CN105191347A - 用于mems电容性麦克风的重置电路 - Google Patents

Abstract

一种启动用于MEMS电容性麦克风的重置序列的方法。该方法包括监测麦克风的输出并且检测麦克风的输出中的静音状况，所述静音状况指示故障状况。该方法还包括激活定时电路。定时电路配置为指示何时经过自从定时电路被启动起的特定时间段。在由定时电路指示的时间段期满时启动麦克风重置序列。

Description

用于MEMS电容性麦克风的重置电路

相关申请

本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时申请No.61/782，149的权益，其整个内容通过引用结合在此。

背景技术

本发明涉及MEMS电容性麦克风及用于其的处理系统。MEMS电容性麦克风利用电荷守恒来操作。高阻抗开关网络（通常包括两个反并联二极管以及与二极管并联的MOS晶体管）用于跨电容器的两个板施加固定电荷。当麦克风最初开启时，MOS晶体管导通，从而允许DC电压加在电容器的一个板上，同时另一个板保持在不同电位。当电容器完全充满时（通常在10毫秒内），MOS晶体管截止并且电容器跨两个板存留固定电荷。当声压波撞击电容器的可移动板时，电容改变，并且因为跨电容器的电荷是固定的，电压与由入射的声压诱生的电容改变量成比例地增加或降低。

发明内容

当非常大的声学信号（声学过载信号）撞击膜时，它们可能造成电压偏离大到足以将二极管推向高阻抗（HIZ）网络中的正向偏置。一旦二极管变为正向偏置，电荷从电容器的两个板流失并且跨电容器的板存在新的电压。如果该电压损失足够大，其可能对缓冲或放大信号电压的前置放大器造成问题。取决于放大器的设计，在足够大的输入信号的情况下，输出级可能变成电流或电压受限，或者可能超过放大器的共模范围，其中这两种情况将造成放大器失效。

对于感测电容在1pf量级的MEMS麦克风，高阻抗网络需要在100Terra欧姆量级以便满足来自麦克风的偏置元件的低噪声要求。在1pf传感器以及10Terra欧姆阻抗的情况下，该系统的RC时间常数是10秒。如果大声学信号造成感测节点处显著的电压偏离，则放大器可能电压或电流限制，从而妨碍放大器处理进一步的声学信号，同时HIZ网络在对应于HIZ的RC时间常数的可能10秒内返回到其初始状态。在该时间期间，麦克风被感知到静音，因为其不再再现声音。

在一个实施例中，本发明提供一种麦克风系统，其包括电容性麦克风膜片以及用于输出指示麦克风膜片上的声压（即，声音）的信号的前置放大器。比较器配置为监测前置放大器的输出，并且检测前置放大器输出中指示故障状况的静音状况。系统还包括定时电路。定时电路配置为在检测到静音状况时接收来自比较器的输入并且监测静音状况的持续时间。当静音状况的持续时间超过限定的重置阈值（即，特定时间段）时，麦克风重置序列被启动。

该系统允许声学过载信号在存在时被处理，但是如果放大器在给定量时间内变得电压或电流受限，将触发对于HIZ网络/模块的上电重置。比较器用于检测放大器是否是电压或电流受限的。在引入可以被重置的具有大时间常数的电路块的情况下，比较器的输出可以用于允许定时块在麦克风静音时运行。如果麦克风跳出静音状况，比较器将不再检测静音状况并且定时块将被重置。在声学过载信号期间，定时块在放大器脱轨或电流限制时将周期性重置并且随后返回到操作。在定时块周期性重置的情况下，其将不会对于其长时间常数运行足够长以触发对于HIZ网络/模块的重置信号。如果放大器陷入电压或电流受限状态（例如，当（多个）二极管已经变为正向偏置时），则定时块将运行直到其长时间常数触发用于HIZ网络/模块的重置信号。在该系统中，定时电路的时间常数必须设定为使得其长于应该被处理的最小频率周期信号。在想要具有小于100HZ的低频拐角的大多数应用中，这将要求重置电路的时间常数在10毫秒以上。

