JP6302179B2 - マイクアンプ回路 - Google Patents

Description

本発明はコンデンサマイク用のマイクアンプ回路に関する。

コンデンサマイクの一種として、ＭＥＭＳマイク及びエレクトレットコンデンサマイク（ＥＣＭ）が知られている。

ＭＥＭＳマイクは、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、このような構造がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いてシリコン基板に形成される。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。

ＭＥＭＳマイクを動作させるには、比較的高い直流のバイアス電圧が必要である。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。

これに対し、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ものであり、バイアス電圧が不要という特徴がある。

コンデンサマイク用のマイクアンプ回路については、特許文献１〜３に記載されている。

特開２０１０−２４５７２９号公報 特開２００８−１５３９８１号公報 特開２００１−１０２８７５号公報

図５は、従来のマイクアンプ回路３０のＳＮＲ（signal-noise ratio、信号ノイズ比）特性を示す概念図である。図５（ａ）は、マイクアンプ回路３０の入力換算ノイズＡが、ＥＣＭ等のコンデンサマイク１０のノイズＭより大きい場合を示している。この場合、入力換算ノイズＡがノイズ源として支配的であり、ＳＮＲはマイクアンプ回路３０により増幅された後のコンデンサマイク１０の音声信号Ｓと入力換算ノイズＡとの比になる。

図５（ｂ）はマイクアンプ回路３０の入力換算ノイズＡをコンデンサマイク１０のノイズＭより小さく低減した場合を示している。この場合は、コンデンサマイク１０のノイズＭがノイズ源として支配的であり、ＳＮＲはマイクアンプ回路３０により増幅された後のマイク素子１０の音声信号Ｓとコンデンサマイク１０のノイズＭとの比になる。

すなわち、マイクアンプ回路３０のノイズは、入力換算ノイズＡとコンデンサマイク１０のノイズＭの大きい方で決まる。そして、マイクアンプ回路３０の入力換算ノイズＡを如何に低減しても、ＳＮＲの向上はコンデンサマイク１０のノイズＭのために頭打ちになってしまう。

そこで、本発明は、ＳＮＲを向上させ、ダイナミックレンジを拡張することができるマイクアンプ回路を提供することを目的とする。

本発明のマイクアンプ回路は、コンデンサマイクからの音声信号を増幅するプリアンプと、前記音声信号のレベルが、マイクアンプ回路のノイズレベルの近傍にある時にレベル検出信号を出力するレベル検出回路と、前記レベル検出信号に応じて前記プリアンプから出力される音声信号のレベルを減衰させる減衰器と、を備えることを特徴とする。

本発明のマイクアンプ回路によれば、音声信号のレベルがマイクアンプ回路のノイズレベルの近傍にある時にのみ、プリアンプから出力される音声信号のレベルを減衰させるので、ＳＮＲを向上させ、ダイナミックレンジを拡張することができる。

本発明のマイクアンプ回路の信号ノイズ特性を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態におけるマイクアンプ回路の回路図である。 減衰器の入出力特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるマイクアンプ回路の回路図である。 従来例におけるマイクアンプ回路の信号ノイズ特性を示す概念図である。

＜本発明の基本原理＞
図１は、本発明のマイクアンプ回路の信号ノイズ特性を示す概念図である。ＥＣＭ、ＭＥＭＳマイク等のコンデンサマイク１０からの音声信号Ｓ、並びにノイズＭはマイクアンプ回路２０により増幅されて出力される。

本発明の基本原理は、マイクアンプ回路２０は、コンデンサマイク１０の音声信号Ｓのレベルに応じて、ダイナミックにマイクアンプ回路２０のゲインを制御する制御手段を持ち、音声信号Ｓのレベルがマイクアンプ回路のノイズレベルの近傍（この場合は、ノイズＭのレベル近傍）の超低レベルにある時にのみ、制御手段によりゲインを下げることにより、ノイズレベルを低減する。音声信号Ｓのレベルがノイズレベルの近傍より高い時のゲイン、つまり有信号時のゲインはそのままであり、結果として、ＳＮＲ並びにダイナミックレンジが向上する。

