CN105530570B - 麦克风的模拟信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种麦克风的模拟信号处理电路，其包括：包括从麦克风接收信号以输出第一信号的第一子电路和接收参考电压以输出第二信号的第二子电路的偏置电路。全差分电路接收所述第一信号和所述第二信号以输出全差分信号。所述第一子电路和所述第二子电路各包括用以施加偏置电压的偏置子电路。

Description

麦克风的模拟信号处理电路
技术领域
本发明涉及麦克风。更具体地，本发明涉及麦克风的模拟信号处理电路。
背景技术
麦克风在移动设备、音频设备、车辆等中广泛使用以检测声音，即，声波并且将其转换成物理值或者电值。转换的信号最终被处理成可被人或者机器识别的信号。
由于麦克风接收自然信号例如声波，模拟信号处理是转换信号中必不可少的。模拟信号处理电路对于麦克风的整体性能可具有直接的影响。具体地，由于麦克风由于其特性接收宽频范围作为输入，所以噪声特性很重要。
由于从麦克风输出的信号是单信号，输出信号需被转换为对噪声特性更具优势的全差分信号。而且，用于控制信号的大小，即灵敏度的输入级直流偏置功能和放大率控制功能在全差分结构中是必不可少的。一般而言，模拟信号处理电路通过实现上述功能的电路的组合进行配置。然而，电路的组合将导致电噪声的增加。
在背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明的背景的理解，并且因此，其可包含不构成在本国内本领域的技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明致力于提供具有包括处理麦克风的模拟信号所需的功能及具有改善的噪声特性的优点的模拟信号处理电路。
根据本发明构思的示例性实施例，麦克风的模拟信号处理电路包括：包括从麦克风接收信号以输出第一信号的第一子电路以及接收参考电压以输出第二信号的第二子电路的偏置电路。全差分电路接收第一信号和第二信号以输出全差分信号。第一子电路包括第一偏置子电路以提供偏置电压，并且第二子电路包括第二偏置子电路以提供偏置电压。
第一和第二偏置子电路可包括两个反向并联二极管对。
不同的参考电压将分别施加在反向并联二极管对上。
第一子电路可包括麦克风和第一偏置子电路之间的第一电容，并且第二子电路可包括麦克风和第二偏置子电路之间的第二电容。
第一电容的电容值可等于第二电容的电容值。
全差分电路单元可包括全差分放大器和电阻分压器。
电阻分压器可包括可变电阻。
全差分电路可包括分别具有两个输入端的第一差分输入级和第二差分输入级，以及具有两个输出端的差分输出级。第一信号可输入至第一差分输入级的一个输入端，并且第二信号可输入至第二差分输入级的一个输入端。
电阻分压器可包括连接在第一差分输入级的另一输入端和差分输出级的一个输出端之间的第一电阻分压器，以及连接在第二差分输入级的另一输入端和差分输出级的另一输出端之间的第二电阻分压器。
根据本发明的信号处理电路包括用于麦克风的模拟信号处理电路的所有必需功能。由于多个功能将由一个电路完全实现，通过简化电路布置，可以使电路产生的电噪声最小化，并且减少电流损耗。此外，减小了电路的整体面积使得制造成本得以减少。
附图说明
图1是示出根据本发明构思的示例性实施例的模拟信号处理电路的方框图。
图2是示出根据本发明构思的示例性实施例的模拟信号处理电路的电路图。
具体实施方式
在下述描述中，简单地通过例示说明的方式，仅示出和描述本发明构思的特定实施例。如本领域的技术人员意识到的，所述实施例在未背离本发明的技术思想和所附权利要求的范围的情况下可以以各种不同的方式进行修改。
因此，附图及描述实际上将被视为示例性的而非限制性的。贯穿说明书，同样的附图标记指代同样的元件。
贯穿说明书和所附权利要求，当描述一个元件与另一元件“连接”时，所述元件与另一元件“直接连接”或是通过第三元件与另一元件“电连接”。此外，除非明确地说明与其相反，术语“包括”及其各种变形可理解成意味着包括所述元件但不排除其他任何元件。
在下文中，将参考附图描述根据本发明构思的示例性实施例的麦克风的模拟信号处理电路。所述麦克风的模拟信号处理电路简记为信号处理电路。
图1是示出根据本发明构思的示例性实施例的模拟信号处理电路的方框图，并且图2是示出根据本发明构思的示例性实施例的模拟信号处理电路的电路图。
首先，参考图1，根据本发明构思的示例性实施例的模拟信号处理电路20从麦克风10接收单信号作为输入，以输出全差分信号。信号处理电路20可将来自麦克风10的变化的电容值转换成电压信号。
