CN101627641A - 具有信号处理功能的小器件封装麦克风模块 - Google Patents

Abstract

一种声处理模块接收声信号，并输出模拟输出信号。麦克风传感器被提供用于响应所述声信号而生成相应的电信号。一个信号处理电路连接到所述麦克风传感器，且根据一个或多个信号处理功能处理所述电信号以生成模拟输出信号。一种集成壳体将麦克风传感器和模拟处理电路封装，并且防止外部干扰影响在集成壳体内的任何电信号。

Description

具有信号处理功能的小器件封装麦克风模块

相关申请的交叉引用

根据35 USC 119(e)的规定，本申请要求共同未决的和共同拥有的提交于2007年3月5日的题为″Small-Footprint MicrophoneModule with Signal Processing Functionality″的美国临时申请No.60/893,106的以及也提交于2007年3月5日的题为″Low-Impedance Output Amplifier with Programmable Gain and DCOutput Level″的美国临时申请No.60/893,107的权益，所有这些文献均以援引方式整体纳入本文。

发明领域

本发明总体涉及音频信号处理，更具体地涉及包含麦克风炭精盒以及相关信号处理电路的集成模块。

背景技术

现有用于将实物属性转换成电信号的多种传感器，该电信号可用于多种不同目的。例如，驻极体电容麦克风(ECM)将声信号(例如，诸如人声)转换成模拟电信号，该模拟电信号可被提供给相关设备，诸如个人电脑、蜂窝式电话、无绳电话、会议电话、录音机以及诸如此类。许多这样的相关设备包括众所周知的模拟输入接口来接收电信号，该电信号体现了由一个或多个ECM所捕获的声信号。

例如，图5示出了通过信号线10连接到相关设备500的常规ECM50。ECM 50包括一个ECM炭精盒51和一个结型场效应晶体管(JFET)52。ECM炭精盒51的输出端连接到JFET 52的栅极，该栅极结合在电压源(VDD)和地电势之间。ECM炭精盒51将声信号(例如，诸如人声)转换成电信号，而JFET 52将从ECM炭精盒51接收的电信号放大，以产生低阻抗模拟输出信号。虽然JFET 52消耗了宝贵的电路面积，并且需要连接到VDD，但是其放大功能减轻了输出信号对于不期望的外部干扰(诸如电场和磁场)的敏感性。因此，如果没有JFET 52，则来自ECM炭精盒51的高阻抗信号输出就对这样的干扰非常敏感。

模拟输出信号(OUT)是从ECM 50通过信号线10提供的，且通过公知的输入接口520而被接收到设备500之中，该输入接口包括连接在VDD和信号线10之间的偏置电阻(Rbias)的。耦合电容器(Cin)阻止模拟输入信号中的不合需要的DC分量被传输到设备500中的电路510。VDD是标准工作电压(例如，诸如1.8伏或3.3伏)，而Rbias被调整大小以使得输入信号线10偏压大约1.5伏特。通常，输入信号线10响应于模拟输出信号OUT中几十到几百毫伏的电压差异，且可提供200至300uA的电流给ECM 50。因为输入接口520被配置为从ECM 50接收模拟信号，所以输入接口520有时被称为ECM-可兼容接口。事实上，为了保证设备500与外部麦克风诸如ECM 50的兼容性，输入接口520通常被配置为按如上所述的方式运行。

在许多应用中，希望改进由麦克风诸如ECM 50所提供的声信号的音质。例如，基于数字信号处理(DSP)的电路可连接在ECM和相关设备之间，且被配置为使用多种不同的技术(诸如降噪和方向敏感度)来处理由ECM提供的电信号以改进音质。基于DSP的技术方案通常包括模数转换器(ADC)、DSP电路以及可能包括数模转换器(DAC)。所述ADC将从ECM接收的模拟信号转换成数字信号，该数字信号可被DSP电路处理以执行一个或多个期望的功能，诸如降噪和/或方向敏感度。所述DAC将从DSP电路输出的数字信号转换回适于输入到设备500的ECM输入接口520的模拟电信号。

