JPH08500237A - マイクロホン前置増幅方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 前置増幅回路が音声信号を増幅し、コンピュータシステムへと入力する。第一段のエミッタ接地増幅器（１６）は入力信号の高利得増幅をもたらし、他方演算増幅器からなる第二段の増幅器（１８）は増幅された音声信号でもってケーブルを駆動するのに適したものである。ダイオード（２６）と演算増幅器（２１ａ）からなる低コスト定電圧源（１４）は両方の増幅段（１６，１８）に対して、システムノイズの非常に高い除去を伴って、電圧基準を給電する。この回路と方法は、デスクトップ型コンピュータ装置に音声入力を行うに適した、低コストで製造の容易な前置増幅器を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロホン前置増幅方法及び装置 １．発明の分野 本発明は電子増幅器システムに関する。より詳しくは、本発明はコンピュータ システムにおけるマイクロホン信号の前置増幅に関するものである。 ２．発明の背景 パーソナルコンピュータは、各種のマルチメディア装置及び技術を介して、高 機能化を進展させつつユーザと相互作用を行っている。特に、デスクトップ型の コンピュータには、小型の安価なマイクロホンが付属され始めている。これらの マイクロホンは、ユーザがコンピユータアプリケーションへと音声入力を行うこ とを可能にする。例えば、サンプリングプログラムのアプリケーションは、音声 及び音楽情報を捕捉し、格納し、加工することを可能にする。別の例として、ス ピーチ認識及び合成プログラムは、人のスピーチを言語分析し、認識された人の 声に基づいてプログラム命令を実行することができる。音声入力の新たな用法は 、コンピュータの動作能力をより一層拡張するであろう。 あいにく、これらのマイクロホンをデスクトップ型コンピュータにおける音声 入力に用いることは、幾つかの要因によって阻害されている。デジタル用として 設計されているデスクトップ型コンピュータは、可聴周波数の電子的動作に対し ては、相当に苛酷な環境を 提供している。デスクトップ型コンピュータは、可聴領域においてスプリアス電 磁周波数成分を有するデジタル信号を絶えず生成している。この可聴周波数ノイ ズは、音声信号に干渉し、これを劣化させる可能性がある。この干渉を受けると 、プログラムアプリケーションは異常な、多くの場合には誤った挙動を示す可能 性がある。特にスピーチ認識アプリケーションは、音声データストリームから単 語を正確に認識するために、相当に高いＳＮ比を必要とする。可聴周波数のノイ ズ劣化は、特に非常に低いレベルの信号を生成するマイクロホンからの場合、こ うした人の音声用アプリケーションの適切な動作を妨害し、また阻止する場合さ えある。この問題に対する最も自明な解決策は、デスクトップ型コンピュータの それぞれに非常に良い増幅器を組み込んで、音声入力をあらゆる可聴周波数バッ クグラウンドノイズから適宜分離し、音声信号を受容可能なレベルまでブースト することであろう。しかしながら、デスクトップ型コンピユータ業界は、厳しい 競争という重圧をも受けており、音声データを機能的に、しかし費用をかけずに 入力するための解決策が必要とされている。歪みを殆ど加えずに適切なＳＮ比を もたらす従来の増幅器は、多くの場合製造過程が複雑であり、またデスクトップ 型コンピュータの用途に組み入れるには高価に過ぎる。 コンピュータシステムにおいてマイクロホン信号の前置増幅を行うための現在 の装置及び方法は、音声入力を増幅すると同時にノイズ劣化を最小限とするため の、簡単で安価なアプローチを提供するものではない。こうした現在のアプロー チは、製造が簡易で歩留ま りが高くしかも動作信頼性のある、高性能マイクロホン前置増幅器を提供するも のではない。