CN110572761A - Mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

实施例提供了一种MEMS麦克风，其包括MEMS麦克风单元和连接在MEMS麦克风单元下游的调制器。调制器被配置为向待调制的信号施加定义的相移。

Description

MEMS麦克风
技术领域
实施例涉及MEMS麦克风。其他实施例涉及用于操作MEMS麦克风的方法。其他实施例涉及包括两个MEMS麦克风的MEMS麦克风模块。一些实施例涉及利用移相器的空闲音降低。
背景技术
当使用某些输入信号(例如，恒定输入信号)时，在Σ-ΔADC和数字调制器中出现不期望的音调(限制周期)。例如，音调可能出现在有用频带中，这在音频应用中特别成问题(听得见)。另一方面，特别是当使用单比特调制器时，在Fs/2附近出现强限制周期。
所述限制周期在有用频带中引起干扰效应(立体声噪声)，例如在立体声麦克风应用中。由于大约采样率的一半Fs/2的限制周期的互调和对参考的干扰，干扰分量也可能出现在有用频带中。
最小化限制周期的常用方法是添加所谓的抖动信号(伪随机信号)。该信号通常在量化器前面被馈入。该方法的缺点在于，它降低了SNR(特别是当使用单比特调制器时，不可接受的高电平将必须被用于抖动信号以便最小化大约采样率的一半Fs/2的限制周期)。
发明内容
实施例提供了一种MEMS麦克风，其包括MEMS麦克风单元和连接在MEMS麦克风单元下游的调制器。调制器被配置为向待调制的信号施加定义的相移。
附图说明
本文中参考附图描述实施例。
图1示出了包括第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风的MEMS麦克风模块的示意性框图；
图2示出了数字MEMS麦克风的示意性框图；
图3示出了根据一个实施例的MEMS麦克风的示意性框图；
图4示出了根据一个实施例的调制器的示意性框图；
图5示出了根据详细实施例的调制器的示意性框图；
图6示出了根据一个实施例的数字立体声MEMS麦克风模块的示意性框图；
图7以图解示出了在频率上绘制的图1的MEMS麦克风模块的立体声噪声(立体声)，其中调制器没有移相器，并且为了比较示出了在频率上绘制的单个MEMS麦克风的调制器的噪声(单声道)；
图8以图解示出了在频率上绘制的图6的MEMS麦克风模块的立体声噪声(立体声)，其中调制器具有移相器，并且为了比较示出了在频率上绘制的单个MEMS麦克风的调制器的噪声(单声道)；
图9以图解示出了当使用没有移相器的调制器时在采样频率的一半Fs/2处的明显的限制周期；
图10以图解示出了当使用具有移相器的调制器时极大地减小的限制周期；以及
图11示出了根据一个实施例的用于操作MEMS麦克风的方法的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了多个细节以提供对本发明的实施例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实现本发明的实施例。在其他情况下，众所周知的结构和设备以框图形式而不是详细示出，以避免模糊本发明的实施例。另外，除非另外特别说明，否则下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
如上面在背景技术部分中已经提到，当使用某些输入信号(例如，恒定输入信号)时，在Σ-ΔADC和数字调制器中出现不期望的音调(限制周期)。例如，音调可能出现在有用频带中，这在音频应用中特别成问题(听得见)。另一方面，特别是当使用单比特调制器时，在Fs/2附近出现强限制周期。
所述限制周期在有用频带中引起干扰效应(立体声噪声)，例如在立体声麦克风应用中。由于大约采样率的一半Fs/2的限制周期的互调和对参考的干扰，干扰分量也可能出现在有用频带中。
此外，当使用以立体声操作的两个麦克风时，可能出现干扰效应(立体声噪声)。
在随后参考图3至图11描述本发明的实施例之前，首先将参考图1和图2详细解释该效果。
图1示出了包括第一MEMS麦克风102_1和第二MEMS麦克风102_2的MEMS麦克风模块100的示意性框图。换言之，图1示出了立体声模式应用的示意性框图。
第一MEMS麦克风102_1包括第一MEMS麦克风单元104_1、第一放大器单元106_1(例如，源极跟随器)、第一模数转换器(ADC)108_1、第一数字滤波器109_1和第一调制器110_1。第二MEMS麦克风102_2包括第二MEMS麦克风单元104_2、第二放大器单元106_2(例如，源极跟随器)、第二模数转换器(ADC)108_2、第二数字滤波器109_2和第二调制器110_2。
