CN108141222B

CN108141222B - 用于麦克风的电子电路和麦克风

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Publication number: CN108141222B
Application number: CN201580083703.8A
Authority: CN
Inventors: G.罗卡; D.H.萨塞内; F.康索; M.德布拉西; M.格拉西; P.马尔科瓦蒂; A.巴斯基罗托
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2035-10-09
Also published as: JP2018535575A; US10516942B2; CN108141222A; EP3360256A1; JP6551716B2; WO2017059927A1; US20190082258A1

Abstract

电子电路（5）包括具有可配置的分辨率和模式选择器（30）的Σ‑Δ调制器（20）。Σ‑Δ调制器（20）是在至少两种操作模式中选择性地可操作的。模式选择器（30）被配置为取决于外部提供的控制信号（CTRL）确定想要的操作模式并且根据所确定的操作模式选择Σ‑Δ调制器（20）的分辨率。

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。更进一步地，本发明涉及包括该电子电路的麦克风。麦克风可以是按照MEMS（微机电系统）技术制备的。

背景技术

用于现代便携式设备（如智能电话、平板、相机、膝上型计算机）的数字麦克风需要处置不同的场景。例如，数字麦克风被用于记录语音命令以及高质量视频。记录语音命令是具有针对带宽和动态范围的降低的要求的低性能应用。但在这种情况下麦克风不得不连续运行，从而就不放空便携式设备的电池而言功率消耗是重要的。在高质量视频的情况下，音频质量是最重要的，而对功率消耗的要求不是那么重要。

发明内容

本发明的目的是提供具有可配置的性能和功率消耗的电子电路和麦克风。

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

根据第一方面，通过用于麦克风的电子电路来区分出本发明。电子电路包括具有可配置的分辨率和模式选择器的Σ-Δ调制器。Σ-Δ调制器是在至少两个操作模式中选择性地可操作的。模式选择器被配置为取决于外部提供的控制信号确定想要的操作模式，并且根据所确定的操作模式选择Σ-Δ调制器的分辨率。

这具有如下的优点：电子电路可以在芯片面积要求、复杂性和功率消耗方面被以灵活和经济的方式重新配置。主要对用于麦克风的电子电路中的芯片面积要求和功率消耗有贡献的设备是前置放大器、Σ-Δ调制器和包括例如带隙、内部电压调节器等的功率管理单元。Σ-Δ调制器被设计为以两种或更多种操作模式工作。可以取决于操作模式来将Σ-Δ调制器的动态范围设置成不同的值。可配置的分辨率与信号噪声比（SNR）有关。模式选择器被配置为取决于外部控制信号确定想要的操作模式，并且设置电子电路的可重新配置的电路单元（特别是Σ-Δ调制器）的操作模式。以这种方式，可以根据给定的要求容易地调整性能和功率消耗。

根据第一方面的实施例，Σ-Δ调制器包括第一Σ-Δ调制器和第二Σ-Δ调制器，其中第一Σ-Δ调制器和第二Σ-Δ调制器是可级联的。以这种方式可以容易地配置不同种类的Σ-Δ调制器。

根据第一方面的进一步的实施例，Σ-Δ调制器在第一操作模式和第二操作模式下可操作，其中在Σ-Δ调制器的第一操作模式下，仅第一Σ-Δ调制器或第二Σ-Δ调制器被用于以n比特的分辨率在Σ-Δ调制器的输出上提供数字输出信号，并且其中在Σ-Δ调制器的第二操作模式中，第一Σ-Δ调制器和第二Σ-Δ调制器被级联，以使得在Σ-Δ调制器的输出上的数字输出信号被提供有m比特的分辨率。在此m高于n。在第二操作模式中，在第一Σ-Δ调制器输出上提供的第一输出信号和在第二Σ-Δ调制器的输出上提供的第二输出信号被组合。以这种方式，可以达到更高阶噪声整形，并且在第二操作模式下可以达到在Σ-Δ调制器的输出上提供的数字输出信号的更高分辨率。

