CN110291718A - 校准麦克风截止频率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种在包括反馈环路的音频信号电路中的系统和方法，该反馈环路具有联接到电流数模转换器(IDAC)的数字滤波器，该方法包括将来自IDAC的输出信号提供给音频信号电路的模拟元件，当数字滤波器的输出没有输入到IDAC时，来自IDAC的输出信号基于给IDAC的基准信号输入。该系统和方法还包括将音频信号电路的输出信号与基准进行比较，以及校准音频信号电路以将音频信号电路的输出信号与基准相对应。当数字滤波器的输出被输入到IDAC时，音频信号电路的校准使得能够更精确地控制麦克风信号的截止频率。

Description

校准麦克风截止频率的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年2月14日提交的美国临时专利申请第62/459,031号的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

提供以下描述以帮助读者理解。所提供的信息或所引用的参考文献均不被认为是现有技术。

麦克风现在广泛用于各种应用中，例如智能电话、移动电话、平板电脑、耳机、助听器、传感器、汽车等。降低这些麦克风中的噪声是获得优良音质的关键。现今的麦克风由于其配置和操作方式而具有局限性。

附图说明

图1是麦克风组件的示意图。

图2是图1的麦克风组件的电路的简化示意图。

图3是图1的麦克风组件的电路的另一简化示意图。

图4是概述用于校准图1的麦克风组件的截止频率(cut-off frequency)的操作的流程图。

图5是概述用于校准图2和图3的电路的放大器的操作的另一流程图。

图6是概述用于校准图2和图3的电路的电流数模转换器的操作的又一流程图。

图7A是示出使用具有变化截止频率的两个麦克风组件对波束形成的影响的笛卡儿图。

图7B是示出使用具有匹配截止频率的两个麦克风组件形成的复合波束与使用具有不匹配截止频率的两个麦克风组件形成的另一复合波束的比较的极坐标图。

具体实施方式

本发明总体上涉及用于更精确地设置麦克风信号的截止频率的系统和方法。截止频率通常由反馈环路中的数字滤波器控制，但是截止频率的精确控制需要知道环路增益。因此，本发明还涉及用于设置或调节麦克风信号处理或电路的环路增益以更好地控制麦克风的截止频率的系统和方法。该处理电路包括：放大器，其用于放大麦克风信号；模数转换器，其用于将放大后的麦克风信号转换为数字信号；以及抽取器，其用于对数字信号的频率进行下采样。然后，抽取器的输出被提供给装置(例如，智能电话)的主处理器，以用于进一步处理和使用。处理电路还包括反馈环路，具体地内部反馈环路。反馈环路经由电流数模转换器(IDAC)将抽取器的输出返回到组合块。组合块从麦克风的换能器接收声信号，并将该声信号与反馈环路的输出进行组合以获得麦克风信号，该麦克风信号然后被输入到放大器中。

处理电路的环路增益可以通过控制放大器或IDAC来调节。可以通过调节放大器的增益来控制放大器。IDAC可以通过电流数模转换器的源电流的模拟调节来控制。还可以在IDAC之前(例如，在输入处)使用增益的数字调节来控制IDAC。通过使用放大器或IDAC来调节处理电路的环路增益，可以精确地控制麦克风的灵敏度和麦克风的截止频率。

对麦克风信号的截止频率的精确控制改善了音质，能够对可能使放大器过载的低频进行滤波，并且允许制造具有紧密匹配/相同截止频率的麦克风。具有更好匹配截止频率的麦克风能够实现更好的多麦克风波束形成性能。

图1是麦克风组件100，其具有微机电系统(MEMS)声传感器105或管芯(die)以及将声信号(例如，空气压力的变化)转换成电信号的处理电路110。MEMS传感器105可以实现为电容式或电容器传感器，或者实现为压电传感器。在图1中，MEMS管芯是具有背板135和膜片140的电容式传感器。可选地，可以使用一些其它声传感器。麦克风组件100包括限定封闭容积145的壳体115。壳体115包括基座120和紧固到其上的盖125，盖125封闭并保护MEMS传感器105和设置在该盖中的处理电路110。壳体115中的端口150允许MEMS传感器105感测壳体外部的气压变化。基座120可以实施为类似FR4的分层材料，其中嵌入的导体形成PCB。盖125可以实施为金属罐或分层FR4材料，其也可以包括嵌入的导体。盖125或盖子也可以由其它材料如塑料和陶瓷形成，并且可以包括电磁屏蔽。在一些实施例中，壳体115包括在其表面上的多个外部触点，这些外部触点形成用于在回流或波峰焊操作中与主机装置集成的外部装置接口。在一个实施例中，接口包括电源、接地、时钟、数据和选择触点。然而，构成接口的特定触点通常取决于在麦克风组件100和主机装置之间传送数据的协议。这些协议包括但不限于PDM、声线(SoundWire)、I2S和I2C以及其它已知和将来的协议。

处理电路110(本文也称为电路、音频信号处理电路或音频信号电路)被配置为从MEMS传感器105接收声信号。MEMS传感器105可以使用一个或多个接合线130在工作上连接到处理电路110。在其它实施例中，可使用其它连接机构(例如，通孔、迹线、电连接器等)将MEMS传感器105电连接到处理电路110。处理电路110从MEMS传感器105接收声信号以用于进一步处理，且在处理声信号之后，处理电路将经处理的声信号提供到另一计算或主机装置(例如，智能电话)以供使用。

这里只公开了麦克风组件100中用于适当理解本发明所必需的那些部件。期望或必需的是，用于执行本文所述功能的若干其它部件(例如，电动机、电荷泵、电源、滤波器、电阻器等)被设想并视为在本发明的范围内。

