JP4129108B2 - マイクロフォン用フィルタおよびマイクロフォン装置 - Google Patents
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体チップ内に形成され、エレクトレットコンデンサ等の音圧を感知する素子を備えるマイクロフォン装置、およびマイクロフォン装置の出力信号のうち音声信号として不要な直流成分や低周波成分を除去するマイクロフォン用フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロフォン装置およびマイクロフォン用フィルタを図４に示す。図４においては、マイクロフォン装置ＭＵ２としてエレクトレットコンデンサＥＣを備えるマイクロフォン装置を例示している。エレクトレットコンデンサＥＣは音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Ｖｉｎが発生する。エレクトレットコンデンサＥＣの一端には接地電位ＧＮＤが与えられる。そして、エレクトレットコンデンサＥＣの両端には、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１およびＮチャネルＭＯＳ型のトランジスタＴ１，Ｔ２からなるインピーダンス変換回路が接続される。具体的には、ダイオードＤ１のアノードがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に、カソードがエレクトレットコンデンサＥＣの他端にそれぞれ接続される。また、ダイオードＤ２については、ダイオードＤ１に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサＥＣの両端に接続される。さらに、抵抗Ｒ１がエレクトレットコンデンサＥＣの両端に並列に接続される。また、トランジスタＴ１のソースがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサＥＣの他端に接続される。トランジスタＴ１のドレインにはトランジスタＴ２のソースが接続される。そして、トランジスタＴ２のドレインには電源電位Ｖddが、ゲートには一定電位Ｖref2がそれぞれ与えられる。また、トランジスタＴ１，Ｔ２のバックゲートには接地電位ＧＮＤが与えられる。
【０００３】
トランジスタＴ１のゲート−ソース間の電圧は、入力信号Ｖinが与えられないときにはダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１によって０Ｖに維持される。入力信号Ｖinが与えられたときには、トランジスタＴ１のゲート−ソース間の電圧が変動する。そして、それに伴ってドレイン−ソース間に流れる電流が変化する。なお、トランジスタＴ１はデプリーション型であり、ゲート−ソース間電圧が０Ｖであってもドレイン−ソース間には電流が流れている。トランジスタＴ１のドレイン−ソース間電流の変化により、トランジスタＴ２のドレイン−ソース間に流れる電流も変化し、トランジスタＴ２のゲート−ソース間電圧が変動する。そして、このトランジスタＴ２のソースにおける電位の変動が出力信号Ｖout2となる。
【０００４】
また、図４に示すように、マイクロフォン用フィルタＦＴ２は、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ４からなるＣＲ回路で構成されている。コンデンサＣ１の一端にはマイクロフォン装置ＭＵ２からの出力信号Ｖout2が与えられ、コンデンサＣ１の他端には抵抗Ｒ４の一端が接続される。また、抵抗Ｒ４の他端には一定電位Ｖref1が与えられる。
【０００５】
マイクロフォン用フィルタＦＴ２は、抵抗Ｒ４での電圧降下を出力することで出力信号Ｖout2に含まれる直流成分や低周波成分を除去する。出力信号Ｖout2は音声信号として機能するため、その周波数領域はおよそ１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚでよい。そのために音声信号として不要な直流成分や低周波成分が出力信号Ｖout2から除去される。
【０００６】
マイクロフォン用フィルタＦＴ２の出力は増幅器に入力される。図４においては、ボルテージフォロアと反転増幅器とを含む増幅器を例示している。すなわち、マイクロフォン用フィルタＦＴ２の出力は演算増幅器ＯＰ１の正入力端に入力される。演算増幅器ＯＰ１の負入力端には演算増幅器ＯＰ１の出力が入力され、演算増幅器ＯＰ１はボルテージフォロアとして機能する。そして、演算増幅器ＯＰ１の出力は、抵抗Ｒ２を介して演算増幅器ＯＰ２の負入力端に入力される。また、演算増幅器ＯＰ２の負入力端には演算増幅器ＯＰ２の出力Ｖout3も抵抗Ｒ３を介して入力され、演算増幅器ＯＰ２は反転増幅器として機能する。なお、演算増幅器ＯＰ２の正入力端には一定電位Ｖref1が与えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロフォン用フィルタＦＴ２は、コンデンサＣ１の容量値をＣとし、抵抗Ｒ４の抵抗値をＲとすれば、カットオフ周波数ｆ＝１／（２πＣＲ）で直流成分や低周波成分を出力信号Ｖout2から除去する。出力信号Ｖout2からおよそ１００Ｈｚ以下の低周波信号および直流成分を除去するには、容量値Ｃおよび抵抗値Ｒの積、すなわち時定数が大きな値でなければならず、例えば１μＦの容量値と１．６ｋΩの抵抗値あるいは１００ｐＦの容量値と１６ＭΩの抵抗値といった組み合わせが必要となる。このような大きな抵抗と容量との組み合わせを一つの半導体チップ内に形成しようとすれば、チップ面積が大きくなってしまい、半導体チップの小型化およびコスト削減を阻害する。よって、従来のマイクロフォン用フィルタＦＴ２は、マイクロフォン装置ＭＵ２を形成した半導体チップ内に収めることはできず、個別部品のコンデンサや抵抗を用いて構成しなければならなかった。
