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JP2016123028A - Capacitor microphone and microphone circuit for use therein - Google Patents
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To output a sound signal excellent in reproducibility and even a considerably large sound pressure is not distorted when it is inputted, in a capacitor microphone.SOLUTION: In a capacitor microphone, a microphone element 10 converts a change of capacitance between a movable electrode and a fixed electrode, dependent on the sound pressure, into a voltage signal or an acoustic-electric conversion signal ms. An amplitude control circuit 16 provided in a microphone circuit 12 monitors the amplitude value of a preamplifier output signal MS outputted from a preamplifier 14, and when the amplitude value exceeds a predetermined monitoring value, applies a reverse phase signal cshaving a waveform of reverse phase (reversal of polarity) and a relatively low amplitude for the acoustic-electric conversion signal ms to one side of the microphone element 10.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、静電容量の変化を利用して音声または音響を電気信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路に関する。   The present invention relates to a condenser microphone that converts voice or sound into an electrical signal by using a change in capacitance, and a microphone circuit used therefor.

近年、半導体基板上にウエハプロセスを用いてモノリシックに作り込まれるMEMS(Micro Electro Mechanical System)マイクロフォンが、小型・薄型化、高耐熱性および量産性をはかれる利点から、携帯電話機等のモバイル機器向けに普及している。   In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical System) microphones monolithically fabricated on a semiconductor substrate using a wafer process have the advantages of miniaturization, thinning, high heat resistance, and mass productivity. It is popular.

MEMSマイクロフォンは、コンデンサマイクロフォンの一種であり、音圧を受けて振動する可動電極と音圧を受けても静止状態を保つ固定電極とをギャップを介して平行に配置し(それによってコンデンサを形成し)、可動電極の振動に応じた静電容量の変化を電圧信号つまり音響電気変換信号として取り出すようにしている。一般的に、MEMSマイクロフォンの音響電気変換素子またはMEMSマイクロフォン素子は、音波を直接受ける表側の固定電極に多数の孔(開口)を形成し、それらの孔を通過した音の圧力によって内側の可動電極を振動させる仕組みになっており、可動電極の背後に音響共振器を形成する空洞(バックチャンバー)を一体に有している。   A MEMS microphone is a type of condenser microphone. A movable electrode that vibrates under sound pressure and a fixed electrode that remains stationary even under sound pressure are placed in parallel via a gap (thus forming a capacitor). ), A change in capacitance according to the vibration of the movable electrode is taken out as a voltage signal, that is, an acoustoelectric conversion signal. In general, an acoustoelectric transducer or MEMS microphone element of a MEMS microphone forms a large number of holes (openings) in the fixed electrode on the front side that directly receives sound waves, and the inner movable electrode is formed by the pressure of sound that has passed through these holes. And has a cavity (back chamber) that forms an acoustic resonator behind the movable electrode.

MEMSマイクロフォンは、エレクトレット方式のコンデンサマイクロフォン(ECM)とは異なり、電極間の静電容量に電荷を蓄えるには、DC(直流)バイアス電圧の印加を必要とする。通常は、可動電極にDCバイアス電圧が印加され、固定電極より音響電気変換信号が取り出される。MEMSマイクロフォン素子より出力された音響電気変換信号は、初段のアンプまたはプリアンプに入力され、そこでインピーダンス変換を受け、所定の利得で増幅される。この場合、プリアンプの入力端子とグランド電位との間に寄生容量が存在する。MEMSマイクロフォン素子の静電容量は非常に小さいので、それに比して寄生容量が相当大きい場合は、マイク感度を下げる原因にもなる。このため、プリアンプの寄生容量は可及的に小さいのが望ましい。   Unlike an electret condenser microphone (ECM), a MEMS microphone requires application of a DC (direct current) bias voltage in order to store electric charge in a capacitance between electrodes. Usually, a DC bias voltage is applied to the movable electrode, and an acoustoelectric conversion signal is extracted from the fixed electrode. The acoustoelectric conversion signal output from the MEMS microphone element is input to the first stage amplifier or preamplifier, where it undergoes impedance conversion and is amplified with a predetermined gain. In this case, there is a parasitic capacitance between the input terminal of the preamplifier and the ground potential. Since the capacitance of the MEMS microphone element is very small, if the parasitic capacitance is considerably large, the microphone sensitivity may be lowered. For this reason, it is desirable that the parasitic capacitance of the preamplifier is as small as possible.

一方、MEMSマイクロフォンにおいて、プリアンプの入力端子と基準電位(通常グランド電位)との間に接続されるバイアス用のクランプ素子としては、高い抵抗値と短時間での安定性を求められることから、アンチ・パラレル・ダイオード・ペア(APDP)が多く用いられている。APDPは、一対のダイオードがそれぞれの極性を互いに逆向きにして並列に接続される回路である。これら一対のダイオードのうち、逆方向に印加される一方のダイオードは、降伏電圧以下の信号電圧に対して高抵抗として働く。順方向に印加される他方のダイオードも、オン電圧以下の信号電圧に対しては高抵抗として作用する。   On the other hand, as a bias clamp element connected between the input terminal of the preamplifier and the reference potential (normal ground potential) in a MEMS microphone, a high resistance value and stability in a short time are required. -Many parallel diode pairs (APDP) are used. APDP is a circuit in which a pair of diodes are connected in parallel with their polarities opposite to each other. Of these pair of diodes, one diode applied in the reverse direction acts as a high resistance to a signal voltage equal to or lower than the breakdown voltage. The other diode applied in the forward direction also acts as a high resistance against a signal voltage equal to or lower than the ON voltage.

特開2013−85025JP2013-85025A

一般に、MEMSマイクロフォンのメジャーな感度はおおよそ-40[dBV/Pa]近辺である。たとえば、マイク感度-42dBVは、1パスカルの音の圧力に対してマイクロフォンより-42dBV=7.9mVrmsの信号電圧が出力されることを意味する(ただし、プリアンプの増幅率は1(利得0dB)と仮定する)。ここで、基準となる1パスカルの圧力は、94dBVsplの音圧レベルに相当し、人が大声で会話するときの音量である。もちろん、マイクの基本性能として、高い感度だけでなく、良好な音質特性も求められることに関しては、MEMSマイクロフォンも例外ではない。   In general, the major sensitivity of MEMS microphones is around -40 [dBV / Pa]. For example, a microphone sensitivity of -42 dBV means that a signal voltage of -42 dBV = 7.9 mVrms is output from the microphone for a pressure of 1 Pascal sound (assuming that the preamplifier has a gain of 1 (gain 0 dB)). To do). Here, the standard pressure of 1 Pascal corresponds to a sound pressure level of 94 dBVspl, and is a volume when a person speaks loudly. Of course, MEMS microphones are no exception when the basic performance of microphones is to require not only high sensitivity but also good sound quality characteristics.

ところが、従来のコンデンサマイクロフォン(特にMEMSマイクロフォン)においては、日常的にめずらしくない大きめ(たとえば124dBVspl以上)の音圧を入力すると、出力信号に歪が生じて音質特性(特に再現性)が著しく低下することが問題となっている。   However, in conventional condenser microphones (especially MEMS microphones), if a large sound pressure (eg, 124 dBVspl or more) that is not uncommon is input, distortion occurs in the output signal and sound quality characteristics (particularly reproducibility) are significantly reduced. Is a problem.

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、相当大きめの音圧を入力しても歪まない再現性に優れた音信号を出力できるコンデンサマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路を提供する。   The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and provides a condenser microphone capable of outputting a sound signal having excellent reproducibility that is not distorted even when a considerably large sound pressure is input, and a microphone circuit used therefor. To do.

