DE102010054895B4

DE102010054895B4 - Mikrofonverstärker

Info

Publication number: DE102010054895B4
Application number: DE102010054895.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fröhlich; Wolfgang Dünser
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2030-12-18
Also published as: DE102010054895A1; US20120155675A1; US8897460B2

Abstract

Mikrofonverstärker, umfassend:
- einen Eingangsanschluss (E100) zum Anlegen eines Eingangssignals (IN),
- einen ersten Ausgangsanschluss (A100a) zum Ausgeben eines ersten Ausgangssignals (OUT),
- einen zweiten Ausgangsanschluss (A100b) zum Ausgeben eines zweiten Ausgangssignals (VBIAS),
- eine Verstärkerschaltung (10) zum Erzeugen des ersten Ausgangssignals (OUT) durch ein Verstärken des Eingangssignals (IN), wobei die Verstärkerschaltung (10) zwischen den Eingangsanschluss (E100) und den ersten Ausgangsanschluss (A100a) geschaltet ist,
- einen ersten Spannungsgenerator (30) zum Erzeugen des zweiten Ausgangssignals (VBIAS) mit einem Versorgungsspannungsanschluss (V30) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (V),
- einen steuerbaren Schalter (20), über den ein erstes Referenzsignal (VREF1) dem Eingangsanschluss (E100) zuführbar ist,
- wobei der Versorgungsspannungsanschluss (V30) des Spannungsgenerators (30) mit dem ersten Ausgangsanschluss (A100a) des Mikrofonverstärkers verbunden ist,
- wobei die Verstärkerschaltung (10) einen ersten Eingangsanschluss (E100) aufweist, welcher mit dem Eingangsschluss des Mikrofonverstärkers und mit dem steuerbaren Schalter (20) verbunden ist, über den das erste Referenzsignal (VREF1) der Verstärkerschaltung (10) zuführbar ist, und
- wobei die Verstärkerschaltung (10) einen zweiten Eingangsanschluss (E10) aufweist, über den das erste Referenzsignal (VREF1) ebenfalls der Verstärkerschaltung (10) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrofonverstärker, der insbesondere für Verstärkung von Signalen eines MEMS-Mikrofons einsetzbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von Sprachsignalen in elektrische Signale. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrofonverstärkers, insbesondere eines an ein MEMS(Microelectromechanical Systems)-Mikrofon gekoppelten Mikrofonverstärker.
Die Ausgangssignale von Mikrofonen werden üblicherweise von einer Verstärkerschaltung verstärkt, bevor sie beispielsweise an einen Analog-/Digital-Wandler oder weitere nachgeschaltete Verstärkereinheiten weitergeleitet werden. Bei den weit verbreiteten Zweidraht-ECM(Electret Condenser Microphone)-Mikrofonen weist das Mikrofon einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines Sprachsignals und einen Bezugsspannungsanschluss zum Anlegen eines Bezugsspannungspotentials auf. Der Ausgangsanschluss ist im Allgemeinen über ein Koaxialkabel mit einer Spannungsquelle und nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltkreisen, beispielsweise Verstärkerschaltungen oder Analog-/Dialog-Wandlern, verbunden. Da die ECM-Mikrofone lediglich zwei Anschlüsse aufweisen, werden derartige Mikrofone beispielsweise zur Verbindung mit Sprechgarnituren verwendet, wobei zur Übertragung der Sprachsignale eine geschirmte Ader (Koaxialkabel) verwendet werden kann.
Neben den ECM-Mikrofonen kommen auch MEMS-Mikrofone zum Einsatz. Am Gehäuse eines MEMS-Mikrofons sind im Allgemeinen drei Anschlüsse vorgesehen. Ein Anschluss ist zum Anlegen eines Versorgungsspannungspotentials, ein anderer Anschluss zum Kontaktieren eines Bezugsspannungspotentials und ein weiterer Anschluss zur Ausgabe des Ausgangssignals vorgesehen. Im Unterschied zu den ECM-Mikrofonen weisen die MEMS-Mikrofone daher mit dem Anschluss zum Anlegen der Versorgungsspannung einen zusätzlichen Anschluss auf.
Die externe Versorgungsspannung wird zum Betreiben weitere in das Mikrofon integrierter Verstärkerschaltungen beziehungsweise zur Erzeugung einer Vorladespannung für die Mikrofonmembran des MEMS-Mikrofons verwendet. Diese Vorladespannung ist im Allgemeinen etwas größer als die Spannung am Ausgangsanschluss des MEMS-Mikrofons. Zum Betreiben des MEMS-Mikrofons wird der Anschluss zum Anlegen der Versorgungsspannung daher üblicherweise an eine externe Versorgungsspannungsquelle angeschlossen.
Aufgrund des im Vergleich zu einem ECM-Mikrofons zusätzlichen Anschlusses zum Anlegen der Versorgungsspannung ist der Einsatz von MEMS-Mikrofonen oftmals mit einem höheren Verdrahtungsaufwand, mit höheren Produktionskosten sowie mit einem größeren Verbrauch an Chipfläche verbunden. Des Weiteren gestaltet sich eine Auswechslung zwischen den verschiedenen Mikrofontypen im Allgemeinen als schwierig beziehungsweise aufgrund der mangelnden Kompatibilität in Bezug auf die Anschlüsse in den meisten Fällen als unmöglich.
Aus der EP 0096778 B1 ist ein Mikrofonverstärker bekannt, der an eine Mikrofonkapsel angeschlossen ist. Eine von einer Stromversorgungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung wird an den Ausgangsklemmen des Mikrofonverstärkers mittels einer Koppeleinrichtung ausgekoppelt und dem Eingang eines Gleichspannungswandlers zugeführt. Der Gleichspannungswandler stellt an Ausgangsklemmen eine Ausgangsspannung bereit, die der Mikrofonkapsel zu deren Spannungsversorgung zugeführt wird.
Aus der US 6,266,423 B1 ist eine Ausführungsform eines Mikrofonvorverstärkers bekannt, der an Eingangsanschlüsse eines Mikrofons angeschlossen ist, wobei ein lichtabhängiger Widerstand, dessen Widerstandswert variabel einstellbar ist, zwischen die Eingangsanschlüsse des Mikrofons geschaltet ist.
Aus der US 2010/0310096 A1 ist eine Schaltungsanordnung aus einem MEMS Mikrofon mit einer nachgeschalteten Verstärkerschaltung bekannt. Wenn eine Signalverzerrung am Eingang der Verstärkerschaltung festgestellt wird, wird der Eingang der Verstärkerschaltung über einen steuerbaren Schalter kapazitiv belastet, so dass die Signalverzerrung zumindest reduziert wird.
Es ist wünschenswert, einen Mikrofonverstärker anzugeben, bei dem das Bereitstellen einer Versorgungsspannung und das Bereitstellen eines Ausgabesignals über einen gemeinsamen Anschluss erfolgen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von Sprachsignalen in elektrische Signale anzugeben, bei der ein Mikrofonverstärker einen gemeinsamen Anschluss zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung und zum Bereitstellen eines Ausgabesignals aufweist. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrofonverstärkers angegeben, bei dem das Bereitstellen einer Versorgungsspannung und das Bereitstellen eines Ausgabesignals über einen gemeinsamen Anschluss erfolgen.
Ein derartiger Mikrofonverstärker ist im Patentanspruch 1 angegeben und eine Schaltungsanordnung ist im Patentanspruch 11 angegeben. Ein Verfahren zum Betreiben des Mikrofonverstärkers ist im Patentanspruch 13 enthalten.