【０００８】
しかし、個別部品のコンデンサや抵抗を用いても、その部品代が高価であることや加工工程数が増加すること、マイクロフォン装置を形成した半導体チップ内に収められないことなどから、小型化およびコスト削減を図ることは困難であった。また、これに伴って増幅器もマイクロフォン装置を形成した半導体チップ内に収められることはなかった。
【０００９】
そこで、この発明の課題は、マイクロフォン装置と同じ半導体チップ内に形成することが可能で抵抗値および容量値を成分とする時定数が大きいマイクロフォン用フィルタを実現し、ひいてはマイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、一端とマイクロフォンの出力が入力される他端とを有するコンデンサと、前記コンデンサの前記一端に接続された第１電流電極と固定電位が与えられた第２電流電極と制御電極とを有する第１トランジスタと、第１電流電極と前記第１トランジスタの前記第２電流電極に接続された第２電流電極と前記第１トランジスタの前記制御電極に接続された制御電極とを有する第２トランジスタと、前記第２トランジスタの前記第１電流電極および前記制御電極に接続された定電流源とを備えるマイクロフォン用フィルタである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、半導体チップ内に形成されたマイクロフォンと、前記半導体チップ内に形成され、前記マイクロフォンの出力が前記コンデンサの他端に入力される請求項１に記載のマイクロフォン用フィルタとを備えるマイクロフォン装置である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のマイクロフォン装置であって、前記半導体チップ内に形成され、前記マイクロフォン用フィルタの前記第１トランジスタの前記第１電流電極に接続される入力端を有する増幅器をさらに備えるマイクロフォン装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置ＭＵ１を示したものである。図１においても、図４に示したマイクロフォン装置ＭＵ２と同様、例としてエレクトレットコンデンサＥＣを備えるマイクロフォン装置を示している。すなわち、エレクトレットコンデンサＥＣの一端には接地電位ＧＮＤが与えられ、エレクトレットコンデンサＥＣは音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Ｖｉｎが発生する。そして、ダイオードＤ１のアノードがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に、カソードがエレクトレットコンデンサＥＣの他端にそれぞれ接続される。また、ダイオードＤ２については、ダイオードＤ１に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサＥＣの両端に接続される。さらに、抵抗Ｒ１がエレクトレットコンデンサＥＣの両端に並列に接続される。また、トランジスタＴ１のソースがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサＥＣの他端に接続される。トランジスタＴ１のドレインにはトランジスタＴ２のソースが接続される。そして、トランジスタＴ２のドレインには電源電位Ｖddが、ゲートには一定電位Ｖref2がそれぞれ与えられる。また、トランジスタＴ１，Ｔ２のバックゲートには接地電位ＧＮＤが与えられる。
【００１５】
エレクトレットコンデンサＥＣ並びにダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１およびトランジスタＴ１，Ｔ２からなるインピーダンス変換回路の動作は、マイクロフォン装置ＭＵ２と同様であるので説明を省略する。
【００１６】
さて、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置ＭＵ１は半導体チップ内に形成されるが、この半導体チップ内にはさらにマイクロフォン用フィルタＦＴ１および増幅器も形成される。
【００１７】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１は、基本的には従来のマイクロフォン用フィルタＦＴ２と同様のＣＲ回路であるが、その抵抗にはカレントミラー回路のトランジスタが用いられる。すなわち、マイクロフォン用フィルタＦＴ１は、コンデンサＣ１、ＮチャネルＭＯＳ型のトランジスタＴ３，Ｔ４および定電流源ＩＳを備えており、トランジスタＴ３，Ｔ４および定電流源ＩＳがカレントミラー回路を構成する。コンデンサＣ１の一端にはマイクロフォン装置ＭＵ１からの出力信号Ｖout2が与えられる。そして、コンデンサＣ１の他端にはトランジスタＴ４のドレインが接続される。また、トランジスタＴ４のソースには一定電位Ｖref1が与えられる。トランジスタＴ３のソースにはトランジスタＴ４のソースが接続され、トランジスタＴ３のゲートにはトランジスタＴ４のゲートが接続される。そして、トランジスタＴ３のドレインには定電流源ＩＳの一端が接続され、さらにトランジスタＴ４のゲートが短絡される。定電流源ＩＳの他端には電源電位Ｖddが与えられる。なお、トランジスタＴ３，Ｔ４のバックゲートにも接地電位ＧＮＤが与えられる。
