DE102011010506B4

DE102011010506B4 - Mikrofonanordnung

Info

Publication number: DE102011010506B4
Application number: DE102011010506.9A
Authority: DE
Inventors: Pirmin Hermann Otto Rombach; Daifi Haoues Sassene
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2031-02-08
Also published as: DE102011010506A1; WO2012107270A1; US9681229B2; US20160241958A1; US9357294B2; US20140003609A1

Abstract

Mikrofonanordnung (M), aufweisend:
– eine Ladungspumpe (LP), die dazu ausgestaltet ist, eine Gleichspannung zu erzeugen,
– einen Wandler (WA), der dazu ausgestaltet ist, akustische Signale in elektrische Signale umzuwandeln und der mit der Ladungspumpe (LP) verbunden ist,
– eine Steuereinheit (VCLFS), die dazu ausgestaltet ist, die Höhe einer Eingangsspannung, die an der Ladungspumpe (LP) angelegt wird und/oder die Frequenz, mit der die Ladungspumpe (LP) betrieben wird, zu regeln, und
– einen Differenzverstärker (DV), der dazu ausgestaltet ist, ein Ausgangssignal auszugeben, das proportional zur Differenz zwischen einer von der Ladungspumpe (LP) erzeugten Gleichspannung und einer optimalen Betriebsspannung ist, wobei das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (DV) an die Steuereinheit (VCLFS) angelegt ist und die Steuereinheit (VCLFS) dazu ausgestaltet ist, die von der Ladungspumpe (LP) erzeugte Spannung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrofonanordnung, die einen Wandler zum Umwandeln von akustischen Signalen in elektrische Signale aufweist und dementsprechend als Mikrofon genutzt werden kann.
MEMS-Mikrofone können in Mobiltelefonen eingesetzt werden. Hier ist es entscheidend, dass das MEMS-Mikrofon unmittelbar nach dem Einschalten betriebsbereit ist. Start-Up-Zeiten von weniger als 50 ms werden angestrebt.
Ein Wandler in einem MEMS-Mikrofon weist ein kapazitives Element auf, wobei eine Spannung zwischen einer festen und einer beweglichen Elektrode angelegt wird. Nach dem Einschalten des Mikrofons soll diese Spannung möglichst schnell aufgebaut werden. Ferner kann diese Spannung höher sein als die Spannung, die von einer Batterie zur Spannungsversorgung des Mobiltelefons erzeugt wird. Aus diesem Grund werden so genannte Ladungspumpen eingesetzt, die die gewünschte Spannung zwischen den Elektroden des Wandlers anlegen.
WO 2009/135815 A1 beschreibt eine Ladungspumpe, die mit einem elektro-akustischen Wandler in einem MEMS-Mikrofon verbunden werden kann. Die hier beschriebene Schaltung ist derart ausgestaltet, dass, falls von der Ladungspumpe eine zu große Spannung erzeugt wird, ein Strom in eine regelbare Stromquelle abfließt und die Ladungspumpe nicht ihre nominelle Spannung erreicht. Die Schaltung zeigt jedoch Spannungsschwankungen am Ausgang, da der Arbeitspunkt der Ladungspumpe auf einer Strom-Spannungs-Flanke liegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, eine Mikrofonanordnung bereitzustellen, die stabiler ist und bei der die an dem Wandler anliegende Spannung innerhalb kurzer Zeit stabil aufgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikrofonanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus weiteren Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Mikrofonanordnung vorgeschlagen, die eine Ladungspumpe, die dazu ausgestaltet ist eine Gleichspannung zu erzeugen, einen Wandler, der dazu ausgestaltet ist, akustische Signale in elektrische Signale umzuwandeln und der mit der Ladungspumpe verbunden ist, und eine Steuereinheit, dazu