電気スイッチＭ２の抵抗は微々たるものだか らである。ｔ２の間に当てはまる時定数に対する典型的な値は、Ｃ５が１００ｐ Ｆの場合、０．０５〜０．５μｓとなる。 サンプリングキャパシタＣ５は、したがって、ｔ２中に、前のサンプル値から 、所与の時間でマイクロホン膜にかかる電圧に漸近的に近づくレベル方向に当て はまる上述の時定数で帯電または放電される。この電圧Ｕ_smpl'を図３に示す。 ｔ１が実際にはどのように短く設定され得るかは、信号／ノイズ比がＵ_mic'に 関してどのように低く受入れられ得るかに依存し、それは、何にもまして、マイ クロホントランジスタＴＭＩＣにて生ずる寄生容量に従って、ならびにサンプリ ング処理の正確さおよび一般的なその使用に従って選択されなければならない。 実際には、時定数（２ＲＣはｅｘｐ（−２ＲＣ／ＲＣ）＝０．８６を与える）の ２倍に対応するサンプリングパルス（Ｍ２）が既にｔ１−ｔ２で開始することに よって利用可能な値が与えられることがわかっている。ｔ１の典型的な値は０． ２〜３．０μｓにあり得る。 たとえば、２０ｋＨｚまでの音声信号を転送することが所望され、かつ４４ｋ Ｈｚのサンプリング周波数が用いられる場合（Ｔ＝２３μｓ）、ｔ１およびｔ２ の上述した低い値によって電流がかなり節約される。 音声信号はたとえば１０ｋＨｚ（Ｔ＝１００μｓ）のサンプリング周波数によ って受入れ可能な結果とともに転送され得、この場合にはパルス動作するマイク ロホン回路に対しては電流がさらに大きく節約される。 図２に示されるのは例示的な実施例であり、ここでは、図１の電流発生器が演 算増幅器ＯＰ１を伴って構成され、それによって信号Ｕ_smplが電気スイッチＭ１ を介してトランジスタＴ１のベースに送られ、それが次いでマイクロホンユニッ トＭＣＵ（図２には示されず）に対して供給を行ない、それによって電流が端子 ＭＩＣ．ＩＮＤに結合される。 この演算増幅器は抵抗器Ｒ４、Ｒ５およびＲ６ならびにキャパシタＣ３に接続 され、これによって、ＯＰ１から考えられ得るノイズが除去される。 トランジスタＴ１は抵抗器ネットワークＲ１およびＲ２によってバイアスされ る。 サンプリング回路にさらに伝導される１／２サンプリング周波数を越える周波 数寄与成分が発生するのを回避するため、マイクロホンユニットからの出力はＣ １で示されるキャパシタを介して減衰され得る。 マイクロホンＵ_micからの信号は、実際には小さな寄生容量に接続される電気 スイッチＭ２を通して順方向にサンプリングキャパシタＣ５に送られ、それを通 して、後段のＡ／Ｄ変換器回路が、リミッタ回路に結合され得る。 Ｍ１およびＭ２は、信号Ｍｉｃ_pwrおよびＭｉｃ_smplを介し制御回路ＣＴＵで 制御されることにより、上述したように、およびサンプリング回路ＳＭＰＬと同 期 して動作する。 図２の結合の目的は、マイクロホンを通過する電流を調整または適応させ、そ れによって、Ｃ５にかかる電圧に対する好適な平均値を得ることである。マイク ロホン内のＴＭＩＣが最適化された動作点で動作するよう、Ｃ５にかかる電圧は 調整可能なレベルＶ_bias'に従って制御される。 この発明は、当然のことながら、例示の実施例に記載されるエレクトレットマ イクロホンにのみ限定されるわけではない。この発明は、たとえば、外部電源を 伴うキャパシタマイクロホンおよび圧電感度半導体マイクロホンといった、他の タイプの能動マイクロホンに対しても有利に用いられ得る。同様に、他のタイプ の半導体構成要素も、Ｊ−ＦＥＴトランジスタの代わりに用いられ得る。 リミッタ回路は、信号経路内において、サンプリング回路の前に挿入され得る 。この発明に従うと、これらの回路要素は、サンプリングされる態様で同様に動 作し得、したがって電流消費をさらに低減し得る。 図２における回路に対する構成要素リスト： Ｒ１ ４７０ Ω Ｒ２ ３３０ Ω Ｒ４ １５ ＫΩ Ｒ５ １ ＭΩ Ｒ６ ４７ ＫΩ Ｃ１ １０ ｐＦ Ｃ３ １０ ｐＦ Ｃ５ １００ ｐＦ Ｔ１ ＢＳＲ ２０ Ａ − ＢＦ ４１１ Ｍ１ ＩＣ １０１ Ａ − ＨＣ ４０６６ Ｍ２ ＩＣ １０１ Ｂ − ＨＣ ４０６６ Ｏｐ１ ＩＣ １０２ Ｂ − ＨＣ ４０６６

