DE10049355B4

DE10049355B4 - Mikrofonfilter und Mikrofoneinheit

Info

Publication number: DE10049355B4
Application number: DE10049355A
Authority: DE
Inventors: Takanobu Takeuchi; Toru Araki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2020-10-06
Also published as: US6516069B1; JP4129108B2; DE10049355A1; JP2001238287A

Abstract

Mikrofonfilter (FT1), das folgendes aufweist:
einen Kondensator (C1), der ein Ende und ein anderes Ende hat, dem ein Ausgangssignal von einem Mikrofon zugeführt wird;
einen ersten Transistor (T4), der eine erste Stromelektrode, die mit dem
einen Ende des Kondensators (C1) verbunden ist, eine zweite Stromelektrode, an die ein erstes festgelegtes Potential (Vref1) angelegt ist, sowie eine Steuerelektrode hat;
einen zweiten Transistor (T3), der eine erste Stromelektrode, eine zweite Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des ersten Transistors (T4) verbunden ist, und eine Steuerelektrode hat, die mit der Steuerelektrode des Transistors (T4) verbunden ist; und
eine Konstantstromquelle (IS), die mit der ersten Stromelektrode und der Steuerelektrode des zweiten Transistors (T3) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrofoneinheit, die in einem Halbleiterchip gebildet ist und ein druckempfindliches Element, wie z.B. einen Elektretkondensator, enthält, sowie ein Mikrofonfilter zum Entfernen von Gleichstromkomponenten und Niederfrequenzkomponenten, die für ein Schallsignal nicht erforderlich sind, aus einem Ausgangssignal von der Mikrofoneinheit.

Es sind verschiedene Filterschaltungen bekannt, die mit einem Mikrofon zusammenwirken. So zeigt beispielsweise die DE 693 14 075 T2 einen in einem mobilen Funkgerät eingesetzten Frequenzaufbereiter mit einem schnellen Schaltstromspiegel, wobei der Stromspiegel aus einem Steuerzweig und einem Ausgangszweig gebildet ist. Der Frequenzaufbereiter weist ferner ein Mikrofon und Filter auf. Des weiteren ist aus der DE 691 11 388 T2 eine elektrische Vorrichtung für ein programmierbares Miniatur-Hörgerät bekannt, die neben einem Mikrofon auch Filtereinrichtungen aufweist. Weitere Mikrofontypen und Schallwandlervorrichtungen sind beispielsweise in der DE 199 00 969 A1 , der EP 0 800 331 A2 , der WO 90/10363 A2, US 4,993,072 und US 5,579,397 A offenbart, die unterschiedliche Verstärker- und Filtervorrichtungen aufweisen. Die WO 94/14239 A1 zeigt einen Vorverstärker, der zur Aufbereitung von Signalen eingesetzt wird, die über ein Mikrofon ausgegeben werden.

Eine herkömmliche Mikrofoneinheit und ein Mikrofonfilter sind in 4 gezeigt. 4 zeigt eine Mikrofoneinheit MU2, die einen Elektretkondensator EC enthält. Bei dem Empfangen von Schalldruck variiert der Elektretkondensator EC seine Kapazität und erzeugt ein Eingangssignal Vin zwischen seinen beiden Elektroden. Ein Massepotential GND wird an ein Ende des Elektretkondensators EC angelegt. Ferner ist ein Impedanzkonverter, der aus Dioden D1, D2, einem Widerstand R1 und N-Kanal MOS-Transistoren T1, T2 besteht, über den Elektretkondensator EC geschaltet. Genauer ausgedrückt ist die Anode der Diode D1 mit einem Ende des Elektretkondensators EC verbunden und deren Kathode mit dem anderen Ende des Elektretkondensators EC. Die Diode D2 ist über den Elektretkondensator EC geschaltet, wobei ihre Anode und ihre Kathode entgegengesetzt zu denjenigen der Diode D1 geschaltet sind. Der Widerstand R1 ist parallel über den Elektretkondensator EC geschaltet. Die Source des Transistors T1 ist mit einem Ende des Elektretkondensators EC verbunden und sein Gate ist mit dem anderen Ende des Elektretkondensators EC verbunden. Der Drain des Transistors T1 ist mit der Source des Transistors T2 verbunden. Ein Stromversorgungspotential Vdd wird an den Drain des Transistors T2 angelegt und ein vorbestimmtes Potential Vref2 an das Gate des Transistors T2. Ferner wird das Massepotential GND an die Back-Gates der Transistoren T1 und T2 angelegt.

