CN1868118B - 用于对缓冲放大器进行复位的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种复位电路装置，特别当利用微型驻极体传声器使用时，利用缓冲放大器电路来提供低阻抗分流，以便改善缓冲放大器的还原特性。所述复位电路包括检测器并且耦合到一开关。所述开关在通过预定操作条件触发所述检测器时启动。所述开关启动坡降生成器，用于向耦合到所述缓冲放大器的输入的分流或者复位器件提供预定时间段的延迟信号。还讨论并描述了用于执行所述复位功能的方法。

Description

用于对缓冲放大器进行复位的方法和装置
本申请要求2003年10月14日提交的美国临时专利申请第60/510,936号的优先权，在此通过为各种目的全文引用而将其合并于此。
技术领域
本发明涉及缓冲放大器，更具体地涉及用于诸如在微型驻极体传声器中使用的缓冲放大器的复位电路。
背景技术
助听器已为改善许多具有听觉问题的个人的生活质量作出了极大贡献。此领域的技术进步不断地改善了助听器的接收、戴用舒适性、寿命、以及功率效率。随着耳戴声学器件的性能的不断进步，对改善这些声学器件所使用的微型声换能器的内在性能的需求也不断增加。
图1示出了助听器1的代表性上位框图。总体上说，助听器1包括传声器部分2、信号处理部分3以及接收器部分4。传声器部分2拾取可听频率中的声波，并且创建代表这些声波的电子信号。信号处理部分3采用从传声器2输出的电子信号，并且以有助于纠正听力损伤的用户的听力不足的方式(通常包括通过缓冲放大器3a进行放大)修改该信号，并且随后将经处理的信号发送到接收器部分4。接收器部分4产生经加强的原声波，该原声波被经特别修改以补偿听力损伤用户的听力损伤。
通常，方向性助听器的传声器部分2包括：匹配的一组换能器，各换能器耦合到独立阻抗缓冲放大器3a的输入，该缓冲放大器3a使用超高阻抗输入偏压电路以得到最佳电子噪声性能。输入偏压电路常常采取一对并联二极管的形式，该一对并联二极管利用相对于DC基准电压的相反极性相连。输入偏压电路典型地具有大约104十亿欧姆或者10万亿欧姆的输入阻抗。偏压电路随后耦合到各阻抗缓冲放大器的输入。
在现有技术中的低噪声微型驻极体传声器之间存在一个显著的性能局限性，特别是当在方向性助听器中用作一组两个或者更多个匹配换能器的部件时。即，在开始加电，并且通常在高的声瞬变之后，传声器的灵敏度表现出缓慢的指数还原(settling)特性，这通常要花几分钟来完全平息。如图2所示，这种缓慢的传声器灵敏度还原特性典型地在大约0.2dB每分钟的量级上具有时间常量。使用这种超高阻抗输入偏压电路的优点在于：可获得传声器的最优噪声性能，但却导致如下缺点：在对于传声器输出处的瞬态电压尖脉冲(例如由于开始通电或者声脉冲)的响应方面，具有这种缓慢的传声器灵敏度还原特性。
因为传声器之间的灵敏度差异限制了助听器的空间精确性和方向性响应的形态，所以对于高性能方向性助听器，非常期望匹配的一组换能器中的各个单元的一致性和可预知的传声器灵敏度特性。传声器灵敏度的在0.5dB的量级上的微小差异足以导致仅使用两个传声器的方向性助听器在响应方面的显著劣化。使用多个匹配的传声器(例如三个或者更多个)的更高方向性助听器要求甚至更严格的灵敏度匹配。因此，显然，每分钟大约0.2dB的量级上的灵敏度还原时间常量可能为方向性助听器带来显著并且可能严重的性能局限性。
发明内容
本发明提供了一种与缓冲电路一起使用的复位电路，包括：一个或多个检测器，各检测器具有第一输入和第一输出，至少一个所述检测器使用所述第一输入生成所述第一输出，以使所述第一输出表示通电状态、手动复位或在所述缓冲电路的输出处的电压偏移；耦合到所述一个或多个检测器的坡降生成器，所述坡降生成器具有基于所述一个或多个检测器的所述第一输出的第二输出；以及耦合到所述坡降生成器以接收所述第二输出并耦合到所述缓冲电路的分流器件，所述分流器件受控于所述第二输出以暂时减小所述缓冲电路的输入阻抗，其中，所述分流器件的源极端子耦合到基准电压，当所述分流器件断开时，所述基准电压用于确保所述分流器件的高阻抗状态。
