コンデンサ・マイク用電源回路

■問題
使用するコマンド ― .AC,.DC

小川　敦　Atsushi Ogawa

　コンデンサ・マイクを使用するためには，比較的高い電圧の電源が必要です．図1は，コンデンサ・マイクに使用する48V電源の，簡略化した回路図です．12Vの電源から昇圧回路を使用して必要な電圧（ここでは48V）を発生させます．図1の回路で，黄色い部分の回路の役割の説明として，もっとも適切なのは，(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　コンデンサ・マイク用の48V電源
黄色い部分の回路の役割の説明として，もっとも適切なのは?

(a)48V出力の電流の逆流を防止する
(b)48V出力の温度特性を補正する
(c)48V出力の出力電流能力をアップさせる
(d)48V出力のオーディオ帯ノイズを低減する

■ヒント

　コンデンサ・マイク用の電源は，ファンタム（Phantom）電源と呼ばれ，一般的に電圧は48Vとなっています．マイク用の電源としてどのような特性が重要かを考えれば，答えは簡単に分かります．なお，ダイナミック・マイクは，マイク本体に電源を供給する必要はありません．

■解答

(d)48V出力のオーディオ帯ノイズを低減する

　図1で，R₁およびC₁は，カットオフ周波数3Hzのローパス・フィルタを構成しており，3Hz以上のノイズを減衰させます．そのため，Q₁のエミッタに現れる電圧もノイズが減少したものになります．つまり，図1の黄色い部分の回路は，48V出力のノイズを低減するための回路です．

■解説

●コンデンサ・マイクの構造
　図2は，コンデンサ・マイクのイメージ図です．コンデンサに抵抗を介して，電圧が加えられています．音圧によってコンデンサの容量値が微小に変化することで，MIC_OUT端子に音圧に比例した信号電圧が発生します．この信号電圧は非常に小さいため，使用する電源にノイズが多いと，マイク出力のS/N(シグナル対ノイズ比）が悪くなってしまいます．そのため，使用する電源はできるだけ低ノイズである必要があります．

図2　コンデンサ・マイク用のイメージ図
コンデンサの容量値が音圧で変化することで，MIC_OUT端子に信号電圧が発生する．

●電源ノイズ低減の方法
　電源ICに内蔵されている1.2V程度の基準電圧源の出力には，通常，問題になりませんが，微小なノイズが存在します．そのため，その基準電圧源をもとに，n倍した電圧を出力する，スイッチング電源やシリーズ電源の出力には，基準電圧源のn倍のノイズが存在することになります．
　その電源に含まれるノイズを低減する一番簡単な方法は，電源の出力に，十分にカットオフ周波数の低い，ローパス・フィルタを入れることです．ローパス・フィルタは，図3のように，抵抗とコンデンサで作ることができます．ただし，負荷電流変化による出力電圧変化を小さくするため，抵抗はあまり大きくできません．

図3　単純なRCフィルタによるノイズ低減回路
非常に大きな値のコンデンサが必要になる．

　仮に負荷電流が10mA変化したときの電圧変化を100mV以下にしたい場合，抵抗値は10Ω以下とする必要があります．また，一例として，3Hz以上のノイズが減衰するように，カットオフ周波数を3Hzに設定すると，必要なコンデンサは式1のように5300μFと非常に大きな値になってしまいます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

●RCフィルタとエミッタ・フォロアを組み合わせたノイズ低減回路
　図4は，RCフィルタとエミッタ・フォロアを組み合わせ，小さなコンデンサでノイズを低減できる回路です．
　図4の回路では，R₁の電流は，出力電流の1/βの電流になります．そのためR₁の値を大きく設定することが可能で，その結果C₁の値を小さくすることができます．48V_OUT端子の直流電圧は，VPの電圧から約0.7V下がった電圧になります．また，出力電流がI₁からI₂に増加したときの出力電圧の変化(ΔV_OUT)は式2のようになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

ここで，V_T=k*T/q　の，kがボルツマン定数で1.38×10-23[J/K]，qが電子電荷で1.6×10-19[C]，Tが絶対温度です．常温ではV_T=26mVとなります．

　また，この回路のカットオフ周波数は式3のように約3Hzとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

図4　RCフィルタとエミッタ・フォロアを組み合わせたノイズ低減回路
小さなコンデンサでノイズ低減できる．

●ノイズ低減回路の出力電圧特性をシミュレーションする
　図5は，図3と図4の回路の負過電流変化に対する出力電流の変化をシミュレーションする回路です．B電流源のB₁はI₁と同じ電流が流れるように設定し，I₁を2mAから12mAまで変化させます．

図5　ノイズ低減回路の出力電圧特性をシミュレーションする回路
B₁はI₁と同じ電流が流れるように設定し，I₁を2mAから12mAまで変化させる．

　図6は，図5の出力電圧特性のシミュレーション結果です．出力電流の変化に対する出力電圧の変化は，「単純なRC回路」と「エミッタ・フォロアを使用した回路」でほぼ同等となっています．

図6　出力電圧特性のシミュレーション結果
「単純なRC回路」と「エミッタ・フォロアを使用した回路」でほぼ同等の特性．

●ノイズ低減回路の周波数特性をシミュレーションする
　図7は，ノイズ低減回路の周波数特性をシミュレーションする回路です．負荷として24kΩの抵抗が追加してあります．そして，それぞれの電源から出力端子までの周波数特性をシミュレーションします．

図7　ノイズ低減回路の周波数特性を確認する回路
24kΩの負荷抵抗を接続し，電源から出力端子までの周波数特性を調べる．

　図8は，図7のノイズ低減回路の周波数特性のシミュレーション結果です．「単純なRC回路」と「エミッタ・フォロアを使用した回路」の周波数特性は全く同じになっています．「エミッタ・フォロアを使用した回路」は，コンデンサの値を「単純なRC回路」の場合の1/50としても，同等の特性が得られることが分かります．また，この周波数特性から，電源に含まれる1kHzのノイズは50dB程度減衰することも分かりました．