СИСТЕМА ЭЛЕКТРЕТНОГО КОНДЕНСАТОРНОГО МИКРОФОНА Российский патент 2007 года по МПК H04R19/04 

Изобретение относится к технике электроакустических преобразователей, в частности к электретным конденсаторным микрофонам.

Изобретение может быть использовано в системах охранной тревожной сигнализации, устройствах мобильной связи, слуховых аппаратах и устройствах прослушивания.

Широко известно использование электретных конденсаторных микрофонов в портативных радиотелефонах, в охранных извещателях (датчиках), имеющих акустический канал обнаружения, в медицинской технике и т.д. Достоинством электретных микрофонов являются: высокая чувствительность, малая неравномерность характеристики в диапазоне звуковых частот, высокая технологичность, обеспечивающая серийную воспроизводимость и низкую себестоимость, а также достаточно большой срок службы.

Известна система микрофона по заявке WO 167811. Система содержит микрофон и устройство защиты от электростатических разрядов. Система микрофона содержит установленный внутри корпуса микрофона фильтр лестничного типа, снабженный соединенными параллельно друг другу конденсаторами и последовательно соединенными резисторами, обеспечивающими защиту микрофона от воздействия радиочастотных помех. Однако ток потребления такой системы высок.

Традиционный электретный конденсаторный микрофон состоит, как, например, описано в патенте ЕР 1096831, из корпуса; диафрагмы, сделанной из высокополимерной электретной пленки, которая прикреплена к кольцу электрода задней поверхности корпуса микрофона, расположенного напротив диафрагмы; прокладки, помещенной между электродом задней поверхности и кольцом для создания пространства между диафрагмой и задним электродом; держателем заднего электрода; а также интегральной схемы, смонтированной на печатной плате.

Типовая электрическая схема включения электретного конденсаторного микрофона включает собственно электретный конденсатор, подключенный к интегральной схеме усилителя, выполненного, например, на n-канальном полевом транзисторе, например серия микрофонов КЕС (см., например http://www.kingstate.com.tw/p3/P3-102.htm). Исток транзистора соединен с корпусом микрофона, электретный конденсатор подключен к затвору транзистора. Питание на микрофон подают через нагрузочный резистор, который служит для преобразования тока стока транзистора в напряжение. Слабый сигнал, возбуждаемый электретным конденсатором на затворе, усиливается и снимается со стока в качестве выходного полезного сигнала переменного напряжения. В некоторых случаях используются усилители на p-канальном полевом транзисторе, как, например, в отечественном микрофоне МКЭ-3, а также используются устройства повторители на МОП транзисторах с изолированным затвором, как, например, в US 200212949.

В некоторых случаях на печатную плату микрофона, кроме интегральной схемы усилителя на полевом транзисторе, устанавливают микросхему операционного усилителя (например, ЕР 1096831), компоненты, фильтрующие радиочастотные помехи (например, ЕР 1096831, WO 167811 А1), и другие элементы различного назначения (см., например, US 2002125949). Тенденция развития перечисленных выше систем и устройств с автономным питанием, в которых используются микрофоны, направлена на увеличение времени бесперебойной работы устройств, что накладывает требования по снижению потребления тока комплектующих.

Ограничение использования в устройствах с автономным питанием электретных конденсаторных микрофонов связано с тем, что их ток потребления определяется током потребления полевого усилительного транзистора. Типичное токопотребление составляет 200 мкА (при максимальном значении 500 мкА).

Применение микрофонов других типов (например, пьезоэлектрических или керамических) ограничено большими массогабаритными параметрами, а также невысокой чувствительностью и большой неравномерность характеристики в диапазоне звуковых частот.

Тенденция развития перечисленных выше систем и устройств с автономным питанием, в которых используются микрофоны, направлена на увеличение времени бесперебойной работы устройств, что накладывает требования по снижению потребления тока комплектующих.

Известно импульсное питание угольного микрофона из патента US 4041247.