在另一实施例中，本发明提供启动用于MEMS电容性麦克风的重置序列的方法。该方法包括监测麦克风的输出并且在麦克风的输出中检测指示故障状况的静音状况。该方法还包括激活定时电路。定时电路配置为指示何时经过自从定时电路启动起的特定时间段。在由定时电路指示的时间段期满时，启动麦克风重置序列。

通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得清楚。

附图说明

图1为用于MEMS电容性麦克风的重置电路的方框图。

图2为用于启动具有图1的重置电路的MEMS电容性麦克风的重置序列的方法的流程图。

图3为由包括图1的重置电路的MEMS电容性麦克风生成的波形的曲线图。

图4为MEMS电容性麦克风的RC定时电路的方框图。

图5为图3的电路的放大器和“AMPCOMPOUT”组件的输出的曲线图。

图6为包括电流进入电容器配置的定时电路的方框图。

图7为包括D触发器时钟分频器的定时电路的方框图。

具体实施方式

在详细地解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用方面不限于以下描述中阐述或者附图中示出的构造的细节以及组件的布置。本发明能够有其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。

图1是MEMS电容性麦克风系统100的方框图。麦克风系统100包括电容性麦克风传感器110、HIZ网络/上电重置模块120、放大器130、比较器140以及定时电路150。比较器140检测放大器130的输出上的任何静音状况并且在检测到静音状况时将逻辑信号馈送给定时电路150。在静音比较器在限定的时间段内指示静音状况时，定时电路150将上电重置信号输出至HIZ/POR模块120。

图2示出在检测到静音状况时启动上电重置的方法。当麦克风上电时，静音比较器140监测放大器130的输出（步骤201）并且确定是否存在从声学过载信号中产生的静音状况（步骤203）。只要未检测到静音状况，比较器140的输出将定时电路150保持在去激活状态（步骤205）。

当静音比较器140检测到静音状况313时，其将逻辑信号发送至定时电路150以激活定时电路150（步骤207）。定时电路150随后运行直到期满或直到静音状况被去除。当限定的时间段期满时（步骤209），定时电路150将POR使能信号提供给HIZ/POR模块120。响应于接收到POR使能信号，HIZ/POR模块120启动新上电重置序列（步骤211）。

图3提供一系列时序图，其示出麦克风系统100根据图2的方法操作的示例。图3示出放大器输出301的基于时间的信号以及上电使能输出303（从定时电路150提供至HIZ/POR模块120）。图3还示出时间305，在时间305期间上电重置序列由HIZ/POR模块120激活。当麦克风在0ms时首先上电时，由HIZ/POR模块120执行初始的上电重置（POR）307。由此，图3中示出的上电重置输出305从0至2ms为高。从2ms直至20ms，没有声学刺激施加至麦克风系统。因此，从2ms至20ms，放大器输出保持在其偏置的基线输出（即1V），如参考标记309所指示的。只要未检测到静音状况，定时电路150保持去激活，如时序图303中从0ms至41ms所示的。

然而，如时序图301所指示的，从20ms至～40ms，声学过载施加至麦克风系统，并且结果，放大器输出在输出信号（在时序图301中示出为311）的波峰处是电流受限的并且在波谷处是电压受限的（在0V处）。当声学过载在～40ms处被去除时，放大器输出表现出妨碍其处理信号的大DC偏移。因此，从～40ms至41ms，放大器输出上存在静音状况313。当静音状况313已经存在限定的时间段（例如，～1ms）时，定时电路150将POR使能信号315提供给HIZ/POR模块120。响应于POR使能信号315，HIZ/POR模块120从～41ms至～42ms启动另一上电重置序列317。在执行上电重置序列317之后，放大器响应于未产生声学过载状况的声压而产生正常输出319。

图4示出可以实施为图1的麦克风系统100中的定时电路的定时电路401的一个实施例。定时电路401的时间常数由电阻器403和电容器405设定。电容器405上的电压提供给比较器407，在比较器407处其与参考电压408比较。当放大器130处于正常操作时（即不存在静音状况），静音比较器140的输出保持为高，其反过来将开关409保持在闭合位置，从而在电容器405的端子之间产生短路。在该状态下，比较器407确定电容器405上的电压小于参考电压408并且对于HIZ/POR模块120产生低“POR使能”输出。