本発明のマイク回路は、ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第1の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第1の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第1の増幅回路と、前記第1の増幅回路より出力される第2の信号の振幅値を監視し、前記第2の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第1の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第3の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路とを有する。   The microphone circuit of the present invention has a movable electrode and a fixed electrode that are arranged to face each other with a gap therebetween, and changes the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode in accordance with the input sound pressure according to the first change. A microphone circuit that is electrically connected to a capacitor-type microphone element that converts to a signal and performs a certain signal processing on the first signal, the input terminal of which is connected to the output terminal of the microphone element 1 and an amplitude value of a second signal output from the first amplifier circuit, and when the amplitude value of the second signal exceeds a predetermined monitoring value, the first signal is changed to the first signal. On the other hand, an amplitude control circuit that applies a third signal having a waveform having a relatively low amplitude value and an opposite phase to either the movable electrode or the fixed electrode.

また、本発明のマイクロフォンは、ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第1の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子と、入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第1の増幅回路と、前記第1の増幅回路より出力される第2の信号の振幅値を監視し、前記第2の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第1の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第3の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路とを有する。   In addition, the microphone of the present invention includes a movable electrode and a fixed electrode that are arranged to face each other via a gap, and a first change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode according to an input sound pressure is detected. A capacitor-type microphone element for converting the signal into a first signal, a first amplifier circuit whose input terminal is connected to the output terminal of the microphone element, and an amplitude value of the second signal output from the first amplifier circuit. And when the amplitude value of the second signal exceeds a predetermined monitoring value, a third signal having a waveform having a relatively low amplitude value and an antiphase with respect to the first signal is transmitted to the movable electrode or An amplitude control circuit applied to any one of the fixed electrodes.

本発明のマイク回路またはマイクロフォンにおいては、第1の増幅回路より出力される第2の信号の振幅値が監視値を超えていない時は、振幅制御回路よりマイクロフォン素子に第3の信号は供給されない。これにより、マイクロフォン素子で音響電気変換により生成された第1の信号がそのまま第1の増幅回路に入力される。しかし、第2の信号の振幅値が監視値を超えた時は、マイクロフォン素子で生成された音響電気変換により生成された第1の信号に振幅制御回路からの第3の信号を足し合わせた和信号が第1の増幅回路に入力される。   In the microphone circuit or microphone of the present invention, when the amplitude value of the second signal output from the first amplifier circuit does not exceed the monitoring value, the third signal is not supplied from the amplitude control circuit to the microphone element. . As a result, the first signal generated by the acoustoelectric conversion by the microphone element is directly input to the first amplifier circuit. However, when the amplitude value of the second signal exceeds the monitored value, the sum of the first signal generated by the acoustoelectric conversion generated by the microphone element and the third signal from the amplitude control circuit is added. A signal is input to the first amplifier circuit.

本発明の好適な一態様においては、マイクロフォン素子の可動電極または固定電極のいずれか一方に第1の増幅回路の入力端子が接続され、他方に振幅制御回路からの第3の信号がカップリングコンデンサを介して印加される。   In a preferred aspect of the present invention, the input terminal of the first amplifier circuit is connected to either the movable electrode or the fixed electrode of the microphone element, and the third signal from the amplitude control circuit is connected to the other side of the coupling capacitor. Applied.

別の好適な一態様においては、第1の増幅回路の入力端子と基準電位との間にバイアス用のクランプ素子たとえばアンチ・パラレル・ダイオード・ペアが接続される。この場合、監視値は、第1の増幅回路に入力される信号の振幅値がアンチ・パラレル・ダイオード・ペアのオン電圧に達しないうちに第2の信号の振幅値が達するレベルに設定される。   In another preferred embodiment, a bias clamping element such as an anti-parallel diode pair is connected between the input terminal of the first amplifier circuit and the reference potential. In this case, the monitoring value is set to a level at which the amplitude value of the second signal reaches before the amplitude value of the signal input to the first amplifier circuit reaches the on-voltage of the anti-parallel diode pair. .

別の好適な一態様において、振幅制御回路は、第1の増幅回路より出力された第2の信号を正または負の利得で増幅する第2の増幅回路を有する。   In another preferred aspect, the amplitude control circuit includes a second amplifier circuit that amplifies the second signal output from the first amplifier circuit with a positive or negative gain.

本発明のコンデンサマイクロフォンまたはマイク回路によれば、上記のような構成および作用により、相当大きな音圧を入力しても歪まない音声信号を出力することが可能であり、再現性に優れた良好な音質特性が得られる。   According to the condenser microphone or the microphone circuit of the present invention, it is possible to output an audio signal that is not distorted even if a considerably large sound pressure is input by the configuration and operation as described above, and has excellent reproducibility. Sound quality characteristics can be obtained.

本発明の基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of this invention. 本発明の一実施形態におけるコンデンサマイクロフォンの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the capacitor | condenser microphone in one Embodiment of this invention. 上記コンデンサマイクロフォンに用いられるMEMSマイクロフォン素子の要部の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the principal part of the MEMS microphone element used for the said capacitor | condenser microphone. 上記MEMSマイクロフォン素子より出力される音響電気信号の波形を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the waveform of the acoustoelectric signal output from the said MEMS microphone element. 上記コンデンサマイクロフォンに含まれる制御部の一構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the control part contained in the said capacitor | condenser microphone. 上記コンデンサマイクロフォンに含まれる可変減衰器および反転増幅器の利得特性を示す図である。It is a figure which shows the gain characteristic of the variable attenuator and inverting amplifier which are contained in the said capacitor | condenser microphone. 上記コンデンサマイクロフォンにおける主たる作用を模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating typically the main effect | action in the said capacitor | condenser microphone. 上記コンデンサマイクロフォンにおける主たる作用を模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating typically the main effect | action in the said capacitor | condenser microphone. 上記コンデンサマイクロフォンにおける主たる作用を模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating typically the main effect | action in the said capacitor | condenser microphone. 上記コンデンサマイクロフォンにおいてシミュレーションによって得られた各部の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of each part obtained by simulation in the said capacitor | condenser microphone. 一変形例における振幅制御回路の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the amplitude control circuit in one modification. 別の変形例における振幅制御回路の要部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the principal part of the amplitude control circuit in another modification.

[基本構成]
図1に示すように、本発明のコンデンサマイクロフォンは、基本的な構成要素として、コンデンサ型のマイクロフォン素子10と、このマイクロフォン素子10に電気的に接続されるマイク回路12とを有する。
[Basic configuration]
As shown in FIG. 1, the condenser microphone of the present invention includes a capacitor-type microphone element 10 and a microphone circuit 12 electrically connected to the microphone element 10 as basic components.

マイクロフォン素子10は、コンデンサ型の音響電気変換素子として構成されており、音圧に応じた可動電極および固定電極間の静電容量の変化を電圧信号または音響電気変換信号(第1の信号)msに変換する。マイク回路12は、マイクロフォン素子10で生成される音響電気変換信号msに対して一定の信号処理(たとえば、インピーダンス変換、増幅、振幅制御、アナログ−ディジタル変換、ノイズ除去処理の中の1つ以上)を行う。マイク回路12は、少なくとも初段の増幅回路またはプリアンプ14と振幅制御回路16とを有する。   The microphone element 10 is configured as a capacitor-type acoustoelectric conversion element, and a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode according to the sound pressure is expressed as a voltage signal or an acoustoelectric conversion signal (first signal) ms. Convert to The microphone circuit 12 performs certain signal processing on the acoustoelectric conversion signal ms generated by the microphone element 10 (for example, one or more of impedance conversion, amplification, amplitude control, analog-digital conversion, noise removal processing). I do. The microphone circuit 12 includes at least a first-stage amplifier circuit or preamplifier 14 and an amplitude control circuit 16.