另外，在本发明的范围内可以设想和考虑几种变型。例如，虽然处理电路110和MEMS传感器105被示为分离的部件，但是在一些实施例中，处理电路和MEMS传感器可以一起集成到单个部件中。在一些实施例中，MEMS传感器105和处理电路110中的一者或两者可以使用例如混合信号互补金属氧化物半导体装置的半导体管芯来构成。在其它实施例中，可使用其它技术来构造MEMS传感器105和处理电路110。在一些实施例中，处理电路110可以被配置为专用集成电路(ASIC)。

在图2中，处理电路200的简化电气示意图包括：具有第一输入节点210和第二输入节点215的放大器205。第一输入节点210从组合块220接收麦克风信号，组合块220组合换能器230(这里也称为声换能器)的模拟声信号225和电流数模转换器(IDAC)240的输出235。放大器205的第二输入节点215连接到虚拟地(virtual ground)。为简单起见，处理电路200被示为单端系统(例如，来自换能器230的单个输出和来自IDAC 240的单个输出)。在其它实施例中，处理电路200可被配置为差分系统。

在差分系统中，放大器205可用于支持来自换能器230的差分信号，而不是将第二输入节点215连接到虚拟地。在差分系统中，换能器230被配置为生成两个输出。换能器230的第二输出可以是与声信号225相比的反相输出。同样地，IDAC 240被配置为在差分系统中产生两个输出，并且第二输出可以是与IDAC的输出235相比的反相信号。在差分系统中，来自换能器230的第二输出可以与来自IDAC 240的第二输出在类似于组合块220的组合块中进行组合，并且组合块的输出可以被提供给第二输入节点215。因此，在差分系统中，第二输入节点215可以通过负节点(未示出)连接到换能器230的负差分输出(未示出)，该负节点还包括来自IDAC 240的负输出(未示出)。

在一些实施例中，组合块220是加和块，其将来自换能器230的声信号225与来自IDAC 240的输出235进行加和。在一些实施例中，不使用组合块220，可以直接将来自IDAC240的输出235连接到来自换能器230的声信号225。如本文中所使用，“直接连接”意指通过导电路径而无任何中间有源装置(例如晶体管)，但可能通过无源部件(例如电阻器、电容器、电迹线、电线等)。在其它实施例中，可以使用将来自换能器230的声信号225与来自IDAC240的输出235进行组合的其它机制。虽然已将组合块220描述为加和块，但在其它实施例中，可使用将来自换能器230的声信号225与来自IDAC 240的输出235进行组合的其它机制。在一些实施例中，声信号225和输出235可以彼此相减而不是相加。也可以使用将声信号225与输出235组合的其它功能。

通过将来自换能器230的声信号225与来自IDAC 240的输出235进行组合，可以对可能以其它方式输入到放大器中的低频进行滤波。这种滤波防止放大器205被声信号225的低频分量(例如噪声分量)过载。通过减少放大器205处的过载，放大器能够接收和处理麦克风信号的整个动态范围，而没有不可接受的失真。在一些实施例中，通过使用来自IDAC 240的输出235来抑制来自换能器230的声信号225中的这些低频。输出235提供抵消或抑制声信号225的低频分量的反相低频分量，使得输入到第一输入节点210中的麦克风信号基本上没有声信号225的低频分量。

放大器205在没有(或基本上没有)低频分量的情况下在第一输入节点210处接收麦克风信号，并将麦克风信号放大为放大后的麦克风信号245，然后将放大后的麦克风信号245输入到模数转换器(ADC)250中。放大器205可以配置有特定增益。放大器205的“增益”是指放大器的放大能力，在一些实施例中，放大器的放大能力被表示为放大器的输出(例如，放大后的麦克风信号245)与放大器的输入(例如，第一输入节点210处的麦克风信号)的比率。在一些实施例中，调节放大器205的增益以获得麦克风组件100的更精确的截止频率。

在放大器205中设想了各种变化。在一些实施例中，放大器205是全差分放大器，其产生具有正信号分量255和负信号分量260的差分或平衡格式的放大麦克风信号245。在其它实施例中，放大器205可以是以单端格式产生放大后的麦克风信号245的标准放大器。在一些实施例中，放大器205可以是交流放大器或直流放大器。一般而言，放大器205可以是适于执行本文所述的功能的任何放大器。此外，虽然仅示出了放大器205的单个实例，但是在一些实施例中，可以使用串联连接的放大器的多个实例或其它拓扑结构。同样地，在一些实施例中，放大器205可以使用多个增益级、滤波器、或在获得放大后的麦克风信号245以执行本文所述的功能时被认为是必要或期望的其他部件。

来自放大器205的放大后的麦克风信号245被输入到ADC 250中。ADC 250被配置为接收、采样和量化放大后的麦克风信号245，并生成相应的数字麦克风信号265，然后将其输入到抽取器270。因此，ADC 250接收模拟信号(例如，放大后的麦克风信号245)并将该模拟信号转换为数字信号(例如，数字麦克风信号265)。

ADC 250还可以以多种方式来配置。在一些实施例中，ADC 250适于以多比特格式来输出数字麦克风信号。在其它实施例中，ADC 250被配置为产生单比特格式的数字麦克风信号265。在一些实施例中，ADC 250基于∑-Δ转换器(∑Δ)，而在其它实施例中，ADC基于任何其它类型的转换器，诸如闪速ADC、数据编码ADC、威金生(Wilkinson)ADC、流水线ADC等。ADC 250还可被配置为，在特定取样频率或取样率下产生数字麦克风信号265。在一些实施例中，数字麦克风信号265的采样频率可以处于2MHz和20MHz之间，例如3.072MHz。在其它实施例中，采样频率可以变化。