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年１月１８日（１９９９．１．１８） 【補正内容】 請求の範囲 １．マイクロホンユニット（ＭＣＵ）からの信号を増幅するための回路であって 、 前記マイクロホンユニット（ＭＣＵ）に電気エネルギをパルスの形式で与える 電源（ＳＰＬ）と、 マイクロホン信号を変換するためのサンプリング回路とを含み、サンプリング は１／Ｔのサンプリング周波数で行なわれ、前記マイクロホンユニット（ＭＣＵ ）からの信号を増幅するための回路は、 前記電源（ＳＰＬ）によってエネルギが前記マイクロホンユニット（ＭＣＵ） にパルスの形式にて活性パルス時間ｔ１で転送され、 前記サンプリング回路によって、前記マイクロホン信号が、あるウィンドウ内 において、供給パルスの活性部分の後部側面から計算される持続期間ｔ２で読取 られ、 ｔ１は、前記サンプリング周波数１／Ｔに対応する時間期間Ｔよりも短く、 ｔ２はｔ１よりも短いことを特徴とする、マイクロホンユニット（ＭＣＵ）か らの信号を増幅するための回路。 ２．ｔ１は前記時間期間Ｔよりも少なくとも１０倍短いことを特徴とする、請求 項１に記載のマイクロホンユニットからの信号を増幅するための回路。 ３．ｔ２はｔ１よりも少なくとも１０倍短いことを特徴とする、請求項１に記載 のマイクロホンからの信号を増幅するための回路。 ４．ｔ１は約０．２から３．０μｓであり、 ｔ２は約０．０５から０．５μｓであることを特徴とする、請求項１に記載の 回路。 ５．前記マイクロホンユニット（ＭＣＵ）は、マイクロホン（ＭＩＣ）と、トラ ンジスタ（ＴＭＩＣ）とを含み、その一方端子は前記マイクロホン（ＭＩＣ）に 直接接続されかつ接近して配され、それによって、前記トランジスタ（ＴＭＩＣ ）は、前記時間ｔ１の間前記電源（ＳＰＬ）からの電流を接続する第１のスイッ チ（Ｍ１）を介して電流を供給され、および、それによって、前記トランジスタ （ＴＭＩＣ）にて増幅された出力信号は、前記時間ｔ２の間閉じられる第２のス イッチ（Ｍ２）によって後のサンプリング回路に転送され、および、それによ って、前記スイッチ（Ｍ１、Ｍ２）は制御ユニット（ＣＴＵ）によって制御され る、請求項１に記載のマイクロホンからの信号を増幅するための回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＴＪ， ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ギュスターフソーン，ビョールエ スウェーデン、エス―662 96 スバーン スコーグ、ストールスビュン、30

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロホンユニット（ＭＣＵ）からの信号を増幅するための回路であって 、 前記マイクロホンユニット（ＭＣＵ）に電気エネルギをパルスの形式で与える 電源（ＳＰＬ）と、 マイクロホン信号を変換するためのサンプリング回路とを含み、サンプリング は１／Ｔのサンプリング周波数で行なわれ、前記マイクロポンユニット（ＭＣＵ ）からの信号を増幅するための回路は、 前記電源（ＳＰＬ）によってエネルギが前記マイクロホンユニット（ＭＣＵ） にパルスの形式にて活性パルス時間ｔ１で転送され、 前記サンプリング回路によって、前記マイクロホン信号が、あるウィンドウ内 において、供給パルスの活性部分の後部側面から計算される持続期間ｔ２で読取 られ、 ｔ１は、前記サンプリング周波数１／Ｔに対応する時間期間Ｔよりも短く、 ｔ２はｔ１よりも短いことを特徴とする、マイクロホンユニット（ＭＣＵ）か らの信号を増幅するための回路。 ２．ｔ１は前記時間期間Ｔよりも少なくとも１０倍短いことを特徴とする、請求 項１に記載のマイクロホンユニットからの信号を増幅するための回路。 ３．ｔ２はｔ１よりも少なくとも１０倍短いことを特徴とする、請求項１に記載 のマイクロホンからの信号を増幅するための回路。 ４．ｔ１は約０．２から３．０μｓであり、 ｔ２は約０．０５から０．５μｓであることを特徴とする、先行する請求項の １つに記載の回路。 ５．前記マイクロホンユニット（ＭＣＵ）は、マイクロホン（ＭＩＣ）と、トラ ンジスタ（ＴＭＩＣ）とを含み、その一方端子は前記マイクロホン（ＭＩＣ）に 直接接続されかつ接近して配され、それによって、前記トランジスタ（ＴＭＩＣ ）は、前記時間ｔ１の間前記電源（ＳＰＬ）からの電流を接続する第１のスイッ チ（Ｍ１）を介して電流を供給され、および、それによって、前記トランジスタ （ＴＭＩＣ）にて増幅された出力信号は、前記時間ｔ２の間閉じられる第２のス イッチ（Ｍ２）によって後のサンプリング回路に転送され、および、それによ って、前記スイッチ（Ｍ１、Ｍ２）は制御ユニット（ＣＴＵ）によって制御され る、請求項１〜請求項４に記載のマイクロホンからの信号を増幅するための回路 。