JPH08509327A

JPH08509327A - 静電容量形トランスデューサの高調波歪みを低減する方法及び回路構成

Info

Publication number: JPH08509327A
Application number: JP6521571A
Authority: JP
Inventors: フレデリクセン，エルリング
Original assignee: アクティーゼルスカブ・ブリューエル・オグ・クヤー
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1996-10-01
Also published as: AU6534694A; DK41593D0; WO1994023547A1; EP0694246A1; DK41593A; DK170196B1

Abstract

(57)【要約】マイクロホン等の静電容量形トランスデューサ（１）の高調波歪みを、負容量を利用して低減する方法であり、ここでいうマイクロホン等の静電容量形トランスデューサとは例えば、そのキャパシタ電極（膜）に作用する音圧に応じてその容量（Ｃ_k）が変化するコンデンサマイクロホン等である。本発明によれば、前記負容量を、前記音響トランスデューサ（１）に並列に接続し、該負容量の大きさを、前記歪みの原因となっている不要容量（Ｃ_s）の影響を払拭できる大きさにする。これによって、前記静電容量トランスデューサ（１）の高調波歪みを大幅に低減している。

Description

【発明の詳細な説明】静電容量形トランスデューサの高調波歪みを低減する方法及び回路構成技術分野本発明は、静電容量形トランスデューサの不要容量に起因して発生する該静電容量形トランスデューサの高調波歪みを該静電容量形トランスデューサに負容量を接続することによって低減する方法に関し、該静電容量形トランスデューサは例えば、その電極（膜）に作用する音圧に応じてその静電容量が変化するコンデンサマイクロホン等である。本発明は更に、この方法を実行するための回路構成にも関する。背景技術コンデンサマイクロホンは非常に高い忠実度を提供するため、プロフェッショナル用システムに使用されているマイクロホンは、その殆ど全てがコンデンサマイクロホンである。更に、コンデンサマイクロホンは、例えばテープレコーダや補聴器等の、一般消費者用装置や個人用機器にも使用されている。計測システムをはじめとする様々なプロフェッショナル用システムでは、高忠実度であるということは特に重要であり、なぜならば、その種のシステムでは、ノイズ及び歪みのない広いダイナミックレンジが求められているからである。サウンドレベルが低いときに、ダイナミックレンジを制約する要因となっているのは、そのマイクロホンのノイズ、並びにそのマイクロホンの後に接続した増幅器のノイズである。サウンドレベルが高いときに、ダイナミックレンジを事実上制約する要因となっているのは、そのマイクロホンによって発生され、信号レベルの上昇に伴って一様に増大して行く非線形歪みか、或いは、そのマイクロホンの後に接続した増幅器での信号レベルに起因して発生する、マイクロホン信号のクリッピングかのいずれかである。マイクロホンのセットノイズに対して並列な電気容量が存在すると、それによってマイクロホンの歪みが増大するということが知られており、これについては B コンデンサマイクロホンのインピーダンスは、実際に、そのマイクロホンの後に接続されるケーブルや増幅器のインピーダンスと比較して非常に高いため、多くの場合、マイクロホンに近接した位置に増幅器を装備する必要がある。この増幅器は、必要なインピーダンス整合を行うものであり、その電圧ゲインは一般的に「１」よりやや小さい。この増幅器は、長尺のケーブルを駆動するのに適するように設定され、また、マイクロホンに大きな負荷をかけずに済むようにするために、入力インピーダンスが大きな値を持つように設定される。その入力インピーダンスの大きさは一般的に１０〜５０［×１０⁹Ω］であり、その入力容量の大きさは一般的に０．