CN107968980B - 数字麦克风以及其控制方法 - Google Patents

数字麦克风以及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种数字麦克风以及其控制方法，其包括声音传感器、偏压产生器、第一与第二衰减器、缓冲器、放大器、模拟至数字转换器、以及控制器。声音传感器感测声音信号且将其转换为电压信号。偏压产生器提供偏压电压至声音传感器。第一衰减器第一衰减值来衰减电压信号。缓冲器耦缓冲电压信号以产生缓冲电压信号。放大器放大缓冲电压信号以产生放大信号。模拟至数字转换器将放大信号转换为数字格式的数据信号。第二衰减器以第二衰减值来衰减数据信号。控制器判断放大信号的大小是否大于参考值，且根据控制器判断出的结果调整偏压电压、第一衰减值、以及第二衰减值。

Description

数字麦克风以及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种数字麦克风，特别涉及一种具有高动态范围的数字麦克风。
背景技术
微机电系统(microelectro-mechanical system，MEMS)麦克风一般包括一膜片以及与膜片之间存有间隔的一背板，以共同形成一电容器。膜片反应于声音信号而振动，这导致了在膜片与背板之间的电容发生变化。一般而言，电容器中的电荷在振动期间实质上保持恒定，因此，跨越电容器的电压随着由入设的声音信号所引起的电容变化而变化。变化的电压可用来驱动一电路，例如放大器或模拟数字转换器。近年来，MEMS麦克风在例如为数字相机和移动电话的携带式电子设备中日益普及。在大声音信号提供给MEMS麦克风的情况下，MEMS麦克风的膜片可能达到其绝对位移限制，并且MEMS麦克风产生的对应电压所衍生出的信号被剪裁(clip)，这导致在这些信号中不期望的失真，且进一步降低动态范围。因此，对于支持高声学超载点(acoustic overload point，AOP)电平的MEMS麦克风的需求增加。
发明内容
本发明一实施例提供一种数字麦克风，其包括声音传感器、偏压产生器、第一衰减器、缓冲器、放大器、模拟至数字转换器、第二衰减器、以及控制器。声音传感器感测声音信号，且将声音信号转换为电压信号。偏压产生器提供偏压电压至声音传感器。第一衰减器耦接声音传感器于第一节点，且以第一衰减值来衰减电压信号。缓冲器耦接声音传感器于第一节点，接收电压信号，且缓冲电压信号以产生缓冲电压信号。放大器连接缓冲器，接收缓冲电压信号，且放大缓冲电压信号以产生放大信号。模拟至数字转换器连接放大器于第二节点，接收放大信号，且将放大信号转换为数字格式的数据信号。第二衰减器连接模拟至数字转换器，且以第二衰减值来衰减数据信号。控制器连接放大器于第二节点。控制器判断放大信号的大小是否大于参考值，且根据控制器判断出的结果来调整偏压电压、第一衰减器的第一衰减值、以及第二衰减器的第二衰减值。
本发明一实施例提供一种控制方法，用于数字麦克风。此控制方法包括以下步骤：提供偏压电压至声音传感器；由声音传感器将声音信号转换为电压信号；以第一衰减值来衰减电压信号；放大电压信号以产生放大信号；将放大信号转换为数字格式的数据信号；以第二衰减值来衰减数据信号；判断放大信号的大小是否大于参考值；以及根据判断结果来调整偏压电压、第一衰减值、以及第二衰减值。
附图说明
图1表示根据本发明一实施例的数字麦克风。
图2表示根据本发明一实施例，声音信号具有正常声压电平(sound-pressurelevel，SPL)时数字麦克风的操作示意图。
图3表示根据本发明一实施例，声音信号具有较大声压电平(SPL)时数字麦克风的操作示意图。
图4表示根据本发明一实施例的数字麦克风系统。
【符号说明】
1
Figure BDA0001439227210000021
数字麦克风； 10～声音传感器；
11～处理器； 12～声音信号；
20～噪声信号； 100～电容器；
110～偏压产生器； 111～缓冲器(BUF)；
112～前置放大器(PA)；
113～模拟至数字转换器(ADC)；
114、115～衰减器； 116～调制器(MOD)；
117～控制器； N10…N13～节点；