ausgestaltet ist, die Höhe einer Eingangsspannung, die an der Ladungspumpe angelegt wird und/oder die Frequenz, mit der die Ladungspumpe betrieben wird, zu regeln, aufweist. Die erfindungsgemäße Mikrofonanordnung weist ferner einen Differenzverstärker auf, der dazu ausgestaltet ist, ein Ausgangssignal auszugeben, das proportional zur Differenz zwischen einer von der Ladungspumpe erzeugten Gleichspannung und einer optimalen Betriebsspannung ist, wobei das Ausgangssignal des Differenzverstärkers an die Steuereinheit angelegt ist und die Steuereinheit dazu ausgestaltet ist, die von der Ladungspumpe erzeugt Spannung gemäß dem Ausgangssignal einzustellen.
Eine Ladungspumpe ist eine elektrische Schaltung, an die eine Eingangsspannung angelegt werden kann und die eine elektrische Ausgangsspannung erzeugt, die höher ist als die Eingangsspannung, wobei die Eingangs- und die Ausgangsspannung Gleichspannungen sind. Bei einer Ladungspumpe wird die Ausgangsspannung mit Hilfe von Kondensatoren und durch periodisches Umschalten von Schaltern erzeugt. Ferner kann eine Ladungspumpe Dioden aufweisen.
Die Steuereinheit ermöglicht es, erfindungsgemäß die von der Ladungspumpe erzeugte Gleichspannung einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit die Höhe der Eingangsspannung, die an die Ladungspumpe angelegt wird, und/oder die Frequenz, mit der Schalter in der Ladungspumpe umgeschaltet werden, variieren. Wird eine höhere Eingangsspannung angelegt, so führt dies zu einer höheren Ausgangsspannung der Ladungspumpe. Wird die Frequenz des Umschaltens in der Ladungspumpe erhöht, wird dadurch eine Anstiegszeit, in der die Spannung in der Ladungspumpe aufgebaut wird, verringert.
In einer Ausführung ist die von der Ladungspumpe maximal erzeugbare Gleichspannung größer als die optimale Betriebsspannung des Wandlers. Die optimale Betriebsspannung V_BIAS ist die Spannung, für die der Wandler ausgelegt ist. Dementsprechend kann nach dem Einschalten des Mikrofons zunächst von der Ladungspumpe eine maximal erzeugbare Gleichspannung erzeugt werden, die dafür sorgt, dass die an dem Wandler anliegende Spannung sehr schnell aufgebaut wird. In einer zweiten Phase nach dem Einschalten des Mikrofons kann die von der Ladungspumpe erzeugte Gleichspannung auf einen Betrag abgesenkt werden, der geringer ist als der Betrag der maximal erzeugbaren Gleichspannung. Auf diese Weise kann die Zeit zum Anlegen der Spannung an den Wandler minimiert werden.
Der Wandler ist für eine optimale Betriebsspannung V_BIAS ausgelegt. Vorzugsweise erzeugt die Ladungspumpe in der zweiten Phase eine Gleichspannung, die dieser Spannung V_BIAS entspricht. Die optimale Betriebsspannung des Wandlers ist im Wesentlichen durch die Geometrie, die Materialeigenschaften und eine eingeprägte mechanische Vorspannung der beiden Elektroden vorgegeben.
Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, um über die Steuereinheit die Ladungspumpe anzusteuern. Hierzu gehören eine Schaltung mit kontinuierlichem Feedback, eine Schaltung mit einmaligem Feedback und eine zeitbasierte Schaltung.
Für eine Schaltung mit kontinuierlichem Feedback kann die Mikrofonanordnung ferner einen Spannungsteiler, eine Referenzspannungsquelle und einen Differenzverstärker aufweisen. Der Spannungsteiler kann mit dem Pfad verknüpft sein, der die Ladungspumpe mit dem Wandler verschaltet. Bei dem Spannungsteiler kann es sich beispielsweise um einen Reihenschaltung von Dioden oder eine Reihenschaltung von Kondensatoren handeln. Alternativ kann der Spannungsteiler eine mehrere in Reihe geschaltete Dioden und ferner mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, wobei die Dioden in einem ersten Pfad angeordnet sind und die Kondensatoren in einem zweiten Pfad angeordnet sind, der parallel zu dem ersten Pfad geschaltet ist.
