CN110868677A - 一种新型石墨烯扬声器 - Google Patents

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本发明公开一种新型石墨烯扬声器，包括发声的石墨烯及其驱动电路，所述驱动电路包括滤波器模块以及调制器模块，升压电路，所述滤波器模块以及调制器模块，升压电路依次顺序电连接，所述滤波器模块包括滤波器A模块以及滤波器B模块,所述滤波器A模块的输出端以及滤波器B模块的输入端相连接，所述滤波器B模块的输出端与调制器模块的输入端连接，升压电路的输出端与所述石墨烯的输入端相连接。本发明实现了一片石墨烯薄片代替整个发声装置，不仅大大减小了扬声器的面积，甚至还可发展为柔性可穿戴电子设备，提高了声音的声压级，改善了扬声器的失真情况。

Description

一种新型石墨烯扬声器
技术领域
本发明涉及石墨烯扬声器技术领域，特别是涉及一种新型石墨烯扬声器。
背景技术
目前市场上的扬声器大致可分为动圈式扬声器、静电式扬声器、等离子体扬声器。动圈式扬声器占据市场主导地位，具有声音柔和、功率大、易生产、成本较低、指标相对较好的优点。但因其结构限制，振膜上需带有音圈，面积会受到影响，所以很难做成微型扬声器。随着人们的生活水平逐渐提高，对于声音保真程度的追求越来越高，声音失真在3％左右的动圈式扬声器很难满足人们对于声音的美好享受，且动圈式扬声器高频失真相对比较严重。
相比于动圈式扬声器，静电式扬声器在这方面表现尤为突出，静电式扬声器发出的声音非常逼真，理论失真在0.02％左右。静电式扬声器可真实还原声音的发声场景，可让人体验到环绕立体的感觉，所以静电式扬声器作为高科技产品在近些年发展火热。但静电式扬声器仍存在一些亟待解决的弊端，静电式扬声器需要较大的极化电压，面积相对较大，设计的成本极高，这些因素限制了静电式扬声器在市场上的发展，所以目前静电式扬声器多应用于一些高端且昂贵的商品。
等离子体扬声器的技术还不太成熟，存在对低频响应很差、寿命短、功耗大、易受高压、电磁干扰等问题，所以目前等离子体扬声器多存在于发烧友的DIY阶段。
石墨烯，制造原料来源广泛，具有优异的电学特性、热学特性和力学特性。石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。又知石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，我们可以将其做成柔性可穿戴电子产品。
热致发声器的发声原理与传统的扬声器有着本质的不同。传统扬声器工作原理是扬声器的核心部件振膜依靠电能产生的各种形式的驱动力产生振动，进而促使振膜附近的气体随之振动，从而将电能转变为声能。而热致发声器无任何振动部件，其工作原理主要基于一种热声转换技术：通过对具有某种特性的加热材料进行周期性电加热，使其表面产生周期性的热信号，利用材料表面与其接触的气体之间的导热及气体热胀冷缩原理，使材料表面附近的气体产生周期性波动的温度波，温度波的存在进而导致压力的膨胀与压缩，使得加热材料表面的区域产生声波。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种新型石墨烯扬声器，解决上述目前市场上的扬声器所存在的问题，以及石墨烯模拟驱动失真较大的问题。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种新型石墨烯扬声器，包括发声的石墨烯及其驱动电路，所述驱动电路包括滤波器模块以及调制器模块，升压电路，所述滤波器模块以及调制器模块，升压电路依次顺序电连接，所述滤波器模块包括滤波器A模块以及滤波器B模块,所述滤波器A模块的输出端以及滤波器B模块的输入端相连接，所述滤波器B模块的输出端与调制器模块的输入端连接，升压电路的输出端与所述石墨烯的输入端相连接；所述滤波器模块接收声数字输入信号，完成对数字输入信号的升采样，同时滤除因升采样引入的带外噪声，所述调制器模块接收滤波器模块处理过的信号，调制输出为脉冲密度调制信号，所述升压电路将调制器模块输出的脉冲密度调制信号电压抬高后传给石墨烯，确保石墨烯准确发声。
其中，所述滤波器A模块采用2级IIR滤波器，滤波器B模块采用4级梳值滤波器，通过级联2级IIR滤波器和4级梳值滤波器实现64倍过采样和相关镜像滤波。
其中，所述调制器模块采用单环结构的delta-sigma调制结构。
其中，所述升压电路包括源极相接后接VDD的PMOS管P1与PMOS管P2,极相接后接GND的MNOS管N2与NMOS管N1；PMOS管P1的栅极与PMOS管P2的漏极相接后与VOUT端接，PMOS管P2的栅极与PMOS管P1的漏极相接，MNOS管N2与NMOS管N1的漏极分别与PMOS管P1与PMOS管P2的源极相接，MNOS管N2栅极接INPUT端，NMOS管N1的栅极通过一个非门接INPUT端。
本发明扬声器摒弃了传统发声方式，实现了一片石墨烯薄片代替整个发声装置，不仅大大减小了扬声器的面积，甚至还可以发展为柔性可穿戴电子设备。本扬声器放弃了传统的模拟驱动，采用全新的数字驱动方式，提高了声音的声压级，改善了扬声器的失真情况。
附图说明
图1为本发明的驱动电路系统示意图；
图2为滤波器模块的系统结构图；
图3为调制器模块的结构图；
