JP2006229336A - Capacitive microphone - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、超小型の静電容量型マイクロホンであって、たとえば携帯電話等の小型携帯機器に搭載のマイクロホンに利用してとくに有効なものに関する。 The present invention relates to an ultra-small capacitive microphone that is particularly effective when used for a microphone mounted on a small portable device such as a cellular phone.
静電容量型マイクロホンは、感音キャパシタへのバイアス電界の印加方式により、DCバイアス式(DCバイアス・コンデンサ・マイクロホン)とエレクトレット式(エレクトレット・コンデンサ・マイクロホン)の2タイプに分けることができる。 Capacitance microphones can be classified into two types, DC bias type (DC bias condenser microphone) and electret type (electret condenser microphone), depending on the method of applying a bias electric field to the sound sensing capacitor.
DCバイアス式は、音響振動板(ダイヤフラム)をなす可動電極を空気誘電体を挟んで固定電極に対向させた感音キャパシタを用いて構成される。この感音キャパシタの電極間に高インピーダンス(たとえば10MΩ)の抵抗を直列に介して直流バイアス電圧を印加すると、その直列抵抗の両端に、音圧による感音キャパシタの容量変化に応じた電圧変化が現れる。この電圧変化を交流結合回路により直流バイアス電圧から分離・抽出するとともに、高入力インピーダンスの初段回路でインピーダンス変換しながら増幅することにより、後段回路で利用可能なマイクロホン出力(音響信号)を取り出すことができる。 The DC bias type is configured using a sound sensing capacitor in which a movable electrode forming an acoustic diaphragm (diaphragm) is opposed to a fixed electrode with an air dielectric interposed therebetween. When a DC bias voltage is applied between the electrodes of the sound sensing capacitor via a high impedance (for example, 10 MΩ) resistor in series, a voltage change corresponding to the change in the capacitance of the sound sensing capacitor due to the sound pressure occurs at both ends of the series resistor. appear. This voltage change is separated and extracted from the DC bias voltage by the AC coupling circuit, and amplified while performing impedance conversion in the first stage circuit with high input impedance, so that the microphone output (acoustic signal) that can be used in the subsequent circuit can be extracted. it can.
このDCバイアス式では、外部から高圧の直流バイアス電圧を与えなければならない面倒がある。そこで、一般には、その直流バイアス電圧が不要なエレクトレット式が多く使われている。携帯電話等の小型携帯機器にもこのエレクトレット式が搭載されている。 In this DC bias type, there is a hassle to apply a high-voltage DC bias voltage from the outside. Therefore, in general, an electret type that does not require the DC bias voltage is often used. This electret type is also mounted on small portable devices such as mobile phones.
エレクトレット式は、音響振動板をなす可動電極とこれに対向する固定電極の間に、分極等により大量の電荷を蓄積・固定した誘電体いわゆるエレクトレットを配置したものであって、そのエレクトレットから電極間の空間に高いバイアス電界が定常的に印加される。可動電極と固定電極は音圧により容量変化を生じる感音キャパシタを形成するが、この感音キャパシタの容量が音圧により変化すると、上記バイアス電界により、その容量変化に応じた電圧変化が電極間に現れる。この電圧変化をたとえばFETのソースフォロワなどでインピーダンス変換することにより、後段回路で利用可能なマイクロホン信号を取り出すことができる。 The electret type is a so-called electret in which a large amount of electric charge is accumulated and fixed by polarization or the like between a movable electrode forming an acoustic diaphragm and a fixed electrode facing the movable electrode. A high bias electric field is constantly applied to the space. The movable electrode and the fixed electrode form a sound-sensitive capacitor that changes in capacitance due to sound pressure. Appear in For example, a microphone signal that can be used in a subsequent circuit can be taken out by impedance-converting this voltage change with an FET source follower.
上記エレクトレット式のコンデンサ・マイクロホンは、外部から高圧の直流バイアス電圧を与える面倒はないが、エレクトレットの劣化による性能低下が問題となる。エレクトレットは、誘電体自体またはその表面の絶縁不良等により蓄積電荷が徐々に放電するため、当初の高い電界を長期にわたって安定に維持することができない。いわゆる経時劣化を生じる。この劣化(蓄積電荷の減失)は環境条件にもよるが、とくに高温度で顕著に現れる。したがって、エレクトレット式コンデンサ・マイクロホンを半田付け処理する際は、その処理温度が高くならないように十分に留意する必要がある。 The electret condenser microphone does not have the trouble of applying a high DC bias voltage from the outside, but there is a problem of performance degradation due to the deterioration of the electret. In the electret, the accumulated electric charge is gradually discharged due to insulation failure of the dielectric itself or the surface thereof, and therefore, the initial high electric field cannot be stably maintained for a long time. So-called deterioration with time occurs. This deterioration (loss of accumulated charge) depends on the environmental conditions, but is particularly noticeable at high temperatures. Therefore, when soldering the electret condenser microphone, it is necessary to pay sufficient attention not to raise the processing temperature.
ところが、近年は環境汚染防止のため、鉛等の重金属の使用を禁止することが必然となっているが、鉛を含有しない無鉛半田は、従来の有鉛半田に比べて30℃程度高い温度での処理を必要とする。このため、上述したエレクトレット式コンデンサ・マイクロホンはその組立ての段階で性能劣化が生じやすいという問題があった。 However, in recent years, in order to prevent environmental pollution, it is inevitable to use heavy metals such as lead. However, lead-free solder that does not contain lead is at a temperature about 30 ° C higher than that of conventional leaded solder. Need processing. For this reason, there has been a problem that the above-described electret condenser microphone is likely to deteriorate in performance at the stage of assembly.
また、上述した従来の静電容量型マイクロホンは、エレクトレット式およびDCバイアス式のいずれも、その主要部をなす感音キャパシタが、個別に作製された複数の部品の組立てにより構成されていた。いわゆるディスクリート組立て方式により作製されていた。 In addition, in the above-described conventional capacitance type microphone, both the electret type and the DC bias type are configured by assembling a plurality of parts, each of which is a sound-sensitive capacitor that forms the main part. It was produced by a so-called discrete assembly method.
一方、この種のマイクロホンが組み込まれる携帯電話等の携帯機器においては高性能化と小型化の要求が強く、それに応じてその携帯機器内に組込まれる回路等の各種機能部品の高性能化および超小型化が行われている。マイクロホンについても例外ではなく、その大幅な小型化が要求されている。 On the other hand, there is a strong demand for high performance and miniaturization in portable devices such as mobile phones in which this type of microphone is incorporated, and accordingly, various functional components such as circuits incorporated in the portable device are improved in performance and superb. Miniaturization has been carried out. Microphones are no exception, and their miniaturization is required.
近年、シリコンのマイクロ加工技術(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)により、シリコンチップ上に超小型の感音キャパシタを加工することが可能になった。このMEMSで作製された超小型感音キャパシタを静電容量型マイクロホンに利用できれば、上記携帯機器への組込み利用に好適な超小型静電容量型マイクロホンが可能になる。この場合、MEMSでの作製に適するのはDCバイアス式のコンデンサ・マイクロホンである。 In recent years, it has become possible to process ultra-small sound-sensitive capacitors on a silicon chip by using micro-electro mechanical systems (MEMS). If an ultra-small sound-sensitive capacitor manufactured by MEMS can be used for an electrostatic capacity-type microphone, an ultra-small electrostatic capacity-type microphone suitable for use in the portable device can be obtained. In this case, a DC bias type condenser microphone is suitable for fabrication by MEMS.
