CN110290447B

CN110290447B - 直流偏置单元、麦克风工作电路和麦克风控制芯片

Info

Publication number: CN110290447B
Application number: CN201910602958.0A
Authority: CN
Inventors: 芦文
Original assignee: Shenzhen Zhongke Lanxun Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Zhongke Lanxun Technology Co ltd
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: CN110290447A

Abstract

本发明涉及直流偏置单元、麦克风工作电路和麦克风控制芯片，该直流偏置单元设置在麦克风控制芯片内，该直流偏置单元包括运算放大器、第一电阻和反馈子单元，运算放大器的反向输入端和输出端分别与反馈子单元相连接，运算放大器的输出端还与第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端作为直流偏置单元的输出端，直流偏置单元的输出端和麦克风控制芯片的信号输入端均连接在麦克风控制芯片的同一接口引脚，且接口引脚用于直接与麦克风相连接，该直流偏置单元用于为所述麦克风提供所需的直流偏置电压，使得麦克风能够通过一个接口引脚即可和麦克风控制芯片相连接就能使得麦克风正常工作，有效的降低生产工艺和生产成本。

Description

直流偏置单元、麦克风工作电路和麦克风控制芯片

技术领域

本发明涉及麦克风领域，尤其涉及一种直流偏置单元、麦克风工作电路、麦克风控制芯片和电子设备。

背景技术

Microphone(中文为麦克风)通常被定义为电路层面能将声音信号转换为电信号的一类传感器，目前市场上的麦克风通常为模拟器件，可以视作一个声控电流源，相应地，麦克风控制芯片通常设置有输入接口引脚，用于连接外部麦克风，以获取麦克风输入信号；同时，麦克风需要偏置在合适的直流工作点才能够正常工作以将语音信号转换成音频电流信号，因此对应的麦克风控制芯片上目前一般单独另外设置一个供电接口引脚以为麦克风提供合适的直流偏置电压，因此目前对应的麦克风控制芯片通常设置有两个接口引脚与麦克风相连接，工艺复杂，成本较高。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种直流偏置单元、麦克风工作电路、控制芯片和电子设备。

一种直流偏置单元，直流偏置单元设置在麦克风控制芯片内，直流偏置单元包括运算放大器、第一电阻和反馈子单元，运算放大器的反向输入端和输出端分别与反馈子单元相连接，运算放大器的输出端还与第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端作为直流偏置单元的输出端，直流偏置单元的输出端和麦克风控制芯片的信号输入端均连接在麦克风控制芯片的同一接口引脚，且接口引脚能够用于直接与麦克风相连接；

直流偏置单元用于为麦克风提供所需的直流偏置电压。

在一个实施例中，反馈子单元包括第二电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻和可调电流源，第二电阻的一端和第一反馈电阻的一端分别与运算放大器的反向输入端相连接，第二电阻的另一端接地，第一反馈电阻的另一端分别与第二反馈电阻的一端和可调电流源的一端相连接，第二反馈电阻的另一端与运算放大器的输出端相连接，可调电流源的另一端接地。

在一个实施例中，第一反馈电阻的电阻值大于第二反馈电阻的电阻值。

在一个实施例中，第一电阻和/或第二电阻采用可调电阻。

此外，还提供一种麦克风工作电路，麦克风工作电路设置在麦克风控制芯片内，麦克风工作电路包括：信号放大单元、处理单元和的直流偏置单元，信号放大单元的输入端与直流偏置单元的输出端直接相连，且信号放大单元的输出端与处理单元相连接；

直流偏置单元用于输出直流偏置电压信号至信号放大单元；

信号放大单元用于比较直流偏置电压是否大于信号放大单元自身的直流工作电压；

处理单元用于当直流偏置电压小于或等于直流工作电压时，判断接口引脚接入麦克风并设置信号放大单元处于闭环放大器模式，计算直流工作电压与直流偏置电压的压差值并根据压差值调整直流偏置单元的电路参数以使压差值满足预设电压差范围。

在一个实施例中，处理单元包括模数转换单元，模数转换单元的输入端与信号放大单元的输出端相连接。

在一个实施例中，处理单元还包括低通滤波单元，低通滤波单元的输入端与模数转换单元的输出端相连接。

在一个实施例中，信号放大单元采用可编程增益放大器元件。

此外，还提供一种麦克风控制芯片，采用上述麦克风工作电路。

此外，一种电子设备，采用上述麦克风控制芯片。

上述直流偏置单元、麦克风工作电路、控制芯片和电子设备，通过将该直流偏置单元设置在麦克风控制芯片内，该直流偏置单元包括运算放大器、第一电阻和反馈子单元，运算放大器的反向输入端和输出端分别与反馈子单元相连接，运算放大器的输出端还与第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端作为直流偏置单元的输出端，直流偏置单元的输出端和麦克风控制芯片的信号输入端均连接在麦克风控制芯片的同一接口引脚，且接口引脚用于直接与麦克风相连接，该直流偏置单元用于为麦克风提供所需的直流偏置电压，一方面能够给麦克风提供合适的直流偏置点，另一方面能够和麦克风控制芯片内部的直流电压工作点相匹配，且直流偏置单元设置在麦克风控制芯片内，外部的麦克风只需要通过一个接口引脚即可和麦克风控制芯片相连接就能正常工作，无需任何其它外围器件或者接口引脚，有效的降低生产工艺和生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1为现有技术中麦克风与麦克风控制芯片连接的电路示意图；