Wenn kein Eingangssignal Vin angelegt ist, wird die Gate-Source-Spannung des Transistors T1 durch die Dioden D1, D2 und den Widerstand R1 auf 0 V gehalten. Bei Anlegen des Eingangssignals Vin tritt eine Veränderung der Gate-Source-Spannung des Transistors T1 auf. Dies bewirkt eine Veränderung des Drain-Source-Stromes. In dem Transistor T1 des Verarmungstyps fließt Strom zwischen Drain und Source, auch wenn die Gate-Source-Spannung 0 V beträgt. Diese Veränderungen des Drain-Source-Stromes des Transistors T1 verursachten Veränderungen des Drain-Source-Stromes des Transistors T2, so daß dadurch die Gate-Source-Spannung des Transistors T2 geändert wird. Diese Potentialänderung an der Source des Transistors T2 wird ein Ausgangssignal Vout2.

Wie 4 zeigt, ist ein Mikrofonfilter FT2 als eine CR-Schaltung konfiguriert, die aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R4 zusammengesetzt ist. Der Kondensator C1 empfängt an seinem einen Ende das Ausgangssignal Vout2 von der Mikrofoneinheit MU2 und ist an seinem anderen Ende mit dem einen Ende des Widerstandes R4 verbunden. Ferner wird ein vorbestimmtes Potential Vref1 an das andere Ende des Widerstandes R4 angelegt.

Das Mikrofonfilter FT2 entfernt Gleichstromkomponenten und Niederfrequenzkomponenten, die in dem Ausgangssignal Vout2 enthalten sind, indem eine Spannung ausgegeben wird, die an dem Widerstand R4 abgesenkt wird. Da es als ein Schallsignal dient, sollte das Ausgangssignal Vout2 einen Audiofrequenzbereich im Bereich von annährend 100 Hz bis 20 kHz haben. Somit werden Gleichstrom- und Niederfrequenzkomponenten, die für das Schallsignal nicht erforderlich sind, aus dem Ausgangssignal Vout2 entfernt.

Das Ausgangssignal aus dem Mikrofonfilter FT2 wird einem Verstärker zugeführt. In 4 ist ein Verstärker dargestellt, der eine Spannungsnachlaufschaltung und einen invertierenden Verstärker enthält. Genauer ausgedrückt wird das Ausgangssignal von dem Mikrofonfilter FT2 einem positiven Eingang eines Operationsverstärkers OP1 zugeführt. Der Operationsverstärker OP1 empfängt sein eigenes Ausgangssignal an seinem negativen Eingang und dient als eine Spannungsnachlaufschaltung. Das Ausgangssignal von dem Operationsverstärker OP1 wird anschließend einem negativen Eingang eines Operationsverstärkers OP2 über einen Widerstand R2 zugeführt. Auch der Operationsverstärker OP2 empfängt sein eigenes Ausgangssignal Vout3 durch einen Widerstand R3 an seinem negativen Eingang und dient damit als ein invertierender Verstärker. Hier wird ein vorbestimmtes Potential Vref1 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 angelegt.

