JP2004527169A - 増幅器回路 - Google Patents

Abstract

高インピーダンスの一般にコンデンサマイクロフォン・カプセルのような容量性の信号源において、高抵抗非反転入力を持つ実際の増幅器に加え、これに信号を供給し、動作点を決定する手段を含む増幅器が使用される。信号源及び増幅器の動作点を設定すべく別々のバイアス電圧源が設けられる。バイアス電圧源は結合インピーダンスを介し信号源及び増幅器の非反転入力に結合される。信号源と増幅器の非反転入力の間の信号路中に少なくとも１つの結合キャパシタが配置される。この型の増幅器において、非常に大きいアイドリング時間の欠点なく大きいノイズ利得を得るため、非線形抵抗（D1,D2orD3,D4）とこれらと直列接続された抵抗（R3orR4）とで形成された結合インピーダンスが設けられる。増幅器（IC1）の出力信号（S2）又はこの出力信号から導出した信号が第２又は第３のキャパシタ（C3orC4）を経てその結合インピーダンス（D1,D2,R3orD3,D4,R4）に帰還される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前半部分に記載した増幅器回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高抵抗増幅器の入力における動作点の設定および容量性信号源に対するバイアス電圧の供給（結合）には高オーミック抵抗が使用される。図１は従来技術による対応する回路構成を示している。同図で、Ｃ１はコンデンサ−マイクロフォン・カプセルの形式の５０ｐＦの容量性信号源を表わし、これは３ギガオーム（ＧＯｈｍ）の高オーミック抵抗Ｒ１を介して+６０Ｖの直流（ＤＣ）電源Ｖｂｉａｓ１に結合されている。容量性信号源Ｃ１の有効（有用）信号Ｓ１は例えばオーディオ信号で、この信号は１ｎＦの直列結合容量Ｃ２（この容量Ｃ２は動作点電圧を分離（減結合）するために信号路中に挿入されている）を経て増幅器ＩＣ１の高抵抗の非反転入力（＋）に供給される。増幅器ＩＣ１の出力信号Ｓ２は負帰還形態で該増幅器ＩＣ１の反転入力（−）に帰還される。信号電圧に関して云えば、Ｖ＝１の増幅度（増幅率）が得られ、低い信号源インピーダンスをもった出力信号Ｓ２が使用可能になる。この出力信号は、電圧および位相に関して信号Ｓ１と同じ有効信号情報をもっている（搬送する）。３ギガオーム（ＧＯｈｍ）の高オーミック抵抗Ｒ２を介して増幅器ＩＣ１の非反転入力（＋）に結合された+５Ｖのバイアス電圧源Ｖｂｉａｓ２が設けられており、増幅器ＩＣ１の動作点を設定する。
【０００３】
【０００４】
理論的に必要な結合抵抗Ｒ１、Ｒ２の最小値は、伝送されるべき有効信号Ｓ１の所望の下限周波数を設定する。例えば、下限周波数が２０Ｈｚ、信号源の容量が２０ｐＦであれば、結合抵抗Ｒ１、Ｒ２（これらの抵抗の並列接続は信号源Ｃ１の負荷として作用する）の値は１６０メグオーム（ＭＯｈｍ）になる。このタイプの抵抗値は非常に高いノイズ電圧を発生するが、このノイズ電圧は、分圧比に対応する２つの結合抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる並列回路の抵抗値と容量性信号源のインピーダンスの値との比に低減される。また、この場合、抵抗Ｒ１、Ｒ２からなる並列回路の抵抗値が特定の係数（倍数）だけ増大すると、ノイズ電圧はこの係数だけ減少する。これに対して並列抵抗Ｒ１、Ｒ２中で発生するノイズ電圧は周知の物理法則に従って上記の係数の平方根だけ増大する。この計算に関しては、このことは抵抗値を２倍にする毎に３ｄＢのノイズ利得（ゲイン）が得られることを意味する。
【０００５】