コンピュータアプリケーションのために、マイクロホン信号の前置 増幅を行うための、改良された方法及び装置が必要とされている。マイクロホン 前置増幅のための改良型装置及び方法は、音信号及び人の音声信号に対する簡単 な増幅を行うための単純で安価なしかも信頼できるアプローチを提供すると同時 に、デスクトップ型コンピュータ環境からの周囲ノイズを拒絶するものでなけれ ばならない。このような改良型装置及び方法は、どのような特定のデスクトップ 型コンピュータ環境に対しても容易に適合し、安価で入手容易な部品を用いてコ ンピュータ回路内に取り入れることのできる、柔軟性のあるアプローチを提供す るものでなければならない。 ３．発明の概要 本発明によれば、マイクロホン前置増幅システムは、音源からの電子信号を受 け取るマイクロホン入力と、電圧基準源と、マイクロホン入力及び電圧基準源の 両者に結合されたマイクロホン／音源信号の高利得増幅のためのエミッタ接地増 幅器と、エミッタ接地増幅器の出力と電圧基準源の両者に結合され音声信号をさ らに増幅し高インピーダンス／高キャパシタンス出力ラインを駆動するためのラ インドライバ増幅器とからなる。 安価であり且つ十分に動作する前置増幅システムを提供するために、本発明は 従来の二重演算増幅器（オペアンプ）回路を、単一のトランジスタと一緒に採用 している。一方のオペアンプはダイオー ド電圧基準に結合され、適切な帰還回路を備えて、ダイオード電圧基準を増幅し 、高い電源雑音除去比でもって、回路の残余の部分に対する安定な低コストの電 圧基準をもたらす。トランジスタは好ましくはバイポーラＮＰＮトランジスタで あり、音声信号入力のための高利得エミッタ接地増幅器をもたらす。エミッタ接 地増幅器からの出力は、他方のオペアンプの入力に結合されている。このオペア ンプは帰還回路を通じて直流信号に対して電圧フォロワとして動作するが、しか し可聴信号に対しては開ループである。前置増幅器全体の閉ループ利得は、二番 目のオペアンプの出力をトランジスタのエミッタへと戻して注入することによっ て設定される。 直ちに入手可能な僅かな能動部品だけでもって、本発明の前置増幅器の独特の 設計は、デスクトップ型コンピュータにおいて、或いは低コストで高性能な音声 増幅を必要とする他の全ての用途において用いるための、音声信号増幅用の安価 な方法及び装置を提供する。本発明は大きな歪みなしに、通常の小型マイクロホ ンにより生成された小さな電気信号を、デスクトップ型コンピュータの用途に有 用なレベルにまで増幅することができる。本発明の出力信号はＡ−Ｄ変換器へと 、或いは多くの使用目的で記録又は増幅装置へと直接に送ることができる。本発 明のこのような、及びその他の特徴並びに利点は、添付図面を参照して行われる 以下の記述から明らかなものである。 ４．図面の簡単な説明 図１は、本発明によるマイクロホン前置増幅回路の概略的な回路 図である。 ５．好ましい実施例の説明 本発明によれば、マイクロホン前置増幅回路１０が図１に示されている。この マイクロホン前置増幅回路１０は、マイクロホン入力１２と、電圧基準ブロック １４と、エミッタ接地増幅器ブロック１６と、ラインドライバ増幅器ブロック１ ８と、出力２０とからなる。 小型マイクロホンが、入力端子２２ａ及び２２ｂに接続される。好ましい実施 例で使用されるこの小型マイクロホンは、エレクトレット小型マイクロホンであ り、技術的には普通に用いられているものである。このような小型マイクロホン は、前置増幅器１０に対しては接合形ＦＥＴソース接地増幅器として現れる。２ ２ａでの接続は、マイクロホンのドレイン端子におけるものである。抵抗３６ｂ （２．２ＫΩ）は、小型マイクロホンの販売元により特定されるドレイン特性を 確立する。