CN104581598B - 用于换能器接口的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于换能器接口的系统和方法。根据实施例，接口电路包括电流复制器和接收机。电流复制器包括被耦合到第一参考节点的功率端子、被配置成输出与从换能器接收到的信号成比例的信号的输出端子以及被耦合到换能器的接口端子。使用单接口端子，可将电流复制器配置成向换能器提供功率并从换能器接收输出信号。该接收机可包括被耦合到输出端子的第一输入端子、被耦合到第二参考节点的第二输入端子以及被耦合到第一输入端子的电流转换器电路。

Description

用于换能器接口的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及换能器系统且在特定实施例中涉及用于换能器接口的系统和方法。
背景技术
一般地在诸如蜂窝式电话、数字式音频记录仪、个人计算机和远程会议系统之类的多种消费应用中使用音频麦克风。特别地，在大量生产的成本敏感应用中使用较低成本驻极体电容麦克风（ECM）。ECM麦克风通常包括安装在具有声端口和电输出端子的小封装中的驻极体材料膜。该驻极体材料被粘附于薄膜或者构成薄膜本身。
另一类型的麦克风是微机电系统（MEMS）麦克风，其中将压敏薄膜直接地蚀刻到集成电路上。因此，麦克风被包含在单一集成电路上而不是由单个的分立部分制造。
大多数ECM和MEMS麦克风还包括前置放大器，其能够经由绳索和插头而对接到音频前端放大器以用于诸如蜂窝电话或助听器之类的目标应用。在许多情况下，前置放大器与前端放大器之间的接口是被耦合到功率端子、信号端子和接地端子的三线接口。然而，在某些系统中，使用其中将端子中的两个组合成信号、从而通过使用双线而不是三线来降低系统成本的双线接口。
针对所有类型的换能器且特别是麦克风，设计电子接口可能是具有挑战性的。将功率和信号接口组合成单一接口尤其造成相对于电压摆动和低电源电压使用的许多特定设计挑战。增加换能器中的电压摆动一般地增加换能器的范围。降低电源电压通常与减少功率消耗相关联且常常在移动应用中是相关的。然而，在某些实例中，降低电源电压可能对电压摆动具有不利影响。
发明内容
根据实施例，接口电路包括电流复制器（replicator）和接收机。电流复制器包括被耦合到第一参考节点的功率端子、被配置成输出与从换能器接收到的信号成比例的信号的输出端子、以及被耦合到换能器的接口端子。使用单接口端子，可将电流复制器配置成向换能器提供功率并从换能器接收输出信号。该接收机可包括被耦合到输出端子的第一输入端子、被耦合到第二参考节点的第二输入端子、以及被耦合到第一输入端子的电流转换器电路。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在所述附图中：
图1图示出实施例麦克风系统的框图；
图2图示出实施例换能器系统的框图，
图3图示出实施例电流复制器的示意图；
图4图示出另一实施例电流复制器的示意图；
图5图示出另一实施例麦克风系统的框图；
图6图示出另一实施例麦克风系统的框图；以及
图7图示出实施例操作方法的框图。
不同图中的对应数字和符号一般地参考对应部分，除非另外说明。绘制图形是为了清楚地图示出实施例的相关方面且不一定按比例描绘。
具体实施方式
下面详细地讨论各种实施例的实现和使用。然而，应认识到的是本文所述的各种实施例可应用在多种特定背景中。所讨论的特定实施例仅仅说明了实现和使用各种实施例的特定方式且不应以受限范围来解释。
相对于特定背景下的各种实施例进行描述，即麦克风换能器且更特别地麦克风接口电路。本文所述的各种实施例中的某些包括换能器系统、麦克风系统、用于换能器和MEMS换能器系统的接口电路以及双线和三线换能器接口。在其它实施例中，还可将各方面应用于涉及到根据本领域中已知的任何方式与电子装置对接的任何类型的传感器或换能器的其它应用。
根据本文所述的各种实施例，换能器系统包括被耦合到换能器和编码译码器的电流复制器。该电流复制器在电流复制器与换能器之间的单一耦合上供应功率和接收换能信号。电流复制器还向被耦合到编码译码器的电流转换器电路供应与换能信号成比例的复制电流信号。在某些实施例中，电流转换器电路将复制电流信号转换成电压信号并将该电压信号供应给编码译码器。
