JP5319368B2 - コンデンサマイクの増幅回路 - Google Patents

Description

本発明は、音声に応じた電気信号を発生するコンデンサマイクの増幅回路に関する。

コンデンサマイクの一種として、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近接して対向配置される２枚の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。

ＭＥＭＳマイクの増幅回路については、バイアス電圧の発生源としてチャージポンプ回路を用い、信号増幅部に演算増幅器を用いて形成されたものが特許文献１に記載されている。また、エレクトレットコンデンサマイク（ＥＣＭ）の増幅回路については、特許文献２に記載されている。

特開２００８−１５３９８１号公報 特開２００１−１０２８７５号公報

しかしながら、コンデンサマイクの増幅回路を携帯電話機に内蔵する場合、電源配線等にバースト信号によるノイズが飛び込み、当該ノイズがコンデンサマイクからの信号と混ざって演算増幅器に入力されることがある。すると、当該信号と同時に電源配線等からのノイズも増幅されて出力されることになり、増幅回路のノイズ特性を劣化させるという問題があった。

また、従来のＭＥＭＳマイクの増幅回路においては、バイアス電圧の発生源として設けられたチャージポンプ回路のノイズがＭＥＭＳマイクからの信号と混ざって演算増幅器に入力されることがある。すると、同様に当該信号と同時にチャージポンプ回路のノイズも増幅されて出力されることになり、増幅回路のノイズ特性を劣化させるという問題があった。

本願で開示される発明の中、主なものを挙げれば以下の通りである。

本発明のコンデンサマイクの増幅回路は、音声に応じた信号を発生するコンデンサマイクと、第１及び第２の入力端子を有し、前記第１の入力端子に第１の配線を介して前記コンデンサマイクが接続され、前記第２の入力端子に第２の配線を介して入力コンデンサが接続された演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端子と前記第１の入力端子の間に接続された帰還コンデンサと、電源電圧を供給する第３の配線と、前記第２の配線と前記第３の配線との間に接続された結合コンデンサとを備え、前記演算増幅器により前記コンデンサマイクにより発生された前記信号を増幅すると共に、前記結合コンデンサを設けることにより、前記第３の配線から前記第１の配線を介して前記第１の入力端子に入るノイズをキャンセルすることを特徴とする。

また、本発明のコンデンサマイクの増幅回路は、バイアス電圧を発生するバイアス回路と、前記バイアス電圧が一方の端子に印加され、他方の端子から音声に応じた信号を発生するコンデンサマイクと、入力コンデンサと、第１の入力端子に前記コンデンサマイクの前記他方の端子が接続され、第２の入力端子に前記バイアス電圧が前記入力コンデンサを介して印加された第１及び第２の出力信号を出力する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端子と前記第１の入力端子の間に接続された帰還コンデンサと、前記コンデンサマイクと前記第１の入力端子とを接続する第１の配線と、前記入力コンデンサと前記第２の入力端子とを接続する第２の配線と、前記第２の配線と接地の間に接続された結合コンデンサと、を備え、前記結合コンデンサの容量値は、前記第１の配線と接地の間の寄生容量の容量値と同じに設定されており、前記演算増幅器により前記コンデンサマイクにより発生された前記信号を増幅すると共に、前記入力コンデンサを設けることより前記バイアス電圧に重畳されて前記第１の入力端子に入るノイズをキャンセルすることを特徴とする。

本発明のコンデンサマイクの増幅回路によれば、電源配線等から飛び込むノイズは、演算増幅器の一対の入力端子の両方に入力されるので、当該ノイズはキャンセルされる結果、増幅回路のノイズ特性を向上させることができる。

また、本発明のコンデンサマイクの増幅回路によれば、バイアス回路により発生されるノイズは演算増幅器の一対の入力端子の両方に入力されるので、当該ノイズはキャンセルされる結果、増幅回路のノイズ特性を向上させることができる。

携帯電話機内部の電源電圧の変動を説明する図である。 携帯電話機に内蔵されたコンデンサマイクの増幅回路を示す図である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサマイクの増幅回路の回路図である。 本発明の第１の実施形態によるコンデンサマイクの増幅回路の回路図である。 本発明の第２の実施形態によるコンデンサマイクの増幅回路の回路図である。 本発明の第２の実施形態によるコンデンサマイクの増幅回路のノイズ特性図である。 対比例に係るコンデンサマイクの増幅回路の回路図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態によるコンデンサマイクの増幅回路を図１乃至図４に基づいて説明する。