Из патента US 6427015, целью которого является снижение энергопотребления, известна схема источника питания для микрофона, включающая в себя импульсный модулятор (контрольное устройство STU) и устройство выборки и хранения (SMPL). Общий ток потребления включает в себя токи потребления собственно микрофона, работающего в импульсном режиме, и других устройств, обеспечивающих работу микрофона.

В п.1 формулы US 6427015 указано наличие двух ключей (см. M1, M2 на Fig1 или на Fig2), каждый из которых управляется импульсным модулятором (CTU на Fig1) по отдельному выходу (MIC.SMPL и MIC.PWR на Fig2). На каждом выходе генерируется последовательность импульсов отличной одна от другой длительности (соответственно t1 и t2). Фактически это предполагает, что либо устройство CTU включает в себя не один, а два синхронизированных генератора, либо пусть и один генератор, но с двумя потребляющими ток цепями формирования импульсного фронта и спада. В неявном виде имеется даже нагрузочный резистор (R на Fig1 или R1 на Fig2).

Таким образом, во-первых, видно, что схема микрофона сложна, а, следовательно, это обстоятельство влияет на надежность работы. Во-вторых, большое количество вспомогательных устройств привело к уменьшению суммарного выигрыша, получаемого за счет уменьшения потребления собственно микрофона, работающего в импульсном режиме.

Проанализируем величину тока потребления рассматриваемого микрофона.

Возьмем для справки ключевую микросхему, рекомендованную заявителями US 6427015 в строках 39 и 40 стр.4. Она потребляет 2 мкА. Теперь рассмотрим блок - генератор тока (SPL на Fig1), включает в себя операционный усилитель Ор1. Этот блок также является дополнительным потребителем тока. Поскольку в строке 42 стр.4 описания US 6427015 ошибка - в качестве примеров использования операционного усилителя Ор1 (на Fig2) указаны микросхемы, содержащие аналоговые ключи, - для оценки тока потребления возьмем микропотребляющий операционный усилитель фирмы MAXIM. Его потребление составляет 1,2 мкА. Пренебрежем базовым током T1. Рассмотрим устройство CTU. В патенте US 6427015 не представлены, даже поверхностно, пути реализации импульсного модулятора, поэтому будем ориентироваться на реализованный нами модулятор - он потребляет 5,5 мкА. В рассматриваемом устройстве фактически два таких модулятора. Итого ток потребления вспомогательных устройств составляет 15,5 мкА. Оценим ток потребления собственно микрофона. При скважности Q=50 (при Т=25 мкс и t1=0,5 мкс) ток потребления собственно микрофона (для 200 мкА в непрерывном режиме) составит 4 мкА. Таким образом, общий ток потребления системы составляет 19,5 мкА, при этом потребление дополнительных устройств примерно в 4 раза превосходит потребление собственно микрофона.

Задача, на решение которой направленно предлагаемое нами изобретение, заключается в снижении потребления тока системы электретного конденсаторного микрофона при одновременном упрощении конструкции.

Эта задача решена тем, что в систему электретного конденсаторного микрофона, включающую электретный конденсаторный микрофон, связанный с источником напряжения питания через нагрузочный резистор, введен импульсный модулятор и устройство выборки и хранения для преобразования импульсного сигнала в непрерывный, при этом выход микрофона соединен с выходом импульсного модулятора через нагрузочный резистор, выход которого соединен с резистором, один из входов устройства выборки и хранения соединен с выходом микрофона, а другой вход соединен с выходом модулятора, а выход устройства выборки и хранения является выходом системы микрофона.

В соответствии с п.2 формулы в состав системы введен согласующий повторитель, вход которого подключен к выходу устройства выборки и хранения, при этом выход повторителя является выходом системы микрофона.

В соответствии с п.3 формулы в состав системы введен согласующий усилитель, вход которого подключен к выходу устройства выборки и хранения, при этом выход усилителя является выходом системы микрофона.