Das Mikrofonfilter FT2 entfernt Gleichstrom- und Niederfrequenzkomponenten aus dem Ausgangssignal Vout2 bei einer Grenzfrequenz f = l/(2Π CR), worin C die Kapazität des Kondensators C1 ist und R der Widerstand des Widerstandes R4. Um Niederfrequenzsignale unter etwa 100 Hz und Gleichstromkomponenten aus dem Ausgangssignal Vout2 zu entfernen, muss das Produkt der Kapazität C und des Widerstandes R, d.h. die Zeitkonstante, groß sein; beispielsweise wird eine Kombination wie etwa eine Kapazität von 1 μF und ein Widerstand von 1,6 kΩ oder eine Kapazität von 100 pF und ein Widerstand von 16 MΩ erforderlich. Das Schaffen einer derart hohen Kapazität und eines derart hohen Widerstandes in Kombination auf einem einzelnen Halbleiterchip erhöht die Chipfläche und verhindert die Größenreduzierung und Kostenreduktion von Halbleiterchips. Aus diesem Grund kann das herkömmliche Mikrofonfilter FT2 nicht auf einen Halbleiterchip passen, auf dem die Mikrofoneinheit MU2 gebildet ist, und andere diskrete Teile, wie z.B. ein Kondensator und ein Widerstand, sind erforderlich, um das Filter zu bilden.

Auch bei der Verwendung von diskreten Teilen, wie z.B. einem Kondensator und einem Widerstand, ist es schwierig, aufgrund der hohen Kosten dieser Teile, der Zunahme der Prozeßschritte und der Unmöglichkeit, das Mikrofonfilter in dem Halbleiterchip, in dem das Mikrofon gebildet ist, unterzubringen, eine Größenreduzierung und Kostenverringerung zu erreichen. Schließlich passt der Verstärker nicht auf denselben Halbleiterchip, auf dem die Mikrofoneinheit gebildet ist.

Ausgehend von der in Zusammenhang mit den aus dem Stand der Technik bekannten Mikrofonfilter erläuterten Problemstellung, liegt nun der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen aus wenigen Bestandteilen begründeten Mikrofonfilter mit großer Zeitkonstante und eine den Mikrofonfilter enthaltene Mikrofoneinheit anzugeben, wobei sich der Mikrofonfilter dadurch auszeichnen soll, dass eine Miniaturisierung und Kostenreduzierung der Mikrofoneinheit erzielt werden kann.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Mikrofonfilter gerichtet, enthaltend: einen Kondensator, der ein Ende und ein anderes Ende hat, dem ein Ausgangssignal von einem Mikrofon zugeführt wird; einen ersten Transistor, der eine erste Stromelektrode, die mit dem einen Ende des Kondensators verbunden ist, eine zweite Stromelektrode, an die ein erstes festgelegtes Potential angelegt wird, und eine Steuerelektrode hat; einen zweiten Transistor, der eine erste Stromelektrode, eine zweite Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des ersten Transistors verbunden ist, und eine Steuerelektrode hat, die mit der Steuerelektrode des ersten Transistors verbunden ist; und eine Konstantstromquelle, die mit der ersten Stromelektrode und der Steuerelektrode des zweiten Transistors verbunden ist.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Mikrofoneinheit gerichtet, enthaltend: ein in einem Halbleiterchip gebildetes Mikrofon; und ein Mikrofonfilter gemäß dem ersten Aspekt, das in dem Halbleiterchip gebildet ist, wobei ein Ausgangssignal von dem Mikrofon dem anderen Ende des Kondensators zugeführt wird.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Mikrofoneinheit gemäß dem zweiten Aspekt ferner: einen Verstärker, der in dem Halbleiterchip gebildet ist und einen Eingang hat, der mit der ersten Stromelektrode des ersten Transistors des Mikrofonfilters verbunden ist.

Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Mikrofoneinheit gerichtet, enthaltend: ein in einem Halbleiterchip gebildetes Mikrofon; und einen Verstärker, der in dem Halbleiterchip gebildet ist und einen Eingang hat, dem ein Ausgangssignal von dem Mikrofon zugeliefert wird.

