電容式麥克風及其阻抗變換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及采用直流耦合阻抗轉換的電容式麥克風。
【背景技術】
[0002]對于外部極化電容式麥克風，其換能器電容量的變化與換能器膜片上受到的聲學聲壓(如歌手的歌聲)相關。為了將所述電容量的變化轉化為電信號，換能器被加載恒定直流電壓使其帶靜電。
[0003]帶有穩定且恒定靜電的換能器，其電容量與電容器電壓之間的滿足關系式:
[0004]Uc = Qc/C
[0005]其中Uc代表加在電容器上的直流電壓，Qc代表電容器上的靜電荷量，C代表電容器的電容量。
[0006]上述關系式僅在換能器上的靜電荷量Qc保持恒定的條件下有效。因此，電容器電壓Uc的信號必須通過具有很高輸入阻抗的放大器來獲取，即阻抗變換器。這種阻抗變換器的主要作用是保持換能器上的靜電荷量穩定的同時直接從換能器上獲取信號電壓。
[0007]因此，此類阻抗轉換器需要非常高的輸入電阻及非常低的輸出電阻。加上麥克風需要高動態范圍，因此所述阻抗轉換器需能夠處理峰峰值在1V以上的高強度信號而只添加通常在IuV以下的噪聲。除此之外，所述換能器還需要通大的直流電以保證足夠靜電荷以實現高聲學靈敏度(換能器電容量的變化要達到聲壓變化的級別)。作為當前現有技術的代表，圖2所示的電路圖可以滿足以上所有要求。
[0008]如圖2所示，為了實現多種指向性，電容換能器KAP通常由分列電機兩側的兩個膜片構成。保持電極在中心穩定帶靜電的條件下，改變每個膜片上的靜電荷量可以實現不同的指向性。在圖2所示電路圖中，兩個膜片共用的電極與一 60V直流電壓相連。所述60V直流電壓通過電阻Rl加至所述換能器電極，其中所述電阻Rl需為高阻值電阻(例如，6G歐)以保持靜電荷量的穩定。
[0009]JFET (結型場效應管)是實現阻抗變換器的最優選擇，因為它可以在處理高信號電壓的同時保持很低的噪聲。所述高信號電壓可以通過將JFET的偏壓點設置成50%電源電壓而獲得。如圖2所示，所述偏壓點為15V并通過電阻R2加載，其中電阻R2也需是高阻值電阻(例如，6G歐)。輸出端AF-Out輸出聲音信號。一個JFET能承受的最大電壓通常是50V，而加在換能器KAP上的電壓為60V，因此，JFET不能直接與換能器KAP相連。為了克服這個限制，現有的設計方案使用電容Cl。
[0010]圖2所示的電路具有很多優點。其中一個是阻抗變換器噪聲與偏置電阻Rl，R2及換能器電容之間滿足反正切關系。例如，若換能器電容大小為Ckap = 30pF，則噪聲:
[0011]當Ri = R2 = 2G歐時，頻率在20Hz至20kHz的范圍內的噪聲為4.77uV ；
[0012]當Ri = R2 = 1G歐時，頻率在20Hz至20kHz的范圍內的噪聲為2.16uV ；
[0013]換能器電容及偏置電阻形成了一個高通濾波器。正是在此高通濾波器的作用下，形成了所述噪聲、偏置電阻和換能器電容之間的反正切關系。所述高通濾波器的拐角頻率須設在響應頻率的亞聲區(人耳聽覺范圍外)以獲得最小的噪聲。由于物理/聲學的限制，很難對換能器電容大小進行調節。因此，可調的參數就只省下偏置電阻了。然而，改變偏置電阻需滿足以下約束條件:
[0014](I)電容器Cl需通過偏置電阻R1，R2接電。大阻值偏置電阻意味著充電時間((R1+R2)*C1)會很長，可長達90秒。在充電過程中，麥克風無法完成特定功能，而這顯然無法被市場接受。因此這限制了電容器電容量的上限。此外，若選擇小電容Cl則會生成電容分壓器，與JFET Tl的固有電容一起將會導致信號損失。一個選擇電容容量的經驗公式為Cl = >10*Cin ;其中Cin是JFET Tl的固有電容。