残念ながらこの抵抗値の増加には大きな欠点を伴なう。即ち、動作電圧Ｖｂｉａｓ１およびＶｂｉａｓ２のスイッチング（装置のスイッチ−オン）からの経過時間、または信号源容量および必要な結合容量Ｃ２を充電するために容量性信号源Ｃ１にバイアス電圧Ｖｂｉａｓ１を切換える（供給する）時間も直線的に増大する。一般には１乃至３ギガオーム（ＧＨｈｍ）の抵抗値が使用される。通常のマイクロフォンでは、充電時間すなわちアイドリング時間は１０乃至１５秒の範囲にあり、アナログ−デジタル変換器をもったマイクロフォンでは、動作点の要求が増大することにより３０秒より長い時間になる可能性がある。それにもかかわらず、ノイズ利得の目的から（を考慮して）抵抗値をさらに大きくすることが望ましい。その理由は、約１０乃至２０ギガオーム（ＧＯｈｍ）までは他のノイズ源による充分な優勢状態（weitgehende Ueberdeckung、隠蔽）は生じないからである。さらに、Ｒ１、Ｒ２の抵抗値が増加した場合、しばしば存在する不可避の漏洩電流が増大するために、実際には供給された動作点電圧が信号源Ｃ１または増幅器ＩＣ１の非反転入力（＋）において次第に不正確になるということが予測される。
【０００６】
【０００７】
【発明の開示】
【０００８】
本発明の目的は、アイドリング時間が非常に長くなり、また漏洩電流の影響が過大になるという欠点を伴うことなく、初めに述べたような形式の増幅器回路においてかなりのノイズ利得を得ることにある。
【０００９】
本発明によれば、この目的は請求項１の特徴部分に記載の構成によって達成される。
【００１０】
請求項１による増幅器回路の好ましい実施形態および変形例は従属請求項に記載されている。
【００１１】
本発明は、結合抵抗Ｒ１、Ｒ２を、非線形抵抗と高オーミック結合抵抗の直列接続からなる回路網と置換するという考え方に基づくものである。信号源容量と結合容量Ｃ２の充電時間を決定する結合抵抗は比較的（相対的に）小さな値とすることができる。その理由は、非線形抵抗は充電期間中は低インピーダンスをもった導電性であり、信号源容量および結合容量の充電後はその抵抗値は自動的にノイズ特性を改善するのに必要な高い抵抗値を呈することによる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を図２乃至図５を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図２に示す基本的な回路図では、図１に示す従来技術と比較して結合抵抗Ｒ１がダイオードＤ１の形式の非線形抵抗と高オーミック抵抗Ｒ３の直列接続に置換されている。この手段を採用すると、抵抗Ｒ３と直列に接続された非線形電流−電圧特性をもった構成素子Ｄ１を介してバイアス電圧Ｖｂｉａｓ１が供給される。キャパシタＣ１およびＣ２が充電または再充電された後は実質的に電流は流れず、ダイオードＤ１の２つの端子の間には電圧は存在せず、そのダイオードＤ１は遮断状態になっている。このため、ダイオードＤ１で発生するノイズ電圧は、非常に小さくなり、回路全体の避けることのできない小さな漏洩電流に基づくものである。これに対して、キャパシタＣ１、Ｃ２の充電期間中はダイオードＤ１は導通状態になり、充電（負荷）電流と充電時間は、図１による結合抵抗Ｒ１の３００分の１と小さく、僅か１０メグオーム（ＭＯｈｍ）の抵抗値をもった直列に接続されたオーミック抵抗Ｒ３によって決定される。
【００１４】
他の如何なる手段も使用することなく、ダイオードＤ１は、このダイオードＤ１の電流−電圧特性が導通範囲内にあることにより、供給されたＡＣ（交流）電圧の有効信号Ｓ１によって導通状態にされる。このことは、容量性信号源Ｃ１が非常に高いインピーダンスをもっていることにより、この容量性信号源Ｃ１の好ましくない非線形負荷を生じさせる。また、ダイオードＤ１は結合抵抗中に発生したノイズ電圧を少なくとも部分的に伝送するにすぎない。