図１に示すように、携帯電話機においては、ＧＳＭ（Global System for Mobile Communication）等の時分割多重の無線通信方式が用いられることが多い。この無線通信方式では、搬送波を変調器により２１７Ｈｚのバースト信号に変調して放射する。変調された搬送波の周波数は一般には０．８ＧＨｚ〜１．９ＧＨｚである。

この時、携帯電話機に内蔵されたコンデンサマイクの増幅回路に供給される電源電圧Ｖｄｄは、搬送波のバースト信号に伴い、矩形波状に変動しやすい。したがって、このような電源電圧Ｖｄｄが供給される回路ブロックはこの電源変動（ノイズ）に対する耐性が求められる。

図２は、携帯電話機１００に内蔵されたコンデンサマイクの増幅回路を示す図であり、これはエレクトレットコンデンサマイクＣｅとＬＳＩチップとして構成された増幅部１０からなる。電源電圧Ｖｄｄを供給する外部電源配線１（ＬＳＩチップの外部の配線であり、例えばボンディングワイヤー）は、増幅部１０の端子Ｐ１（ＬＳＩ内部のパッド電極）に接続される。

ＬＳＩチップの外部のプリント基板上にエレクトレットコンデンサマイクであるコンデンサＣｅが設けられ、それは外部配線２を介して増幅部１０の端子Ｐ２に接続される。この場合、電源電圧Ｖｄｄの電圧変動（ノイズ）は互いに隣接する外部電源配線１、外部配線２の間に存在する寄生容量Ｃｐｘ１（配線間の寄生容量）を介して、増幅部１０の演算増幅器の入力端子に飛び込むことになる。

また、ＬＳＩチップにはＬ／Ｒ制御信号（ステレオのＬ出力（左）、Ｒ（右）出力を選択するための制御信号）が外部配線３、端子Ｐ３を介して入力される。例えば、Ｌ／Ｒ制御信号がＨレベル（＝電源電圧Ｖｄｄ）の場合はＬ出力が選択され、Ｌ／Ｒ制御信号がＬレベル（＝接地電圧Ｖｓｓ）の場合はＲ出力が選択されるように構成されている。Ｌ／Ｒ制御信号がＨレベル（＝電源電圧Ｖｄｄ）の場合、電源電圧Ｖｄｄの電圧変動（ノイズ）は外部配線３にも発生し、互いに隣接した外部配線２、３の間に存在する寄生容量Ｃｐｘ２を介して、増幅部１０の演算増幅器の入力端子に飛び込むことになる。

尚、ＬＳＩチップには接地電圧Ｖｓｓ、クロック等も供給され、増幅部１０の出力信号は信号出力端子から取り出されるようになっている。

前述の電源電圧Ｖｄｄの電圧変動に対しては、一般には電源電圧Ｖｄｄの供給ラインにフィルタやレギュレータを設けることで対策することができるが、演算増幅器の入力端子はＳ／Ｎ比を確保するために入力インピーダンスが高く設定される。そのため、電源電圧Ｖｄｄのノイズ成分は演算増幅器の入力端子に飛び込み、演算増幅器の出力にもその雑音成分が現れることになる。

そこで、本実施形態では、差動対を持った演算増幅器の１つの入力端子にエレクトレットコンデンサマイクであるコンデンサＣｅを接続するとともに、もう一方の入力端子にノイズ源である電源配線との容量結合により問題のノイズ成分を印加することにより、当該ノイズ成分を演算増幅器上でコモンモード化してキャンセルすることで対処するものである。

図３は本実施形態によるコンデンサマイクの増幅回路である。図示のように、コンデンサマイクの増幅回路はエレクトレットコンデンサマイクであるコンデンサＣｅ、及び増幅部１０からなる。

増幅部１０は１つのＬＳＩチップとして構成され、その中に演算増幅器１１が設けられている。演算増幅器１１の反転入力端子（−）にはコンデンサＣｅがＬＳＩチップの端子Ｐ２を介して接続されている。そして、演算増幅器１１の非反転入力端子（＋）にはＬＳＩチップの内部配線１２を介して入力コンデンサＣｉｎの一端が接続される。入力コンデンサＣｉｎの他端は接地されている。この入力コンデンサＣｉｎは、演算増幅器１１の出力信号Ｖｏｎ，Ｖｏｐの波形のバランスを調整するために設けられ、それらの波形を中心電圧Ｖｓに対して対称とするために、その容量値はコンデンサＣｅと同じに設定すること、つまり、Ｃｉｎ＝Ｃｅと設定することが好ましい。