N14～输出节点； S10～电压信号；
S111～缓冲电压信号； S112～放大信号；
S113～数据信号； S114～衰减数据信号；
S116～输出数字信号；
S117A、S117B、S117C～控制信号；
S212～噪声信号； Scol～调整信号；
V110～偏压电压。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1表示根据本发明一实施例的数字麦克风。如图1所示，数字麦克风1包括声音传感器10以及耦接声音传感器的读出处理器11。在此实施例中，读出处理器11包括偏压产生器110、缓冲器(BUF)111、前置放大器(preamplifier，PA)112、模拟至数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)113、衰减器114与115、调制器(MOD)116、以及控制器117。包含于处理器11的元件110～117以及其他元件/电路形成一特定应用集成电路(applicationspecific integrated circuit，ASIC)。在一实施例中，声音传感器10为微机电系统(microelectro-mechanical system，MEMS)。在以下说明中，将以下说明中，将以MEMS传感器作为声音传感器10的例子来进行进一步的说明。MEMS传感器10感测传入声音信号12，且包括一膜片以及与膜片之间存有间隔的一背板以共同形成一电容器100。偏压产生器110由控制器107所控制，以提供偏压电压V110给电容器100，藉此在电容器100中维持固定的电荷。偏压电压V110的电平可根据控制器117的控制来进行调整。膜片反应于声音信号12而振动，这导致了在膜片与背板之间的电容发生变化。随着由声音信号12所引起的电容变化，在节点N10产生一对应的电压信号S10，其中，节点N10耦接MEMS传感器10的输出端。根据上述，MEMS传感器10用来将声音信号12转换为电压信号S10。在此实施例中，MEMS传感器10的灵敏度受到偏压电压V110的电平所影响。当MEMS传感器10由较高的偏压电压V110来进行偏压时，MEMS传感器10的灵敏度增加；当MEMS传感器10由较低的偏压电压V110进行偏压时，MEMS传感器10的灵敏度降低。
一般而言，声音传感器的灵敏度与声音传感器的转换特性有关，而此转换特性是由介于声音传感器根据接收到的声音信号所产生的信号的电压或电流与声音信号的声音能量总量之间的关系来决定的。在此实施例中，MEMS传感器10的灵敏度是可调整的，且根据偏压产生器110所提供的偏压电压V110的电平来决定。当偏压产生器110提供一增加的偏压电压至MEMS传感器10时，MEMS传感器10的灵敏度增加。另一方面，当偏压产生器110提供一减小的偏压电压至MEMS传感器10时，MEMS传感器10的灵敏度降低。
参阅图1，衰减器115耦接MEMS传感器10的输出端于节点N10。在一些情况下，衰减器115用来衰减电压信号S10，且衰减值由控制器117所控制。在另一些情况下，电压信号S10没有被衰减器115所衰减，也就是，此时的衰减值等于0dB。缓冲器111也连接MEMS传感器10的输出端于节点N10。缓冲器111接收已被衰减或者尚未被衰减的电压信号S10。缓冲器111缓冲此电压信号S10以产生一缓冲电压信号S111，并将其提供至前置放大器112。前置放大器112操作来放大此缓冲电压信号S111，以在节点N11上产生对应的放大信号S112。在此实施例中，前置放大器112的增益例如为10dB。ADC 113的输入端连接前置放大器112的输出端于节点N11，以接收放大信号S112。ADC 113将具有模拟格式的放大信号S112转换为具有数字格式的数据信号S113。在一实施例中，数据信号S113为1-位的脉冲密度调制(pulsedensity modulation，PDM)信号。