【００１５】
これらの好ましくない影響を完全に防止するために、増幅器ＩＣ１（この信号増幅率はＶ＝１に設定されている）の出力からのインピーダンス変換された有効信号Ｓ２をダイオードＤ１と抵抗Ｒ３の間の接続点に帰還するキャパシタＣ３が設けられている。この帰還の重要な点は、有効信号Ｓ２の位相と値はダイオードＤ１の両端子において同じであり、それによってダイオードＤ１は有効信号Ｓ２の振幅には全く関係なく永久的に電位差が０、即ち永久的に遮断状態に保たれていることである。このことにより、信号源Ｃ１に対する動作電圧源Ｖｂｉａｓ１のインピーダンス（抵抗）が極めて高くなり、供給されるノイズは極めて低くなる。一方、ダイオードＤ１は、キャパシタＣ１、Ｃ２が再充電されると導通状態になる。充電時間は時定数Ｒ３/Ｃ２のみによって決定され、この値は図１に示す従来技術に比して非常に小さくなる。時定数Ｒ３／Ｃ２の大きさは、前述の有効信号Ｓ２の帰還がなお充分に有効である所望の下限周波数に依存する。伝送されるべき最低有効周波数（オーディオ信号の場合、一般に２０Ｈｚ）の例えば１０分の１の選択された下限周波数は制限なしにこの条件を満たす。さらに、キャパシタＣ３は、結合抵抗によって発生されたノイズ電圧が増幅器ＩＣ１の出力に対して短絡されるように作用し、従ってもはや不都合な現象は現われない。
【００１６】
実際には動作期間中に、例えばマイクロフォン・カプセルの感度または方向特性を変更するために信号源Ｃ１のバイアス電圧Ｖｂｉａｓが変化する可能性がある。この点に関して、ここで述べた動作メカニズムは、バイアス電圧Ｖｂｉａｓ１がスイッチ・オンされた後キャパシタＣ１、Ｃ２を充電することに関して重要であるのみならず、より小さなバイアス電圧Ｖｂｉａｓ１または負であることもあるバイアス電圧Ｖｂｉａｓ１が設定されるべきときに放電を加速させるために重要である。この場合、図３に示すように、他のダイオードＤ２がダイオードＤ１と逆並列接続され、それによって上述の充電過程はバイポーラ（両極性）形式で行なわれるようになる。
【００１７】
図２および図３で説明した本発明の構成は、増幅器またはインピーダンス変換器ＩＣ１の動作点を設定するためにも使用することができる。このためには、図４に示すように、図１に関連する結合抵抗Ｒ２の代わりに構成素子Ｒ４、Ｃ４、Ｄ３およびＤ４からなる回路網が使用される。この回路網も、同様に、２つの逆並列接続されたダイオードＤ３、Ｄ４とこれらと直列関係に配置されたオーミック結合抵抗Ｒ４との直列接続と、さらに有効信号Ｓ２を抵抗Ｒ４とダイオードＤ３、Ｄ４の間の接続点に帰還するための結合キャパシタＣ４と、を含んでいる。図３に関して説明した動作メカニズムは増幅器ＩＣ１の動作メカニズムに対しても同様に有効である。
【００１８】
増幅器ＩＣ１の有効信号増幅率が１より大きい場合には、図５による実施例を使用する必要がある。ここで、負帰還の形態で増幅器ＩＣ１の反転入力（−）に帰還された出力信号Ｓ２はオーミック抵抗Ｒ５、Ｒ６よりなる抵抗分圧器によって分圧される。例えば、１０：１の分圧比を用いた場合は、信号増幅率はＶ＝１０になる。その理由は、（増幅器ＩＣ１の非反転入力（＋）における有効信号Ｓ１に比して）大きさ（値）および位相が同じ信号Ｓ３が常に増幅器ＩＣ１の反転入力（−）に現われるからである。図５による典型例の実施形態では、信号をキャパシタＣ３およびＣ４の接続点（ベース）に帰還するためには、帰還信号として出力信号Ｓ２ではなく、その出力信号から導出（取出）された信号すなわち分圧比Ｒ５／Ｒ６で分圧された信号Ｓ３が使用される。
【００１９】
もちろん、非線形電圧−電流特性をもった構成素子としては、ダイオードＤ１乃至Ｄ４の代わりにＬＥＤ、ツエナ・ダイオード等を使用することもできる。
【００２０】