【００１８】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１は、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間での電圧降下を出力することでトランジスタＴ２のソースにおける出力信号に含まれる直流成分や低周波成分を除去する。
【００１９】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１の出力は増幅器に入力される。図１においても図４と同様、ボルテージフォロアと反転増幅器とを含む増幅器を例示している。すなわち、マイクロフォン用フィルタＦＴ１の出力は演算増幅器ＯＰ１の正入力端に入力される。演算増幅器ＯＰ１の負入力端には演算増幅器ＯＰ１の出力が入力され、演算増幅器ＯＰ１はボルテージフォロアとして機能する。そして、演算増幅器ＯＰ１の出力は、抵抗Ｒ２を介して演算増幅器ＯＰ２の負入力端に入力される。また、演算増幅器ＯＰ２の負入力端には演算増幅器ＯＰ２の出力Ｖout3も抵抗Ｒ３を介して入力され、演算増幅器ＯＰ２は反転増幅器として機能する。なお、演算増幅器ＯＰ２の正入力端には一定電位Ｖref1が与えられる。
【００２０】
さて、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗としてカレントミラー回路のトランジスタが用いられることの理由について以下に説明する。
【００２１】
例えばＭＯＳトランジスタの場合、ドレイン−ソース間電流ＩDSとドレイン−ソース間電圧ＶDSとの関係すなわち電流電圧特性は、一般に、ドレイン−ソース間電圧ＶDSの増加に伴ってドレイン−ソース間電流ＩDSが増加する抵抗性領域と、ドレイン−ソース間電圧ＶDSが増加してもドレイン−ソース間電流ＩDSが一定の値以上には増加しない定電流領域とに区分される。しかし、実際には、図２に示すように、定電流領域においてもドレイン−ソース間電圧ＶDSの増加に伴ってドレイン−ソース間電流ＩDSが若干増加する現象が見られる。この現象は、ドレイン端において発生した空乏層が実効的なチャネル長を変化させることから生じると考えられており、チャネル長変調効果と称される。このチャネル長変調効果は、次の数１および数２で表わされる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
【数２】
【００２４】
ここで、ＶGSはＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間電圧、ＶTはＭＯＳトランジスタの閾値電圧、λはチャネル長変調係数、βはゲイン定数、Ｗはチャネル幅、Ｌはチャネル長、μはチャネル表面でのキャリア移動度、ＣOXは単位面積あたりのゲート絶縁膜の容量値をそれぞれ表わしている。
【００２５】
なお、図２に示すように、チャネル長変調効果を考慮した定電流領域における各電流電圧特性をＶDS軸に向けて外挿すると、一つの交点に収束することが知られている。この交点までの電圧の絶対値はアーリー電圧ＶAと称され、その値は集積回路上のトランジスタにおいて５０〜１００Ｖ程度である。
【００２６】
このチャネル長変調効果は、見方を変えれば、ドレイン−ソース間電流ＩDSのわずかな変化によってドレイン−ソース間電圧ＶDSが大きく変化する現象、と考えることができる。すなわち、定電流領域におけるＭＯＳトランジスタは、大きな値の抵抗（微分抵抗）を有していると見ることができる。
【００２７】
よって、このことを利用すれば、個別部品の抵抗を用いずとも大きな値の抵抗を半導体チップ上に設けることができる。そして抵抗値が大きければ、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における容量値を大きな値にしなくて済む。これが、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗としてトランジスタが用いられる理由である。
【００２８】
ただし、一つのＭＯＳトランジスタに一定のゲート−ソース間電圧を与えて、そのときのドレイン−ソース間を抵抗として用いるだけでは、問題となる場合がある。例えば、温度変化により電流電圧特性が変化して、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗としての値が変動してしまうことが考えられる。その場合、カットオフ周波数ｆの値に大きく影響を与えるので、音声信号用のフィルタとしての機能を損なうこともありうる。
【００２９】
そのために、カレントミラー回路のトランジスタをマイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗として採用する。カレントミラー回路であれば、温度変化による特性の変動に対する耐性があり、また、それほど面積を増大させることなく半導体チップ内に形成することができる。
【００３０】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１では、トランジスタＴ３，Ｔ４のいずれのドレイン−ソース間にも、定電流源ＩＳから出力される電流と同じ値の定電流が流れる。しかし、上記のようにチャネル長変調効果が存在することから、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電圧ＶDSに変動があった場合には、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電流ＩDSが線形特性でわずかに変動する。つまり、トランジスタＴ４が大きな値の抵抗として機能することになる。
