JP4959315B2

JP4959315B2 - 静電容量変化検出回路及びコンデンサマイクロホン装置

Info

Publication number: JP4959315B2
Application number: JP2006340287A
Authority: JP
Inventors: 達也鈴木; 安弘金田
Original assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Current assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: JP2008153981A

Description

本発明は、音声に応じたコンデンサの静電容量の変化を検出する静電容量変化検出回路、及びコンデンサマイクロホン装置に関し、特に、コンデンサマイクロホンの低ノイズ化及び立ち上がり時間の短縮に関する。

コンデンサマイクロホンの一種として、近年、ＭＥＭＳマイクが注目されている。このＭＥＭＳマイクの基本的な構造は、ダイアフラムとバックプレートという２枚の近接して対向配置される電極板からなるコンデンサであり、当該構造がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いてシリコン基板に形成される。このＭＥＭＳマイクは、標準的なはんだリフロープロセスの温度に耐えることができ、例えば、プリント基板上に他の部品と共にはんだ付けすることができる。また、ＭＥＭＳマイクは、一般的なエレクトレットコンデンサマイク（ＥＣＭ）より小型に形成することができる。このような点で、ＭＥＭＳマイクを含む装置は、実装密度を高め小型化を図れる。

ＥＣＭは半永久的に電荷を保持するエレクトレット素子を利用することにより、バイアス電圧が不要な構造であるのに対して、ＭＥＭＳマイクの動作には、比較的高い直流バイアス電圧が必要となる。このバイアス電圧の印加により、ＭＥＭＳマイクを構成するコンデンサには一定の電荷Ｑが充電される。この状態で音圧によってダイアフラムが振動すると、当該コンデンサの静電容量Ｃが変化して、端子間電圧Ｖの変化を生じる。この電圧Ｖの変化が音声信号として出力される。

図４は、従来のＭＥＭＳマイクを用いたコンデンサマイクロホン装置の回路図である。当該装置は、ＭＥＭＳマイクであるコンデンサＣm、バイアス電源部２及び出力部４からなる。

バイアス電源部２は、チャージポンプ回路１０、容量Ｃ1及び抵抗Ｒ1で構成され、端子ＶＢに接続されるコンデンサＣmにバイアス電圧を供給する。

チャージポンプ回路１０が生成する高電圧は、Ｃ1及びＲ1からなるＣＲローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２を経由してコンデンサＣmに供給される。ＬＰＦ１２は、チャージポンプ回路１０の出力信号を平滑化し、当該出力信号に含まれ得る高帯域ノイズを除去するために設けられる。特に、高音質の音声信号を取得する上で、チャージポンプ回路１０の出力信号に含まれるノイズは好適に除去することが望ましい。一方、チャージポンプ回路１０の主たる機能は、コンデンサＣmを充電し一定のバイアス電圧に保つことであるので、基本的に、ＬＰＦ１２は直流を透過できればよい。このような観点から、抵抗Ｒ1は、ＬＰＦ１２のカットオフ周波数を低く抑え、ノイズの通過を十分に阻止できるような高抵抗とされる。

出力部４は、オペアンプ１４、容量Ｃ2及び抵抗Ｒ2で構成される。出力部４は、入力端子ＩＮにコンデンサＣmを接続され、コンデンサＣmが音声に応じて発生する電位変化を入力端子ＩＮから取り込み、増幅して出力端子ＯＵＴから出力する。

オペアンプ１４は、反転入力端子にＣm、帰還経路にＣ2をそれぞれ接続され、反転増幅回路を構成する。Ｃm/Ｃ2に応じて定まる反転増幅回路のゲインを１以上とするためには、Ｃ2はＣmより小さな値に設定される。ここで、Ｃmは例えば数ｐＦ程度の微小な値となり得、それに応じて、Ｃ2も極めて小さな値に設定される。反転入力端子は、Ｃm及びＣ2のみが接続された状態ではフローティングとなり、またそれら容量は微小であるため平滑化の効果を期待できないため、反転入力端子の電位は不安定となる。そこで、容量Ｃ2が接続された帰還経路に並列に抵抗Ｒ2を接続し、反転入力端子の電位安定が図られる。一方、Ｒ2には、音声に応じて反転入力端子に生じる電位変動を当該Ｒ2経由で出力端子へ通過させないことや、コンデンサＣmに対する高出力インピーダンスを維持することが要求される。そのため、Ｒ2は、十分に大きな値に設定され、反転入力端子と出力端子との間を単に直流的に接続する。
特開平１１−３１７９９６号公報特開２００３−２４３９４４号公報