Die Referenzspannungsquelle kann eine Gleichspannung mit einem festen Betrag erzeugen. Diese Gleichspannung multipliziert mit einem Pumpfaktor stimmt mit der optimalen Betriebsspannung V_BIAS des Wandlers überein.
Ferner kann der Differenzverstärker mit der Referenzspannungsquelle und mit dem, Spannungsteiler verschaltet sein. Der Spannungsteiler liefert eine Spannung, die zu der momentan von der Ladungspumpe erzeugten Spannung proportional ist. Nunmehr gibt der Differenzverstärker ein Signal aus, das proportional zur Differenz zwischen der momentan von der Ladungspumpe erzeugten Spannung und der optimalen Betriebsspannung V_BIAS ist.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers kann an die Steuereinheit angelegt werden. Dementsprechend erhält die Steuereinheit über den Differenzverstärker ständig ein Feedback, welches angibt, ob die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung zu hoch oder zu niedrig ist. Die Steuereinheit kann die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung entsprechend diesem Feedback kontinuierlich anpassen. Dazu regelt die Steuereinheit die Höhe der Eingangsspannung der Ladungspumpe und/oder die Frequenz, mit der die Ladungspumpe betrieben wird. Eine höhere Eingangsspannung führt zu einer höheren Ausgangsspannung. Wird die Frequenz der Ladungspumpe erhöht, so wird dadurch die Anstiegszeit verringert.
Für eine Schaltung mit einmaligem Feedback weist die Mikrofonanordnung neben dem Spannungsteiler, der Referenzspannungsquelle und dem Differenzverstärker ferner einen Trigger auf. Die zwei Eingänge des Differenzverstärkers können mit dem Spannungsteiler und der Referenzspannungsquelle verbunden sein. Dementsprechend erzeugt der Differenzverstärker ein Signal, das proportional zur Differenz zwischen der momentan am Mikrofon anliegenden Spannung und der optimalen Betriebsspannung ist. Dieses Signal wird am Ausgang des Differenzverstärkers ausgegeben und dieser Ausgang kann mit dem Trigger verbunden sein.
Des Weiteren kann der Trigger mit der Steuereinheit und mit zumindest einem Schalter verbunden sein. In einem Ausführungsbeispiel verbindet der Schalter in einem geschlossenen Zustand den Spannungsteiler mit dem Verbindungspfad von Ladungspumpe und Wandler. In einem offenen Zustand entkoppelt der Schalter den Spannungsteiler von der Ladungspumpe und dem Wandler.
Ist der Spannungsteiler von der Ladungspumpe entkoppelt, so können keine Leckströme über den Spannungsteiler abfließen und die Ladungspumpe kann verlustarm betrieben werden. Im Gegensatz zur WO 2009/135815 , bei der der Spannungsteiler stets mit der Ladungspumpe verschaltet ist, trägt hier der Spannungsteiler nicht zu Empfindlichkeitsschwankungen des Mikrofons bei. Auf diese Weise kann ein wesentlicher Störmechanismus ausgeschlossen werden und ein stabiler Betrieb der Mikrofonanordnung gewährleistet werden.