ADC 250可以将数字麦克风信号265输入到抽取器270中。抽取器270对数字麦克风信号265进行下采样，以减小数字麦克风信号的数据大小(也称为数据率)。在一些实施例中，抽取器270可以通过降低数字麦克风信号的采样频率来对数字麦克风信号265进行下采样。例如，抽取器270可以将数字麦克风信号265从3.072MHz频率下采样到大约384KHz。在其它实施例中，根据数字麦克风信号265的采样频率和期望的下采样频率，抽取器270可以下采样到其它频率。在下采样之后，抽取器270输出下采样麦克风信号275。

虽然未示出，但是在一些实施例中，下采样麦克风信号275可以作为输入而被传输到其他部件(例如，内插器、数字-数字转换器等)，以便在被输入到接收装置(例如，智能电话)的主处理器以供使用之前进行进一步处理。下采样麦克风信号275也可以提供给反馈环路280。反馈环路280经由至少数字环路滤波器285、IDAC 240和组合块220将下采样麦克风信号275提供回到放大器205的第一输入节点210。

下采样麦克风信号275可以被输入到反馈环路280的数字环路滤波器285中。数字环路滤波器285根据可调或固定传递函数，对下采样麦克风信号275进行滤波，以生成数字反馈信号290，然后将该数字反馈信号290输入到IDAC 240中。IDAC 240可用于向连接到IDAC的输出235的电容元件(未示出)提供电流，或从连接到IDAC的输出235的电容元件(未示出)吸收电流。IDAC 240可以将本质上是数字的数字反馈信号290转换为本质上是模拟的信号。IDAC 240还可以以各种方式来配置。在一些实施例中，IDAC 240可以由多个单独可控的电流发生器组成，这些电流发生器可以被选择性地配置成源电流或吸收电流。IDAC 240的其它配置也被设想并视为在本发明的范围内。

IDAC 240的输出235被反馈到组合块220中。因此，反馈环路280将模拟反馈信号(例如，输出235)提供回组合块220，在那里它与来自换能器230的声信号225组合并输入回到放大器205的第一输入节点210中。

虽然在反馈环路280中仅示出了数字环路滤波器285和IDAC 240，但是在一些实施例中，可以提供附加的或不同的部件。在一些实施例中，反馈环路280可以包括脉宽调制器和脉冲幅度调制器、滤波器、其他数模转换器、放大器等。同样地，虽然在反馈环路280外部的处理电路中仅示出了放大器205、ADC 250和抽取器270，但是可以使用被认为是执行本文所述的功能所期望或必需的其他部件，例如滤波器、调制器等。另外，虽然仅示出了ADC250、抽取器270、数字环路滤波器285和IDAC 240的单个实例，但是在一些实施例中，可以在处理电路200中使用这些部件中的一个或多个的多个实例。在一些实施例中，上述部件中的一个或多个可以作为单个部件集成在一起。

此外，通过使用反馈环路280，并且在将麦克风信号输入到放大器205的第一输入节点210之前，在组合块220中将来自反馈环路的输出235与来自换能器230的声信号225进行组合，处理电路200有效地防止了放大器205和/或ADC 250处的低频过载。来自换能器230的声信号225中的低频分量可能是不希望的噪声分量，其可能由例如麦克风组件100暴露于由风噪声、大型机械等产生的强亚音速或低频声音而引起。通过抑制声信号225中的这些低频分量，处理电路200消除了放大器205对低频分量引起的过载和失真的脆弱性，该过载和失真由放大器的晶体管之类的有源放大元件的饱和及非线性引起。

来自换能器230的声信号225中的不期望的低频分量可以用截止频率(也称为滚降频率(roll-off frequency))来表示。在一些实施例中，截止频率可以被设置为，使得低于截止频率的所有频率分量被认为是不期望的低频分量，该不期望的低频分量可以通过使用输出235而被抑制，而不损害并且可能改善所得到的麦克风信号的音质。因此，可以通过改变换能器230的截止频率响应，来调节麦克风组件100的噪声本底。根据使用麦克风组件100的应用，麦克风的截止频率可以变化。

传统上，麦克风(例如，麦克风组件100)的截止频率已经使用模拟滤波器来调节。当使用模拟滤波器时，通常在制造期间设置截止频率，并且截止频率一旦被设置，则不能被改变。因此，当使用模拟滤波器时，截止频率不容易编程。在其它传统方法中，可以使用麦克风(例如，麦克风组件100)中的数字滤波器。数字滤波器通常还在制造期间被编程以设置特定的截止频率，并且可以是可编程的，也可以不是可编程的。然而，如上所述，截止频率的精确控制需要知道环路增益。

在图3中，处理电路300包括换能器305，其声信号310在作为麦克风信号被输入到放大器335的第一输入节点330之前，在组合块325中与IDAC 320的输出315进行组合。放大器335对麦克风信号进行放大，以产生放大后的麦克风信号340，然后将放大后的麦克风信号340输入到ADC 345。ADC 345将本质上是模拟的放大后的麦克风信号340转换为数字麦克风信号350。