【００３１】
なお、図２の電流電圧特性を見れば分かるように、ゲート−ソース間電圧ＶGSが低いほど、すなわち、定電流領域におけるドレイン−ソース間電流ＩDSの値が低いほど、チャネル長変調効果は弱くなり、抵抗（定電流領域における微分抵抗）の値は無限大に近づく。よって、抵抗値を大きくするためには、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電流ＩDSが小さな値に保たれるよう定電流源ＩＳから出力される電流を絞っておき、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電圧ＶDSの変動に対してドレイン−ソース間電流ＩDSの変動が小さくなるようにしておけばよい。
【００３２】
また、チャネル長変調効果は、数２におけるゲイン定数βの値が大きくなることによっても弱まる。図３に示すように、ゲイン定数βの値が異なれば、アーリー電圧ＶAの値が変化するからである。なお、図３においては、β1＞β2、ＶA1＞ＶA2である。よって、抵抗値を大きくするためには、ゲイン定数βの値を大きくしておけばよい。そのためには、数２から分かるように、トランジスタＴ４のチャネル長Ｌを短く設計するか、またはチャネル幅Ｗを大きく設計すればよい。もちろんこれらのトランジスタサイズは、チップ面積等その他の要素を考慮しつつシミュレーションを行ったり試作品を作製、評価することによって決定される。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、ＭＯＳトランジスタのチャネル長変調効果を利用したが、もちろんバイポーラトランジスタのアーリー効果を用いても同様の効果がある。バイポーラトランジスタをトランジスタＴ３，Ｔ４に用いる場合には、上記のゲート、ドレイン、ソースをそれぞれベース、コレクタ、エミッタと読み替えればよい。
【００３４】
また、本実施の形態においてはマイクロフォン装置としてエレクトレットコンデンサを備えるものを例にとって説明したが、その他にも半導体チップ内に形成することが可能なマイクロフォン装置であれば、本発明を適用することができる。そのような例として、例えば半導体チップ内に形成された圧電型マイクロフォン素子などが考えられる。
【００３５】
本発明の実施の形態に係るマイクロフォン装置ＭＵ１を用いれば、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間の電流電圧特性におけるチャネル長変調効果による微分抵抗を抵抗として利用することができ、抵抗値および容量値を成分とする時定数が大きいマイクロフォン用フィルタを実現できる。また、トランジスタＴ３，Ｔ４および定電流源ＩＳがカレントミラー回路を構成するので、温度変化によるトランジスタＴ４の電流電圧特性の変動に対する耐性があり、また、それほど面積を増大させることなく半導体チップ内に形成することができる。
【００３６】
また、マイクロフォン用フィルタとマイクロフォンとを同じ半導体チップ内に備えるので、マイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【００３７】
また、増幅器をも同じ半導体チップ内に備えるので、さらにマイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、第１トランジスタの第１および第２電流電極間の電流電圧特性におけるチャネル長変調効果またはアーリー効果による微分抵抗を抵抗として利用することができ、抵抗値および容量値を成分とする時定数が大きいマイクロフォン用フィルタを実現できる。また、第１および第２トランジスタ並びに定電流源がカレントミラー回路を構成するので、温度変化による第１トランジスタの電流電圧特性の変動に対する耐性があり、また、それほど面積を増大させることなく半導体チップ内に形成することができる。
【００３９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のマイクロフォン用フィルタとマイクロフォンとを同じ半導体チップ内に備えるので、マイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【００４０】
請求項３に記載の発明によれば、増幅器をも備えるので、さらにマイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に係るマイクロフォン装置を示す図である。
【図２】 チャネル長変調効果およびアーリー電圧を説明する図である。
【図３】 ゲイン定数とアーリー電圧との関係を説明する図である。
【図４】 従来のマイクロフォン装置およびマイクロフォン用フィルタを示す図である。
【符号の説明】