Eine Ausführungsform eines Mikrofonverstärkers umfasst einen Eingangsanschluss zum Anlegen eines Eingangssignals, einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines Ausgangssignals und einen weiteren Ausgangsanschluss zum Ausgeben eines weiteren Ausgangssignals. Der Mikrofonverstärker umfasst des Weiteren eine Verstärkerschaltung zum Erzeugen des Ausgangssignals durch ein Verstärken des Eingangssignals, wobei die Verstärkerschaltung zwischen den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss geschaltet ist. Darüber hinaus weist der Mikrofonverstärker einen Spannungsgenerator zum Erzeugen des weiteren Ausgangssignals mit einem Versorgungsspannungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung auf. Der Versorgungsspannungsanschluss des Spannungsgenerators ist mit dem Ausgangsanschluss des Mikrofonverstärkers verbunden.
Der Mikrofonverstärker benötigt keinen separaten Anschluss zum Anlegen einer externen Versorgungsspannung. Stattdessen wird eine externe Spannungsquelle über einen Widerstand an den Ausgangsanschluss angeschlossen. Die externe Versorgungsspannungsquelle generiert somit einen Gleichstrom zum Betrieb des Mikrofonverstärkers. Die Verstärkerschaltung erzeugt das Ausgangssignal mit einem entsprechenden Pegel. Somit wird an dem Ausgangsanschluss des Mikrofonverstärkers im Modulationsbetrieb ein Nutzsignal und eine Versorgungsspannung zum Betreiben des Spannungsgenerators bereitgestellt.
Der Mikrofonverstärker umfasst des Weiteren einen steuerbaren Schalter, der in einem ersten und zweiten Zustand betreibbar ist. Die Verstärkerschaltung weist einen ersten Eingangsanschluss auf, welcher mit dem Eingangsschluss des Mikrofonverstärkers und mit dem steuerbaren Schalter verbunden ist und über den ein erstes Referenzsignal der Verstärkerschaltung zuführbar ist. Die Verstärkerschaltung weist einen zweiten Eingangsanschluss auf, über den das erste Referenzsignal ebenfalls der Verstärkerschaltung zugeführt wird.
Im ersten Zustand des steuerbaren Schalters ist ein Anschluss zum Anlegen des ersten Referenzsignals mit dem Eingangsanschluss verbunden. Im zweiten Zustand des steuerbaren Schalters ist der Anschluss zum Anlegen des ersten Referenzsignals von dem Eingangsanschluss getrennt. Der steuerbare Schalter wird von einer Steuerschaltung in den ersten oder zweiten Zustand geschaltet. In einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Verstärkerschaltung moduliert die Verstärkerschaltung die Ausgangsspannung so, das im Minimum immer ein ausreichend hoher Pegel, der zur Spannungsversorgung des Spannungsgenerators verwendet werden kann, vorhanden ist. Wenn die Steuerschaltung feststellt, dass ein Arbeitspunkt der Verstärkerschaltung außerhalb eines Bereichs eines bestimmungsgemäßen Betriebs liegt, wird der steuerbare Schalter von dem zweiten in den ersten Zustand geschaltet. Die Verstärkerschaltung ist derart ausgebildet, dass sie wieder in den bestimmungsgemäßen Betrieb zurück versetzt wird, wenn an dem Eingangsanschluss das Referenzsignal anliegt.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines Sprachsignals in ein elektrisches Signal angegeben. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Mikrofonverstärker nach der oben genannten Ausführungsform und ein Mikrofon. Das Mikrofon ist zwischen den Eingangsanschluss und den weiteren Ausgangsanschluss des Mikrofonverstärkers geschaltet. Der Ausgangsanschluss des Mikrofonverstärkers ist an eine Versorgungsspannungsquelle angeschlossen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrofonverstärkers angegeben. Zum Betreiben des Mikrofonverstärkers wird eine Verstärkerschaltung nach der oben angegebenen Ausführungsform bereitgestellt. Die Verstärkerschaltung erzeugt in einem bestimmungsgemäßen Betrieb das Ausgangssignal mit einem Pegel innerhalb eines Pegelbereiches des Ausgangssignals und die Verstärkerschaltung erzeugt außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs das Ausgangssignal mit einem Pegel außerhalb des Pegelbereiches des Ausgangssignals. Eine Versorgungsspannung wird an den Ausgangsanschluss der Verstärkerschaltung angelegt. Das Eingangssignal wird an den ersten Eingangsanschluss der Verstärkerschaltung angelegt und ein erstes Referenzsignal wird an den zweiten Eingangsanschluss der Verstärkerschaltung angelegt. Die Verstärkerschaltung wird in dem bestimmungsgemäßen Betrieb derart betrieben, dass die Verstärkerschaltung das Ausgangssignal mit einem Pegel innerhalb des Pegelbereiches des Ausgangssignals erzeugt, wenn das Eingangssignal an dem Eingangsanschluss mit einem Pegel innerhalb eines Pegelbereichs des Eingangsignals anliegt, oder die Verstärkerschaltung wird im nicht bestimmungsgemäßen Betrieb derart betrieben, dass die Verstärkerschaltung an dem Ausgangsanschluss das Ausgangssignal mit einem Pegel außerhalb des Pegelbereiches des Ausgangssignals erzeugt, wenn das Eingangssignal an dem Eingangsanschluss mit einem Pegel außerhalb des Pegelbereichs des Eingangssignals anliegt. Eine Referenzspannung wird durch Steuern des steuerbaren Schalters in einen leitenden Zustand an den ersten Eingangsanschluss der Verstärkerschaltung angelegt, wenn die Verstärkerschaltung im nicht bestimmungsgemäßen Betrieb arbeitet, wodurch die Verstärkerschaltung in den bestimmungsgemäßen Betrieb zurückversetzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Verstärken von Signalen eines Mikrofons,
2 eine Ausführungsform eines Mikrofonverstärkers zum Verstärken von Ausgangssignalen eines Mikrofons,
3 eine Ausführungsform einer Verstärkerschaltung für einen Mikrofonverstärker,
4 eine weitere Ausführungsform einer Verstärkerschaltung für einen Mikrofonverstärker,
5 eine weitere Ausführungsform einer Verstärkerschaltung für einen Mikrofonverstärker,
6 eine weitere Ausführungsform einer Verstärkerschaltung für einen Mikrofonverstärker.

1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1000 zur Verarbeitung von Signalen IN eines Mikrofons 200. Zur Verstärkung der von dem Mikrofon 200 ausgangsseitig bereitgestellten Signale IN ist ein Mikrofonverstärker 100 vorgesehen, der einen Ausgangsanschluss A100a zum Ausgeben eines Ausgangssignals OUT umfasst. Das Ausgangsignal kann einem verstärkten Sprachsignal entsprechen. Die Verstärkung des Mikrofonverstärkers kann auch um den Wert 1 herum liegen, wodurch eine Impedanzwandlung zwischen dem Mikrofon und dem Ausgang des Mikrofonverstärkers erreicht wird. Der Mikrofonverstärker weist des Weiteren einen Bezugsspannungsanschluss B zum Anlegen einer Bezugsspannung, einen Eingangsanschluss E100 und einen weiteren Ausgangsanschluss A100b auf.
Das Mikrofon 200, das beispielsweise als ein MEMS-Mikrofon ausgebildet sein kann, ist zwischen den Eingangsanschluss E100 und den weiteren Ausgangsanschluss A100b angeschlossen. Der Mikrofonverstärker 100 ist derart ausgebildet, dass er an dem Ausgangsanschluss A100b ein Ausgangssignal VBIAS, beispielsweise eine Vorladespannung für eine Membran des Mikrofons, bereitstellt. Das von dem Mikrofon bereitgestellte Eingangssignal IN wird dem Mikrofonverstärker 100 an dem Eingangsanschluss E100 zugeführt und als verstärkte Ausgangssignale OUT am Ausgangsanschluss A100a ausgegeben.