来自ADC 345的数字麦克风信号350被输入到抽取器355用于下采样。来自抽取器355的下采样麦克风信号360然后被转发，用于额外处理和使用(例如，转发到接收装置的主处理器)。与包括反馈环路280的图2的处理电路200相反，图3的处理电路300中的反馈环路被打断，或者换句话说，断开。具体地，来自抽取器355的下采样麦克风信号360不经由数字环路滤波器(例如，数字环路滤波器285)和IDAC320反馈回组合块325。相反，在处理电路300中，产生具有已知振幅和频率的基准波形或信号的波发生器365连接到IDAC 320的输入370。

来自波发生器365的基准信号可用于通过校准IDAC 320特别是通过校准IDAC的源电流或增益来设置环路增益。通过校准IDAC 320的源电流或增益，可以更精确地设置麦克风组件100的截止频率。波发生器365可以是能够产生正弦波或方波形式的任何类型的波发生器。

处理电路300可被配置为包括若干变型。类似于处理电路200，处理电路300的各种部件的配置可随逐个实施例而变化。在处理电路300中还可使用可能需要或希望执行本文所述功能的其它或额外部件。

在图4中，示出了概述用于调节麦克风信号(例如，来自麦克风组件100)的截止频率的处理400的操作的流程图。可以通过调节处理电路(例如，处理电路200)的环路增益来调节麦克风信号的截止频率。可至少部分地通过校准IDAC(例如，IDAC240)或至少部分地通过校准放大器(例如，放大器205)，来调节处理电路的环路增益。此外，通过校准放大器，可以调节麦克风的灵敏度。

在操作405开始之后，在操作410处断开处理电路的反馈环路。在图2中，通过从抽取器270断开下采样麦克风信号275并从反馈环路移除数字环路滤波器285，来断开反馈环路280。在图4中，在操作415处校准放大器。在一些实施例中，可以在断开反馈环路之前校准放大器。因此，可以切换或颠倒操作410和操作415的顺序。通过调节放大器的增益来校准放大器。在一些实施例中，截止频率还取决于换能器中的输入电容器的大小和MEMS传感器的任何寄生电容。输入电容和寄生电容对截止频率的影响也可以通过调节放大器的增益来衰减。图5中讨论了放大器的校准。

在操作420处，波发生器被插入到处理电路中。在图2中，通过从反馈环路280移除数字环路滤波器285并在IDAC的输入处连接波发生器来插入波发生器，如图3所示。在图4中，在操作425处，校准IDAC。通过调节IDAC的电流，或者通过调节电流源的值(模拟调节)或者通过调节IDAC的输入的增益(数字调节)，来校准IDAC。图6中讨论了IDAC的校准。在校准IDAC之后，在操作430处恢复反馈环路。在图2中，通过断开波发生器，并且将数字环路滤波器285连接回反馈环路以从抽取器270中接收下采样麦克风信号275并将数字反馈信号290输出到IDAC240中，来恢复反馈环路280。因此，在校准IDAC之后对处理电路200的配置进行恢复。然后，图4的处理400在操作435处结束。

虽然处理400示出了在校准IDAC之前对放大器进行校准，但是在一些实施例中，可以在校准放大器之前对IDAC进行校准。有利地，通过在校准IDAC之前对放大器进行校准，可以精确地(或基本上精确地)确定期望通过校准IDAC来设置的截止频率，以还考虑在放大器校准期间所考虑的各种电容容差(例如寄生电容)。此外，在一些实施例中，使用外部音调(例如，信号)进行放大器的校准，并且使用内部测试音调(例如，信号)进行IDAC的校准以调节截止频率。因此，可以沿着处理400的任何操作对放大器进行校准，只要可以使用外部音调来校准放大器，并且可以使用内部测试音调来校准IDAC。例如，在一些实施例中，可以在操作420和操作425之间对放大器进行校准，或者如上所述，在操作410之前进行校准。在一些实施例中，放大器和IDAC的校准可以使用两个单独的频率信号同时(或基本上同时)进行。

另外，在一些实施例中，放大器和IDAC的校准以及麦克风信号的截止频率的控制可以在芯片内部或者在主处理器外部进行。

因此，调节麦克风信号的截止频率涉及两种类型的校准：放大器的第一校准和IDAC的第二校准。换句话说，调节截止频率包括通过校准放大器和校准IDAC来校准处理电路。

在图5中，示出了概述用于校准放大器335的处理500的操作的流程图。校准放大器335的目的是调节麦克风(例如麦克风组件100)的灵敏度，使得截止频率以上的电平相同。通过调节放大器的增益来校准放大器335。在一些实施例中，调节放大器335的增益还用于调整(例如，减小)麦克风组件100的寄生电容和其它容差电容的影响，从而实现更高质量的声输出(例如，下采样麦克风信号275)。当放大器335产生差分输出(例如，经放大的麦克风信号340)时，差分输出的负分量和正分量(例如，放大后的麦克风信号245的正信号分量255和负信号分量260)中的每一者可具有与其相关联的寄生电容。在这些情况下，可能需要针对负分量和分量中的每一者来调节放大器335的增益以解决这些分量的寄生电容。

因此，在操作505开始之后，在操作510处产生声信号。该声信号是来自换能器305的声信号310。在一些实施例中，可以使用电荷泵产生声信号。在其它实施例中，可以使用产生声信号的其它机制。

在组合块325中，声信号310与IDAC 320的输出315进行组合，以获得麦克风信号。在反馈环路280在对放大器335进行校准之前被断开的那些实施例中，来自IDAC 320的输出315可以是零或接近零(例如，因为波发生器365不产生用于IDAC的输入信号，从而不产生输出315)，使得组合块325的输出(例如麦克风信号)基本上等同于沿放大器335的第一输入节点330输入的声信号310。在反馈环路280在放大器335被校准之后被断开的那些实施例中，声信号310可以在作为麦克风信号沿着放大器的第一输入节点330被输入之前与来自IDAC320的输出315进行组合。在一些实施例中，九十四分贝声压级一千赫(94dBSPL@1kHz)信号可用作声信号310。在其它实施例中，可以使用不同强度的声信号。