ＭＥＭＳマイクを用いたコンデンサマイクロホン装置を起動する際には、チャージポンプ回路１０からの電流でコンデンサＣmを充電する必要がある。しかし、低ノイズ化のため抵抗Ｒ1を高抵抗としているため、充電時定数が長くなり、コンデンサＣmに十分なバイアス電圧が印加されるまでに時間がかかるという問題があった。バイアス電圧が低いと、音声に応じてコンデンサＣmの端子間に生じる電圧変化が小さくなり、マイク感度が低下するという問題を生じる。そのため、コンデンサＣmを充電して使用する従来のコンデンサマイクロホン装置は、起動から良好な音声信号が得られるまでの時間が長くなるという問題を有していた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、低ノイズ化を実現する一方で、コンデンサＣmの充電開始から短時間で良好な音声信号が得られるコンデンサマイクロホン装置及び静電容量変化検出回路を提供することを目的とする。

本発明に係る静電容量変化検出回路は、コンデンサマイクロホンを構成するコンデンサ部に接続され、音声に応じた当該コンデンサ部の静電容量の変化を電気信号として検出するものであって、前記コンデンサ部の一方に接続され、当該コンデンサ部を充電するチャージポンプと、前記チャージポンプと前記コンデンサ部との間に挿入され、前記チャージポンプの出力信号を平滑化しノイズを除去するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタに並列に接続され、前記コンデンサ部の充電開始時におけるバイアス状態が順方向バイアスとなる第１整流回路と、反転入力端子に前記コンデンサ部の他方を接続された演算増幅器及び当該演算増幅器の帰還経路に直列に接続された帰還コンデンサを含む反転増幅回路と、前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路に並列に設けられ、前記演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子とを接続する帰還抵抗と、前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路及び前記帰還抵抗に並列に設けられ、前記演算増幅器の前記出力端子と前記反転入力端子との間を、前記コンデンサ部の前記充電開始時のバイアス状態が順方向バイアスとなる向きに接続する第２整流回路と、を有する。上記第１整流回路又は上記第２整流回路はダイオードで構成することができる。

本発明に係るコンデンサマイクロホン装置は、音声に応じた静電容量の変化を生じるコンデンサ部と、前記コンデンサ部に接続され、音声に応じた当該コンデンサ部の静電容量の変化を電気信号として検出する静電容量変化検出回路と、有するものであって、前記静電容量変化検出回路は、前記コンデンサ部の一方に接続され、当該コンデンサ部を充電するチャージポンプと、前記チャージポンプと前記コンデンサ部との間に挿入され、前記チャージポンプの出力信号を平滑化しノイズを除去するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタに並列に接続され、前記コンデンサ部の充電開始時におけるバイアス状態が順方向バイアスとなる第１整流回路と、反転入力端子に前記コンデンサ部の他方を接続された演算増幅器及び当該演算増幅器の帰還経路に直列に接続された帰還コンデンサを含む反転増幅回路と、前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路に並列に設けられ、前記演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子とを接続する帰還抵抗と、前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路及び前記帰還抵抗に並列に設けられ、前記演算増幅器の前記出力端子と前記反転入力端子との間を、前記コンデンサ部の前記充電開始時のバイアス状態が順方向バイアスとなる向きに接続する第２整流回路と、を有する。上記第１整流回路又は上記第２整流回路はダイオードで構成することができる。

本発明によれば、起動時に、第１整流回路を介してチャージポンプとコンデンサ部の一方側との間に電流が流れ、コンデンサ部の一方側の電位が速やかに通常動作状態に設定される。このとき、容量結合によりコンデンサ部の他方側の電位も一方側に追随して変化し、コンデンサ部にバイアス電圧が有効に印加されないことが起こり得る。本発明によれば、そのようなコンデンサ部の他方側の電位変化は、第２整流回路を介してコンデンサ部の他方側と演算増幅器の出力端子との間に電流が流れることにより、抑制され、又は速やかに解消される。よって、起動時にコンデンサ部に十分なバイアス電圧が速やかに印加され、短時間で良好な音声信号が得られるようになる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係るコンデンサマイクロホン装置の概略の回路図である。本装置はコンデンサマイクロホンとしてＭＥＭＳマイクを用い、さらにＭＥＭＳマイクに接続され、音声に応じたＭＥＭＳマイクの静電容量の変化を電気信号として検出するための静電容量変化検出回路を含んで構成される。図１において、コンデンサＣmがＭＥＭＳマイクに構成されたコンデンサ部であり、その一方端子は、静電容量変化検出回路のバイアス電源部２０の出力端子ＶＢに接続され、他方端子は静電容量変化検出回路の出力部２２の入力端子ＩＮに接続される。