３〜１［pF］である。このような小さな入力容量は、例えば、ソース・フォロワの回路構成とした電界効果トランジスタを使用した前置増幅器によって得ることができる。前置増幅器の入力端子の周囲の遮蔽をその前置増幅器の出力に接続することによって、その出力中の信号電圧を、入力電圧と同位相にし、しかもその電圧より僅かに低い電圧にすることができる。これによって、その前置増幅器の入力容量を小さくすることができ、なぜならば、入力端子とフレームとの間の容量を介して流れていた強い電流が、入力端子と前述の遮蔽との間の容量を介して流れる弱い電流に置き換えられるからである。最近の前置増幅器は、マイクロホンに、大きな負荷がかからないようにしてある。計測用マイクロホンは円筒形をしており、その外径寸法によって、そのマイクロホンの大きさを表すようにしている。最も一般的な寸法は、１インチ、１／２インチ、１／３インチ、それに１／８インチであり、これらの大きさのマイクロホンの容量は夫々、６０pF、２０pF、６．５pF、それに２３．５pFである。その容量のうちの一部は、信号を発生させるための容量であり、即ち膜と背極との間のアクティブ容量である。残りの部分は、パッシブ容量であって、背極をマイクロホンのハウジングの中に取付ける取付構造と、マイクロホンのカプセルの出力端子とに起因するものである。パッシブ部分の容量Ｃ₅は、図２に示したように、マイクロホンの大きさによらず略々一定しており、即ち２〜３pFである。アクティブ容量に対するパッシブ容量の比は一般的に、最大級の大きさのマイクロホンでは４％であり、最小級の大きさのマイクロホンでは２００％である。ドイツ公開公報第２９２８２０３号によって、パッシブ部分の容量が高調波歪みの発生原因となっていることが明らかにされている。この問題を解決するための試みとして、容量値が互いに等しく、ただし一方が正容量を持ち、他方が負容量を持つ２個のキャパシタを直列に接続した上で、それらキャパシタをマイクロホンに直列に接続するということが行われている。しかしながらこの回路構成には、マイクロホンにかかる負荷が不都合なほど大きくなり、そのため歪みが増大するおそれがあるという短所が付随している。発明の簡単な説明本発明の目的は、静電容量形トランスデューサの高調波歪みを、その静電容量形トランスデューサの負荷を最適化することによって低減する方法を提供することにある。本発明によれば、かかる方法において、負容量を前記トランスデューサに並列に接続し、その負容量の大きさを不要容量の合計容量の大きさに略々等しくすることを特徴としている。こうすることによって得られる最適化は、マイクロホンの散逸容量の影響が中和され、それによって高調波歪みが最小化されることによって、達成されるものである。本発明は更に、静電容量形トランスデューサの不要容量に起因して発生する該静電容量形トランスデューサの高調波歪みを該静電容量形トランスデューサに負容量を接続することによって低減する方法であり、該静電容量形トランスデューサが例えば、その電極（膜）に作用する音圧に応じてその静電容量が変化するコンデンサマイクロホン等である本発明にかかる方法を実行するための回路構成に関するものである。本発明によれば、かかる回路構成において、前記負容量を前記トランスデューサに並列に接続してあり、該負容量の大きさを前記不要容量の合計容量の大きさに略々等しくしてあることを特徴としている。このようにして得られる静電容量形トランスデューサは、従来公知のものと比較して、発生する歪みがより小さくなる。前記静電容量形トランスデューサが前置増幅器に接続されている場合には、本発明によれば、容量帰還を施すことによって負の入力容量を持たせたその前置増幅器によって、前記負容量が提供されるようにすることができる。このようにすれば、既存の前置増幅器を利用して、しかも実質的にただ１つの部品を追加するだけで、前記負容量を発生させることができる。前記前置増幅器の負の入力容量は、２〜３pFにすることが好ましい。