衰减器114连接ADC 113的输出端于节点N12，以接收数据信号S113。衰减器114将数据信号S113由1-位的脉冲密度调制(PDM)信号转换为1-位的脉冲编码调制(pulse codedmodulation，PCM)信号，且接着根据由控制器117所控制的衰减值来衰减数据信号S113。在一些情况下，其衰减值不等于0dB，这表示衰减器114减小数据信号S113的大小。在另一些情况下，数据信号S113没有被衰减器114所衰减，也就是，此时的衰减值等于0dB。在衰减后，衰减器114于节点N13产生一衰减数据信号S114。调制器116耦接节点N13以接收衰减数据信号S114。调制器116将衰减数据信号S114由1-位的脉冲编码调制(PCM)信号转换回为1-位的脉冲密度调制(PDM)信号，且接着在数字麦克风1的输出节点N14产生输出数字信号S116。此输出数字信号S116作为数字麦克风1的输出，以驱动耦接数字麦克风1的外部电路系统。
参阅图1，控制器117耦接节点N11，以接收由前置放大器112所产生的放大信号S112。控制器117比较放大信号S112的大小与一参考值，且根据比较结果来决定衰减器114与115各自的衰减值以及偏压电压V110的电平。换句话说，衰减器114与115各自的衰减值以及偏压电压V110的电平根据来自前置放大器112的放大信号S112来控制。
在以下段落中，衰减器114与115各自的衰减值以及偏压电压V110的电平的调整和/或决定的细节将通过参阅图2与图3。根据此实施例，当数字麦克风1开始操作时，偏压产生器110初始提供具有预设电平的偏压电压V110，且衰减器114与115各自的衰减值分别由控制器设定为0dB与20dB。
参阅图2，假设声音信号12为其压力电平为94dBSPL的典型声压电平(sound-pressure level，SPL)声音信号，且MEMS传感器10也感测噪声信号20。在此实施例中，为了叙述数字麦克风1的信号噪声比(signal-noise ratio，SNR)，提供噪声信号S20以做为参考信号。在MEMS传感器10的转换操作之后，假设在节点N10上电压信号S10的大小为-36dBV，而在节点N10上由噪声信号20所转换而来的噪声电压信号S20的大小为-101dBV。在此实施例中，由于衰减器115的衰减值为0dB，因此，电压信号S10的大小以及噪声电压信号S20的大小没有被衰减器115所衰减。通过其增益为10dB的前置放大器112的操作，在节点N11(即前置放大器112的输出端)的放大信号S112的大小为-26dBV，且在节点N11的噪声信号S212为-91dBV。在此实施例中，ADC 113的增益为0dB。因此，在ADC 13的模拟至数字转换之后，在节点N12(即ADC 113的输出端)的数据信号S113的大小为-26dBFS，且在节点N12的数字底噪(digital noise floor，DNF)的大小为-91dBFS。因此，在节点N12的信号噪声比(SNR)为65dB。通过衰减器114，在节点N1的数据信号S113以及数字底噪被衰减20dB(在图2中，20dB的衰减值以-20dB来表示)。因此，在节点N13(即衰减器114的输出)的衰减数据信号S114的大小为-46dBFS，且在节点N13的数字底噪(DNF)的大小为-111dBFS。与-91dBFS比较起来，衰减器14与调制器116所引起的噪声相对小得多。因此，在输出节点N14的输出数字信号S116的大小仍为-46dBFS，且输出节点N14的数字底噪(DNF)的大小仍为-111dBFS。如此一来，在输出节点N14的信号噪声比(SNR)仍为65dB。在此实施例中，-46dBFS的输出数字信号S116是94dBSPL的声音信号12通过数字麦克风1的处理路径而衍生获得的信号。在数字麦克风1的最后输出节点N14的数字底噪(DNF)是由MEMS传感器10与用来处理声音信号12的所有元件的累积噪声，其中，当噪声电压信号S20为-101dBV时，输出节点N14的数字底噪(DNF)的大小为-111dBFS。
如上所述，控制器117接收放大信号S112，且比较放大信号S112的大小与参考值。当控制器117判断出衍生自声音信号12的放大信号S112的大小小于参考值时，控制器117产生控制信号S117A以控制在模拟域的衰减器115使其衰减值维持在0dB；控制器117也产生控制信号S117C以控制在数字域的衰减器114使其衰减值维持在20dB；控制器117还产生控制信号S117B以控制偏压产生器110使其偏压电压V110维持在预设电平。