Der Ausgangsanschluss A100a ist mit weiteren Schaltungskomponenten zur Verarbeitung der verstärkten Ausgangssignale verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist eine Verstärkerschaltung 400 an den Ausgangsanschluss A100a angeschlossen. Die Verstärkerschaltung 400 umfasst einen Verstärker 410, dem an einem Eingangsanschluss das Ausgangssignal OUT des Mikrofonverstärkers über einen Kondensator 420 zugeführt wird. Ein weiterer Anschluss V400 des Verstärkers 410 ist über einen Widerstand 430 mit einer Referenzspannung VREF0 verbunden. Ein Ausgangsanschluss A400 des Verstärkers 410 ist über einen weiteren Widerstand 440 auf einen Eingangsanschluss des Verstärkers 410 zurück gekoppelt. Ein weiterer Eingangsanschluss des Verstärkers 410, dem das Ausgangssignal des Mikrofonverstärkers zugeführt wird, ist über einen weiteren Widerstand 450 mit der Referenzspannung VREF0 verbunden. Der Verstärker 410 erzeugt ausgangsseitig das Ausgangssignal VOUT.
Der Mikrofonverstärker der 1 weist keinen eigens dafür vorgesehenen Anschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung auf. Stattdessen ist eine Spannungsquelle 300 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung VDDA über einen Widerstand 310 an den Ausgangsanschluss A100a des Mikrofonverstärkers angeschlossen. Somit erfolgt bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Mikrofonverstärkers die Ausgabe des verstärkten Ausgangssprachsignals sowie die Speisung des Mikrofonverstärkers mit der Versorgungsspannung über den gleichen Anschluss A100a.
2 zeigt eine Ausführungsform des Mikrofonverstärkers 100 in einer detaillierten Auflösung. Der Mikrofonverstärker umfasst eine Verstärkerschaltung 10, die zwischen einen Eingangsanschluss E100 des Mikrofonverstärkers zum Anlegen eines Eingangssignals IN und einen Ausgangsanschluss A100a des Mikrofonverstärkers zum Ausgeben eines Ausgangssignals OUT geschaltet ist. Da die Eingangsseite der Verstärkerschaltung mit dem Eingangsanschluss E100 verbunden ist, bildet der Eingangsanschluss E100 des Mikrofonverstärkers gleichzeitig auch einen Eingangsanschluss der Verstärkerschaltung. Ebenso stellt der Ausgangsanschluss A100a des Mikrofonverstärkers auch einen Ausgangsanschluss der Verstärkerschaltung 10 dar, da die Verstärkerschaltung 10 ausgangsseitig mit dem Mikrofonverstärker verbunden ist.
Das Eingangssignal IN kann beispielsweise ein Signal sein, das von einem an den Eingangsanschluss E100 angeschlossenen Mikrofon, beispielsweise von einem MEMS-Mikrofon, bereitgestellt wird. Die Verstärkerschaltung 10 verstärkt das Eingangssignal IN und erzeugt ausgangsseitig am Ausgangsanschluss A100a das Ausgangssignal OUT. Des Weiteren kann an den Eingangsanschluss E100 der Verstärkerschaltung ein Referenzsignal VREF1 über einen steuerbaren Schalter 20 angelegt werden. Einem weiteren Eingangsanschluss E10 der Verstärkerschaltung kann ebenfalls das Referenzsignal VREF1 zugeführt werden.
Der Mikrofonverstärker weist des Weiteren einen Spannungsgenerator 30 auf, der an einem Ausgangsanschluss A100b des Mikrofonverstärkers ein weiteres Ausgangssignal VBIAS bereitstellt. Das weitere Ausgangssignal kann beispielsweise eine Spannung sein, die als Vorladespannung für die Membran des an den Mikrofonverstärker angeschlossenen Mikrofons verwendet wird. Der Mikrofonverstärker umfasst darüber hinaus einen Spannungs-/Stromgenerator 40 zur Erzeugung des Referenzsignals VREF1. Das Referenzsignal VREF1 wird an einem Ausgangsanschluss A40a des Spannungs-/Stromgenerators 40 erzeugt und kann über den steuerbaren Schalter 20 dem Eingangsanschluss E100 des Mikrofonverstärkers zugeführt werden. Der Spannungs-/Stromgenerator 40 ist somit ausgangsseitig über den steuerbaren Schalter mit dem Eingangsanschluss E100 der Verstärkerschaltung 10 verbindbar. Des Weiteren stellt der Spannungs-/Stromgenerator 40 ein Referenzsignal VREF2 an einem weiteren Ausgangsanschluss A40b des Spannungs-/Stromgenerators für den Spannungsgenerator 30 zur Verfügung. Das Referenzsignal VREF2 dient für den Spannungsgenerator 30 als Referenzspannung zur Erzeugung des Pegels des Ausgangssignals VBIAS.
Zum Betreiben des Spannungsgenerators 30 sowie des Spannungs-/Stromgenerators 40 ist ein Versorgungsspannungsanschluss V30 des Spannungsgenerators 30 und ein Versorgungsspannungsanschluss V40 des Spannungs-/Stromgenerators 40 jeweils zum Anlegen einer Versorgungsspannung V vorgesehen. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform eines Mikrofonverstärkers sind die Versorgungsspannungsanschlüsse V30 und V40 nicht über einen eigens dafür an dem Gehäuse des Mikrofonverstärkers vorgesehenen separaten Anschluss zum Anlegen einer externen Versorgungsspannung angeschlossen. Stattdessen sind die Versorgungsspannungsanschlüsse V30 und V40 mit dem Ausgangsanschluss A100a der Verstärkerschaltung 10 beziehungsweise des Mikrofonverstärkers 100 verbunden. Die Versorgungsspannung für den Spannungsgenerator 30 und den Strom-/Spannungsgenerator 40 wird somit von der Verstärkerschaltung 10 definiert. Der Pegel der Versorgungsspannung V ergibt sich aus der Referenzspannung VREF1 und dem Verstärkerspannungsversatz zwischen dem Eingangsanschluss E100 und dem Ausgangsanschluss A100a. Der benötigte Speisestrom wird durch eine Gleichspannungsquelle 300 zur Erzeugung der Versorgungsgleichspannung VDDA und den Widerstand 310 zur Verfügung gestellt. Die Versorgungsspannungsquelle 300 ist dazu über einen Widerstand 310 mit dem Ausgangsanschluss A100a der Verstärkerschaltung 10 verbunden. Die Versorgungsspannungsquelle kann alternativ zu dem Widerstand 310 auch über eine Stromquelle IQ_S an den Ausgangsanschluss A100a angeschlossen sein.
Zum Betreiben des zwischen den Eingangsanschluss E100 und den Ausgangsanschluss A100b angeschlossenen Mikrofons stellt der Spannungsgenerator 30 ein Ausgangssignal VBIAS bereit, das insbesondere bei einem an den Mikrofonverstärker angeschlossenen MEMS-Mikrofon zur Erzeugung der Vorladespannung der Mikrofonmembran des MEMS-Mikrofons bereitgestellt wird. Das Mikrofon liefert am Eingangsanschluss E100 das Eingangssignal IN, das der Verstärkerschaltung 10 eingangsseitig zugeführt wird. Nach einer Verstärkung des Signals IN erzeugt die Verstärkerschaltung 10 an dem Ausgangsanschluss A100a das verstärkte Ausgangssignal OUT. Darüber hinaus definiert die Verstärkerschaltung 10 in Verbindung mit der an dem Ausgangsanschluss A100a eingespeisten Versorgungsspannung VDDA die Versorgungsspannung V für den Spannungsgenerator 30 sowie den Spannungs-/Stromgenerator 40.
