CN108028629A

CN108028629A - 用于麦克风的电子电路和麦克风

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Publication number: CN108028629A
Application number: CN201580081968.4A
Authority: CN
Inventors: G.罗卡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: JP2018519772A; CN108028629B; US20180184200A1; EP3329591A1; EP3329591B1; WO2017016591A1; US10412486B2; JP6694168B2

Abstract

电子电路（10）包括用于前置放大由换能器（MEMS）提供的电子电路（10）的电输入信号的输入级（Pre_amp）。此外，电子电路（10）包括用于通过处理输入级（Pre_amp）的输出信号来提供麦克风输出信号的输出级（T_amp）。电子电路（10）包括被布置和配置用于设定输出级（T_amp）的电流汲取的可调节输出负载（RS）。此外，电子电路（10）包括被配置为捕获输入级（Pre_amp）的输出信号的测量电路（P_det）和被配置为依赖于输入级（Pre_amp）的所捕获的输出信号而调节可调节输出负载（RS）的自动控制电路（ACC）。

Description

用于麦克风的电子电路和麦克风

技术领域

本发明涉及用于麦克风的电子电路。具体讲，该电子电路可以被配置为ASIC（专用集成电路）。此外，本公开涉及包括该电子电路的麦克风。该麦克风可以是用MEMS（微机电系统）技术制造的。

背景技术

为了各种应用，麦克风可以以二端子模式来工作。在二端子模式中，功率和输出可以被分配给相同的端子。与其中可以提供用于功率、接地和输出的分离的端子的三端子模式中操作的对应麦克风相比，这些麦克风典型地在相对低的声压水平（SPL）处具有较高失真水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有改进的属性的电子电路和麦克风，特别地，在高声压水平处具有降低的失真水平。

该目的通过独立权利要求的特征来实现。本发明的有利的实施例在从属权利要求中给出。

根据第一方面，本发明通过用于麦克风的电子电路而区分。该电子电路包括用于前置放大（pre-amplify）由换能器提供的电子电路的电输入信号的输入级。此外，该电子电路包括输出级，用于通过对输入级的输出信号进行处理来提供麦克风输出信号。电子电路包括被布置和配置用于设定输出级的电流汲取（draw）的可调节输出负载。此外，该电子电路包括被配置成捕获输入级的输出信号的测量电路和被配置成依赖于输入级的所捕获的输出信号来调节可调节输出负载的自动控制电路。

这具有如下的优势：麦克风可以被用于130 dB SPL以上的高声压水平，特别是在二线式应用中。该使用不限于110-120dB SPL或更低的声压水平。

这允许调节麦克风的电流消耗和总谐波失真（THD）性能。典型地，限制麦克风（特别是二线式麦克风）的使用的主要因素是输出级。该输出级可以是具有低静态电流水平的A类放大器。这样的放大器包括已经在低声压水平处的高失真水平，例如在110-115 dB SPL处的10% THD。

为了达到更高的声压水平，输出负载要被调节。对于低于给定阈值的声压水平以及对于输出负载的给定值，输出级汲取特定的电流。更高的声压水平引起输出级的更高的THD水平。因此，在声压水平超过给定阈值的情况下，输出负载的值被减小以使得由输出级汲取的电流增加。增加的电流将例如10%THD点移动到更高的声压水平。

根据第一方面的实施例，电子电路可在二端子模式中操作，并且包括被配置用于麦克风输出和功率供应或接地的第一端子（MIC_VDD）。在二端子模式中，功率供应、麦克风输出和接地可以被分配给两个端子。二端子模式允许减少或最少配线，更低的生产成本和/或更小芯片面积。

根据第一方面的进一步的实施例，电子电路包括用于接地的第二端子，第三端子和耦合到第三端子和/或并联地耦合到输出负载的二端子模式配置网络。二端子模式配置网络可以用来调节麦克风的目标灵敏度。

根据第一方面的进一步的实施例，二端子模式配置网络包括至少一个可调节电路元件。这允许对目标灵敏度的灵活调节。例如，调节可以在客户侧执行。以这种方式，多种需要可以由一个麦克风版本来满足。