静電容量変化検出回路は、例えば、シリコン半導体基板上に集積回路（ＩＣ）として形成することができる。ＩＣとして構成する場合、静電容量変化検出回路はＭＥＭＳマイクが形成される半導体チップに一体に集積することもできるし、ＭＥＭＳマイクとは別の半導体チップ上に形成することもできる。

バイアス電源部２０は、チャージポンプ回路２４、容量Ｃ1、抵抗Ｒ1及びダイオードＤ1を含んで構成され、端子ＶＢに接続されるコンデンサＣmにバイアス電圧を供給する。

チャージポンプ回路２４は、基準電源の比較的低い電圧を昇圧してＭＥＭＳマイクの駆動に必要な高電圧を生成し、その高電圧でコンデンサＣmを充電する。本装置では、チャージポンプ回路２４は正電圧を出力し、充電電流はコンデンサＣmへ向けて流れる。

容量Ｃ1は、端子ＶＢと接地電位との間に接続される。抵抗Ｒ1は端子ＶＢとチャージポンプ回路２４の出力端子との間に接続される。これら、Ｃ1及びＲ1はＬＰＦ２６を構成し、チャージポンプ回路２４の出力信号を平滑化し、当該出力信号に含まれ得る高帯域ノイズを除去する。例えば、このＬＰＦ２６により、チャージポンプ回路２４内のスイッチングノイズ、クロックノイズや熱雑音等が除去される。

特に、高音質の音声信号を取得する上で、チャージポンプ回路２４の出力信号に含まれるノイズは好適に除去することが望ましい。一方、チャージポンプ回路２４の主たる機能は、コンデンサＣmを充電し一定のバイアス電圧に保つことであるので、基本的に、ＬＰＦ２６は直流を透過できればよい。このような観点から、抵抗Ｒ1は、ＬＰＦ２６のカットオフ周波数を低く抑え、ノイズの通過を十分に阻止できるような高抵抗とされる。

ダイオードＤ1は、この抵抗Ｒ1に並列に配置され、チャージポンプ回路２４の出力端子とコンデンサＣmの端子ＶＢとの間にＬＰＦ２６と並列に接続される。ダイオードＤ1は、アノードをチャージポンプ回路２４の出力端子に接続され、カソードを端子ＶＢに接続され、チャージポンプ回路２４からコンデンサＣmへ向けて一方向に電流を流す整流回路を構成する。

出力部２２は、オペアンプ２８、容量Ｃ2、抵抗Ｒ2及びダイオードＤ2を含んで構成される。出力部２２は、入力端子ＩＮにコンデンサＣmを接続され、コンデンサＣmが音声に応じて発生する電位変化を入力端子ＩＮから取り込み、増幅して出力端子ＯＵＴから出力する。

オペアンプ２８は、入力端子ＩＮに反転入力端子を接続された反転増幅回路を構成し、その出力端子が出力部２２の出力端子ＯＵＴに接続される。オペアンプ２８は、反転入力端子に接続されるコンデンサＣmと、出力端子及び反転入力端子を結ぶ帰還経路に直列に接続された容量Ｃ2とに応じたゲインで、反転入力端子の電位変動を増幅して出力する。また、オペアンプ２８は、コンデンサＣmに対し高入力インピーダンスを保つ一方、出力端子ＯＵＴを低出力インピーダンスとするインピーダンス変換を行う。

容量Ｃ2は、上記反転増幅回路のゲインを調整する。当該ゲインは、基本的にはＣm/Ｃ2で与えられ、１以上のゲインを得るためには、Ｃ2はＣmより小さな値に設定される。ここで、Ｃmは例えば数ｐＦ程度の微小な値となり得、それに応じて、Ｃ2も極めて小さな値に設定される。

抵抗Ｒ2は、容量Ｃ2が接続された帰還経路に並列に配置され、オペアンプ２８の出力端子と反転入力端子とを接続する。この抵抗Ｒ2は、Ｃm及びＣ2のみが接続された状態ではフローティングとなる反転入力端子の電位を安定させるために設けられている。一方、Ｒ2には、音声に応じて反転入力端子に生じる電位変動を当該Ｒ2経由で出力端子へ通過させないことや、コンデンサＣmに対する高出力インピーダンスを維持することが要求される。そのため、Ｒ2は、十分に大きな値に設定され、反転入力端子と出力端子との間を単に直流的に接続する。