そして、演算増幅器１１の非反転入力端子（＋）に接続された内部配線１２はＬＳＩチップ内部の内部電源配線１３と結合コンデンサＣｘ１を介して容量結合される。内部電源配線１３はＬＳＩチップの端子Ｐ１（電源端子）と接続されており、端子Ｐ１はＬＳＩの外部の電源電圧Ｖｄｄを供給する外部電源配線１に接続される。結合コンデンサＣｘ１の容量値は入力コンデンサＣｉｎと同様の理由から、寄生容量Ｃｐｘ１と同じに設定すること、つまり、Ｃｘ１＝Ｃｐｘ１と設定することが好ましい。

この演算増幅器１１は、反転出力端子（−）と非反転出力端子（＋）を持っており、それぞれ中心電圧Ｖｓに対して互いに反転された一対の差動電圧信号である出力信号Ｖｏｎ，Ｖｏｐを出力するように構成されている。非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）の間には、帰還コンデンサＣｆ、帰還抵抗Ｒが並列に接続されている。また、これと対称に反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）の間には、帰還コンデンサＣｆ、帰還抵抗Ｒが並列に接続されている。なお、演算増幅器１１の電源電圧としては、端子Ｐ１の電源電圧Ｖｄｄをレギュレータ１４で調整した電圧が供給されるようになっており、電源電圧Ｖｄｄのノイズはレギュレータ１４で除去されるようになっている。

演算増幅器１１は、Ｃｅ／Ｃｆで定まるゲインを有することになるが、このゲインを１以上とするためには、ＣｆはＣｅより小さな値に設定される。ここで、Ｃｅは例えば数ｐＦ程度の微小な値となり得、それに応じて、Ｃｆも極めて小さな値に設定される。

反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）は、Ｃｅ及びＣｆ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、それらの反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）の電位は不安定となる。そこで、容量Ｃｆが接続された帰還経路に並列に帰還抵抗Ｒを接続し、反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）の電位安定が図られる。

一方、帰還抵抗Ｒには、音声に応じて反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）に生じる電位変動を当該帰還抵抗Ｒ経由で反転出力端子（−）及び非反転出力端子（＋）へ通過させないことや、コンデンサＣｅ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、帰還抵抗Ｒは、十分に大きな値に設定され、反転入力端子（−）と非反転出力端子（＋）との間と、非反転入力端子（＋）と反転出力端子（−）との間をそれぞれ単に直流的に接続する。

このように構成されたコンデンサマイクの増幅回路によれば、電源電圧Ｖｄｄのノイズ成分は互いに隣接する外部電源配線１、外部配線２の間にある寄生容量Ｃｐｘ１を介して、増幅部１０の演算増幅器１１の反転入力端子（−）に印加されるが、もう一方の非反転入力端子（＋）に内部電源配線１３との容量結合により問題の電源電圧Ｖｄｄのノイズ成分を印加するように構成したことにより、当該ノイズ成分を演算増幅器１１でキャンセルすることができる。

また、前述のＬ／Ｒ制御信号がＬＳＩチップに入力される場合には、端子Ｐ３に接続されたＬＳＩチップ内部の内部配線１５についても、演算増幅器１１の非反転入力端子（＋）に接続された内部配線１２と結合コンデンサＣｘ２を介して容量結合させる。

これにより、Ｌ／Ｒ制御信号がＨレベル（＝電源電圧Ｖｄｄ）に設定された場合に、結合コンデンサＣｘ２を介して非反転入力端子（＋）に電源電圧Ｖｄｄのノイズ成分が印加されることにより、当該ノイズ成分を演算増幅器１１でキャンセルすることができる。結合コンデンサＣｘ２の容量値は入力コンデンサＣｉｎと同様の理由から、寄生容量Ｃｐｘ２と同じに設定すること、つまり、Ｃｘ２＝Ｃｐｘ２と設定することが好ましい。

また、上述のコンデンサマイクの増幅回路は、演算増幅器１１から２つの出力信号Ｖｏｎ，Ｖｏｐを得ているが、本発明は演算増幅器１１から１つだけの出力信号Ｖｏｕｔを得る構成に対しても適用することができる。

