CN1137601C - 用于麦克风的电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于放大麦克风信号的电路，包括电源和电流发生器，电流发生器以脉冲形式向诸如驻极体麦克风的麦克风提供电能。该电路以有效脉冲时间t1定时对麦克风的供电，采样电路在持续时间t2的触发脉冲内读取麦克风信号，t2从电源脉冲有效部分的后侧计算，t1比对应于采样频率1/T的时间周期T短，t1的长度足够使麦克风电流达到可用值，t2可以比t1短。
Description
技术领域
本发明涉及用于麦克风信号的放大，模拟信号处理及A/D转换的电路。
背景技术
已知在麦克风和音频技术中，将D/A转换和麦克风放大集成在一个单元，这样采样点可以尽可能接近麦克风，由此减少长信号路径引起的信号失真，噪声和交流声。从专利申请GB-A-2 293 740可知，为减小噪声脉冲，可在同一电路板上建立A/D转换器和麦克风电源，其中麦克风电源在源于A/D转换器中的采样频率的某频率下，以脉冲调制工作。该专利申请形成权利要求1两部分形式的基础。
当考虑通讯，视频和测听中的各式各样的便携式产品，以及助听器和其他微电子产品时，这些设备的重量和物理尺寸对其应用领域和市场前景有着重要的作用。
电能消耗典型地属于诸多重要因素，这些因素和相关的电池技术对于便携式设备的重量和物理尺寸有决定性作用。因此很明确，在许多方面都试图将电能消耗减至最小。
对于有源麦克风，如驻极体麦克风，一般都提供了大小为100-600μA的恒定电流。这在上述应用中会构成较高的电流消耗。
发明内容
因此本发明的主要目的是减小电流消耗。
为了实现本发明目的，提供了一种用于放大麦克风单元(MCU)信号的电路，包括：以脉冲形式向麦克风单元(MCU)提供电能的电源(SPL)，转换麦克风信号的采样电路，其中采样在1/T采样频率下进行，其特征在于：电源(SPL)在有效脉冲时间t1内以脉冲形式向麦克风单元(MCU)传输能量，而且采样电路在持续时间t2的触发脉冲下读取麦克风信号，其中持续时间t2是从电源脉冲有效部分的后侧计算，其中t1比对应于采样频率1/T的时间周期T短，并且t2比t1短。
本发明的特征还在于：所述时间周期T的长度至少是t1的10倍，而t1的长度至少是t2的10倍，其中t1约为0.2到3.0μs，t2约为0.05到0.5μs。
由此，本发明实现了电流消耗的大幅度降低，其中麦克风耦合被供以使麦克风电流达到可用值的短持续时间的电流脉冲。在这种耦合中，每工作循环电流消耗典型地只有0.01-0.03μA。
本发明的特征还在于：麦克风单元(MCU)包括麦克风(MIC)和晶体管(TMIC)，晶体管的一端直接与麦克风(MIC)连接并将其设置在麦克风(MIC)附近，从而经由第一开关(M1)向晶体管(TMIC)提供电流，其中第一开关(M1)在时间t1内连通来自电源(SPL)的电流，由此在晶体管(TMIC)中放大了的输出信号由第二开关(M2)传送给后续的采样电路，其中第二开关(M2)在t2时间内闭合，由此开关(M1，M2)由控制单元(CTU)控制。
借此，本发明实现了相当有利的耦合，其中在一个单元中把麦克风和放大器耦合在一起，使得高信/噪比成为可能。
附图说明
下面参照图形详细说明本发明，其中
图1显示电路的原理示意图，
图2显示本发明的一个实施例，
图3显示本发明电路的信号序列。
优选实施方式
图1原理框图显示例如可以具有15KHz频率上限的驻极体麦克风。如果用高品质的麦克风，该频率上限也可以接近可听范围频率的最上限。这个麦克风可由薄防护网保护，比如泡沫材料薄层，但是泡沫材料会减小麦克风膜片的频率上限。