しかし、MEMS等によって作製された超小型感音キャパシタのべース容量(非変化容量)は、従来のディスクリート組立て方式による感音キャパシタに比べて大幅に小さく、せいぜい1〜数[pF]程度しかない。音圧による容量変化はそのベース容量の1000分の1以下しかない。一例として、ベース容量が1[pF]程度の感音キャパシタの場合、音圧による容量変化は1[fF](1fF=1000分の1[pF])程度しかない。 However, the base capacity (non-changing capacity) of the ultra-small sound sensor made by MEMS or the like is much smaller than that of the conventional discrete assembly system, and is only about 1 to several [pF] at most. Absent. The change in capacity due to sound pressure is less than 1/1000 of the base capacity. As an example, in the case of a sound-sensitive capacitor having a base capacitance of about 1 [pF], the capacitance change due to sound pressure is only about 1 [fF] (1 fF = 1/1000 [pF]).
この極めて僅かな容量変化を上述した直流バイアス電圧と直列抵抗を用いて検出しようとすると、非常に高圧の直流バイアス電圧と極端に高い抵抗値の直列抵抗が必要となり、少なくとも上述した携帯機器内での実現は困難である。 In order to detect this very slight change in capacitance using the above-described DC bias voltage and series resistance, a very high DC bias voltage and an extremely high series resistance are required. Is difficult to realize.
そこで、本発明者は、たとえば1[pF]のベース容量の1000分の1といった僅かな容量変化を効率的に検出するために、図2に示すような回路を検討した。この検出回路は特許文献1に開示された一般計測用の容量変化検出回路であって、静電容量型マイクロホン用ではないが、これを上記感音キャパシタの容量変化検出に応用できるかどうかを検討した。
Therefore, the present inventor examined a circuit as shown in FIG. 2 in order to efficiently detect a slight change in capacitance such as 1/1000 of the base capacitance of 1 [pF]. This detection circuit is a capacitance change detection circuit for general measurement disclosed in
図2に示す検出回路は、被検出キャパシタCxの充放電切り替えを行うスイッチ回路S1と、電荷量/電圧変換回路23を用いて構成されている。スイッチ回路S1は1つの共通ポートcに対して2つの被選択ポートa,bを有して周期的に切り替え動作を行う。この切り替え動作ごとに被検出キャパシタCxの一端がポートaとbに交互に接続される。ポートaは所定の充電電位−Vcに接続され、ポートbは電荷量/電圧変換回路23の入力に接続されている。また、被検出キャパシタCxの他端は共通基準電位(GND)に接続されている。
The detection circuit shown in FIG. 2 is configured using a switch circuit S1 that performs charge / discharge switching of the detected capacitor Cx and a charge amount /
電荷量/電圧変換回路23は、演算増幅器OP1、帰還キャパシタCf、スイッチ回路S3により構成されている。スイッチ回路S3は上記スイッチ回路S1に同期動作して帰還キャパシタCfを周期的に放電リセットする。演算増幅器OP1の非反転入力(+)は共通基準電位(Vr=GND)に接続されている。したがって、その演算増幅器OP1の反転入力(−)は負帰還により共通基準電位(Vr)に仮想短絡(能動接地)されるようになっている。
The charge /
上記回路において、まず、S1のポートa−c間が接続されると、被検出キャパシタCxには、この被検出キャパシタCxのキャパシタ容量(Cx)と充電電位−Vcとの積に相当する電荷が充電される。このとき、帰還キャパシタCfはスイッチ回路S3により短絡されて放電リセット状態(無充電状態)にある。 In the above circuit, first, when the ports a-c of S1 are connected, the detected capacitor Cx has a charge corresponding to the product of the capacitor capacitance (Cx) of the detected capacitor Cx and the charging potential -Vc. Charged. At this time, the feedback capacitor Cf is short-circuited by the switch circuit S3 and is in a discharge reset state (no charge state).
次に、S1のポートb−c間が接続されると、被検出キャパシタCxが演算増幅器OP1の反転入力(−)に接続される。これとともに、S3が開路して演算増幅器OP1の負帰還制御ループに負帰還キャパシタCfが介在する。すると、上記仮想短絡を形成する負帰還動作により、被検出キャパシタCxの充電電荷量(Vr×Cx)に相当する電荷が帰還キャパシタCfに充電される。このとき、演算増幅器OP1の出力には帰還キャパシタCfに上記電荷量(Vr×Cx)を充電させるための電圧が現れる。 Next, when the ports b-c of S1 are connected, the detected capacitor Cx is connected to the inverting input (-) of the operational amplifier OP1. At the same time, S3 is opened, and a negative feedback capacitor Cf is interposed in the negative feedback control loop of the operational amplifier OP1. Then, the negative feedback operation that forms the virtual short circuit charges the feedback capacitor Cf with a charge corresponding to the charge amount (Vr × Cx) of the detected capacitor Cx. At this time, a voltage for charging the feedback capacitor Cf with the charge amount (Vr × Cx) appears at the output of the operational amplifier OP1.
つまり、電荷量/電圧変換回路23は、被検出キャパシタCxの充電電荷量が帰還キャパシタCfの充電電荷量に所定倍率でミラー転写されるとともに、そのミラー転写に必要な電荷量を帰還キャパシタCfに充電するための電圧Vaを出力することにより、被検出キャパシタCxの容量変化を電圧変化に変換して出力する。
In other words, the charge amount /
ここで、本発明者は、上記被検出キャパシタCxを上記超小型感音キャパシタに置き換えた場合に、音圧による容量変化を実用的に検出できるかどうかを検証した。しかしながら、上述したように、感音キャパシタの音圧による容量変化はベース容量に対して極めて小さい。このため、その容量変化の検出に際しては、ベース容量などの固定的なノミナル容量が支配的となって、目的とする容量変化分を高SN比で検出することはできないことが判明した。 Here, the present inventor has verified whether or not a capacitance change due to sound pressure can be practically detected when the detected capacitor Cx is replaced with the ultra-small sound sensing capacitor. However, as described above, the capacitance change due to the sound pressure of the sound sensing capacitor is extremely small with respect to the base capacitance. For this reason, when detecting the change in capacity, it has been found that a fixed nominal capacity such as a base capacity is dominant and the target capacity change cannot be detected with a high SN ratio.