実際には本発明に従って実施された増幅器回路は、ノイズ信号を測定するための選択された評価曲線に基づいて２乃至１０ｄＢ改善された信号対ノイズ比を得るために使用される。同時に不所望な充電および放電時間は１秒未満に短縮される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は従来技術による対応する回路構成を示している。
【図２】図２は本発明による増幅器回路の基本電気回路図である。
【図３】図３は本発明による増幅器回路の他の基本電気回路図である。
【図４】図４は本発明による増幅器回路の好ましい実施例の基本電気回路図である。
【図５】図５は本発明による増幅器回路の他の好ましい実施例の基本電気回路図である。

Claims (6)

1. 容量性信号源、特にコンデンサ−マイクロフォン・カプセルと、
   高抵抗の非反転入力を有する後段の増幅器と、
   信号源の動作点を決定するために該信号源を第１のバイアス電圧源に結合するための第１の結合インピーダンスと、
   上記増幅器の動作点を決定するために上記増幅器の非反転入力を第２のバイアス電圧源に結合するための第２の結合インピーダンスと、
   上記信号源と上記増幅器の非反転入力の間の信号路中にある少なくとも１つの第１の結合キャパシタと、
   を有し、
   特徴として、
   上記第１の結合インピーダンス（Ｄ１、Ｒ３；Ｄ１、Ｄ２、Ｒ３）は第１の非線形抵抗（Ｄ１；Ｄ１、Ｄ２）と第１のオーミック抵抗（Ｒ３）の直列接続からなり、上記増幅器（ＩＣ１）の出力信号（Ｓ２）またはこの出力信号から導出された信号は第２の結合キャパシタ（Ｃ３）を介して上記第１の結合インピーダンス（Ｄ１、Ｒ３；Ｄ１、Ｄ２、Ｒ３）に帰還されるものである、
   オーディオ周波数信号用増幅器回路。
2. 上記第２の結合インピーダンス（Ｄ３、Ｒ４；Ｄ３、Ｄ４、Ｒ４）は第２の非線形抵抗（Ｄ３；Ｄ３、Ｄ４）と第２のオーミック抵抗（Ｒ４）の直列接続からなり、上記増幅器（ＩＣ１）の出力信号（Ｓ２）またはこの出力信号から導出された信号は第３の結合キャパシタ（Ｃ４）を介して上記第２の結合インピーダンス（Ｄ３、Ｒ４；Ｄ３、Ｄ４、Ｒ４）に帰還されることを特徴とする、
   請求項１に記載の増幅器回路。
3. それぞれ上記第１と第２の非線形抵抗としてダイオード（Ｄ１またはＤ３）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の増幅器回路。
4. 上記第１と第２の非線形抵抗として２つのダイオード（Ｄ１、Ｄ２またはＤ３、Ｄ４）の逆並列接続が設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の増幅器回路。
5. 上記増幅器（ＩＣ１）の出力信号（Ｓ２）は、その振幅の全体の値が、上記増幅器（ＩＣ１）の反転入力（−）に帰還され、また上記第２と第３の結合キャパシタ（Ｃ３またはＣ４）を介して上記第１と第２の結合インピーダンス（Ｄ１、Ｄ２、Ｒ３；Ｄ３、Ｄ４、Ｒ４）に帰還されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の増幅器回路（図４）。
6. 上記増幅器（ＩＣ１）の出力信号（Ｓ２）は、その振幅の一部の値（Ｒ５/Ｒ６）が上記増幅器（ＩＣ１）の反転入力（−）に帰還され、また上記第２と第３の結合キャパシタ（Ｃ３またはＣ４）を介して上記第１と第２の結合インピーダンス（Ｄ１、Ｄ２、Ｒ３；Ｄ３、Ｄ４、Ｒ４）に帰還されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の増幅器回路（図５）。

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