如图1所示，两个MEMS麦克风102_1和102_2可以经由单个线路114连接到例如数字信号处理器(DSP)。配置位116(选择L/R)可以用于确定哪个MEMS麦克风102_1和102_2利用时钟的上升沿来被扫描并且哪个利用时钟的下降沿来被扫描。源自电荷反转效应的附加功率耗散经由热声效应在音频带中引起干扰(立体声噪声)。立体声噪声导致性能(SNR)下降。
除了其他参数(例如，电源电压)之外，立体声噪声主要由数字调制器的限制周期决定，如图2所示。
详细地，图2示出了数字MEMS麦克风102的示意性框图。数字MEMS麦克风102包括MEMS麦克风单元104、放大器单元106(例如，源极跟随器)、模数转换器(ADC)108、数字滤波器109、数字增益单元111和数字调制器110。如图2所示，模数转换器(ADC)108、数字滤波器109、数字增益单元111和数字调制器110以时钟频率Fs(或采样频率或采样率)进行操作。
当使用单比特调制器时，作为原则问题，在采样频率的一半Fs/2附近出现强限制周期。如果大约采样频率的一半Fs/2的限制周期被成功减小或甚至最小化，则立体声噪声也会减小。
随后，描述减小大约采样频率的一半Fs/2的限制周期的实施例。
图3示出了根据一个实施例的MEMS麦克风102的示意性框图。MEMS麦克风102包括MEMS麦克风单元104和连接在MEMS麦克风单元104下游的调制器110。调制器110被配置为向待调制的信号120施加定义的相移(例如，在调制之前)，该信号例如由MEMS麦克风单元104提供的信号或从其导出的信号，诸如存在于调制器110的输入122处的信号120或从其导出的信号(例如，存在于调制器110的输入122处的信号120的滤波版本；例如，调制器的信号链的信号)。
在实施例中，可以通过向待调制的信号120施加相移来减小限制周期(例如，在采样频率的一半Fs/2附近)。
在实施例中，调制器110可以是数字调制器或模数转换器，诸如Σ-Δ模数转换器(例如，开关电容器Σ-Δ模数转换器或连续时间Σ-Δ模数转换器)。
在实施例中，调制器110可以是单比特调制器，即，被配置为在每个采样周期在其输出处提供单个比特的调制器。
如图3中作为示例所示，调制器110可以包括移相器124，其被配置为向待调制的信号120施加定义的相移。
此外，调制器110可以包括连接在移相器124下游的量化器126。量化器126可以被配置为量化由移相器124提供的待调制的信号120的相移版本128。
图4示出了根据一个实施例的调制器110的示意性框图。如图4所示，调制器110可以包括移相器124，其被配置为向待调制的信号120施加相移。待调制的信号120可以是存在于调制器110的输入122处的信号或从其导出的信号，诸如存在于调制器的输入122处的信号的滤波版本(例如，由环路滤波器130滤波)。此外，调制器110可以包括量化器126，其被配置为量化由移相器124提供的信号120'，即，待调制的信号120的相移版本120'。
在实施例中，调制器110(或更确切地说，移相器124)可以被配置为向待调制的信号120施加延迟作为相移。例如，延迟可以等于待调制的信号120的采样周期。
换言之，图4示出了其中借助于移相器124来减小在采样率的一半Fs/2附近的限制周期的调制器110。如图4所示，可以在调制器110中使用移相器124以便减小甚至最小化大约采样率的一半Fs/2的限制周期。在最简单的情况下，延迟(扫描系统的一个时钟周期)可以用作移相器。在反馈系统中，死区时间(延迟)对性能产生负面影响，因此仅插入必要量的死区时间。
图5示出了根据详细实施例的调制器110的示意性框图。调制器110包括环路滤波器130、移相器124和量化器126，其中移相器124被配置为向待调制的信号120施加延迟，其中延迟可以等于待调制的信号120的采样周期或其分数或倍数。
移相器124可以例如借助于延迟器140、第一组合器(例如，减法器)141、数字增益单元142和第二组合器(例如，加法器)143来实现。延迟器140可以被配置为将移相器的输入信号120(＝待调制的信号120)延迟一个采样周期或其分数或倍数，以便获得延迟信号144。第一组合器141(例如，减法器)可以被配置为组合(例如，相减)输入信号120和延迟信号144，以便获得组合信号145。数字增益单元142可以被配置为向组合信号145施加在a＝0与a＝2之间、优选地在a＝0与a＝1之间的可变增益，以获得信号146。虽然在0≤a≤1范围内的增益值提供更好的结果，但是本发明也可以利用更高的增益值(例如，a＝2)来实现。第二组合器142(例如，加法器)可以被配置为组合(例如，相加)信号146和延迟信号144，以便获得移相器的输出信号120'(＝待调制的信号的延迟版本120')。