プリアンプ14は、その入力端子がマイクロフォン素子10の出力端子に接続され、マイクロフォン素子10からの電圧信号またはプリアンプ入力信号ASに対して、高インピーダンスから低インピーダンスへのインピーダンス変換を行うとともに、一定の利得(通常は0dB以上)で信号増幅を行う。   The preamplifier 14 has an input terminal connected to the output terminal of the microphone element 10, performs impedance conversion from a high impedance to a low impedance for the voltage signal from the microphone element 10 or the preamplifier input signal AS, and has a constant gain. Signal amplification is performed (usually 0 dB or more).

振幅制御回路16は、プリアンプ14より出力される電圧信号またはプリアンプ出力信号(第2の信号)MSの振幅値を監視し、その振幅値が所定の監視値Kを超えた時に音響電気変換信号msに対して相対的に低い振幅と逆位相(極性反転)の波形を有する電圧信号または逆相信号(第3の信号)cs-をマイクロフォン素子10の片側の電極(好ましくは出力端子側の電極と反対側の電極)に印加するようになっている。 The amplitude control circuit 16 monitors the amplitude value of the voltage signal output from the preamplifier 14 or the preamplifier output signal (second signal) MS, and when the amplitude value exceeds a predetermined monitoring value K, the acoustoelectric conversion signal ms. A voltage signal or an anti-phase signal (third signal) cs having a waveform with a relatively low amplitude and anti-phase (polarity inversion) with respect to the electrode on one side of the microphone element 10 (preferably an electrode on the output terminal side) The electrode is applied to the opposite electrode).

より詳細には、プリアンプ出力信号MSの振幅値が監視値Kを超えていない時は、振幅制御回路16よりマイクロフォン素子10に逆相信号cs-は供給されない。したがって、マイクロフォン素子10で生成された音響電気変換信号msがそのままプリアンプ入力信号ASとしてプリアンプ14に入力される。しかし、プリアンプ出力信号MSの振幅値が監視値Kを超えた時は、マイクロフォン素子10で生成された音響電気変換信号msに振幅制御回路16からの逆相信号cs-を足し合わせた和信号(ms+cs-)がプリアンプ入力信号ASとしてプリアンプ14に入力されるようになっている。 More specifically, when the amplitude value of the preamplifier output signal MS does not exceed the monitoring value K, the negative phase signal cs is not supplied from the amplitude control circuit 16 to the microphone element 10. Therefore, the acoustoelectric conversion signal ms generated by the microphone element 10 is directly input to the preamplifier 14 as the preamplifier input signal AS. However, when the amplitude value of the preamplifier output signal MS exceeds the monitoring value K, a sum signal (the sum signal (ac-electric conversion signal ms generated by the microphone element 10) and the reverse phase signal cs from the amplitude control circuit 16 is added. ms + cs ) is input to the preamplifier 14 as the preamplifier input signal AS.

本発明の基本構成によれば、マイクロフォン素子10が相当大きな(たとえば124dBVspl以上の)音圧を入力し、その音圧に対応した相当大きな振幅を有する音響電気変換信号msを生成しても、マイクロフォン素子10の中または回りで音響電気変換信号msに振幅制御回路16からの逆相信号cs-が減算の形態で加えられることにより、音響電気変換信号msと同じ位相であって、波形が殆ど歪まずに振幅値が一定レベル以下に止まるプリアンプ入力信号ASが得られる。これにより、プリアンプ14より出力されるプリアンプ出力信号ASの波形も歪まない。 According to the basic configuration of the present invention, even if the microphone element 10 receives a considerably large sound pressure (for example, 124 dBVspl or more) and generates the acoustoelectric conversion signal ms having a considerably large amplitude corresponding to the sound pressure, The reverse phase signal cs from the amplitude control circuit 16 is added to the acoustoelectric conversion signal ms in or around the element 10 in the form of subtraction, so that the waveform is almost distorted with the same phase as the acoustoelectric conversion signal ms. First, a preamplifier input signal AS whose amplitude value remains below a certain level is obtained. Thereby, the waveform of the preamplifier output signal AS output from the preamplifier 14 is not distorted.

バイアス用の電源回路18は、マイクロフォン素子10がエレクトレット(永久電荷蓄積部材)を有しない場合に、電極間に一定の電荷を蓄えるためのDCバイアス電圧BVをマイクロフォン素子10のいずれか片方の電極に印加する。マイクロフォン素子10がエレクトレットを有する場合は、電源回路18を省くことも可能である。

[実施形態の構成]
When the microphone element 10 does not have an electret (permanent charge storage member), the bias power supply circuit 18 applies a DC bias voltage BV for storing a constant charge between the electrodes to one of the electrodes of the microphone element 10. Apply. When the microphone element 10 has an electret, the power supply circuit 18 can be omitted.

[Configuration of the embodiment]

図2に、本発明の好適な一実施形態におけるコンデンサマイクロフォンの構成を示す。この実施形態におけるマイクロフォン素子10は、MEMSマイクロフォン素子20であり、半導体基板上にウエハプロセスを用いてモノリシックに形成された可動電極20aと固定電極20bとを有している。   FIG. 2 shows the configuration of a condenser microphone in a preferred embodiment of the present invention. The microphone element 10 in this embodiment is a MEMS microphone element 20, and includes a movable electrode 20a and a fixed electrode 20b that are monolithically formed on a semiconductor substrate using a wafer process.

バイアス用の電源回路18は、チャージポンプ回路22を有し、通常は可動電極20aにDCバイアス電圧BVを印加する。一般に、チャージポンプ回路は、電荷を蓄積する複数のコンデンサの接続状態(直列/並列)を一定の周期で切り替えて入力電圧を昇圧する小型で安価なDC/DCコンバータであるが、出力電圧にスイッチングのリップルを含みやすい。この電圧リップルは、MEMSマイクロフォン素子20を介してプリアンプ14に伝わりやすい。この実施形態では、チャージポンプ回路22の出力電圧を抵抗24とコンデンサ26とからなるローパス・フィルタ28に通して、DCバイアス電圧BVから電圧リップルを除去するようにしている。   The bias power supply circuit 18 has a charge pump circuit 22 and normally applies a DC bias voltage BV to the movable electrode 20a. In general, a charge pump circuit is a small and inexpensive DC / DC converter that boosts an input voltage by switching the connection state (series / parallel) of a plurality of capacitors that store charges at a constant cycle, but switching to an output voltage. It is easy to include ripples. This voltage ripple is easily transmitted to the preamplifier 14 via the MEMS microphone element 20. In this embodiment, the output voltage of the charge pump circuit 22 is passed through a low-pass filter 28 composed of a resistor 24 and a capacitor 26 to remove voltage ripple from the DC bias voltage BV.

図3に、MEMSマイクロフォン素子20の要部の構成を示す。図示のように、MEMSマイクロフォン素子20は、音圧を受けると振動する膜状の可動電極20aと振動しない剛性の固定電極20bとをエアギャップを介して平行に配置し、コンデンサを形成している。音波を直接受ける表側の固定電極20bには多数の孔28が形成され、それらの孔28を通過した音の圧力によって内側の可動電極20aが振動して、静電容量の変化が電圧信号つまり音響電気変換信号msに変換される。   In FIG. 3, the structure of the principal part of the MEMS microphone element 20 is shown. As shown in the figure, the MEMS microphone element 20 has a film-like movable electrode 20a that vibrates when subjected to sound pressure and a rigid fixed electrode 20b that does not vibrate in parallel via an air gap to form a capacitor. . A large number of holes 28 are formed in the fixed electrode 20b on the front side that directly receives sound waves, and the inner movable electrode 20a vibrates due to the pressure of the sound that has passed through the holes 28, and the change in capacitance is a voltage signal, that is, an acoustic signal. It is converted into an electrical conversion signal ms.

