CN1879446B - 包括整体多电平量化器和单比特转换装置的麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数字麦克风，包括整体模数转换器，它基于与适合于提供单比特输出信号的数字信号转换器级联的多电平量化器。根据本发明的数字麦克风尤其适合于在移动终端和小型便携式通信装置内使用，例如移动或蜂窝电话、耳机、助听设备、等等。

Description

包括整体多电平量化器和单比特转换装置的麦克风
技术领域
本发明涉及包括基于与数字信号转换器级联的多电平量化器的整体模数转换器，所述数字信号转换器适合于提供单比特输出信号。根据本发明的数字麦克风尤其适合于在移动终端和小型便携式通信装置内使用，例如移动或蜂窝电话、耳机和助听器等。
背景技术
带有整体模数转换器或数字麦克风等的麦克风在现有技术中是公知的。EP 1052880、WO 02/062101、US 5769848和GB 2319922公开了用于在诸如专业音频、乐器和移动电话等各种应用中使用的多种数字麦克风。WO 02/062102公开了一种包括耦合到预放大器的电声变换器的麦克风组件。将放大后的信号耦合到模数转换器，在一种实施例中，所述模数转换器包括单比特Δ-∑调制器。所公开的麦克风组件的实施例包括格式化电路，它根据诸如S/PDIF、I2S或AES/EBU等标准化数字音频传输协议将Δ-∑调制器生成的信号抽样转换成数字信号。
US 6326912公开了一种模数转换器，包括直接或间接耦合到后端单比特Δ-∑调制器的前端多比特Δ-∑调制器，所述后端单比特Δ-∑调制器用于专业音频应用，例如基于比特流格式的超级音频压缩盘或者基于24比特PCM格式的DVD音频盘。
虽然已经成功地将单比特Δ-∑调制器合并在商业可用的用于助听应用的小型麦克风内，但是还需要使用改进性能的整体模数转换器的数字麦克风。改进的数字麦克风能够有利地后向兼容现有的单比特输出设备。改善性能的模数转换器可以通过使用Σ-Δ转换器结构内的多电平量化器替换常规的单比特或双电平量化器获得。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种数字麦克风，包括具有声音入口的麦克风外壳，并包括：
变换器单元，包括可替换振膜和适合于生成表示通过声音入口接收到的声音的变换器信号；
模数转换器，包括操作地耦合到变换器装置以将变换器信号转换成表示变换器信号的多比特抽样的多电平量化器；
数字信号转换器，适合于将多比特抽样转换成单比特输出信号，和外部可接入端子，适合于提供单比特输出信号。
在本说明书和权利要求书中，术语“多电平量化器”表示信号量化器，它包括两个以上的量化电平，例如3、5或7个离散量化电平。
由操作地耦合到数字信号转换器的多电平量化器提供本发明的显著优点，所述数字信号转换器将多比特抽样转换成单比特输出信号。因此，本发明提供一种数字麦克风，它受益于多电平量化器以提供改善质量的变换器信号的数字化形式，但是依然保持简单和通用的非格式化数据输出，这先前是基于单比特量化器的模数转换器的唯一特征。利用非格式化单比特输出信号，将微处理器或信号处理器轻易地通过接口连接到根据本发明的数字麦克风，而不需要包含与若干数字音频数据协议兼容的专用音频数据接口电路。
最后，包含根据本发明的数字麦克风的产品的设计者在选择最佳性能与复杂化权衡时获得显著的灵活性，例如在抽取滤波器设计中。
多电平量化器最好包括在3和64个之间的量化器电平，例如在5和16之间的量化器电平，以生成表示它的多比特抽样。可以选择量化电平以提供线性或等距离幅度间隔，或者对数幅度间隔，或者任何其它期望的幅度间隔。与单比特量化器相比，多电平量化器提供若干优点。这些改进包括但是并不限制于给定信号/噪声比的更低功耗、给定抽样频率的改进信号/噪声比和在多比特抽样或量化信号内令人讨厌的音调噪声分量的显著抑制。
对于量化信号的期望或目标信号噪声比或者动态范围，可以降低驱动模数转换器的时钟频率。当数字麦克风包括用于接收诸如由相关微处理器或数字信号处理器生成的时钟信号等外部生成时钟信号的外部输入时钟终端时，后一优点是特别有益的。在本发明的后一实施例中，与外部生成时钟信号的频率成比例地降低与驱动时钟线路上的外部寄生电容相关的功率损失。