В соответствии с п.4 формулы система выполнена на одной печатной плате.

В соответствии с п.5 формулы система выполнена в виде одной интегральной схемы.

Сущность изобретения пояснена на чертежах фиг.1-5, где:

На фиг.1 показана показана блок-схема системы электретного конденсаторного микрофона.

На фиг.2 показана блок-схема системы электретного конденсаторного микрофона по п.2.

На фиг.3 показана блок-схема системы электретного конденсаторного микрофона по п.3.

Система электретного конденсаторного микрофона содержит собственно микрофон 1 (фиг.1), выход которого связан через нагрузочный резистор 2 с единственным выходом импульсного модулятора 3, один выход которого соединен с одним из входов устройства выборки и хранения 4, а другой с источником питания (U пит.) Другой вход устройства 4 соединен с выходом микрофона 1, а выход устройства 4 является выходом системы. Устройство содержит повторитель 5 (фиг.2), вход которого соединен с выходом устройства выборки и хранения 4. На фиг.3 показано включение в устройство согласующего усилителя 6, вход которого соединен с выходом устройства выборки и хранения 4.

Работает система следующим образом.

От источника напряжения питания (U пит.) питание на микрофон подается через нагрузочный резистор 2, а далее через импульсный модулятор (ИМ) 3, который переводит непрерывный режим в импульсный. ИМ генерирует импульсы питания длительностью τ_и с частотой F_м=1/T_м. Ток потребления микрофона в импульсном режиме уменьшается в скважность (Q=T_м/τ_и) раз. На выходе микрофона присутствует импульсный сигнал, временные параметры которого полностью соответствуют параметрам импульсного модулятора. Амплитуда импульсов при этом модулируется звуковыми сигналами. Среднее значение амплитуды импульсов равно постоянному значению на выходе микрофона, если бы он работал в непрерывном режиме. Далее сигнал с выхода микрофона поступает в устройство выборки и хранения 4, где импульсный сигнал преобразуется в непрерывный, т.е. происходит восстановление непрерывного (аналового) сигнала. Устройство 4 коммутируется ИМ 3 таким образом, что в течение времени τ_и импульсное напряжение с выхода микрофона 1 передается на выход устройства 4, а в течение времени (T_м-τ_и) вход устройства 4 коммутируется ИМ3 таким образом, что в течение времени τ_и импульсное напряжение с выхода микрофона 1 передается на выход устройства 4, а в течение времени (T_м-τ_и) вход устройства 4 отключен от выхода микрофона 1, а на выходе устройства 4 удерживается текущее значение напряжения. Для обеспечения заданной полосы чувствительности системы микрофона частота выборок устройства 4, которая определяется частотой работы ИМ, должна быть не менее верхнего значения требуемой рабочей полосы чувствительности. Для обеспечения требуемой неравномерности характеристики чувствительности системы минимально допустимое значение τ_и должно превышать длительность переходных процессов микрофона 1 и устройства 4. Схемотехническое уменьшение длительности переходного процесса устройства 4 приводит к увеличению выходного импеданса устройства 4. Несогласованность выходного импеданса устройства 4 с низким входным импедансом обычно применяемых усилителей звуковых частот, приводит к увеличению паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) частотой F_м. Для уменьшения уровня ПАМ к выходу устройства 4 подключен согласующий повторитель 5 (фиг.2) или согласующий усилитель 6 (фиг.3). Согласующий усилитель, кроме задач согласования импедансов и обеспечения некоторого предварительного усиления сигнала, решает задачу коррекции частотной характеристики чувствительности системы микрофона.