検出を高SN比で行わせるためには、検出回路をその入出力ダイナミックレンジの中央で動作させる必要がある。そのダイナミックレンジは検出の感度を高めるほど狭くなる。微小な容量変化を検出するためはダイナミックレンジの縮小を余儀なくされるが、ダイナミックレンジが縮小すると、上記ノミナル容量により、検出回路の動作点をその入出力ダイナミックレンジの中央に安定に収めることが困難になる。また、微小な容量変化が相対的に巨大なノミナル容量でマスキングされることによっても高SN比での検出が阻害される。いずれにせよ、相対的に大きすぎるノミナル容量は検出の阻害要因となる。 In order to perform detection with a high S / N ratio, it is necessary to operate the detection circuit at the center of its input / output dynamic range. The dynamic range becomes narrower as the detection sensitivity increases. In order to detect minute capacitance changes, the dynamic range must be reduced. However, when the dynamic range is reduced, it is difficult to stably keep the operating point of the detection circuit at the center of the input / output dynamic range due to the nominal capacitance. become. In addition, detection at a high S / N ratio is also inhibited by masking a small change in capacitance with a relatively large nominal capacitance. In any case, a nominal capacity that is too large is an obstacle to detection.
そこで、本発明者は、微小な容量変化を検出する際の妨げとなる固定的なノミナル容量を除去あるいは低減させるために、図3に示すような検出回路の利用を検討した(特許文献1の図6参照)。 Therefore, the present inventor examined the use of a detection circuit as shown in FIG. 3 in order to remove or reduce a fixed nominal capacitance that hinders detection of a minute capacitance change (see Patent Document 1). (See FIG. 6).
図3に示す検出回路は、図2に示したものと同様、被検出キャパシタCxの容量変化を電荷量/電圧変換回路23によって検出するものであるが、固定的なノミナル容量分を等価的に相殺するための基準キャパシタ(カウンターキャパシタ)Crを使用している。すなわち、被検出キャパシタCxと基準キャパシタCrを互いに逆極性の電位−Vc,+Vcで充電することにより、両キャパシタCx,Cr間で容量の相殺を行わせるというものである。
The detection circuit shown in FIG. 3 detects the capacitance change of the detected capacitor Cx by the charge amount /
図3において、被検出キャパシタCxと基準キャパシタCrは直列接続されて容量分圧回路を形成する。この容量分圧回路の両端をスイッチ回路S1,S2で互いに逆極性の電位−Vc,+Vcに接続して充電を行うと、その容量分圧回路の分圧点Aには、両キャパシタCx,Crの差分容量(Cx−Cr)が等価的に現れる。 In FIG. 3, a detected capacitor Cx and a reference capacitor Cr are connected in series to form a capacitive voltage dividing circuit. When charging is performed by connecting both ends of the capacitive voltage dividing circuit to potentials -Vc and + Vc having opposite polarities by the switch circuits S1 and S2, the capacitors Cx and Cr are provided at the voltage dividing point A of the capacitive voltage dividing circuit. Differential capacity (Cx−Cr) appears equivalently.
この差分容量(Cx−Cr)の充電電荷量を電圧変換すれば、被検出キャパシタCxの容量変化分だけを、固定的なノミナル容量に妨げられることなく、効率良く検出することができるのでは、と予見できる。そして、その検出回路を使えば、上記超小型感音キャパシタの音圧による容量変化も高SNで検出できるかも知れない、という期待も生じる。 If the charge amount of the differential capacity (Cx−Cr) is converted into a voltage, only the capacity change of the detected capacitor Cx can be efficiently detected without being disturbed by the fixed nominal capacity. I can foresee. And if the detection circuit is used, the expectation that the capacity | capacitance change by the sound pressure of the said microminiature sound-sensing capacitor may be detected with high SN also arises.
ところが、本発明者の知得によれば、図3に示した回路でも、上記超小型感音キャパシタの音圧による容量変化は実用レベルで検出できないことが判明した。つまり、上述した予見は外れ、期待は裏切られることが判明した。これは、上記超小型感音キャパシタの容量が余りにも小さすぎることによる。上述したように、MEMSなどにより作製された超小型感音キャパシタのベース容量は非常に小さく、せいぜい1〜数[pF]程度でしかない。さらに、音圧による容量変化分はその1000分の1以下でしかない。 However, according to the knowledge of the present inventor, it has been found that even the circuit shown in FIG. 3 cannot detect the capacitance change due to the sound pressure of the ultra-small sound sensing capacitor at a practical level. In other words, it turned out that the above-mentioned foresight was off and expectations were betrayed. This is due to the fact that the capacitance of the ultra-small sound sensor capacitor is too small. As described above, the base capacitance of an ultra-small sound sensor made by MEMS or the like is very small, which is only about 1 to several [pF] at most. Furthermore, the capacity change due to the sound pressure is less than 1/1000.
この極めて微小な容量変化分を実用レベルのSN比で検出するためには、基準キャパシタ(カウンターキャパシタ)による容量相殺を非常に高精度に行う必要がある。このためには、感音キャパシタと基準キャパシタ間の容量誤差を極力小さくする必要があり、少なくとも感音キャパシタの容量変化分よりは上記誤差を小さくする必要がある。この場合、感音キャパシタの容量変化分がベース容量の1000分の1以下なので、基準キャパシタの容量誤差は1000分の1以下を要求されることになる。しかし、このような高精度の基準キャパシタを1〜数[pF]の微小容量域で実現することは現実に不可能である。とくに、量産性や歩留まりが問題となる産業規模での実現は無理である。 In order to detect this extremely small change in capacitance with a practical level of S / N ratio, it is necessary to cancel the capacitance with a reference capacitor (counter capacitor) with very high accuracy. For this purpose, it is necessary to reduce the capacitance error between the sound sensing capacitor and the reference capacitor as much as possible, and it is necessary to make the error smaller than at least the change in capacitance of the sound sensing capacitor. In this case, since the change in capacitance of the sound sensing capacitor is 1/1000 or less of the base capacitance, the capacitance error of the reference capacitor is required to be 1/1000 or less. However, it is actually impossible to realize such a high-accuracy reference capacitor in a minute capacitance range of 1 to several [pF]. In particular, it cannot be realized on an industrial scale where mass productivity and yield are problems.
また、固定的なノミナル容量は、感音キャパシタのベース容量以外に、予測困難な容量、たとえば配線等に分布する浮遊容量なども含まれる。通常ならば無視できる程に小さい浮遊容量でも、1〜数[pF]の微小容量域で1000分の1以下の容量変化を検出しなければならない場面では、正常な検出を妨げる致命的なかく乱要因となる。 In addition to the base capacitance of the sound sensing capacitor, the fixed nominal capacitance includes a capacitance that is difficult to predict, for example, a stray capacitance distributed over a wiring or the like. Even if the stray capacitance is negligibly small, it is a fatal disturbance factor that hinders normal detection in a situation where a capacitance change of 1/1000 or less must be detected in a minute capacitance range of 1 to several [pF]. It becomes.
上記超小型感音キャパシタはMEMSにより半導体チップ上に作製できることを述べたが、当該(半導体集積回路等)技術分野では、その感音キャパシタを検出回路などの回路部と一緒に同一半導体チップ上に集積形成することが最適であると信じられていた。 Although it has been described that the above-mentioned ultra-small acoustic capacitor can be fabricated on a semiconductor chip by MEMS, in the technical field (semiconductor integrated circuit, etc.), the acoustic capacitor is mounted on the same semiconductor chip together with a circuit unit such as a detection circuit. It was believed that an integrated formation was optimal.