２２ａにおけるマイクロホン信号は僅かに数ミリボルトの可聴信号で あるから、デジタル用として有用となるためには、この入力信号は前置増幅器１ ０により増幅されねばならない。 電圧基準ブロック１４は、公称＋２．０ボルトの十分に画定された低ノイズ電 圧基準を、前置増幅器１０による使用のために発生する。ダイオード２６（１Ｎ ９１４）はバイアスされて、２５゜Ｃにおいてほぼ０．６４Ｖｆをもたらす。通 常は１゜Ｃ当たり２．２ｍＶという、ダイオード２６の順方向電圧Ｖｆにおける 変動は、この好ましい実施例においては補慣されていないが、これは通常のデス クトップ型コンピュータ用の前置増幅器については、こうした揺らぎは予想され る温度範囲全体を通じて無視 できるからである。ダイオード２６の電圧は、演算増幅器２１ａ（National Sem iconductor LM358）によって増幅され、抵抗２８ａ（２７ＫΩ）と２８ｂ（５６ ＫΩ）か公称＋３．０に電圧基準の電圧利得を設定し、約１．９２ボルトの出力 電圧基準をもたらす。コンデンサ３０ａ（２．２μＦ）は単極形低域フィルタを 提供し、電圧基準出力に存在している全ての可聴帯域ノイズを減衰させる。コン デンサ３０ａにより提供されるこの低域フィルタは、２．７Ｈｚの−３ｄＢ点を 有する。抵抗２８ｃ（５６ＫΩ）は、５ボルトの電力入力２９と相俟って、電圧 基準１４（即ちダイオード２６）に対する初期バイアスをもたらし、それが確実 に始動するようにしている。電圧基準１４が始動した後は、抵抗２８ｃは本質的 に回路外となる。コンデンサ３０ｂはバイパスコンデンサであり、＋５ボルトの 入力ラインと接地との間のインピーダンスを低く保ち、電圧基準１４に対するノ イズ入力を大きく減衰させると共に、演算増幅器２１ａの安定な動作を確保する 。電圧基準１４は、公称１００ｄＢの可聴領域周波数にわたる電源除去を伴って 、安定な直流電源を供給する。 エミッタ接地増幅器１６の中心は、バイポーラＮＰＮトランジスタ３２（２Ｎ ３９０４）である。コンデンサ３４（０．０４７μＦ）は、小型マイクロホンの 入力２２ａをトランジスタ３２のベースに結合する。トランジスタ３２は、高利 得エミッタ接地増幅器として動作する。エミッタ接地増幅器１６の歪みは、抵抗 ３６ａ（５６ＫΩ）によってもたらされる負帰還によって低減される。抵抗３６ ａ（５６ＫΩ）と３６ｃ（１００ＫΩ）はトランジスタ３２のベースに対する適 切な動作電圧を設定し、他方抵抗３６ｄ（２．２ＫΩ）はコレクタ負荷抵抗であ って、トランジスタ３２の出力動作点を 設定する。抵抗３６ｅ（６８Ω）は前置増幅器１６の開ループ利得を設定し、程 々の負帰還をもたらして、トランジスタ３２の動作安定性を向上させる。抵抗３ ６ｅは、以下でさらに述べるように、前置増幅器１０全体の利得を設定する。 ラインドライバ増幅器ブロック１８において、コンデンサ３８（２．２μＦ） かエミッタ接地増幅器１６の出力（即ちトランジスタ３２のコレクタから）を、 第二の演算増幅器２１ｂの反転入力端子へと結合している。電圧基準１４が、演 算増幅器２１ｂの他方の入力に接続されている。抵抗４０ａ（１．１ＭΩ）は演 算増幅器２１ｂの直流安定性をもたらす。抵抗４０ａの値か大きいことから、演 算増幅器２１ａは可聴信号に対しては本質的に開ループとして動作するが、しか し直流信号に対しては安定な電圧フォロワとして動作する。コンデンサ３８は、 抵抗４０ａと共に形成する時定数が前置増幅器１０の閉ループ周波数応答を妨害 しないように、十分に大きく選択される。 トランジスタ３２は非常に高い利得帯域幅を有するから、演算増幅器２１ｂと 縦続接続されたトランジスタ３２の開ループ応答は本質的に、演算増幅器２１ｂ の開ループ応答を増幅器１６によってもたらされる利得分だけ増大させたもので ある。