优选地，数字麦克风包括插入在变换器单元和模数转换器之间的预放大器。可以有利地选择或设计预放大器的输入电容以适合于将预放大器输入耦合到小型变换器单元，所述输入电容小于10pF或者小于5pF或2pF或1pF，或者甚至小于0.5pF。输入电容值的后一范围将优化预放大器与基于小型驻极体或电容器的变换器单元耦合，如通常在用于助听或移动终端应用的小型麦克风内使用的。
可以将诸如带通或高通滤波器等直流阻断滤波器有利地耦合到提供放大变换器信号的预放大器输出，从而防止在预放大器输出上的直流偏置点波动和/或低频信号传送给模数转换器。
数字麦克风可以包括动态变换器单元或电容器变换器单元。动态变换器单元可以包括振膜，它带有在永久磁场内悬挂的附属音圈。该电容器变换器单元可以包括一对相邻间隔和适当偏置的板，例如在其上配置有电传导层的聚合物振膜和相邻定位的凿孔后板。
可选择地，可以使用微电镀机械系统(MEMS)技术将变换器装置形成在半导体基片上，例如硅或任何其它合适的材料。在本发明的上述实施例中，可以将预放大器、模数转换器、数字信号转换器、和可选择的时钟生成装置有利地形成在公用集成电路基片上。可以使用倒装片或丝焊技术将预放大器电耦合到变换器装置或单元。
模数转换器最好包括适合于使用在64kHz和512kHz之间的时钟信号频率抽样变换器信号或预放大器信号的过抽样Δ-∑调制器。对于8kHz的期望或目标音频带宽，该时钟信号频率跨距分别对应于4和32的过抽样比。
根据本发明的一种实施例，数字麦克风包括适合于生成时钟信号的整体时钟生成器，它操作地耦合到模数转换器以提供用于多电平量化器的抽样时钟。本实施例的有利特征在于提供不需要外部可接入时钟输入端的数字麦克风。通过内部生成时钟信号或者从其推导得出的时钟信号，可以操作模数转换器和可选择的内部逻辑电路的抽样时钟信号。
可选择地，数字麦克风的外壳包括用于接收外部时钟信号的第二外部可接入端。外部时钟信号可操作地耦合到模数转换器以直接或间接地控制变换器信号的抽样。在该数字麦克风的后一实施例的有利形式中，外部时钟信号操作地耦合到配置在麦克风外壳内和用于获取内部直流电源电压的功率的直流电压生成装置。内部直流电源电压可以至少供电模数转换器，和可选择地，在数字麦克风内的所有电路，例如预放大器、内插和抽取滤波器。因此，该本发明的后一实施例是可操作的，而不需要在麦克风外壳上的独立电源端子或焊接区(pad)。对于小型低功率数字麦克风，例如可能具有在1.0伏电源电压上低于250μA或低于150μA的标称电流消耗的数字助听麦克风，缺少该独立的电源端是尤其有利的。在本发明的优选实施例中，数字麦克风适合于工作在低于2.9V或者低于1.8V的电源电压上，例如低于1.5伏或低于1.2伏。
根据本发明的优选实施例，将内插装置或内插器插入在模数转换器和数字信号转换器之间以接口在多比特抽样和单比特输出信号的不同抽样速率之间。内插器可以有利地包括低通滤波器和适合于使用2-32的因数提高抽样速率。
由模数转换器提供的多比特抽样可以用2的补码数据形式表示，并以该格式传送给内插器或抽取器。相反地，根据本发明的特别有利的实施例，由模数转换器提供的多比特抽样用一组相应的码元(symbol)表示，其中每个码元包括与相应多比特抽样的量值成比例的多个单符号。与三和五电平调制器相关的，该码元表示尤其有利，因为可以实现在多比特抽样和单比特输出之间的有效和直接映射，但是包括N个离散量化电平的多电平量化器通常可以使用包括N-1个比特以使用唯一码元表示N电平中的每个电平的相应码元。
根据本发明的第二方面，一种便携式通信设备包括根据本发明的数字麦克风。该便携式通信设备可以由一次性或可充电电池供电，并为低功率操作优化。该便携式通信设备可以包括移动终端、蜂窝电话、耳机、助听器或乐器等。
根据本发明的第三方面，一种单片集成电路包括：预放大器，适合于提供放大变换器信号和包括可耦合到小型驻极体或电容器变换器单元的输入部分；模数转换器，包括操作地耦合到放大变换器信号的多电平量化器，并适合于将放大变换器信号转换成放大变换器信号的多比特抽样表示；和数字信号转换器，适合于将多比特抽样转换成单比特输出信号。一个集成电路焊接区最终适合于提供单比特输出信号。