在操作515处，声信号由放大器335放大以获得放大后的麦克风信号。放大后的麦克风信号可以是具有正信号分量和负信号分量的差分信号。放大后的麦克风信号由ADC345转换成数字麦克风信号，并由抽取器355进行下采样。在开始放大器335的校准处理之前，在一些实施例中，确定处理电路300是否按期望运转。

抽取器355的输出(例如，下采样麦克风信号360)可被测量，以确认处理电路300正按期望运转。例如，在一些实施例中，如果响应于麦克风信号从抽取器355的输出(例如，下采样麦克风信号360)测量到响应(例如，可听响应)，则处理电路300正在正常运转。如果从抽取器355的输出(例如，下采样麦克风信号360)没有测量到响应，则处理电路300可能发生故障，并且可能需要在校准放大器335之前进行修复。

如果从抽取器355的输出(例如，下采样麦克风信号360)测量到响应，则在操作520处，开始校准放大器335的处理。在一些实施例中，ADC 345的输出可用于确定处理电路300是否按期望运转，以及用于进行如下所述的用于校准放大器的各种测量。放大器335可以被配置为生成具有正信号分量和负信号分量的差分信号。调节放大器335对于负信号分量和正信号分量中的每一个的增益以校准放大器。

因此，在操作520处，放大后的麦克风信号340的负信号分量被静音。在一些实施例中，负信号分量可以通过将该分量连接到虚拟地而被静音。在其它实施例中，可以使用使负信号分量静音的其它机制，使得负信号分量的值基本上为零。通过使放大后的麦克风信号340的负信号分量静音，只有放大后的麦克风信号的正信号分量被输入到ADC 345。ADC 345将放大后的麦克风信号340的正信号分量转换为数字信号，然后由抽取器355对该数字信号进行下采样，以产生下采样的麦克风信号360。

在操作525处测量抽取器355的下采样麦克风信号360。在一些实施例中，在操作525处测量ADC 345的输出。在一些实施例中，可以通过使用滤波或使用快速傅立叶变换值来测量测试音调周围的电平(例如，均方根值)，来测量下采样麦克风信号360或ADC 345的输出。在其它实施例中，可以使用测量下采样麦克风信号360或ADC 345的输出的其它机制。通过测量抽取器355的下采样麦克风信号360(或ADC 345的输出)，可以计算麦克风组件100的灵敏度。

麦克风组件100的灵敏度是声信号310、抽取器355的下采样麦克风信号360(或ADC345的输出信号)和放大器335的增益的函数。通过针对操作510的声信号310测量抽取器355的下采样麦克风信号360(或ADC 345的输出)，并且知道放大器335的增益，可以计算麦克风组件100的灵敏度。如果所计算的灵敏度不在期望范围内，则可以调节放大器335的增益，直到获得麦克风组件100的期望灵敏度。

因此，对放大器335的校准引起对麦克风组件100的灵敏度进行调节。通过调节麦克风组件100的灵敏度，可以调节麦克风组件100可能对其敏感的噪声水平。可以调节麦克风组件100的灵敏度，使得麦克风组件可以忽略低于麦克风组件截止频率的频率分量。根据使用麦克风组件100的应用，可能需要高或低的灵敏度。一般而言，具有较高灵敏度的麦克风组件在下采样麦克风信号275处产生较高的输出电压，因此在放大器335处需要较小的增益。另一方面，具有较低灵敏度的麦克风组件在下采样麦克风信号275处产生较低的输出电压，因此需要放大器335处的较大增益。因此，可以调节麦克风组件100的灵敏度以获得期望的截止频率。

因此，在操作530处，将计算出的麦克风组件100的灵敏度与预定或基准值进行比较，该预定或基准值对应于麦克风组件的期望灵敏度。如果所计算的灵敏度不对应于(例如，匹配或落入)期望灵敏度，则调节放大器335的增益，直到获得麦克风组件100的期望灵敏度值为止。在一些实施例中，放大器335的增益可以以四分之一分贝(0.25dB)的增量改变。在其它实施例中，放大器335的增益可以以其它增量改变。在改变放大器335的增益的每次迭代中，测量下采样麦克风信号360并计算麦克风组件100的灵敏度，直到获得麦克风组件的期望灵敏度为止。

在一些实施例中，不是递增地改变放大器335的增益直到获得期望的灵敏度为止，而是可以使用查找表来确定对应于麦克风组件100的灵敏度的期望水平的放大器的增益。通过使用查找表，而非必须递增地增加或减少放大器335的增益和计算麦克风组件100的灵敏度值，该查找表可以用于在单个步骤中为期望的灵敏度值确定放大器的正确增益。在一些实施例中，如果期望灵敏度值不在查找表中，则查找表仍然可以用于查找更接近期望灵敏度的增益，然后可以递增地改变放大器的增益，直到实现期望灵敏度为止，从而使迭代次数最小化。因此，通过使用查找表可以更快地实现麦克风组件100的期望灵敏度。

一旦针对放大后的麦克风信号340的正信号分量调节放大器335的增益，则在操作535处对在操作520处静音的负信号分量取消静音。在一些实施例中，负信号分量可以通过移除虚拟地连接或反转用于使分量静音的机制来解除静音。