DSP引擎的多个不同组件(例如，DSP电路、ADC和DAC电路以及其他相关电路)相对复杂，需要大量的硅面积(silicon area)，且消耗了与从连接到ECM可兼容模拟输入(诸如输入接口520)的信号线10通常可获得的功率相比明显更多的功率。因此，所述DSP引擎通常被形成为分立的IC芯片，其包括到VDD的自有功率连接，并且包括从分立的麦克风电路接收的体现声信号的电信号的输入端，该分立的麦克风电路不合需要地限制了这样的系统被小型化和/或配置在低功率应用中的能力。因此，需要一种麦克风系统，其可以实现信号处理功能(诸如降噪和方向敏感度)，且还可被置于这样的模块中，该模块与常规声处理系统相比明显较小且需要明显较少的功率。

附图说明

图1A示出了根据本发明的一些实施方案的集成声处理模块的侧视平面图；

图1B示出了图1A的集成声处理模块的俯视平面图；

图1C示出了图1A的集成声处理模块的横截面方框图；

图2示出了图1A-1C的集成声处理模块的简化方框图，其示出了作为图1C的信号处理电路的一个实施方案的波束控制电路；

图3示出了模块2的集成声处理模块的简化方框图；

图4示出了通过ECM可兼容的输入接口而连接到相关设备的图2的集成声处理模块的简化方框图；以及

图5示出了连接到相关设备的常规ECM的简化方框图。

在所有附图中，相同的参考数字指示对应的部分。

具体实施方式

仅为简明起见，下文在具有两个ECM炭精盒的声处理模块的范围内描述本发明的实施方案。应理解，根据本发明的实施方案的声处理模块可以包括任意适当数量的ECM炭精盒。对于其他实施方案，可以使用其它类型的麦克风传感器(例如，诸如使用微电子机械系统(MEMS)技术以硅制造的那些传感器)。替代地，本发明的实施方案可包括除了麦克风传感器之外的传感器，诸如加速计。在下文中，为说明目的，陈述了特定的术语，以提供对本发明的透彻理解。在其他实例中，公知的电路和设备以方框图形式示出，以免不必要地模糊了本发明。例如，在电路元件或电路块之间的互连可被示为或描述为多导线或单导线信号线。每个多导线信号线可以替代地是单导线信号线，而每个单导线信号线也可以替代地是多导线信号线。被示为和描述为单端的信号和信号通路也可以是差动的(differential)，而被示为和描述为差动的信号和信号通路也可以是单端的。此外，在本文所描述的各种不同信号的逻辑状态是示例性的，且因此可被反转或按照本领域所公知的其它方式修改。从而，本发明不应被理解为限于本文所描述的特定实施例，而应被理解为在其范围内包括由所附权利要求限定的全部实施方案。

根据本发明的实施方案，公开了一种集成声处理模块，其包括直接连接到一个信号处理电路的多个ECM炭精盒，该信号处理电路能够使用诸如降噪和/或方向敏感度的技术来改进由ECM炭精盒捕获的声信号的音质。对于一些实施方案，声处理模块也包括了非易失性存储器以为所述信号处理电路存储配置信息和/或不同的声概况(acousticprofile)。声处理模块的所有组件被一起封装在一个壳体中，该壳体将该声处理模块与诸如电场、磁场、射频波等的外部干扰电隔离。以此方式，该模块的ECM炭精盒可直接连接到信号处理电路，例如不使用JFET驱动器，从而减少了模块的大小和功率消耗。

对于一些实施方案，该模块的信号处理电路完全在模拟域中处理从ECM炭精盒收到的信号，并且采用与DSP引擎和/或执行信号处理软件的微处理器相比消耗明显更少功率的模拟处理电路。例如，在数字电路中的消耗功率的主驱动器在0(逻辑低)和1(逻辑高)之间的转换，这要求将节点电容在短时间段内在从接地到电源电压的范围内充电和放电。与之相比，模拟实施方式不要求在这样短的时间段内的这样激烈的信号摆动。此外，因为单个信号是使用几个位来数字地表示的，所以为每个操作必须同时充电和放电好几个节点。与之相比，模拟信号可由单个节点上的电压所表示。此外，通过采用在模拟域运行的信号处理电路，在本发明的实施方案中不需要ADC和DAC转换器，从而进一步减少了电路大小和功率消耗。