可以在诸如0.5μm或0.35μm CMOS等标准CMOS处理中制造单片集成电路。该单片集成电路的预放大器的输入阻抗最好基本上是电容性的，并对应于低于2pF或者低于1pF或者甚至最好低于0.5pF的电容以支持对接或耦合到小型驻极体单元，而不会因为声源加载效应引入不可接受的信号损失。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的数字麦克风组件的方框图；
图2是用于在图1所示的数字麦克风组件内使用的第一数字信号转换器的方框图；
图3是用于在图1所示的数字麦克风组件内使用的第二可选数字信号转换器的方框图；
图4是基于三电平Σ-Δ的AD转换器的方框图；
图5是在基于三电平∑-Δ的AD转换器和数字信号转换器之间的第一接口处理电路的方框图；
图6是在基于三电平∑-Δ的AD转换器和数字信号转换器之间的第二接口处理电路的方框图。
具体实施方式
图1图示根据本发明的数字麦克风的优选实施例。该数字麦克风包括带有声音入口端口3的外壳或机壳2。驻极体变换器单元1电耦合到集成电路并都安装在外壳2内部。该集成电路包括预放大器20、高通滤波器30、模拟多电平转换器40和数字信号转换器50。该集成电路安装在陶瓷基片载体(未图示)上并由其支持，而通过在现有技术中公知的丝焊技术建立在设备之间的电连接性。
将本发明的当前实施例实施为微型驻极体麦克风，它能够工作在最低1.0伏的电源电压上，并具有大约100-200μW的功耗。因此，本实施例尤其适合于听力设备应用，其中低压和低功率要求是基本的以节省电池功率。数字麦克风还包括一组外部可接入的端子，形式为输出信号端60、时钟输入端61、电源端62和接地端59。时钟输入端61适合于接收外部生成的时钟信号，该信号控制在输出信号端60上的单比特输出信号的时钟速率和定时以提供在数字麦克风和外部处理器之间的简单和同步接口。
可选择地，在重点考虑最小化外部端子数量的应用方面，可以通过单个数据线路异步地或同步地将单比特输出信号发送给外部处理器。处理器必需包括适当的数据接收和时钟取回(retrieval)装置。在本发明的实施例中，其中通过单个数据线路将单比特输出信号同步地发送给外部处理器，单比特输出信号或输出数据可以有利地包括内嵌或编码时钟信号，例如曼彻斯特编码复合时钟/数据线路，其中从在集成电路上设置的整体时钟生成器装置推导出内嵌时钟信号。
驻极体变换器单元1包括可替换的振膜，该振膜适合于通过声音入口3接收声学信号，生成表示声学信号的变换器信号。将变换器信号传送给低功率和低噪声的基于CMOS的预放大器20，该预放大器20适合于放大和缓冲变换器信号，并将放大后的变换器信号提供给模拟多电平转换器40或Σ-Δ(SD)调制器，它包括多电平均衡器，从而将放大后的变换器信号转换成表示变换器信号的多比特抽样。根据本发明的当前实施例，多电平均衡器包括表示为+1、0和-1的三个离散电平。根据诸如集成电路自身的性能、可容许复杂度和大小等因素，其它实施例可以包括大量离散均衡电平，例如5电平、8电平或16-64电平。
由SD调制器40提供的多比特抽样操作地耦合到数字信号转换器50，它适合于将多电平数字信号转换成单比特输出信号。最后，使单比特输出信号可以为外部可编程处理器通过外部可接入端子60进行访问，所述外部可接入端子放置在陶瓷混合基片上，并电连接到集成电路的相应端子。本发明的当前实施例的集成电路最好通过0.35μmCMOS制造，它提供用于在预放大器20内应用的低噪声和高性能模拟PMOS晶体管，并组合用于在数字信号转换器50的数字逻辑电路内应用的高密度和低功率信号逻辑电路。然而，也可以使用具有更大或更小特征尺寸的其它CMOS处理以及BiCMOS处理。
图2是更详细地图示转换器50的各个部件或组件的数字信号转换器50的第一实施例的详细方框图。该数字信号转换器50兼容模拟多电平转换器或Δ-∑多电平量化器，其中将多比特抽样表示为常规的2的补码格式。
