JP6694168B2 - マイクロフォン用の電子回路及びそのマイクロフォン - Google Patents

Description

本発明は、マイクロフォン用の電子回路に関する。特に、電子回路はＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：特殊用途向け集積回路）として構成されてもよい。更に、本発明は電子回路を備えるマイクロフォンに関する。マイクロフォンはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：微小電気機械システム）内に組み込まれてもよい。

マイクロフォンは、様々な機器において、２端子モードで動作させられている。２端子モードにおいては、電源と出力が同一の端子に割り振られることがある。これらのマイクロフォンは、一般的に、電源、グラウンド及び出力が別々の端子で供給される３端子モードのマイクロフォンに比較して、低い音圧レベルにおいて高い歪レベルを有する。

本発明の目的は、高い音圧レベルにおいて改善された特性、特に低減された歪レベル、を有する電子回路及びマイクロフォンを提供することである。

この目的は、独立請求項の特徴により達成される。発明の有利な実施形態は、従属請求項で特定されている。

本発明の第１の実施形態によれば、本発明は、マイクロフォン用の電子回路を特徴とする。この電子回路は、変換器により供給される電子回路の電気的入力信号を、前置増幅するための入力段を備える。更に、電子回路は、入力段の出力信号を処理することでマイクロフォンの出力信号を供給する出力段を備える。電子回路は、出力段の動作電流を設定するために配置構成された可変出力負荷を備える。加えて、電子回路は、入力段の出力信号を採取するように構成された測定回路と、入力段の採取された出力信号に応じて可変出力負荷を調整するように構成された自動制御回路を備える。

ここで、マイクロフォンを、特に２線機器においては、１３０ｄＢ ＳＰＬ以上の高い音圧レベルで使用することができる長所がある。その使用は、１１０−１２０ｄＢ ＳＰＬ又はそれ以下の音圧レベルに制限されない。

このことは、マイクロフォンの電流消費量及び全高調波歪（ＴＨＤ）性能を調整することを可能とする。マイクロフォンの使用を制限する代表的な主要因は、とりわけ２線マイクロフォンでは、出力段である。出力段は、おそらく低待機電流レベルのＡ級増幅器である。このような増幅器は、すでに低音圧レベルにおいて、例えば、１１０−１１５ｄＢ ＳＰＬ時に１０％ＴＨＤの高い歪レベルを備える。

出力負荷は、より高い音圧レベルに到達するために調整される。設定されたしきい値以下の音圧レベル、そして出力負荷の設定された値について、出力段はある特定の電流を流す。より高い音圧レベルは、出力段のより高いＴＨＤレベルの原因となる。従って、音圧レベルが設定されたしきい値を超える場合は、出力負荷の値が低減され、出力段による電流が増加する。その増加した電流は、例えば１０％ＴＨＤとなる点を、より高い音圧レベルへ移動させる。