根据第一方面的进一步的实施例，输入级的增益是可调节的。这允许对目标灵敏度和另外的参数（例如电流消耗，信噪比等等）的灵活调节。

根据第一方面的进一步的实施例，自动控制电路被配置为调节输入级的增益和/或二端子模式配置网络的相应的可调节电路元件的至少一个阻抗值。这允许对目标灵敏度和/或另外的参数的灵活和有成本效益的调节。

根据第一方面的进一步的实施例，二端子模式配置网络包括至少一个可调节片上电阻器。以这种方式，采用二线模式的电子电路的操作可以不要求或者要求更少的外部的分立元件。可以节省PCB面积。此外，可以补偿（特别是电阻器的）容差和变化。优选地，电子电路被配置为ASIC，可调节电阻器被集成在ASIC中。这允许减小电子电路的所需的空间。集成的电阻器可以仅仅对面积增加很少。此外，通过在电子电路（特别是ASIC）中集成电阻器，可以减小由于外部元件的容差原因而可能出现的麦克风的灵敏度变化。

根据第一方面的进一步的实施例，二端子模式配置网络包括与第二电阻器并联地布置的第一电阻器，其中第一电阻器与电容器串联连接。以这种方式，可以在宽的频率范围内（特别是从DC到高频）达到目标灵敏度。

根据第一方面的进一步的实施例，测量电路包括峰值检测器。这允许电子电路的有成本效益的生产。峰值检测器可以利用一个或多个给定的阈值。在峰值检测器检测到声压值超过给定的阈值的情况下，耦合到峰值检测器的自动控制电路为了增加输出级的电流汲取而减小输出负载的值。如果定义多个阈值，则自动控制电路可以以更多个步骤设定电流，从而进一步改善例如10%THD点。

根据第一方面的进一步的实施例，可调节负载包括可调节电阻器。以这种方式，可以容易地调节输出级的电流汲取。

根据第一方面的进一步的实施例，可调节负载包括可切换电阻器阵列。这允许电子电路的有成本效益的生产。

根据第一方面的进一步的实施例，输出级包括晶体管放大器，从而允许电子电路的有成本效益的生产。

根据第一方面的进一步的实施例，换能器是差分换能器和/或输入级是差分到单端输入级。以这种方式，可以消除或降低换能器和/或输入级的非线性效应。

根据第二方面，本发明区别在于麦克风包括换能器（MEMS）和根据第一方面的电子电路。

电子电路可以包括如以上所描述的任何结构和功能特征。关于麦克风所描述的特征也在此关于电子电路被公开，并且反之亦然，即使在具体方面的上下文中没有明确地提及相应的特征。

根据第二方面的实施例，换能器是用微机电系统技术制造的。换能器可以包括电容器。具体地，声音输入信号可以导致换能器的电容的改变。因此，麦克风可以是电容式麦克风或电容器麦克风。换能器可以包括膜片和一个或多个背板。

附图说明

另外的特征、改良和权宜将从结合各图的示例性实施例的描述变得明显。这些图如下：

图1是麦克风的第一示例性实施例的框图，

图2是麦克风的第二示例性实施例的框图，并且

图3是麦克风的第三示例性实施例的框图。

具体实施方式

在不同的附图中出现的相同设计和功能的元件由相同的参考标号标识。

图1示出麦克风2的第一示例性实施例的框图。麦克风2包括电子电路10。

优选地，电子电路10是专用电子电路（ASIC）。电子电路10 可以制造为管芯。

麦克风2可以包括换能器MEMS，特别是用于将声学输入信号转换成电信号的微机电系统换能器。作为示例，换能器MEMS可以包括半导体材料，诸如硅或砷化镓。换能器MEMS可以包括膜片和一个或多个背板。作为示例，膜片和背板之间的距离可以是在1μm至10μm的范围内。

在图1中，换能器MEMS被示例性地配置为单端换能器。

麦克风2可以包括换能器管芯和包括电子电路10的ASIC管芯。示出的电子电路10还可以与除了微机电系统换能器之外的其它的换能器一起使用。麦克风2可以在例如头戴式受话器中使用。