根据本发明的一些实施方案的声处理模块100，在图1A-1C中被示为包括了前麦克风传感器110F、后麦克风传感器110R、输入端口111F和111R、信号处理电路120、电容器130以及针脚141-142。对于此处描述的示例性实施方案，麦克风传感器110是公知的不包括JFET驱动器的ECM炭精盒(例如，诸如图5的ECM炭精盒51)，尽管也可以使用其他类型的传感器。根据本发明，声处理模块100的所有组件均由集成壳体101完全封装到一起，该集成壳体101防止了外部电场、射频信号以及其它干扰影响模块的内部组件的运行。更具体地，封装壳体101充当法拉第笼以在壳体101内维持恒定且均匀的电场，以使得外部干扰不影响由模块100产生的和/或在模块100内处理的电信号。壳体101可由任何适当的材料(例如金属)形成。对于一个示例性实施方案，模块100的组件可被表面安装在印刷电路板(PCB)上，然后使用金属盖封装，以形成壳体101。

均为公知的输入端口111F和111R，在壳体101内形成，并且分别给前ECM炭精盒110F和后ECM炭精盒110R提供声信号(例如来自讲话者声音的声波)。与之响应，前ECM炭精盒110F和后ECM炭精盒110R分别通过信号线112和113将体现声信号的电信号直接提供给信号处理电路120的输入端。

在一个实施方案中，声处理可用于形成声束，这被称为“波束形成器”功能。声束相当于在一个或多个优选方向具有增强的麦克风敏感度，并且在一个或多个其他方向具有减弱的敏感度。这样的声束可以用2个或更多个麦克风以及适当的信号处理来形成。这样的声束可被构造为固定的或是可变的。在后者的情况下，声束(敏感度方向)可被处理以响应于诸如不期望的干扰等的声信号而改变。当声束被动态地“控制”到某个方向，该功能被称作“波束控制”。在本文所公开的实施方案中，取决于应用的需要，在所述集成模块中包含的信号处理既可以执行波束形成操作，也可以执行波束控制操作。应注意到，波束形成是波束控制的一个子集(特别地，在固定波束的情况)，因此，为了论述的目的，术语“波束形成”和“波束控制”在本文中可交换地使用。

信号处理电路120直接从麦克风传感器110F和110R接收模拟电信号，且与之响应使用模拟电路来处理这些信号，以利用任意数量的技术来改进声信号的音质。对于一些实施方案，信号处理电路120可以包括公知的模拟降噪电路(为简明起见未示出)，该模拟降噪电路可以例如使用滤波器阵列来降低不合需要的噪声。对于其他实施方案，信号处理电路120可以包括模拟波束形成器电路(为简明起见未示出)，该模拟波束形成器电路通过用一个滤波器阵列和其他处理电路(为简明起见未示出)减少不期望的声干扰来提供方向敏感度。对于另外其他的实施方案，信号处理电路120可以既包括降噪电路又包括波束形成器电路。公知的电容器130连接到所述输出端，并且形成高通滤波器，该高通滤波器在从输出信号中过滤不需要的RF分量的同时放过了输出信号中需要的声分量。