しかし、本発明者は、上記超小型感音キャパシタをMEMSにより半導体チップ上に作製する場合、感音キャパシタと検出回路を別チップに分けて構成することの方が、半導体製造のプロセス工程数および歩留まり等の見地から非常に有利であることを知得するに至った。これは、両者の作製条件(たとえば工程プロセス等)が大きく異なることによる。この場合、別チップに分けて作製された感音キャパシタと検出回路をチップ間配線によって接続することになるが、この配線も上記ノミナル容量を増加させる要因となる。 However, when the present inventor manufactures the above-mentioned ultra-small sound-sensing capacitor on a semiconductor chip by MEMS, the structure of the sound-sensing capacitor and the detection circuit divided into separate chips is more It came to know that it was very advantageous from the viewpoint of yield. This is because the production conditions (for example, process steps) of the two are greatly different. In this case, the sound-sensitive capacitor and the detection circuit which are manufactured separately in different chips are connected by inter-chip wiring, and this wiring also increases the nominal capacitance.
本発明は以上のような技術背景下になされたものであって、その目的は、MEMS等で作製された超小型感音キャパシタを用いた静電容量型マイクロホンを、研究・実験的な規模ではなく、たとえば携帯機器組込み用として量産に適した産業的な規模で実用可能にすることにある。
この発明に係る静電容量型マイクロホンは、基本的に、つぎの事項(1)〜(10)により特定されるものである。
(1)感音キャパシタと、基準キャパシタと、第1スイッチと、第2スイッチと、スイッチ制御回路と、基準電圧発生回路と、校正電圧発生回路と、電荷量/電圧変換回路と、検波回路と、低域通過フィルタとを備えること
(2)感音キャパシタの一端と基準キャパシタの一端が接続され、その接続点が電荷量/電圧変換回路の入力に接続されていること
(3)感音キャパシタの他端は、第1スイッチにより、基準電圧発生回路の出力と、接地電位点とに切り替え接続されること
(4)基準キャパシタの他端は、第2スイッチにより、校正電圧発生回路の出力と、接地電位点とに切り替え接続されること
(5)基準電圧発生回路は、一定電圧を出力すること
(6)校正電圧発生回路は、基準電圧発生回路の出力電圧と逆極性で、低域通過フィルタの出力に応じて変化する電圧を出力すること
(7)スイッチ制御回路は、第1スイッチと第2スイッチを同時に接地電位点に接続する第1接続状態と、第1スイッチを基準電圧発生回路の出力に接続し、同時に第2スイッチを校正電圧発生回路の出力に接続する第2接続状態とを、一定周期で高速に繰り返させること
(8)電荷量/電圧変換回路は、第1スイッチ、第2スイッチと同期動作し、第1接続状態において入力される電荷量に比例した電圧を出力すること
(9)検波回路は、電荷量/電圧変換回路の出力から音声信号成分を検波すること
(10)低域通過フィルタは、検波回路の出力の低周波成分を抽出して校正電圧発生回路に入力すること
The capacitive microphone according to the present invention is basically specified by the following items (1) to (10).
(1) A sound sensor capacitor, a reference capacitor, a first switch, a second switch, a switch control circuit, a reference voltage generation circuit, a calibration voltage generation circuit, a charge / voltage conversion circuit, and a detection circuit (2) One end of the sound sensor capacitor and one end of the reference capacitor are connected, and the connection point is connected to the input of the charge amount / voltage conversion circuit. (3) The sound sensor capacitor The other end of the reference capacitor is switched and connected to the output of the reference voltage generating circuit and the ground potential point by the first switch. (4) The other end of the reference capacitor is connected to the output of the calibration voltage generating circuit by the second switch. (5) The reference voltage generation circuit outputs a constant voltage. (6) The calibration voltage generation circuit has a polarity opposite to that of the output voltage of the reference voltage generation circuit and passes through a low frequency range. Phi (7) The switch control circuit includes a first connection state in which the first switch and the second switch are simultaneously connected to the ground potential point, and the first switch as a reference voltage generation circuit. And a second connection state in which the second switch is simultaneously connected to the output of the calibration voltage generation circuit at a constant cycle and at a high speed. (8) The charge amount / voltage conversion circuit includes the first switch, Synchronizing with the second switch and outputting a voltage proportional to the amount of charge input in the first connection state (9) The detection circuit detects an audio signal component from the output of the charge amount / voltage conversion circuit ( 10) For the low-pass filter, extract the low-frequency component of the detector circuit output and input it to the calibration voltage generator circuit.
また、この発明に係る静電容量型マイクロホンは、つぎの事項(21)〜(25)により特定されるものでもある。
(21)音圧により静電容量変化を生じる感音キャパシタと、固定容量の基準キャパシタが直列接続されて容量分圧回路を形成する。
(22)上記容量分圧回路の両端を共通基準電位に接続する第1接続モードと、上記容量分圧回路の両端を共通基準電位に対して互いに逆極性の第1電位と第2電位に接続する第2接続モードとを交互に切り替え設定する充放電スイッチ回路と、この充放電スイッチ回路の切り替え動作を音響信号の周波数領域よりも十分に高い周波数で行わせるスイッチング制御手段を備える。
(23)上記充放電スイッチ回路の切り替えに同期動作し、上記第1接続モードの設定ごとに、上記容量分圧回路の分圧点と上記共通基準電位の間に等価的に現れる差分容量の充電電荷量をパルス電圧に変換して出力する電荷量/電圧変換回路を備える。
(24)上記電荷量/電圧変換回路の出力から音響周波数領域までの周波数領域の信号を抽出する検波回路を備える。
(25)上記検波回路の出力から直流分を抽出する低域通過フィルタを有し、この低域通過フィルタの出力を用いて上記第1電位または上記第2電位の少なくとも一方を可変制御することにより、上記直流分をゼロ抑圧させる負帰還制御ループが形成される。
The capacitance type microphone according to the present invention is also specified by the following items (21) to (25).
(21) A sound-sensing capacitor that generates a change in capacitance due to sound pressure and a fixed-capacitance reference capacitor are connected in series to form a capacitance voltage dividing circuit.
(22) A first connection mode in which both ends of the capacitive voltage dividing circuit are connected to a common reference potential, and both ends of the capacitive voltage dividing circuit are connected to a first potential and a second potential having opposite polarities with respect to the common reference potential. A charge / discharge switch circuit that alternately switches and sets the second connection mode, and switching control means for performing a switching operation of the charge / discharge switch circuit at a frequency sufficiently higher than the frequency region of the acoustic signal.
(23) The differential capacitor that operates synchronously with the switching of the charge / discharge switch circuit and that appears equivalently between the voltage dividing point of the capacitor voltage dividing circuit and the common reference potential is set every time the first connection mode is set. A charge amount / voltage conversion circuit that converts the charge amount into a pulse voltage and outputs the pulse voltage is provided.
(24) A detection circuit for extracting a signal in a frequency domain from the output of the charge amount / voltage conversion circuit to the acoustic frequency domain is provided.
(25) having a low-pass filter that extracts a direct current component from the output of the detection circuit, and variably controlling at least one of the first potential or the second potential using the output of the low-pass filter Thus, a negative feedback control loop for suppressing the DC component to zero is formed.