Der Spannungsgenerator 30 benötigt eine gute Versorgungsspannungunterdrückung, um unerwünschte Rückkopplungsschleifen in dem Gesamtsystem zu verhindern. Das Mikrofon stellt eine direkte Kopplung zwischen dem Ausgangssignal VBIAS und dem Eingangssignal IN her. Eine Spannungsschwankung an dem Eingangsanschluss E100 wird durch die Verstärkerschaltung 10 verstärkt und auf das Ausgangssignal OUT aufmoduliert. Die Spannungsschwankung wird weiter über den Versorgungsspannungsanschluss dem Spannungsgenerator 30 zugeführt. Der Spannungsgenerator 30 ist derart ausgeführt, dass diese Schwankung nicht signifikant an das Ausgangssignal VBIAS weitergegeben wird. Die Verstärkung in dieser Schleife muss unter 1 liegen, damit ein stabiler Betrieb möglich ist.
In einem Zustand eines bestimmungsgemäßen Betriebs erzeugt die Verstärkerschaltung 10 das Ausgangssignal OUT mit einem Pegel innerhalb eines Nutzspannungsbereiches der Versorgungsspannung V, die zum Betrieb des Spannungsgenerators 30, insbesondere zur Erzeugung des Ausgangssignals VBIAS mit einem Sollpegel, erforderlich ist. Der Sollpegel des Ausgangssignals VBIAS kann ein Pegel, der zur Erzeugung der Vorladespannung des Mikrofons notwendig ist, sein. Des Weiteren erzeugt die Verstärkerschaltung 10 in dem bestimmungsgemäßen Betrieb das Ausgangssignal OUT mit einem Pegel innerhalb eines Nutzspannungsbereiches der Versorgungsspannung V, die zum Betrieb des Spannungs-/Stromgenerators 40, insbesondere zur Erzeugung des Referenzsignals VREF2 mit einem Sollpegel, erforderlich ist. Der Sollpegel des Referenzsignals VREF2 kann ein Pegel sein, der zur Erzeugung des Ausgangssignals VBIAS erforderlich ist.
Der Spannungs-/Stromgenerator 40 kann auch zwei unterschiedliche Referenzsignale erzeugen, zum einen das Referenzsignal VREF1, welches dem Eingang E10 des Verstärkers 10 als auch mit dem schaltbaren Schalter 20 zugeführt wird, zum anderen das Referenzsignal VREF2, welches mit dem Spannungsgenerator 30 zur Erzeugung des Ausgangssignals VBIAS zugeführt wird.
Im Falle des Auftretens eines Signals am Eingangsanschluss E100 mit einer großen Signalamplitude wird der Verstärker 10 über seinen bestimmungsgemäßen Betrieb hinaus ausgesteuert. Ein derartiger Störfall kann beispielsweise beim Auftreten eines hohen Geräuschpegels auf die Membran des Mikrofons auftreten. Als Beispiel sei eine Explosion genannt, die mit ihrem Schalldruck auf die Membran des Mikrofons wirkt.
Wenn die Verstärkerschaltung 10 infolge des Störereignisses in dem nicht bestimmungsgemäßen Betrieb betrieben wird, kann an dem Ausgangsanschluss A100a ein Pegel des Ausgangssignals OUT erzeugt werden, der zu gering ist, um den Spannungsgenerator 30 beziehungsweise den Spannungs-/Stromgenerator 40 mit einer ausreichend hohen Versorgungsspannung zu versorgen. Alternativ kann ein Pegel erzeugt werden, der zu hoch ist für einen korrekten Betrieb des Verstärkers. Aufgrund des Absinkens der Ausgangsspannung OUT in derartigen Störfällen erzeugt der Spannungsgenerator 30 das Ausgangssignal VBIAS mit einem zu geringen Pegel, beispielsweise einem Pegel, der unter einem zur Erzeugung einer Vorladespannung der Mikrofonmembran notwendigen Mindestpegel liegt.
Ebenso kann auch der Spannungs-/Stromgenerator 40 von der zu geringen Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss A100a betroffen sein und erzeugt aufgrund des Absinkens des Gleichspannungspegels des Ausgangssignal OUT das Referenzsignal VREF2 mit einem zu geringen Pegel, so dass der Spannungsgenerator 30 das Ausgangssignal VBIAS mit einem zu niedrigen Pegel erzeugt.
Der niedrige Pegel des Ausgangssignals VBIAS am Ausgangsanschluss A100b bewirkt, dass sich der Pegel der Vorladespannung für die Membran des Mikrofons verringert. Dadurch sinkt auch der Pegel des von dem Mikrofon am Eingangsanschluss E100 bereitgestellten Eingangssignals IN ab, wodurch auch die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung 10 beziehungsweise die Versorgungsspannung V absinkt. Wenn die Versorgungsspannung V soweit absinkt, dass sie außerhalb des Spannungsbereichs liegt, welcher für die Versorgung des Spannungsgenerators 30 beziehungsweise des Spannungs-/Stromgenerators 40 nötig ist, tritt ein Störfall auf, der zur Funktionsuntüchtigkeit des Mikrofons führt. Aufgrund der hohen Zeitkonstante im Sekunden- bis zum Minuten-Bereich am Eingang der Verstärkerschaltung 10, kann der Funktionsausfall des Mikrofons längere Zeit andauern, was in den meisten Anwendungsfällen nicht mehr akzeptabel ist.
Um einen Störfall schnell zu erkennen und die Funktionstüchtigkeit des Mikrofonverstärkers möglichst schnell wiederherzustellen, um einen längeren Ausfall des Mikrofons von mehreren Sekunden zu verhindern, weist der Mikrofonverstärker 100 eine Steuerschaltung 50 zum Schalten des steuerbaren Schalters in einen ersten und zweiten Zustand auf. Die Steuerschaltung erzeugt dazu das Steuersignal S_R.
Der steuerbare Schalter 20 kann durch das Steuersignal S_R in den ersten oder zweiten Zustand geschaltet werden. Im ersten Zustand ist der steuerbare Schalter beispielsweise leitend beziehungsweise niederohmig gesteuert und verbindet den Ausgangsanschluss A40a des Spannungs-/Stromgenerators 40 niederohmig mit dem Eingangsanschluss E100 des Mikrofonverstärkers. Im zweiten Zustand des steuerbaren Schalters ist der Schalter 20 nichtleitend beziehungsweise hochohmig gesteuert, so dass der Ausgangsanschluss A40a des Spannungs-/Stromgenerators 40 von dem Eingangsanschluss E100 des Mikrofonverstärkers getrennt ist beziehungsweise mit diesem hochohmig verbunden ist.
Die Verstärkerschaltung 10 ist derart ausgebildet, dass sie aus dem Zustand des nicht bestimmungsgemäßen Betriebs in den Zustand des bestimmungsgemäßen Betriebs zurückversetzt wird, wenn dem Eingangsanschluss E100 das Referenzsignal VREF1 zugeführt wird und das Referenzsignal einen Sollpegel aufweist. Der Sollpegel des Referenzsignals VREF1 wird von dem Spannungs-/Stromgenerator 40 erzeugt, wenn die Verstärkerschaltung 10 im bestimmungsgemäßen Betrieb an dem Ausgangsanschluss A100a einen ausreichend hohen Pegel des Ausgangssignals OUT bereitstellt, der zur Spannungsversorgung des Spannungs-/Stromgenerators 40 verwendet werden kann. Die Steuerschaltung 50 ist dazu ausgebildet, den steuerbaren Schalter 20 von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten, wenn die Steuerschaltung 50 feststellt, dass die Verstärkerschaltung 10 in einem Zustand außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs betrieben wird.