针脚141-142使用公知的技术在壳体101中形成。对于一些实施方案，针脚141既用作输出针脚--其用于将由信号处理电路120产生的模拟输出信号提供给相关设备(在图1A-1C中为简明起见未示出)，又用作供电针脚--其为模块100提供电力，而针脚142为模块100提供接地。对于这样的实施方案，针脚141可连接到相关设备的标准的(例如，ECM可兼容的)模拟输入接口，以使得模块100提供ECM可兼容的模拟电信号给相关设备，同时通过同一针脚从输入接口接收电力。更具体地，对于一些实施方案，ECM炭精盒111和处理电路120可以使用具有1.5伏特电压的大约200-300uA的电流而运行，且因此可以完全从通常由ECM可兼容的输入接口(诸如图5的输入接口520)所提供的偏置电压和电流供给电力。以此方式，可容易地以即插即用方式(例如，不经过任何系统修改)用声处理模块100替换标准ECM传感器。例如，模块100可直接连接到设备500的输入接口520，从而允许常规ECM传感器50轻易地被模块100替换，模块100可以执行常规ECM传感器50所没有执行的声信号处理功能。

如上所述，采用模拟信号处理电路而不是DSP引擎，这不仅减少了功率消耗而且可以减少电路大小。此外，将ECM炭精盒直接连接到模拟信号处理电路并且将它们一起容纳在集成电屏蔽壳体中，这允许不使用ECM传感器通常需要的JFET驱动器，从而进一步减少了功率消耗以及电路大小。因此，与执行信号处理以增进音质的常规麦克风系统相比，根据本实施方案的声处理模块相对较小。例如，在模块100的一个实施方案中，ECM炭精盒111F和111R被间隔开大约5-15mm，而壳体101大约是1.5mm高(H)×5mm宽(w)×15mm长(L)，在图1A-1B中示出方向图例H、W和L。

此外，如本领域所公知，JFET驱动器(例如图5的JFET 52)具有使得JFET在不同温度下运转不同的温度系数。因而，通过从模块100中消除JFET驱动器，模块100的输出信号对于温度变化更不敏感，从而与包括了JFET驱动器的常规ECM传感器相比改进了性能。

对于其他实施方案，模块100可以包括分立的供电和输出针脚，且/或可包括用于输出或接收其他信号和信息的其他针脚。例如，对于一个实施方案，模块100可以包括一个接收配置信息的配置针脚(为简明起见未示出)，如下文关于图3所进一步详述的。

图2示出了根据一些实施方案配置以执行波束控制(和波束形成)功能的声处理模块200的简化方框图。声处理模块200在图2中被示为包括前ECM炭精盒110F、后ECM炭精盒110R以及信号处理电路220。作为图1C的信号处理电路120的一个实施方案的信号处理电路220，包括输入缓冲器221-222、波束控制引擎223、非易失性存储器(NVM)224、输出缓冲器225以及输出电容器C。对于其它实施方案，模块200可包括任意适当数量的麦克风传感器。此外，虽然为简明起见在图2中未示出，但是模块200的所有组件均被集成壳体101完全封装在一起，该集成壳体101屏蔽该模块的组件免受外部干扰，诸如电场、磁场、RF信号等等。

输入缓冲器221-222是公知的，且将分别由ECM炭精盒110F和110R产生的模拟电信号直接提供到波束控制电路223，并且充当低噪声缓冲器。波束控制电路223包括多个分立的滤波电路(为简明起见未示出)，每个滤波电路都是可选择的以在相对于该模块的纵轴线(L)的相应位置提供零，该零消除了源自该相应位置的不合需要的噪声。对于一些实施方案，波束控制电路223为在共同未决和共同拥有的提交于2007年4月18日的题为“Response Select Null SteeringCircuit”的美国专利申请No.11/737,127中所公开的类型，该专利申请的全文以援引方式纳入本文。对于其它实施方案，可以使用其它波束控制电路。

NVM 224被结合到波束控制电路223，并且存储波束控制电路223的配置信息。NVM 224可以是任何适当类型的非易失性存储器，其包括例如PROM单元、EPROM单元、EEPROM单元、闪存单元、可熔片(fuse)、硬连线信号等等。对于一些实施方案，配置信息可以数字形式被存储在NVM 224之中。对于其它实施方案，配置信息的一些或全部可以模拟形式被存储在NVM 224中。例如，不是将NVM 224的存储器单元编程为常规二进制值(例如，要么为已编程状态，要么为擦除状态)，而是所述存储器单元可被步增地编程，使得它们的相对阈值电压指示了想要的参数值。