上記の事項(21)〜(25)により特定される発明において、つぎの事項(A)〜(E)を適宜に選択して実施することができる。
(A)上記第1電位および/または上記第2電位は、電圧によって出力電圧が可変制御される可変電圧発生回路によって供給され、この可変電圧発生回路を低域通過フィルタの出力で制御することにより、上記直流分をゼロ抑圧させる負帰還制御を行わせること
(B)上記低域通過フィルタは時定数回路にスイッチドキャパシタを用いて構成されていること
(C)上記電荷量/電圧変換回路は、所定容量の帰還キャパシタによって容量負帰還をかけられるとともに、その帰還キャパシタを上記第1接続モードの設定ごとに放電リセットする演算増幅器を用いて構成され、この演算増幅器の負帰還動作によって上記差分容量の充電電荷量を上記帰還キャパシタの充電電荷量にミラー転写させることにより、上記第2接続モードの設定ごとに上記充電電荷量に対応する電圧のパルスを出力すること
(D)上記検波回路は、上記電荷量/電圧変換回路から出力されるパルスの電圧を逐次更新しながら保持して出力するアナログ・サンプル・ホールド回路を用いて構成されていること
(E)上記電荷量/電圧変換回路の出力を交流増幅して上記検波回路へ伝達する中間増幅回路を備えること
In the invention specified by the above items (21) to (25), the following items (A) to (E) can be appropriately selected and implemented.
(A) The first potential and / or the second potential is supplied by a variable voltage generation circuit whose output voltage is variably controlled by voltage, and the variable voltage generation circuit is controlled by the output of the low-pass filter. (B) The low-pass filter is configured by using a switched capacitor in a time constant circuit (C) The charge amount / voltage conversion circuit is In addition, negative feedback is applied by a feedback capacitor having a predetermined capacity, and the feedback capacitor is configured using an operational amplifier that discharges and resets for each setting of the first connection mode. By mirror-transferring the charged charge amount of the feedback capacitor to the charged charge amount of the feedback capacitor, for each setting of the second connection mode. Output a voltage pulse corresponding to the amount of electric charge (D) The detection circuit holds and outputs the pulse voltage output from the charge amount / voltage conversion circuit while sequentially updating the analog sample hold (E) An intermediate amplifier circuit that amplifies the output of the charge amount / voltage conversion circuit and transmits the output to the detection circuit is provided.
また、この発明に係る静電容量型マイクロホンは、つぎの事項(81)〜(85)により特定されるものでもある。
(81)音圧により静電容量変化を生じる感音キャパシタと、固定容量の基準キャパシタとを備える。
(82)上記感音キャパシタと上記基準キャパシタを互いに逆極性の電位で充電することにより両キャパシタ間で容量の等価的な相殺を行わせる。
(83)上記相殺によって等価的に抽出される差分容量の充電電荷量を電圧変換する電荷量/電圧変換回路を備える。
(84)上記電圧変換出力からマイクロホン出力としての音響信号を取り出すとともに、その電圧変換出力に含まれる直流分を抽出する。
(85)上記直流分を上記基準キャパシタまたは上記感音キャパシタの少なくとも一方の充電電位に帰還させることよりその直流分をゼロ抑圧させる負帰還制御ループが形成されている。
The capacitance type microphone according to the present invention is also specified by the following items (81) to (85).
(81) A sound-sensitive capacitor that generates a change in capacitance due to sound pressure, and a fixed-capacitance reference capacitor.
(82) The sound-sensing capacitor and the reference capacitor are charged with potentials of opposite polarities, thereby equivalently canceling the capacitance between the two capacitors.
(83) A charge amount / voltage conversion circuit that converts the charge amount of the differential capacitance that is equivalently extracted by the cancellation to voltage conversion is provided.
(84) An acoustic signal as a microphone output is extracted from the voltage conversion output, and a direct current component included in the voltage conversion output is extracted.
(85) A negative feedback control loop is formed in which the DC component is zero-suppressed by feeding back the DC component to the charging potential of at least one of the reference capacitor or the sound sensing capacitor.
上記の事項(81)〜(82)により特定される発明において、望ましくは、上記感音キャパシタと上記基準キャパシタを直列接続して容量分圧回路を形成し、この容量分圧回路の両端を共通基準電位に対して互いに逆極性の第1電位と第2電位に接続して充電することにより、その容量分圧回路の分圧点に両キャパシタの容量差分が等価的に現れるようにし、上記電荷量/電圧変換回路は上記容量差分の充電電荷を電圧変換することとする。 In the invention specified by the above items (81) to (82), preferably, the sound-sensing capacitor and the reference capacitor are connected in series to form a capacitive voltage dividing circuit, and both ends of the capacitive voltage dividing circuit are shared. By connecting and charging the first potential and the second potential having opposite polarities with respect to the reference potential, the capacitance difference between both capacitors appears equivalently at the voltage dividing point of the capacitance voltage dividing circuit. The quantity / voltage conversion circuit converts the charge of the capacity difference into a voltage.
超小型感音キャパシタの音圧による極微小な容量変化の検出を妨げる固定的なノミナル容量の影響を回避することができ、これにより、MEMS等で作製された超小型感音キャパシタを用いた静電容量型マイクロホンを、研究・実験的な規模ではなく、たとえば携帯機器組込み用として量産に適した産業的な規模で実用化することが可能になる。 It is possible to avoid the influence of a fixed nominal capacitance that prevents the detection of a very small capacitance change due to the sound pressure of the ultra-small sound sensor capacitor. Capacitive microphones can be put to practical use on an industrial scale suitable for mass production, for example, for use in mobile devices, rather than on a research / experimental scale.
図1は本発明の一実施形態による静電容量型マイクロホンの要部を回路図で示す。同図に示す静電容量型マイクロホンはDCバイアス方式のものであって、音圧により静電容量変化を生じる超小型感音キャパシタCmと、固定容量の基準キャパシタCrと、感音キャパシタCmの音圧による微小な容量変化(ΔCm)を検出して音響信号(マイクロホン出力)を出力する検出回路部20とを有する。
FIG. 1 is a circuit diagram showing the main part of a capacitive microphone according to an embodiment of the present invention. The capacitance type microphone shown in the figure is of the DC bias type, and the sound of the ultra-small sound sensing capacitor Cm in which the capacitance changes due to the sound pressure, the fixed capacitor reference capacitor Cr, and the sound sensing capacitor Cm. And a
超小型感音キャパシタCmは、MEMSにより専用の半導体チップ(シリコン)IC1上に形成されている。基準キャパシタCrおよび検出回路部20は感音キャパシタCmとは別の半導体チップIC2上に形成されている。これは、超小型感音キャパシタCmをMEMSにより半導体チップ上に作製する場合、感音キャパシタCmと検出回路部20を別チップIC1,IC2に分けて構成することが、半導体製造のプロセス工程数を減らし、量産性と歩留まりを向上させる上で非常に有利であることによる。感音キャパシタCmと検出回路部20はチップ間配線により接続されている。
The ultra-small acoustic capacitor Cm is formed on a dedicated semiconductor chip (silicon)
超小型感音キャパシタCmには固定容量の基準キャパシタCrが直列接続されている。これにより両キャパシタCm,Crは容量分圧回路を形成する。この容量分圧回路は、検出回路部20の充放電スイッチ回路S1,S2により、共通基準電位(GND)と、この共通基準電位に対して互いに逆極性の第1電位+Vc1と第2電位−Vc2とに交互に切り替え接続されるようになっている。この場合、第1電位+Vc1は後述する可変電圧発生回路21によって与えられる可変電位とし、第2電位−Vc2は一定の固定電位としてある。
A reference capacitor Cr having a fixed capacity is connected in series to the ultra-small sound-sensing capacitor Cm. As a result, both capacitors Cm and Cr form a capacitive voltage dividing circuit. The capacitive voltage dividing circuit is configured by the charge / discharge switch circuits S1 and S2 of the
検出回路部20は、充放電スイッチ回路S1,S2、可変電圧発生回路21、電荷量/電圧変換回路23、中間増幅回路24、検波回路としてのSH回路(アナログ・サンプル・ホールド回路)25、低域増幅回路26、LPF(低域通過フィルタ)27、スイッチング制御回路31などにより構成されている。
The
可変電圧発生回路21は上記第1電位+Vc1を出力するとともに、この出力電位+Vcを外部から与えられる制御電圧に応じて可変制御する。 The variable voltage generation circuit 21 outputs the first potential + Vc1 and variably controls the output potential + Vc according to a control voltage given from the outside.