Das Mikrofonfilter gemäß dem ersten Aspekt kann als seinen Widerstand einen differentiellen Widerstand nutzen, der durch einen Kanallängenmodulationseffekt oder einen Early-Effekt der Spannungs-Stromeigenschaften zwischen der ersten und der zweiten Stromelektrode des ersten Transistors erzeugt wird. Dies ergibt ein Mikrofonfilter mit großer Zeitkonstante, das Widerstand und Kapazität als seine Bestandteile enthält. Da der erste und der zweite Transistor und die Konstantstromquelle eine Stromspiegelschaltung bilden, ist das Mikrofonfilter beständig gegen Veränderungen der Spannungs-Stromcharakteristiken des ersten Transistors aufgrund von Temperaturveränderungen und kann in einem Halbleiterchip gebildet werden, ohne daß eine wesentliche Vergrößerung der Chipfläche erforderlich ist.

Gemäß dem zweiten Aspekt können das Mikrofonfilter des ersten Aspekts und das Mikrofon in demselben Halbleiterchip gebildet werden. Dies führt zu einer Miniaturisierung und Kostenverringerung der Mikrofoneinheit.

Die Mikrofoneinheit gemäß dem dritten Aspekt enthält ferner den Verstärker. Dies führt zu einer weiteren Miniaturisierung und Kostenreduzierung der Mikrofoneinheit.

Gemäß dem vierten Aspekt können der Verstärker und das Mikrofon in demselben Halbleiterchip gebildet sein. Auch dies führt zu einer weiteren Miniaturisierung und Kostenreduzierung der Mikrofoneinheit.