根据本发明的另一个方面，所述分流器件改变所述缓冲电路的还原特性。
根据本发明的另一个方面，所述一个或多个检测器是阈值检测器。
根据本发明的另一个方面，所述第一输入包括：电源电平、瞬态电压以及复位信号之一。
根据本发明的另一个方面，所述复位电路进一步包括开关，所述开关包括增强P沟道金属氧化物半导体PMOS晶体管，所述开关的栅极耦合到所述检测器的第一输出的输出端子、所述开关的源极端子耦合到第一电源、并且所述开关的漏极端子耦合到所述坡降生成器的第二输出的输出端子。
根据本发明的另一个方面，所述坡降生成器输出限制了电荷从所述分流器件注入到所述缓冲电路的输入。
根据本发明的另一个方面，所述坡降生成器包括电流吸收器和电容器。
本发明另一方面提供了一种用于改善传声器缓冲电路的还原时间的方法，包括：对表示通电状态、手动复位指示或在所述传声器缓冲电路的输出处的电压偏移的条件进行检测；响应于所述条件在所述传声器缓冲电路的输入处复位，以暂时减小所述传声器缓冲电路的输入阻抗，由此改善所述传声器缓冲电路的还原时间；启动可变阻抗器件，以暂时减小传声器缓冲电路的输入阻抗；并且对所述可变阻抗器件施加偏压，以改善所述可变阻抗器件的高阻抗状态。
根据本发明的另一方面，对所述条件进行检测进一步包括：检测电压源、瞬态电压以及控制信号之一。
根据本发明的另一方面，对电压源进行检测进一步包括：检测电压源的阈值信号电平，以确定所述电压源的电平是在预定阈值处还是在预定阈值之上。
根据本发明的另一方面，所述方法进一步包括响应于所述条件生成输出，所述输出用于设置减小缓冲放大器的输入阻抗的时间长度。
附图说明
图1是现有技术的助听器的简化和代表框图；
图2是描绘耦合到缓冲放大器的典型现有技术的微型驻极体传声器的传声器灵敏度还原特性的曲线图；
图3是根据本发明的助听器的简化和代表框图；
图4是本发明的复位电路的一个实施例的示意图；以及
图5是本发明的复位电路的另选实施例的示意图，也示出了缓冲放大器。
具体实施方式
虽然本发明有各种修改例和另选形式，但在附图中通过示例方式示出某些实施例，并且在此详细描述这些实施例。然而，应该理解，本公开并非旨在将本发明限制于所描述的特定形式，正好相反，本发明旨在覆盖落入所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内的全部修改、另选以及等价物。
参照图3，将辅助电路或者复位电路7a加入信号处理器7。在例如助听器中使用的缓冲放大器7b的输入处，利用复位电路7a来执行适当时间长度的复位。复位电路7a在不显著劣化传声器噪声性能或者其他正常操作特性的情况下运转，来实现整体产品性能的确切改善。这种性能优点是通过利用复位电路7a使得分流(shunt)晶体管处于缓冲放大器7b的输入处，来暂时而非真正地减小缓冲放大器7b输入处的阻抗而获得的。复位电路7a可以通过通电复位(“POR”)、在缓冲放大器的输出处的电压偏移或者使用专用控制引脚的手动复位来激活。复位电路有效地将在加电之后的传声器灵敏度的还原特性从非常缓慢的时间常量(典型地需要几分钟)减小到非常快的时间常量(例如一秒的一部分)。该量级的传声器灵敏度稳定性的改善总体上可以显著地改善助听器5的信噪比(S/N)性能，对于方向性助听器甚至更显著。从而，这种助听器的用户可在使用性和性能方面受益。
应该注意，可通过使得助听器系统的控制器能够在除了传声器加电后即刻之外的时间触发缓冲放大器7b输入的“复位”，进一步加强上述灵敏度还原的改善。例如，在发生高声瞬变(例如短促的高噪音)之后常常立即导致该缓慢的传声器灵敏度还原特性。当助听器控制器能够在这种高的声瞬变事件之后随即触发短暂缓冲放大器输入复位时，可得到整体性能的受益。控制器能够被配置成对声学或者系统事件可能已经引起了安装在方向性助听器外壳中的各种传声器之间不期望的灵敏度失配进行检测。复位电路7a的另一配置可以包括例如通过制造或者测试人员手动启动复位功能的能力，并且参照图5进行更详细的讨论。