第１の実施形態の一実施例によれば、電子回路は、２端子モードで動作可能であり、マイクロフォンの出力及び、電源供給又はグラウンドを構成する第１の端子（ＭＩＣ＿ＶＤＤ）を備える。２端子モードにおいては、電源供給、マイクロフォン出力及びグラウンドが２つの端子に割り当てられる。２端子モードは、低減された又は最小の配線、低製造コスト、及び／又はより小さいチップ面積を可能とする。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、電子回路は、グラウンドのための第２の端子、第３の端子、及び当該第３の端子が接続され、及び／又は出力負荷が並列に接続された２端子モード構成回路網を、備える。２端子モード構成回路網は、マイクロフォンの目標感度を調整するために使用してもよい。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、２端子モード構成回路網は、少なくとも一つの可変回路素子を備える。この構成は、目標感度の順応性が高い調整を可能とする。例えば、調整は、購入者側で実施してもよい。この手法では、広く多様な要求を、一つのマイクロフォンのバージョンで担うことが可能となる。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、入力段の利得は調整可能である。これは、目標感度及び更なるパラメータ、例えば電流消費量、信号対雑音比などへの順応性が高い調整を可能とする。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、自動制御回路が、入力段の利得及び／又は２端子モード構成回路網のそれぞれの可変回路素子の少なくとも一つのインピーダンス値を調整するように構成される。この回路は、目標感度及び更なるパラメータの、順応性が高く、且つ費用対効果が高い調整を可能とする。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、２端子モード構成回路網は、少なくとも一つのチップ上可変抵抗器を備える。この構成では、２端子モードにおける電子回路の動作は、外付けのディスクリート素子を、全く又はほとんど必要としない。ＰＣＢ領域は節約されるであろう。更に、とりわけ抵抗器の許容誤差及びばらつきは補償することができる。好ましくは、電子回路はＡＳＩＣとして構成され、複数の可変抵抗器が当該ＡＳＩＣ上に集積される。これは、電子回路の占有面積の削減を可能とする。更に、抵抗器を電子回路内（特にＡＳＩＣ）に集積することにより、外付け素子の許容誤差により上昇傾向となるマイクロフォンの感度ばらつきは、低減されるであろう。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、２端子モード構成回路網は、第２の抵抗器に並列配置された第１の抵抗器を備える。ここで、第１の抵抗器はコンデンサに直列接続することができる、この構成は、とりわけＤＣから高周波数に渡る広周波数帯域において、目標感度に到達させることができる。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、測定回路は、ピーク検出器を備える。この構成は、電子回路の費用対効果の高い生産を可能とする。ピーク検出器は、一つ以上のしきい値を用いて形成されてもよい。ピーク検出器が、設定されたしきい値を超える音圧値を検出したとき、ピーク検出器に結合された自動制御回路が、出力段の動作電流を増加させるために出力負荷の値を減少させる。さらなる複数のしきい値が定義されると、自動制御回路は、例えば更に１０％ＴＨＤ点を改善するために、より多くの段階で電流を設定してもよい。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、可変負荷は、可変抵抗器を備える。この構成では、出力段の動作電流を容易に調整できる。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、可変負荷は、スイッチング可能な抵抗器アレイを備える。これは、電子回路の費用対効果の高い生産を可能とする。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、出力段は電子回路の費用対効果の高い生産を可能とする、トランジスタ増幅器を備える。

第１の実施形態の更なる実施例によれば、変換器は差動変換器であり、及び／又は入力段はシングルエンドで差動入力段である。この構成は、変換器及び／又は入力段の非線形効果を除去あるいは減少させるであろう。

本発明の第２の実施形態によれば、本発明は、変換器（ＭＥＭＳ）と第１の態様の電子回路からなるマイクロフォンを特徴とする。

電子回路は、上述の構造的及び動作的特徴を備えてもよい。たとえ、それぞれの特徴が、特定の形態の中で明確に言及されないとしても、マイクロフォンに関して記述される特徴は、電子回路に関してもここで開示され、その逆また同様である。

本発明の第２の実施形態の一実施例によれば、変換器は、微小電気機械システムで製造されている。変換器はコンデンサを備えてもよい。とりわけ、音響の入力信号は、変換器の静電容量の変化の結果でもよい。従って、マイクロフォンは、コンデンサマイクロフォン又はキャパシタマイクロフォンであってもよい。変換器は、ダイアフラム及び一つ以上のバックプレートを備えてもよい。

更なる特徴、詳細及び長所は、図面を参照した典型的な実施形態の以下の記述から明らかになる。

本発明のマイクロフォンの第１の実施形態のブロック図。 本発明のマイクロフォンの第２の実施形態のブロック図。 本発明のマイクロフォンの第３の実施形態のブロック図。

異なる図中に現れる同一の設計及び機能の要素には、同じ符号が付加される。

図１に、マイクロフォン２の第１の実施形態のブロック図を示す。マイクロフォン２は電子回路１０を備える。

好ましくは、電子回路１０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。電子回路１０は、ダイとして製造されてもよい。

