JP2010141561A

JP2010141561A - マイクロフォン装置

Info

Publication number: JP2010141561A
Application number: JP2008315530A
Authority: JP
Inventors: Motomitsu Iwamoto; 基光岩本
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】本発明の目的は、部品、特に外付け部品を追加することなく、チャージポンプ回路の急峻な出力電圧変化から生じるノイズを抑制することが可能なマイクロフォン装置を提供することにある。
【解決手段】チャージポンプ回路２によって電源電圧を昇圧し、昇圧した直流電圧をコンデンサマイクロフォン３に印加するマイクロフォン装置１において、コンデンサマイクロフォン３の出力を増幅し、入力されたミュート信号に応じて増幅動作をオン・オフする増幅回路５と、チャージポンプ回路２の出力が急峻な電圧変化を生じている間において増幅回路５の増幅動作をオフするミュート信号を出力することによって、チャージポンプ回路２の急峻な電圧変化によって生じるノイズを抑制するように構成された動作制御回路４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサマイクロフォンを用いたマイクロフォン装置に関し、より詳細には、高い直流電圧を印加することによって作動するコンデンサマイクロフォンを備えた装置に関する。

コンデンサマイクロフォンを作動させるためには、動作原理上、振動膜間にバイアス電圧を加える必要がある。例えば、エレクトレットコンデンサマイクロフォン（ＥＣＭ）では、該マイクロフォンに半永久的に電荷を保持させて振動膜間に電圧を印加している。また、シリコンマイクのように、マイクロフォン自体に電荷を保持することができない場合は、外部から直流電圧を印加している。このように、マイクロフォンに外部から直流電圧を印加する場合、電源電圧よりも高い直流電圧を印加するケースが多い。
従来、コンデンサマイクロフォンに印加する高い直流電圧を得るために、チャージポンプ回路によって電源電圧を昇圧する方法が採用されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。特許文献１及び特許文献２にはチャージポンプ回路を備えたコンデンサマイクロフォン装置が開示されている。チャージポンプ回路は、複数のコンデンサを備えており、これらのコンデンサの接続状態を次々と切り替えることによって、電圧を昇圧するものである。

特許文献１のチャージポンプ回路は、複数のコンデンサと複数のダイオードとを多段に接続し、各段にＨ又はＬレベルの信号を加えるように構成されている。そして、このＨ又はＬレベルの信号によってコンデンサの基準電位を次々と切り替えて、電源電圧を順次昇圧している。特許文献２のチャージポンプ回路は、特許文献１のチャージポンプ回路のダイオードをダイオード接続された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に置き換えた構成となっている。その他の構成，動作は特許文献１のものと同様である。
特開２００６−１９１３６０号公報特開２００６−８７０７４号公報

しかしながら、チャージポンプ回路は、前述のように、充電された複数のコンデンサの基準電位を次々と切り替えていくように構成されているため、基準電位の切替時において、チャージポンプ回路の出力電圧が急峻に変化してしまうという問題を有している。この急峻な電圧変化はコンデンサマイクロフォンの出力信号を変化させるので、ノイズとなって増幅回路から出力される。したがって、チャージポンプ回路を使用した場合、ＳＮＲ（Signal Noise Ratio: 信号対ノイズ比）が劣化することになる。

図１０は、上記ノイズを抑制する手段を設けたマイクロフォン装置を示す。マイクロフォン装置は、コンデンサマイクロフォン６２（容量値：数ｐＦ〜１０ｐＦ程度）と、コンデンサマイクロフォン６２に直流電圧を印加するチャージポンプ回路６１と、コンデンサマイクロフォン６２の出力を増幅する増幅回路６４と、チャージポンプ回路６１の出力と増幅回路６４の入力と間に設けた平滑コンデンサ６３（容量値：１０００ｐＦ程度）とを備えている。
このマイクロフォン装置６０によれば、チャージポンプ回路６１における上記急峻な電圧変化が平滑コンデンサ６３によって平滑されるので、ＳＮＲが改善される。しかしながら、このＳＮＲ改善手法では、平滑コンデンサ６３という部品の追加が必要となるため、実装面積の拡大、コストの上昇等の問題を生じる。特に、集積回路を用いてマイクロフォン装置を構成する場合、１０００ｐＦ程度のコンデンサを集積回路に内蔵させことは難しいため、平滑コンデンサ６３は集積回路に対する外付け部品とせざるを得ない。このため、さらに実装面積の拡大、コストの上昇等の問題が大きくなる。