然而，在放大器静音比较器140检测到静音状况时，静音比较器140的输出变为低，造成开关409断开。当开关断开并且短路被去除时，电容器405开始充电并且电容器405上的电压开始指数地上升。当电容器405上的电压超过参考电压408时，比较器140的输出切换为高，将“POR使能”信号发送至HIZ/POR模块120并且启动上电重置序列。

如上讨论的，无论何时从放大器检测到“非受限”输出信号时，静音比较器提供“高”输出信号。由此，在存在具有正和负边缘（如由图5的放大器输出波形500所示的）的声学过载信号的情况下，静音比较器407将在高与低之间切换（如由静音比较器输出波形501所示的）。这一高与低之间的切换造成定时电路150周期性地重置。当放大器130处于正常操作区域中时，静音比较器的输出将为高，因此禁用定时电路150。当放大器130为电压或电流受限时，静音比较器的输出将为低，从而使能定时电路150。然而，因为定时电路要求在生成POR使能信号之前，静音比较器的输出在限定的时间段内保持为低（指示静音状况），所以由声学过载造成的偶发的电压和电流限制不会触发上电重置，直到声学过载影响电容器上的电荷（即正向偏置），从而导致持续的静音状况。

图6示出定时电路601的另一实施例。在该示例中，定时电路601是电流受控的，以使得定时电路601的时间常数由流入电容器605的电流设定。如同图4的示例，电容器605上的电压提供给比较器607，在比较器607处其与参考电压608比较。当静音比较器140的输出为高时（指示正常放大器输出），开关609闭合并且在电容器606的端子之间产生短路。然而，当静音比较器140的输出变为低（指示静音状况）时，开关609断开并且由电流受控电路603施加的恒定电流造成电容器605上的电压线性增加。一旦电容器605上的电压超过参考电压408，则比较器607将POR使能信号提供给HIZ/POR模块120。

图7示出定时电路701的又一实施例。在该示例中，时间常数通过利用一系列D触发器705实施的时钟分频器703设定——更具体地，该构造的时间常数由定时电路的主时钟的时序以及时钟分频的数目（n）（即，包括在该系列D触发器中的D触发器的数目）来设定。当放大器130处于正常操作中时，静音比较器140的输出为高并且清除信号707施加至D触发器705。清除信号防止时钟分频器703中的D触发器改变状态。由此，在该状态下，时钟分频器703不操作并且不发送逻辑信号至HIZ/POR模块120以使能上电重置。

然而，当静音比较器140检测到静音状况时，输出变为低并且时钟分频器703开始分频。在第一时钟周期，第一D触发器705的输出改变状态。因为该输出耦合至下一个D触发器，下一个D触发器的输出在下一个时钟周期改变状态。只要静音比较器140的输出保持为低，每个时钟周期造成该系列D触发器中的另一后续D触发器改变状态，直到该分频器中的最后触发器709切换并且将POR使能信号发送至HIZ/POR模块120，以使能上电重置。

在存在具有正和负边缘的声学过载信号的情况下，静音比较器140的输出名义上将为高。然而，当放大器130在声学信号的波峰处电压或电流限制时，其将变为低。如果声学波形转变并且造成放大器130在其他方向限制，该转变将造成静音比较器140的输出在转变区域短暂地变为高，因此重置时钟分频器703中的每个D触发器。

因此，除其他以外，本发明还提供了一种系统和方法，用于如果检测到静音状况则允许声学过载信号再现并且重置麦克风。本发明的各种特征和优点在附图中进一步示出。

Claims (20)