图2为一个实施例中一种直流偏置单元的电路结构示意图；

图3为一个实施例中一种麦克风工作电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

图1为现有技术中麦克风与麦克风控制芯片连接的电路示意图，显然麦克风控制芯片端的VDD_MIC引脚用于给麦克风供电，供电通路上至少需要一个限流电阻R1，令麦克风工作在合适的直流偏置点。此外，还需要一个电容C1，电容C1的作用有二：一是用于将麦克风的直流工作点和芯片内部电路的工作点隔离，二是将麦克风生成的音频电信号耦合到芯片。C1的取值一般是0.1uF～10uF。

从上述介绍可知，现有的麦克风正常工作需要麦克风控制芯片提供两个引脚，麦克风控制芯片外围需要至少两个元器件，工艺复杂，成本较高。

图2为一个实施例中一种直流偏置单元100的电路结构框图，该直流偏置单元100设置在麦克风控制芯片10内，直流偏置单元100 包括运算放大器A1、第一电阻R1和反馈子单元101，运算放大器A1 的反向输入端和输出端分别与反馈子单元101相连接，运算放大器A1的输出端还与第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端作为直流偏置单元100的输出端，直流偏置单元100的输出端和麦克风控制芯片10的信号输入端均连接在麦克风控制芯片10的同一接口引脚J1，且接口引脚J1能够用于直接与麦克风20相连接；

其中，直流偏置单元100用于为麦克风20提供所需的直流偏置电压。

上述直流偏置单元100一方面能够给麦克风20提供合适的直流偏置点，另一方面能够和麦克风控制芯片10内部的直流电压工作点相匹配，且直流偏置单元100设置在麦克风控制芯片10内，外部的麦克风20只需要通过一个接口引脚J1即可和麦克风控制芯片10相连接就能正常工作，无需任何其它外围器件或者接口引脚，有效的降低生产工艺和生产成本。

在一个实施例中，如图2所示，反馈子单元101包括第二电阻 R2、第一反馈电阻R3、第二反馈电阻R4和可调电流源I1，第二电阻 R2的一端和第一反馈电阻R3的一端分别与运算放大器A1的反向输入端相连接，第二电阻R2的另一端接地，第一反馈电阻R3的另一端分别与第二反馈电阻R4的一端和可调电流源I1的一端相连接，第二反馈电阻R4的另一端与运算放大器A1的输出端相连接，可调电流源 I1的另一端接地。

其中，第一反馈电阻R3的电阻值大于第二反馈电阻R4的电阻值。

其中，第一电阻R1和/或第二电阻R2采用可调电阻。

如图2所示，首先通过调节设置R1电阻值的大小，进行第一步粗调，使得直流偏置单元100的输出端J1口的电压值向上述麦克风控制芯片10的内部直流工作电压靠近，此外，可进一步可计算得到：

其中，VDD_MIC表示运算放大器A1输出端的电压，Vbg表示运算放大器A1的内部工作参考电压，R2和R3电阻值较大，一方面降低静态功耗，另一方面，R2的可调节阻值较大，方便电路实现，通过调节R2可以达到VDD_MIC以20mV/step进行变化的精度。

进一步地，通过电流源I1配合R4实现运算放大器A1输出端的电压VDD_MIC的细调，例如R4是1K，则I1每调节1uA，运算放大器A1输出端的电压VDD_MIC变化约1mV，这就实现了运算放大器 A1输出端的电压VDD_MIC的细调。

最终，通过上述直流偏置单元100，能够将上述直流偏置电压调节到上述麦克风控制芯片10对应的直流工作点能接受的误差范围内，以使麦克风20的直流偏置工作点和上述麦克风控制芯片10对应的直流工作点相匹配。

其中，上述直流偏置电压和上述麦克风控制芯片10对应的直流工作点电压的直流误差一般小于1.2mV。

上述直流偏置单元100，能够将上述直流偏置电压调节到上述麦克风控制芯片10内部对应的直流工作点能接受的误差范围内，一方面能够给麦克风20提供合适的直流偏置点，另一方面能够和麦克风控制芯片10中的内部直流电压工作点相匹配，且直流偏置单元100 设置在麦克风控制芯片10内，外部的麦克风20只需要通过一个接口引脚J1即可和麦克风控制芯片10相连接就能正常工作，无需任何其它外围器件或者接口引脚，有效的降低生产工艺和生产成本。