在操作540处，放大后的麦克风信号340的正信号分量被静音。同样，正信号分量可通过将该分量连接到虚拟地或通过使用另一机制来被静音。此时，放大后的麦克风信号340的负信号分量不被静音，正信号分量被静音。现在在操作545处和操作550处对负信号分量重复调节放大器335的增益的处理，直到麦克风组件100的计算灵敏度对应于反映麦克风组件的期望灵敏度的预定值或基准值为止。

在一些实施例中，可以通过将放大器的增益设置为在操作530处针对正信号分量确定的增益值，来开始针对负信号分量调节放大器335的增益的处理。在其它实施例中，可以使用不同的增益值作为起始点。此外，在一些实施例中可以使用查找表。而且，在一些实施例中，放大器335的增益值对于负信号分量和正信号分量可以相同。在其它实施例中，负信号分量的增益值可以不同于正信号分量的增益值。连续调节放大器335的增益，直到获得期望的麦克风灵敏度。

在操作555处，在获得麦克风组件100对放大器335的输出的负信号分量的期望灵敏度之后，在操作540处静音的正信号分量被取消静音。当负信号分量和正信号分量都未静音时，在操作560处再次测量下采样麦克风信号360(或ADC 345的输出)。如果操作560处的下采样麦克风信号360(或ADC 345的输出)对应于操作565处的预定值(其反映麦克风组件100的期望灵敏度)，则在操作570处完成放大器335的校准，并且处理500在操作575处结束。如果在操作565处，麦克风组件100的灵敏度不是所期望的，则处理500返回到操作520，并且再次为放大后的麦克风信号340的正信号分量和负信号分量中的每一个设置放大器335的增益，直到获得所期望的灵敏度为止。

对处理500的各种修改被设想并视为在本发明的范围内。例如，虽然处理500描述了首先将放大后的麦克风信号340的负信号分量静音并调节放大器335对于正信号分量的增益，但是在其他实施例中，可以首先将正信号分量静音以调节放大器对于负信号分量的增益。另外，在放大器335产生单端放大麦克风信号的那些实施例中，可以调节放大器的增益而不必使信号分量静音/取消静音。

虽然已经将处理500描述为使用具有对应于各种灵敏度值的放大器335的增益值的查找表，但是在一些实施例中，可以使用其它或附加的查找表。例如，在一些实施例中，可以使用具有对应于麦克风组件100的灵敏度的下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出的值)的查找表，从而可以使用查找表来确定对应于所测量的下采样麦克风信号(或ADC的输出)的灵敏度，而不是在每次测量下采样麦克风信号(或ADC 345的输出)之后计算麦克风的灵敏度。另外，在一些实施例中，负信号分量的期望灵敏度(例如，操作530处的预定值)可以不同于正信号分量的期望灵敏度(例如，操作550处的预定值)。这又可能不同于期望的总灵敏度(例如，操作565处的预定值)。在一些实施例中，可以设置操作530和操作550处的预定值，使得获得操作565处的预定值。

在一些实施例中，可能希望在处理500的各种操作之间等待一段时间(例如，几分之一秒)。例如，在一些实施例中，可能希望在使负信号分量或正信号分量静音和在抽取器355的输出处测量下采样麦克风信号360之间等待大约20毫秒(20毫秒)。通过在两个操作之间等待，可以耗散来自先前迭代的任何跟踪信号，防止下采样麦克风信号360的错误测量。在其它实施例中可进行其它变化以执行处理500的操作。

在一些实施例中，放大器335的校准处理的控制可以在外部进行控制和测量以校准放大器，或者可以在启动时或者当主处理器请求校准麦克风组件100时在内部进行。处理500的益处在于，可以使用上述处理来校准在正侧和负侧的每一侧中具有可能的不同增益的差分MEMS元件(例如，麦克风组件100)。

在图6中，概述处理600的操作的流程图可用于校准IDAC 320。在操作605开始之后，在操作610处禁用声信号310。在一些实施例中，可以通过禁用麦克风组件100的电荷泵来禁用声信号310。在其他实施例中，可以使用禁用声信号310的其他机制。期望在安静环境中执行处理600以避免来自可能影响IDAC 320的校准的任何杂散声音或噪声信号的干扰。在一些实施例中，可以在音箱中执行IDAC 320的校准(当在音箱中校准时，可以不需要禁用电荷泵)。在其他实施例中，可以在校准IDAC320之前使用其他机制来阻止不期望的噪声和声音。

在校准IDAC 320之前，断开反馈环路280，并将波发生器365插入断开的反馈环路中。具体地，波发生器365连接到IDAC 320的输入370。在操作615处，波发生器365产生将经由输入370输入到IDAC320中的正弦信号。在一些实施例中，波发生器365可以用于产生没有衰减的1千赫兹(1kHz)正弦波。在其它实施例中，波发生器365可以产生其它强度的信号。此外，虽然波发生器365已被描述为产生正弦信号，但在其它实施例中，波发生器可产生可用于校准IDAC 320的方波信号。

由波发生器365产生的信号经由输入370输入到IDAC 320中。在操作620处，测量抽取器355的输出(例如，下采样麦克风信号360)或ADC 345的输出。同样，可通过滤波或使用快速傅立叶变换测量来测量测试音调周围的均方根(RMS)值，来测量抽取器355的输出或ADC 345的输出。根据下采样麦克风信号360的测量值(或ADC 345的输出值)，确定是否需要调节IDAC 320的源电流或IDAC的输入增益以获得麦克风组件100的期望截止频率。通常，使用源电流或IDAC 320的输入增益来校准IDAC。