麦克风10接收声波以根据声波的振动产生电信号。例如，麦克风10可包括微电机系统(MEMS：micro-electro-mechanical system)麦克风。一般来说，MEMS麦克风被分成电容型MEMS麦克风和压电型MEMS麦克风。电容型MEMS麦克风包括固定电极和振动膜。当根据声波的外部声压施加在振动膜上时，由于固定电极和振动膜之间的距离变化，电容值发生变化。这种情况下，麦克风产生电信号。与电容型MEMS麦克风不同的是，压电型MEMS麦克风仅包括振动膜。当振动膜由于外部声压而变形时，麦克风将由于压电效应产生电信号。
信号处理电路20包括偏置电路单元210和全差分电路单元220。偏置电路单元210和全差分电路单元220可以由一个电路构成。
全差分电路单元220将从麦克风输出的电信号转换成对于共有噪声特性具有优势的全差分信号。偏置电路210基本上连接至全差分电路单元220的输入级，并且可以施加期望电压，并在将单信号转换成全差分信号时，减少全差分信号的差分信号之间的直流偏移(DC offset)。
参考图2，偏置电路单元210包括两个子电路，即，彼此分开的第一和第二子电路。第一子电路在输入级从麦克风10接收交流(AC)信号，以输出作为具有期望的直流偏置电压的交流信号的第一信号Vx。第二子电路接收参考电压Vb作为输入，以输出与第一信号Vx具有相同的偏置电压的第二信号Vy。
每个子电路包括电容Ca和Cb和偏置电路Ba和Bb。第一子电路的电容Ca连接至节点x，并且第二子电路的电容Cb连接至节点y。电容Ca和Cb阻隔来自提供至输入级的信号的直流(DC)电流以使得两个节点x和y，如果可能的话，具有相同的环境。即，电容Ca和Cb用于阻隔直流，并且可利用电容Ca和Cb配置相似的阻抗环境。为了配置相似的阻抗环境，第一子电路的电容Ca的电容值可与第二子电路的电容Cb的电容值相同。
第一子电路的偏置电路Ba连接至节点x，并且第二子电路的偏置电路Bb连接至节点x。偏置电路Ba和Bb将偏置电压施加到输入信号流过的路径。
偏置电路Ba包括两个反向并联二极管对被连接至节点x的结构。反向并联二极管对包括以反向并联方式连接的两个二极管，并且所述两个二极管相互连接以具有对向极化(facing polarization)。反向并联二极管对占据小面积并且产生大电阻。参考电压Va1施加至一个反向并联二极管对，并且参考电压Va2施加至另一反向并联二极管对上。因此，作为参考电压Va1和Va2的中间值的偏置电压(Va1+Va2)/2可以施加在节点x上。
更进一步地，在偏置电路Bb中，两个反向并联二极管对连接至节点y。参考电压Vb1施加至反向并联二极管对中的一个反向并联二极管对上，并且参考电压Vb2施加至另一反向并联二极管对上。因此，作为参考电压Vb1和Vb2的中间值的偏置电压(Vb1+Vb2)/2可以施加在节点y上。
第一子电路的偏置电路Ba与第二子电路的偏置电路Bb可以具有相同的配置(结构)。此外，施加在偏置电路Ba上的参考电压可以与施加在偏置电路Bb上的参考电压相同。即，Va1可以与Vb1相同，且Va2可以与Vb2相同。
根据示例性实施例，偏置电路Ba和Bb可包括一个反向并联二极管对，并且可包括通过串联、并联和/或其他阵列布置连接的多个二极管。这样，偏置电路210利用电容Ca和Cb在两个节点x和y中构成相似的阻抗环境，然后使用偏置电路Ba和Bb，以两个偏置电压的中间值偏置相同的直流电压。因此，在两个输入级中一个输入级接收信号的全差分结构中，偏置电路单元210可以通过最小化差分交流信号的直流偏移，来最小化输出信号的失真。
全差分电路单元220包括全差分差分放大器(FDDA：fully differentialdifference amplifier)和电阻分压器。
FDDA可以指将一般运算放大器的差分输入再次分割的双差分结构。FDDA包括作为输入级的第一输入级和第二输入级。第一差分输入级包括两个输入端In1+和In1-，并且第二差分输入级包括两个输入端In2+和In2-。因此，FDDA包括四个输入端。FDDA包括具有两个输出端Out+和Out-的差分输出级。两个差分输入电压可以通过第一和第二输入级转换成电流并且可以通过输出级进行放大。理想FDDA可在抑制共模电压的同时放大差分电压。FDDA的特性(behavior)定义如下：VOut+-VOut-＝A[(VIn1+-VIn1-)-(VIn2+-VIn2-)]，
其中，A表示从某个电压输入级至输出的电压增益。
FDDA通过第一差分输入级的输入端(In1+)接收从偏置电路单元210的第一子电路输出的第一信号Vx。从偏置电路单元210的第二子电路输出的第二信号Vy输入至第二差分输入级的输入端In2+。根据示例性实施例，第一信号Vx可输入至第二差分输入级的输入端In2+，并且第二信号可输入至第一差分输入级的输入端In1+。此外，第一信号Vx可输入至第一差分输入级的输入端In1-，并且第二信号可输入至第二差分输入级的输入端In2-。相对比而言，第一信号Vx可输入至第二差分输入级的输入端In2-，并且第二信号可输入至第一差分输入级的输入端In1-。换句话说，输入至输入端的第一信号Vx和第二信号Vy可分别在第一和第二差分输入级具有相同极性。FDDA通过输出端Out+和Out-输出全差分信号。