如图3所示，提供一种麦克风工作电路30，麦克风工作电路30 设置在麦克风控制芯片10内，麦克风工作电路30包括：直流偏置单元100、信号放大单元200和处理单元300，信号放大单元200的输入端与直流偏置单元100的输出端直接相连，且信号放大单元200的输出端与处理单元300相连接；

其中，直流偏置单元100用于输出直流偏置电压信号至信号放大单元200；

其中，信号放大单元200用于比较直流偏置电压是否大于信号放大单元200自身的直流工作电压；

处理单元300用于当直流偏置电压小于或等于直流工作电压时，判断接口引脚J1接入麦克风并设置信号放大单元200处于闭环放大器模式；

当信号放大单元200处于闭环放大器模式时，处理单元300还用于计算直流工作电压与直流偏置电压的压差值并根据压差值调整直流偏置单元100的电路参数以使压差值满足预设电压差范围。

在一个实施例中，如图3所示，处理单元300包括模数转换单元 310，模数转换单元310的输入端与信号放大单元200的输出端相连接。

在一个实施例中，如图3所示，处理单元300还包括低通滤波单元320，低通滤波单元320的输入端与模数转换单元310的输出端相连接。

在一个实施例中，信号放大单元200采用可编程增益放大器元件。

在一个实施例中，如图3所示，处理单元300同时包括模数转换单元310和低通滤波单元320，上述麦克风工作电路30的电路初始参数设计如下：运算放大器A1的内部参考电压Vbg＝1V，第一电阻 R1的调节范围是2KΩ～15KΩ，第一电阻R1初始值取值为15KΩ，第二电阻R2的取值范围是50KΩ～71.4KΩ，通过数字寄存器可以改变第一电阻R1的大小，调节步长为1KΩ，第二反馈电阻R4＝1KΩ，第一反馈电阻R3＝99KΩ。电流源可调电流源I1的取值范围是0uA～30uA，通过数字寄存器可以改变可调电流源I1的大小，调节步长为1uA，可调电流源I1＝15uA时，通过数字寄存器控制第一电阻R1使运算放大器 A1输出端的电压VDD_MIC电压在2.4V～3V之内变化，变化的步长是 25mV，接口引脚J1接入的麦克风20可视为偏置电流为200uA的器件，信号放大单元200的直流工作电压VCM为1.3V，信号放大单元 200可工作在开环模式或者闭环模式，闭环模式下通常设置有0dB和 30dB两种增益档位。

其中，上述麦克风工作电路30在正常工作时，上电后，首先需要配置可调电流源I1＝15uA，运算放大器A1输出端的电压 VDD_MIC＝2.4V，第一电阻R1＝15KΩ，信号放大单元200工作于开环模式。信号放大单元200比较直流偏置电压是否大于信号放大单元 200自身的直流工作电压VCM(1.3V)。

当直流偏置电压小于或等于1.3V时，判断接口引脚J1接入麦克风20并设置信号放大单元200处于闭环放大器模式。

其中，这是因为如果外部没有麦克风20接入，那么信号放大单元200的输入电平为2.4V，大于直流工作电压VCM值；如果有麦克风20接入，那么信号放大单元200的输入电平等于2.4V-15 KΩ*200uA<VCM。

进一步地，第一电阻R1＝8KΩ，配置信号放大单元200工作于闭环放大器模式，闭环增益0dB，即1倍增益。配置可调电流源I1＝15uA，运算放大器A1输出端的电压VDD_MIC＝2.7V，此时J1接口引脚对应的电压直流偏置输出电压VJ1大约为2.7V-8KΩ*200uA＝1.1V，通过处理单元300计算得到直流偏置输出电压VJ1与直流工作电压VCM的差值是200mV，说明第一电阻R1取值偏大，需要减小第一电阻R1，减小量约为ΔR1＝200mV/200uA＝1KΩ。

于是，进一步将第一电阻R1配置为7KΩ，保持运算放大器A1 输出端的电压VDD_MIC为2.7V，通过模数转换单元310测得直流偏置输出电压VJ1略低于1.3V，这是因为麦克风20不是纯电流型器件，电压从1.1V升高到1.3V后，偏置电流会在原200uA基础上增大一些，假设此时测到的直流偏置输出电压VJ1是1.28V。通过处理单元300 检测到该直流偏置输出电压VJ1和直流工作电压VCM的差值已经是 20mV，第一电阻R1的调节精度已经不能满足需求，所以固定第一电阻R1＝7KΩ。调节第二电阻R2，令运算放大器A1输出端的电压 VDD_MIC从2.7V升高到2.725V。