Weitere Vorteile, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung deutlich.
1 zeigt eine Mikrofoneinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein erläuterndes Diagramm eines Kanallängenmodulationseffekts und einer Early-Spannung.
3 ist ein erläuterndes Diagramm einer Beziehung zwischen der Verstärkungskonstanten und der Early-Spannung.
4 zeigt eine herkömmliche Mikrofoneinheit mit Mikrofonfilter.
1 zeigt eine Mikrofoneinheit MU1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie die Mikrofoneinheit MU2 in 4 enthält die Mikrofoneinheit MU1 in 1 ebenso beispielsweise einen Elektretkondensator EC.
Genauer dargestellt wird ein Massepotential GND an ein Ende des Elektretkondensators angelegt. Bei Empfangen von Schalldruck verändert der Elektretkondensator EC seine Kapazität und erzeugt ein Eingangssignal Vin zwischen seinen beiden Elektroden. Die Anode der Diode D1 ist mit einem Ende des Elektretkondensators EC verbunden und die Kathode derselben ist mit dem anderen Ende des Elektretkondensators EC verbunden. Die Diode D2 ist über den Elektretkondensator EC geschaltet, wobei ihre Anode und ihre Kathode in umgekehrter Weise wie diejenigen der Diode D1 angeschlossen sind. Der Widerstand R1 ist über den Elektretkondensator EC parallel geschaltet. Die Source des Transistors T1 ist mit dem einen Ende des Elektretkondensators EC und das Gate desselben mit dem anderen Ende des Elektretkondensators EC verbunden. Der Drain des Transistors T1 ist mit der Source des Transistors T2 verbunden. Ein Leistungsversorgungspotential Vdd ist an den Drain des Transistors T2 angelegt und ein vorbestimmtes Potential Vref2 an das Gate des Transistors T2. Ferner ist das Massepotential GND an die Back-Gates der Transistoren T1 und T2 angelegt.
Die Betriebsabläufe des Elektretkondensators EC und eines Impedanzkonverters, der aus den Dioden D1, D2, dem Widerstand R1 und den Transistoren T1, T2 besteht, sind mit denen in der Mikrofoneinheit MU2 identisch und auf eine Beschreibung derselben wird daher verzichtet.
Die Mikrofoneinheit MU1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in einem Halbleiterchip gebildet, in dem ferner ein Mikrofonfilter FT1 und ein Verstärker gebildet sind.
Das Mikrofonfilter FT1 ist im wesentlichen eine CR-Schaltung, die mit dem herkömmlichen Mikrofonfilter FT2 identisch ist, als ihren Widerstand jedoch einen Transistor einer Stromspiegelschaltung verwendet. Das heißt, daß das Mikrofonfilter FT1 einen Kondensator C1, N-Kanal MOS-Transistoren T3, T4 und eine Konstantstromquelle IS enthält, wobei die Transistoren T3, T4 und die Konstantstromquelle IS eine Stromspiegelschaltung bilden. Der Kondensator C1 empfängt an seinem einen Ende ein Ausgangssignal an der Source des Transistors T2. Das andere Ende des Kondensators T1 ist mit dem Drain des Transistors T4 verbunden. Ferner wird ein vorbestimmtes Potential Vref1 an die Source des Transistors T4 angelegt. Die Source des Transistors T3 ist mit der Source des Transistors T4 verbunden und das Gate desselben ist mit dem Gate des Transistors T4 verbunden. Der Drain des Transistors T3 ist mit einem Ende der Konstantstromquelle IS verbunden und ferner mit dem Gate des Transistors T4 kurzgeschlossen. Ein Leistungsversorgungspotential Vdd wird an das andere Ende der Konstantstromquelle IS angelegt. Ferner wird das Massepotential GND an die Back-Gates der Transistoren T3 und T4 angelegt.
Das Mikrofonfilter FT1 entfernt Gleichstromkomponenten und Niederfrequenzkomponenten, die in dem Ausgangssignal an der Source des Transistors T2 enthalten sind, indem es eine Spannung ausgibt, die zwischen dem Drain und der Source des Transistors T4 abgesenkt ist.