即ち、図４に示すように、演算増幅器１１の出力端子１６と反転入力端子（−）との間に、帰還コンデンサＣｆ、帰還抵抗Ｒが接続される。非反転入力端子（＋）は抵抗Ｒ１を介して接地される。この場合、抵抗Ｒ１の抵抗値と帰還抵抗Ｒの抵抗値は同じに設定されることが好ましい。（Ｒ１＝Ｒ）また、非反転入力端子（＋）には入力コンデンサＣｉｎが接続されるが、その容量値はＣｅ＋Ｃｆに設定されることが好ましい。（Ｃｉｎ＝Ｃｅ＋Ｃｆ）その他の構成は、図３の回路と同じである。

なお、図３及び図４の回路において、コンデンサＣｅはバイアス電圧を必要としないエレクトレットコンデンサマイクであるが、その代わりに、バイアス電圧を必要とするＭＥＭＳマイクを用いても良い。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態によるコンデンサマイクの増幅回路を図５及び図６に基づいて説明する。第１の実施形態は、コンデンサマイクの増幅回路の外部からのノイズを問題としているのに対して、本実施形態では、バイアス回路のバイアス電圧に重畳されるノイズ、つまりコンデンサマイクの増幅回路の内部からのノイズを問題として、その解決を図ったものである。

図５に示すように、コンデンサマイクの増幅回路はＭＥＭＳマイクであるコンデンサＣｍ、バイアス電圧を発生するバイアス回路２１及び増幅部３０からなる。

バイアス回路２１は電源電圧を昇圧して高電圧の直流のバイアス電圧を発生するチャージポンプ回路で構成されることが好ましい。チャージポンプ回路は、電源から電荷を転送する１個以上のポンピングパケット（ダイオード等の電荷転送素子とコンデンサで構成される）を持っており、コンデンサに印加されるクロックに応じて電源から出力端子に電荷を転送することで電源電圧を昇圧する回路である。バイアス回路２１のバイアス電圧はコンデンサＣｍの一端に印加されることにより、コンデンサＣｍは充電される。

図５においては、コンデンサＣｍとバイアス回路２１の間に入力信号源２２が設けられているが、これは音声源を電気回路上において等価的に示したものである。実際にはコンデンサＣｍとバイアス回路２１は直接接続されており、音声に応じてコンデンサＣｍの容量値が変化することでコンデンサＣｍの他端から音声に応じた電気信号が出力されるようになっている。なお、Ｃｐ１はコンデンサＣｍを増幅部３０に接続する配線２３が持っている寄生容量である。

増幅部３０は１つのＬＳＩチップとして構成され、その中に、演算増幅器３１が設けられている。演算増幅器３１の反転入力端子（−）にはコンデンサＣｍがＬＳＩチップの端子Ｐ４を介して接続されている。そして、バイアス回路２１の出力端子（バイアス電圧を出力する端子）は、ＬＳＩチップの端子Ｐ５及び入力コンデンサＣｉｎを介して演算増幅器３１の非反転入力端子（＋）に接続される。これが本発明の特徴であり、バイアス回路２１のバイアス電圧に重畳されたノイズは、演算増幅器３１の反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）の両方に入力されることにより、互いにキャンセルされ、演算増幅器３１の出力からノイズを除去することができる。

Ｃ１は入力コンデンサＣｉｎを演算増幅器３１の非反転入力端子（＋）に接続するための配線３２に結合されたコンデンサである。入力コンデンサＣｉｎとコンデンサＣ１の容量値は、演算増幅器３１の出力信号Ｖｏｎ，Ｖｏｐの波形を中心電圧Ｖｓに対して対称とするために、それぞれコンデンサＣｍとＣｐ１と同じになるように設定される。（Ｃｉｎ＝Ｃｍ、Ｃ１＝Ｃｐ１）

演算増幅器３１は、非反転出力端子（＋）と反転出力端子（−）を持っており、それぞれから、中心電圧Ｖｓに対して互いに反転された一対の差動電圧である出力信号Ｖｏｎ，Ｖｏｐを出力するように構成されている。非反転出力端子（＋）と反転入力端子（−）の間には、帰還コンデンサＣｆ及び帰還抵抗Ｒが並列に接続される。また、これと対称に反転出力端子（−）と非反転入力端子（＋）の間には、帰還コンデンサＣｆ及び帰還抵抗Ｒが並列に接続される。

演算増幅器３１は、第１の実施形態と同様に、Ｃｍ／Ｃｆで定まるゲインを有することになるが、このゲインを１以上とするためには、Ｃｆ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、Ｃｆも極めて小さな値に設定される。

反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）は、Ｃｍ及びＣｆ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、それらの入力端子の電位は不安定となる。そこで、容量Ｃｆが接続された帰還経路に並列に帰還抵抗Ｒを接続し、入力端子の電位安定が図られる。