运算放大器A1输出端的电压VDD_MIC升高到2.725V后，电压直流偏置输出电压VJ1约1.28V+25mV＝1.305V，通过处理单元300检测到该直流偏置输出电压VJ1与直流工作电压VCM的差值为5mV，第二电阻R2的调节精度已经不能满足要求，固定第二电阻R2，令运算放大器A1输出端的电压VDD_MIC输出2.725V。调节可调电流源I1，令可调电流源I1从原先的15uA降低到10uA。

于是，可调电流源I1降低到10uA后，直流偏置输出电压VJ1和直流工作电压VCM的差值已经在1mV以内。此时将信号放大单元200 的增益从0dB配置到30dB，即31.6倍增益，将直流偏置输出电压VJ1 和直流工作电压VCM的误差放大31.6倍，通过处理单元300计算检测放大后的压差值，如果该压差值大于31.6mV，说明直流偏置输出电压VJ1和直流工作电压VCM的误差依然大于1mV，继续根据压差值调节可调电流源I1，直至放大后的压差值低于31.6mV/2＝15.8mV，也就是相当于上述实际压差值小于1mv，满足上述信号放大单元200 对应的直流工作点能接受的误差范围。

显然，上述麦克风工作电路30采用上述直流偏置单元100，一方面能够给麦克风20提供合适的直流偏置点，另一方面能够将上述直流偏置点和麦克风控制芯片10中内部信号放大单元200的直流工作点相匹配，且直流偏置单元100设置在麦克风控制芯片10内，外部的麦克风20只需要通过一个接口引脚J1即可和麦克风控制芯片10 相连接就能正常工作，无需任何其它外围器件或者接口引脚，有效的降低生产工艺和生产成本。

此外，还提供一种麦克风控制芯片10，采用上述麦克风工作电路30。

此外，一种电子设备，采用上述麦克风控制芯片10。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备 (可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括： U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种直流偏置单元，其特征在于，所述直流偏置单元设置在麦克风控制芯片内，所述直流偏置单元包括运算放大器、第一电阻和反馈子单元，所述运算放大器的反向输入端和输出端分别与所述反馈子单元相连接，所述运算放大器的输出端还与所述第一电阻的一端相连接，所述第一电阻的另一端作为所述直流偏置单元的输出端，所述直流偏置单元的输出端和所述麦克风控制芯片的信号输入端设置在所述麦克风控制芯片的同一接口引脚，且所述接口引脚用于直接与麦克风相连接；

所述直流偏置单元用于为所述麦克风提供所需的直流偏置电压。

2.根据权利要求1所述的直流偏置单元，其特征在于，所述反馈子单元包括第二电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻和可调电流源，所述第二电阻的一端和所述第一反馈电阻的一端分别与所述运算放大器的反向输入端相连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第一反馈电阻的另一端分别与所述第二反馈电阻的一端和所述可调电流源的一端相连接，所述第二反馈电阻的另一端与所述运算放大器的输出端相连接，所述可调电流源的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的直流偏置单元，其特征在于，所述第一反馈电阻的电阻值大于所述第二反馈电阻的电阻值。

4.根据权利要求2所述的直流偏置单元，其特征在于，所述第一电阻和/或所述第二电阻采用可调电阻。

5.一种麦克风工作电路，其特征在于，所述麦克风工作电路设置在麦克风控制芯片内，所述麦克风工作电路包括：信号放大单元、处理单元和权利要求1-4中任一项所述的直流偏置单元，所述信号放大单元的输入端与所述直流偏置单元的输出端直接相连，且所述信号放大单元的输出端与所述处理单元相连接；

所述直流偏置单元用于输出直流偏置电压信号至所述信号放大单元；

所述信号放大单元用于比较所述直流偏置电压是否大于所述信号放大单元自身的直流工作电压；

所述处理单元用于当所述直流偏置电压小于或等于所述直流工作电压时，判断所述接口引脚接入所述麦克风并设置所述信号放大单元处于闭环放大器模式，计算所述直流工作电压与所述直流偏置电压的压差值并根据所述压差值调整所述直流偏置单元的电路参数以使所述压差值满足预设电压差范围。

6.根据权利要求5所述的麦克风工作电路，其特征在于，所述处理单元包括模数转换单元，所述模数转换单元的输入端与所述信号放大单元的输出端相连接。

7.根据权利要求6所述的麦克风工作电路，其特征在于，所述处理单元还包括低通滤波单元，所述低通滤波单元的输入端与所述模数转换单元的输出端相连接。

8.根据权利要求5所述的麦克风工作电路，所述信号放大单元采用可编程增益放大器元件。

9.一种麦克风控制芯片，其特征在于，采用上述权利要求5-8中任意一项所述的麦克风工作电路。

10.一种电子设备，其特征在于，采用权利要求9所述的麦克风控制芯片。