前向信号路径包括位于单比特量化器或比较器55前面的三个级联的离散2的补码积分器51a、51b和51c，所述单比特量化器或比较器将输入的16比特数字信号抽样量化成双电平或单比特输出信号。到转换器50的输入信号是以2的补码格式提供的2比特信号。反馈环路围绕前向信号路径延伸，并包括单比特判决电路或比较器56，由其将单比特输出信号的MSB值或符号馈送给具有相应反馈系数a0、a1和a2的三个独立反馈环路。这三个独立反馈环路将相应的反馈信号馈送给相应的求和接点或16比特加法器52-54以提供在数字信号转换器50内的错误或噪声整形。噪声整形操作以将作为多比特输入信号的信号量化结果输入的低频噪声分量移动或转换到可听度之上的高频范围。如图所示，可以将围绕第一加法器51的具有预定前向反馈系数b0的前向反馈环路添加给数字信号转换器50以改善其动态范围和稳定性。最好用相应的16比特2的补码数字表示在诸如求和节点52-54上的内部状态变量或信号。
图3图示基于直接码元映射的数字信号转换器50的另一个实施例。该数字信号转换器50的这种实施方式需要逻辑电路最小化，因此，代表诸如听力设备和移动电话等低功率和/或低成本应用的极佳选择。该操作基于由三电平∑-Δ(SD)调制器40(图1)以标准2的补码格式提供的两比特抽样{D0，D1}的新编码。
在本实施例中，将量化电平+1编码为码元{11}，而将电平0表示为码元{01}，和最后将电平-1表示为码元{00}。因此，与特定量化电平相关的码元通过数字信号转换器50的编码机制直接表示该量化电平的平均信号值。这种编码形式使其可以通过四个D类触发器21、22、25和26、双输入复用器26和异或门27的集合以非常有效的方式生成单比特输出信号。D-FF 25操作地对分在时钟输入25a上提供的时钟频率，其中可以已经从外部时钟信号端61(图1)推导出时钟频率信号。D类触发器21和22工作在生成单比特输出信号或比特流的D类触发器26的时钟频率的一半上，通过输入多比特抽样的直接编码和转换准确地符合纳奎斯特标准。
显然地，码元或多比特抽样的不同编码可以在普通的创造性概念内，例如以相应的方式用码元{1111}或{111111}和其它量化标准表示电平+1。类似地，可以反转表示+1和-1的码元和/或0电平编码“01}或“10}。类似地，还存在通过五电平SD调制器提供量化电平的若干系数编码格式，例如通过使用分别包括四个比特以表示相应量化电平的集合码元，例如下述示例格式：
电平+2用码元{1111}表示；
电平+1用码元{1110}表示；
电平0用码元{1010}表示；
电平-1用码元{0001}表示；
电平-2用码元{0000}表示。
图4是图示调制器40的各个组件的模拟多电平SD调制器40或SD调制器的详细方框图。将放大后的变换器信号提供作为到SD调制器的模拟输入信号，它将所接收的输入信号转换成表示变换器信号的多比特抽样输出。三个积分器41a-41c的级联位于SD调制器40的前向信号路径内。最后一个积分器41c的输出操作地耦合到三电平量化器45，它将积分器41b输出上的连续时间信号的幅度值转换成2的补码格式的双比特数字信号抽样。围绕SD调制器的反馈环路包括多电平数字模拟转换器46，由其将多比特抽样输出信号的数值反馈回带有相应反馈系数a0，a1和a2的三个独立反馈环路。这三个独立的反馈环路将相应反馈信号馈送给相应的求和接点42-44以提供在SD调制器40内的错误整形，并将三电平量化器45生成的量化噪声的主要部分转换或推进到可听性之上的频率范围，即在大约16或20kHz之上。如图所示，已经将围绕第一积分器41a的具有预定前向馈送系数b0的可选前向馈送环路添加给SD调制器40以改善其动态范围和稳定性。
最好使用1.024MHz的抽样时钟频率操作当前的SD调制器40，而使用单比特输出信号的2.048MHz输出数据速率操作数字信号转换器50。在本发明的当前实施例中，在SD调制器40和数字信号转换器50之间插入内插器，根据图2，从而将由SD调制器提供的多比特抽样的抽样速率提高到由数字信号转换器50需要的2.048MHz的目标速率。