マイクロフォン２は、音響入力信号を電気信号に変換するための微小電気機械システムからなる変換器ＭＥＭＳを備える。一例として、変換器ＭＥＭＳは、シリリコン又はガリウムヒ素のような半導体材料を備えてもよい。変換器ＭＥＭＳは、ダイアフラム及び一つ以上のバックプレートを備えてもよい。一例として、ダイアフラムとバックプレートとの間の間隔は１μｍ乃至１０μｍの範囲内にあってもよい。

図１において、変換器ＭＥＭＳは、シングルエンド変換器として構成された例である。

マイクロフォン２は、変換器ダイ及び電子回路１０を備えるＡＳＩＣダイを備えてもよい。示された電子回路１０は、微小電気機械システムの変換器よりも、別の変換器でも使用されてもよい。マイクロフォン２は、例えばヘッドセットで使用されてもよい。

変換器ＭＥＭＳは、電子回路１０に電気的に接続されている。とりわけ、電子回路１０は、変換器ＭＥＭＳの電気信号を処理してもよい。

電子回路１０は、入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐ及び出力段Ｔ＿ａｍｐ、可変出力負荷ＲＳ、測定回路Ｐ＿ｄｅｔ、並びに自動制御回路ＡＣＣを備える。入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐの入力は、変換器ＭＥＭＳから電気信号を受信するために、変換器ＭＥＭＳの第１の接点に接続される。

出力段Ｔ＿ａｍｐは、入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐの出力を受信するために、配置構成される。出力段Ｔ＿ａｍｐは、トランジスタ増幅器として機能するトランジスタ２０を備えてもよい。

測定回路Ｐ＿ｄｅｔは、入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐの出力を測定するために、配置構成される。測定回路Ｐ＿ｄｅｔは、ピーク検出器を備えていてもよい。

可変出力負荷ＲＳは、出力段Ｔ＿ａｍｐが音圧レベルに応答して異なるレベルの電流を流すように構成されてもよい。

自動制御回路ＡＣＣは、入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐ出力信号に応じて、とりわけ測定回路Ｐ＿ｄｅｔの測定結果に応じて、出力負荷ＲＳを調整するために配置され構成される。

可変出力負荷ＲＳは、可変抵抗器を備えてもよい。可変出力負荷ＲＳは、スイッチング可能な抵抗器アレイを備えてもよく、自動制御回路ＡＣＣはスイッチング可能な抵抗器アレイのスイッチ設定を制御する構成であってもよい。

更に、電子回路１０は、変換器ＭＥＭＳにバイアス電圧を供給してもよい（図１には詳細に示さず）。

電子回路１０は２端子モードで動作可能であってよく、マイクロフォンの出力及び電源供給のために構成された第１の端子ＭＩＣ＿ＶＤＤを備えてもよい。

抵抗器ＲＢＩＡＳは、第１の端子ＭＩＣ＿ＶＤＤと電源供給ＶＤＤの間の接続部に位置してもよい。抵抗器ＲＢＩＡＳは、電源供給ＶＤＤに直列に接続されてもよい。

電子回路１０は、電子回路１０をグラウンドに接続するための第２の端子ＭＩＣ＿ＧＮＤを備えてもよい。

マイクロフォン２は、第３の端子ＭＩＣ＿ＯＵＴに接続され、及び／又は、出力負荷ＲＳに並列に接続される２端子モード構成回路網を備えてもよい。

２端子モード構成回路網は、第１の抵抗器ＲＬＡＣ及び第２の抵抗器ＲＬＤＣを備えてもよい。２端子モードにおいては、２つの抵抗器ＲＬＡＣ、ＲＬＤＣはマイクロフォン２の感度を調整するために用いられてもよい。第１の抵抗器ＲＬＡＣは、コンデンサＣＬと直列に接続される。第２の抵抗器ＲＬＤＣは、第１の抵抗器ＲＬＡＣ及びコンデンサＣＬの並列に接続されてもよい。