Das Ausgangssignal von dem Mikrofonfilter FT1 wird dem Verstärker zugeführt. In 1 ist ein Verstärker dargestellt, der eine Spannungsnachlaufschaltung und einen invertierenden Verstärker wie in 4 enthält. Genauer dargestellt wird das Ausgangssignal von dem Mikrofonfilter FT1 einem positiven Eingang eines Operationsverstärkers OP1 zugeführt. Der Operationsverstärker OP1 empfängt sein eigenes Ausgangssignal als sein negatives Eingangssignal, wobei er als Spannungsfolger dient. Das Ausgangssignal von dem Operationsverstärker OP1 wird anschließend einem negativen Eingang eines Operationsverstärkers OP2 durch einen Widerstand R2 zugeführt. Auch der Operationsverstärker OP2 empfängt sein eigenes Ausgangssignal Vout1 als sein negatives Eingangssignal durch einen Widerstand R3, wobei er als ein invertierender Verstärker dient. Hier wird das vorbestimmte Potential Vref1 an den positiven Eingang des Operationsverstärkers OP2 angelegt.
Nachfolgend wird der Grund dafür beschrieben, warum der Transistor der Stromspiegelschaltung als ein Widerstand in dem Mikrofonfilter FT1 verwendet wird.
Beispielsweise bei MOS-Transistoren ist eine Beziehung zwischen dem Drain-Source-Strom I_DS und der Drain-Source-Spannung V_DS, d.h. die Spannungs-Stromcharakteristik, allgemein so, daß zwei separate Bereiche vorliegen: ein Widerstandsbereich, in dem der Drain-Source-Strom I_DS mit Steigen der Drain-Source-Spannung V_DS zunimmt, und ein Konstantstrombereich, in dem der Drain-Source-Strom I_DS nicht über einen vorbestimmten Wert ansteigt, auch wenn die Drain-Source-Spannung V_DS zunimmt. In der Praxis ist jedoch das Phänomen zu bemerken, bei dem der Drain-Source-Strom I_DS mit der Erhöhung der Drain-Source-Spannung V_DS in dem Konstantstrombereich geringfügig zunimmt, wie 2 zeigt. Dieses Phänomen wird vermutlich durch effektive Kanallängenmodulation, bedingt durch einen Verarmungsbereich, der an dem Drain erzeugt wird, bewirkt und wird somit ein Kanallängenmodulationseffekt genannt. Dieser Kanallängenmodulationseffekt kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
worin V_DS die Gate-Source-Spannung eines MOS-Transistors ist, V_T die Schwellenspannung des MOS-Transistors ist, λ der Kanallängenmodulationsparameter ist, β die Verstärkungskonstante ist, W die Kanalbreite ist, L die Kanallänge ist, μ die Trägermobilität auf der Kanaloberfläche ist und C_ox die Kapazität eines Gate-Isolators pro Flächeneinheit ist.
Wie 2 zeigt, ist es bekannt, daß dann, wenn jede Spannungs-Stromcharakteristik in dem Konstantstrombereich im Hinblick auf den Kanallängenmodulationseffekt zu der V_DS-Achse extrapoliert wird, diese an einem einzelnen Schnittpunkt konvergieren. Der Absolutwert der Spannung an diesem Schnittpunkt wird als Early-Spannung V_A bezeichnet, die für Transistoren auf einer integrierten Schaltung annährend im Bereich von 50 bis 100 V liegt.
Aus einer unterschiedlichen Perspektive kann dieser Kanallängenmodulationseffekt als ein Phänomen betrachtet werden, bei dem nur geringfügige Veränderungen des Drain-Source-Stromes I_DS wesentliche Veränderungen der Drain-Source-Spannung V_DS bewirken. Das heißt, der MOS-Transistor in dem Konstantstrombereich kann so betrachtet werden, daß er einen hohen Widerstandswert hat (differentieller Widerstand).
Durch Nutzung dieser Tatsache wird es möglich, einen hohen Widerstandswert auf einem Halbleiterchip ohne Verwendung von diskreten Teilen zu schaffen. Mit einem hohen Widerstand ist es nicht erforderlich, eine große Kapazität in dem Mikrofonfilter FT1 zu haben. Dies ist der Grund, warum der Transistor als ein Widerstand in dem Mikrofonfilter FT1 verwendet wird.
Wenn nur eine vorbestimmte Gate-Source-Spannung an einen einzelnen MOS-Transistor angelegt wird und die Drain-Source zu dieser Zeit als ein Widerstand verwendet wird, können einige Probleme auftreten. Beispielsweise ist es vorstellbar, daß Veränderungen der Spannungs-Stromcharakteristiken aufgrund von Temperaturveränderungen Variationen des Widerstandes in dem Mikrofonfilter FT1 verursachen. In diesem Fall wird der Wert der Grenzfrequenz f stark beeinflusst, so daß die Funktion des Mikrofonfilters als Schallsignalfilter beeinträchtigt sein kann.
Aus diesem Grund wird der Transistor der Stromspiegelschaltung als Widerstand in dem Mikrofonfilter FT1 verwendet. Die Stromspiegelschaltung ist gegen Variationen der Charakteristik aufgrund von Temperaturveränderungen beständig und kann in einem Halbleiterchip ohne wesentliche Vergrößerung der Chipfläche gebildet werden.