换言之，图5详细地示出了其中借助于移相器124来减小在采样率的一半Fs/2附近的限制周期的调制器110。由此，图5示出了具有实现分数延迟的滤波器的调制器110(相移仅是采样周期的分数)。可以利用系数a来调节相移。利用a＝0，实现一个采样周期的相移，当选择a＝1时，不发生相移。对于在其之间的值，相移在0到一个采样周期的范围内。当然，实施例也可以使用大于1(a>1)的增益值，诸如a＝2，或者使用在a＝1与a＝2(例如，1<a≤2)之间的范围内的增益值。
在实施例中，在调制器(ADC或数字调制器)中，借助于移相器在采样率的一半Fs/2附近可以减小或甚至最小化限制周期。这也减小甚至最小化立体声噪声。
本文中描述的实施例提供以下优点中的至少一个。首先，实施例能够独立于L/R位而减小立体声噪声。其次，实施例避免了附加偏移。第三，实施例可以在立体声应用中与来自其他制造商的麦克风组合。第四，实施例提供了有效的实现。第五，在实施例中，相移可以实现为可切换的(系数a的水平相关变化)，从而实现附加的改进。第六，实施例通常可以被用作用于调制器的抖动方法。
以上讨论适用于数字调制器和开关电容器Σ-ΔADC。两种调制器都可以被视为扫描系统，并且可以如上面描述地进行相移。然而，实施例也可以应用于连续时间Σ-ΔADC。在这种情况下，相移也可以例如借助于反相器链来发生。
随后，描述数字立体声MEMS麦克风模块的详细实施例。
图6示出了根据一个实施例的数字立体声MEMS麦克风模块100的示意性框图。数字立体声MEMS麦克风模块100包括第一数字MEMS麦克风102_1和第二数字MEMS麦克风102_2。
第一数字MEMS麦克风102_1包括第一MEMS麦克风单元104_1、第一放大器单元106_1(例如，源极跟随器)、第一模数转换器(ADC)108_1、第一数字滤波器109_1和第一调制器110_1，其中第一调制器110_1被配置为向待调制的信号120施加相移以便减小例如大约采样率的一半Fs/2的限制周期。
第二MEMS麦克风102_2包括第二MEMS麦克风单元104_2、第二放大器单元106_2(例如，源极跟随器)、第二模数转换器(ADC)108_2、第二数字滤波器109_2和第二调制器110_2，其中第二调制器110_2被配置为向待调制的信号120_2施加相移以便减小例如大约采样率的一半Fs/2的限制周期。
如图6中作为示例所示，第一调制器110_1和第二调制器110_2可以被配置为向待调制的信号施加延迟作为相移，其中延迟可以等于一个采样周期的一部分。例如，第一调制器110_1和第二调制器110_2都可以如图5的实施例中所示地实现，并且在移相器的滤波器链中施加增益值a＝0.7。当然，第一调制器110_1和第二调制器110_2也可以在移相器的滤波器链中施加不同的增益值。
此外，如图6所示，两个MEMS麦克风102_1和102_2可以经由单个线路114连接到例如数字信号处理器(DSP)。配置位116(选择L/R)可以用于确定哪个MEMS麦克风102_1和102_2利用时钟的上升沿来被扫描并且哪个利用时钟的下降沿来被扫描。
换言之，图6示出了立体声应用(ASIC)的数字滤波器路径的示意性框图。显然，使用具有相移(a＝0.7)的调制器。
随后，参考图7至图10讨论图6所示的立体应用的模拟结果。
图7以图解示出了在频率上绘制的图1的MEMS麦克风模块的立体声噪声(立体声)，其中调制器没有移相器，并且为了比较示出了在频率上绘制的单个MEMS麦克风的调制器的噪声(单声道)。由此，纵坐标表示以dBFS为单位的水平，其中横坐标表示以Hz为单位的频率。换言之，图7示出了没有相移(a＝1)的调制器的立体声噪声。
图8以图解示出了在频率上绘制的图6的MEMS麦克风模块的立体声噪声(立体声)，其中调制器具有移相器，并且为了比较示出了在频率上绘制的单个MEMS麦克风的调制器的噪声(单声道)。由此，纵坐标表示以dBFS为单位的电平，其中横坐标表示以Hz为单位的频率。换言之，图8示出了由于相移(a＝0.7)的效应而减小的立体声噪声。
图9以图解示出了当使用没有相移(a＝1)的调制器时在采样频率的一半Fs/2处的明显的限制周期。由此，纵坐标表示以dB为单位的幅度，其中横坐标表示以Hz为单位的频率。
图10以图解示出了当使用具有相移(a＝0.7)的调制器时极大减小的限制周期。由此，纵坐标表示以dB为单位的幅度，其中横坐标表示以Hz为单位的频率。
图11示出了根据一个实施例的用于操作MEMS麦克风的方法200的流程图。MEMS麦克风包括MEMS麦克风单元和连接在MEMS麦克风单元下游的调制器。方法200包括由调制器向待调制的信号施加定义的相移的步骤202。
实施例提供了一种MEMS麦克风，其包括MEMS麦克风单元和连接在MEMS麦克风单元下游的调制器，其中调制器被配置为向待调制的信号(例如，要由调制器进行调制的信号；例如，存在于调制器的输入处的信号或从其导出的信号；例如，调制器的信号链的信号)施加(例如，在调制之前)定义的相移。