图1图示出包括麦克风120、电流复制器110、以及编码译码器130的实施例麦克风系统100的框图。在各种实施例中，麦克风120接收声信号并将该声信号换能成电信号以供应给电流复制器110。电流复制器110产生复制电流以经由阻抗140提供给编码译码器130。在图1中所示的实施例中，仅两个线被耦合在麦克风120与系统的其余部分之间。
根据各种实施例，麦克风120包括声学换能元件122，其可包括具有背板和薄膜的MEMS换能器元件。在各种实施例中，声学换能元件122可包括许多换能器元件、MEMS换能器元件以及其它换能器和MEMS换能器。可使用微型品制造技术来实现声学换能元件122且可在单一管芯上或在多个管芯上制造。
在图1中所示的实施例中，将声学换能元件122耦合到放大器124的输入。放大器124被耦合到功率端子VDD、输出端子OUT以及参考端子VSS。可经由阻抗126将输出端子OUT耦合到参考端子VSS，由此使得麦克风120用作双线设备。在此类实施例中，放大器124用换能电压信号来驱动输出端子OUT。电压信号可通过阻抗126来驱动电流。由于电流流过阻抗126而产生功率端子VDD处的电流消耗中的波动。此类波动能够用作功率端子VDD处的输出信号，与来自声学换能元件122的换能信号成比例。在此类实施例中，麦克风120仅使用参考端子GND和功率端子VDD，其被配置成感测电流汲取中的波动。
在某些实施例中，可例如使用在2013年7月12日提交且题为“System and Methodfor a Microphone Amplifier”的美国专利申请号13/941273中所述的电路来实施麦克风120，其被整体地通过引用结合到本文中。
根据各种实施例，电流复制器110被配置成感测通过麦克风120的功率端子VDD的电流汲取中的波动。如所示，功率端子VDD被耦合到电流复制器110的端子1。端子2被耦合到编码译码器输入INP和INN且端子3被耦合到电源电压VDD_ext。在某些实施例中，电流复制器110被配置成在电流汲取波动的同时保持端子1上的恒定或基本上恒定的电压。在实施例中，电流复制器110被配置成在端子2处产生等于从端子1汲取的电流或与之成比例的复制电流。在特定实施例中，在电流复制器110的端子3与端子1之间存在非常小的电压降。端子2处的电压可以在接地与电源电压VDD_ext以下的非常小的电压降之间摆动。在某些实施例中，电流复制器110使得在经由端子1保持到功率端子VDD的电源电压的同时实现大的信号摆动。
在图1中所示的实施例中，端子2处的复制电流由电流复制器110产生且流过阻抗140。编码译码器130从输入INP和INN接收电压信号输入。编码译码器输入INP和INN跨阻抗140提供电压降。在某些实施例中，可将输入INN耦合到接地GND，如所示。编码译码器130对与来自声学换能元件122的原始换能信号成比例的电压信号输入进行编码。编码可包括放大和执行模数转换。因此，编码译码器130可包括放大器和模数转换器（ADC）。
图2图示出包括换能器220、电流复制器210以及编码译码器接口的实施例换能器系统200的框图。换能器220被示为包括可变电流源223的一般换能器的电路模型。被并联地耦合到电流源223的是换能器电阻225和DC电流源227。在各种实施例中，换能器220可包括如在本领域中已知的任何类型的换能器。在特定实施例中，换能器220是MEMS麦克风。
如所示，电流复制器210被耦合到换能器功率端子VDD且被配置成测量功率端子VDD处的电流IMIC。在各种实施例中，电流复制器210可产生与电流IMIC成比例且在某些情况下与之相等的复制电流IMIC_C。复制电流IMIC_C可流过电阻器240，以便在编码译码器输入处产生电压信号输入。在所示的实施例中，用电阻器232及电容器234和235将编码译码器接口建模为电阻和电容接口。
图3图示出包括被配置为电流镜的第一晶体管302和第二晶体管304的实施例电流复制器300的示意图。在各种实施例中，晶体管302和304通过端子3而被耦合到电源电压VDD_EXT且可将晶体管302和304的控制端子耦合在一起。可将晶体管302配置成向端子1供应电流IMIC以便保持端子1上的基本上恒定的电压。如所示，可在端子1处将晶体管302的控制端子耦合到晶体管302的输出。在各种实施例中，晶体管304可产生与电流IMIC成比例的复制电流IMIC_C。在某些实施例中，由晶体管302和304的大小之间的比来给出该比例。