好ましくは、コンデンサＣＬは電子回路１０の一部ではなく、ＰＣＢ（プリント回路基板）上に外付けで配置されても良い。コンデンサＣＬはディスクリート素子として構成されてもよい。

第１の抵抗器ＲＬＡＣ及び／又は第２の抵抗器ＲＬＤＣもまた、電子回路１０の一部ではなく、ＰＣＢ上に外付けで配置されてもよい。第１の抵抗器ＲＬＡＣ及びは第２の抵抗器ＲＬＤＣはディスクリート素子として構成されてもよい。このような取り組みは、感度調整の観点で高い順応性を提供し、この場合は、製造誤差は何も役割を果たさないから、感度面でばらつきが小さいという長所を提供する。

出力段Ｔ＿ａｍｐは、印加信号なし、及び設定されたしきい値（例えば１０５ｄＢ ＳＰＬ）以下の音圧、並びに出力負荷ＲＳ（例えば３０ｋΩ）、第１の抵抗器ＲＬＡＣ（例えば２ｋΩ）、及び第２の抵抗器ＲＬＤＣ（例えば１５ｋΩ）の設定された値において、５０μＡの電流Ｉｖｄｄを流し、そして２線動作モードの感度は概ね４４ｄＢＶとなる。この構成において、マイクロフォン２は、音圧レベルが設定された限度（例えば１００ｄＢ ＳＰＬ）に到達したときに、１０％ＴＨＤレベルに達してもよい。

測定回路Ｐ＿ｄｅｔが、設定されたしきい値以上の音圧レベルを検出すると、自動制御回路ＡＣＣは出力負荷ＲＳの値を減少させ、その結果として、出力段Ｔ＿ａｍｐに流れ込む電流Ｉｖｄｄは増加する。

出力段Ｔ＿ａｍｐのＤＣ電流を変化させることは、電流を切換の間にグリッチを生じさせることがある。好ましくは、電子回路１０はマイクロフォン出力のグリッチを抑制する回路（グリッチ除去回路）を備える。

図２はマイクロフォン２の第２の実施形態のブロック図を示す。

この実施形態では、変換器ＭＥＭＳが差動変換器として構成され、入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐがシングルエンド差動入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐとして構成される。そのような構成では、例えば、変換器ＭＥＭＳ及び／又は入力段の非線形性である、非線形性の他の音源同士が補償されてもよく、より高い音圧レベルに到達するであろう。

図３はマイクロフォン２の第３の実施形態のブロック図を示す。

図１又は図２と対比すると、第１の抵抗器ＲＬＡＣ及び第２の抵抗器ＲＬＤＣは、電子回路１０と同一のダイ上に配置されていてもよく、電子回路１０の一部となっている。

好ましくは、第１の抵抗器ＲＬＡＣ、及び／又は第２の抵抗器ＲＬＤＣ、及び／又は入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐの利得は調整可能であり、そして、自動制御回路ＡＣＣは入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐの利得、及び／又は２端子モード構成回路網のそれぞれの可変回路素子の少なくとも１つのインピーダンス値を調整するように構成されている。

電流Ｉｖｄｄが変化するとき、その結果として生じる感度の変化は、第１の抵抗器ＲＬＡＣ、及び／又は第２の抵抗器ＲＬＤＣ、及び／又は入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐの再構成により補償されてもよく、そして感度は一定値に維持される。

それによって、２線モードでの感度の拡がりは縮小されてもよい。この拡がりは、抵抗器だけではなく、マイクロフォン感度も含めた全体の拡がりから生じることがある。従って、総拡がりを減少させることができる。とりわけ、感度調整は第１の抵抗器ＲＬＡＣ及び第２の抵抗器ＲＬＤＣの同調により成し遂げることができる。更に、マイクロフォン２の電流消費量及びＴＨＤ性能も、とりわけ、出力負荷ＲＳ及び入力段Ｐｒｅ＿ａｍｐの利得により、調整されてもよい。