より詳細には、可動電極20aが固定電極20bに接近する方向に振れると、静電容量が増大する方向に変化して、音響電気変換信号msの信号電圧が低下する方向に変化する。そして、可動電極20aの接近がピーク値に達した時に、音響電気変換信号msの信号電圧が極小になる。直後に可動電極20aが固定電極20bから離れる方向に振れると、静電容量が減少する方向に変化して、音響電気変換信号msの信号電圧が上昇する方向に変化する。そして、可動電極20aの離間がピーク値に達した時に、音響電気変換信号msの信号電圧が極大になる。これ以降も、入力される音圧の波形に応じて上記のような音響電気変換のサイクルを繰り返す。   More specifically, when the movable electrode 20a is swung in the direction approaching the fixed electrode 20b, the capacitance is changed in the increasing direction, and the signal voltage of the acoustoelectric conversion signal ms is changed in the decreasing direction. When the approach of the movable electrode 20a reaches the peak value, the signal voltage of the acoustoelectric conversion signal ms is minimized. Immediately after that, when the movable electrode 20a is swung away from the fixed electrode 20b, the capacitance is changed in a decreasing direction, and the signal voltage of the acoustoelectric conversion signal ms is increased. When the separation of the movable electrode 20a reaches the peak value, the signal voltage of the acoustoelectric conversion signal ms is maximized. Thereafter, the above-described acoustoelectric conversion cycle is repeated according to the waveform of the input sound pressure.

通常、固定電極20bとグランド電位との間には、高い抵抗値を有するクランプ素子30が接続される。MEMSマイクロフォン素子20内で上記のようにして生成される音響電気変換信号msは、可動電極20bとクランプ素子30との間のノードNから零ボルトを基準とする交流信号として取り出される。   Normally, a clamp element 30 having a high resistance value is connected between the fixed electrode 20b and the ground potential. The acoustoelectric conversion signal ms generated in the MEMS microphone element 20 as described above is taken out from the node N between the movable electrode 20b and the clamp element 30 as an AC signal based on zero volts.

図4は、ある時点tsからMEMSマイクロフォン素子20に音が入った場合にノードNに得られる音響電気変換信号msの波形を模式的に示す。時点ts以前のノードNは零ボルト付近の電位に保持(クランプ)されている。 Figure 4 shows the waveforms of the acoustoelectric conversion signal ms obtained when entering the sound from a certain point of time t s to the MEMS microphone element 20 to the node N schematically. The node N before time t s is held (clamped) at a potential near zero volts.

なお、図3および図4では、振幅制御回路16からの逆相信号cs-がMEMSマイクロフォン素子20に供給されない場合を仮定している。振幅制御回路16からの逆相信号cs-がMEMSマイクロフォン素子20に供給される場合は、音響電気変換信号msに逆相信号cs-が時間軸上で足し合わされる。 3 and 4, it is assumed that the anti-phase signal cs from the amplitude control circuit 16 is not supplied to the MEMS microphone element 20. Reverse phase signal from the amplitude control circuit 16 cs - If is supplied to the MEMS microphone element 20, the reverse phase signal to the acousto-electric conversion signals ms cs - are added together in time.

再び図2において、MEMSマイクロフォン素子20の出力端子側の固定電極20bは、たとえば演算増幅器またはMOSトランジスタで構成されるプリアンプ14の入力端子に接続されている。プリアンプ14の入力端子とグランド電位との間には、クランプ素子30としてAPDPが接続されている。このAPDP30は、それぞれの極性を互いに逆向きにして並列に接続される一対のダイオード30a,30bによって構成されている。   Referring back to FIG. 2, the fixed electrode 20b on the output terminal side of the MEMS microphone element 20 is connected to the input terminal of the preamplifier 14 formed of, for example, an operational amplifier or a MOS transistor. APDP is connected as a clamp element 30 between the input terminal of the preamplifier 14 and the ground potential. The APDP 30 includes a pair of diodes 30a and 30b that are connected in parallel with their polarities reversed.

両ダイオード30a,30bには、MEMSマイクロフォン素子20からのプリアンプ入力信号ASの電圧が印加される。ここで、プリアンプ入力信号ASの極性が正の時は、一方のダイオード30aにプリアンプ入力信号ASの電圧が順方向に印加され、他方のダイオード30bにプリアンプ入力信号ASの電圧が逆方向に印加される。この場合、ダイオード30aはオン電圧VF(通常数100ミリボルト)以下の信号電圧に対して高抵抗として働き、ダイオード30bは降伏電圧VA(通常数ボルト)以下の信号電圧に対して高抵抗として働く。反対に、プリアンプ入力信号ASの極性が負の時は、一方のダイオード30aにプリアンプ入力信号ASの電圧が逆方向に印加され、他方のダイオード30bにプリアンプ入力信号ASの電圧が順方向に印加される。この場合、ダイオード30aは降伏電圧VA以下の信号電圧に対して高抵抗として働き、ダイオード30bはオン電圧VF以下の信号電圧に対して高抵抗として働く。 The voltage of the preamplifier input signal AS from the MEMS microphone element 20 is applied to both the diodes 30a and 30b. Here, when the polarity of the preamplifier input signal AS is positive, the voltage of the preamplifier input signal AS is applied in the forward direction to one diode 30a, and the voltage of the preamplifier input signal AS is applied in the reverse direction to the other diode 30b. The In this case, the diode 30a works as a high resistance against a signal voltage of an on voltage V F (usually several hundred millivolts) or less, and the diode 30b acts as a high resistance to a signal voltage of a breakdown voltage V A (usually several volts) or less. work. Conversely, when the polarity of the preamplifier input signal AS is negative, the voltage of the preamplifier input signal AS is applied in the reverse direction to one diode 30a, and the voltage of the preamplifier input signal AS is applied in the forward direction to the other diode 30b. The In this case, the diode 30a serves as a high resistance to breakdown voltage V A or less of the signal voltage, the diode 30b acts as a high resistance to following the signal voltage on the voltage V F.

別の見方をすれば、プリアンプ入力信号ASの電圧が正の極性でオン電圧VFを超える時は、ダイオード30aが導通して、プリアンプ入力信号ASがオン電圧VFでクリップされる。また、プリアンプ入力信号ASの電圧が負の極性でその絶対値がオン電圧VFを超える時は、ダイオード30bが導通して、プリアンプ入力信号ASがオン電圧VFでクリップされる。そのときは、プリアンプ入力信号ASの波形が歪み、プリアンプ14より発生されるプリアンプ出力信号MSの波形も歪む。特に、MEMSマイクロフォン素子20の場合は、コンデンサ容量がpFオーダで極小さいため、APDP30で少しでも電流のリークが生じると、信号波形が大きく歪んでしまう。 Viewed another way, when the voltage of the preamplifier input signal AS exceeds the ON voltage V F a positive polarity, the diode 30a becomes conductive, the preamplifier input signal AS is clipped on-voltage V F. Further, the absolute value voltage of the preamplifier input signal AS is negative polarity when exceeding the ON voltage V F, the diode 30b becomes conductive, the preamplifier input signal AS is clipped on-voltage V F. At that time, the waveform of the preamplifier input signal AS is distorted, and the waveform of the preamplifier output signal MS generated from the preamplifier 14 is also distorted. In particular, in the case of the MEMS microphone element 20, since the capacitor capacity is extremely small on the order of pF, if even a slight current leak occurs in the APDP 30, the signal waveform is greatly distorted.