图4图示出包括晶体管402和404、放大器406以及参考电压源408的另一实施例电流复制器400的示意图。在各种实施例中，电流复制器400被配置成通过在通过晶体管402产生成比例复制电流IMIC_C的同时改变流过晶体管404的电流IMIC而保持端子2上的基本上恒定的电压。
在所示的实施例中，晶体管402、晶体管404以及放大器406具有经由端子3被耦合到电源电压VDD_EXT的电源端子。放大器406的输出供应两个晶体管402和404的控制端子，该控制端子被耦合在一起。在此类实施例中，复制电流IMIC_C与IMIC成比例，因为晶体管402和404两者具有相同的电源电压VDD_EXT且从放大器406接收相同的控制信号。如所示，晶体管404、放大器406以及参考电压源408可一起形成低漏失（dropout）调节器LDO。
根据各种实施例，放大器406具有被耦合到被示为接地连接的参考电压的参考端子。放大器406还可具有被耦合到具有电压Vref的参考电压源408的第一输入和在端子2处被耦合到晶体管404的输出的第二输入。在各种实施例中，电压Vref可采取用于偏置放大器406的任何值。在特定实施例中，放大器406用来控制晶体管404以便保持端子2上的恒定电压。具体他，放大器406可在同时地在晶体管402中产生成比例电流的时候用作用于晶体管404的反馈放大器。
在图4中所示的实施例中，将放大器406描述为运算放大器且将晶体管402和404描述为MOSFET。在其它实施例中，可将放大器406实施为任何类型的放大器且其可包括多个级。此外，在替换实施例中，可将晶体管402和404实施为任何类型的晶体管且其可包括相同大小的多个晶体管或具有各种不同大小的多个晶体管。在本上下文中，晶体管大小主要指的是晶体管的栅极长度和宽度，但是还可在晶体管内包括其它尺寸。参考图3，如在本领域中已知的，对电路布置和晶体管类型或大小的许多修改也是可能的。
图5图示出如先前所述的包括麦克风520、电流复制器510以及编码译码器530的另一实施例麦克风系统500的框图。如所示，在麦克风系统500中，编码译码器530包括电流复制器510、阻抗540以及放大器532。根据各种实施例，在同一集成电路（IC）上制造编码译码器530、电流复制器510、阻抗540以及放大器532。在其它实施例中，编码译码器530、电流复制器510、电阻器540以及放大器532包括集成系统且可不在同一IC上制造，而是可以是被作为芯片上系统（SoC）而结合或封装在一起或被耦合到公共印刷电路板（PCB）的许多单独管芯。
图6图示出包括麦克风620、电流复制器610、编码译码器630、和电流转换器电路640的另一实施例麦克风系统600的框图。根据各种实施例，麦克风620、电流复制器610以及编码译码器630如先前参考其它图所述的那样运行。电流转换器电路640被耦合在电流复制器610的端子2与编码译码器630的输入端子INP之间。在各种实施例中，还可如所示地将电流换号器电路耦合到参考端子GND。
根据各种实施例，电流转换器电路640可将来自电流复制器610的与由麦克风620产生的电流成比例的复制电流转换成电压信号。可将来自电流转换器电路640的已转换电压信号供应给到编码译码器630的输入INP。电流转换器电路640可包括阻抗。在某些特定实施例中，电流转换器电路640可包括电阻器、电容器、电感器或其任何组合。电流转换器640还可包括各种有源部件，诸如二极管、放大器和/或晶体管。在另一特定实施例中，电流转换器电路640包括具有被耦合到电流复制器610的端子2的输入和被耦合到编码译码器630的输入INP的输出的跨阻抗放大器（TIA）。在此类实施例中，TIA可具有被耦合到接地端子GND的参考节点。此外，电流转换器电路640可包括有源和无源部件的任何组合。
根据各种实施例，可在本文所述实施例的任何一个中使用电流转换器电路640。此外，包括换能器、麦克风、电流复制器、电流转换器电路以及编码译码器的所有实施例部件可在图中所述的实施例之间自由地互换。
图7图示出包括步骤702至714的实施例操作方法700的框图。根据各种实施例，步骤702包括在电源端子上的接口电路处接收功率。步骤704包括经由接口电路通过换能器端子向换能器提供接收功率。步骤706包括从换能器端子接收换能信号。在各种实施例中，该换能信号与入射在换能器上的物理信号成比例。在特定实施例中，换能信号与由产生换能信号的麦克风接收到的声学信号成比例。可通过换能器端子向换能器供应功率，并且可通过同一换能器端子从换能器接收换能信号。