1.一种启动重置序列的方法，所述方法包括：

监测麦克风的输出；

检测所述麦克风的输出中的静音状况，所述静音状况指示故障状况；

激活定时电路，所述定时电路配置为指示何时经过自从所述定时电路被启动起的一时间段；以及

在由所述定时电路指示的所述时间段期满时启动麦克风重置序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，检测所述静音状况包括检测指示归因于施加至所述麦克风的声学过载的操作降级的静音状况。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述声学过载包括高频声压。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述操作降级包括施加至电容性麦克风的电荷由施加至所述电容性麦克风一段时间的所述声学过载造成的改变。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，检测所述静音状况包括在所述声学过载从所述麦克风去除之后检测所述静音状况。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，监测所述麦克风的输出包括监测麦克风前置放大器的输出。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述时间段期满之前所述静音状况被去除时去激活所述定时电路。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，激活所述定时电路包括将开关的状态从第一状态改变到第二状态，所述定时电路配置为在所述开关处于所述第二状态时对电容器充电，并且其中在所述电容器的电荷超过参考电荷时所述定时电路指示已经经过了所述时间段。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述开关的状态从所述第一状态改变到所述第二状态包括将所述开关从闭合状态改变到断开状态。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述时间段的持续时间至少部分由所述定时电路的电阻以及所述电容器的电容来限定。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述时间段期满之前所述静音状况被去除时去激活所述定时电路，其中去激活所述定时电路包括将所述开关的状态从所述第二状态改变到所述第一状态。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，激活所述定时电路包括启动时钟分频器，其中所述时间段的持续时间至少部分由所述时钟分频器的时钟分频的数目来限定。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，激活所述定时电路包括改变对于串联布置的多个D触发器中的第一D触发器的输入，其中所述第一D触发器的输出耦合至第二D触发器的输入，使得当所述第一D触发器的输出在第一时钟周期中改变时，所述第二D触发器的输出响应于所述第一D触发器的输出的改变而在第二时钟周期中改变。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述时间段的持续时间至少部分由所述定时电路中串联布置的D触发器的数目来限定。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述时间段期满之前所述静音状况被去除时去激活所述定时电路，其中去激活所述定时电路包括将清除信号施加至所述定时电路中串联布置的所述多个D触发器中的每一个。

16.一种麦克风系统，包括：

电容性麦克风膜片；

前置放大器，配置为输出指示所述麦克风膜片上的声压的信号；

比较器，配置为监测所述前置放大器的输出并且检测指示故障状况的静音状况；以及

定时电路，配置为

　在检测到所述静音状况时接收来自所述比较器的输入，

　监测所述静音状况的持续时间，以及

　在所述持续时间超过限定的重置阈值时启动麦克风重置序列。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述定时电路包括开关和电容器，所述开关和电容器布置为在所述开关断开时，所述电容器充电，其中所述定时电路配置为

响应于来自所述比较器的指示检测到所述静音状况的输入，断开所述开关，

通过在所述定时电路的所述电容器上的电荷超过参考电荷时启动麦克风重置序列，来在所述持续时间超过限定的重置阈值时启动所述麦克风重置序列，以及

响应于来自所述比较器的指示未检测到所述静音状况的输入，闭合所述公开，其中在所述开关被闭合时所述电容器上的电荷消散。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述定时电路包括时钟分频器并且其中所述持续时间至少部分由所述时钟分频器的时钟分频的数目来限定。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述定时电路包括串联布置的多个D触发器，其中第一D触发器的输出耦合至第二D触发器的输入，使得当所述第一D触发器的输出在第一时钟周期中改变时，所述第二D触发器的输出响应于所述第一D触发器的输出的改变而在第二时钟周期中改变，并且其中所述定时电路配置为

响应于来自所述比较器的指示检测到所述静音状况的输入，改变对于所述第一D触发器的输入，

通过在串联布置的所述多个D触发器中的最后D触发器的输出改变时启动麦克风重置序列，来在所述持续时间超过限定的重置阈值时启动所述麦克风垂直序列，其中所述持续时间至少部分由串联布置在所述第一D触发器和所述最后D触发器之间的D触发器的数目来限定，以及

响应于来自所述比较器的指示未检测到所述静音状况的输入，将清除信号施加至串联布置的所述多个D触发器中的每个D触发器。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，电荷施加至所述电容性麦克风膜片以使得，施加至所述麦克风膜片的声压造成所述电容性麦克风膜片的电容的可测量改变，并且其中将声学过载施加至所述电容性麦克风膜片一段时间造成施加至所述电容性麦克风的电荷的改变，并且其中所述静音状况指示在所述声学过载被去除之后施加至所述电容性麦克风的电荷的改变。