图4是用于提高传声器灵敏度还原的复位电路7a的一个实施例。例示出的POR电路10可用于图3的助听器5的缓冲放大器7b的输入22处，触发上述暂时阻抗减小或者复位。注意，缓冲放大器7b的输入22基本上与图5的输入54所指示的相同。POR电路10用于帮助确保传声器6以及因此助听器5两者均加电为已知并且可预知的初始操作状态。
图4中的POR电路10的一个实施例包括检测器12以确定电源VBAT是在预定阈值(例如0.7伏特)处还是在预定阈值之上，由此可认为系统是在合理加电状态。检测器12包括可操作地连接到开关16的栅极的输出14，该开关16用于对坡降生成器(ramp down generator)18(例如200微微安(pA)电流吸收器和20微微法(pF)电容器)进行复位，只要电源在预定阈值之下。坡降生成器18的输出生成基本可预知的POR延迟量，使得复位或者分流器件20在已经超过了预定电源阈值之后，在基本固定的时间延迟(典型地大约70毫秒(mS))之后“截止”。使用坡降生成器18的输出来直接控制缓冲放大器输入复位器件20的栅极并且将其截止的另一优点在于缓慢坡降信号避免了将电荷直接注入由标号22代表的缓冲输入中的问题，如果快速切换到“截止”，该问题可能会将电荷注入缓冲输入22中，这本身会引发长时间的传声器灵敏度还原特性。
大量已知半导体技术适于实现复位电路来使得缓冲放大器输入22处于一致性且可预知的操作状态或状况，这进而提供稳定的传声器灵敏度特性。例如，可以通过双极技术或者在金属氧化物半导体(MOS)中实现该电路。在MOS器件中，可制造正沟道(PMOS)晶体管和负沟道(NMOS)晶体管两者。在操作中，在一个示例实施例中，经由小型N沟道增强金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关(诸如缓冲放大器输入复位器件20)来完成缓冲放大器输入22的复位。通过由坡降生成器18的信号输出所提供的栅电压来控制缓冲放大器输入复位器件20的“导通”或者“截止”。缓冲放大器输入复位器件20的漏极端子直接连接到缓冲放大器输入22。当在NMOS中实现时，复位器件20具有非常高的导通电阻或阻抗，当器件20的栅源(gate-to-source)电压VGs为0或者为负时，所述导通电阻或阻抗在10万亿欧姆的量级上。
当复位器件20的VGs电压接近或者高于其阈值或者导通电压(例如大约0.5伏)时，复位器件20的导通电阻变得相当低。当与输入电路22的阻抗(诸如图3的交叉耦合二极管34的万亿欧姆阻抗)相比时，导通电阻特别低，在千欧姆的范围内。当缓冲放大器输入复位器件20为“导通”时，其基本上将缓冲电路22的输入阻抗减小到千欧姆量级的值，并且使得缓冲放大器输入22迅速偏移到确切且可预知的操作状况。
由VREF提供的偏压以及用于缓冲放大器输入复位器件20的长沟道长度NMOS器件(典型地大约50微米(μm)，但可以依据NMOS器件的“截止”状态的泄漏特性而更长或者更短)两者都有助于将复位器件20的“截止”状态阻抗在制造和操作状况的最差情况下保持得非常高。在额定阈值电压(VT)为大约0.5伏的实施例中，例如当使用增强NMOS时，建议VREF为100mV。这种偏压技术确保了鲁棒、一致以及最佳的缓冲放大器噪声性能，这对于微型助听器传声器是至关重要的。
如图5中所例示的，也可以使用与一个或者更多个“复位”控制事件相关的其他信号来驱动坡降生成器复位开关44的栅极。例如，可以将用于缓冲放大器的附加“复位”控制信号经由缓冲输出端子(Vout 56)复用到微型传声器中。复位控制逻辑36可以接收来自多个源的信号，所述多个源例如为外部复位检测器38、POR检测器40以及用户复位检测器42。外部复位检测器38可以响应于预定电压电平的变化，但也能够使用其他机制。