充放電スイッチ回路S1,S2はそれぞれ1の共通ポートcに対して2つの被選択ポートa,bを有する2選択スイッチであって、互いに同期連動して動作する。S1,S2のポートa−c間が接続されると、上記容量分圧回路(Cm,Cr直列回路)の両端を共通基準電位(GND)に接続する第1接続モード(放電モード)が設定される。また、S1,S2のポートb−c間が接続されると、上記容量分圧回路(Cm,Cr)の両端を第1電位+Vc1と第2電位−Vc2に接続する第1接続モード(充電モード)が設定される。 The charge / discharge switch circuits S1 and S2 are two-select switches each having two selected ports a and b for one common port c, and operate in synchronization with each other. When the ports a-c of S1 and S2 are connected, a first connection mode (discharge mode) is established in which both ends of the capacitive voltage dividing circuit (Cm, Cr series circuit) are connected to a common reference potential (GND). The Further, when the ports b-c of S1 and S2 are connected, a first connection mode (charging mode) in which both ends of the capacitance voltage dividing circuit (Cm, Cr) are connected to the first potential + Vc1 and the second potential -Vc2. ) Is set.
この充放電スイッチ回路S1,S2の切り替え動作はスイッチング制御回路31によって制御される。スイッチング制御回路31はスイッチ回路S1,S2を音響信号の周波数領域よりも十分に高い周波数(高周波)で切り替え動作させる。 The switching operation of the charge / discharge switch circuits S1 and S2 is controlled by the switching control circuit 31. The switching control circuit 31 switches the switching circuits S1 and S2 at a frequency (high frequency) sufficiently higher than the frequency range of the acoustic signal.
電荷量/電圧変換回路23は、演算増幅器OP1、所定容量の帰還キャパシタC1、この帰還キャパシタC1を上記第1接続モードの設定ごとに放電リセットするスイッチ回路S3により構成されている。
The charge amount /
演算増幅器OP1は、帰還キャパシタC1による容量負帰還により、反転入力(−)を非反転入力(+)と同電位に仮想短絡(能動接地)するが、この負帰還動作により、上記容量分圧回路(Cm,Cr)の分圧点Aに等価的に現れる差分容量の充電電荷量が、帰還キャパシタC1の充電電荷量に所定倍率でミラー転写されるようになっている。上記帰還キャパシタC1は上記第1接続モードの設定ごとに放電リセットされる。したがって、上記ミラー転写は上記第1接続モードが設定されるごとに行われる。そして、その度に上記差分容量の充電電荷量に対応する電圧のパルスが演算増幅器OP1から出力される。 The operational amplifier OP1 virtually short-circuits (active ground) the inverting input (−) to the same potential as the non-inverting input (+) by capacitive negative feedback by the feedback capacitor C1. The charge amount of the differential capacitance that appears equivalently at the voltage dividing point A of (Cm, Cr) is mirror-transferred to the charge amount of the feedback capacitor C1 at a predetermined magnification. The feedback capacitor C1 is discharged and reset every time the first connection mode is set. Therefore, the mirror transfer is performed every time the first connection mode is set. Each time, a voltage pulse corresponding to the charge amount of the differential capacitor is output from the operational amplifier OP1.
上記容量分圧回路(Cm,Cr)がスイッチ回路S1,S2を介して第1電位+Vc1と第2電位−Vc2間に接続されると、基準キャパシタCrにはそのキャパシタ容量(Cr)と第1電位+Vc1の積に相当する電荷が、感音キャパシタCmにはそのキャパシタ容量(Cm)×第2電位−Vc2の積に相当する電荷がそれぞれ充電される。 When the capacitive voltage dividing circuit (Cm, Cr) is connected between the first potential + Vc1 and the second potential -Vc2 via the switch circuits S1 and S2, the reference capacitor Cr has the capacitor capacitance (Cr) and the first capacitance. The charge corresponding to the product of the potential + Vc1 is charged to the sound sensing capacitor Cm, and the charge corresponding to the product of the capacitor capacity (Cm) × the second potential −Vc2 is charged.