２ マイクロフォン
１０ 電子回路
ＡＣＣ 自動制御回路
ＣＬ コンデンサ
Ｉｖｄｄ 出力段の電流
ＭＥＭＳ 変換器
ＭＩＣ＿ＧＮＤ 第２の端子
ＭＩＣ＿ＯＵＴ 第３の端子
ＭＩＣ＿ＶＤＤ 第１の端子
Ｐ＿ｄｅｔ 測定回路
Ｐｒｅ＿ａｍｐ 入力段
ＲＢＩＡＳ 第１の抵抗器
ＲＬＡＣ 第２の抵抗器
ＲＬＤＣ 第３の抵抗器
ＲＳ 出力負荷
Ｔ＿ａｍｐ 出力段
ＶＤＤ 電源

Claims (12)

1. マイクロフォン（２）用の電子回路（１０）であって、前記電子回路（１０）は、
   変換器により供給される、電子回路（１０）の電気的入力信号を、前置増幅する入力段であって、前記入力段の利得が調整可能である入力段と、
   前記入力段の出力信号を処理することにより、マイクロフォンの出力に出力信号を供給する出力段であって、前記前置増幅する入力段に接続されたゲートを有するトランジスタ増幅器を備える出力段と、
   前記出力段の動作電流を設定するために配置構成された可変出力負荷であって、前記出力段の前記トランジスタ増幅器のソースに接続された可変出力負荷と、
   前記前置増幅する入力段に接続され、前記入力段の出力信号を採取する測定回路と、
   前記入力段の採取された出力信号に応じて可変出力負荷と前記入力段の利得とを調整するために構成された自動制御回路と、
   を備える電子回路。
2. 前記電子回路（１０）は、２端子モードで動作可能な、前記マイクロフォンの出力及び、電源供給又はグラウンドのための第１の端子（ＭＩＣ＿ＶＤＤ）を備える、請求項１に記載の電子回路。
3. 前記電子回路（１０）は、２端子モードで動作可能であり、
   前記電子回路（１０）は、
   前記マイクロフォンの出力及び、電源供給のために構成された第１の端子（ＭＩＣ＿ＶＤＤ）と、
   グラウンドのための第２の端子（ＭＩＣ＿ＧＮＤ）と、
   前記出力段の前記トランジスタ増幅器のソースに接続された第３の端子（ＭＩＣ＿ＯＵＴ）と、
   前記可変出力負荷が並列に接続された２端子モード構成回路網と、
   を備える、請求項２に記載の電子回路。
4. 前記２端子モード構成回路網は、少なくとも一つの可変回路素子を備える、請求項３に記載の電子回路。
5. 前記２端子モード構成回路網は、少なくとも一つのチップ上可変抵抗器を備える、請求項３乃至４のいずれか１項に記載の電子回路。
6. 前記２端子モード構成回路網は、第２の抵抗器（ＲＬＤＣ）に並列配置された第１の抵抗器（ＲＬＡＣ）を備え、前記第１の抵抗器（ＲＬＡＣ）はコンデンサ（ＣＬ）に直列接続される、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の電子回路。
7. 前記測定回路とは、ピーク検出器を備える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電子回路。
8. 前記可変出力負荷は、可変抵抗器を備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電子回路。
9. 前記可変出力負荷は、スイッチング可能な抵抗器アレイを備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電子回路。
10. 前記変換器は、差動変換器である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電子回路。
11. 前記電子回路（１０）を有するマイクロフォン（２）であって、
    前記マイクロフォン（２）は、前記変換器を備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のマイクロフォン。
12. 前記変換器は、音響入力信号を電気信号に変換するように構成され、ダイアフラム及び一つ以上のバックプレートを備え、前記ダイアフラム及び前記バックプレートのそれぞれの間の距離は、１μｍ乃至１０μｍの範囲内にある、
    請求項１１に記載のマイクロフォン（２）。

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