对于一些实施方案，存储在NVM 224中的配置信息包括用于ECM炭精盒110F和110R的校准信息，以及其他波束控制(或波束形成)参数。例如，由于在ECM炭精盒的制造中固有的加工变化，非常难于生产精确匹配的一对ECM炭精盒。此外，当ECM炭精盒被置于本发明的模块之中时，在炭精盒之间的横向间隔必须是已知，以正确地执行降噪和方向敏感度功能。因此，在ECM炭精盒110被预调谐并且插入该模块之后，ECM炭精盒110被测试以确定任何不匹配(mismatch)，且在NVM 224之中存储相应的校准信息。波束控制参数可包括零向(null direction)指示符、对于所有零控制决定的检测阈值、切换速度以及诸如此类。其后，在该模块的运行中，NVM 224向波束控制电路223提供配置信息，波束控制电路223与之响应地调整其滤波器系数、参考电压以及其中的其它信号以对ECM炭精盒不匹配和在炭精盒之间的横向间隔作出补偿，以及在波束控制电路223中实现其它期望的波束控制(或波束形成)特性。

此外，对于一些实施方案，NVM 224可被配置为存储一个或多个可被制造者、顾客或通过某些其它途径选择的声概况。每个声概况可包括多个滤波器系数，每个滤波器系数确定由波束控制电路的滤波器中对应的一个滤波器所提供的零的相对位置、用于随着期望目标源改变而在滤波器之间切换的标准、输出配置等等。声概况可特别地适应于预定的应用或环境、由消费者所要求的特性以及诸如此类。例如，第一声概况可适于提供全方向的敏感度，第二声概况可适于提供仅仅沿着相对于麦克风传感器的纵轴线(L)的一条特定线的方向敏感度，第三声概况可响应于根据理想的讲话者的集中运动而移动声接收的方向敏感度，等等。对于这样的实施方案，在该模块的运行中，NVM 224为波束控制电路223提供所选的声概况作为配置信息，该波束控制电路与之响应地调整其滤波器系数、参考电压以及其中的其它信号。

此外，对于其它实施方案，如图3所示，模块200可包括一个配置接口302，该配置接口允许了诸如校准信息和声概况等的配置信息从外部配置设备300通过通信链路301而被编程到NVM 224。对于一些实施方案，配置接口302可从输入设备(例如计算机)通过数字串行接口接收配置信息。在另外其它实施方案中，配置电路(例如，配置设备300)可被集成在模块200之中，从而使得模块200为可自我配置的(例如，通过将模块200置于“调谐”或“学习”模式)。

如上所述，波束控制电路223可以只在模拟域中运行，并且向输出针脚141提供ECM可兼容的模拟输出信号，该输出针脚141如上所述可连接到相关设备的模拟输入接口。例如，图4示出了声处理模块200，其具有通过信号线10连接到相关设备500的输出针脚141。更具体地，模块200通过设备500的输入接口520向设备500提供模拟(ECM可兼容的)输出信号(OUT)，该输入接口520如上所述包括偏置电阻(Rbias)，该偏置电阻将信号线10偏置了大约1.5伏特，并且提供了大约200-300uA的ECM标准偏置电流给信号线10。由设备500的输入接口520提供的偏置电流和电压足以给模块200的所有组件供电，从而使得模块200不需要包括其自己的电源或包括到VDD的专用电源连接。以此方式，模块200可被轻易地作为麦克风传感器而嵌入任何ECM可兼容的系统，且对于其中外部电压源不可用和/或不合要求的便携的和低功率应用是理想的。