根据第一方面的进一步的实施例，Σ-Δ调制器被配置为以不同的时钟频率在第一操作模式和在第二操作模式下运行。这允许进一步调整麦克风的动态范围和功率消耗。

根据第一方面的进一步的实施例，Σ-Δ调制器被配置为与在第二操作模式下相比以更低的时钟频率在第一操作模式下运行。因此，可以进一步降低在第一操作模式下的动态范围和功率消耗。

根据第一方面的进一步的实施例，第一Σ-Δ调制器和第二Σ-Δ调制器包括相同的调制器架构。以这种方式，可以降低开发和生产成本。

根据第一方面的进一步的实施例，电子电路包括用于处理电子电路的电输入信号的前置放大器。前置放大器包括可配置的供给电流，并且是在至少两个操作模式下选择性地可操作的。模式选择器被配置为根据所确定的操作模式来选择前置放大器的供给电流。优选地，当Σ-Δ调制器在低分辨率模式下操作时，前置放大器的供给电流更低。这允许进一步调整电子电路和麦克风的动态范围和功率消耗。

根据第一方面的进一步的实施例，电子电路包括可配置的功率管理单元以用于向Σ-Δ调制器和/或前置放大器提供至少一个供给电压。功率管理单元被配置为提供至少一个可配置的供给电压并且是在至少两个操作模式下选择性地可操作的。模式选择器被配置为根据所确定的操作模式选择由功率管理单元提供的至少一个供给电压。优选地，当Σ-Δ调制器在低分辨率模式下操作时，功率管理单元的输出供给电压或供给电压更低。这允许进一步调整电子电路和麦克风的动态范围和功率消耗。

根据第一方面的进一步的实施例，模式选择器包括频率鉴别器，并且外部提供的控制信号是时钟信号。这允许电子电路的成本有效的生产。

根据第一方面的进一步的实施例，模式选择器包括存储器，存储器被配置用于设置Σ-Δ调制器的分辨率和/或前置放大器的供给电流和/或由功率管理单元提供的至少一个供给电压。

根据第二方面，通过包括换能器（MEMS）和根据第一方面的电子电路的麦克风来区分出本发明。

电子电路可以包括如上面所描述的任何结构和功能特征。关于麦克风描述的特征在此也被关于电子电路来公开并且反之亦然，即便并未明确地在特定方面的情形下提及相应的特征。

根据第二方面的实施例中，换能器是按微机电系统技术制备的。换能器可以包括电容器。特别是，声学输入信号可能造成换能器的电容的改变。相应地，麦克风可以是电容器或电容器麦克风。换能器可以包括膜片和一个或多个背板。

根据第三方面，通过操作根据第二方面的麦克风的方法来区分出本发明，方法包括选择第一或第二模式的步骤以及在所选择的模式下操作麦克风的步骤。

附图说明

根据有关于各图的对示例性实施例的以下描述，进一步的特征、改良和便利将变得明显。各图为如下：

图1是麦克风的第一示例性实施例的框图；并且

图2是麦克风的第二示例性实施例的框图。

具体实施方式

图1示出包括电子电路5的麦克风1的示意图。电子电路5可以是专用电子电路（ASIC）。电子电路5可以被制备为管芯。

麦克风1可以包括换能器10——特别是MEMS换能器——以用于将声学输入信号转换为电信号。作为示例，换能器10可以包括诸如硅或砷化镓的半导体材料。换能器10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在1微米到10微米的范围内。换能器10可以例如被配置为差分换能器或被配置为单端换能器。

麦克风1可以包括MEMS管芯和包括电子电路5的ASIC管芯。所示出的电子电路5也可以与不同于MEMS换能器的换能器一起使用。例如，麦克风1可以被使用在头戴式耳机中。