この場合、ＳＮＲは、音声信号Ｓの基準レベルと無信号時のノイズレベルとの比、として定義される。つまり、本発明では、ノイズレベルは有信号時と無信号時で異なっている。

なお、図１では、マイクアンプ回路２０の入力換算ノイズＡがコンデンサマイク１０のノイズＭより小さく低減され、ノイズＭが支配的である場合を示しているが、逆に、マイクアンプ回路２０の入力換算ノイズＡの方が支配的である場合も同様である。
つまり、この場合、マイクアンプ回路２０のノイズレベルは、入力換算ノイズＡで決まる。

＜第１の実施形態＞
図２は、上述の基本原理に基づいて構成されたマイクアンプ回路２０の回路図である。コンデンサマイク１０は、ＩＣの端子２１を介してオペアンプ２２の反転入力端子（−）に接続される。オペアンプ２２の非反転入力端子（＋）は接地される。オペアンプ２２の出力端子と反転入力端子（−）の間に、コンデンサ２３、帰還抵抗２４が並列に接続される。オペアンプ２２、帰還コンデンサ２３、帰還抵抗２４はプリアンプＰＡ１を形成している。

帰還抵抗２４は、オペアンプ２２の出力端子及び反転入力端子（−）の電位を安定化させるために設けられる。コンデンサマイク１０からの音声信号が帰還抵抗２４を介して、オペアンプ２２の反転入力端子（−）から出力端子に通過することを防止するため、帰還抵抗２４の抵抗値Ｒ０は十分大きな値に設定される。帰還抵抗２４の抵抗値Ｒ０が十分大きな値の場合、プリアンプＰＡ１のゲインはＣｅ／Ｃ０となる。Ｃｅはコンデンサマイク１０の容量値、Ｃ０は帰還コンデンサ２３の容量値である。ゲインはＣｅ／Ｃ０の比により、１以上、あるいは１以下に設定することができる。

プリアンプＰＡ１により増幅された音声信号は、アンプ２５を介してレベル検出回路２６に入力される。レベル検出回路２６は、プリアンプＰＡ１により増幅された後の音声信号のレベルが、マイクアンプ回路２０のノイズレベルの近傍であって該ノイズレベルより高い第１のレベルよりも低い時に第１のレベル検出信号ＬＤ１を出力し、音声信号のレベルが、前記ノイズレベルより高く第１のレベルより低い第２のレベルよりも低い時に第２の検出信号ＬＤ２を出力する。この場合、ノイズレベルとは、前述のように、入力換算ノイズＡとコンデンサマイク１０のノイズＭの大きい方のノイズのレベルのことである。

ノイズレベルの近傍とは、ノイズレベルと、ノイズレベルと比較して１６ｄＢ（デシベル）高いレベルの間の範囲で定義される。また、第１のレベルは、ノイズレベルと比較して１０ｄＢ〜１６ｄＢ高い範囲に設定されることが好ましい。第２のレベルは、好ましくはノイズレベルと第１のレベルの間に設定されるが、例えば、第１のレベルと比較して３ｄＢ〜６ｄＢ低く設定されることがさらに好ましい。

減衰器２７は、プリアンプＰＡ１の次段に設けられ、第１のレベル検出信号ＬＤ１に応じてプリアンプＰＡ１から出力される音声信号のレベルを減衰させ、第２のレベル検出信号ＬＤ２に応じてプリアンプＰＡ１から出力される信号のレベルをさらに大きく減衰させる回路である。