组合复位控制逻辑36可以经由在该相同IC上的数字逻辑电路实现为缓冲放大器32，并且使得可以在无论何时助听器系统需要传声器缓冲放大器32的输入54时，都将通用“复位”信号暂时设置到低阻抗状态。因此，复位控制逻辑36可以实现对于助听器系统的高度复杂的复位控制机制，如下文所述。所述复位控制逻辑36的使用是用于改善听力损伤的最终用户的方向性和S/N性能，以及改善制造周期时间。
缓冲放大器32实现主要来自交叉耦合或者反并联二极管34的高输入阻抗。POR检测器40如上所述运转，即以与针对图2中的电路10所述的相同方式运转。外部复位检测器38运转以监控缓冲放大器32的输出VOUT56。当驻极体传声器6接收到显著的声瞬变时，驻极体传声器向缓冲放大器电路输入VIN 54发送电压尖脉冲。外部复位检测器38监控用于对应的输出电压偏移的输出VOUT 56，并且当观察到对应于声瞬变的电压偏移时，该检测器生成发送到复位控制逻辑36的数字控制信号。复位控制逻辑36随后触发复位。从而，输入VIN 54将在相对短的、基本固定的时间内，而非未知的长达几分钟的时间段内还原到期望的操作状态。完全根据经验来确定何者构成了触发复位的显著声瞬变。例如，在实验室环境中，可以测量引起给定分贝水平的灵敏度偏移(诸如图1的0.2dB的偏移)所需的声压水平。可以将对应的输出电压偏移编程到外部复位检测器中，设定触发水平。
用户复位检测器42主要提供给助听器系统控制器以及制造或者测试人员使用。用户复位检测器42使得可以在任何时候经由专用控制引脚53产生传声器复位。
当复位控制逻辑36触发开关44时，在复位或者分流晶体管50的栅极处的电压被拔高，促使该晶体管50“导通”，由此降低缓冲放大器输入节点54的输入阻抗。与正常运转(即，当分流晶体管50“截止”时)的几万亿欧姆(1012)的输入缓冲器阻抗相比，在“复位”状态期间在器件50“导通”时减小的输入阻抗是在千欧姆(103)的量级上，相差大约九个量级的大小。如果由于因升温或者因电路元件容差变化导致的泄漏或者信号耦合而在晶体管50的栅极存在任何微小的波动，则电压源VREF 52帮助确保晶体管50保持截止并且在高阻抗状态下。随着坡降生成器58逐渐将分流晶体管50的栅极拉回到接近地，开关50逐渐断开。
开关50的逐渐断开的优势在于：由于以下两个原因而保持稳定的传声器灵敏度性能：
A)逐渐断开使得到缓冲输入节点54的任何电荷注入最小化，而该电荷注入将扰乱缓冲电路32的偏压状况并且随后使得传声器灵敏度变得对于相当的持续时间不稳定，以及
B)逐渐断开确保没有残余电荷存储在驻极体换能器本身上(例如当换能器响应于声瞬变，或者在传声器离开其复位状态时)，而残余电荷也可能导致缓冲电路输入54处的操作点偏移，并且随后促使传声器灵敏度变得对于相当的持续时间不稳定。
复位电路10和30的元件是已知并可获得的。加强PMOS和加强NMOS器件的构造是已知并且记录在半导体教科书中的，并且由诸如National Semiconductor的半导体制造公司制造。虽然典型地这种电路可以被制造为定制的或者半定制的集成电路，但是也可以从诸如ArrowElectronics或者Hamilton Avnet的部件销售商可获得的多个元件构造出分立电路的。
除了上述的使用这种传声器的对于实际助听器的内在性能益处之外，还存在完全从产品制造角度出发的益处。这种益处主要在对于助听器制造商和传声器换能器制造商两者的产品进行的测试过程中实现。使用所述复位电路的传声器在一秒的一部分内而非几分钟内还原，并且能够在各个产品测试阶段极大地增加产品的产量。这能够导致显著地减少换能器和助听器系统两者的总体制造成本。