この実施形態では、後に詳細に説明するように、MEMSマイクロフォン素子20が相当大きな(たとえば124dBVspl以上の)音圧を入力し、その音圧に対応した相当大きな振幅値を有する音響電気変換信号msを生成しても、振幅制御回路16の働きによりAPDP30の導通には至らないようにして、プリアンプ入力信号ASないしプリアンプ出力信号MSの波形が歪まないようにしている。   In this embodiment, as will be described in detail later, the MEMS microphone element 20 inputs a considerably large sound pressure (for example, 124 dBVspl or more), and generates an acoustoelectric conversion signal ms having a considerably large amplitude value corresponding to the sound pressure. Even if it is generated, the function of the amplitude control circuit 16 prevents the APDP 30 from conducting, so that the waveform of the preamplifier input signal AS or the preamplifier output signal MS is not distorted.

この実施形態における振幅制御回路16は、可変減衰器32、反転増幅器34、およびスイッチ36と、それらの利得(または減衰率)あるいはオン/オフ状態を制御する制御部38とを有している。   The amplitude control circuit 16 in this embodiment includes a variable attenuator 32, an inverting amplifier 34, and a switch 36, and a control unit 38 that controls their gain (or attenuation rate) or on / off state.

可変減衰器32は、プリアンプ14からのプリアンプ出力信号MSを入力し、たとえば電圧制御方式またはディジタル方式により、プリアンプ出力信号MSを制御部38から指示された可変の減衰率で減衰させ、プリアンプ出力信号MSに対して相対的に低い振幅値を有する同位相の減衰信号cs+を生成する。反転増幅器34は、たとえば演算増幅器またはCMOSインバータを有し、可変減衰器32からの減衰信号cs+を制御部38から指示される通常0dB以上の可変利得または固定の利得で増幅するとともに、減衰信号cs+の極性を反転して逆相信号cs-を生成する。スイッチ36は、たとえばトランジスタまたはトランスミッションゲートからなり、制御部38の制御の下でプリアンプ出力信号MSの振幅値(ピーク値)が監視値K以下の時はオフ状態を保ち、プリアンプ出力信号MSの振幅値(ピーク値)が監視値Kを超えた時にオン状態に切り替わるようになっている。 The variable attenuator 32 receives the preamplifier output signal MS from the preamplifier 14, attenuates the preamplifier output signal MS with a variable attenuation factor instructed by the control unit 38 by, for example, a voltage control method or a digital method, and outputs the preamplifier output signal. An in-phase attenuation signal cs + having a relatively low amplitude value with respect to the MS is generated. The inverting amplifier 34 includes, for example, an operational amplifier or a CMOS inverter, and amplifies the attenuation signal cs + from the variable attenuator 32 with a variable gain or a fixed gain of 0 dB or more, which is normally instructed by the control unit 38, and also an attenuation signal. The polarity of cs + is inverted to generate a reverse phase signal cs . The switch 36 is composed of, for example, a transistor or a transmission gate. When the amplitude value (peak value) of the preamplifier output signal MS is less than or equal to the monitoring value K under the control of the control unit 38, the switch 36 is kept off and the amplitude of the preamplifier output signal MS is maintained. When the value (peak value) exceeds the monitoring value K, it is switched to the on state.

制御部38は、図5に示すように、好適な一構成例として、エンベロープ回路41、誤差増幅器42、基準電圧発生回路44、利得制御部46および出力制御部48を有している。エンベロープ回路41は、プリアンプ14からのプリアンプ出力信号MSを入力し、たとえば信号MSの上側ピーク値を結ぶトップエンベロープ(上側包絡線)表すトップエンベロープ信号TEMSを生成する。誤差増幅器42は、エンベロープ回路41からのトップエンベロープ信号TEMSと基準電圧発生回路44からの監視値Kに対応する基準電圧VKとを入力し、その差分または誤差を表す誤差信号ERを生成する。 As shown in FIG. 5, the control unit 38 includes an envelope circuit 41, an error amplifier 42, a reference voltage generation circuit 44, a gain control unit 46, and an output control unit 48 as a preferred configuration example. The envelope circuit 41 receives the preamplifier output signal MS from the preamplifier 14 and generates a top envelope signal TEM representing, for example, a top envelope (upper envelope) connecting the upper peak values of the signal MS . Error amplifier 42 receives a reference voltage V K corresponding to monitoring value K from the top envelope signal TE MS and the reference voltage generating circuit 44 from the envelope circuit 41 generates an error signal ER that represents the difference or error .

基準電圧発生回路44より与えられる基準電圧VKは、APDP30のオン電圧VFに関連した値に設定される。すなわち、MEMSマイクロフォン素子20において生成される音響電気変換信号msの振幅値がオン電圧VFを超えるレベルまで増大するときは、プリアンプ入力信号ASの振幅値がAPDP30のオン電圧VFに到達するよりも手前の段階でプリアンプ出力信号MSの振幅値が基準電圧VKに到達するように設定される。一例として、プリアンプ14の増幅率が1(0dB)、APDP30のオン電圧VFが300mVrmsである場合は、VK=240〜260mVrmsに設定されてよい。 Reference voltage V K supplied from the reference voltage generating circuit 44 is set to a value associated with the on-voltage V F of APDP30. That is, from the amplitude value of the acoustoelectric conversion signal ms produced in MEMS microphone element 20 when to increase to a level that exceeds the ON voltage V F, the amplitude value of the preamplifier input signal AS reaches the ON voltage V F of APDP30 Also, the amplitude value of the preamplifier output signal MS is set so as to reach the reference voltage V K at the previous stage. As an example, the amplification factor of the preamplifier 14 is 1 (0 dB), when the on-voltage V F of APDP30 is 300mVrms may be set to V K = 240~260mVrms.

別の実施例として、図示省略するが、プリアンプ出力信号MSの下側ピーク値を結ぶボトムエンベロープ(下側包絡線)表すボトムエンベロープ信号BEMSを生成するようにエンベロープ回路41を構成するとともに、負極性の基準電圧−VKを発生するように基準電圧発生回路44を構成しても、同様の誤差信号ERを得ることが可能である。 As another example, with although not shown, it constitutes an envelope circuit 41 to produce a bottom envelope signal BE MS representing the bottom envelope (lower envelope) connecting the lower peak value of the preamplifier output signal MS, negative A similar error signal ER can be obtained even if the reference voltage generating circuit 44 is configured so as to generate the reference voltage -V K.

利得制御部46は、誤差増幅器42より出力される誤差信号ERの極性と絶対値(誤差量)を監視し、誤差信号ERの極性が正の時、つまりトップエンベロープ信号TEMSの電圧レベルが基準電圧VK以下の時は、可変減衰器32および反転増幅器34に対する利得制御を休止する。 Gain control section 46, polarity and absolute value of the error signal ER outputted from the error amplifier 42 (error amount) is monitored, when the polarity of the error signal ER is positive, i.e. the voltage level of the top envelope signal TE MS reference When the voltage is equal to or lower than V K, the gain control for the variable attenuator 32 and the inverting amplifier 34 is suspended.

しかし、誤差信号ERの極性が負になると、つまりトップエンベロープ信号TEMSの電圧レベルが基準電圧VKを超えた時は、利得制御部46が動作し、可変減衰器32および/または反転増幅器34に対してその超過分を零に近づける方向に負帰還の利得制御を行う。 However, the polarity of the error signal ER is negative, that is, when the voltage level of the top envelope signal TE MS exceeds the reference voltage V K, the gain control unit 46 is operated, the variable attenuator 32 and / or inverting amplifiers 34 In contrast, the gain control of negative feedback is performed in the direction in which the excess amount approaches zero.