ダイオードＤ2は、容量Ｃ2が接続された帰還経路及び抵抗Ｒ2に並列に配置される。ダイオードＤ2は、オペアンプ２８の反転入力端子から出力端子へ向けて一方向に電流を流す整流回路を構成する。

次に、本コンデンサマイクロホン装置の動作について説明する。図２は、バイアス電源部２０における電圧変化を示す模式的なグラフであり、横軸が時間ｔ、縦軸が電圧Ｖを表す。本装置の起動前（ｔ＜ｔ0）においては、基本的にコンデンサＣmは放電され、例えば、端子ＶＢは０Ｖとなる。

時刻ｔ0にて本装置が起動されると、チャージポンプ回路２４が昇圧を開始する。チャージポンプ回路２４の出力端子の電圧Ｖcpは、図２にて点線３０で示すように速やかに目標値Ｖmに到達する。コンデンサＣmが接続された端子ＶＢの電圧Ｖbは、チャージポンプ回路２４からの電流ＩcpによってコンデンサＣmの充電が進むのにつれて立ち上がる。その立ち上がり時間は、Ｉcpが大きいほど短くなる。図２にて実線３２が本装置におけるＶbの変化を示す。本装置では、ダイオードＤ1を設けたことにより、このＩcpが従来より大きくなり、立ち上がり時間の短縮が図られる。具体的には、充電開始時にはＶcpとＶbとの電位差が比較的大きく、ダイオードＤ1が順方向バイアスされ導通する。これにより、チャージポンプ回路２４の出力端子と端子ＶＢとが低抵抗で接続され、抵抗Ｒ1を介して流れるより遙かに大きいIcpがコンデンサＣmに供給される。

ダイオードＤ1の順方向バイアスによる導通は、その両端の電位差が縮小して所定の順方向電圧Ｖfに達するまで基本的に続く。シリコンダイオードの場合、この順方向電圧Ｖfは約０．６Ｖである。Ｖmの通常の設定値は、少なくともＶfの数倍以上の値に設定されるので、ダイオードＤ1により本装置の起動時間を大幅に短縮することが可能である。図２には、比較のため、立ち上がりの当初からＲ1を介して充電が行われる従来回路におけるＶbの変化を点線３４で示している。

なお、Ｖcp−ＶbがＶfを下回るとダイオードＤ1はオフし、図４に示す従来回路と同様のＲ1を介した充電によりＶbはＶmに漸近し、本装置は定常駆動状態に移行する。この定常駆動状態では、コンデンサＣmはＲ1を介して充電され、電圧Ｖmでのバイアス状態を維持すると共に、Ｒ1及びＣ1からなるＬＰＦ２６により、ノイズによるＶmの変動が抑制され、良好な音質の音声信号を生成することができる。

図３は、出力部２２の入力端子ＩＮの電圧Ｖinの変化を示す模式的なグラフであり、図２と同様、横軸が時間ｔ、縦軸が電圧Ｖを表す。時刻ｔ0にて充電が開始され端子ＶＢの電位Ｖbが上昇すると、コンデンサＣmによる容量結合により端子ＩＮの電位Ｖinも時刻ｔ0から上昇し得る。このとき、上述のようにＶinの安定のために出力部２２には図４に示す従来回路と同様、抵抗Ｒ2が設けられ、このＲ2は、基本的にＶinを出力端子ＯＵＴの電位Ｖoutに応じた基底状態に保とうとする。

しかし、Ｒ2は高抵抗であるため、ダイオードＤ1を設けたことにより生じる急激なＶbの変化に対し、Ｖinの上昇を抑制することができず、また上昇したＶinを基底状態へ速やかに復元させることができない。図３には、本装置の起動時におけるＶm近傍までのＶinの上昇、及び上昇したＶinが抵抗Ｒ2により緩やかに基底状態に復元される様子を、点線３６で示している。このように、端子ＩＮの電位Ｖinが上昇した状態では、コンデンサＣmに対するバイアス電圧が減少し、マイク感度が低下する。