Ｃ１ コンデンサ、Ｔ１〜Ｔ４ トランジスタ、ＩＳ 定電流源、ＥＣ エレクトレットコンデンサ、ＯＰ１，ＯＰ２ 演算増幅器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体チップ内に形成され、エレクトレットコンデンサ等の音圧を感知する素子を備えるマイクロフォン装置、およびマイクロフォン装置の出力信号のうち音声信号として不要な直流成分や低周波成分を除去するマイクロフォン用フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロフォン装置およびマイクロフォン用フィルタを図４に示す。図４においては、マイクロフォン装置ＭＵ２としてエレクトレットコンデンサＥＣを備えるマイクロフォン装置を例示している。エレクトレットコンデンサＥＣは音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Ｖｉｎが発生する。エレクトレットコンデンサＥＣの一端には接地電位ＧＮＤが与えられる。そして、エレクトレットコンデンサＥＣの両端には、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１およびＮチャネルＭＯＳ型のトランジスタＴ１，Ｔ２からなるインピーダンス変換回路が接続される。具体的には、ダイオードＤ１のアノードがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に、カソードがエレクトレットコンデンサＥＣの他端にそれぞれ接続される。また、ダイオードＤ２については、ダイオードＤ１に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサＥＣの両端に接続される。さらに、抵抗Ｒ１がエレクトレットコンデンサＥＣの両端に並列に接続される。また、トランジスタＴ１のソースがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサＥＣの他端に接続される。トランジスタＴ１のドレインにはトランジスタＴ２のソースが接続される。そして、トランジスタＴ２のドレインには電源電位Ｖddが、ゲートには一定電位Ｖref2がそれぞれ与えられる。また、トランジスタＴ１，Ｔ２のバックゲートには接地電位ＧＮＤが与えられる。
【０００３】
トランジスタＴ１のゲート−ソース間の電圧は、入力信号Ｖinが与えられないときにはダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１によって０Ｖに維持される。入力信号Ｖinが与えられたときには、トランジスタＴ１のゲート−ソース間の電圧が変動する。そして、それに伴ってドレイン−ソース間に流れる電流が変化する。なお、トランジスタＴ１はデプリーション型であり、ゲート−ソース間電圧が０Ｖであってもドレイン−ソース間には電流が流れている。トランジスタＴ１のドレイン−ソース間電流の変化により、トランジスタＴ２のドレイン−ソース間に流れる電流も変化し、トランジスタＴ２のゲート−ソース間電圧が変動する。そして、このトランジスタＴ２のソースにおける電位の変動が出力信号Ｖout2となる。
【０００４】
また、図４に示すように、マイクロフォン用フィルタＦＴ２は、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ４からなるＣＲ回路で構成されている。コンデンサＣ１の一端にはマイクロフォン装置ＭＵ２からの出力信号Ｖout2が与えられ、コンデンサＣ１の他端には抵抗Ｒ４の一端が接続される。また、抵抗Ｒ４の他端には一定電位Ｖref1が与えられる。
【０００５】
マイクロフォン用フィルタＦＴ２は、抵抗Ｒ４での電圧降下を出力することで出力信号Ｖout2に含まれる直流成分や低周波成分を除去する。出力信号Ｖout2は音声信号として機能するため、その周波数領域はおよそ１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚでよい。そのために音声信号として不要な直流成分や低周波成分が出力信号Ｖout2から除去される。
【０００６】
マイクロフォン用フィルタＦＴ２の出力は増幅器に入力される。図４においては、ボルテージフォロアと反転増幅器とを含む増幅器を例示している。すなわち、マイクロフォン用フィルタＦＴ２の出力は演算増幅器ＯＰ１の正入力端に入力される。演算増幅器ＯＰ１の負入力端には演算増幅器ＯＰ１の出力が入力され、演算増幅器ＯＰ１はボルテージフォロアとして機能する。そして、演算増幅器ＯＰ１の出力は、抵抗Ｒ２を介して演算増幅器ＯＰ２の負入力端に入力される。また、演算増幅器ＯＰ２の負入力端には演算増幅器ＯＰ２の出力Ｖout3も抵抗Ｒ３を介して入力され、演算増幅器ＯＰ２は反転増幅器として機能する。なお、演算増幅器ＯＰ２の正入力端には一定電位Ｖref1が与えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロフォン用フィルタＦＴ２は、コンデンサＣ１の容量値をＣとし、抵抗Ｒ４の抵抗値をＲとすれば、カットオフ周波数ｆ＝１／（２πＣＲ）で直流成分や低周波成分を出力信号Ｖout2から除去する。出力信号Ｖout2からおよそ１００Ｈｚ以下の低周波信号および直流成分を除去するには、容量値Ｃおよび抵抗値Ｒの積、すなわち時定数が大きな値でなければならず、例えば１μＦの容量値と１．６ｋΩの抵抗値あるいは１００ｐＦの容量値と１６ＭΩの抵抗値といった組み合わせが必要となる。このような大きな抵抗と容量との組み合わせを一つの半導体チップ内に形成しようとすれば、チップ面積が大きくなってしまい、半導体チップの小型化およびコスト削減を阻害する。よって、従来のマイクロフォン用フィルタＦＴ２は、マイクロフォン装置ＭＵ２を形成した半導体チップ内に収めることはできず、個別部品のコンデンサや抵抗を用いて構成しなければならなかった。
【０００８】