虽然已经参考本发明的特定示例性实施方案描述了本发明，但显然可以对其作出各种不同的更改和变化，而不背离如本发明所附权利要求中提出的更宽的精神和范围。从而，说明书和附图应被视为示例性的而不是限制性的。例如，本发明的模块可包括除声传感器之外的传感器类型。一个这样的实施例是玻璃断裂检测器模块，其中传感器可以是声和震动传感器的组合，以及举例来说，该处理过程可涉及震动检测、时限估计和声模式匹配。所有这些都将理想地被置于小模块之中，其通过简单地发送与常规被动传感器可兼容的开/关信号，以“即插即用”方式向外界提供稳定的玻璃断裂检测信号。

Claims (21)

1.一种声处理模块，其具有用于接收声信号的输入端以及具有用于提供模拟输出信号的输出，包括：

多个麦克风传感器，每个都用于响应声信号而生成相应的电信号；

一个信号处理电路，其具有直接连接到所述麦克风传感器的输入端且被配置为根据一个或多个模拟信号处理功能处理所述电信号，以在该模块的输出端处生成模拟输出信号；以及

集成壳体，其将所述麦克风传感器以及所述模拟处理电路封装到一起，且被配置为防止外部干扰影响在所述集成壳体之内的任何电信号。

2.根据权利要求1所述的模块，其中所述模块仅在模拟域内运行。

3.根据权利要求1所述的模块，其中所述信号处理电路包括波束控制电路。

4.根据权利要求1所述的模块，其中所述信号处理电路包括降噪电路。

5.根据权利要求1所述的模块，其中每个麦克风传感器都由驻极体电容麦克风(ECM)炭精盒组成。

6.根据权利要求5所述的模块，其中所述输出端被配置为将模拟输出信号提供给相关设备的ECM可兼容的输入接口，以及从所述ECM可兼容的输入接口接收电力。

7.根据权利要求6所述的模块，其中所述模块完全由所述ECM可兼容输入接口供电。

8.根据权利要求1所述的模块，其中所述信号处理电路还包括：

用于存储配置信息的非易失性存储器，该配置信息包括用于所述麦克风传感器的校准数据。

9.根据权利要求8所述的模块，其中所述信号处理电路还包括：

一个用于从用户接收配置数据的配置接口。

10.根据权利要求1所述的模块，其中所述模块不包括数字信号处理(DSP)引擎。

11.根据权利要求1所述的模块，其中所述声模块不包括模数转换器。

12.根据权利要求3所述的模块，其中所述波束控制电路包括用于执行波束形成操作的电路。

13.根据权利要求3所述的模块，其中所述波束控制电路包括用于执行波束控制操作的电路。

14.一种声处理模块，包括：

多个驻极体电容麦克风(ECM)炭精盒，每个都用于根据收到的声信号生成相应的模拟信号；

一个信号处理电路，其具有直接连接到ECM炭精盒的输入端以及具有用于生成ECM可兼容的模拟输出信号的输出端，其中所述信号处理电路包括模拟波束控制电路，所述模拟波束控制电路使用模拟处理技术对由ECM炭精盒所提供的模拟信号进行滤波以生成ECM可兼容的模拟输出信号；以及

集成壳体，其将所述麦克风传感器以及所述模拟处理电路封装到一起，且被配置为防止外部干扰影响在所述集成壳体之内的任何电信号。

15.根据权利要求12所述的模块，还包括一个输出针脚，用于提供ECM可兼容的模拟输出信号到相关设备以及从所述相关设备接收电力。

16.根据权利要求13所述的模块，其中所述输出针脚通过信号线连接到ECM可兼容的输入接口。

17.根据权利要求14所述的模块，其中所述信号线为所述模块提供小于300uA的电流。

18根据权利要求14所述的模块，其中所述模块完全由所述ECM可兼容的输入接口供电。

19.根据权利要求12所述的模块，其中所述信号处理电路还包括：

用于存储配置信息的非易失性存储器，该配置信息包括用于麦克风传感器的校准数据和用于所述波束控制电路的一个或多个声概况。

20.根据权利要求17所述的模块，其中所述信号处理电路还包括：

用于接收来自用户的配置数据的一个配置接口。

21.根据权利要求17所述的模块，其中每个声概况都包括用于所述波束控制电路的一套不同的滤波器系数。

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