In einer Ausführung öffnet der Trigger den Schalter, sobald das vom Differenzverstärker erzeugte Signal einen Schwellwert erreicht. Dieses Erreichen des Schwellwerts stimmt mit dem Übergang von der ersten Phase, in der von der Ladungspumpe eine maximale Gleichspannung erzeugt wird, zu einer zweiten Phase überein, wobei in der zweiten Phase von der Ladungspumpe eine Gleichspannung erzeugt wird, die kleiner ist als die maximale von der Ladungspumpe erzeugbare Gleichspannung. Die Steuereinheit ist ebenfalls mit dem Trigger verbunden und stellt die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung in Abhängigkeit von dem Signal ein, das von dem Differenzverstärker über den Trigger ausgegeben wird.
Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine zeitbasierte Schaltung gewählt. Diese kann Mittel zur Messung der Zeit aufweisen, die seit dem Einschalten der Mikrofonanordnung vergangen ist. Vorzugsweise sind die Mittel zur Zeitmessung mit der Steuereinheit verbunden. Nach einer festgelegten Zeit reduziert die Steuereinheit die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung von einem maximalen Wert auf einen Wert, der geringer ist als der Maximalwert und vorzugsweise gleich V_BIAS ist.
Ferner können die Ladungspumpe und der Wandler über einen Hochimpedanz-Schaltkreis miteinander verbunden sein. Dieser Hochimpedanz-Schaltkreis kann ein Paar kreuzgekoppelter Dioden aufweisen. Die entgegengesetzt geschalteten Dioden weisen bei Betrieb des Mikrofons eine Impedanz im Bereich von TΩ auf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Kondensator des Wandlers nicht im laufenden Betrieb entladen werden kann und daher mit einer konstanten Ladung verbleibt.
Der Wandler kann ferner mit einem Pfad verbunden sein, in dem ein Kondensator mit einem Verstärker in Reihe geschaltet ist. Über diesen Pfad kann ein elektrisches Signal, das der Wandler aus einem akustischen Signal umgewandelt hat, an eine Ein- und Ausgabe-Einheit der Mikrofonanordnung weitergeleitet werden.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Wandler eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode, beispielsweise eine Membran, auf. Die Ladungspumpe erzeugt eine Spannung, die zwischen diesen beiden Elektroden angelegt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung.
3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel in einem zweiten Zustand.
4 zeigt eine zweite Variante des zweiten Ausführungsbeispiels in einem ersten Zustand.
5 zeigt die zweite Variante in einem zweiten Zustand.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung M. Es handelt sich dabei um eine Schaltung mit kontinuierlichem Feedback.
Die Mikrofonanordnung M weist einen Wandler WA auf, der akustische Signale in elektrische Signale umwandelt. Dieser Wandler WA weist einen Kondensator mit einer festen und einer beweglichen Elektrode auf. Zwischen den beiden Elektroden wird eine Vorspannung angelegt. Der Kondensator ist für eine optimale Betriebsspannung V_BIAS ausgelegt.
Ferner weist die Mikrofonanordnung M eine Ladungspumpe LP auf. Dabei kann es sich um eine Dickson Charge Pump handeln. Die Ladungspumpe LP ist über eine Zwei-Phasen-Clock 2PC mit einer Spannungsquelle SQ verbunden, die eine Versorgungsspannung liefert.
Die Ladungspumpe LP und der Wandler WA sind über einen ersten Pfad P1 miteinander verbunden.
Der Eingang der Ladungspumpe LP ist mit der Zwei-Phasen-Clock 2PC verbunden, wobei diese wiederum mit einem variablen Clock Level and Frequency Shifter VCLFS verbunden ist. Der variable Clock Level und Frequency Shifter VCLFS bildet dabei die Steuereinheit. Das Ausgabesignal des variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS wird als Eingabesignal an die Zwei-Phasen-Clock 2PC weitergegeben. Die Zwei-Phasen-Clock 2PC erzeugt nunmehr ein Signal, das zur Ansteuerung der Ladungspumpe LP verwendet wird. Die Signalstärke und die Frequenz dieses Signals werden über das Ausgabesignal des variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS eingestellt.