尚、本発明によれば、前記前置増幅器の負の入力容量の大きさを可変にしておき、この負の入力容量の大きさを、高調波歪みが最小値を取るような大きさに設定するようにすることもできる。図面の簡単な説明以下に、添付図面を参照しつつ本発明を更に詳細に説明して行く。添付図面については次の通りである。図１は、本発明にかかる回路構成と組合せた静電容量形トランスデューサを示した図である。図２は、コンデンサマイクロホンの短所を説明した図である。発明を実施するための最良の形態図１の静電容量形トランスデューサは、例えばマイクロホン１として構成されたものなどであり、図示例ではコンデンサマイクロホンである。このコンデンサマイクロホンに、図示例では、抵抗Ｒを介して直流電源Ｖ_chargeから電荷を付与している。ここで、２枚の平行板で構成したキャパシタについて考察する。このキャパシタの蓄積電荷を一定に保つものとすれば、その電圧は、２枚の平行板を引き離して行くとそれら平行板の間隔に比例して上昇し、また、それら平行板の間隔を狭めて行くとその間隔に比例して低下する。これは周知の事実であり、そのキャパシタに端縁効果が存在しておらず、且つ、そのキャパシタに負荷が接続されていない場合に成り立つ。この比例関係はコンデンサマイクロホンにとって理想的なものである。しかしながら、この理想的な状況を阻害する要因が２つあり、１つは、完全には払拭し得ない浮遊容量が存在していること、もう１つは、図２に示したように、膜が移動するときの移動量が膜の全面に亙って同一ではないことである。後者は、最も振動の大きな部分である中央部分に、最も振動の小さな部分である周縁部分が負荷として接続されている状況と等価であり、この周縁部分による負荷が、並列に接続されたパッシブ容量Ｃ₅になる。その結果として、振動（音圧）と電圧との間の比例関係が損なわれており、これは歪みが発生しているということに他ならない。理想的な状況における比は、次のように表される。Ｑ＝Ｃ_k・ｖＣ_k＝ｋ／ｄ、そして、Ｖ＝Ｑ／Ｃ_k＝（Ｑ／ｋ）・ｄこれらの式において、Ｑはキャパシタの蓄積電荷、Ｃ_kはキャパシタの容量、ｄはキャパシタの極板間の間隔、そして、ｋは定数である。本発明は、負容量をマイクロホンに並列に接続することによって、上述の問題を解決するものである。この負容量によって不要容量の影響を払拭するようにしており、この負容量の大きさを、不要容量の合計容量の大きさに略々等しくするようにしている。この負容量は、マイクロホンの直後に接続されて、接続ケーブルに対するインピーダンス整合の機能を果たしている前置増幅器２によって提供されるようにすることができる。前置増幅器２は、負の入力容量Ｃindを持つような回路構成にしてある。この負の入力容量Ｃ_indは、正帰還の容量帰還を施すことによって得るようにしており、図示例では、容量Ｃ₁を前置増幅器２の出力と正入力端子との間に接続することによって得ている。従って、この負の入力容量の大きさは、Ｃ_ind＝−Ｃ₁（Ａ−１）になり、この式において、Ａは、容量Ｃ₁による帰還を施す前の増幅率であり、そしてＣ₁は、コンデンサマイクロホン１に接続している入力と、その入力と同位相の出力との間に接続した容量である。容量Ｃ₁の大きさを可変にしておいてもよく、そうすれば、この回路構成を採用しているマイクロホンに応じた最適の値を得ることができる。並列関係にあるパッシブ容量と、この入力容量との合計容量は、負にならないようにすべきであり、なぜならば、この合計容量が負になると回路が発振してしまうからである。多くの場合、この正帰還の容量帰還を強くかけることによって、前置増幅器の負の入力容量Ｃ_indの大きさが数pFになるように、また好ましくは２〜３pFになるようにすべきである。Ｃ₁の値は、Ｒ₂に対するＲ₁の比が「１０」であるとき、２５pFとすることができる。Ｒ₂の値は５ＫΩとし、Ｒ₁の値は５０ＫΩとすることができる。これらの値を用いたときに、Ｃ_indの大きさは、−２５pF（１＋５／５０−１）＝−２．５pFになる。Ｃ₁の値を設定するには例えば次のようにする。