在图2的实施例中，声音信号12的压力电平为94dBSPL，此时，在节点N12的信号噪声比(SNR)为65dB，且在节点N14的信号噪声比(SNR)也为65dB。因此，在一衰减器(例如衰减器114)额外地耦接ADC 113的输出端以在数字域处理数据信号的情况下，在ADC 113之后的信号噪声比(SNR)不会改变。
一般而言，一已知MEMS数字麦克风包括MEMS传感器、电荷泵(偏压产生器)、缓冲器、前置放大器、以及ADC，但是其不包括任何用来控制信号衰减与偏压电压调整的衰减器、调制器、和/或控制器，例如本发明图1实施例中的衰减器114与115、调制器116、以及控制器117。对于已知MEMS数字麦克风而言，在MEMS传感器输入端上传入声音信号的压力电平的规格一般为94BSPL，且在ADC的输出端(也就是已知MEMS数字麦克风的输出端)的信号大小为-26dBFS。在此情况下，当传入声音信号的压力电平为120dBSPL时，在ADC的输出端的信号的大小将到达对于ADC而言的最大值0dBFS。由于已知MEMS数字麦克风在ADC之后不包括任何的处理电路/方块，因此已知MEMS数字麦克风无法处理大于120dBSPL的任何传入声音信号。
在此实施例中，在节点N10的直流(direct-current，DC)偏压接近于0V(volt，伏特)。因此，当一较大的声音信号(例如，120dBSPL的声音信号)传送至MEMS传感器10时，在节点N10的电压信号S10可通过后续的处理路径而不会被剪裁(clip)。然而，在一非常大的声音信号(例如，大于120dBSPL的声音信号)传送至MEMS传感器10的情况下，假使偏压电压V10没有降低且衰减器115的衰减值等于0dB，电压信号S10的电平可能达到高于耦接节点N10的二极管的安全操作点的数值。一般而言，节点N10上具有由一电压来进行偏压的二极管。假使此二极管例如由100mV来偏压，一漏电流经汇流经此二极管。因此，当电压信号S10的电平到达高于耦接节点N10的二极管的安全操作点的数值时，在节点N10上的噪声增加，且在节点N10的信号噪声比降低。此外，在数字麦克风1内的所有元件由线性稳压器(linearregulator，LDO)来供电。假使传入声音信号非常大，在处理路径上的相关信号可能被缓冲器111或前置放大器112剪裁。因此，本发明实施例提供的数字麦克风1可1通过降低偏压电压V110且衰减在节点N10的电压信号S10，以处理其压力电平大于12dBSPL的传入声音信号12，使得在模拟域中任何处理电路/方块内的信号不会因为供应电压的限制而被剪裁。
如上所述，控制器117比较放大信号S112的大小与一参考值，且根据比较结果来决定衰减器114与115各自的衰减值以及偏压电压V110的电平。在偏压电压V110仍维持在预设电平且衰减器115的衰减值等于0dB的情况下，当其压力电平大于120dBSPL的传入声音信号12被MEMS传感器10感测到时，控制器117判断出衍生自大于120dBSPL的传入声音信号12的放大信号S112大于参考值。此时，根据判断结果，控制器117产生控制信号S117A以控制在模拟域的衰减器115改变/增加其衰减值为20dB(在图3中，20dB的衰减值以-20dB来表示)；控制器117也产生控制信号S117C以控制在数字域的衰减器114以改变/减少其衰减值为0dB；控制器117还产生控制信号S117B以控制偏压产生器110使其偏压电压V110降低且低于预设电平。