Des Weiteren ist die Zwei-Phasen-Clock 2PC mit einem Oszillator OS verbunden.
Die Ladungspumpe LP ist derart ausgestaltet, dass sie eine Ausgangsspannung erzeugt, die größer ist als die angelegte Eingangsspannung. Insbesondere kann die Ausgangsspannung größer sein als die von einer Batterie erzeugte Versorgungsspannung der Mikrofonanordnung M. Der Betrag der Ausgangsspannung, die von der Ladungspumpe LP erzeugt wird, wird bestimmt durch den variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS. Wird das Signal des variablen Clock Level und Frequency Shifters VCLFS in der Amplitude oder der Frequenz erhöht, so führt dies zu einer größeren Ausgangsspannung.
Die von der Ladungspumpe LP ausgegebene Spannung wird an eine erste Elektrode des Wandler WA angelegt. Die zweite Elektrode des Wandlers WA ist mit der Spannungsquelle SQ verbunden. Dementsprechend liegt die zweite Elektrode des Wandlers WA auf einem niedrigeren Spannungsniveau und zwischen den beiden Elektroden des Wandlers WA entsteht eine Potentialdifferenz. Dies ermöglicht es, eine Kapazitätsänderung des Wandlers WA zu ermitteln.
Die Ladungspumpe LP ist über zwei entgegengesetzt geschaltete Dioden D1, D2 mit dem Wandler verschaltet. Der erste Pfad P1 spaltet sich in zwei parallele Unterpfade UP1, UP2 auf, wobei in jedem Unterpfad UP1, UP2 jeweils eine der beiden entgegengesetzt zueinander geschalteten Dioden D1, D2 angeordnet ist. Diese beiden Unterpfade UP1, UP2 bilden ein Hochimpedanzelement, dessen Impedanz im Gleichgewichtszustand im Bereich von Teraohm liegt. So wird sichergestellt, dass der Wandler WA nicht entladen wird und dass zwischen Ladungspumpe LP und Wandler WA nahezu kein Strom fließt.
Der erste Pfad P1, der den Wandler WA und die Ladungspumpe LP miteinander verbindet, weist darüber hinaus drei Knoten K1, K2, K3 auf.
Von dem ersten Knoten K1 zweigt ein zweiter Pfad P2 ab, in dem ein Kopplungskondensator C1 und ein Verstärker VER in Reihe geschaltet sind. Der zweite Pfad P2 ist mit einem Ein- und Ausgabe-Port I/O der Mikrofonanordnung M verbunden.
Der zweite Knoten K2 ist mit einem dritten Pfad P3 verbunden, der einen Spannungsteiler ST aufweist. Bei dem Spannungsteiler ST handelt es sich hier um eine Reihenschaltung von Dioden. Alternativ kann es sich auch um eine Reihenschaltung von Kondensatoren handeln.
Parallel zu dem Spannungsteiler ist ein zweiter Kondensator C2 in einem vierten Pfad P4 angeordnet. Der vierte Pfad P4 ist mit dem Knoten K2 des ersten Pfads verbunden. Der zweite Kondensator C2 dient zum Filtern eines hochfrequenten Spannungsanteils, der von der Ladungspumpe herrührt.
Der dritte und der vierte Pfad P3, P4 sind ferner über einen gemeinsamen Knoten K4 miteinander verknüpft und mit Masse verbunden.
Der Spannungsteiler ST ist mit einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers DV verbunden. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers DV ist mit einer Referenzspannungsquelle RSQ verbunden. Die Referenzspannungsquelle RSQ erzeugt eine konstante Gleichspannung, die zu der optimalen Betriebsspannung V_BIAS des Wandlers proportional ist.