このとき、第1電位+Vc1と第2電位−Vc2は共通基準電位(Vr=GND)に対して互いに逆極性なので、両キャパシタCr,Cmの接続点すなわち上記分圧点Aには、両キャパシタCr,Cmの充電電荷の差分を充電する差分容量が等価的に現れることになる。つまり、両キャパシタCr,Cm間で容量相殺が等価的に行われる。この差分容量の充電電荷が、上記電荷量/電圧変換回路23により、上記第1接続モード(充電モード)の設定ごとに電圧変換されて出力される。
At this time, since the first potential + Vc1 and the second potential -Vc2 are opposite in polarity to the common reference potential (Vr = GND), both the capacitors Cr and Cm, that is, the voltage dividing point A has both capacitors Cr. , Cm, the difference capacity for charging the difference between the charge charges of Cm appears equivalently. That is, capacitance cancellation is equivalently performed between both capacitors Cr and Cm. The charge of the differential capacity is converted into voltage and output by the charge amount /
電荷量/電圧変換回路23は上記第1接続モードの設定ごとに、上記分圧点Aにて観測される等価的な差分容量の電荷量を電圧に変換して出力する。その出力電圧は、充放電スイッチ回路S1,S2の動作ごとにパルス状に現れる。したがって、その電荷量/変換回路23からは、電荷量によって振幅変調された連続パルス信号(音響周波数領域よりも十分に高い高周波パルス信号)が出力される。この連続パルス信号は中間増幅回路24を介してSH回路25に入力される。
The charge amount /
中間増幅回路24は、演算増幅器OP2、抵抗R1〜R3、および直流遮断用キャパシタC2,C3によって構成され、その入出力がキャパシタC2,C3で直流遮断されていることにより、上記パルス信号を交流増幅して次段へ伝達する。この中間増幅回路24は、上記連続パルス信号の振幅情報(振幅波形)を忠実に保持しながら所定利得で電圧増幅を行う。
The
検波回路としてのSH回路25は、サンプリング用スイッチ回路S4,S5、電圧記憶用キャパシタC4、演算増幅器OP3、利得設定用抵抗R4,R5、位相調整用の帰還キャパシタC5などにより構成され、上記連続パルス信号のパルス振幅をサンプリングおよび保持して出力する。これにより、SH回路25は、上記連続パルス信号に対して一種の包落線検波回路として動作する。また、この検波回路は、サンプリング用スイッチ回路S4,S5が上記充放電スイッチ回路S1,S2と同期動作することにより、同期検波回路として動作する。この同期型包落線検波により、音響周波数領域までの周波数領域の信号が弁別されて出力される。
The
SH回路25の検波出力は、低域増幅回路26で残留高周波成分が完全に除去されながら増幅伝達され、所定レベルのマイクロホン出力Vaoとして導出される。低域増幅回路26は、演算増幅器OP4、抵抗R6〜R9、キャパシタC7,C8により、音響周波数領域を超える高周波成分を遮断するように構成されている。この低域増幅回路26は直流域から音響周波数域までの伝達帯域を有する。したがって、マイクロホン出力Vaoはキャパシタによる交流結合で直流遮断してから利用される。
The detection output of the
LPF27は、上記低域増幅回路26の出力Vaoに含まれる直流分(超低周波信号)を抽出する。抽出した直流分は可変電圧発生回路21に電圧制御信号として与えられる。これにより、その直流分をゼロ抑圧するように上記第1電位+Vc1を負帰還制御する負帰還制御ループが形成されている。この負帰還制御により、上記容量分圧回路(Cr,Cm)の分圧点Aに現れる直流分もゼロ抑圧される。
The
LPF27は、図1には簡略化して示してあるが、時定数回路としてキャパシタCtとスイッチ回路S6によるスイッチドキャパシタを用いることにより、非常に小容量のキャパシタCtでも超低周波領域のLPFを実現することができる。これにより、大きな時定数を得るための大容量キャパシタを外付けすることを不要にし、検出回路部20も含めたマイクロホン全体をさらに小型化することができる。
Although the
上記分圧点Aに等価的に現れる差分容量は、感音キャパシタCmと基準キャパシタCrとの相殺により等価的に現れる容量であるが、基準キャパシタCrによって等価的に相殺される容量いわゆるカウンター容量は、その基準キャパシタCrの容量(Cr)と第1電位+Vc1をパラメータとし、第1電位+Vc1が高いほど上記カウンター容量の等価値は増大し、低い場合はその逆となる。つまり、上記カウンター容量は第1電位+Vc1によって可変制御される。したがって、その第1電位+Vc1を上記負帰還制御ループで制御することにより、感音キャパシタCmのベース容量を主とする固定的なノミナル容量だけを過不足無く相殺させることができる。 The differential capacitance that appears equivalently at the voltage dividing point A is a capacitance that appears equivalently due to the cancellation of the sound sensing capacitor Cm and the reference capacitor Cr. Using the capacitance (Cr) of the reference capacitor Cr and the first potential + Vc1 as parameters, the higher the first potential + Vc1, the greater the equivalent value of the counter capacitance, and vice versa. That is, the counter capacitance is variably controlled by the first potential + Vc1. Therefore, by controlling the first potential + Vc1 by the negative feedback control loop, it is possible to cancel out only the fixed nominal capacity mainly including the base capacity of the sound sensing capacitor Cm.
これにより、感音キャパシタCmのベース容量が1〜数[pF]という微小容量であり、かつ音圧による容量変化がその微小容量の1000分の1以下という極微小であっても、固定的なノミナル容量だけを相殺して、その極微小の容量変化を高SN比で検出することができる。この検出動作により、感音キャパシタCmが極微小容量変化として捉えた音響を電圧変換することができる。 As a result, even if the base capacitance of the sound-sensitive capacitor Cm is 1 to several [pF] and the capacitance change due to the sound pressure is as extremely small as 1/1000 or less of the capacitance, it is fixed. Only the nominal capacity can be canceled out, and the extremely small capacity change can be detected with a high S / N ratio. By this detection operation, the sound sensed by the sound sensing capacitor Cm as a very small capacitance change can be converted into a voltage.
以上のようにして、超小型感音キャパシタの音圧による極微小な容量変化の検出を妨げる固定的なノミナル容量の影響を回避することができ、これにより、MEMS等で作製された超小型感音キャパシタを用いた静電容量型マイクロホンを、研究・実験的な規模ではなく、たとえば携帯機器組込み用として量産に適した産業的な規模で実用化することが可能となっている。 As described above, it is possible to avoid the influence of a fixed nominal capacitance that hinders detection of an extremely small change in capacitance due to the sound pressure of the ultra-small acoustic sensor capacitor. Capacitive microphones using sound capacitors can be put to practical use not on a research / experimental scale but on an industrial scale suitable for mass production, for example, for use in mobile devices.
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、上記負帰還制御は、第2電位−Vc2または第1と第2の両電位+Vc1,−Vc2に対して行うようにしてもよい。また、上記負帰還制御は、たとえば上記LPF27によって抽出された直流分を増幅し、この増幅によって得られる電圧を上記第1電位+Vc1および/または上記第2電位−Vc2に重畳させることによっても行わせることが可能である。
As described above, the present invention has been described based on the typical embodiments. However, the present invention can have various modes other than those described above. For example, the negative feedback control may be performed on the second potential −Vc2 or both the first and second potentials + Vc1 and −Vc2. The negative feedback control is also performed by, for example, amplifying a DC component extracted by the
MEMS等で作製された超小型感音キャパシタを用いた静電容量型マイクロホンを、研究・実験的な規模ではなく、たとえば携帯機器組込み用として量産に適した産業的な規模で実用化することが可能になる。 Capacitive microphones using ultra-small sound-sensitive capacitors manufactured by MEMS or the like may be put into practical use on an industrial scale suitable for mass production, for example, for mobile device incorporation, rather than on a research / experimental scale It becomes possible.
Cm 超小型感音キャパシタ
Cr 基準キャパシタ(カウンター容量)
+Vc1 第1電位
−Vc2 第2電位
IC1 半導体チップ(超小型感音キャパシタ)
IC2 半導体チップ(検出回路部)
S1,S2 充放電スイッチ回路
20 検出回路部
21 可変電圧発生回路
23 電荷量/電圧変換回路
24 中間増幅回路
25 SH回路(検波回路)
26 低域増幅回路
27 LPF
31 スイッチング制御回路
Cm Ultra-small sound sensor capacitor Cr standard capacitor (counter capacity)
+ Vc1 1st potential -Vc2 2nd potential IC1 Semiconductor chip (ultra-small sound sensing capacitor)
IC2 Semiconductor chip (detection circuit part)
S1, S2 charge /
26
31 Switching control circuit
Claims (9)
(1)感音キャパシタと、基準キャパシタと、第1スイッチと、第2スイッチと、スイッチ制御回路と、基準電圧発生回路と、校正電圧発生回路と、電荷量/電圧変換回路と、検波回路と、低域通過フィルタとを備えること
(2)感音キャパシタの一端と基準キャパシタの一端が接続され、その接続点が電荷量/電圧変換回路の入力に接続されていること
(3)感音キャパシタの他端は、第1スイッチにより、基準電圧発生回路の出力と、接地電位点とに切り替え接続されること
(4)基準キャパシタの他端は、第2スイッチにより、校正電圧発生回路の出力と、接地電位点とに切り替え接続されること
(5)基準電圧発生回路は、一定電圧を出力すること
(6)校正電圧発生回路は、基準電圧発生回路の出力電圧と逆極性で、低域通過フィルタの出力に応じて変化する電圧を出力すること
(7)スイッチ制御回路は、第1スイッチと第2スイッチを同時に接地電位点に接続する第1接続状態と、第1スイッチを基準電圧発生回路の出力に接続し、同時に第2スイッチを校正電圧発生回路の出力に接続する第2接続状態とを、一定周期で高速に繰り返させること
(8)電荷量/電圧変換回路は、第1スイッチ、第2スイッチと同期動作し、第1接続状態において入力される電荷量に比例した電圧を出力すること
(9)検波回路は、電荷量/電圧変換回路の出力から音声信号成分を検波すること
(10)低域通過フィルタは、検波回路の出力の低周波成分を抽出して校正電圧発生回路に入力すること A capacitive microphone specified by the following items (1) to (10).