参阅图3，假设声音信号12的压力电平大于120dBSPL，例如，140dBSPL。由于偏压电压V110降低且衰减器115的衰减值变为20dB(在图3中，20dB的衰减值以-20dB来表示)，在MEMS传感器10的转换操作之后，在节点N10的电压信号S10的大小为-10dBV。为了叙述数字麦克风1的信号噪声比(SNR)，提供噪声信号S20以做为参考信号，且假设在节点N10上由噪声信号20所转换而来的噪声电压信号S20的大小为-101dBV。通过其增益为10dB的前置放大器112的操作，在节点N11(即前置放大器112的输出端)的放大信号S112的大小为0dBV，且在节点N11的噪声信号S212为-91dBV。在此实施例中，ADC 113的增益为0dB。因此，在ADC 13的模拟至数字转换之后，在节点N12(即ADC 113的输出端)的数据信号S113的大小为0dBFS，且在节点N12的数字底噪(DNF)的大小为-91dBFS。因此，在节点N12的信号噪声比(SNR)为91dB。在此实施例中，由于衰减器114的衰减值为0dB，因此，在节点N13(即衰减器114的输出)的衰减数据信号S114的大小也为0dBFS，且在节点N13的数字底噪(DNF)的大小也为-111dBFS。与-91dBFS比较起来，衰减器14与调制器116所引起的噪声相对小得多。因此，在输出节点N14的输出数字信号S116的大小仍为0dBFS，且输出节点N14的数字底噪(DNF)的大小仍为-91dBFS。如此一来，在输出节点N14的信号噪声比(SNR)仍为91dB。在数字麦克风1的最后输出节点N14的数字底噪(DNF)是由MEMS传感器10与用来处理声音信号12的所有元件的累积噪声，其中，当噪声电压信号S20为-101dBV时，输出节点N14的数字底噪(DNF)的大小为-91dBFS。
在图3的实施例中，声音信号12的压力电平为140dBSPL，此时，在节点N12的信号噪声比(SNR)为91dB，且在节点N14的信号噪声比(SNR)也为91dB。因此，在ADC 113之后的信号噪声比(SNR)不会改变。
根据上述图2与图3的实施例，控制器117可根据前置放大器12所产生的放大信号S112的大小来动态地控制衰减器114与115的衰减值以及偏压电压V110的电平。当一较大的声音信号传送至MEMS传感器10时，控制器117控制偏压产生器110以降低偏压电压V110并藉此降低MEMS传感器10的灵敏度，且更控制衰减器115以增加其衰减值，使得可达到更高的动态范围。
在另一实施例中，控制器117更接收一调整信号Scol。当调整信号Scol被致能时，即使控制器117判断放大信号S112的大小小于参考值，控制器117仍控制偏压产生器110以降低偏压电压V110、控制衰减器115以增加其衰减值、且更控制衰减器114以减少其衰减值。另一方面，当调整信号Scol被禁能时，控制器117则根据关于放大信号S112的比较结果来决定衰减器114与115的衰减值以及偏压电压V110的电平。
根据上述实施例，数字麦克风1可藉由动态地调整偏压电压V110以及藉由使用两个衰减器114与115来达到高动态范围，其中，一个衰减器位于模拟域，而另一个衰减器位于数字域。当MEMS传感器10感测到一较大的声音信号时，由MEMS传感器10所产生的电压信号S10的大小藉由使用较低的偏压电压V110以及增加的衰减值而减小。较低的灵敏度可确保在模拟域中后续的处理电路/方块的信号S10、S111、与S112不被剪裁，且这新信号的峰值在任何给定的时间下不会超过供应电压。如此一来，由供应电压限制所引起的失真将不会发生在模拟域的信号。因此，数字麦克风1的动态范围可增加，以支持高声学超载点(acousticoverload point，AOP)电平。
在一实施例中，数字麦克风1可用于高解析度(high definition，HD)应用中。如图4所示，数字麦克风系统4包括里个传感器40与41。传感器40与41中的每一个包括图1中数字麦克风的相同架构。通过偏压电压V110与衰减器114与115的衰减值的调整，较弱的声音信号可由具有较强灵敏度的传感器来处理，较强的声音信号可由具有较弱灵敏度的传感器来处理。如此一来，数字麦克风系统4的动态范围可增加，以支持高声学超载点(AOP)电平。
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (16)

1.一种数字麦克风，包括：
声音传感器，感测声音信号，且将该声音信号转换为电压信号；
偏压产生器，提供偏压电压至该声音传感器；
第一衰减器，耦接该声音传感器于第一节点，且以第一衰减值来衰减该电压信号；
缓冲器，耦接该声音传感器于该第一节点，接收该电压信号，且缓冲该电压信号以产生缓冲电压信号；