Der Differenzverstärker DV weist ferner einen Ausgang auf. Das Signal, das an diesem Ausgang ausgegeben wird, ist proportional zu der Differenz der beiden Spannungen, die jeweils an einem Eingang des Differenzverstärkers DV anliegen.
Über dem Spannungsteiler ST liegt an dem ersten Eingang des Differenzverstärkers DV die Spannung an, die proportional ist zu der an der Ladungspumpe LP momentan erzeugen Spannung. An dem zweiten Eingang liegt eine der optimalen Betriebsspannung V_BIAS proportionale Spannung an. Dementsprechend gibt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers DV an, um welchen Wert die momentan erzeugte Spannung von der optimale Betriebsspannung V_BIAS abweicht. Das Vorzeichen der Ausgangsspannung gibt an, ob die momentan erzeugte Spannung oder die optimale Betriebsspannung betragsmäßig größer ist.
Der Ausgang des Differenzverstärkers DV ist wiederum mit dem variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS verbunden. Dementsprechend liefert der Differenzverstärker DV ein Feedback an den variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS. Dieser passt nunmehr sein Ausgangssignal derart an, dass die von der Ladungspumpe LP erzeugte Spannung an die Referenzspannung angepasst wird. Ist beispielsweise die von der Ladungspumpe LP erzeugte Spannung kleiner als die gewünschte optimale Spannung V_BIAS, so wird die Amplitude und des Ausgangssignals des variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS erhöht und somit wird die Spannung der Ladungspumpe LP erhöht. Umgekehrt kann durch eine Absenkung der Amplitude und auch die Spannung der Ladungspumpe LP verringert werden.
Während des Betriebs der Mikrofonanordnung M wird diese Anpassung kontinuierlich wiederholt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die von der Ladungspumpe LP erzeugte Ausgangsspannung der optimale Betriebsspannung V_BIAS entspricht.
Über den Spannungsteiler ST sowie den zweiten Kondensator C2 fließt nahezu kein Strom. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Ladungspumpe LP hochimpedant betrieben werden kann. Dementsprechend liegt der Arbeitspunkt der Mikrofonanordnung M in einer Strom-Spannungs-Charakteristik in einem flachen Plateau. Damit arbeitet die Mikrofonanordnung M in einem stabilen Empfindlichkeitsbereich.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei handelt es sich um eine Schaltung mit einmaligem Feedback. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Schaltung ist der Ausgang des Differenzverstärkers DV nicht unmittelbar mit dem variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS verbunden, sondern ist mit einem Trigger TRI verbunden. Ferner weist die Schaltung zwei Schalter S1, S2 auf, die in dem dritten Pfad P3 angeordnet sind, in dem der Spannungsteiler angeordnet ist. In dem dritten Pfad P3 ist ein erster Schalter S1 zwischen den Dioden des Spannungsteilers ST und dem Knoten K2, der den dritten Pfad P3 und den ersten Pfad P1 miteinander verbindet, angeordnet. Der zweite Schalter S2 zwischen den Dioden des Spannungsteilers ST und dem weiteren Knoten K4, der den dritten Pfad mit der Erdung und dem vierten Pfad verbindet, angeordnet.