根据另一实施例，步骤708包括向电流转换器电路提供与换能信号成比例的电流信号。步骤710包括经由电流转换器电路将电流信号转换成电压信号，并且步骤712包括向编码译码器提供电压信号。最后，步骤714可包括向编码译码器提供参考电源。在各种实施例中，该参考电源可以是接地连接。
根据实施例，接口电路包括电流复制器和接收机。电流复制器包括被耦合到第一参考节点的功率端子、被配置成输出与从换能器接收到的信号成比例的信号的输出端子以及被耦合到换能器的接口端子。使用单接口端子，可将电流复制器配置成向换能器提供功率并从换能器接收输出信号。该接收机可包括被耦合到输出端子的第一输入端子、被耦合到第二参考节点的第二输入端子以及被耦合到第一输入端子的电流转换器电路。
在各种实施例中，接收机还包括被配置成对模拟信号进行编码且被耦合到电流转换器电路的编码译码器。可将电流复制器和接收机设置在同一集成电路上。还可将电流复制器和接收机设置在两个不同集成电路上。在某些实施例中，电流复制器和接收机可包括分立部件。接口电路也可包括换能器，并且可将换能器耦合到接口端子和第二参考节点。可将该换能器实施为麦克风。在此类实施例中，麦克风可以是微机电系统（MEMS）麦克风。在某些实施例中，电流转换器电路还被耦合到第二参考节点。
在各种实施例中，电流复制器包括第一晶体管、第二晶体管以及差分放大器。第一晶体管可具有控制端子、被耦合到功率端子的第一传导端子以及被耦合到输出端子的第二传导端子。第二晶体管可具有控制端子、被耦合到功率端子的第一传导端子以及被耦合到接口端子的第二传导端子。在某些实施例中，第二晶体管的控制端子被耦合到第一晶体管的控制端子。差分放大器可具有被耦合到第一和第二晶体管的控制端子的输出、被耦合到参考电压的第一输入以及被耦合到第二晶体管的第二传导端子的第二输入。在某些实施例中，第一晶体管、第二晶体管以及放大器被配置成在第二晶体管的第二传导端子处保持基本上恒定的电压并在从第一传导端子流到第一晶体管的第二传导端子的电流中复制从第一传导端子流到第二晶体管的第二传导端子的电流。
根据实施例，操作接口电路的方法包括在第一线路上向换能器提供功率，在第一线路上从换能器接收换能信号，并向电流转换器电路提供与换能信号成比例的电流信号。在此类实施例中，该换能信号与被换能器接收到的物理信号成比例。操作接口电路的方法还可包括在电流转换器电路处将电流信号转换成电压信号，将电压信号提供给编码译码器，并向编码译码器提供参考电源。在实施例中，该方法还包括将第一线路上的电压水平保持在恒定电压水平。
根据实施例，一种麦克风系统包括麦克风、电流复制器、耦合在第二端子与第一参考节点之间的电流转换器电路以及被耦合到电流转换器电路的编码译码器。在各种实施例中，麦克风包括输出端子和参考端子，可将该参考端子耦合到第一参考节点，并且麦克风被配置成从输出端子接收功率。此外，电流复制器可包括具有被耦合在第一端子与第二参考节点之间的传导路径的第一晶体管以及具有被耦合在第二端子与第二参考节点之间的传导路径的第二晶体管。可将所述单一输出端子耦合到第一端子。
在各种实施例中，电流转换器可包括被耦合在第二端子与第一参考节点之间的阻抗，并且可将编码译码器耦合到第二端子。该阻抗可包括电阻和/或电容元件。在其它实施例中，电流转换器可包括具有被耦合到第二端子的输入和被耦合到编码译码器的输出的跨阻抗放大器。可将该麦克风实施为微机电系统（MEMS）麦克风。
在各种实施例中，可将麦克风和编码译码器设置在两个不同集成电路上。可将电流复制器设置在与编码译码器相同的集成电路上。在某些实施例中，可将第一晶体管的控制端子耦合到第二晶体管的控制端子。电流复制器还可包括具有被耦合到第一和第二晶体管的控制端子的输出的放大器。在编码译码器中还可包括被耦合到电流转换器电路的放大器。
本文所述的各种实施例的优点可包括在电源和感测接口端子处由低电压降接口电路引起的增加的换能器电压摆动。
虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但并不意图在限制性意义上解释本描述。在参考本描述时，说明性实施例以及本发明的其它实施例的各种修改和组合对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此本文意图使所附权利要求涵盖任何此类修改或实施例。

Claims (20)

1.一种接口电路，包括：
电流复制器，包括
功率端子，被配置成耦合到第一参考节点，