其他的产品测试益处可以包括：传声器灵敏度的标度和/或特性的一致性的改善以及助听器的方向性性能的改善。这种益处可以导致换能器整体质量的改善，甚至可能导致返厂助听器产品和/或换能器元件的减少。这些测试的益处将便于减少助听器产品的总体成本，改善商业收益性，并且可能进一步改善公众对助听器，特别是对方向性助听器的性能的主观看法。
术语“一个”和“所述”和类似指代在描述本发明的上下文中(特别在下述权利要求的上下文中)的使用可以解释为涵盖单数和复数，除非另外明示或者根据上下文关系明显矛盾。在此，数值范围的叙述仅旨在用作分别指代落入该范围内的各个独立值的简略方法，除非另外明示，并且将各个独立值并入说明书中，就如同分别在此叙述一样。在此描述的全部方法可以任何适当的顺序来执行，除非另外明示或者另外根据上下文关系明显矛盾。任何以及全部示例的使用，或者在此提供的示例性语言(例如“诸如”)仅仅旨在更好地阐释本发明，而并非对本发明的范围设定限制，除非另外声明。说明书中的说明都不应当被解释为将任何非权利要求的要素明示为对于本发明的实践至关重要。
在此描述了本发明的优选实施例，包括使发明人执行本发明已知的最佳方式。应该理解例示出的实施例仅仅是示例性的，并且不应该将其视为对本发明的范围的限制。

Claims (11)

1.一种与缓冲电路一起使用的复位电路，包括：
一个或多个检测器，各检测器具有第一输入和第一输出，至少一个所述检测器使用所述第一输入生成所述第一输出，以使所述第一输出表示通电状态、手动复位或在所述缓冲电路的输出处的电压偏移；
耦合到所述一个或多个检测器的坡降生成器，所述坡降生成器具有基于所述一个或多个检测器的所述第一输出的第二输出；以及
耦合到所述坡降生成器以接收所述第二输出并耦合到所述缓冲电路的分流器件，所述分流器件受控于所述第二输出以暂时减小所述缓冲电路的输入阻抗，其中，所述分流器件的源极端子耦合到基准电压，当所述分流器件断开时，所述基准电压用于确保所述分流器件的高阻抗状态。
2.根据权利要求1所述的复位电路，其中，所述分流器件改变所述缓冲电路的还原特性。
3.根据权利要求1所述的复位电路，其中，所述一个或多个检测器是阈值检测器。
4.根据权利要求1所述的复位电路，其中，所述第一输入包括：电源电平、瞬态电压以及复位信号之一。
5.根据权利要求1所述的复位电路，进一步包括开关，所述开关包括增强P沟道金属氧化物半导体PMOS晶体管，所述开关的栅极耦合到所述检测器的第一输出的输出端子、所述开关的源极端子耦合到第一电源、并且所述开关的漏极端子耦合到所述坡降生成器的第二输出的输出端子。
6.根据权利要求1所述的复位电路，其中，所述坡降生成器输出限制了电荷从所述分流器件注入到所述缓冲电路的输入。
7.根据权利要求1所述的复位电路，其中，所述坡降生成器包括电流吸收器和电容器。
8.一种用于改善传声器缓冲电路的还原时间的方法，包括：
对表示通电状态、手动复位指示或在所述传声器缓冲电路的输出处的电压偏移的条件进行检测；
响应于所述条件在所述传声器缓冲电路的输入处复位，以暂时减小所述传声器缓冲电路的输入阻抗，由此改善所述传声器缓冲电路的还原时间；
启动可变阻抗器件，以暂时减小传声器缓冲电路的输入阻抗；并且
对所述可变阻抗器件施加偏压，以改善所述可变阻抗器件的高阻抗状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，对所述条件进行检测进一步包括：
检测电压源、瞬态电压以及控制信号之一。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，对电压源进行检测进一步包括：
检测电压源的阈值信号电平，以确定所述电压源的电平是在预定阈值处还是在预定阈值之上。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括响应于所述条件生成输出，所述输出用于设置减小缓冲放大器的输入阻抗的时间长度。
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