しかし、個別部品のコンデンサや抵抗を用いても、その部品代が高価であることや加工工程数が増加すること、マイクロフォン装置を形成した半導体チップ内に収められないことなどから、小型化およびコスト削減を図ることは困難であった。また、これに伴って増幅器もマイクロフォン装置を形成した半導体チップ内に収められることはなかった。
【０００９】
そこで、この発明の課題は、マイクロフォン装置と同じ半導体チップ内に形成することが可能で抵抗値および容量値を成分とする時定数が大きいマイクロフォン用フィルタを実現し、ひいてはマイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、一端とマイクロフォンの出力が入力される他端とを有するコンデンサと、前記コンデンサの前記一端に接続された第１電流電極と固定電位が与えられた第２電流電極と制御電極とを有する第１トランジスタと、第１電流電極と前記第１トランジスタの前記第２電流電極に接続された第２電流電極と前記第１トランジスタの前記制御電極に接続された制御電極とを有する第２トランジスタと、前記第２トランジスタの前記第１電流電極および前記制御電極に接続された定電流源とを備えるマイクロフォン用フィルタである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、半導体チップ内に形成されたマイクロフォンと、前記半導体チップ内に形成され、前記マイクロフォンの出力が前記コンデンサの他端に入力される請求項１に記載のマイクロフォン用フィルタとを備えるマイクロフォン装置である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のマイクロフォン装置であって、前記半導体チップ内に形成され、前記マイクロフォン用フィルタの前記第１トランジスタの前記第１電流電極に接続される入力端を有する増幅器をさらに備えるマイクロフォン装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置ＭＵ１を示したものである。図１においても、図４に示したマイクロフォン装置ＭＵ２と同様、例としてエレクトレットコンデンサＥＣを備えるマイクロフォン装置を示している。すなわち、エレクトレットコンデンサＥＣの一端には接地電位ＧＮＤが与えられ、エレクトレットコンデンサＥＣは音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Ｖｉｎが発生する。そして、ダイオードＤ１のアノードがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に、カソードがエレクトレットコンデンサＥＣの他端にそれぞれ接続される。また、ダイオードＤ２については、ダイオードＤ１に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサＥＣの両端に接続される。さらに、抵抗Ｒ１がエレクトレットコンデンサＥＣの両端に並列に接続される。また、トランジスタＴ１のソースがエレクトレットコンデンサＥＣの一端に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサＥＣの他端に接続される。トランジスタＴ１のドレインにはトランジスタＴ２のソースが接続される。そして、トランジスタＴ２のドレインには電源電位Ｖddが、ゲートには一定電位Ｖref2がそれぞれ与えられる。また、トランジスタＴ１，Ｔ２のバックゲートには接地電位ＧＮＤが与えられる。
【００１５】
エレクトレットコンデンサＥＣ並びにダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１およびトランジスタＴ１，Ｔ２からなるインピーダンス変換回路の動作は、マイクロフォン装置ＭＵ２と同様であるので説明を省略する。
【００１６】
さて、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置ＭＵ１は半導体チップ内に形成されるが、この半導体チップ内にはさらにマイクロフォン用フィルタＦＴ１および増幅器も形成される。
【００１７】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１は、基本的には従来のマイクロフォン用フィルタＦＴ２と同様のＣＲ回路であるが、その抵抗にはカレントミラー回路のトランジスタが用いられる。すなわち、マイクロフォン用フィルタＦＴ１は、コンデンサＣ１、ＮチャネルＭＯＳ型のトランジスタＴ３，Ｔ４および定電流源ＩＳを備えており、トランジスタＴ３，Ｔ４および定電流源ＩＳがカレントミラー回路を構成する。コンデンサＣ１の一端にはマイクロフォン装置ＭＵ１からの出力信号Ｖout2が与えられる。そして、コンデンサＣ１の他端にはトランジスタＴ４のドレインが接続される。また、トランジスタＴ４のソースには一定電位Ｖref1が与えられる。トランジスタＴ３のソースにはトランジスタＴ４のソースが接続され、トランジスタＴ３のゲートにはトランジスタＴ４のゲートが接続される。そして、トランジスタＴ３のドレインには定電流源ＩＳの一端が接続され、さらにトランジスタＴ４のゲートが短絡される。定電流源ＩＳの他端には電源電位Ｖddが与えられる。なお、トランジスタＴ３，Ｔ４のバックゲートにも接地電位ＧＮＤが与えられる。
【００１８】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１は、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間での電圧降下を出力することでトランジスタＴ２のソースにおける出力信号に含まれる直流成分や低周波成分を除去する。