この利得制御において、利得制御部46は、誤差(超過)量|ER|が一定範囲内にあるうち(つまり、音響電気変換信号msの振幅値が監視値Kの2倍以下であるうち)は、反転増幅器34の利得を固定したまま、可変減衰器32の減衰率を可変に制御する。この場合、図6の(a)に示すように、誤差(超過)量|ER|が大きいほど、それに反比例して可変減衰器32の減衰率を小さくする(それによって減衰信号cs+の振幅を大きくする)利得制御が行われる。 In this gain control, the gain control unit 46 determines that the error (excess) amount | ER | is within a certain range (that is, the amplitude value of the acoustoelectric conversion signal ms is less than or equal to twice the monitored value K). The attenuation factor of the variable attenuator 32 is variably controlled while the gain of the inverting amplifier 34 is fixed. In this case, as shown in FIG. 6A, as the error (excess) amount | ER | is larger, the attenuation rate of the variable attenuator 32 is decreased in inverse proportion (the amplitude of the attenuation signal cs + is thereby reduced). Gain control is performed.

そして、可変減衰器32の減衰率を零まで下げても負帰還の利得制御が更に必要であるとき(つまり、音響電気変換信号msの振幅値が監視値Kの2倍を超えるとき)は、可変減衰器32の減衰率を零に保持したまま、反転増幅器34の利得を正の範囲で可変に制御する。この場合は、図6の(b)に示すように、誤差(超過)量|ER|が大きいほど、それに比例して反転増幅器34の増幅率を増大させる(それによって減衰信号cs+の振幅を大きくする)利得制御が行われる。 Then, even when the attenuation factor of the variable attenuator 32 is lowered to zero, when gain control of negative feedback is further necessary (that is, when the amplitude value of the acoustoelectric conversion signal ms exceeds twice the monitored value K), The gain of the inverting amplifier 34 is variably controlled within a positive range while the attenuation rate of the variable attenuator 32 is kept at zero. In this case, as shown in FIG. 6B, as the error (excess) amount | ER | is larger, the amplification factor of the inverting amplifier 34 is increased in proportion thereto (thereby, the amplitude of the attenuation signal cs + is increased). Gain control is performed.

出力制御部48は、誤差信号ERの極性が正の時、つまりエンベロープ信号TEMSの電圧レベルが基準電圧VK以下の時は、スイッチ36をオフ状態に制御し、誤差信号ERの極性が負の時、つまりトップエンベロープ信号TEMSが基準電圧VKを超えた時に、スイッチ36をオン状態に制御する。振幅制御回路16よりオン状態のスイッチ36を介して出力される逆相信号cs-は、カップリングコンデンサ40を通ってMEMSマイクロフォン素子20の可動電極20aに印加される。カップリングコンデンサ40は、DC的には振幅制御回路16をMEMSマイクロフォン素子20およびバイアス用電源回路18から遮断する。 The output control unit 48, when the polarity of the error signal ER is positive, i.e. when the voltage level of the envelope signal TE MS is less than or equal to the reference voltage V K controls the switch 36 to the OFF state, the polarity of the error signal ER negative when, that is, when the top envelope signal TE MS exceeds the reference voltage V K, it controls the switch 36 to the oN state. The anti-phase signal cs output from the amplitude control circuit 16 through the switch 36 in the ON state is applied to the movable electrode 20 a of the MEMS microphone element 20 through the coupling capacitor 40. The coupling capacitor 40 blocks the amplitude control circuit 16 from the MEMS microphone element 20 and the bias power supply circuit 18 in terms of DC.

なお、振幅制御回路16からの逆相信号cs-をMEMSマイクロフォン素子20の出力端子(ノードN)側の電極(固定電極)20bに印加する構成も可能である。しかしながら、MEMSマイクロフォン素子20のコンデンサ容量はpFオーダで極小さいため、出力端子側で音響電気変換信号msに逆相信号cs-を重ね合わせる場合は、カップリングコンデンサ40等の影響で音響電気変換信号msないしプリアンプ入力信号ASの波形が乱されるおそれがある。したがって、上記のように振幅制御回路16よりMEMSマイクロフォン素子20に供給する逆相信号cs-は、出力端子(ノードN)側の電極20bと対向する電極20aに印加する構成が好ましい。

[実施形態の作用]
Note that a configuration in which the negative phase signal cs from the amplitude control circuit 16 is applied to the electrode (fixed electrode) 20b on the output terminal (node N) side of the MEMS microphone element 20 is also possible. However, since the capacitor capacity of the MEMS microphone element 20 is extremely small on the order of pF, the acoustoelectric conversion signal is affected by the coupling capacitor 40 or the like when the antiphase signal cs is superimposed on the acoustoelectric conversion signal ms on the output terminal side. There is a possibility that the waveform of the ms or preamplifier input signal AS may be disturbed. Therefore, it is preferable that the reverse phase signal cs supplied from the amplitude control circuit 16 to the MEMS microphone element 20 is applied to the electrode 20a facing the electrode 20b on the output terminal (node N) side as described above.

[Operation of the embodiment]

図7A〜図7Cを参照して、この実施形態における主要な作用(特に振幅制御回路16の作用)を説明する。なお、図7A〜図7Cでは、プリアンプ14の増幅率を1(利得0dB)と仮定している。したがって、プリアンプ入力信号AS(図示省略)は、プリアンプ出力信号MSと実質的に同じ振幅および波形を有している。   With reference to FIGS. 7A to 7C, main operations (particularly, operations of the amplitude control circuit 16) in this embodiment will be described. 7A to 7C, it is assumed that the amplification factor of the preamplifier 14 is 1 (gain 0 dB). Therefore, the preamplifier input signal AS (not shown) has substantially the same amplitude and waveform as the preamplifier output signal MS.

MEMSマイクロフォン素子20の受ける音圧がそれほど大きくない時は、図7Aに示すように、プリアンプ出力信号MSの振幅値またはトップエンベロープ信号TEMSのレベルが監視値KのレベルVFより低いところに収まっている。この場合、振幅制御回路16より逆相信号cs-は出力されない。振幅制御回路16内では、誤差増幅器42より出力される誤差信号ERの極性が正であるため、利得制御(振幅制御)は行われず、スイッチ36もオフ状態に保持される。 When the sound pressure received by the MEMS microphone element 20 is not so large, as shown in FIG. 7A, the level of the amplitude value or the top envelope signal TE MS preamplifier output signal MS is seated at lower levels V F of the monitoring value K ing. In this case, the negative phase signal cs is not output from the amplitude control circuit 16. In the amplitude control circuit 16, since the polarity of the error signal ER output from the error amplifier 42 is positive, gain control (amplitude control) is not performed, and the switch 36 is held in the off state.

この時、MEMSマイクロフォン素子20からは、入力した音圧に対応する音響電気変換信号msがそのまま出力される。そして、音響電気変換信号msがそのままプリアンプ入力信号AS(ms)としてプリアンプ14に入力される。この場合、プリアンプ入力信号AS(ms)の振幅値はAPDP30のオン電圧VFよりも十分低いので、クリップされることはない。したがって、プリアンプ14の出力端子には歪みのないプリアンプ出力信号MSが得られる。 At this time, the acoustoelectric conversion signal ms corresponding to the input sound pressure is output as it is from the MEMS microphone element 20. The acoustoelectric conversion signal ms is input to the preamplifier 14 as it is as the preamplifier input signal AS (ms). In this case, since the amplitude value of the pre-amplifier input signal AS (ms) is sufficiently lower than the ON voltage V F of APDP30, will not be clipped. Therefore, the preamplifier output signal MS without distortion is obtained at the output terminal of the preamplifier 14.