换能器10电连接到电子电路5。特别是，电子电路5可以处理换能器10的信号。

电子电路5包括例如前置放大器40、滤波器50、Σ-Δ调制器20、功率管理单元60和模式选择器30。

Σ-Δ调制器20接收由前置放大器40和可选地由滤波器50预处理的来自换能器10的信号，并且在电子电路5的输出上提供数字输出信号DATA。

Σ-Δ调制器20包括可配置的分辨率，并且取决于外部提供的控制信号Ctrl而是在至少两个操作模式下选择性地可操作的。

例如，Σ-Δ调制器20包括第一Σ-Δ调制器21和第二Σ-Δ调制器22，其中第一Σ-Δ调制器21和第二Σ-Δ调制器22是可级联的。

Σ-Δ调制器20可以包括多级噪声整形（MASH）架构。

第一Σ-Δ调制器21和第二Σ-Δ调制器22的每个可以包括第二阶调制器。第一Σ-Δ调制器21和第二Σ-Δ调制器22可以被配置为包括第二阶连续时间Σ-Δ调制器的连续时间Σ-Δ调制器。

这样的第二阶连续时间Σ-Δ调制器包括两个调制器级211、212，两个调制器级211、212的每个具有模拟积分器、用于不同地加权输入信号和反馈信号的加权元件、以及用于在模拟积分器的输入上提供输入信号和反馈信号的差分信号的差分元件。

例如，第一Σ-Δ调制器21和第二Σ-Δ调制器22的每个包括钟控量化器220以及钟控数字到模拟转换器230，钟控量化器220在其输出上提供转换器输出信号，钟控数字到模拟转换器230用于将模拟反馈信号提供到相应的调制器级211、212的输入。

在Σ-Δ调制器20的第一操作模式下，Σ-Δ调制器20被配置以使得只有第一Σ-Δ调制器21被用于在Σ-Δ调制器20的输出上提供数字输出信号DATA，其中被用于以n比特的分辨率在Σ-Δ调制器20的输出上提供数字输出信号DATA，其中分辨率与SNR有关。以这种方式，可以达到例如具有-40dB/dec斜率的第二阶噪声整形。

在Σ-Δ调制器20的第二操作模式下，Σ-Δ调制器20被配置以使得第二Σ-Δ调制器22和第一Σ-Δ调制器21被级联，以使得在Σ-Δ调制器20的输出上的数字输出信号DATA被提供有m比特的分辨率，其中m高于n。以这种方式，可以达到例如具有-80dB/dec斜率的第四阶噪声整形。

在第二操作模式下，Σ-Δ调制器20的数字输出信号DATA的分辨率与在第一操作模式下相比更高。在第二操作模式，第二Σ-Δ调制器22的输出被耦合到第一Σ-Δ调制器21的输入。更进一步地，例如通过重新组合滤波器80对在第二Σ-Δ调制器22的输出上提供的第二输出信号HMB和在第一Σ-Δ调制器21的输出上提供的第一输出信号LMB进行组合。

重新组合滤波器的目的是基于第一Σ-Δ调制器21的输出来消除第二Σ-Δ调制器22的量化噪声。

第一输出信号LMB和第二输出信号HMB例如是1比特信号。重新组合滤波器80的输出处的比特的数目取决于操作模式。例如，在其中只有第一输出信号LMB被使用的低模式下，重新组合滤波器80的输出等于重新组合滤波器80的输入。这可以是通过旁路重新组合滤波器80来实现的。

在高模式下，第一Σ-Δ调制器21的输入和第二Σ-Δ调制器22的输入都被输入到重新组合滤波器80。但是，例如，输出可以不是2比特，而实际上是3比特，因为存在5个输出水平，因此要求3比特。这是由于重新组合滤波器80的滤波操作。在高模式下，SNR被改善，因为调制器的量化噪声被两个第二阶调制器进行第4阶噪声整形。