Die Steuerschaltung 50 kann beispielsweise zur Überwachung der Lage eines Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung 10 ausgelegt sein. Die Lage des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung 10 kann beispielsweise dadurch überwacht werden, indem eine den Arbeitspunkt kennzeichnende Spannung M10 ermittelt wird. Zum Feststellen des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung wird der Steuerschaltung 50 eingangsseitig ein Überwachungssignal M10 von der Verstärkerschaltung 10 zugeführt.
Das Überwachungssignal M10 kennzeichnet die Lage des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung 10. Die Steuerschaltung 50 kann einen Überwachungsschaltkreis 51 aufweisen, der das Überwachungssignal M10 auswertet. Beispielsweise wird eine den Arbeitspunkt kennzeichnende Spannung mit einem Sollpegel der Spannung verglichen.
Wenn der Überwachungsschaltkreis 51 feststellt, dass der Arbeitspunkt der Verstärkerschaltung 10 außerhalb des Bereichs des bestimmungsgemäßen Betriebs der Verstärkerschaltung liegt, das heißt außerhalb desjenigen Bereiches, in dem die Verstärkerschaltung 10 das Ausgangssignal OUT mit einem Pegel im Nutzspannungsbereich erzeugt, um den Spannungsgenerator 30 beziehungsweise den Spannungs-/Stromgenerator 40 mit einer ausreichend hohen Versorgungsspannung zu versorgen, um das Ausgangssignal VBIAS beziehungsweise die Referenzsignale VREF1, VREF2 zu erzeugen, wird der steuerbare Schalter 20 von der Steuerschaltung 50 mittels des Steuersignals S_R von dem zweiten in den ersten Zustand geschaltet.
Zusätzlich wird überwacht, ob genügend Strom durch den Widerstand 310 in den Verstärker 10 fließt, um den korrekten Betrieb des Verstärkers 10 sicherzustellen.
Zusätzlich beziehungsweise alternativ zur Überwachung der Lage des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung kann die Steuerschaltung 50 zur Überwachung eines Pegels des von dem Spannungs-/Stromgenerators 40 bereitgestellten Referenzsignals VREF2 verwendet werden. Dazu kann der Steuerschaltung 50 der Pegel des Referenzsignals VREF2 eingangsseitig zugeführt werden, indem die Steuerschaltung 50 mit dem Ausgangsanschluss A40a des Spannungs-/Stromgenerators 40 verbunden ist. Die Steuerschaltung 50 kann bei dieser Ausführungsform einen Überwachungsschaltkreis 52 aufweisen, der den Pegel des Referenzsignals VREF2 auswertet. Wenn der Überwachungsschaltkreis 52 feststellt, dass der Pegel des Referenzsignals VREF2 über oder unter einem Sollpegel des Referenzsignals liegt, erzeugt die Steuerschaltung 50 das Steuersignal S_R derart, dass der steuerbare Schalter 20 von dem zweiten in den ersten Zustand geschaltet wird.
Alternativ beziehungsweise zusätzlich zur Überwachung der Lage des Arbeitspunkts der Verstärkerschaltung beziehungsweise des Pegels des Referenzsignals VREF2 kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das von dem Spannungsgenerator 30 ausgangsseitig erzeugte Ausgangssignal VBIAS der Steuerschaltung 50 zugeführt werden. Die Steuerschaltung 50 weist einen Überwachungsschaltkreis 53 zur Überwachung des Pegels des Ausgangssignals VBIAS auf. Wenn der Überwachungsschaltkreis 53 feststellt, dass der Pegel des Ausgangssignals VBIAS über einen Sollpegel steigt oder unter einen Sollpegel fällt, erzeugt die Steuerschaltung 50 das Steuersignal S_R zum Schalten des steuerbaren Schalters 20 von dem zweiten in den ersten Zustand.
Durch das leitend beziehungsweise niederohmig Steuern des steuerbaren Schalters 20 wird das Referenzsignal VREF1 an dem Eingangsanschluss E100 der Verstärkerschaltung 10 eingespeist. Der Eingangsanschluss E100 der Verstärkerschaltung, der mit dem Mikrofon verbunden ist, weist eine hohe Impedanz, beispielsweise eine Impedanz im Bereich von einigen hundert Ohm bis mehreren Tera Ohm auf. Beispielsweise kann die Impedanz zwischen 500 Ω und 100 TΩ betragen. Das Referenzsignal VREF1 bewirkt, dass das Eingangssignal am Eingangsanschluss E100 einen Eingangs-Mittelwert aufweist. Das Referenzsignal VREF1 ist im bestimmungsgemäßen Betrieb der Verstärkerschaltung über einen hochohmigen Pfad mit dem Eingangsanschluss E100 verbunden. Der hochohmige Pfad kann beispielsweise durch zwei antiparallel geschaltete Dioden gebildet werden.
Aufgrund des hochohmigen Pfades, über den das Referenzsignal VREF1 an der Verstärkerschaltung anliegt, ergibt sich eine große Zeitkonstante und somit eine lange Zeitdauer von mehreren Sekunden bis sich der Eingangsanschluss E100 auf den Pegel des Referenzsignals VREF1 auflädt. Wenn der steuerbare Schalter 20 leitend gesteuert wird, wird der hochohmige Pfad, auf dem das Referenzsignal im bestimmungsgemäßen Betrieb des Verstärkers bereitgestellt wird, niederohmig überbrückt beziehungsweise kurzgeschlossen. Dadurch kann das von dem Spannungs-/Stromgenerator 40 erzeugte Referenzsignal niederohmig auf den Eingangsanschluss E100 eingespeist werden. Wenn der steuerbare Schalter leitend gesteuert worden ist, da sich die Verstärkerschaltung außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebszustandes und somit im nicht bestimmungsgemäßen Betrieb befunden hat, wird die Verstärkerschaltung 10 sehr schnell wieder von dem nicht bestimmungsgemäßen Betriebszustand in den bestimmungsgemäßen Betriebszustand zurückversetzt.
Nachdem die Verstärkerschaltung 10 wieder in den bestimmungsgemäßen Betriebszustand geschaltet worden ist, tritt am Ausgang der Verstärkerschaltung 10 das Ausgangssignal OUT wieder mit einem ausreichend hohen Gleichspannungspegel auf, um auch den bestimmungsgemäßen Betrieb des Spannungsgenerators 30 sowie des Spannungs-/Stromgenerators 40 sicherzustellen. In dem bestimmungsgemäßen Betrieb des Spannungsgenerators 30 erzeugt der Spannungsgenerator 30 das Ausgangssignal VBIAS mit einem ausreichend hohen Pegel, wodurch die Funktionalität des Mikrofons 200 gewährleistet ist. Des Weiteren wird im bestimmungsgemäßen Betrieb des Spannungs-/Stromgenerators 40 das Referenzsignal VREF1, VREF2 mit einem Pegel erzeugt, der für die bestimmungsgemäße Funktionalität des Spannungsgenerators 30 und der Verstärkerschaltung 10 erforderlich ist.
Somit wird es durch die in 2 gezeigte Schaltung eines Mikrofonverstärkers ermöglicht, die Versorgungsspannung für den Spannungsgenerator 30 sowie den Spannungs-/Stromgenerator 40 am Ausgangsanschluss A100a der Verstärkerschaltung 10 bereitzustellen. Ein zusätzlicher Anschluss zum Bereitstellen einer externen Versorgungsspannung für den Spannungsgenerator 30 beziehungsweise den Spannungs-/Stromgenerator 40 ist nicht notwendig. Die Verstärkerschaltung ist derart ausgebildet, dass der am Ausgangsanschluss A100 auftretende Pegel des Ausgangssignals OUT auch bei einem Betrieb der Verstärkerschaltung im nicht bestimmungsgemäßen Betrieb noch ausreichend hoch ist, um als Versorgungsspannung für die Steuerschaltung 50 zu dienen.