Der Trigger TRI ist mit den beiden Schaltern S1, S2 verbunden und dient als Steuerelement für die beiden Schalter S1, S2. Dementsprechend kann der Trigger TRI die Schalter S1, S2 öffnen und schließen. Ferner ist der Trigger TRI mit dem variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS verbunden.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers DV ist wiederum proportional zu der Differenz zwischen der momentan von der Ladungspumpe erzeugten Spannung und der optimalen Betriebsspannung V_BIAS. Überschreitet dieses Ausgangssignal einen vorher festgelegten Grenzwert, so öffnet der Trigger TRI die beiden Schalter S1, S2. Typischerweise ist dieser Grenzwert dann erreicht, wenn die beiden Spannungen gleich sind.
Der Trigger TRI leitet das Ausgangssignal des Differenzverstärkers DV ferner an den variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS weiter. Dieser steuert wiederum die Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP.
In einer ersten Phase nach dem Einschalten der Mikrofonanordnung M erzeugt die Ladungspumpe LP die maximal mögliche Gleichspannung zum Laden des Kondensators des Wandlers WA. Entspricht nun die momentan am Kondensator anliegende Spannung der optimale Betriebsspannung V_BIAS, so öffnet der Trigger TRI die Schalter S1, S2. Gleichzeitig reguliert der variable Clock Level und Frequency Shifter VCLFS die Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP auf ein niedrigeres Niveau, nämlich dem der optimalen Spannung V_BIAS.
3 zeigt das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel in der zweiten Phase mit geöffneten Schaltern S1, S2.
Nunmehr ist der dritte Pfad P3, der den Spannungsteiler ST aufweist, von dem ersten Pfad P1, der die Verbindung von Ladungspumpe LP und Wandler WA bildet, entkoppelt. Dementsprechend kann kein Strom über den Spannungsteiler ST abfließen und die Ladung des Wandlers WA beeinflussen.
Die 4 und 5 zeigen eine zweite Variante dieser Schaltung mit einmaligem Feedback. Hierbei wird der Spannungsteiler ST, der in der ersten Variante eine Reihenschaltung von Dioden aufweist, ersetzt durch einen Spannungsteiler ST, der eine Reihenschaltung von Kondensatoren aufweist. Das Funktionsprinzip der Schaltung entspricht dem Funktionsprinzip, das bereits im Zusammenhang mit 2 und 3 erläutert wurde.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der Mikrofonanordnung M besteht aus einer Schaltung, die vollkommen auf Feedback verzichtet und statt dessen eine zeitbasierte Methode verwendet. Eine solche Schaltung ist in den Figuren nicht dargestellt. Bei der zeitbasierten Methode weist die Schaltung Mittel zum Erfassen der Zeit seit dem Einschalten der Mikrofonanordnung M auf. Der variable Clock Level und Frequency Shifter VCLFS steuert die Ladungspumpe LP mit einem Signal an, wobei Amplitude und/oder Frequenz des Signals von der Zeit abhängen.
In einer ersten Phase nach dem Einschalten der Mikrofonanordnung M wird eine maximale Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP erzeugt. Nach einer fest vorgegebenen Zeit wird die Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP auf den Wert der optimale Betriebsspannung V_BIAS reduziert.
Die zeitbasierte Methode hat den Vorteil, dass die Schaltung deutlich vereinfacht wird. Auf eine Feedback-Schleife kann verzichtet werden.
Die im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gezeigten Schaltungen mit kontinuierlichem oder einmaligem Feedback weisen den Vorteil auf, dass die Ladungspumpe LP gezielter und stabiler angesteuert werden kann. Eventuelle Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauelemente können ausgeglichen werden.
Alle drei Ausführungen zeichnen sich durch ein schnelles und stabiles Aufbauen der Spannung an dem Wandler WA aus.
Bezugszeichenliste