电阻分压器包括连接在第一差分输入级的一个输入端In1-和差分输出级的输出端Out+之间的第一电阻分压器、以及连接在第二差分输入级的一个输入端In2-和差分输出级的输出端Out-之间的第二电阻分压器。因此，输出电压VOut+和VOut-的反馈回路彼此对称。第一和第二电阻分压器可被连接至在第一和第二差分输入级中具有相同极性的输入端In1-和In2-，或者In1+和In2+，而不是连接至输入第一信号Vx和第二信号Vy的输入端。
例如，第一和第二电阻分压器包括两个电阻R1和R2。第二电阻分压器R2可连接在差分输出级的输出端Out+和第一差分输入级的一个输入端In1-之间。第一电阻分压器R1可连接在第一差分输入级的一个输入端In1-和参考电压或接地电压之间。在第二电阻分压器中，第二电阻R2可连接至差分输出级的输出端Out-和第二差分输入级的一个输入端In2-。第一电阻R1可连接在第二差分输入级的一个输入端In2-与参考电压或接地电压之间。第一和第二电阻R1和R2中的第一电阻R1可以是可变电阻。根据示例性实施例，第二电阻R2可以是可变电阻，并且电阻分压器可包括电容。
电阻分压器可设置FDDA的电压增益A。如图2所示，当连接输出电压VOut+和VOut-，使得输出电压VOut+和VOut-通过第二电阻R2再次传递至反相输入端In1-和In2-时，FDDA形成非反相放大器，并且电压增益A按下式进行定义。
A＝(1+R2/R1)
因此，由于FDDA的电压增益A由电阻R1和R2的阻值之比确定，信号的放大率可通过改变两个电阻R1和R2的阻值中的一个阻值来进行控制。如本领域的技术人员理解的那样，当FDDA形成反相放大电路时，信号的放大率可通过改变两个电阻R1和R2的阻值中的一个阻值进行控制。
如上所述，根据本发明构思的示例性实施例的信号处理电路20包括处理模拟信号所需的所有三个功能。通过集成电路，电噪声可以最小化，电流损耗可以减小，并且面积减小，从而制作成本得以减小。
虽然本发明结合目前认为实用的示例性实施例进行了说明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而相反，其意在覆盖所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (8)

1.一种麦克风的模拟信号处理电路，包括：
偏置电路,包括从麦克风接收信号以输出第一信号的第一子电路和接收参考电压以输出第二信号的第二子电路；以及
全差分电路，接收所述第一信号和所述第二信号以输出全差分信号,
其中，所述第一子电路包括用于施加偏置电压的第一偏置子电路，所述第二子电路包括用于施加偏置电压的第二偏置子电路，
其中所述第一偏置子电路和所述第二偏置子电路的每一者都包括第一反向并联二极管对和直接与所述第一反向并联二极管对连接的第二反向并联二极管对，
其中，在所述第一偏置子电路和所述第二偏置子电路的每一者中，第一参考电压施加到所述第一反向并联二极管对，第二参考电压施加到所述第二反向并联二极管对，所述第一参考电压和第二参考电压的中间值施加到所述第一反向并联二极管对与所述第二反向并联二极管对之间的节点上。
2.根据权利要求1所述的模拟信号处理电路，其中所述第一偏置子电路和所述第二偏置子电路的第一参考电压彼此不同，所述第一偏置子电路和所述第二偏置子电路的第二参考电压彼此不同。
3.根据权利要求1所述的模拟信号处理电路，其中所述第一子电路包括所述麦克风和所述第一偏置子电路之间的第一电容，并且所述第二子电路包括参考电压的输入端和所述第二偏置子电路之间的第二电容。
4.根据权利要求3所述的模拟信号处理电路，其中所述第一电容的电容值与所述第二电容的电容值相同。
5.根据权利要求1所述的模拟信号处理电路，其中所述全差分电路包括全差分放大器和电阻分压器。
6.根据权利要求5所述的模拟信号处理电路，其中所述电阻分压器包括可变电阻。
7.根据权利要求5所述的模拟信号处理电路，其中所述全差分电路包括：分别具有两个输入端的第一差分输入级和第二差分输入级；以及具有两个输出端的差分输出级，并且
所述第一信号输入至所述第一差分输入级的一个输入端，而所述第二信号输入至所述第二差分输入级的一个输入端。
8.根据权利要求7所述的模拟信号处理电路，其中所述电阻分压器包括：连接在第一差分输入级的另一输入端和差分输出级的一个输出端之间的第一电阻分压器；以及连接在第二差分输入级的另一输入端和所述差分输出级的另一输出端之间的第二电阻分压器。
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