Der Mikrofonverstärker 100 ermöglicht es, dass ein ECM-Mikrofon auf einfache Weise durch ein MEMS-Mikrofon ersetzt werden kann, ohne dass dazu der Verdrahtungsaufwand erhöht werden müsste. Dies ist insbesondere bei Headset-Anwendungen von Interesse. Des Weiteren kann durch das Einsparen eines separaten Anschlusses zum Anlegen einer externen Versorgungsspannung für den Spannungsgenerator 30 beziehungsweise den Spannungs-/Stromgenerator 40 wertvolle Chipfläche eingespart werden.
3 zeigt eine Ausführungsform der Verstärkerschaltung 10. Der Eingangsanschluss E100 der Verstärkerschaltung ist mit dem Gate-Anschluss GT0 eines Transistors T0 verbunden. Der Source-Anschluss des Transistors, an dem das Ausgangssignal OUT erzeugt wird, ist an den Ausgangsanschluss A100a des Mikrofonverstärkers angeschlossen. Dem Drain-Anschluss des Transistors TO wird das Referenzsignal VREF1, beispielsweise eine Referenzspannung, die an dem Eingangsanschluss E10 anliegt, zugeführt.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Schaltung wird das Referenzsignal VREF1 über einen hochohmigen Pfad, der durch die antiparallel geschalteten Dioden D1 und D2 gebildet wird, an den Eingangsanschluss E100 gelegt. Beim Auftreten eines Störfalls, der ein Absinken der Ausgangsspannung OUT der Verstärkerschaltung zur Folge hat, wird der steuerbare Schalter 20 leitend gesteuert, wodurch die beiden antiparallel geschalteten Dioden D1 und D2 niederohmig überbrückt werden. Dadurch wird der Eingangsanschluss E100 niederohmig mit dem Anschluss A40a verbunden. Durch das niederohmige Einkoppeln der Referenzspannung VREF1 an dem Eingangsanschluss E100 wird die Verstärkerschaltung in den bestimmungsgemäßen Betrieb zurück versetzt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verstärkerschaltung 10. Die Verstärkerschaltung ist bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Super-Source-Folger-Schaltung ausgelegt. Der Eingangsanschluss E100 zum Einspeisen des Eingangssignals IN ist an einen Steueranschluss GT1 eines Transistors T₁, beispielsweise eines MOS-FET-Transistors, angeschlossen. Das Referenzsignal VREF1, das an dem Eingangsanschluss E10 anliegt, ist über einen Widerstand R₃ hochohmig mit dem Eingangsanschluss E100 verbunden. Der Source-Anschluss des Transistor T₁ ist an den Ausgangsanschluss A100a der Verstärkerschaltung angeschlossen. Zur Erzeugung eines konstanten Stroms über der Source-Drain-Strecke des Transistors T₁ ist eine Rückkopplung über einen weiteren Widerstand R₄ sowie einen Transistor T₃ vorgesehen. Der Transistor T₁ ist dazu über den Widerstand R₄ mit einem Anschluss B zum Anlegen eines Bezugsspannungspotentials GND, beispielsweise eines Massepotentials, verbunden. Der Transistor T₃, der beispielsweise als ein Bipolartransistor ausgebildet sein kann, ist parallel zu dem Transistor T₁ und dem Widerstand R₄ zwischen den Ausgangsanschluss A100a und den Anschluss B geschaltet. Ein Steueranschluss GT3 des Transistors T₃ ist zwischen den Transistor T₁ und den Widerstand R₄ geschaltet.
4 zeigt des Weiteren eine Ausführungsform der Überwachungsschaltung 51. Die Überwachungsschaltung 51 weist einen Komparator 511 und eine weitere Referenzspannungsquelle 512 zur Erzeugung einer Referenzspannung VREF3 auf. Der Komparator 511 überwacht den Arbeitspunkt M10 der Schaltung 10. Falls der Verstärker durch ein zu hohes Eingangssignal den Ausgang zu stark positiv ansteuert, wird der Strom in dem Transistor T₁ soweit reduziert, dass der Transistor T₃ nicht mehr leitet und die Spannung an dem Widerstand R₄ unter VREF3 abfällt. Dies führt zum Schalten eines Fehlersignals ERR, das an die Steuerschaltung 50 weitergeleitet wird.
Die in 4 gezeigte Super-Source-Folger-Schaltung ermöglicht eine Verstärkung von ungefähr 1, die durch den zu dem Strompfad des Transistors T₁ parallel geschalteten Strompfad des Transistors T₃ nahezu unabhängig von der Last am Ausgangsanschluss A100a ist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verstärkerschaltung 10 zur Verstärkung des Eingangssignals IN, die mit dem bereits anhand von 4 beschriebenen Überwachungsschaltkreis 51 verbunden ist. Der Ausgangsanschluss A100a der Verstärkerschaltung 10 ist über einen Widerstand R₁ mit einem Strompfad 1 verbunden. In dem Strompfad 1 ist eine spannungsgesteuerte Stromquelle T₁ vorgesehen. Die spannungsgesteuerte Stromquelle T₁ kann als Transistor, beispielsweise als MOS-FET-Transistor, ausgebildet sein. Des Weiteren ist in den Strompfad 1 in Serie zu der spannungsgesteuerten Stromquelle T₁ ein Widerstand R₄ geschaltet. Der Strompfad 1 beziehungsweise die spannungsgesteuerte Stromquelle T₁ und der Widerstand R₄ sind somit zwischen den Widerstand R₁ und einen Bezugsspannungsanschluss B zum Anlegen eines Bezugspotentials GND, beispielsweise eines Massepotentials, geschaltet.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform der Verstärkerschaltung 10 weist des Weiteren einen Strompfad 2 auf, der eine spannungsgesteuerte Stromquelle T₂ umfasst. In Serie zu dem Strompfad 2 beziehungsweise der spannungsgesteuerten Stromquelle T₂ ist ein Widerstand R₂ angeordnet. Die Serienschaltung aus dem Widerstand R₂ und dem Strompfad 2 beziehungsweise der spannungsgesteuerten Stromquelle T₂ ist parallel zu dem Strompfad 1 geschaltet.
Die Verstärkerschaltung 10 weist des Weiteren einen Strompfad 3, der eine spannungsgesteuerte Stromquelle T₃ umfasst, auf. Der Strompfad 3 und somit die spannungsgesteuerte Stromquelle T₃ ist parallel zu der Serienschaltung des Widerstandes R₁ und des Strompfades 1 zwischen den Ausgangsanschluss A100a und den Bezugsspannungsanschluss B geschaltet.
Ein Steueranschluss GT1 der spannungsgesteuerten Stromquelle T₁ ist mit dem Eingangsanschluss E100 zum Anlegen des Eingangssignals IN verbunden. Die spannungsgesteuerte Stromquelle T₂ weist einen Steueranschluss GT2 auf, der mit dem Eingangsanschluss E2 zum Anlegen des Referenzsignals VREF1 verbunden ist. Ein Steueranschluss GT3 der spannungsgesteuerten Stromquelle T₃ ist an den Strompfad 1 zwischen die spannungsgesteuerte Stromquelle T₁ und den Widerstand R₄ geschaltet.
Durch das Einkoppeln der Referenz-Gleichspannung VREF1 an dem Eingangsanschluss E10 wird an dem Eingangsanschluss E100 ein Gleichspannungspegel definiert, da die Eingangsanschlüsse E100 und E10 über den Widerstand R₃ gekoppelt sind. Das Vorsehen des Widerstandes R₃ zwischen dem Eingangsanschluss E100 und dem Eingangsanschluss E10 der Verstärkerschaltung 10 ist optional. Wenn an den Eingangsanschluss E100 eine Signalquelle, die einen Gleichspannungspegel generiert, angeschlossen wird, kann der Widerstand R₃ entfallen und die Eingangsanschlüsse E100 und E10 können voneinander entkoppelt sein.
Zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für die Verstärkerschaltung 10 kann eine Versorgungsspannungsquelle über einen Widerstand mit dem Ausgangsanschluss A100a der Verstärkerschaltung verbunden sein. Beim Einspeisen des Eingangssignals IN an dem Steueranschluss GT1 des Transistors T₁ wird an dem Ausgangsanschluss A100a nach einer Verstärkung des Eingangssignals IN das Ausgangssignal OUT erzeugt. Die durch den Transistor T₃ und den Widerstand R₄ gebildete Rückkopplung führt zur Reduzierung der Ausgangsimpedanz der Verstärkerschaltung, sodass die Verstärkung der Schaltungsanordnung 10 der 5 nahezu lastunabhängig wird.
Durch das Parallelschalten des Strompfades 2 zu dem Strompfad 1 lässt sich eine Verstärkung erzeugen. Der Transistor T₁ bildet zusammen mit dem Widerstand R₄ die erste Verstärkerstufe. Die Verstärkung dieser Stufe ergibt sich zu A = gm(T1)×R₄, wobei gm(T1) die Transkonduktanz des Transistors T₁ bezeichnet. Eine zweite Verstärkerstufe wird durch den Transistor T₃ und die Last am Ausgangsanschluss A100a gebildet. Die Verstärkung der gesamten Schaltungsanordnung 10 der 5 kann mittels der Widerstände R₁ und R₂ eingestellt werden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verstärkerschaltung 10 zur Verstärkung von Sprachsignalen eines Mikrofons, die mit dem bereits anhand von 4 beschriebenen Überwachungsschaltkreis 51 verbunden ist. Gleiche Schaltungselemente in 5 und 6 sind mit gleichen Symbolen dargestellt.
Die Schaltungsanordnung 10 der 6 weist im Vergleich zur Schaltungsanordnung 10 der 5 zusätzlich einen Strompfad 4 auf. Der Strompfad 4 enthält eine spannungsgesteuerte Stromquelle T₄, die beispielsweise als ein Transistor ausgebildet sein kann. In den Strompfad 2 ist in Serie zu der spannungsgesteuerten Stromquelle T₂ ein Widerstand R₅ geschaltet, der mit dem Bezugsspannungsanschluss B verbunden ist. Der Transistor T₄ ist parallel zu dem Strompfad 2 geschaltet. Ein Steueranschluss GT4 des Transistors T₄ ist an den Strompfad 2 zwischen den Transistor T₂ und den Widerstand R₅ geschaltet. Durch das Hinzufügen des Strompfades 4 und des Widerstandes R₅ wird der Einfluss der Transkonduktanz gm_T2 des Transistors T₂ auf die Verstärkung A der Verstärkerschaltung reduziert. Aufgrund der von dem Transistor T₄ und dem Widerstand R₅ gebildeten Rückkopplung wird die Impedanz am Source-Anschluss von T₂ sehr klein.
Die Verstärkerschaltungen der 5 und 6 können als Zwei-Draht-Analogschnittstellen verwendet werden, bei denen die Spannungsversorgung und das Nutzsignal am Ausgangsanschluss A100a über eine gemeinsame Leitung im Modulationsbetrieb bereitgestellt werden. Somit kann die Verstärkerschaltung insbesondere zur Verstärkung von Sprachausgangssignalen von ECM-Mikrofonen oder MEMS-Mikrofonen verwendet werden. Die Verstärkung A der Verstärkerschaltung kann durch eine entsprechende Skalierung der Widerstände R₁ und R₂ eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: Verstärkerschaltung
20: steuerbarer Schalter
30: Spannungsgenerator
40: Spannungs-/Stromgenerator
50: Steuerschaltung
51, 52, 53: Überwachungsschaltung
100: Mikrofonverstärker
200: Mikrofon
300: externe Spannungsversorgung
400: Verstärkerschaltung
D: Diode
VREF: Referenzsignal
VBIAS: Ausgangssignal
OUT: Ausgangssignal
IN: Eingangssignal

Claims

Mikrofonverstärker, umfassend: - einen Eingangsanschluss (E100) zum Anlegen eines Eingangssignals (IN), - einen ersten Ausgangsanschluss (A100a) zum Ausgeben eines ersten Ausgangssignals (OUT), - einen zweiten Ausgangsanschluss (A100b) zum Ausgeben eines zweiten Ausgangssignals (VBIAS), - eine Verstärkerschaltung (10) zum Erzeugen des ersten Ausgangssignals (OUT) durch ein Verstärken des Eingangssignals (IN), wobei die Verstärkerschaltung (10) zwischen den Eingangsanschluss (E100) und den ersten Ausgangsanschluss (A100a) geschaltet ist, - einen ersten Spannungsgenerator (30) zum Erzeugen des zweiten Ausgangssignals (VBIAS) mit einem Versorgungsspannungsanschluss (V30) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (V), - einen steuerbaren Schalter (20), über den ein erstes Referenzsignal (VREF1) dem Eingangsanschluss (E100) zuführbar ist, - wobei der Versorgungsspannungsanschluss (V30) des Spannungsgenerators (30) mit dem ersten Ausgangsanschluss (A100a) des Mikrofonverstärkers verbunden ist, - wobei die Verstärkerschaltung (10) einen ersten Eingangsanschluss (E100) aufweist, welcher mit dem Eingangsschluss des Mikrofonverstärkers und mit dem steuerbaren Schalter (20) verbunden ist, über den das erste Referenzsignal (VREF1) der Verstärkerschaltung (10) zuführbar ist, und - wobei die Verstärkerschaltung (10) einen zweiten Eingangsanschluss (E10) aufweist, über den das erste Referenzsignal (VREF1) ebenfalls der Verstärkerschaltung (10) zugeführt wird.
Mikrofonverstärker nach Anspruch 1, umfassend: - einen zweiten Spannungsgenerator (40) mit einem Anschluss (A40a) zum Erzeugen des ersten Referenzsignals (VREF1), - wobei der steuerbare Schalter (20) in einen ersten und zweiten Zustand schaltbar ist, wobei der steuerbare Schalter in dem ersten Zustand leitend gesteuert ist, wodurch das erste Referenzsignal (VREF1) dem Eingangsanschluss (E100) zugeführt wird, und wobei der steuerbare Schalter (20) in dem zweiten Zustand nichtleitend gesteuert ist, wodurch der Eingangsanschluss (E100) im zweiten Zustand des steuerbaren Schalters von dem Anschluss (A40a) des zweiten Spannungsgenerators zum Erzeugen des ersten Referenzsignals (VREF1) getrennt ist.
Mikrofonverstärker nach Anspruch 2, - wobei die Verstärkerschaltung (10) derart ausgebildet ist, dass die Verstärkerschaltung in einem Zustand eines bestimmungsgemäßen Betriebs das erste Ausgangssignal (OUT) mit einem Pegel innerhalb eines Spannungsbereichs der Versorgungsspannung des ersten Spannungsgenerators (30) erzeugt und die Verstärkerschaltung in einem Zustand des nicht bestimmungsgemäßen Betriebs das erste Ausgangssignal (OUT) mit einem Pegel außerhalb des Spannungsbereichs der Versorgungsspannung des ersten Spannungsgenerators (30) erzeugt, wobei der Spannungsbereich der Versorgungsspannung derjenige Spannungsbereich ist, der erforderlich ist, damit der erste Spannungsgenerator (30) das zweite Ausgangssignal (VBIAS) mit einem Sollpegel erzeugt, - wobei die Verstärkerschaltung (10) derart ausgebildet ist, dass sie aus dem Zustand des nicht bestimmungsgemäßen Betriebs in den Zustand des bestimmungsgemäßen Betriebs zurückversetzt wird, wenn dem Eingangsanschluss (E100) das erste Referenzsignal (VREF1) zugeführt wird und das erste Referenzsignal den Sollpegel aufweist.