減衰器２７は、プリアンプＰＡ１の出力端子に一端が接続された第１の抵抗Ｒ１と、第１の抵抗Ｒ１の他端と接地の間に直列に接続された第２の抵抗Ｒ２及第１のスイッチング素子ＳＷ１と、第１の抵抗Ｒ１の他端と接地の間に直列に接続された第３の抵抗Ｒ３及第２のスイッチング素子ＳＷ２を備える。第１のスイッチング素子ＳＷ１は第１のレベル検出信号ＬＤ１に応じてオンし、第２のスイッチング素子ＳＷ２は第２のレベル検出信号ＬＤ２に応じてオンする。減衰器２７を通過した音声信号は、バッファ２８を通して出力される。第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタで形成することができる。

図３は、減衰器２７の入出力特性を示す図である。この場合、減衰器２７の入力信号レ
ベルは、プリアンプＰＡ１から出力される音声信号のレベルである。図示のように、音声
信号のレベルが、第１のレベルより高い時は、第１及び第２のレベル検出信号ＬＤ１，ＬＤ２は出力されず、第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２はオフしているので、プリアンプＰＡ１から出力される音声信号は減衰されることなく出力される。音声信号のレベルが、第１のレベルよりも低くなると、第１のレベル検出信号ＬＤ１が出力され、これに応じて、第１のスイッチング素子ＳＷ１がオンする。すると、第２の抵抗Ｒ２は導通した第１のスイッチング素子ＳＷ１を介して接地されるので、音声信号は減衰される。

そして、音声信号レベルが、第２のレベルよりも低くなると、第１のレベル検出信号ＬＤ１に加えて、第２のレベル検出信号ＬＤ２が出力され、これに応じて、第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンする。すると、第２の抵抗Ｒ２及び第３の抵抗Ｒ３は、導通した第１及び第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を介して接地されるので、音声信号はさらに大きく減衰される。音声信号の減衰量は、第２の抵抗Ｒ２及び第３の抵抗Ｒ３の抵抗値により調節することができる。

このように、音声信号のレベルが、マイクアンプ回路２０のノイズレベルの近傍の超低レベルの時にのみ、減衰器２７によりプリアンプＰＡ１のゲインが下げられることより、ノイズレベルが低減される。音声信号のレベルが第１のレベルより高い時のゲイン、つまり有信号時のゲインはそのままであり、結果として、ＳＮＲを向上させ、ダイナミックレンジを拡張することができる。

減衰器２７は、レベル検出回路２６の第１及び第２の検出信号ＬＤ１，ＬＤ２を用いて２段階のゲイン制御を行うが、レベル検出回路２６の第１の検出信号ＬＤ１だけを用いて１段階のみのゲイン制御を行うこともできる。この場合、減衰器２７の第２の抵抗Ｒ３及び第２のスイッチング素子ＳＷ２は省略することができる。

また、レベル検出回路２６の検出信号の数を増やし、３段階以上のゲイン制御を行うことも可能である。この場合、減衰器２７は検出信号の増減に応じて、直列接続されたスイッチング素子及び抵抗の数が増減される。ゲイン制御の段階を増やすことにより、ゲイン制御に伴う音声の不自然さを軽減することができる。

＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態におけるマイクアンプ回路２０Ａの回路図である。このマイクアンプ回路２０Ａにおいては、コンデンサマイク１０からの音声信号はプリアンプＰＡ２を通さずに、レベル検出回路２６に入力される。したがって、レベル検出回路２６は、プリアンプＰＡ２により増幅される前のコンデンサマイク１０からの音声信号のレベルを検出する。

この場合、コンデンサマイク１０は、ＩＣの端子２１を介してオペアンプ２２の非反転入力端子（＋）に接続される。反転入力端子（−）は、第１のコンデンサ３３を介して接地される。オペアンプ２２の出力端子と反転入力端子（−）の間に、第２のコンデンサ３１、帰還抵抗３２が並列に接続される。