M

– Mikrofonanordnung

WA

– Wandler

LP

– Ladungspumpe

SQ

– Spannungsquelle

VCLFS

– variable Clock Level und Frequenz Shifter

2PC

– Zwei-Phasen Clock

OS

– Oszillator

D1, D2

– Diode

P1–P4

– erster–vierter Pfad

K1–K4

– Knoten

UP1, UP2

– Unterpfad

C1

– Koppelkondensator

C2

– zweiter Kondensator

VER

– Verstärker

I/O

– Ein- und Ausgabe-Port

ST

– Spannungsteiler

DV

– Differenzverstärker

RSQ

– Referenzspannungsquelle

TRI

– Trigger

S1, S2

– Schalter

Claims

Mikrofonanordnung (M), aufweisend: – eine Ladungspumpe (LP), die dazu ausgestaltet ist, eine Gleichspannung zu erzeugen, – einen Wandler (WA), der dazu ausgestaltet ist, akustische Signale in elektrische Signale umzuwandeln und der mit der Ladungspumpe (LP) verbunden ist, – eine Steuereinheit (VCLFS), die dazu ausgestaltet ist, die Höhe einer Eingangsspannung, die an der Ladungspumpe (LP) angelegt wird und/oder die Frequenz, mit der die Ladungspumpe (LP) betrieben wird, zu regeln, und – einen Differenzverstärker (DV), der dazu ausgestaltet ist, ein Ausgangssignal auszugeben, das proportional zur Differenz zwischen einer von der Ladungspumpe (LP) erzeugten Gleichspannung und einer optimalen Betriebsspannung ist, wobei das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (DV) an die Steuereinheit (VCLFS) angelegt ist und die Steuereinheit (VCLFS) dazu ausgestaltet ist, die von der Ladungspumpe (LP) erzeugte Spannung in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einzustellen.
Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 1, bei der eine von der Ladungspumpe (LP) maximal erzeugbare Gleichspannung größer ist als die optimale Betriebsspannung des Wandlers (WA).
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (VCLFS) dazu ausgestaltet ist, die Ladungspumpe (LP) in einer ersten Phase nach dem Einschalten des Mikrofons derart anzusteuern, dass die Ladungspumpe (LP) eine Ausgangsspannung erzeugt, die der maximal erzeugbaren Gleichspannung der Ladungspumpe (LP) entspricht.
Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (VCLFS) dazu ausgestaltet ist, die Ladungspumpe (LP) in einer zweiten Phase nach der ersten Phase derart anzusteuern, dass die Ladungspumpe (LP) eine Gleichspannung erzeugt, deren Betrag geringer ist als der Betrag der maximal erzeugbaren Gleichspannung.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend – einen Spannungsteiler (ST), der mit der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) verschaltet ist, – eine Referenzspannungsquelle (RSQ), die dazu ausgestaltet ist, eine Gleichspannung mit einem festen Betrag zu erzeugen, und wobei der Differenzverstärker (DV) zwei Eingänge aufweist und dazu ausgestaltet ist, ein Signal auszugeben, das proportional zur Differenz der an den beiden Eingängen anliegenden Spannung ist, wobei der erste Eingang mit dem Spannungsteiler (ST), der zweite Eingang mit der Referenzspannungsquelle (RSQ) und ein Ausgang mit der Steuereinheit (VCLFS) verbunden sind.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend – einen Spannungsteiler (ST), der mit der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) verschaltet ist, – eine Referenzspannungsquelle (RSQ), die dazu ausgestaltet ist, eine Gleichspannung mit einem festen Betrag zu erzeugen, – einen Trigger (TRI), der mit der Steuereinheit (VCLFS) und einem Schalter (S1) verbunden ist, wobei der Schalter (S1) in einem geschlossenen Zustand den Spannungsteiler (ST) mit der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) verschaltet und in einem offenen Zustand den Spannungsteiler (ST) von der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) entkoppelt, und wobei der Differenzverstärker (DV) zwei Eingänge aufweist und dazu ausgestaltet ist, ein Signal auszugeben, das proportional zur Differenz der an den beiden Eingängen anliegenden Spannung ist, wobei der erste Eingang mit dem Spannungsteiler (ST), der zweite Eingang mit der Referenzspannungsquelle (RSQ) und ein Ausgang mit dem Trigger (TRI) verbunden sind.
Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 6, wobei der Trigger (TRI) dazu ausgestaltet ist, den Schalter (S1) zu öffnen, wenn das vom Differenzverstärker (DV) erzeugte Signal einen Schwellwert erreicht.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Spannungsteiler (ST) mehrere in Reihe geschaltete Dioden aufweist.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Spannungsteiler (ST) mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Spannungsteiler (ST) mehrere in Reihe geschaltete Dioden und ferner mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, wobei die Dioden in einem ersten Pfad angeordnet sind und die Kondensatoren in einem zweiten Pfad angeordnet sind, der parallel zu dem ersten Pfad geschaltet ist.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend – Mittel zur Messung der Zeit seit dem Einschalten der Mikrofonanordnung (M), wobei die Mittel zur Messung der Zeit mit der Steuereinheit (VCLFS) verbunden sind.
Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (VCLFS) dazu ausgestaltet ist, die von der Ladungspumpe (LP) erzeugte Spannung in Abhängigkeit von dem Zeit seit dem Einschalten der Mikrofonanordnung (M) einzustellen.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Ladungspumpe (LP) und der Wandler (WA) über einen Hochimpedanz-Schaltkreis (UP1, UP2) miteinander verbunden sind.
Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 13, wobei der Hochimpedanz-Schaltkreis (UP1, UP2) ein Paar kreuzgekoppelter Dioden (D1, D2) aufweist.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Wandler (WA) ferner mit einem Kondensator (C1) und einem Verstärker (VER) verschaltet ist.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Wandler (WA) eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode aufweist, und wobei die von der Ladungspumpe (LP) erzeugte Spannung an eine der beiden Elektroden angelegt wird.