そこで、本発明の目的は、部品、特に集積回路を用いる場合に外付けとなる部品を追加することなく、チャージポンプ回路の急峻な出力電圧変化に起因して生じるノイズを抑制することが可能なマイクロフォン装置を提供することにある。

本発明に係るマイクロフォン装置は、上記目的を達成するために、加えられる音圧に応じて静電容量が変化するコンデンサマイクロフォンと、電源電圧を昇圧し、昇圧した電圧を前記コンデンサマイクロフォンに印加するチャージポンプ回路と、前記コンデンサマイクロフォンの出力を増幅し、入力されたミュート信号に応じて増幅動作をオン・オフする増幅回路と、前記チャージポンプ回路の出力が急峻な電圧変化を生じている間において前記増幅回路の増幅動作をオフするミュート信号を出力することによって、前記チャージポンプ回路の急峻な電圧変化によって生じるノイズを抑制するように構成された動作制御回路とを備える。
なお、上記コンデンサマイクロフォンには、例えば、シリコンマイク（単結晶シリコンのコンデンサ型マイクロフォン）等が含まれる。

前記動作制御回路は、前記チャージポンプ回路におけるコンデンサの基準電圧を切り替えるためにクロック信号を出力するように構成されても良い。
一例として、前記動作制御回路は、前記クロック信号の立ち上がりのタイミングにおいて前記増幅回路の増幅動作をオフするミュート信号を出力するように構成されている。
さらに一例として、前記動作制御回路は、前記クロック信号の立ち上がりのタイミングに加えて、前記クロック信号の立ち下がりのタイミングにおいても、前記増幅回路の増幅動作をオフするミュート信号を出力するように構成されている。
なお、上記「クロック信号の立ち上がりのタイミング」及び「クロック信号の立ち下がりのタイミング」とは、クロック信号の立ち上がり及び立ち下がり現象における瞬間的な時点を示すものではなく、立ち上がり前後及び立ち下がり前後に亘るある一定の時間幅を示すものである。

本発明に係るマイクロフォン装置において、動作制御回路は、チャージポンプ回路の出力が急峻な電圧変化を生じている間において増幅回路の増幅動作をオフするように増幅回路を制御している。増幅回路の増幅動作が停止すると、増幅回路の入力が変化してもその出力は変化しないため、ノイズは出力されない。したがって、外付け部品を追加することなく、チャージポンプ回路の急峻な出力電圧変化に起因して生じるノイズを抑制することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を添付の図を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態に係るマイクロフォン装置１は、コンデンサマイクロフォン３と、コンデンサマイクロフォン３に接続したチャージポンプ回路２及び増幅回路５と、チャージポンプ回路２及び増幅回路５に接続した動作制御回路４とを備えている。

コンデンサマイクロフォン３は、印加された音圧に応じてその静電容量が変化する。チャージポンプ回路２は電源電圧を入力とし、該電圧を昇圧して出力する。出力された直流電圧は、高抵抗を介してコンデンサマイクロフォン３の電極間に印加される。この直流電圧の印加によって、音圧に対応したコンデンサマイクロフォン３の静電容量の変化を、それに比例した電圧の変化として取り出すことができる。
増幅回路５は、コンデンサマイクロフォン３の出力を増幅して音声信号として出力する。

図２にチャージポンプ回路２の一例を示す。このチャージポンプ回路２は、ダイオード１１とコンデンサ１２とからなるチャージ回路、ダイオード１３とコンデンサ１４とからなるチャージ回路、ダイオード１５とコンデンサ１６からなるチャージ回路、ダイオード１７とコンデンサ１８からなるチャージ回路、及びダイオード１９とコンデンサ２０とからなるチャージ回路を多段接続した構成を有する。