MEMSマイクロフォン素子20の受ける音圧が大きいと、図7Bに示すように、MEMSマイクロフォン素子20で生成される音響電気変換信号msの振幅値も大きくなる。そうすると、プリアンプ入力信号AS(ms)の振幅値が大きくなり、プリアンプ出力信号MSの振幅値も大きくなる。そして、相当大きな(たとえば124dBVspl以上の)音圧がMEMSマイクロフォン素子20に入力され、音響電気変換信号msつまりプリアンプ入力信号AS(ms)の振幅値がAPDP30のオン電圧VFよりは低い一定値(プリアンプ14の増幅率が1の場合は監視値K)を超えると、プリアンプ出力信号MSの振幅値が監視値KのレベルVFを超える。 When the sound pressure received by the MEMS microphone element 20 is large, the amplitude value of the acoustoelectric conversion signal ms generated by the MEMS microphone element 20 also increases as shown in FIG. 7B. As a result, the amplitude value of the preamplifier input signal AS (ms) increases, and the amplitude value of the preamplifier output signal MS also increases. The considerable (e.g. more 124DBVspl) sound pressure is input to the MEMS microphone element 20, acoustoelectric conversion signal ms clogging preamp input signal AS low constant value amplitude value is higher than the ON voltage V F of APDP30 of (ms) ( when If the amplification factor of the preamplifier 14 is 1 greater than the monitoring value K), the amplitude value of the preamplifier output signal MS exceeds the level V F of the monitoring value K.

すると、振幅制御回路16内では、誤差増幅器42より出力される誤差信号ERの極性が正から負に変わって、負帰還の利得制御(振幅制御)が開始され、スイッチ36がオン状態に切り替わる。すなわち、上述したような利得制御部46、可変減衰器32および反転増幅器34の働きにより、音響電気変換信号msに対して相対的に低い振幅と逆位相(極性反転)の波形を有する逆相信号cs-が生成され、この逆相信号cs-がオン状態のスイッチ36およびカップリングコンデンサ40を通ってMEMSマイクロフォン素子20に供給される。これにより、MEMSマイクロフォン素子20においては、入力した音圧ないし静電容量の変化に応じて生成される音響電気変換信号msに振幅制御回路16からの逆相信号cs-が重なり合う。こうして、MEMSマイクロフォン素子20の出力端子またはノードNには、音響電気変換信号msに逆相信号cs-が足し合わされたもの、つまり音響電気変換信号msから減衰信号cs+を差し引いたものに相当する電圧信号(ms+cs-)がプリアンプ入力信号ASとして得られる。この場合も、プリアンプ入力信号AS(ms+cs-)の振幅値はAPDP30のオン電圧VFよりも低いので、クリップされることはない。したがって、プリアンプ14の出力端子には歪みのないプリアンプ出力信号MSが得られる。 Then, in the amplitude control circuit 16, the polarity of the error signal ER output from the error amplifier 42 changes from positive to negative, negative feedback gain control (amplitude control) is started, and the switch 36 is turned on. That is, due to the functions of the gain control unit 46, the variable attenuator 32, and the inverting amplifier 34 as described above, an antiphase signal having a waveform with a relatively low amplitude and antiphase (polarity inversion) with respect to the acoustoelectric conversion signal ms. cs is generated, and the negative phase signal cs is supplied to the MEMS microphone element 20 through the switch 36 and the coupling capacitor 40 in the ON state. Thereby, in the MEMS microphone element 20, the opposite phase signal cs from the amplitude control circuit 16 overlaps the acoustoelectric conversion signal ms generated in accordance with the input sound pressure or change in capacitance. Thus, the output terminal of the MEMS microphone element 20 or the node N corresponds to the sum of the acoustoelectric conversion signal ms and the reverse phase signal cs , that is, the subtraction of the attenuation signal cs + from the acoustoelectric conversion signal ms. A voltage signal (ms + cs ) is obtained as the preamplifier input signal AS. Also in this case, since the amplitude value of the preamplifier input signal AS (ms + cs ) is lower than the ON voltage V F of the APDP 30, it is not clipped. Therefore, the preamplifier output signal MS without distortion is obtained at the output terminal of the preamplifier 14.

図7Bおよび図7Cに示すように、プリアンプ出力信号MSの振幅値が監視値KのレベルVFを超えているときは、MEMSマイクロフォン素子20で生成される音響電気変換信号msの振幅値が大きくなるにつれて、逆相信号cs-の振幅が大きくなり、結果としてプリアンプ入力信号AS(ms+cs-)の振幅値が監視値KのレベルVFを少し超えるレベルに止まってAPDP30のオン電圧VFには達しないように制御される。 As shown in FIGS. 7B and 7C, when the amplitude value of the preamplifier output signal MS is greater than the level V F of the monitoring value K, greater amplitude of acoustoelectric conversion signal ms produced by the MEMS microphone element 20 as becomes, the phase-inverted signal cs - amplitude becomes large, the preamplifier input signal as a result aS (ms + cs -) amplitude value level V-on voltage F and stopped a little more than the level APDP30 V F of the monitoring value K of It is controlled not to reach.

図8に、上記実施形態について本発明者が実施したシミュレーションで得られた音響電気変換信号ms、逆相信号cs-およびプリアンプ入力信号ASの信号波形を示す。このシミュレーションでは、プリアンプ14の増幅率を1(利得0dB)、振幅制御回路16内の監視値K(VK)を0.2ボルトに設定し、音響電気変換信号msの振幅値を零(ゼロ)から一定の勾配で0.4ボルト以上のレベルまで漸次的に増大させたときの各波形をオシロスコープで観察した。信号波形には正弦波を用いた。 FIG. 8 shows signal waveforms of the acoustoelectric conversion signal ms, the reverse phase signal cs −, and the preamplifier input signal AS obtained by the simulation performed by the present inventor for the above embodiment. In this simulation, the amplification factor of the preamplifier 14 is set to 1 (gain 0 dB), the monitoring value K (V K ) in the amplitude control circuit 16 is set to 0.2 volts, and the amplitude value of the acoustoelectric conversion signal ms is set to zero (zero). Each waveform was observed with an oscilloscope when the voltage was gradually increased to a level of 0.4 volts or more with a constant gradient. A sine wave was used as the signal waveform.

図示のように、プリアンプ入力信号AS(つまりプリアンプ出力信号MS)の振幅値が監視値K(0.2ボルト)に達した時点(約4.2msec)から逆相信号cs-の振幅が立ち上がる。この逆相信号cs-の振幅値は、時間の経過と共に音響電気変換信号msの振幅値に比例して増大している。それによって、音響電気変換信号msの振幅値がますます増大しても、プリアンプ入力信号AS(ひいてはプリアンプ出力信号MS)の振幅値は監視値K(0.2ボルト)付近に抑えられている。

[他の実施形態または変形例]
As shown in the figure, the amplitude of the reverse phase signal cs rises from the time (about 4.2 msec) when the amplitude value of the preamplifier input signal AS (that is, the preamplifier output signal MS) reaches the monitoring value K (0.2 volts). The amplitude value of the reverse phase signal cs increases in proportion to the amplitude value of the acoustoelectric conversion signal ms with time. As a result, even if the amplitude value of the acoustoelectric conversion signal ms further increases, the amplitude value of the preamplifier input signal AS (and thus the preamplifier output signal MS) is suppressed to the vicinity of the monitoring value K (0.2 volts).

[Other Embodiments or Modifications]

上記した実施形態における振幅制御回路16は、個別の可変減衰器32および反転増幅器34を備えた。しかし、可変減衰器32および反転増幅器34を、図9に示すような演算増幅器50を用いる1つの反転増幅器55で置き換えることも可能である。この場合、反転増幅器55の利得は、入力抵抗52の抵抗値R52と負帰還抵抗54の抵抗値R54との比(R54/R52)で与えられる。入力抵抗52および負帰還抵抗54の少なくとも一方には、たとえば電圧制御方式またはディジタル方式により抵抗値を可変に制御できる可変抵抗を用いてよい。 The amplitude control circuit 16 in the above-described embodiment includes the individual variable attenuator 32 and the inverting amplifier 34. However, it is also possible to replace the variable attenuator 32 and the inverting amplifier 34 with one inverting amplifier 55 using an operational amplifier 50 as shown in FIG. In this case, the gain of the inverting amplifier 55 is given by the ratio between the resistance value R 52 of the input resistor 52 and the resistance value R 54 of the negative feedback resistor 54 (R 54 / R 52) . For at least one of the input resistor 52 and the negative feedback resistor 54, a variable resistor whose resistance value can be variably controlled by, for example, a voltage control method or a digital method may be used.