在实施例中，调制器被配置为向待调制的信号施加定义的相移以便减小调制器的限制周期。
在实施例中，调制器被配置为向待调制的信号施加可调节相移。
在实施例中，调制器被配置为根据待调制的信号的水平来调节相移。
在实施例中，调制器被配置为向待调制的信号施加延迟作为相移。
在实施例中，延迟等于待调制的信号的采样周期或其分数或倍数。
在实施例中，调制器是数字调制器。
在实施例中，调制器是Σ-Δ模数转换器。
在实施例中，调制器是单比特调制器。
在实施例中，调制器包括被配置为向待调制的信号施加定义的相移的移相器。
在实施例中，调制器包括连接在移相器下游的量化器。
实施例提供了一种MEMS麦克风模块，其包括第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风，其中第一MEMS麦克风包括第一MEMS麦克风单元和连接在第一MEMS麦克风单元下游的第一调制器，其中第一调制器被配置为向待调制的信号施加定义的相移，其中第二MEMS麦克风包括第二MEMS麦克风单元和连接在第二MEMS麦克风单元下游的第二调制器，其中第二调制器被配置为向待调制的信号施加定义的相移。
在实施例中，第一MEMS麦克风和第二MEMS麦克风的调制器被配置为向待调制的信号施加不同的相移。
其他实施例提供了一种用于操作MEMS麦克风的方法，该MEMS麦克风包括MEMS麦克风单元和连接在MEMS麦克风单元下游的调制器，其中该方法包括由调制器向待调制的信号施加定义的相移的步骤。
其他实施例提供了一种计算机程序，用于当在计算机或微处理器上运行时执行用于操作MEMS麦克风的方法，该MEMS麦克风包括MEMS麦克风单元和连接在MEMS麦克风单元下游的调制器，其中该方法包括由调制器向待调制的信号施加定义的相移的步骤。
其他实施例提供了一种用于操作MEMS麦克风的装置，该MEMS麦克风包括MEMS麦克风单元和连接在MEMS麦克风单元下游的调制器，其中该装置包括用于通过调制器向待调制的信号施加定义的相移的步骤的部件。
尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是显然这些方面也表示相应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面还表示相应装置的相应块或项目或特征的描述。一些或所有方法步骤可以由(或使用)硬件装置来执行，例如微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，一个或多个最重要的方法步骤可以由这样的装置来执行。
根据某些实现要求，本发明的实施例可以用硬件或软件实现。实现可以使用其上存储有电子可读控制信号的数字存储介质来执行，例如软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或FLASH存储器，这些信号与可编程计算机系统协作(或能够与其协作)从而执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例包括一种具有电子可读控制信号的数据载体，这些信号能够与可编程计算机系统协作，从而执行本文中描述的方法之一。
通常，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码可操作用于当计算机程序产品在计算机上运行时执行这些方法之一。程序代码可以例如存储在机器可读载体上。
其他实施例包括存储在机器可读载体上的用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序。
换言之，本发明方法的实施例因此是一种具有程序代码的计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，该程序代码用于执行本文中描述的方法之一。
因此，本发明方法的另一实施例是一种数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，其包括记录在其上的用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非暂态的。
因此，本发明方法的另一实施例是一种表示用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接、例如经由因特网进行传输。
另一实施例包括一种被配置为或适于执行本文中描述的方法之一的处理装置，例如计算机或可编程逻辑设备。