(1) A sound sensor capacitor, a reference capacitor, a first switch, a second switch, a switch control circuit, a reference voltage generation circuit, a calibration voltage generation circuit, a charge / voltage conversion circuit, and a detection circuit (2) One end of the sound sensor capacitor and one end of the reference capacitor are connected, and the connection point is connected to the input of the charge amount / voltage conversion circuit. (3) The sound sensor capacitor The other end of the reference capacitor is switched and connected to the output of the reference voltage generating circuit and the ground potential point by the first switch. (4) The other end of the reference capacitor is connected to the output of the calibration voltage generating circuit by the second switch. (5) The reference voltage generation circuit outputs a constant voltage. (6) The calibration voltage generation circuit has a polarity opposite to that of the output voltage of the reference voltage generation circuit and passes through a low frequency range. Phi (7) The switch control circuit includes a first connection state in which the first switch and the second switch are simultaneously connected to the ground potential point, and the first switch as a reference voltage generation circuit. And a second connection state in which the second switch is simultaneously connected to the output of the calibration voltage generation circuit at a constant cycle and at a high speed. (8) The charge amount / voltage conversion circuit includes the first switch, Synchronizing with the second switch and outputting a voltage proportional to the amount of charge input in the first connection state (9) The detection circuit detects an audio signal component from the output of the charge amount / voltage conversion circuit ( 10) For the low-pass filter, extract the low-frequency component of the detector circuit output and input it to the calibration voltage generator circuit.
(21)音圧により静電容量変化を生じる感音キャパシタと、固定容量の基準キャパシタが直列接続されて容量分圧回路を形成する。
(22)上記容量分圧回路の両端を共通基準電位に接続する第1接続モードと、上記容量分圧回路の両端を共通基準電位に対して互いに逆極性の第1電位と第2電位に接続する第2接続モードとを交互に切り替え設定する充放電スイッチ回路と、この充放電スイッチ回路の切り替え動作を音響信号の周波数領域よりも十分に高い周波数で行わせるスイッチング制御手段を備える。
(23)上記充放電スイッチ回路の切り替えに同期動作し、上記第1接続モードの設定ごとに、上記容量分圧回路の分圧点と上記共通基準電位の間に等価的に現れる差分容量の充電電荷量をパルス電圧に変換して出力する電荷量/電圧変換回路を備える。
(24)上記電荷量/電圧変換回路の出力から音響周波数領域までの周波数領域の信号を抽出する検波回路を備える。
(25)上記検波回路の出力から直流分を抽出する低域通過フィルタを有し、この低域通過フィルタの出力を用いて上記第1電位または上記第2電位の少なくとも一方を可変制御することにより、上記直流分をゼロ抑圧させる負帰還制御ループが形成される。 Capacitance type microphone specified by the following items (21) to (25).
(21) A sound-sensing capacitor that generates a change in capacitance due to sound pressure and a fixed-capacitance reference capacitor are connected in series to form a capacitance voltage dividing circuit.
(22) A first connection mode in which both ends of the capacitive voltage dividing circuit are connected to a common reference potential, and both ends of the capacitive voltage dividing circuit are connected to a first potential and a second potential having opposite polarities with respect to the common reference potential. A charge / discharge switch circuit that alternately switches and sets the second connection mode, and switching control means for performing a switching operation of the charge / discharge switch circuit at a frequency sufficiently higher than the frequency region of the acoustic signal.
(23) The differential capacitor that operates synchronously with the switching of the charge / discharge switch circuit and that appears equivalently between the voltage dividing point of the capacitor voltage dividing circuit and the common reference potential is set every time the first connection mode is set. A charge amount / voltage conversion circuit that converts the charge amount into a pulse voltage and outputs the pulse voltage is provided.
(24) A detection circuit for extracting a signal in a frequency domain from the output of the charge amount / voltage conversion circuit to the acoustic frequency domain is provided.
(25) having a low-pass filter that extracts a direct current component from the output of the detection circuit, and variably controlling at least one of the first potential or the second potential using the output of the low-pass filter Thus, a negative feedback control loop for suppressing the DC component to zero is formed.
(81)音圧により静電容量変化を生じる感音キャパシタと、固定容量の基準キャパシタとを備える。
(82)上記感音キャパシタと上記基準キャパシタを互いに逆極性の電位で充電することにより両キャパシタ間で容量の等価的な相殺を行わせる。
(83)上記相殺によって等価的に抽出される差分容量の充電電荷量を電圧変換する電荷量/電圧変換回路を備える。
(84)上記電圧変換出力からマイクロホン出力としての音響信号を取り出すとともに、その電圧変換出力に含まれる直流分を抽出する。
(85)上記直流分を上記基準キャパシタまたは上記感音キャパシタの少なくとも一方の充電電位に帰還させることよりその直流分をゼロ抑圧させる負帰還制御ループが形成されている。 The capacitance type microphone specified by the following items (81) to (85).
(81) A sound-sensitive capacitor that generates a change in capacitance due to sound pressure, and a fixed-capacitance reference capacitor.
(82) The sound-sensing capacitor and the reference capacitor are charged with potentials of opposite polarities, thereby equivalently canceling the capacitance between the two capacitors.
(83) A charge amount / voltage conversion circuit that converts the charge amount of the differential capacitance that is equivalently extracted by the cancellation to voltage conversion is provided.
(84) An acoustic signal as a microphone output is extracted from the voltage conversion output, and a direct current component included in the voltage conversion output is extracted.
(85) A negative feedback control loop is formed in which the DC component is zero-suppressed by feeding back the DC component to the charging potential of at least one of the reference capacitor or the sound sensing capacitor.
9. The capacitive voltage dividing circuit according to claim 8, wherein the sound sensing capacitor and the reference capacitor are connected in series to form a capacitive voltage dividing circuit. By connecting to the potential and charging, the capacitance difference of both capacitors appears equivalently at the voltage dividing point of the capacitance voltage dividing circuit, and the charge amount / voltage conversion circuit converts the charge of the capacitance difference into voltage. Capacitance type microphone characterized by that.
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