图4为升压电路的结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种新型石墨烯扬声器，包括发声的石墨烯与其驱动电路，其中驱动电路包含滤波器模块、调制器模块、升压电路，所述的滤波器模接收声音信号并进行处理，所述的调制器模块接收滤波器部分处理过的信号，所述的升压电路将信号电压抬高后传给石墨烯，确保石墨烯准确发声。图1所述RST为复位信号，图1所述CLK为时钟信号。
其中，所述滤波器模块包括滤波器A模块以及滤波器B模块,所述滤波器A模块的输出端以及滤波器B模块的输入端相连接，所述滤波器B模块的输出端与调制器模块的输入端连接，升压电路的输出端与所述石墨烯的输入端相连接；所述滤波器模块接收声数字输入信号，完成对数字输入信号的升采样，同时滤除因升采样引入的带外噪声，所述调制器模块接收滤波器模块处理过的信号，调制输出为脉冲密度调制信号，所述升压电路将调制器模块输出的脉冲密度调制信号电压抬高后传给石墨烯，确保石墨烯准确发声。
其中，所述滤波器A模块采用2级IIR滤波器，滤波器B模块采用4级梳值滤波器，通过级联2级IIR滤波器和4级梳值滤波器实现64倍过采样和相关镜像滤波。图2所述A1到AN为IIR滤波器，图2所述B1到BN为梳值滤波器。
在滤波器方面，为了有效降低芯片面积，采用多级结构，IIR滤波器同FIR滤波器相比，相同级数可以更加衰减带外噪声。所以本发明滤波器A模块可以采用2级IIR滤波器，滤波器B模块可以采用4级梳值滤波器，通过级联2级IIR子滤波器和4级梳值滤波器实现64倍过采样和相关镜像滤波。
其中所述滤波器模块对数字信号插值滤波。内插滤波器为了实现信号采样率的提升，需要在原信号的样本值之间插入新的样本，插值过程必然引入镜像频率，所以还要滤波器滤除带外镜像频率，整个过程可由插值和滤波两步实现，滤波器部分完成对数字输入信号的升采样，同时滤除因升采样引入的带外噪声。
本发明中，所述调制器模块接收滤波器模块处理过的信号，调制输出为脉冲密度调制信号。调制器结构主要有单环结构、误差反馈结构和多级噪声整形结构，不同的调制结构具有不同的优势。调制器模块接收滤波器部分输出的有效数字输出，通过调制输出为脉冲密度调制信号。
优选的，调制器结构采用单环结构的delta-sigma调制结构，如图3所示。
目前主流的数字集成电路工艺所产生的电压无法满足石墨烯的驱动电压，因此，本发明在石墨烯前面加一个升压电路。还需要结合石墨烯的电阻来设计升压电路，使石墨烯的电阻与整个驱动电路电阻相匹配的情况。
其中，如图4所示，所述升压电路包括源极相接后接VDD的PMOS管P1与PMOS管P2,极相接后接GND的MNOS管N2与NMOS管N1；PMOS管P1的栅极与PMOS管P2的漏极相接后与VOUT端接，PMOS管P2的栅极与PMOS管P1的漏极相接，MNOS管N2与NMOS管N1的漏极分别与PMOS管P1与PMOS管P2的源极相接，MNOS管N2栅极接INPUT端，NMOS管N1的栅极通过一个非门接INPUT端。
其中，输入的数字信号可以是16bit数字信号，当16-bit的数字信号输入时，首先经过两级IIR滤波器，实现4倍过采样，然后再经过4个梳值滤波器级联组成的滤波器部分，实现16倍的过采样，从而整个系统实现64倍的过采样，由于DSM的限制，最终在整个滤波器部分的输出截取20-bit数字信号输入到下一级调制器模块中。
工作时的信号处理过程为输入信号经过滤波器模块实现64倍过采样，再经过调制器模块进行调制，输出为脉冲密度调制信号，再经由升压电路进行电压的升高，而后输出给石墨烯。
本发明扬声器摒弃了传统发声方式，实现了一片石墨烯薄片代替整个发声装置，不仅大大减小了扬声器的面积，甚至还可以发展为柔性可穿戴电子设备。本扬声器放弃了传统的模拟驱动，采用全新的数字驱动方式，提高了声音的声压级，改善了扬声器的失真情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种新型石墨烯扬声器，其特征在于，包括发声的石墨烯及其驱动电路，所述驱动电路包括滤波器模块以及调制器模块，升压电路，所述滤波器模块以及调制器模块，升压电路依次顺序电连接，所述滤波器模块包括滤波器A模块以及滤波器B模块,所述滤波器A模块的输出端以及滤波器B模块的输入端相连接，所述滤波器B模块的输出端与调制器模块的输入端连接，升压电路的输出端与所述石墨烯的输入端相连接；所述滤波器模块接收声数字输入信号，完成对数字输入信号的升采样，同时滤除因升采样引入的带外噪声，所述调制器模块接收滤波器模块处理过的信号，调制输出为脉冲密度调制信号，所述升压电路将调制器模块输出的脉冲密度调制信号电压抬高后传给石墨烯，确保石墨烯准确发声。
2.根据权利要求1所述新型石墨烯扬声器，其特征在于，所述滤波器A模块采用2级IIR滤波器，滤波器B模块采用4级梳值滤波器，通过级联2级IIR滤波器和4级梳值滤波器实现64倍过采样和相关镜像滤波。
3.根据权利要求1所述新型石墨烯扬声器，其特征在于，所述调制器模块采用单环结构的delta-sigma调制结构。
4.根据权利要求1所述新型石墨烯扬声器，其特征在于，所述升压电路包括源极相接后接VDD的PMOS管P1与PMOS管P2,极相接后接GND的MNOS管N2与NMOS管N1；PMOS管P1的栅极与PMOS管P2的漏极相接后与VOUT端接，PMOS管P2的栅极与PMOS管P1的漏极相接，MNOS管N2与NMOS管N1的漏极分别与PMOS管P1与PMOS管P2的源极相接，MNOS管N2栅极接INPUT端，NMOS管N1的栅极通过一个非门接INPUT端。
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