在操作625和操作630处，将下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出的值)与预定或基准值进行比较。如果下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出值)在预定值的特定百分比之外，则再次调节IDAC 320的输入的源电流或增益。在一些实施例中，可以使用介于36％和46％之间并且包括36％和46％的百分比(30-46％)，来将下采样麦克风信号360(或ADC 345的输出值)与预定值进行比较。在其它实施方案中，可以使用介于1％和5％之间并包括1％和5％的百分比(1-5％)。在其它实施例中，可以使用不同的百分比范围来将下采样麦克风信号360(或ADC 345的输出值)与预定值进行比较。

递增地调节IDAC 320的源电流或IDAC的输入的增益，直到下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出的值)对应于预定值(例如，匹配于预定值或落入预定值的指定范围内)为止。因此，可以通过调节IDAC的源电流的值(模拟调节)或者通过调节IDAC的输入的增益(数字调节)来调节IDAC的电流，从而校准IDAC 320。

预定值是对应于麦克风组件100的期望截止频率的下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出值)。通过调节IDAC 320的源电流或IDAC的输入增益，直到下采样麦克风信号360(或ADC 345的输出值)对应于预定值，可以实现期望的截止频率。在一些实施例中，可以从查找表中确定预定值，使得对于每个期望截止频率，查找表可以包括下采样麦克风信号360的相应预定值。在其它实施例中，可以使用其它机制来确定预定值。

在一些实施例中，可以定义预定值的特定范围，使得如果下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出的值)落入该范围内，则认为IDAC 320被校准。在一些实施例中，可以使用预定值的30％至46％(30-46％)的范围或1％至5％(1-5％)的范围，而在其他实施例中，可以使用其他范围值。在其它实施例中，可以不使用范围，并且可能期望下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出值)非常接近地对应于预定值。因此，根据期望的截止频率和下采样麦克风信号与之比较的预定值，一个实施例与另一个实施例的下采样麦克风信号360的可接受性范围(或ADC 345的输出值)可以不同。

因此，在操作630处，将下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出的值)与预定值进行比较。如果下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出值)在预定值的可接受范围内，则处理600进行到操作635，其中IDAC 320的校准被认为完成。如果在操作630处，下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出的值)不在预定值的指定范围内，则处理600返回到操作625，其中IDAC 320的源电流或IDAC的输入的增益被调节，并且下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出的值)被再次测量。继续进行调节IDAC 320的源电流或增益以及测量下采样麦克风信号360的值(或ADC 345的输出值)的处理，直到下采样麦克风信号的值(或ADC的输出值)对应于预定值为止。

类似于放大器335的校准，在一些实施例中可以使用查找表来校准IDAC 320。查找表可用于确定源电流的值或IDAC 320的增益。在一些实施例中，查找表可以包括用于IDAC320的截止频率和相应的源电流或增益值。通过知道截止频率，可以从查找表中确定IDAC320的相应源电流或增益值，或者对应于期望截止频率的IDAC的最接近源电流或增益值，使得IDAC的校准变得更快。

在操作635处校准IDAC 320之后，在操作640处启用提供声信号310的电荷泵或其它机构(如果其被停用)。处理600在操作645处结束。

通过校准放大器335和IDAC 320，调节了处理电路200的环路增益以设置麦克风组件100的期望截止频率。通过设置麦克风组件100的截止频率，处理电路200可以(例如，在组合块220处)滤除低于截止频率的频率，从而滤除来自换能器230的声信号225中的至少一些噪声，并改善下采样麦克风信号275的质量。在一些实施例中，在麦克风的制造期间，放大器335和IDAC 320的校准可以在启动时(例如，当麦克风组件100被组装或工厂校准时)执行，或者甚至当麦克风未被并入麦克风的应用使用时，在组装之后周期性地执行。

图7A是示出使用具有变化截止频率的两个麦克风对波束形成的影响的曲线图700。曲线图700示出了第一麦克风的信号705和第二麦克风的信号710，其中每个麦克风具有变化的截止频率。第一麦克风的信号705具有大约30赫兹(30Hz)的截止频率，第二麦克风的信号710具有大约35赫兹(35Hz)的截止频率。即使在信号705处和信号710处的截止频率之间只有5赫兹(5Hz)的差，但是当信号被组合在一起用于波束形成时，截止频率中的较小的差可能在信号之间引入相位差715。

信号705和信号710的相位的差可能导致所得到的波束(例如，当来自麦克风的波束被组合时的复合波束)中的声音失真和产生噪声，这在某些应用中(例如在助听器中)可能是不可接受的。信号705和信号710之间的相位差715可以通过匹配那些信号的截止频率来去除或至少使其最小化。

在图7B中，极坐标图720示出了当某些频率从不同角度进入麦克风时如何再现这些频率。极坐标图720相对于第二复合波束730绘制第一复合波束725。第一复合波束725由具有不同截止频率的至少两个麦克风信号形成，而第二复合波束730由具有相同(或基本相同)截止频率的至少两个麦克风信号形成。第一复合波束725的曲线在极坐标图720上表现为，从四面八方拾取包括噪声的声音的全向响应。第二复合波束730的曲线作为心形响应出现在极坐标图720上，这意味着复合波束拾取来自前方向的声音和来自后方向的一些声音，同时滤除来自其它方向的声音。因此，对于大约200赫兹(200Hz)的相同声信号，第一复合波束725和第二复合波束730产生不同的响应。

在一些应用中，例如助听器，具有最小噪声失真的优良音质可能是优选的。在这些情况下，可以优选来自复合波束的心形响应以允许某些声音并排除某些声音。可以通过匹配组合在一起以构成复合波束的各波束的截止频率来获得心形响应。通过匹配来自两个或更多麦克风的信号的截止频率以产生复合波束，可以获得优良的音质。