更进一步地，Σ-Δ调制器20可以被配置为以不同的时钟频率在第一操作模式下和第二操作模式下运行。这允许进一步调整麦克风1的动态范围和功率消耗。

电子电路5的模式选择器30被配置为取决于外部提供的控制信号Ctrl来选择Σ-Δ调制器20的分辨率。

电子电路5的前置放大器40被配置为处理例如由换能器10提供的电子电路5的电输入信号。

优选地，前置放大器40包括可配置的供给电流并且是取决于外部提供的控制信号Ctrl而在至少两个操作模式下选择性地可操作的。在这方面，模式选择器30被进一步配置为取决于所选择的操作模式来选择前置放大器40的供给电流。

功率管理单元60被配置用于将至少一个供给电压VDD1、VDD2提供到Σ-Δ调制器20和/或前置放大器40。功率管理单元60被配置为提供至少一个可配置的供给电压VDD1、VDD2并且是在至少两个操作模式下选择性地可操作的。在这方面，模式选择器30被配置为根据所确定的操作模式选择由功率管理单元60提供的至少一个供给电压VDD1、VDD2。

模式选择器30可以被配置为取决于外部提供的控制信号Ctrl，通过提供模式控制信号opmod来控制电子电路5的给定的配置开关S1、S2、S3的设置。电子电路5可以包括这样的配置开关S1、S2、S3以用于耦合和解耦合第一和第二Σ-△调制器21、22和在前置放大器40的开关电阻器阵列（在图1中未示出）中的一个或多个配置开关以用于调整前置放大器40的供给电流。

电子电路5以及因此麦克风1可以是在第二模式下可操作的，第二模式可以是高分辨率模式，其中Σ-Δ调制器20的数字输出信号DATA的分辨率为高。更进一步地，前置放大器40的供给电流可以被增加，因此生成更低的噪声和更低的失真。Σ-Δ调制器20可以是被利用更高的频率（例如4MHz）进行钟控的。这导致第四阶噪声整形和更高的SQNR，但是也导致更高的电流消耗。

电子电路5以及因此麦克风1也可以是在第一模式下可操作的，第一模式可以是低功率模式，其中Σ-Δ调制器20的数字输出信号DATA的分辨率可以是低的，并且与第二模式相比前置放大器40的供给电流可以被减小到例如20％。Σ-Δ调制器20可以是被利用更低的频率（例如700kHz）进行钟控的。这导致第二阶噪声整形和低功率消耗。

模式选择器30可以包括频率鉴别器，并且外部提供的控制信号Ctrl可以是时钟信号。频率鉴别器可以使用给定的频率门限值以用于设置第一或第二操作模式。例如，如果时钟信号的频率低于给定的频率门限，则模式选择器30可以设置第一操作模式。如果时钟信号的频率高于或等于给定的频率门限，则模式选择器30可以设置第二操作模式。

替换地或附加地，模式选择器30可以包括如图2中所示的存储器90。存储器90可以被配置用于将电子电路5设置于第一或第二模式。特别是，存储器90可以是可编程的以用于选择模式中的一个。存储器90例如被配置用于设置Σ-Δ调制器20的分辨率和/或前置放大器40的供给电流和/或由功率管理单元60输出的至少一个供给电压VDD1、VDD2。

存储器90可以包括控制输入和时钟输入。存储器90是通过特别是经由控制管脚从外部访问控制输入而可编程的。取决于提供到控制输入的输入信号，存储器90将电子电路5切换到在第一或第二模式下工作。存储器90例如包括一次性可编程存储器。

参考标号：

1麦克风

5电子电路

10换能器

20Σ-Δ调制器

21第一Σ-Δ调制器

22第二Σ-Δ调制器

30模式选择器

40前置放大器

50滤波器

60功率管理单元

80重新组合滤波器

90存储器

211，212调制器级

220量化器

230数字到模拟转换器

Ctrl控制信号

DATA电子电路的数字输出信号

HMB第二输出信号

LMB第一输出信号

opmode模式控制信号

S1，S2，S3配置开关

VDD1，VDD2供给电压。

Claims

1.一种用于麦克风（1）的电子电路（5），电子电路（5）包括前置放大器（40）和Σ-Δ调制器（20）、可配置的功率管理单元（60）和模式选择器（30），其中

前置放大器（40）被配置为处理电子电路（5）的电输入信号并且提供用于Σ-Δ调制器（20）的预处理的输出信号，前置放大器（40）包括可配置的供给电流并且是在至少两种操作模式中选择性地可操作的，