別の変形例として、図10に示すように、プリアンプ14が反転増幅回路である場合は、可変減衰器32の後段に非反転増幅器56を設けてよい。なお、非反転増幅器56を可変減衰器32の前段に設ける構成も可能である。同様に、図5の回路において、反転増幅器34を可変減衰器32の前段に設ける構成や、スイッチ36またはそれに相当する機能を可変減衰器32と反転増幅器34との間あるいはプリアンプ14と可変減衰器32との間に設ける構成も可能である。   As another modified example, as shown in FIG. 10, when the preamplifier 14 is an inverting amplifier circuit, a non-inverting amplifier 56 may be provided after the variable attenuator 32. A configuration in which the non-inverting amplifier 56 is provided in front of the variable attenuator 32 is also possible. Similarly, in the circuit of FIG. 5, a configuration in which the inverting amplifier 34 is provided in front of the variable attenuator 32, or the switch 36 or a function corresponding thereto is provided between the variable attenuator 32 and the inverting amplifier 34 or the preamplifier 14 and the variable attenuator. It is also possible to have a configuration provided between the two.

本発明は、上記実施形態のようにMEMSマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路に好適に適用できるが、広くは任意の方式のコンデンサマイクロフォンおよびそれに用いるマイク回路に適用可能である。   The present invention can be suitably applied to a MEMS microphone and a microphone circuit used therefor as in the above-described embodiment, but is widely applicable to any type of condenser microphone and a microphone circuit used therefor.

10 コンデンサ型マイクロフォン素子
12 マイク回路
14 初段アンプ(プリアンプ)
16 振幅制御回路
18 バイアス用電源回路
20 MEMSマイクロフォン素子
28 ローパス・フィルタ
30 アンチ・パラレル・ダイオード・ペア(APDP)
32 可変減衰器
34 反転増幅器
36 スイッチ
38 制御部
40 カップリングコンデンサ
10 Capacitor-type microphone element 12 Microphone circuit 14 First stage amplifier (preamplifier)
16 Amplitude control circuit 18 Bias power supply circuit 20 MEMS microphone element 28 Low-pass filter 30 Anti-parallel diode pair (APDP)
32 Variable Attenuator 34 Inverting Amplifier 36 Switch 38 Control Unit 40 Coupling Capacitor

Claims (9)

ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第1の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子に電気的に接続され、前記第1の信号に対して一定の信号処理を行うマイク回路であって、
入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第1の増幅回路と、
前記第1の増幅回路より出力される第2の信号の振幅値を監視し、前記第2の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第1の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第3の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路と
を有するマイク回路。
A capacitor type having a movable electrode and a fixed electrode arranged to face each other through a gap, and converting a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode according to an input sound pressure into a first signal A microphone circuit that is electrically connected to a microphone element and that performs constant signal processing on the first signal,
A first amplifier circuit having an input terminal connected to the output terminal of the microphone element;
The amplitude value of the second signal output from the first amplifier circuit is monitored, and when the amplitude value of the second signal exceeds a predetermined monitoring value, it is relatively low with respect to the first signal A microphone circuit comprising: an amplitude control circuit that applies a third signal having a waveform having an opposite phase to the amplitude value to either the movable electrode or the fixed electrode.
前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に前記第1の増幅回路の入力端子が接続され、他方に前記振幅制御回路からの前記第3の信号がカップリングコンデンサを介して印加される、請求項1に記載のマイク回路。   The input terminal of the first amplifier circuit is connected to either the movable electrode or the fixed electrode, and the third signal from the amplitude control circuit is applied to the other via a coupling capacitor. Item 2. The microphone circuit according to Item 1. 前記第1の増幅回路の入力端子と基準電位との間にバイアス用のクランプ素子が接続される、請求項1または請求項2に記載のマイク回路。   The microphone circuit according to claim 1, wherein a clamp element for bias is connected between an input terminal of the first amplifier circuit and a reference potential. 前記クランプ素子はアンチ・パラレル・ダイオード・ペアであり、前記監視値は、前記第1の増幅回路に入力される信号の振幅値が前記アンチ・パラレル・ダイオード・ペアのオン電圧に達しないうちに前記第2の信号の振幅値が達するレベルに設定される、請求項3に記載のマイク回路。   The clamp element is an anti-parallel diode pair, and the monitoring value is obtained before the amplitude value of the signal input to the first amplifier circuit reaches the ON voltage of the anti-parallel diode pair. The microphone circuit according to claim 3, wherein the microphone circuit is set to a level at which an amplitude value of the second signal is reached. 前記振幅制御回路は、前記第1の増幅回路より出力された前記第2の信号を正または負の利得で増幅する第2の増幅回路を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のマイク回路。   5. The amplitude control circuit according to claim 1, wherein the amplitude control circuit includes a second amplification circuit that amplifies the second signal output from the first amplification circuit with a positive or negative gain. 6. Microphone circuit. ギャップを介して向かい合って配置される可動電極および固定電極を有し、入力する音圧に応じた前記可動電極および前記固定電極間の静電容量の変化を第1の信号に変換するコンデンサ型のマイクロフォン素子と、
入力端子が前記マイクロフォン素子の出力端子に接続される第1の増幅回路と、
前記第1の増幅回路より出力される第2の信号の振幅値を監視し、前記第2の信号の振幅値が所定の監視値を超えた時に前記第1の信号に対して相対的に低い振幅値と逆位相の波形を有する第3の信号を前記可動電極または前記固定電極のいずれかに印加する振幅制御回路と
を有するマイクロフォン。
A capacitor type having a movable electrode and a fixed electrode arranged to face each other through a gap, and converting a change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode according to an input sound pressure into a first signal A microphone element;
A first amplifier circuit having an input terminal connected to the output terminal of the microphone element;
The amplitude value of the second signal output from the first amplifier circuit is monitored, and when the amplitude value of the second signal exceeds a predetermined monitoring value, it is relatively low with respect to the first signal A microphone having an amplitude control circuit that applies a third signal having a waveform having an opposite phase to the amplitude value to either the movable electrode or the fixed electrode.
前記可動電極または前記固定電極のいずれか一方に前記第1の増幅回路の入力端子が接続され、他方に前記振幅制御回路からの前記第3の信号がカップリングコンデンサを介して印加される、請求項6に記載のマイクロフォン。   The input terminal of the first amplifier circuit is connected to either the movable electrode or the fixed electrode, and the third signal from the amplitude control circuit is applied to the other via a coupling capacitor. Item 7. The microphone according to item 6. 前記第1の増幅回路の入力端子と基準電位との間にバイアス用のクランプ回路が接続される、請求項6または請求項7に記載のマイクロフォン。   The microphone according to claim 6 or 7, wherein a clamp circuit for bias is connected between an input terminal of the first amplifier circuit and a reference potential. 前記振幅制御回路は、前記第1の増幅回路より出力された前記第2の信号を正または負の利得で増幅する第2の増幅回路を有する、請求項6〜8のいずれか一項に記載のマイクロフォン。   The said amplitude control circuit has a 2nd amplifier circuit which amplifies the said 2nd signal output from the said 1st amplifier circuit by a positive or negative gain, The method of any one of Claims 6-8. Microphone.
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