另一实施例包括一种计算机，其上安装有用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序。
根据本发明的另一实施例包括一种装置或系统，其被配置为将用于执行本文中描述的方法之一的计算机程序(例如，电子地或光学地)传送到接收器。接收器可以是例如计算机、移动设备、存储器设备等。该装置或系统可以例如包括用于将计算机程序传送到接收器的文件服务器。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本文中描述的方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以便执行本文中描述的方法之一。通常，这些方法优选地由任何硬件装置执行。
本文中描述的装置可以使用硬件装置、或使用计算机、或使用硬件装置和计算机的组合来实现。
本文中描述的装置或本文中描述的装置的任何部件可以至少部分地以硬件和/或软件来实现。
本文中描述的方法可以使用硬件装置、或使用计算机、或使用硬件装置和计算机的组合来执行。
本文中描述的方法或本文中描述的装置的任何部件可以至少部分地由硬件和/或软件来执行。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。参考说明书，本领域技术人员将清楚说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (15)

1.一种MEMS麦克风(102)，包括：
MEMS麦克风单元(104)，以及
调制器(110)，连接在所述MEMS麦克风单元(104)下游，
其中所述调制器(110)被配置为向待调制的信号(120)施加定义的相移。
2.根据前述权利要求所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)被配置为向所述待调制的信号(120)施加所述定义的相移以便减小所述调制器的限制周期。
3.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)被配置为向所述待调制的信号(120)施加可调节相移。
4.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)被配置为根据所述待调制的信号(120)的水平来调节所述相移。
5.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)被配置为向所述待调制的信号(120)施加延迟作为所述相移。
6.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述延迟等于所述待调制的信号的采样周期或所述采样周期的分数或倍数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)是数字调制器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)是Σ-Δ模数转换器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)是单比特调制器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)包括被配置为向所述待调制的信号(120)施加所述定义的相移的移相器(124)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS麦克风(102)，
其中所述调制器(110)包括连接在所述移相器(124)下游的量化器(126)。
12.一种MEMS麦克风模块(100)，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的第一MEMS麦克风(102_1)，以及
根据前述权利要求中任一项所述的第二MEMS麦克风(102_2)。
13.根据前述权利要求所述的MEMS麦克风模块(100)，
其中所述第一MEMS麦克风(102_1)和所述第二MEMS麦克风(102_2)的调制器(110_1、110_2)被配置为向所述待调制的信号施加不同的相移。
14.一种用于操作MEMS麦克风(102)的方法(200)，所述MEMS麦克风(102)包括MEMS麦克风单元(104)和连接在所述MEMS麦克风单元(104)下游的调制器(110)，其中所述方法(200)包括：
由所述调制器(110)向待调制的信号(120)施加(202)定义的相移。
15.一种计算机程序，用于当在计算机或微处理器上运行时执行根据前述权利要求所述的方法。
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