先ず、例えば１０００Hzの純粋正弦波の音響信号をマイクロホン１に供給する。そして、高調波歪みないし単なる歪みを測定しながら、その高調波歪みないし単なる歪みが最小になるようにＣ₁の値を設定する。典型的なコンデンサマイクロホンでは、その高調波歪みが約１０〜２０dB低下するはずである。ただしこの改善の度合いは、コンデンサマイクロホンの大きさによって異なったものとなる。前置増幅器２の前記入力における直流電位を確立することと、その直流電位を印加される成極電圧Ｖ_chargeから絶縁することとを目的として、容量Ｃ₂と抵抗Ｒ₃とから成る回路を前置増幅器２の直前に挿入してある。容量Ｃ₂はマイクロホン１から前置増幅器２へ至る電流経路中に位置しており、一方、抵抗Ｒ₃は、この容量Ｃ₂と前置増幅器２との接続点と、フレームとの間に接続されている。これによって、フレームに対する前記入力の直流電位を確立している。Ｃ₂は、図示例では、Ｃ_kの１００倍にしてある。抵抗Ｒ₃は非常に大きくしておく必要があり、なぜならば、この抵抗Ｒ₃と容量Ｃ_kとで下限周波数が決まるからである。以上に説明した原理は音圧形マイクロホンと音圧傾度形マイクロホンとのいずれにも適用可能である。また更に、この原理はエレクトレットマイクロホンにも適用可能である。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＭＣ，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，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．静電容量形トランスデューサ（１）の不要容量（Ｃ₅）に起因して発生する該静電容量形トランスデューサ（１）の高調波歪みを該静電容量形トランスデューサ（１）に負容量を接続することによって低減する方法であり、該静電容量形トランスデューサ（１）が例えば、その電極（膜）に作用する音圧に応じてその静電容量が変化するコンデンサマイクロホン等である方法において、前記負容量（Ｃ_ind）を前記トランスデューサ（１）に並列に接続し、該負容量（Ｃ_ind）の大きさを前記不要容量（Ｃ₅）の合計容量の大きさに略々等しくすることを特徴とする方法。２．前記静電容量形トランスデューサ（１）に前置増幅器が接続されており、容量帰還を施すことによって負の入力容量（Ｃ_ind）を持たせた前記前置増幅器（２）によって、前記負容量が提供されるようにすることを特徴とする請求項１記載の方法。３．前記容量帰還が正帰還であることを特徴とする請求項２記載の方法。４．前記前置増幅器の回路構成を、前記負の入力容量（Ｃ_ind）の大きさが２〜３pFになるように設定することを特徴とする請求項２または３記載の方法。５．静電容量形トランスデューサ（１）の不要容量（Ｃ₅）に起因して発生する該静電容量形トランスデューサ（１）の高調波歪みを該静電容量形トランスデューサ（１）に負容量を接続することによって低減する方法であり、該静電容量形トランスデューサ（１）が例えば、その電極（膜）に作用する音圧に応じてその静電容量が変化するコンデンサマイクロホン等である請求項１ないし４記載の方法を実行するための回路構成において、前記負容量（Ｃ_ind）を前記トランスデューサ（１）に並列に接続してあり、該負容量（Ｃ_ind）の大きさを前記不要容量（Ｃ_s）の合計容量の大きさに略々等しくしてあることを特徴とする回路構成。６．前置増幅器（２）に接続されている前記回路構成であって、正帰還の容量帰還を施すことによって負の入力容量（Ｃ_ind）を持たせた該前置増幅器（２）によって、前記負容量が提供されるようにしてあることを特徴とする請求項５記載の回路構成。７．前記前置増幅器（２）の前記負の入力容量（Ｃ_ind）の大きさを２〜３pF にしてあることを特徴とする請求項５または６記載の回路構成。８．前記前置増幅器（２）の前記負の入力容量（Ｃ_ind）の大きさを可変にしてあることを特徴とする請求項５または６記載の回路構成。