放大器，连接该缓冲器，接收该缓冲电压信号，且放大该缓冲电压信号以产生放大信号；
模拟至数字转换器，连接该放大器于第二节点，接收该放大信号，且将该放大信号转换为数字格式的数据信号；
第二衰减器，连接该模拟至数字转换器，且以第二衰减值来衰减该数据信号；以及
控制器，连接该放大器于该第二节点，判断该放大信号的大小是否大于参考值，且根据判断结果来调整该偏压电压、该第一衰减器的该第一衰减值、以及该第二衰减器的该第二衰减值，
其中，当该控制器判断出该放大信号的大小大于该参考值时，控制该第一衰减器增加该第一衰减值，且控制该第二衰减器减少该第二衰减值。
2.如权利要求1所述的数字麦克风，其中，当该控制器调整该偏压电压的电平使其降低且调整该第一衰减值使其增加时，该控制器调整该第二衰减值使其减小。
3.如权利要求1所述的数字麦克风，其中，当该声音信号具有第一压力电平时，该偏压电压处于第一电平，该第一衰减值为第一数值，且该第二衰减值为大于该第一数值的第二数值；以及
其中，当该声音信号具有大于该第一压力电平的第二压力电平时，该偏压电压处于低于该第一电平的第二电平，该第一衰减值为第三数值，且该第二衰减值为小于该第三数值的第四数值。
4.如权利要求1所述的数字麦克风，其中，该声音传感器为微机电系统(microelectro-mechanical system，MEMS)传感器。
5.如权利要求1所述的数字麦克风，其中，该声音感测的灵敏度由该偏压电压的电平来决定。
6.如权利要求1所述的数字麦克风，其中，当该控制器判断出该放大信号的大小大于该参考值时，该控制器控制该偏压产生器以降低该偏压电压的电平。
7.如权利要求1所述的数字麦克风，其中，在该模拟至数字转换器之后的信号噪声比(signal-noise ratio，SNR)不改变。
8.如权利要求1所述的数字麦克风，其中，该第二衰减器以该第二衰减值来衰减该数据信号以产生衰减数据信号，且该数字麦克风还包括：
调制器，将该衰减数据信号由脉冲编码调制(pulse coded modulation，PCM)信号转换为脉冲密度调制(PDM)信号，以在该数字麦克风的输出节点产生输出数字信号。
9.一种控制方法，用于数字麦克风，包括：
提供偏压电压至声音传感器；
由该声音传感器将声音信号转换为电压信号；
以第一衰减值来衰减该电压信号；
放大该电压信号以产生放大信号；
将该放大信号转换为数字格式的数据信号；
以第二衰减值来衰减该数据信号；
判断该放大信号的大小是否大于参考值；以及
根据判断结果来调整该偏压电压、该第一衰减值、以及该第二衰减值
其中，当该判断出该放大信号的大小大于该参考值时，增加该第一衰减值，且减少该第二衰减值。
10.如权利要求9所述的控制方法，其中，根据该判断结果，当该偏压电压的电平被降低且第一衰减值被增加时，第二衰减值被减小。
11.如权利要求9所述的控制方法，
其中，当该声音信号具有第一压力电平时，该偏压电压处于第一电平，该第一衰减值为第一数值，且该第二衰减值为大于该第一数值的第二数值；以及
其中，当该声音信号具有大于该第一压力电平的第二压力电平时，该偏压电压处于低于该第一电平的第二电平，该第一衰减值为第三数值，且该第二衰减值为小于该第三数值的第四数值。
12.如权利要求9所述的控制方法，其中，该声音传感器为微机电系统(microelectro-mechanical system，MEMS)传感器。
13.如权利要求9所述的控制方法，其中，该声音感测的灵敏度由该偏压电压的电平来决定。
14.如权利要求9所述的控制方法，还包括：
当判断出该放大信号的大小大于该参考值时，降低该偏压电压的电平。
15.如权利要求9所述的控制方法，其中，在将该放大信号转换为该数据信号的步骤之后的信号噪声比(signal-noise ratio，SNR)不改变。
16.如权利要求9所述的控制方法，还包括：
将衰减的该数据信号由脉冲编码调制(pulse coded modulation，PCM)信号转换为脉冲密度调制(PDM)信号，以在该数字麦克风的输出节点产生输出数字信号。
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