如图5和图6所示，可以在SD调制器40和数字信号转换器50之间提供各种类型的抽样速率转换。根据图5，可以级联内插器55和抽取器56以提供在由SD调制器40提供的信号抽样速率和数字信号转换器50的输出信号的抽样速率之间灵活的抽样速率转换，其中在抽样速率之间的比值可以是整数或分数，例如4、8、16、32或1.5或32/44.1或16/44.1、等等。根据图6，抽样速率转换装置可以包括抽取器65和内插器66的级联。引入适当的抽样速率转换装置在本发明的一些实施例中是有利的，从而将来自SD调制器40的信号的某一抽样速率对接由数字信号转换器50需要的标准化数据输出速率。

Claims (18)

1.一种数字麦克风，包括：
具有声音入口(3)的麦克风外壳(2)，包括：
变换器单元(1)，包括可替换振膜，并适合于生成表示通过声音入口(3)接收的声音的变换器信号；
预放大器(20)，适合于提供放大后的变换器信号，并包括可耦合到变换器单元(1)的输入部分；
直流阻断滤波器(30)，操作地耦合到预放大器的输出，并将放大后的变换器信号传送到模数转换器；
模数转换器(40)，包括多电平量化器，操作地耦合到直流阻断滤波器的输出，以将放大后的变换器信号转换成表示变换器信号的多比特抽样；所述多比特抽样用一组对应码元表示，并且每个码元包括与相应多比特抽样的幅度成比例的多个单符号；
数字信号转换器(50)，适合于将多比特抽样转换成未格式化的单比特输出信号；和
外部可接入端子(60)，适合于提供未格式化的单比特输出信号。
2.根据权利要求1的数字麦克风，其中数字信号转换器是∑-Δ信号转换器。
3.根据权利要求1或2的数字麦克风，其中模数转换器(40)包括过抽样Δ-∑调制器。
4.根据权利要求1或2的数字麦克风，包括整体时钟生成器，操作地耦合到模数转换器(40)和数字信号转换器(50)。
5.根据权利要求1或2的数字麦克风，其中麦克风外壳(2)包括用于接收外部时钟信号的第二外部可接入端子(61)。
6.根据权利要求5的数字麦克风，包括直流电压生成装置，设置在麦克风外壳(2)内，并操作地耦合到外部时钟信号，从而获得用于操作至少模数转换器(40)的直流电压供电。
7.根据权利要求1或2的数字麦克风，其中模数转换器(40)的多电平量化器(45)包括3个和64个之间的离散量化电平。
8.根据权利要求1的数字麦克风，其中直流阻断滤波器(30)是带通滤波器或高通滤波器。
9.根据权利要求1的数字麦克风，其中多电平量化器(45)包括3或5个离散量化电平。
10.根据权利要求1的数字麦克风，其中多电平量化器(45)包括N个离散量化电平，每个相应码元包括N-1个比特；
N是在3和17之间的整数。
11.根据权利要求8-10中任一权利要求的数字麦克风，其中数字信号转换器(50)包括与整数比上抽样器级联的延迟电路。
12.根据权利要求1或2的数字麦克风，包括插入在变换器单元(1)和模数转换器(40)之间的预放大器(20)。
13.根据权利要求1或2的数字麦克风，包括操作地耦合在由模数转换器(40)提供的多比特抽样和数字信号转换器(50)之间的内插器(55)。
14.一种便携式通信设备，包括根据前面任一权利要求的数字麦克风。
15.一种用于小型麦克风的单片集成电路，包括：
预放大器(20)，适合于提供放大后的变换器信号，并包括可耦合到小型驻极体或电容器变换器单元(1)的输入部分；
直流阻断滤波器(30)，操作地耦合到预放大器的输出，并将放大后的变换器信号传送到模数转换器(40)；
模数转换器(40)，包括多电平量化器(45)，操作地耦合到直流阻断滤波器(30)的输出，并适合于将放大后的变换器信号转换成表示放大后的变换器信号的多比特抽样；所述多比特抽样用一组对应码元表示，并且每个码元包括与相应多比特抽样的幅度成比例的多个单符号；
数字信号转换器(50)，适合于将多比特抽样转换成未格式化的单比特输出信号；和
集成电路焊接区，适合于提供单比特输出信号。
16.根据权利要求15的单片集成电路，其中直流阻断滤波器(30)是带通滤波器或高通滤波器。
17.根据权利要求15或16的数字麦克风，其中模数转换器(40)包括过抽样Δ-∑调制器。
18.根据权利要求15或16的单片集成电路，其中模数转换器(40)的多电平量化器(45)包括3或5个离散量化电平。
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