Mikrofonverstärker nach Anspruch 3, umfassend: - eine Steuerschaltung (50) zur Steuerung eines ersten und zweiten Zustands des steuerbaren Schalters (20), - wobei die Steuerschaltung (50) derart ausgebildet ist, dass die Steuerschaltung den steuerbaren Schalter (20) von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand schaltet, wenn die Steuerschaltung (50) feststellt, dass die Verstärkerschaltung (10) in einem Zustand des nicht bestimmungsgemäßen Betriebs betrieben wird.
Mikrofonverstärker nach Anspruch 4, - wobei die Steuerschaltung (50) zum Festellen einer Lage des Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung (10) ausgebildet ist, - wobei die Steuerschaltung (50) den steuerbaren Schalter (20) von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand steuert, wenn die Steuerschaltung feststellt, dass der Arbeitspunkt der Verstärkerschaltung (10) außerhalb des Bereichs des bestimmungsgemäßen Betriebs der Verstärkerschaltung liegt.
Mikrofonverstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 5, umfassend: - wobei der zweite Spannungsgenerator (40) zum Erzeugen eines zweiten Referenzsignals (VREF2) ausgebildet ist, - wobei der zweite Spannungsgenerator (40) einen Versorgungsspannungsanschluss (V40) zum Anlegen der Versorgungsspannung (V) aufweist, - wobei der Versorgungsspannungsanschluss (V40) des zweiten Spannungsgenerators (40) mit dem ersten Ausgangsanschluss (A100a) des Mikrofonverstärkers verbunden ist, - wobei das zweite Referenzsignal (VREF2) dem ersten Spannungsgenerator (30) zugeführt wird, - wobei der erste Spannungsgenerator (30) derart ausgebildet ist, dass der erste Spannungsgenerator (30) das zweite Ausgangssignal (VBIAS) mit einem Pegel, der zum Betreiben eines mit dem zweiten Ausgangsanschluss (A100b) verbundenen Mikrofons erforderlich ist, erzeugt, wenn der zweite Spannungsgenerator (40) das zweite Referenzsignal (VREF2) mit einem Pegel in einem Sollpegelbereich des zweiten Referenzsignals erzeugt.
Mikrofonverstärker nach Anspruch 6, - wobei die Steuerschaltung (50) zum Feststellen des Pegels des zweiten Referenzsignals (VREF2) ausgebildet ist, - wobei die Steuerschaltung (50) den steuerbaren Schalter (20) von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand schaltet, wenn die Steuerschaltung feststellt, dass der Pegel des zweiten Referenzsignals (VREF2) über oder unter dem Sollpegelbereich des zweiten Referenzsignals liegt.
Mikrofonverstärker nach Anspruch 7, - wobei die Steuerschaltung (50) zum Feststellen des Pegels des zweiten Ausgangssignals (VBIAS) ausgebildet ist, - wobei die Steuerschaltung (50) den steuerbaren Schalter (20) von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand schaltet, wenn die Steuerschaltung (50) feststellt, dass der Pegel des zweiten Ausgangssignals (VBIAS) über oder unter einem Sollpegelbereich des zweiten Ausgangssignals, der zum Betreiben eines mit dem zweiten Ausgangsanschluss (A100b) verbundenen Mikrofons erforderlich ist, liegt.
Mikrofonverstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der Anschluss (A40a) des zweiten Spannungsgenerators (40) zum Erzeugen des ersten Referenzsignals (VREF1) in dem zweiten Zustand des steuerbaren Schalters (20) mit dem Eingangsanschluss (E100) über einen hochohmigeren Pfad (D1, D2) als in dem ersten Zustand des steuerbaren Schalters verbunden ist.
Mikrofonverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verstärkerschaltung (10) als eine Source-Folger-Schaltung ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung zur Umwandlung eines Sprachsignals in ein elektrisches Signal, umfassend: - einen Mikrofonverstärker (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, - ein Mikrofon (200), - wobei das Mikrofon (200) zwischen den Eingangsanschluss (E100) und den zweiten Ausgangsanschluss (A100b) des Mikrofonverstärkers angeschlossen ist, - wobei der erste Ausgangsanschluss (A100) des Mikrofonverstärkers an eine Versorgungsspannungsquelle (300) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, wobei die Versorgungsspannungsquelle (300) über einen Widerstand (310) oder eine Stromquelle (IQs) mit dem ersten Ausgangsanschluss (A100a) des Mikrofonverstärkers verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Mikrofonverstärkers nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend: - Anlegen einer Versorgungsspannung (VDDA) an den ersten Ausgangsanschluss (OUT) der Verstärkerschaltung (10), - Anlegen des Eingangssignals (IN) an den ersten Eingangsanschluss (E100) der Verstärkerschaltung (10) und Anlegen eines ersten Referenzsignals (VREF1) an den zweiten Eingangsanschluss (E10) der Verstärkerschaltung (10), - Erzeugen des ersten Ausgangssignals (OUT) in dem bestimmungsgemäßen Betrieb der Verstärkerschaltung (10) mit einem Pegel innerhalb des Spannungsbereichs der Versorgungsspannung des ersten Spannungsgenerators (30), wenn das Eingangssignal (IN) an dem Eingangsanschluss (E100) mit einem Pegel innerhalb eines ersten Pegelbereichs des Eingangssignals anliegt, oder Erzeugen des ersten Ausgangssignals (OUT) in dem nicht bestimmungsgemäßen Betrieb der Verstärkerschaltung (10) mit einem Pegel außerhalb des Spannungsbereichs der Versorgungsspannung des Spannungsgenerators (30), wenn das Eingangssignal (IN) an dem Eingangsanschluss (E100) mit einem Pegel in einem zweiten Pegelbereich des Eingangssignals, der außerhalb des ersten Pegelbereichs des Eingangssignals liegt, anliegt, - Festellen eines Betriebszustandes der Verstärkerschaltung (10), - Steuern des steuerbaren Schalters (20) in einen leitenden Zustand, wodurch das erste Referenzsignal (VREF1) dem ersten Eingangsanschluss (E100) der Verstärkerschaltung (10) zugeführt wird und die Verstärkerschaltung (10) in den bestimmungsgemäßen Betrieb zurückversetzt wird, wenn festgestellt wird, dass die Verstärkerschaltung (10) im nicht bestimmungsgemäßen Betrieb arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 13, umfassend: - Festellen des Betriebszustands der Verstärkerschaltung (10) durch Feststellen eines Arbeitspunktes der Verstärkerschaltung (10) und/oder des Pegels des zweiten Referenzsignals (VREF2) und/oder des Pegels des zweiten Ausgangssignals (VBIAS), - Zuführen des ersten Referenzsignals (VREF1) an den ersten Eingangsanschluss (E100) der Verstärkerschaltung (10), wenn sich die Lage des Arbeitspunkts der Verstärkerschaltung (10) aus einem Bereich des bestimmungsgemäßen Betriebs der Verstärkerschaltung in den Bereich des nicht bestimmungsgemäßen Betriebs verschiebt und/oder der Pegel des zweiten Referenzsignals (VREF2) über oder unter einem Sollpegel des zweiten Referenzsignals liegt und/oder der Pegel des zweiten Ausgangssignals (VBIAS) über oder unter einem Sollpegel des zweiten Ausgangssignals liegt.