一方、帰還抵抗Ｒには、音声に応じて反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）に生じる電位変動を当該帰還抵抗Ｒ経由で反転出力端子（−）及び非反転出力端子（＋）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、帰還抵抗Ｒは、十分に大きな値に設定され、反転入力端子（−）と非反転出力端子（＋）との間と、非反転入力端子（＋）と反転出力端子（−）との間をそれぞれ単に直流的に接続する。

このように構成されたコンデンサマイクの増幅回路によれば、バイアス回路２１から発生されるノイズが音声に応じたコンデンサＣｍの信号に重畳された場合において、当該ノイズは演算増幅器３１の反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）の両方に入力されることにより、キャンセルされ、演算増幅器３１の出力からノイズを除去することができる。特に、バイアス回路２１をチャージポンプ回路で構成した場合にはノイズを発生し易いので、本発明はそのような場合に特に有用である。

図６は回路シミュレーションによるコンデンサマイクの増幅回路のノイズ特性図である。図において、横軸はバイアス回路２１であるチャージポンプ回路のノイズの周波数、縦軸は演算増幅器３１のゲインを示している。本発明のコンデンサマイクの増幅回路のノイズに対するゲインは、図７の回路に対して４２ｄＢ低い。

図７の回路は、対比例によるコンデンサマイクの増幅回路であり、演算増幅器３１の非反転入力端子（＋）に入力コンデンサＣｉｎを介して接地電圧が印加されているものである。この回路では、音声に応じたコンデンサＣｍの信号にチャージポンプ回路のノイズが重畳されると、コンデンサＣｍの信号と同時にノイズも増幅され、演算増幅器３１の出力信号Ｖｏｎ，Ｖｏｐに現れてしまう。

１ 外部電源配線 ２、３ 外部配線
１０ 増幅部 １１ 演算増幅器 １２ 内部配線 １３ 内部電源配線
１４ レギュレータ １５ 内部配線 Ｃｅ コンデンサ
２１ バイアス回路 ２２ 入力信号源 ２３ 配線
３０ 増幅部 ３１ 演算増幅器

Claims (5)

1. 音声に応じた信号を発生するコンデンサマイクと、
   第１及び第２の入力端子を有し、前記第１の入力端子に第１の配線を介して前記コンデンサマイクが接続され、前記第２の入力端子に第２の配線を介して入力コンデンサが接続された演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第１の入力端子の間に接続された帰還コンデンサと、
   電源電圧を供給する第３の配線と、
   前記第２の配線と前記第３の配線との間に接続された結合コンデンサとを備え、前記演算増幅器により前記コンデンサマイクにより発生された前記信号を増幅すると共に、前記結合コンデンサを設けることにより、前記第３の配線から前記第１の配線を介して前記第１の入力端子に入るノイズをキャンセルすることを特徴とするコンデンサマイクの増幅回路。
2. 前記コンデンサマイクは、時分割多重方式の携帯電話機に内蔵されることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサマイクの増幅回路。
3. 前記結合コンデンサの容量値は、前記第１の配線と前記第３の配線に形成される配線間寄生容量の容量値と等しく設定されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンデンサマイクの増幅回路。
4. バイアス電圧を発生するバイアス回路と、
   前記バイアス電圧が一方の端子に印加され、他方の端子から音声に応じた信号を発生するコンデンサマイクと、
   入力コンデンサと、
   第１の入力端子に前記コンデンサマイクの前記他方の端子が接続され、第２の入力端子に前記バイアス電圧が前記入力コンデンサを介して印加され、第１及び第２の出力信号を出力する演算増幅器と、
   前記演算増幅器の出力端子と前記第１の入力端子の間に接続された帰還コンデンサと、
   前記コンデンサマイクと前記第１の入力端子とを接続する第１の配線と、
   前記入力コンデンサと前記第２の入力端子とを接続する第２の配線と、
   前記第２の配線と接地の間に接続された結合コンデンサと、を備え、前記結合コンデンサの容量値は、前記第１の配線と接地の間の寄生容量の容量値と同じに設定されており、前記演算増幅器により前記コンデンサマイクにより発生された前記信号を増幅すると共に、前記入力コンデンサを設けることより前記バイアス電圧に重畳されて前記第１の入力端子に入るノイズをキャンセルすることを特徴とするコンデンサマイクの増幅回路。
5. 前記バイアス回路はチャージポンプ回路であることを特徴とする請求項４に記載のコンデンサマイクの増幅回路。

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