コンデンサ１２，１６の基準電圧端子（図における下方の端子）は、それぞれインバータ２２の出力に接続され、また、コンデンサ１４，１８の基準電圧端子は、それぞれインバータ２４の出力に接続されている。コンデンサ２０の基準電圧端子は接地されている。インバータ２２の入力には、動作制御回路４からクロック信号ＣＫが加えられ、また、インバータ２４の入力には、インバータ２３を介して上記クロック信号ＣＫを反転した信号が加えられる。

次にこのチャージポンプ回路２の動作について説明する。なお、以下の説明においては、ダイオード１１，１３，１５，１７及び１９の順方向降下電圧を考慮していない。クロック信号ＣＫがＨレベルのときには、コンデンサ１２の基準電圧端子がＬレベル（接地レベル）の状態となる。したがって、コンデンサ１２は、その端子電圧がほぼ電源１０の出力電圧になるまでダイオード１１を介してチャージされる。クロック信号ＣＫがＬレベルの状態になると、コンデンサ１２の基準電圧端子がインバータ２２を介してＨレベル状態になり、また、コンデンサ１４の基準端子電圧が、インバータ２３，２４を介してＬレベル状態になる。この結果、コンデンサ１２の端子電圧（図における上方の端子の電圧）がコンデンサ１２のチャージ電圧にクロック信号ＣＫのＨレベル電位を加えた電圧になり、ダイオード１３を介してコンデンサ１２と１４の端子電圧が等しくなるまでコンデンサ１２の電荷がコンデンサ１４に分配・チャージされる。クロック信号ＣＫが再びＨレベルの状態になると、コンデンサ１２への再チャージが実行され、同時に、コンデンサ１６へのチャージが開始される。このとき、コンデンサ１４の基準電圧端子はＨレベルの状態にある。したがって、コンデンサ１４の端子電圧がコンデンサ１４にチャージされた電圧にクロック信号ＣＫのＨレベル電位を加えた電圧になり、ダイオード１５を介してコンデンサ１４と１６の端子電圧が等しくなるまでコンデンサ１４の電荷がコンデンサ１６に分配・チャージされる。このように、チャージポンプ回路２は、各コンデンサ１２，１４，１６，１８の基準電圧を次々と切り替えていくことによって、入力された電源電圧を昇圧する作用を示す。

図３に増幅回路５の一例を示す。この増幅回路５は、入力抵抗３１と帰還抵抗３３を有する反転増幅器３２と、入力抵抗３８と帰還抵抗４０を有する反転増幅器３９とを備えている。３４は定電圧源である。コンデンサマイクロフォン３の出力は、入力抵抗３１を介して反転増幅器３２の反転入力端子に接続されている。反転増幅器３２の出力は、ミュートスイッチ３５と入力抵抗３８とを介して反転増幅器３９の反転入力端子に接続されている。

ミュートスイッチ３５は、動作制御回路４から入力される後述のミュート信号（信号Ｅ又は信号Ｇ）に応じてオン・オフされる。ミュートスイッチ３５は、ミュート信号に応じてオン・オフ動作する構成要素であれば良いので、例えば、トランスファーゲートであっても良い。
一例として、入力抵抗３１と帰還抵抗３３とに１ｋΩの抵抗を使用し、入力抵抗３８に１０ｋΩの抵抗を、帰還抵抗４０に２０ｋΩの抵抗を、コンデンサ３７に１００ｎＦのコンデンサを使用して、増幅回路５を構成しても良い。
なお、増幅動作の停止時、すなわちミュート動作時において、急激な電圧変動を防止するために、入力抵抗３８と接地間にコンデンサ３７を設けている。

図４に動作制御回路４の一例を示し、図５に該動作制御回路４の動作を説明するためのタイムチャートを示す。図４に示すように、動作制御回路４は、直列接続した８段のインバータ４５，４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２を遅延素子として備えている。インバータ４５には、図示していないパルス発生器から所定周波数のパルス信号Ａが入力される。このインバータ４５から出力される信号Ｂは、図５に示すように、信号Ａに対して若干遅延され且つ極性が反転されている。信号Ｂは、インバータ４６，４７，４８によって遅延反転処理された後、クロック信号ＣＫとしてチャージポンプ回路２に出力されると共にインバータ４９に入力される。