驻极体麦克风上的膜片包括可变电容器，其变化取决于麦克风接收到的声音信号。在驻极体麦克风的制造中，膜片被供以保持若干年不变的永久电荷。因此可以将与驻极体麦克风等效的示意图视为与可变电容器串联的电池。
在图1原理框图中麦克风单元MCU包括驻极体麦克风和晶体管TMIC，其中晶体管TMIC靠近膜片放置并且与膜片接线端连接。晶体管TMIC采用J-FET晶体管较为有利，因为这种晶体管具有理想的无穷高输入阻抗。因而来自信号源的具有高输出阻抗的小信号可以被放大，以便作进一步的信号处理。
对于膜片运动的记录，本发明提供电压发生器和有可能的电流发生器，用以为麦克风中的晶体管TMIC和随后的信号处理提供电能。图1显示电压发生器和电流发生器，它们等同于和恒定电流发生器并联的非理想阻抗，该电源标记为SPL。
上述发生器的目的是给晶体管TMIC提供恒定工作电流，该工作电流根据晶体管最佳工作特性进行选择。
膜片偏移一定时间会在麦克风膜片接线端间产生一定的电压，其结果是产生正比于膜片偏移的电流通过晶体管TMIC。
该恒定工作电流由声音导出信号调制，于是通过TMIC的电流在恒定工作电流附近变化，本发明希望减小的正是这个恒定工作电流。
由于价格原因，上述耦合中的电流发生器可以省掉，但是，这种选择会造成较低的信/噪比，其原因是晶体管没有在理想条件下工作。
根据本发明，晶体管TMIC经过电开关M1被供以电流，其中M1由数字控制电路CTU通过信号MIC.PWR控制，该电开关M1的开关周期间隔为T，有效时间为t1。
麦克风电压Umic经由电开关M2提供给采样电容C5，M2在t2时间内有效并由来自控制单元CTU的信号MIC.SMPL控制。该信号由后面的采样电路(未显示)转换为数字值，其中采样电路和M1，M2在采样频率1/T下同步工作。
采样频率或Nyquist频率可在普通方式下选择，其大小至少是音频信号的期望频率上限的两倍。在传统方式下也可进行过采样，目的是减小采样过程中过滤高谐波成分的负效应。
采样过程也可能由以类似方式工作的电路进行。
图3显示信号MIC.PMR和MIC.SMPL的时间序列：
时间t1内M1导通到晶体管TMIC的电流，时间t1远远小于时间周期T，并且所选长度足够使Umic达到可用值。因而可看出与采样时间T相比，麦克风放大器被供以相对短的脉冲。
在时间t1内，麦克风的输出信号相对时间T内的变化大体恒定，并且在最后采样点高或低某值。这种信号变化会引起晶体管TMIC的电流的变化。
由于实际上麦克风/晶体管耦合MIC/TMIC两端含有寄生电容，晶体管的电流不能比电容充放电的速度更快地增大。因此Umic遵循逐渐逼近某值的充放电序列，该值与相对于最后采样点的给定膜片偏移的变化成正比。
图3显示Umic的典型序列。
由图3中点画线表示的信号Umic的值取决于给定时间内音频信号的振幅。
采样电路在时间t1内尽可能迟地读取Umic，原因是在t1末Umic有最佳信/噪比。因而Usmpl在t2的触发脉冲处有效，t2持续时间在M1控制的电源脉冲有效部分t1的波形后部。时间t2取决于C5充电的速度，它比t1短并可以选择其远远短于t1。
可认为Umic在时间t2内大体上恒定，由于电开关M2电阻很小，采样电容C5在时间t2内的充电过程可近似为RC电路，其中R可在500欧姆-5K欧姆内变化。那么当C5是100PF时，t2内应用的时间常数的典型值为0.05-0.5μs。
在上述t2内应用的时间常数下采样电容C5被充电或放电，从先前的采样值逼近在给定时间麦克风膜片两端的电压电平。该电压Usmpl在图3中可见。