为了说明和描述的目的，已经给出了说明性实施例的前述描述。并不旨在穷举或限制所公开的精确形式，并且根据上述教导可以进行修改和变化，或者可以从所公开的实施例的实践中获得修改和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (19)

1.一种在包括反馈环路的音频信号电路中的方法，所述反馈环路具有联接到电流数模转换器的数字滤波器，所述方法包括如下步骤：

将来自所述电流数模转换器的输出信号提供给所述音频信号电路的模拟元件，当所述数字滤波器的输出没有被输入到所述电流数模转换器时，来自所述电流数模转换器的输出信号基于给所述电流数模转换器的基准信号输入；

将所述音频信号电路的输出信号与基准进行比较；以及

校准所述音频信号电路，以使所述音频信号电路的所述输出信号与所述基准相对应；

其中，当所述数字滤波器的输出被输入到所述电流数模转换器时，所述音频信号电路的校准使得能够更精确地控制麦克风信号的截止频率。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括如下步骤：

放大来自所述电流数模转换器的输出信号；

将放大后的信号转换为数字信号，其中，所述音频信号电路的输出信号为所述数字信号；以及

校准所述音频信号电路，直到所述数字信号对应于所述基准为止。

3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括如下步骤：

放大来自所述电流数模转换器的输出信号；

将放大后的信号转换为数字信号；

将所述数字信号下采样为下采样信号，其中，所述音频信号电路的输出信号为所述下采样信号；以及

校准所述音频信号电路，直到所述下采样信号对应于所述基准为止。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，校准所述音频信号电路包括：校准所述电流数模转换器。

5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括如下步骤：

当所述数字滤波器的输出被输入到所述电流数模转换器时，将模拟声信号与来自所述电流数模转换器的输出进行组合；以及

在校准所述电流数模转换器之前，对所述模拟声信号进行静音。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述基准信号输入提供到所述电流模数转换器中包括：提供具有已知频率和幅度的基准信号。

7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括如下步骤：

利用放大器放大来自所述电流数模转换器的输出信号；以及

通过校准所述放大器来校准所述音频信号电路。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，校准所述放大器包括：

使用所述放大器的第一输出分量来调节所述放大器的增益，直到达到期望的灵敏度为止；以及

使用所述放大器的第二输出分量来调节所述放大器的增益，直到达到期望的灵敏度为止。

9.一种音频信号电路，该音频信号电路包括：

组合块，其被配置为将模拟声信号与来自电流数模转换器的输出进行组合以获得麦克风信号；

放大器，其被配置为将所述麦克风信号放大为放大后的麦克风信号；以及

模数转换器，其被配置为将放大后的麦克风信号转换为数字麦克风信号；

反馈环路，其包括数字滤波器，所述数字滤波器联接至所述模数转换器的输出和所述电流数模转换器的输入，

其中，所述音频信号电路的环路增益被校准，以提供所述数字麦克风信号的期望的截止频率。

10.根据权利要求9所述的音频信号电路，所述音频信号电路还包括基准信号发生器，所述基准信号发生器被配置为当所述数字滤波器从所述电流数模转换器断开联接时将基准信号输入到所述电流数模转换器中，其中，当所述基准信号被施加到所述电流数模转换器且所述模拟声信号被静音时所述环路增益被校准。

11.根据权利要求9所述的音频信号电路，所述音频信号电路还包括抽取器，所述抽取器被配置为将所述数字麦克风信号转换成下采样麦克风信号，所述抽取器联接到所述模数转换器和所述数字滤波器。

12.根据权利要求9所述的音频信号电路，其中，所述音频信号电路与微机电即MEMS传感器组合，形成麦克风组件。

13.根据权利要求9所述的音频信号电路，其中，所述电流数模转换器有贡献于环路增益，并且所述电流数模转换器被校准以提供所述数字麦克风信号的期望截止频率。

14.根据权利要求9所述的音频信号电路，其中，所述放大器有贡献于环路增益，并且所述放大器被校准以提供期望的灵敏度。

15.一种麦克风组件，该麦克风组件包括：

声换能器；

音频信号电路，其连接至所述声换能器并且被配置为从所述声换能器接收声信号，所述音频信号电路包括：

组合块，其被配置为将所述声信号与来自电流数模转换器的输出进行组合，以获得麦克风信号；

放大器，其被配置为将所述麦克风信号放大为放大后的麦克风信号；

模数转换器，其被配置为将放大后的麦克风信号转换为数字麦克风信号；以及

数字滤波器，其联接到所述模数转换器和所述电流数模转换器；

其中，所述放大器被校准以提供期望的灵敏度，并且其中，所述电流数模转换器被校准以提供所述麦克风信号的期望的截止频率。

16.根据权利要求15所述的麦克风组件，所述麦克风组件还包括麦克风壳体，所述麦克风壳体被配置为封闭和支撑所述声换能器和所述音频信号电路。

17.根据权利要求15所述的麦克风组件，所述麦克风组件还包括基座，所述基座被配置为用于安装所述声换能器和所述音频信号电路。

18.根据权利要求15所述的麦克风组件，其中，所述声换能器包括微机电即MEMS传感器。

19.根据权利要求15所述的麦克风组件，其中，所述音频信号电路还包括：

抽取器，其被配置为将所述数字麦克风信号下采样为下采样麦克风信号；

其中，所述下采样麦克风信号被配置为被输入到接收装置中。