インバータ４９に入力された信号は、インバータ４９，５０，５１，５２によって遅延反転処理された後、信号ＤとしてＡＮＤ回路５３の一方の入力に加えられる。ＡＮＤ回路５３の他方の入力には、インバータ４５の出力信号Ｂが加えられる。その結果、ＡＮＤ回路５３からは、信号Ｆが出力される。別のＡＮＤ回路５４は、一方及び他方の入力に、信号Ａ及び信号Ｃがそれぞれ加えられ、このＡＮＤ回路５４からは信号Ｅが出力される。信号Ｆと信号ＥはＯＲ回路５５を介して信号Ｇとして出力される。なお、信号Ｇは、信号Ａと信号Ｄの排他的論理和に相当する。

本実施形態においては、信号Ｅと信号Ｇとを選択的にミュート信号として用いることができる。図５に示すように、信号Ｅ（ミュート信号１）はクロック信号ＣＫの立ち上がりの前後に亘る期間Ｔ_ｆにおいてＨレベルとなる。これに対して、信号Ｇ（ミュート信号２）は、クロック信号ＣＫの立ち上がり前後に亘る期間Ｔ_ｆに加えて、クロック信号ＣＫの立ち下がり前後に亘る期間Ｔ_ｒにおいてもＨレベルとなる。

次に本実施形態におけるマイクロフォン装置１の動作について説明する。
図２に示すチャージポンプ回路２は、図４に示す動作制御回路４からのクロック信号ＣＫの入力に基づき高電圧Ｖ_ｏｕｔを連続的に出力する。この電圧Ｖ_ｏｕｔが印加されたコンデンサマイクロフォン３は、音圧変化に対応した信号を出力する。そしてこのコンデンサマイクロフォン３の出力信号は図３に示す増幅回路５の反転増幅器３２，３９によって増幅される。

ところで、チャージポンプ回路２は、コンデンサ１２，１４，１６，１８，２０の容量に応じて出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動形態が異なる。これらのコンデンサの容量が大きい場合、例えば、コンデンサ１２，１４，１６，１８の容量を１０ｎＦとし、コンデンサ２０の容量を５ｎＦとした場合では、図６に例示するように、入力されるクロック信号ＣＫの立ち上がりタイミングにおいて出力電圧Ｖ_ｏｕｔが急変動する。

一方、コンデンサ１２，１４，１６，１８，２０の容量が小さい場合、例えば、コンデンサ１２，１４，１６，１８の容量値を５０ｐＦとし、コンデンサ２０の容量を２５ｐＦとした場合、図７に示すように、入力されるクロック信号ＣＫの立ち上がり及び立ち下がりタイミングの双方において、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが急変動する。
そこで、まず図６に示すように出力電圧Ｖ_ｏｕｔが急変動するチャージポンプ回路２を用いた場合において、本実施形態に係る動作制御回路４及び増幅回路５の動作を説明する。

本実施形態に係る上記動作を説明するために、まず、図３に示すミュートスイッチ３５がミュート動作しない場合、つまりミュートスイッチ３５が閉成した状態（実質的には従来のマイクロフォン装置に相当する状態）を想定する。この場合、図８に拡大して示すように、クロック信号ＣＫの立ち上がりタイミングにおける電圧Ｖ_ｏｕｔの変動（図８のチャージポンプ回路出力Ｖ_ｏｕｔにおいて変動箇所を丸で囲んで示す）のため、増幅回路５の出力信号Ｓ_Ａにノイズが重畳することになる（図８の増幅回路出力Ｓ_Ａにおいてノイズ箇所を丸で囲んで示す）。

しかしながら、本実施形態におけるマイクロフォン装置１は、増幅回路５のミュートスイッチ３５を用いたミュート動作によって上記ノイズの発生を防止することができる。すなわち、前述したように、動作制御回路４からは、図５に示すミュート信号Ｅ（ミュート信号１）が出力される。このミュート信号Ｅは図９に示すように、チャージポンプ回路２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔの変動期間（図９のチャージポンプ回路出力Ｖ_ｏｕｔにおいて矢印で示す）においてＨレベルとなっている。ミュート信号Ｅは図３に示す増幅回路５のミュートスイッチ３５に与えられて、ミュート信号ＥがＨレベルのとき、ミュートスイッチ３５を開状態（オフ状態）にする。したがって、上記電圧変動期間において、増幅回路５の増幅動作は停止し、その入力が変化しても出力は変化しなくなる。この結果、チャージポンプ回路２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ変化に伴うノイズが増幅回路５の出力に重畳されない（図９における増幅回路出力Ｓ_Ａに示す丸囲みを参照）。
なお、増幅回路５においては、コンデンサ３７によってミュート動作直前の電圧が保持されるため、ミュート動作時に増幅回路５から出力される電圧が急激に変動することはない。
上記のように、本実施形態におけるマイクロフォン装置１によれば、チャージポンプ回路２の急峻な出力電圧変化に起因して生じるノイズを平滑コンデンサ等の外付け部品を追加することなく、抑制することができる。

