СИСТЕМА ЭЛЕКТРЕТНОГО КОНДЕНСАТОРНОГО МИКРОФОНА

Полезная модель относится к технике электроакустических преобразователей, в частности к электретным конденсаторным микрофонам.
Полезная модель может быть использована 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 так же 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 так же интегральной схемы, смонтированной на печатной плате.
Типовая электрическая схема включения электретного конденсаторного 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 подается через нагрузочный резистор,
соединяющий сток транзистора и линию источника питания, он 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 р - канальном полевом транзисторе, как например в отечественном микрофоне МКЭ-3 или в серии FG 9производитель Knowles acoustics), а также используются устройства на МОП транзисторах с изолированным затвором, как например в US 200212949.Иногда в рассмотренных микрофонах нагрузочный резистор встраивают внутрь корпуса.
Известно, что 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 A1) и другие элементы различного назначения (см., например, US 2002125949).
За прототип выбран, рассмотренный выше электретный конденсаторный микрофон по серии КЕС.
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. Электретные конденсаторные микрофоны с типовым значением током потребления менее 24 мкА при разбросе от 15 до 5о мкА (серия FG) нам не известны, а типовое токопотребление микрофонов широкого применения (например серия микрофонов КЕС или отечественная серия МКЭ) составляет 200 мкА (при максимальном значении 500 мкА). При этом стоимость низкопотребляющих микрофонов в 50...100 раз выше стоимости микрофонов широкого применения.
Применение микрофонов других типов (например, пьезоэлектрических или керамических) ограничено большими массогабаритными параметрами, а так же невысокой чувствительностью и большой неравномерность характеристики в диапазоне звуковых частот.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая нами полезная модель, заключается в снижении на порядок и более потребления тока системы электретного конденсаторного микрофона.
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 через нагрузочный резистор с выходом импульсного модулятора, 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.: 1-3, где:
На фиг.1 приведена 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 выходом импульсного модулятора 3, выход которого соединен с одним из входов устройства выборки и хранения 4, а вход 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.
Напряжение питания (U пит.) на микрофон 1 подают через нагрузочный резистор 2 от импульсного модулятора (ИМ) 3, который переводит микрофон из непрерывного
и
м
м
м
и
и
м
и
и
м
режима работы в импульсный. ИМ 3 генерирует импульсы питания длительностью τ с частотой F=1/Т. Ток потребления микрофона в импульсном режиме уменьшается в скважность (Q=Т/τ) 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 (аналогового) сигнала. Устройство 4 коммутируется ИМ 3, таким образом, что в течение времени τ импульсное напряжение с выхода микрофона 1 передается на выход устройства 4, а в течение времени (Т-τ) 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 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. 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 ИМ 3, устройство выборки и хранения 4, согласующий повторитель 5 и согласующий усилитель 6
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, с.301, 302, 321. М., Мир 2001). 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, С.151. М., Мир 2001). 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.
Этот результат достигнут путем обеспечения импульсного режима работы, благодаря введению в систему ИМ совместно с блоком выборки и хранения с увеличенным импедансом.