前置増幅器回路１０全体の閉ループ利得は、演算増幅器２１ｂの出力から の帰還を抵抗４０ｂ（２．２ＫΩ）を介してトランジスタ３２のエミッタへと注 入することによって設定される。好ましい実施例においては、この閉ループ利得 はほぼ、抵抗４０ｂの抵抗値を抵抗３６ｅの抵抗値で割ったもの（即ち２２００ ／６８）であり、これによつてほぼ３０ｄＢの利得がもたらされる。前置増幅器 全体のノイズ 性能は、殆どか抵抗３６ｅによって定まる。抵抗３６ｅか小さければ、ＳＮ比も 良好になる。こうした訳で、抵抗３６ｅは本質的に、前置増幅器入力２２の両端 に接続された唯一の内部ノイズ源である。この増幅器について異なる利得及びノ イズ特性を与えるために、抵抗４０ｂと３６ｅについて異なる値を選択すること ができる。例えば、抵抗３６ｅの値が２２Ωであるとすると、前置増幅器１０の 閉ループ利得は４０ｄＢであり、この増幅器は７０ｋＨｚである−３ｄＢ帯域に わたり、−１５０ｄＢＶのノイズフロアを達成する。 抵抗４０ｂと３６ｅはまた、演算増幅器２１ｂの出力に対する相当の負荷をも たらす。この負荷は公称２２００オームであり、高すきる負荷インピーダンスで 動作された場合にNational Semiconductor LM358である演算増幅器２１に関して 決まって現れるクロスオーバ歪みを排除するに十分なものである。 抵抗４０ｃは、前置増幅器１０に接続される出力ケーブルの分路寄生キャパシ タンスを演算増幅器２１ｂから減結台し、演算増幅器２１ｂか安定動作するよう にさせる。出力ブロック２０のコンデンサ４２（２．２μＦ）と抵抗４４（５６ ＫΩ）は、可聴信号からの直流減結合をもたらす。コンデンサ４２と抵抗４４の 低周波数カットオフ値は、コンデンサ３４により設定されるカットオフよりもず っと小さく選ばれる。出力４６ａと４６ｂは、前置増幅器１０によって伝達され る増幅された可聴信号をもたらす。 本発明を好ましい実施例に関して記述してきたが、当業者であれば、多種多様 の設計変更を行いうることを認識するであろう。多数 の均等な装置を用いて、本発明を実現することができる。例えば、好ましい実施 例におけるＮＰＮトランジスタに代えて、ＰＮＰトランジスタを用いることがで きる。演算増幅器、ダイオード、コンデンサ及び抵抗について、任意の数の均等 部材による置き換えを行うことができる。ここに記載された実施例に対するこれ らの、及びその他の変形及び修正は本発明により与えられたものであり、本発明 の範囲は以下の請求の範囲のみによって限定されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ファーラー，ダグラス，マン アメリカ合衆国カリフォルニア州94022 ロス・アルトス，ホーリングスワース・ド ライヴ・601

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロホンからの電子信号の前置増幅装置であって、 電子信号のためのマイクロホン入力と、 電圧基準源と、 マイクロホン入力及び電圧基準源に結合されたエミッタ接地増幅器と、及び エミッタ接地増幅器及び電圧基準源に結合され、前置増幅された電子信号の 出力を有するラインドライバ増幅器とからなる装置。 ２．電圧基準源が、 二つの入力と一つの出力を有する第一の演算増幅器と、 第一の演算増幅器の第一の入力に結合されたダイオードと、及び 出力からの電気接続と第一の演算増幅器の第二の入力との間に結合された第 一のコンデンサとからなる、請求項１の装置。 ３．マイクロホン入力とエミッタ接地増幅器とを結合する第二のコンデンサをさ らに含む、請求項１の装置。 ４．エミッタ接地増幅器が、 ラインドライバ増幅器の入力に結合されているコレクタを有するバイポーラ トランジスタと、 マイクロホン入力とバイポーラトランジスタのベースに結合されたコンデン サと、及び バイポーラトランジスタのコレクタとベースの間に結合された 第一の抵抗とからなる、請求項１の装置。 ５．ラインドライバ増幅器が、 第二の演算増幅器と、 エミッタ接地増幅器と第二の演算増幅器の入力との間に結合された第三のコ ンデンサと、及び 第二の演算増幅器の出力とエミッタ接地増幅器のエミッタとの間に結合され た第二の抵抗とをさらに含む、請求項１の装置。 ６．マイクロホンからの電子信号の前置増幅装置であって、 電子信号の入力のためのマイクロホン入力手段と、 実質的に一定の電圧基準をもたらす電圧基準源手段と、 マイクロホン入力手段及び電圧基準源手段に結合され、入力された電子信号 の高利得増幅のためのエミッタ接地増幅手段と、及び エミッタ接地増幅手段及び電圧基準源手段に結合され、前置増幅された電子 信号の出力を有する、信号ライン駆動のためのラインドライバ増幅手段とからな る装置。 ７．電圧基準源手段が、 二つの入力と一つの出力を有し、帰還増幅ループを維持する第一の演算増幅 手段と、 第一の演算増幅手段の第一の入力に結合され、低電圧基準をもたらすダイオ ード手段と、及び 出力からの電気接続と第一の演算増幅手段の第二の入力との間に結合された 第一のコンデンサとからなる、請求項６の装置。 ８．マイクロホン入力手段とエミッタ接地増幅手段とを結合する第二のコンデン サをさらに含む、請求項６の装置。 ９．エミッタ接地増幅手段が、 ラインドライバ増幅手段の入力に結合されているコレクタを有し、入力され た電子信号を増幅するトランジスタ手段と、 マイクロホン入力手段とトランジスタ手段のベースに結合されたコンデンサ と、及び トランジスタ手段のコレクタとベースの間に結合された第一の抵抗とからな る、請求項６の装置。 10．ラインドライバ増幅手段が、 増幅された入力電子信号を増幅する第二の演算増幅手段と、 エミッタ接地増幅手段と第二の演算増幅手段の入力との間に結合された第三 のコンデンサと、及び 第二の演算増幅手段の出力とエミッタ接地増幅手段のエミッタとの間に結合 された第二の抵抗とをさらに含む、請求項６の装置。 11．マイクロホンからの電子信号の前置増幅方法であって、 電子信号を入力し、 電圧基準をもたらし、 電圧基準に結合されたエミッタ接地増幅手段を用いて入力された電子信号の 高利得増幅を行い、及び エミッタ接地増幅手段及び電圧基準に結台され前置増幅された電子信号の出 力を有するラインドライバ増幅手段を用いて信号ラインを駆動することからなる 方法。 12．電圧基準をもたらす段階がさらに、 二つの入力と一つの出力を有する第一の演算増幅手段を用いて帰還増幅ルー プを維持し、 第一の演算増幅手段の第一の入力に結台されたダイオード手段を用いて低電 圧基準をもたらし、及び 出力からの電気接続と第一の演算増幅手段の第二の入力との間に結合された 第一のコンデンサを用いて帰還ループをもたらすことを含む、請求項１１の方法 。 13．第二のコンデンサを用いてマイクロホン入力とエミツタ接地増幅手段とを結 合する段階をさらに含む、請求項１１の方法。 14．エミッタ接地増幅手段が、 ラインドライバ増幅手段の入力に結合されているコレクタを有し、入力され た電子信号を増幅するトランジスタ手段と、 マイクロホン入力手段とトランジスタ手段のベースに結合されたコンデンサ と、及び トランジスタ手段のコレクタとベースの間に結合された第一の抵抗とからな る、請求項１１の方法。 15．ラインドライバ増幅手段が、 増幅された入力電子信号を増幅する第二の演算増幅手段と、 エミッタ接地増幅手段と第二の演算増幅手段の入力との間に結合された第三 のコンデンサと、及び 第二の演算増幅手段の出力とエミッタ接地増幅手段のエミッタとの間に結合 された第二の抵抗とをさらに含む、請求項１１の方法。