この問題に対し、本装置は出力部２２にダイオードＤ2を設けている。ダイオードＤ2は、端子ＩＮの電位Ｖinが出力端子ＯＵＴの電位Ｖoutより順方向電圧Ｖf以上高くなると、順方向バイアスされ導通する。この状態では、ダイオードＤ2は、端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとの間を低抵抗で接続し、抵抗Ｒ2を介して流れるより遙かに大きい電流を流すことができる。この電流は、電位Ｖbの急激な上昇により誘起されるＶinの電位上昇を抑制又は緩和し、またＶbがＶm近傍まで達しその変化が緩やかになると、Ｖinを速やかに基底状態へ向けて低下させる。その結果、図３に実線３８で示すように、本装置は、起動時に誘起され得るＶinの上昇のピークを低く抑えることができ、また起動時刻ｔ0から基底状態への復帰時間を短くすることができる。よって、起動時におけるマイク感度の低下が抑制され、また高音質の音声信号の取得が迅速に実現される。

なお、ダイオードＤ2のオン電流が大きな値となるように構成することで、実線３８に現れるＶinのピークの高さを原理的にはＶfまで低下させることができる。例えば、ダイオードＤ2のチャネル断面積を大きくすることで、その大電流化が図れる。

以上説明したように、本装置は、バイアス電源部２０の設けたダイオードＤ1及び出力部２２に設けたダイオードＤ2により、迅速な起動が可能となる。

ちなみに、音声に応じて生じるコンデンサＣmの端子間電圧の変動は、基本的にダイオードの順方向電圧Ｖfに比べて微小であるので、その電圧変動によりダイオードＤ1，Ｄ2はオンせず、音声信号のダイナミックレンジが損なわれることは基本的にはない。

なお、上述の実施形態では、ダイオードＤ1，Ｄ2を用いた構成を示したが、ダイオードに代えて他の整流素子、整流回路、スイッチ素子、スイッチ回路を用いることもできる。

本発明の実施形態に係るコンデンサマイクロホン装置の概略の回路図である。バイアス電源部における電圧変化を示す模式的なグラフである。出力部の入力端子電圧の変化を示す模式的なグラフである。従来のＭＥＭＳマイクを用いたコンデンサマイクロホン装置の回路図である。

符号の説明

２０バイアス電源部、２２出力部、２４チャージポンプ回路、２６ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、２８オペアンプ、Ｃm ＭＥＭＳマイクコンデンサ、Ｃ1，Ｃ2 容量、Ｄ1，Ｄ2 ダイオード、Ｒ1，Ｒ2 抵抗。

Claims

コンデンサマイクロホンを構成するコンデンサ部に接続され、音声に応じた当該コンデンサ部の静電容量の変化を電気信号として検出する静電容量変化検出回路であって、
前記コンデンサ部の一方に接続され、当該コンデンサ部を充電するチャージポンプと、
前記チャージポンプと前記コンデンサ部との間に挿入され、前記チャージポンプの出力信号を平滑化しノイズを除去するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタに並列に接続され、前記コンデンサ部の充電開始時におけるバイアス状態が順方向バイアスとなる第１のダイオードと、
反転入力端子に前記コンデンサ部の他方を接続された演算増幅器及び当該演算増幅器の帰還経路に直列に接続された帰還コンデンサを含む反転増幅回路と、
前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路に並列に設けられ、前記演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子とを接続する帰還抵抗と、
前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路及び前記帰還抵抗に並列に設けられ、前記演算増幅器の前記出力端子と前記反転入力端子との間を、前記コンデンサ部の前記充電開始時のバイアス状態が順方向バイアスとなる向きに接続する第２のダイオードと、
を有することを特徴とする静電容量変化検出回路。
音声に応じた静電容量の変化を生じるコンデンサ部と、前記コンデンサ部に接続され、音声に応じた当該コンデンサ部の静電容量の変化を電気信号として検出する静電容量変化検出回路と、有するコンデンサマイクロホン装置であって、
前記静電容量変化検出回路は、
前記コンデンサ部の一方に接続され、当該コンデンサ部を充電するチャージポンプと、
前記チャージポンプと前記コンデンサ部との間に挿入され、前記チャージポンプの出力信号を平滑化しノイズを除去するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタに並列に接続され、前記コンデンサ部の充電開始時におけるバイアス状態が順方向バイアスとなる第１のダイオードと、
反転入力端子に前記コンデンサ部の他方を接続された演算増幅器及び当該演算増幅器の帰還経路に直列に接続された帰還コンデンサを含む反転増幅回路と、
前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路に並列に設けられ、前記演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子とを接続する帰還抵抗と、
前記帰還コンデンサを含む前記帰還経路及び前記帰還抵抗に並列に設けられ、前記演算増幅器の前記出力端子と前記反転入力端子との間を、前記コンデンサ部の前記充電開始時のバイアス状態が順方向バイアスとなる向きに接続する第２のダイオードと、
を有することを特徴とするコンデンサマイクロホン装置。