帰還抵抗３２の抵抗値Ｒ４は、第１の実施形態の回路と同様の理由により、十分大きな値に設定される。帰還抵抗３２の抵抗値Ｒ４が十分大きな値の場合、プリアンプＰＡ２のゲインは（１＋Ｃ１／Ｃ２）となる。Ｃ１は第１のコンデンサ３３の容量値、Ｃ２は第２のコンデンサ３１の容量値である。その他の構成は第１の実施形態と同じである。

本実施形態においても、音音声信号のレベルが、マイクアンプ回路２０Ａのノイズレベルの近傍の超低レベルにある時にのみ、減衰器２７によりプリアンプＰＡ２のゲインが下げられることにより、ノイズレベルが低減され、ＳＮＲを向上させ、ダイナミックレンジを拡張することができる。

１０ コンデンサマイク
２０，２０Ａ マイクアンプ回路
２１ 端子
２２ オペアンプ
２３ 帰還コンデンサ
２４ 帰還抵抗
２５ アンプ
２６ レベル検出回路
２７ 減衰器
２８ バッファ
ＰＡ１，ＰＡ２ プリアンプ

Claims (6)

1. コンデンサマイクからの音声信号を増幅し所定のゲインを有するプリアンプであって、ゲインを設定するために第１のコンデンサと帰還抵抗がオペアンプの出力端子と入力端子の間にそれぞれ接続されているオペアンプを備えるプリアンプと、
   前記プリアンプの出力及び前記音声信号の一方に結合された入力を有するレベル検出回路であって、前記音声信号のレベルがマイクアンプ回路のノイズレベルの近傍にある時にレベル検出信号を出力するレベル検出回路と、
   前記レベル検出信号の状態に応じて前記プリアンプから出力される音声信号のレベルを減衰させる減衰器と、を備えることを特徴とするマイクアンプ回路。
2. 前記減衰器は、前記プリアンプの出力端子に一端が接続された第１の抵抗と、
   前記第１の抵抗の他端と接地の間に直列に接続された第２の抵抗及びスイッチング素子と、を備え、前記スイッチング素子は前記レベル検出信号に応じてオンすることを特徴とする請求項１に記載のマイクアンプ回路。
3. コンデンサマイクからの音声信号を増幅し所定のゲインを有するプリアンプであって、ゲインを設定するために第１のコンデンサと帰還抵抗がオペアンプの出力端子と入力端子の間にそれぞれ接続されているオペアンプを備えるプリアンプと、
   前記プリアンプの出力及び前記音声信号の一方に結合された入力を有するレベル検出回路であって、前記音声信号のレベルがマイクアンプ回路のノイズレベルの近傍であって該ノイズレベルより高い第１のレベルよりも低い時に第１のレベル検出信号を出力し、前記音声信号のレベルが前記ノイズレベルより高く前記第１のレベルより低い第２のレベルよりも低い時に第２のレベル検出信号を出力するレベル検出回路と、
   前記第１のレベル検出信号に応じて第１の量だけ前記プリアンプから出力される前記音声信号のレベルを減衰させ、前記第２のレベル検出信号に応じて第１の量よりも大きい第２の量だけ前記プリアンプから出力される信号のレベルをさらに大きく減衰させる減衰器と、を備えることを特徴とするマイクアンプ回路。
4. 前記減衰器は、前記プリアンプの出力端子に一端が接続された第１の抵抗と、
   前記第１の抵抗の他端と接地の間に直列に接続された第２の抵抗及び第１のスイッチング素子と、
   前記第１の抵抗の他端と接地の間に直列に接続された第３の抵抗及び第２のスイッチング素子と、を備え、前記第１のスイッチング素子は前記第１のレベル検出信号に応じてオンし、前記第２のスイッチング素子は前記第２のレベル検出信号に応じてオンすることを特徴とする請求項３に記載のマイクアンプ回路。
5. 前記レベル検出回路は、前記プリアンプにより増幅された後の音声信号のレベルを検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクアンプ回路。
6. 前記レベル検出回路は、前記プリアンプにより増幅される前の音声信号のレベルを検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクアンプ回路。

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