In dem Mikrofonfilter FT1 fließt ein konstanter Strom mit demselben Wert wie der Ausgangsstrom von der Konstantstromquelle IS sowohl zwischen der Source und dem Drain des Transistors T3 als auch zwischen denjenigen des Transistors T4. Bei Vorliegen des vorstehend beschriebenen Kanallängenmodulationseffektes variiert dann, wenn Variationen in der Drain-Source-Spannung V_DS des Transistors T4 auftreten, der Drain-Source-Strom I_DS des Transistors T4 geringfügig in seiner linearen Charakteristik. Das heißt, daß der Transistor T4 als ein hoher Widerstandswert dient.
Wie aus den Spannungs-Stromcharakteristiken in 2 ersichtlich ist, ist der Kanallängenmodulationseffekt um so geringer, je niedriger die Gate-Source-Spannung V_GS ist (d.h. je niedriger der Drain-Source-Strom I_DS in dem Konstantstrombereich ist), und der Widerstand (differentieller Widerstand in dem Konstantstrombereich) geht gegen unendlich. Um den Widerstand zu erhöhen, sollte der Ausgangsstrom von der Konstantstromquelle IS reduziert werden, um den Drain-Source-Strom I_DS des Transistors T4 klein zu halten, so daß Variationen des Drain-Source-Stromes I_DS des Transistors 4 relativ zu Variationen der Drain-Source-Spannung V_DS klein werden.
Der Kanallängenmodulationseffekt kann auch reduziert werden, indem der Wert der Verstärkungskonstante β in Gleichung (2) erhöht wird. Der Grund dafür liegt darin, daß der Wert der Early-Spannung V_A in Abhängigkeit von dem Wert der Verstärkungskonstanten β variiert, wie 3 zeigt. In 3 ist β1 > β2 und V_A1 > V_A2. Um den Widerstand zu erhöhen, sollte der Wert der Verstärkungskonstanten β erhöht werden. Für diese Erhöhung sollte, wie aus Gleichung 2 ersichtlich ist, die Kanallänge L des Transistors T4 reduziert werden oder die Kanalbreite W desselben sollte konstruktiv erhöht werden. Selbstverständlich werden diese Transistorgrößen bestimmt, indem Simulationen hinsichtlich der Chipfläche und anderer Elemente durchgeführt werden oder Prototypen hergestellt und bewertet werden.
Während der Kanallängenmodulationseffekt von MOS-Transistoren in dieser bevorzugten Ausführungsform genutzt wird, kann derselbe Effekt auch durch Nutzung eines Early-Effekts von bipolaren Transistoren erzielt werden. Wenn bipolare Transistoren als die Transistoren T3 und T4 verwendet werden, sollten das Gate, der Drain und die Source in der vorstehenden Beschreibung durch eine Basis, einen Kollektor bzw. einen Emitter ersetzt werden.
Während ferner die Mikrofoneinheit gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform so beschrieben wurde, daß sie den Elektretkondensator enthält, sind andere Konfigurationen von Mikrofoneinheiten, die in einem Halbleiterchip gebildet werden können, auch für die vorliegende Erfindung anwendbar. Ein derartiges Beispiel schließt eine piezoelektrische Mikrofoneinheit ein, die in einem Halbleiterchip gebildet ist.
Bei der Mikrofoneinheit MU1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein differentieller Widerstand, der durch den Kanallängenmodulationseffekt der Spannungs-Stromcharakteristiken zwischen dem Drain und der Source des Transistors T4 erzeugt wird, als ein Widerstand verwendet werden. Dies ergibt ein Mikrofonfilter mit großer Zeitkonstante, das Widerstand und Kapazität als seine Bauelemente enthält. Da die Transistoren T3, T4 und die Konstantstromquelle IS eine Stromspiegelschaltung bilden, ist das Mikrofonfilter gegen Variationen der Spannungs-Stromcharakteristiken des Transistors T4 aufgrund von Temperaturveränderungen beständig und kann in einem Halbleiterchip ohne wesentliche Erhöhung der Chipfläche gebildet werden.
Ferner können das Mikrofonfilter und die Mikrofoneinheit in demselben Halbleiterchip gebildet werden. Dies führt zu einer Miniaturisierung und Kostenreduzierung der Mikrofoneinheit.
Der Verstärker kann ferner ebenso in demselben Halbleiterchip gebildet sein. Dies führt zu einer weiteren Miniaturisierung und Kostenreduzierung der Mikrofoneinheit.