次に、図７に示すように出力電圧Ｖ_ｏｕｔが急変動するチャージポンプ回路２を用いた場合、すなわち、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがクロック信号ＣＫの立ち上がり及び立ち下がりタイミングの双方において急変動するチャージポンプ回路２を用いた場合における、本実施形態の動作を説明する。
このような場合には、動作制御回路４から図５に示すミュート信号Ｇ（ミュート信号２）が出力される。ミュート信号Ｇはクロック信号ＣＫの立ち上がり前後に亘る期間及び立ち下がり前後に亘る期間においてＨレベルとなっている。ミュート信号Ｇは図３に示すミュートスイッチ３５に与えられて、ミュート信号ＧがＨレベルのとき、ミュートスイッチ３５を開状態（オフ状態）にする。これにより、クロック信号ＣＫの立ち上がり前後に亘る期間及び立ち下がり前後に亘る期間の双方において、増幅回路５の増幅動作を停止させ、チャージポンプ回路２の出力電圧変動に起因したノイズを抑制することができる。
例えば、マイクロフォン装置を集積回路として実現する場合、コンデンサの容量を大きくすることができない。このような場合には、上記のように、上記ミュート信号Ｇを用いて、クロック信号ＣＫの立ち下がりタイミングにおけるノイズも抑制することが有効である。

以上、本発明の一実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

本実施形態に係るマイクロフォン装置の模式的な回路図である。本実施形態に係るチャージポンプ回路の模式的な回路図である。本実施形態に係る増幅回路の模式的な回路図である。本実施形態に係る動作制御回路の模式的な回路図である。本実施形態に係る動作制御回路の動作を示す信号の波形図である。本実施形態に係るチャージポンプ回路において、コンデンサの容量値が大きい場合のチャージポンプ回路出力波形を示す波形図である。本実施形態に係るチャージポンプ回路において、コンデンサの容量値が小さい場合のチャージポンプ回路出力波形を示す波形図である。ミュートスイッチがミュート動作しない場合のマイクロフォン装置における各出力波形を示す波形図である。本実施形態に係るマイクロフォン装置における各出力波形を示す波形図である。従来のマイクロフォン装置の模式的な回路図である。

符号の説明

１マイクロフォン装置
２チャージポンプ回路
３コンデンサマイクロフォン
４動作制御回路
５増幅回路
３２反転増幅器
３５スイッチ
３９反転増幅器

Claims

加えられる音圧に応じて静電容量が変化するコンデンサマイクロフォンと、
電源電圧を昇圧し、昇圧した電圧を前記コンデンサマイクロフォンに印加するチャージポンプ回路と、
前記コンデンサマイクロフォンの出力を増幅し、入力されたミュート信号に応じて増幅動作をオン・オフする増幅回路と、
前記チャージポンプ回路の出力が急峻な電圧変化を生じている間において前記増幅回路の増幅動作をオフするミュート信号を出力することによって、前記チャージポンプ回路の急峻な電圧変化によって生じるノイズを抑制するように構成された動作制御回路と
を備える、マイクロフォン装置。
前記動作制御回路は、前記チャージポンプ回路におけるコンデンサの基準電圧を切り替えるためにクロック信号を出力するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォン装置。
前記動作制御回路は、前記クロック信号の立ち上がりのタイミングにおいて前記増幅回路の増幅動作をオフするミュート信号を出力するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロフォン装置。
前記動作制御回路は、さらに、前記クロック信号の立ち下がりのタイミングにおいて前記増幅回路の増幅動作をオフするミュート信号を出力するように構成されていることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロフォン装置。