模式选择器（30）被配置为根据所确定的操作模式选择前置放大器（40）的供给电流，

Σ-Δ调制器（20）是在至少两个操作模式中选择性地可操作的，并且模式选择器（30）被配置为取决于外部提供的控制信号CTRL确定想要的操作模式，并且根据确定的操作模式选择Σ-Δ调制器（20）的分辨率，

可配置的功率管理单元（60）被配置用于向Σ-Δ调制器（20）和/或前置放大器（40）提供至少一个供给电压VDD1/VDD2并且是在至少两个操作模式中选择性地可操作的，并且模式选择器（30）被进一步配置为根据所确定的操作模式选择由功率管理单元（60）提供的至少一个供给电压VDD1/VDD2，其中与在Σ-Δ调制器操作于第二模式中时相比在Σ-Δ调制器操作于第一模式中时功率管理单元的所述至少一个供给电压更低。

2.根据权利要求1所述的电子电路（5），Σ-Δ调制器（20）包括第一Σ-Δ调制器（21）和第二Σ-Δ调制器（22），其中第一Σ-Δ调制器（21）和第二Σ-Δ调制器（22）是可级联的。

3.根据权利要求2所述的电子电路（5），其中第一Σ-Δ调制器（21）和第二Σ-Δ调制器（22）包括相同的调制器架构。

4.根据权利要求1所述的电子电路（5），Σ-Δ调制器（20）是在第一操作模式下和在第二操作模式下可操作的，其中：

在Σ-Δ调制器（20）的第一操作模式下，仅第一Σ-Δ调制器（21）或第二Σ-Δ调制器（22）被用于以n比特的分辨率在Σ-Δ调制器（20）的输出上提供数字输出信号DATA，以及

在Σ-Δ调制器（20）的第二操作模式下，第一Σ-Δ调制器（21）和第二Σ-Δ调制器（22）被级联以使得在Σ-Δ调制器（20）的输出上的数字输出信号DATA被提供有m比特的分辨率，其中m高于n。

5.根据权利要求1或2所述的电子电路（5），其中Σ-Δ调制器（20）被配置为以不同的时钟频率在第一操作模式下以及在第二操作模式下运行。

6.根据权利要求1至3中的任何一项所述的电子电路（5），其中Σ-Δ调制器（20）被配置为与在第二操作模式下相比以更低的时钟频率在第一操作模式下运行。

7.根据权利要求1所述的电子电路（5），其中模式选择器（30）包括频率鉴别器并且外部提供的控制信号Ctrl是时钟信号。

8.根据权利要求1所述的电子电路（5），其中模式选择器（30）包括存储器（90），存储器（90）被配置用于设置Σ-Δ调制器（20）的分辨率。

9.根据权利要求1所述的电子电路（5），其中模式选择器（30）包括存储器（90），存储器（90）被配置用于设置由功率管理单元（60）提供的所述至少一个供给电压VDD1/VDD2。

10.根据权利要求1所述的电子电路（5），其中模式选择器（30）包括存储器（90），存储器（90）被配置用于设置前置放大器（40）的供给电流。

11.一种包括根据权利要求1所述的电子电路（5）以及换能器（10）的麦克风（1）。

12.根据权利要求11所述的麦克风（1），其中换能器（10）是采用微机电系统MEMS技术制备的。

13.一种操作根据权利要求11所述的麦克风（1）的方法，所述方法包括如下步骤：选择第一或第二模式；以及在所选择的模式下操作麦克风（1）。