[0015](2) JFET柵極的漏電流會流經大阻值偏置電阻R2。所述漏電流受溫度影響很大，而且可能會根據元件屬性、生產批次的不同有顯著差異。選擇阻值不是太大的R2，可以保證合理溫度范圍內和生產批次下的功能。
[0016](3)由于印刷電路板污染的原因造成的漏電流也會流經電阻R2，因此會進一步限定電阻阻值的上限。
[0017]在設計高性能阻抗變換器時，耦合電容Cl的選擇是一個主要問題。它需要平衡以下幾個因素:
[0018]噪聲；
[0019]在產品可以使用前需消耗的時間；
[0020]電容分壓器造成的信號損失。
[0021]因此，市場上需要一種用于電容式麥克風的直接耦合阻抗變換器以解決前面提到的種種缺陷和不足。
【發明內容】
[0022]本發明的一個目的是提供一種利用直接耦合阻抗變換器的電容式麥克風，其電容換能器和放大器之間不存在耦合電容。所述電容式麥克風包括電容換能器和阻抗變換器。所述電容換能器包括電極和至少一個膜片，所述膜片位于電極的一側，所述電極通過偏置電阻連接偏置直流電壓。所述阻抗變換器包括輸入端直接與所述電極相連的用于阻抗變換的有源元件；用于對所述有源元件輸出的音頻輸出信號進行濾波以獲取所述音頻輸出信號中直流電壓成分的低通濾波器；以及同相輸入端接恒定直流電壓，反相輸入端接所述低通濾波器的輸出，輸出端接所述偏置電阻，反相輸入端通過另一個電阻連接其輸出端的運算放大器。
[0023]本發明的另一個目的是提供一種用于電容式麥克風的阻抗變換器，包括輸入端直接與所述電容式麥克風的電容換能器相連的用于阻抗變換的有源元件；用于對所述有源元件輸出的音頻輸出信號進行濾波以獲取所述音頻輸出信號中直流電壓成分的低通濾波器；以及同相輸入端接恒定直流電壓，反向輸入端接所述低通濾波器的輸出，輸出端通過偏置電阻連接所述有源元件和所述電容換能器的連接點，所述反相輸入端通過另一個電阻連接所述輸出端的運算放大器。
[0024]所述有源元件可以是JFET，MOSFET (金屬氧化物半導體場效應管)，晶體管，電子管，運算放大器或其組合構成的用于阻抗變換的并聯電路。
[0025]在一個實施例中，所述有源元件是N溝道JFET，所述JFET的柵極作為輸入端，所述JFET的漏極連接比所述運算放大器所接恒定直流電壓大的直流電壓，所述JFET的源極作為輸出端。
[0026]本發明的另一個目的是提供一個用于電容式麥克風的阻抗變換器，包括輸入端直接與所述電容式麥克風的電容換能器相連的用于阻抗變換的有源元件；一端連接在所述有源元件與所述電容換能器連接點上的偏置電阻；用于對所述有源元件輸出的音頻輸出信號進行濾波以獲取偏置直流電壓作為設定值的控制電路，所述偏置直流電壓加至所述偏置電阻的另一端；其中所述設定值用于調整作用于所述偏置電阻的電源電壓，確保所述有源元件的輸出端具有期望的偏置直流電壓。
[0027]所述控制電路包括用于從所述音頻輸出信號中獲取直流電壓成分的低通濾波器；同相輸入端接恒定直流電壓，反相輸入端接所述低通濾波器的輸出，輸出端接所述偏置電阻的另一端，所述反相輸入端通過另一個電阻連接所述輸出端的運算放大器。
[0028]結合以下描述及附圖，本發明電容式麥克風的其他系統、方法、特征、優點對本技術領域內的人都是顯而易見的。因此而所得出的所有其他同類系統、方法、特點和優點都屬于本發明的描述及本發明電路所涵蓋的范圍內，受本發明權利要求所保護。
【附圖說明】
[0029]為了更清楚地說明本發明實施例中電容式麥克風及其阻抗變換器的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。附圖中的部件并不一定是按比例的，其重點是為了清楚地說明本發明的原理。另外，在所有各個附圖中，相同的標號指代相同的部件。
[0030]圖1是本發明實施例提供的用于電容式麥克風的阻抗變換器的結構圖。
[0031]圖2是傳統阻抗變換器的結構圖。<