【００１９】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１の出力は増幅器に入力される。図１においても図４と同様、ボルテージフォロアと反転増幅器とを含む増幅器を例示している。すなわち、マイクロフォン用フィルタＦＴ１の出力は演算増幅器ＯＰ１の正入力端に入力される。演算増幅器ＯＰ１の負入力端には演算増幅器ＯＰ１の出力が入力され、演算増幅器ＯＰ１はボルテージフォロアとして機能する。そして、演算増幅器ＯＰ１の出力は、抵抗Ｒ２を介して演算増幅器ＯＰ２の負入力端に入力される。また、演算増幅器ＯＰ２の負入力端には演算増幅器ＯＰ２の出力Ｖout3も抵抗Ｒ３を介して入力され、演算増幅器ＯＰ２は反転増幅器として機能する。なお、演算増幅器ＯＰ２の正入力端には一定電位Ｖref1が与えられる。
【００２０】
さて、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗としてカレントミラー回路のトランジスタが用いられることの理由について以下に説明する。
【００２１】
例えばＭＯＳトランジスタの場合、ドレイン−ソース間電流ＩDSとドレイン−ソース間電圧ＶDSとの関係すなわち電流電圧特性は、一般に、ドレイン−ソース間電圧ＶDSの増加に伴ってドレイン−ソース間電流ＩDSが増加する抵抗性領域と、ドレイン−ソース間電圧ＶDSが増加してもドレイン−ソース間電流ＩDSが一定の値以上には増加しない定電流領域とに区分される。しかし、実際には、図２に示すように、定電流領域においてもドレイン−ソース間電圧ＶDSの増加に伴ってドレイン−ソース間電流ＩDSが若干増加する現象が見られる。この現象は、ドレイン端において発生した空乏層が実効的なチャネル長を変化させることから生じると考えられており、チャネル長変調効果と称される。このチャネル長変調効果は、次の数１および数２で表わされる。
【００２２】
【数１】
【数２】
ここで、ＶGSはＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間電圧、ＶTはＭＯＳトランジスタの閾値電圧、λはチャネル長変調係数、βはゲイン定数、Ｗはチャネル幅、Ｌはチャネル長、μはチャネル表面でのキャリア移動度、ＣOXは単位面積あたりのゲート絶縁膜の容量値をそれぞれ表わしている。
【００２５】
なお、図２に示すように、チャネル長変調効果を考慮した定電流領域における各電流電圧特性をＶDS軸に向けて外挿すると、一つの交点に収束することが知られている。この交点までの電圧の絶対値はアーリー電圧ＶAと称され、その値は集積回路上のトランジスタにおいて５０〜１００Ｖ程度である。
【００２６】
このチャネル長変調効果は、見方を変えれば、ドレイン−ソース間電流ＩDSのわずかな変化によってドレイン−ソース間電圧ＶDSが大きく変化する現象、と考えることができる。すなわち、定電流領域におけるＭＯＳトランジスタは、大きな値の抵抗（微分抵抗）を有していると見ることができる。
【００２７】
よって、このことを利用すれば、個別部品の抵抗を用いずとも大きな値の抵抗を半導体チップ上に設けることができる。そして抵抗値が大きければ、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における容量値を大きな値にしなくて済む。これが、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗としてトランジスタが用いられる理由である。
【００２８】
ただし、一つのＭＯＳトランジスタに一定のゲート−ソース間電圧を与えて、そのときのドレイン−ソース間を抵抗として用いるだけでは、問題となる場合がある。例えば、温度変化により電流電圧特性が変化して、マイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗としての値が変動してしまうことが考えられる。その場合、カットオフ周波数ｆの値に大きく影響を与えるので、音声信号用のフィルタとしての機能を損なうこともありうる。
【００２９】
そのために、カレントミラー回路のトランジスタをマイクロフォン用フィルタＦＴ１における抵抗として採用する。カレントミラー回路であれば、温度変化による特性の変動に対する耐性があり、また、それほど面積を増大させることなく半導体チップ内に形成することができる。
【００３０】
マイクロフォン用フィルタＦＴ１では、トランジスタＴ３，Ｔ４のいずれのドレイン−ソース間にも、定電流源ＩＳから出力される電流と同じ値の定電流が流れる。しかし、上記のようにチャネル長変調効果が存在することから、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電圧ＶDSに変動があった場合には、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電流ＩDSが線形特性でわずかに変動する。つまり、トランジスタＴ４が大きな値の抵抗として機能することになる。
【００３１】
なお、図２の電流電圧特性を見れば分かるように、ゲート−ソース間電圧ＶGSが低いほど、すなわち、定電流領域におけるドレイン−ソース間電流ＩDSの値が低いほど、チャネル長変調効果は弱くなり、抵抗（定電流領域における微分抵抗）の値は無限大に近づく。よって、抵抗値を大きくするためには、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電流ＩDSが小さな値に保たれるよう定電流源ＩＳから出力される電流を絞っておき、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間電圧ＶDSの変動に対してドレイン−ソース間電流ＩDSの変動が小さくなるようにしておけばよい。