Общий ток потребления системы микрофона определяется током потребления собственно микрофона 1, работающего в импульсном режиме, током потребления импульсного модулятора 3, током потребления устройства выборки и хранения 4 и током потребления согласующего повторителя 5 или согласующего усилителя 6. Ток потребления собственно микрофона определяют значением скважности работы ИМ 3. Для уменьшения остальных составляющих тока потребления системы нагрузочного резистора 2, устройства выборки и хранения 4, согласующего повторителя 5 и согласующего усилителя 6, они выполнены на микропотребляющей элементной базе. Импульсный модулятор 3 по сути является релаксационным генератором, который может быть выполнен как на логической элементной базе, так и на аналоговых компараторах или операционных усилителях (П.Хоровиц, У Хилл, Искусство схемотехники. М.: Мир, 2001, с.301, 302, 321.). Устройство выборки и хранения 4 выполнено, например, включающим в себя накопительную емкость, подключаемую к выходу микрофона 1 через ключевую схему, которая управляется импульсным сигналом ИМ 3. Ключевая схема может быть выполнена либо на полевых транзисторах, либо на микросхемах, содержащих аналоговые ключи (П.Хоровиц, У Хилл, Искусство схемотехники. М.: Мир, 2001, с.151.). В качестве накопительной емкости можно использовать не только дискретный элемент (конденсатор), но и входную емкость полевого транзистора. Согласующий повторитель 5 может быть выполнен на полевом транзисторе, на МОП транзисторе с изолированным затвором или интегральной микросхеме. Согласующий усилитель 6 может быть выполнен на полевом транзисторе или на микросхеме операционного усилителя.

Экспериментальный образец системы электретного конденсаторного микрофона был изготовлен и показал хорошие результаты. Общий ток потребления системы составил 12 мкА, при токе потребления собственно микрофона, работающего в непрерывном режиме, 200 мкА. Равномерность (±2 дБ) характеристики чувствительности системы обеспечена в полосе частот от 20 Гц до 10 кГц, потери на частоте 12 кГц составили 3 дБ.

Снижение потребления тока электретного конденсаторного микрофона достигнуто за счет схемного решения, благодаря введению в систему импульсного модулятора с единственным выходом совместно с блоком выборки и хранения с увеличенным импедансом. Такая конструкция характеризуется простотой, а следовательно, надежностью.

Изобретение относится к технике электроакустических преобразователей, в частности к электретным конденсаторным микрофонам. Изобретение может быть использовано в системах охранной тревожной сигнализации, устройствах мобильной связи, слуховых аппаратах и устройствах прослушивания. Изобретением решена задача снижения потребления тока системы электретного конденсаторного микрофона за счет обеспечения работы системы в импульсном режиме. Система электретного конденсаторного микрофона включает электретный конденсаторный микрофон, нагрузочный резистор, импульсный модулятор и устройство выборки и хранения для преобразования импульсного сигнала в непрерывный, при этом выход микрофона соединен с выходом импульсного модулятора через нагрузочный резистор, один из входов устройства выборки и хранения соединен с выходом микрофона, а другой вход соединен с выходом модулятора, а выход устройства выборки и хранения является выходом системы микрофона. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система электретного конденсаторного микрофона, включающая электретный конденсаторный микрофон, нагрузочный резистор, импульсный модулятор и устройство выборки и хранения для преобразования импульсного сигнала в непрерывный, при этом выход микрофона соединен через нагрузочный резистор с выходом импульсного модулятора, который связан с источником напряжения питания, один из входов устройства выборки и хранения соединен с выходом микрофона, а другой вход соединен с выходом модулятора, а выход устройства выборки и хранения является выходом системы микрофона.2. Система электретного конденсаторного микрофона по п.1, отличающаяся тем, что в ее состав введен согласующий повторитель, вход которого подключен к выходу устройства выборки и хранения, при этом выход повторителя является выходом системы микрофона.3. Система электретного конденсаторного микрофона по п.1, отличающаяся тем, что в ее состав введен согласующий усилитель, вход которого подключен к выходу устройства выборки и хранения, при этом выход усилителя является выходом системы микрофона.4. Система электретного конденсаторного микрофона по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она выполнена на одной печатной плате.5. Система электретного конденсаторного микрофона по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она выполнена в виде одной интегральной схемы.