输出端子，被配置成输出与从换能器接收到的信号成比例的信号，
接口端子，被配置成耦合到换能器，其中，所述电流复制器被配置成在单接口端子上向换能器提供功率并从换能器接收输出信号；
第一晶体管，具有控制端子、被耦合到功率端子的第一传导端子、以及被耦合到输出端子的第二传导端子；
第二晶体管，具有控制端子、被耦合到功率端子的第一传导端子、以及被耦合到接口端子的第二传导端子，其中，所述第二晶体管的控制端子被耦合到第一晶体管的控制端子；以及
差分放大器，具有被耦合到第一和第二晶体管的控制端子的输出、被耦合到参考电压的第一输入、以及被耦合到第二晶体管的第二传导端子的第二输入，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管以及所述差分放大器被配置成在第二晶体管的第二传导端子处保持基本上恒定的电压，并在从第一晶体管的第一传导端子流到第一晶体管的第二传导端子的电流中复制从第二晶体管的第一传导端子流到第二晶体管的第二传导端子的电流；以及
接收机，包括
第一输入端子，被耦合到输出端子，
第二输入端子，被耦合到第二参考节点，以及
电流转换器电路，被耦合到第一输入端子。
2.根据权利要求1所述的接口电路，其中，所述接收机还包括被配置成对模拟信号进行编码且被耦合到电流转换器电路的编码译码器。
3.根据权利要求1所述的接口电路，其中，所述电流复制器和所述接收机被设置在同一集成电路上。
4.根据权利要求1所述的接口电路，其中，所述电流复制器和所述接收机被设置在两个不同的集成电路上。
5.根据权利要求1所述的接口电路，其中，所述电流复制器和所述接收机包括分立部件。
6.根据权利要求1所述的接口电路，还包括换能器，其中，所述换能器被耦合到所述接口端子和所述第二参考节点。
7.根据权利要求6所述的接口电路，其中，所述换能器包括麦克风。
8.根据权利要求7所述的接口电路，其中，所述麦克风包括微机电系统（MEMS）麦克风。
9.根据权利要求1所述的接口电路，其中，所述电流转换器电路还被耦合到所述第二参考节点。
10.一种操作根据权利要求1至9之一所述的接口电路的方法，该方法包括：
在第一线路上向换能器提供功率；
在第一线路上从换能器接收换能信号，其中，所述换能信号与被换能器接收到的物理信号成比例；
向电流转换器电路提供与换能信号成比例的电流信号；
在电流转换器电路处将电流信号转换成电压信号；
向编码译码器提供电压信号；以及
向编码译码器提供参考电源。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括将第一线路上的电压水平保持在恒定电压水平。
12.一种麦克风系统，包括：
麦克风，包括输出端子和参考端子，该参考端子被耦合到第一参考节点，其中，所述麦克风被配置成从输出端子接收功率；
电流复制器，包括
第一晶体管，具有被耦合在第一端子与第二参考节点之间的传导路径，其中，所述输出端子被耦合到第一端子，以及
第二晶体管，具有被耦合在第二端子与第二参考节点之间的传导路径；
放大器，具有被耦合到第一和第二晶体管的控制端子的输出，被耦合到参考电压的第一输入、以及被耦合到第二晶体管的第二端子的第二输入；
电流转换器电路，被耦合在第二端子与第一参考节点之间；以及
编码译码器，被耦合到电流转换器电路。
13.根据权利要求12所述的麦克风系统，其中，所述电流转换器电路包括被耦合在第二端子与第一参考节点之间的阻抗，并且其中，所述编码译码器被耦合到第二端子。
14.根据权利要求13所述的麦克风系统，其中，所述阻抗包括电阻和电容元件。
15.根据权利要求12所述的麦克风系统，其中，所述电流转换器电路包括具有被耦合到第二端子的输入和被耦合到编码译码器的输出的跨阻抗放大器。
16.根据权利要求12所述的麦克风系统，其中，所述麦克风包括微机电系统（MEMS）麦克风。
17.根据权利要求12所述的麦克风系统，其中，所述麦克风和所述编码译码器被设置在两个不同的集成电路上。
18.根据权利要求17所述的麦克风系统，其中，所述电流复制器被设置在与编码译码器相同的集成电路上。
19.根据权利要求12所述的麦克风系统，其中，第一晶体管的控制端子被耦合到第二晶体管的控制端子。
20.根据权利要求12所述的麦克风系统，其中，所述编码译码器包括被耦合到电流转换器电路的放大器。
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