在实际应用中t1可设置多短取决于可以接受多低的信/噪比用于Umic，其与其他参数必须根据麦克风晶体管TMIC中的寄生电容以及采样过程和应用的总体精度来选择。实践证明采样脉冲(M2)的开端已在相应于两倍时间常数(2RC得exp(-2RC/RC)＝0.86)的t1-t2处提供可用值。t1的典型值可为0.2-3.0μs。
比如，如果想传送高达20KHz的音频信号，并使用44KHz的采样频率(T＝23μs)，可见上述t1和t2的较低值会大大节约电流。
语音信号可在如10KHz(T＝100μs)的采样频率下被传送，并有令人满意的结果，显然在这种情况下，对于脉冲麦克风电路电流的节约会更多。
图2中可见一个实施例，其中图1中的电流发生器具体化为运算放大器OP1，将信号Usmpl经由电开关M1反馈到晶体管T1的基极，再依次提供给麦克风单元MCU(图2中未显示)，其把电流耦合到接线端MIC.IND。
运算放大器与电阻R4，R5和R6以及电容C3相连接，电容C3除去来自OP1的可能有的噪声。
晶体管T1由电阻网络R1和R2加偏压。
麦克风单元的输出通过所示C1电容衰减，以避免可能有的高于采样频率二分之一的频率成分被进一步送到采样电路。
来自麦克风的信号Umic经由电开关M2馈给采样电容C5，其中M2实际上与微小寄生电容连接。C5两端连接后续的具有可能的限制电路A/D转换器电路。
M1和M2由按上述方式并与采样电路SMPL同步工作的控制电路CTU产生的Micpwr和Micsmpl信号控制。
图2中耦合的目的是调节或修改麦克风电流，以获得C5两端合适的平均电压值。C5两端电压根据可调电平Vbias控制，这样，麦克风中TMIC可在最佳工作点下工作。
本发明当然不仅限于上述实施例所说明的驻极体麦克风，本发明可有利地应用于其他类型的有源麦克风，如具有外部电源的电容麦克风和压敏半导体麦克风，类似的，可以应用其他类型的半导体元件取代J-FET晶体管。
限制电路可插入在采样电路前的信号路径上。根据本发明，这些电路元件可在采样方式下类似地操作，从而进一步减小电流消耗。
Claims (5)
1.用于放大麦克风单元(MCU)信号的电路，包括：
以脉冲形式向麦克风单元(MCU)提供电能的电源(SPL)，
转换麦克风信号的采样电路，其中采样在1/T采样频率下进行，
其特征在于：
电源(SPL)在有效脉冲时间t1内以脉冲形式向麦克风单元(MCU)传输能量，而且
采样电路在持续时间t2的触发脉冲下读取麦克风信号，其中持续时间t2是从电源脉冲有效部分的后侧计算，其中
t1比对应于采样频率1/T的时间周期T短，并且
t2比t1短。
2.根据权利要求1用于放大麦克风单元信号的电路，其特征在于：
时间周期T的长度至少是t1的10倍。
3.根据权利要求1用于放大麦克风单元信号的电路，其特征在于：
t1的长度至少是t2的10倍。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：
t1约为0.2到3.0μs，
t2约为0.05到0.5μs。
5.根据权利要求1用于放大麦克风单元信号的电路，其特征在于：麦克风单元(MCU)包括麦克(MIC)和晶体管(TMIC)，晶体管的一端直接与麦克(MIC)连接并将其设置在麦克(MIC)附近，从而经由第一开关(M1)向晶体管(TMIC)提供电流，其中第一开关(M1)在时间t1内连通来自电源(SPL)的电流，由此在晶体管(TMIC)中放大了的输出信号由第二开关(M2)传送给后续的采样电路，其中第二开关(M2)在t2时间内闭合，由此所述第一开关(M1)和第二开关(M2)由控制单元(CTU)控制。
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