【００３２】
また、チャネル長変調効果は、数２におけるゲイン定数βの値が大きくなることによっても弱まる。図３に示すように、ゲイン定数βの値が異なれば、アーリー電圧ＶAの値が変化するからである。なお、図３においては、β1＞β2、ＶA1＞ＶA2である。よって、抵抗値を大きくするためには、ゲイン定数βの値を大きくしておけばよい。そのためには、数２から分かるように、トランジスタＴ４のチャネル長Ｌを短く設計するか、またはチャネル幅Ｗを大きく設計すればよい。もちろんこれらのトランジスタサイズは、チップ面積等その他の要素を考慮しつつシミュレーションを行ったり試作品を作製、評価することによって決定される。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、ＭＯＳトランジスタのチャネル長変調効果を利用したが、もちろんバイポーラトランジスタのアーリー効果を用いても同様の効果がある。バイポーラトランジスタをトランジスタＴ３，Ｔ４に用いる場合には、上記のゲート、ドレイン、ソースをそれぞれベース、コレクタ、エミッタと読み替えればよい。
【００３４】
また、本実施の形態においてはマイクロフォン装置としてエレクトレットコンデンサを備えるものを例にとって説明したが、その他にも半導体チップ内に形成することが可能なマイクロフォン装置であれば、本発明を適用することができる。そのような例として、例えば半導体チップ内に形成された圧電型マイクロフォン素子などが考えられる。
【００３５】
本発明の実施の形態に係るマイクロフォン装置ＭＵ１を用いれば、トランジスタＴ４のドレイン−ソース間の電流電圧特性におけるチャネル長変調効果による微分抵抗を抵抗として利用することができ、抵抗値および容量値を成分とする時定数が大きいマイクロフォン用フィルタを実現できる。また、トランジスタＴ３，Ｔ４および定電流源ＩＳがカレントミラー回路を構成するので、温度変化によるトランジスタＴ４の電流電圧特性の変動に対する耐性があり、また、それほど面積を増大させることなく半導体チップ内に形成することができる。
【００３６】
また、マイクロフォン用フィルタとマイクロフォンとを同じ半導体チップ内に備えるので、マイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【００３７】
また、増幅器をも同じ半導体チップ内に備えるので、さらにマイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、第１トランジスタの第１および第２電流電極間の電流電圧特性におけるチャネル長変調効果またはアーリー効果による微分抵抗を抵抗として利用することができ、抵抗値および容量値を成分とする時定数が大きいマイクロフォン用フィルタを実現できる。また、第１および第２トランジスタ並びに定電流源がカレントミラー回路を構成するので、温度変化による第１トランジスタの電流電圧特性の変動に対する耐性があり、また、それほど面積を増大させることなく半導体チップ内に形成することができる。
【００３９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のマイクロフォン用フィルタとマイクロフォンとを同じ半導体チップ内に備えるので、マイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【００４０】
請求項３に記載の発明によれば、増幅器をも備えるので、さらにマイクロフォン装置の小型化およびコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に係るマイクロフォン装置を示す図である。
【図２】 チャネル長変調効果およびアーリー電圧を説明する図である。
【図３】 ゲイン定数とアーリー電圧との関係を説明する図である。
【図４】 従来のマイクロフォン装置およびマイクロフォン用フィルタを示す図である。
【符号の説明】
Ｃ１ コンデンサ、Ｔ１〜Ｔ４ トランジスタ、ＩＳ 定電流源、ＥＣ エレクトレットコンデンサ、ＯＰ１，ＯＰ２ 演算増幅器。
Claims (3)
- 一端とマイクロフォンの出力が入力される他端とを有するコンデンサと、
前記コンデンサの前記一端に接続された第１電流電極と固定電位が与えられた第２電流電極と制御電極とを有する第１トランジスタと、
第１電流電極と前記第１トランジスタの前記第２電流電極に接続された第２電流電極と前記第１トランジスタの前記制御電極に接続された制御電極とを有する第２トランジスタと、
前記第２トランジスタの前記第１電流電極および前記制御電極に接続された定電流源と
を備えるマイクロフォン用フィルタ。 - 半導体チップ内に形成されたマイクロフォンと、
前記半導体チップ内に形成され、前記マイクロフォンの出力が前記コンデンサの他端に入力される請求項１に記載のマイクロフォン用フィルタと
を備えるマイクロフォン装置。 - 請求項２に記載のマイクロフォン装置であって、
前記半導体チップ内に形成され、前記マイクロフォン用フィルタの前記第１トランジスタの前記第１電流電極に接続される入力端を有する増幅器
をさらに備えるマイクロフォン装置。
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