换能器MEMS被电连接到电子电路10。特别地，电子电路10可以处理换能器MEMS的电信号。

电子电路10包括输入级Pre_amp和输出级T_amp、可调节输出负载RS、测量电路P_det和自动控制电路ACC。输入级Pre_amp的输入被耦合到换能器MEMS的第一连接以用于接收换能器MEMS的电信号。

输出级T_amp被配置和布置成接收输入级Pre_amp的输出信号。输出级T_amp可以包括晶体管20，其可以用作晶体管放大器。

测量电路P_det 被配置和布置成测量输入级Pre_amp的输出信号。测量电路P_det可以包括峰值检测器。

可调节输出负载RS可以被配置成使得输出级T_amp依赖于声压水平而汲取不同水平的电流。

自动控制电路ACC被布置和配置成依赖于输入级Pre_amp的输出信号（特别是依赖于测量电路P_det的测量结果）而调节输出负载RS。

可调节输出负载RS可以包括可调节电阻器。可调节输出负载RS可以包括可切换电阻器阵列，并且自动控制电路ACC可以被配置成控制可切换电阻器阵列的切换设定。

此外，电子电路10可以给换能器MEMS提供偏置电压，在图1中没有详细地示出该偏置电压。

电子电路10可以可在二端子模式中操作，并且可以包括被配置用于麦克风输出和功率供应的第一端子MIC_VDD。

电阻器RBIAS可以位于在第一端子MIC_VDD和功率供应VDD之间的连接中。电阻器RBIAS被串联地连接到功率供应VDD。

电子电路10包括用于将电子电路10连接到地的第二端子MIC_GND。换能器MEMS也可以被连接到地。

麦克风2可以包括耦合到第三端子MIC_OUT和/或并联地耦合到输出负载RS的二端子模式配置网络。

二端子模式配置网络可以包括第一电阻器RLAC和第二电阻器RLDC。在二端子模式中，可以使用两个电阻器RLAC、RLDC以调节麦克风2的灵敏度。第一电阻器RLAC可以与电容器CL串联地布置。第二电阻器RLDC可以与第一电阻器RLAC和电容器CL并联地布置。

优选地，电容器CL可以不是电子电路10的部分并且可以在外部布置在PCB上。电容器CL可以被配置为分立部件。

第一电阻器RLAC和/或第二电阻器RLDC也可以不是电子电路10的部分，并且可以在外部布置在PCB上。第一电阻器RLAC和第二电阻器RLDC可以被配置为分离部件。这样的方法鉴于调节灵敏度而提供高灵活性并且提供在灵敏度方面微小的变化的优势，因为工艺容差在这种情况下没有起任何作用。

在没有施加的信号的情况下并且对于低于给定的阈值（例如105 dB SPL）的声压水平，并且对于输出负载RS的给定值（例如30 kOhm），对于第一电阻器RLAC（例如2 kOhm）和对于第二电阻器RLDC（例如15 kOhm），输出级T_amp汲取50μA的电流Ivdd并且二线式操作模式灵敏度可以是大约44 dBV。在该配置中，当声压水平达到给定的限度（例如100 dB SPL）时，麦克风2可以达到10%THD水平。

当由测量电路P_det检测到大于给定阈值的声压水平时，自动控制电路ACC减小输出负载RS的值，并且，作为结果，增加流入输出级T_amp中的电流Ivdd。

改变在输出级T_amp中的DC电流可能在电流切换期间引起毛刺（glitch）。优选地，电子电路10包括电路（毛刺消除电路）用以抑制在麦克风输出上的毛刺。

图2示出麦克风2的第二示例性实施例的框图。

在这种情况下，换能器MEMS被配置为差分换能器并且输入级Pre_amp被配置为差分到单端输入级Pre_amp。利用这样的配置可以达到更高的声压水平，因为非线性的其它源（例如换能器MEMS和/或输入级Pre_amp的非线性）可以被补偿。

图3示出麦克风2的第三示例性实施例的框图。

与图1或图2相比，第一电阻器RLAC和第二电阻器RLDC是电子电路10的部分，并且可以被布置在与电子电路10相同的管芯上。

优选地，第一电阻器RLAC和/或第二电阻器RLDC和/或输入级Pre_amp的增益是可调节的，并且自动控制电路ACC被配置成调节输入级Pre_amp的增益和/或二端子模式配置网络的相应可调节电路元件的至少一个阻抗值。