Claims

Mikrofonfilter (FT1), das folgendes aufweist: einen Kondensator (C1), der ein Ende und ein anderes Ende hat, dem ein Ausgangssignal von einem Mikrofon zugeführt wird; einen ersten Transistor (T4), der eine erste Stromelektrode, die mit dem einen Ende des Kondensators (C1) verbunden ist, eine zweite Stromelektrode, an die ein erstes festgelegtes Potential (Vref1) angelegt ist, sowie eine Steuerelektrode hat; einen zweiten Transistor (T3), der eine erste Stromelektrode, eine zweite Stromelektrode, die mit der zweiten Stromelektrode des ersten Transistors (T4) verbunden ist, und eine Steuerelektrode hat, die mit der Steuerelektrode des Transistors (T4) verbunden ist; und eine Konstantstromquelle (IS), die mit der ersten Stromelektrode und der Steuerelektrode des zweiten Transistors (T3) verbunden ist.
Mikrofoneinheit (MU1), die folgendes aufweist: ein Mikrofon, das in einem Halbleiterchip gebildet ist; und ein Mikrofonfilter (FT1, C1, IS, T3, T4) gemäß Anspruch 1, das in dem Halbleiterchip gebildet ist, wobei ein Ausgangssignal von dem Mikrofon dem anderen Ende des Kondensators (C1) zugeführt wird.
Mikrofoneinheit (MU1) nach Anspruch 2, wobei das Mikrofon aufweist: einen Elektretkondensator (EC), der ein Ende und ein anderes Ende hat, an das ein zweites festgelegtes Potential (GND) angelegt ist; einen dritten Transistor (T1), der eine erste Stromelektrode, eine zweite Stromelektrode, die mit dem anderen Ende des Elektretkondensators (EC) verbunden ist, und eine Steuerelektrode hat, die mit dem einen Ende des Elektretkondensators (EC) verbunden ist; und eine Stromquelle (T2), die mit der ersten Stromelektrode des dritten Transistors (T1) verbunden ist.
Mikrofoneinheit (MU1) nach Anspruch 3, wobei das Mikrofon aufweist: eine erste Diode (D1), die eine Kathode hat, die mit dem einen Ende des Elektretkondensators (EC) verbunden ist, und eine Anode, die mit dem anderen Ende des Elektretkondensators (EC) verbunden ist; eine zweite Diode (D2), die eine Anode hat, die mit dem einen Ende des Elektretkondensators (EC) verbunden ist, und eine Kathode, die mit dem anderen Ende des Elektretkondensators (EC) verbunden ist; und einen Widerstand (R1), der mit dem Elektretkondensator (EC) parallel geschaltet ist.
Mikrofoneinheit (MU1) nach Anspruch 3, wobei die Stromquelle in dem Mikrofon ein vierter Transistor (T2) ist, der eine erste Stromelektrode, an die ein drittes festgelegtes Potential (Vdd) angelegt wird, eine zweite Stromelektrode, die mit der ersten Stromelektrode des dritten Transistors (T1) verbunden ist, und eine Steuerelektrode hat, an die ein viertes festgelegtes Potential (Vref2) angelegt ist.
Mikrofoneinheit (MU1) nach Anspruch 2, die folgendes aufweist: einen Verstärker (OP1, OP2), der in dem Halbleiterchip gebildet ist und einen Eingang hat, der mit der ersten Stromelektrode des ersten Transistors (T4) des Mikrofonfilters (FT1) verbunden ist.
Mikrofoneinheit (MU1) nach Anspruch 6, wobei der Verstärker (OP1, OP2) aufweist: einen ersten Widerstand (R2), der ein Ende hat, der mit der ersten Stromelektrode des ersten Transistors (T4) verbunden ist, und der ein anderes Ende hat; einen ersten Operationsverstärker (OP2), der einen negativen Eingang, der mit dem anderen Ende des ersten Widerstandes (R2) verbunden ist, einen positiven Eingang, an den ein zweites festgelegtes. Potential (Vref1) angelegt wird, sowie einen Ausgang hat; und einen zweiten Widerstand (R3), dessen eines Ende mit dem negativen Eingang des ersten Operationsverstärkers (OP2) verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP2) verbunden ist.
Mikrofoneinheit (MU1) nach Anspruch 7, wobei der Verstärker (OP1, OP2) aufweist: einen zweiten Operationsverstärker (OP1), der einen positiven Eingang, der mit der ersten Stromelektrode des ersten Transistors (T4) verbunden ist, einen Ausgang, der mit dem einen Ende des ersten Widerstandes (R2) verbunden ist, und einen negativen Eingang hat, der mit dem Ausgang kurzgeschlossen ist.