在电流Ivdd改变的情况下，在灵敏度方面的所得到的变化可以通过重新配置第一电阻器RLAC和/或第二电阻器RLDC和/或输入级Pre_amp来补偿，并且灵敏度可以保持恒定。

由此，可以减小在二线模式中灵敏度的分散（spread）。该分散可以不仅由电阻器而且由麦克风灵敏度的总体分散而引起。因此，可以减小总的分散。特别地，灵敏度调节可以通过调谐第一电阻器RLAC和第二电阻器RLDC来实现。此外，还可以调节麦克风2的电流消耗和THD性能，特别是通过调谐输出负载RS和输入级Pre_amp的增益。

参考标号

2 麦克风

10 电子电路

ACC 自动控制电路

CL 电容器

Ivdd 输出级的电流

MEMS 换能器

MIC_GND 第二端子

MIC_OUT 第三端子

MIC_VDD 第一端子

P_det 测量电路

Pre_amp 输入级

RBIAS 电阻器

RLAC 第一电阻器

RLDC 第二电阻器

RS 输出负载

T_amp 输出级

VDD 功率供应。

Claims

1.一种用于麦克风（2）的电子电路（10），所述电子电路（10）包括：

- 输入级（Pre_amp），用于前置放大由换能器（MEMS）提供的所述电子电路（10）的电输入信号，

- 输出级（T_amp），用于通过处理输入级（Pre_amp）的输出信号来提供麦克风（2）输出信号，

- 可调节输出负载（RS），被布置和配置用于设定输出级（T_amp）的电流汲取，

- 测量电路（P_det），被配置成捕获输入级（Pre_amp）的输出信号，和

- 自动控制电路（ACC），被配置为依赖于输入级（Pre_amp）的所捕获的输出信号而调节可调节输出负载（RS）。

2.根据权利要求1所述的电子电路（10），其中所述电子电路（10）可在二端子模式中操作，并且包括第一端子（MIC_VDD），所述第一端子（MIC_VDD）被配置用于：

- 麦克风输出，和

- 功率供应或接地。

3.根据权利要求1或2所述的电子电路（10），其中所述电子电路（10）包括：

- 用于接地的第二端子（MIC_GND），

- 第三端子（MIC_OUT），和

- 耦合到第三端子（MIC_OUT）和/或并联地耦合到输出负载（RS）的二端子模式配置网络。

4.根据权利要求3所述的电子电路（10），其中二端子模式配置网络包括至少一个可调节电路元件。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的电子电路（10），其中输入级（Pre_amp）的增益是可调节的。

6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的电子电路（10），其中自动控制电路（ACC）被配置成调节输入级（Pre_amp）的增益和/或二端子模式配置网络的相应的可调节电路元件的至少一个阻抗值。

7.根据权利要求3至5中的任何一项所述的电子电路（10），其中二端子模式配置网络包括至少一个可调节片上电阻器。

8.根据权利要求3至7中的任何一项所述的电子电路（10），其中二端子模式配置网络包括与第二电阻器（RLDC）并联地布置的第一电阻器（RLAC），其中第一电阻器（RLAC）可与电容器（CL）串联连接。

9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的电子电路（10），其中测量电路（P_det）包括峰值检测器。

10.根据权利要求1至9中的任何一项所述的电子电路（10），其中可调节负载包括可调节电阻器。

11.根据权利要求1至10中的任何一项所述的电子电路（10），其中可调节负载包括可切换电阻器阵列。

12.根据权利要求1至11中的任何一项所述的电子电路（10），其中输出级（T_amp）包括晶体管放大器。

13.根据权利要求1至12中的任何一项所述的电子电路（10），其中换能器（MEMS）是差分换能器。

14.一种麦克风（2），其包括根据权利要求1至13中的任何一项所述的电子电路（10）并且包括换能器（MEMS）。

15.根据权利要求14所述的麦克风（2），其中换能器（MEMS）是用微机电系统技术制造的。