DE102014115306A1

DE102014115306A1 - System und Verfahren für eine Wandlerschnittstelle

Info

Publication number: DE102014115306A1
Application number: DE201410115306
Authority: DE
Inventors: Richard Gaggl; Andreas Wiesbauer; Wilfried Florian
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-04-23
Also published as: US9357295B2; US20150110300A1; US9794665B2; CN104581598A; KR20150046752A; CN104581598B; KR101645096B1; US20160241943A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform weist eine Schnittstellenschaltung einen Stromreplikator und einen Empfänger auf. Der Stromreplikator weist Folgendes auf: einen Leistungsanschluss, der mit einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, einen Ausgangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das zu einem aus einem Wandler aufgenommenen Signal proportional ist, und einen mit dem Wandler gekoppelten Schnittstellenanschluss. Unter Verwendung eines einzigen Schnittstellenanschlusses ist der Stromreplikator möglicherweise dazu ausgelegt, Leistung für den Wandler bereitzustellen und Ausgangssignale aus dem Wandler aufzunehmen. Der Empfänger weist möglicherweise Folgendes auf: einen ersten Eingangsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist, und eine Stromwandlerschaltung, die mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Wandlersysteme und in besonderen Ausführungsformen auf ein System und ein Verfahren für eine Wandlerschnittstelle.
HINTERGRUND
Audiomikrophone werden üblicherweise in den unterschiedlichsten Endverbraucheranwendungen genutzt, wie zum Beispiel in Zellulartelefonen, digitalen Audiorecordern, Personal Computern und Telekonferenzsystemen. Insbesondere werden in massengefertigten, kostensensitiven Anwendungen preiswerte Elektret-Kondensatormikrofone (ECM, electret condenser microphones) verwendet. Ein ECM-Mikrofon weist typischerweise einen Film aus Elektretmaterial auf, der in einem kleinen Gehäuse montiert ist, das eine Schallöffnung und elektrische Ausgangsanschlüsse aufweist. Das Elektretmaterial ist an einer Membrane befestigt oder bildet selbst die Membrane.
Eine andere Mikrofonart ist ein Mikrosysteme(MEMS, microelectromechanical systems)-Mikrofon, bei dem eine druckempfindliche Membrane direkt auf eine integrierte Schaltung geätzt wird. An sich ist das Mikrofon eher auf einer einzigen integrierten Schaltung umfasst, als dass es aus einzelnen diskreten Teilen hergestellt wird.
Die meisten ECM- und MEMS-Mikrofone weisen auch einen Vorverstärker auf, der über eine Steckerschnur an einen Audio-Eingangsverstärker für eine Zielanwendung, wie zum Beispiel ein Mobiltelefon oder eine Hörhilfe, angekoppelt werden kann. In vielen Fällen ist die Schnittstelle zwischen dem Vorverstärker und dem Eingangsverstärker eine dreiadrige Schnittstelle, die mit einem Leistungsanschluss, einem Signalanschluss und einem Masseanschluss gekoppelt ist. Allerdings wird in einigen Systemen eine zweiadrige Schnittstelle verwendet, bei der zwei der Anschlüsse zu einem Signal kombiniert sind, wodurch die Kosten des Systems reduziert werden, indem zwei Adern anstatt drei Adern verwendet werden.
Bei allen Arten von Wandlern und insbesondere bei Mikrofonen kann der Entwurf von elektronischen Schnittstellen eine Herausforderung darstellen. Das Kombinieren einer Leistungs- und einer Signalschnittstelle zu einer einzigen Schnittstelle stellt eine Reihe von besonderen konstruktiven Herausforderungen in Hinsicht auf Spannungsschwankung und Verwendung einer niedrigen Versorgungsspannung dar. Das Erhöhen von Spannungsschwankung in einem Wandler erhöht im Allgemeinen den Bereich des Wandlers. Das Verringern der Versorgungsspannung ist normalerweise mit der Verringerung der Leistungsaufnahme verknüpft und häufig in mobilen Anwendungen wichtig. Bei einigen Beispielen weist das Herabsetzen der Versorgungsspannung allerdings möglicherweise einen nachteiligen Einfluss auf die Spannungsschwankung auf.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es besteht Nachfrage nach der Bereitstellung eines verbesserten Konzepts für eine Schnittstellenschaltung und ein Mikrofonsystem.
Eine solche Nachfrage wird möglicherweise durch den Gegenstand eines der Ansprüche befriedigt.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf eine Schnittstellenschaltung, die Folgendes umfasst: einen Stromreplikator, der Folgendes umfasst: einen Leistungsanschluss, der dazu ausgelegt ist, mit einem ersten Referenzknoten gekoppelt zu werden, einen Ausgangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das proportional zu einem aus einem Wandler aufgenommenen Signal ist, und einen Schnittstellenanschluss, der zum Verschalten mit dem Wandler ausgelegt ist, wobei der Stromreplikator dazu ausgelegt ist, Leistung für den Wandler bereitzustellen und an einem einzigen Schnittstellenanschluss Ausgangssignale aus dem Wandler aufzunehmen; und einen Empfänger, der Folgendes umfasst: einen ersten Eingangsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist und eine Stromwandlerschaltung, die mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
Optional umfasst der Empfänger weiterhin einen Codierer/Decodierer (Codec), der dazu ausgelegt ist, Analogsignale zu codieren, und der mit der Stromwandlerschaltung gekoppelt ist.
Weiterhin sind der Stromreplikator und der Empfänger optional auf der gleichen integrierten Schaltung angeordnet.
Optional sind der Stromreplikator und der Empfänger auf zwei unterschiedlichen integrierten Schaltungen angeordnet.
Optional umfassen der Stromreplikator und der Empfänger weiterhin diskrete Komponenten.
Optional umfasst die Schnittstellenschaltung weiterhin den Wandler, wobei der Wandler mit dem Schnittstellenanschluss und dem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist.
Optional umfasst der Wandler weiterhin ein Mikrofon.
Optional umfasst das Mikrofon ein Mikrosysteme-(MEMS)Mikrofon.
Optional ist die Stromwandlerschaltung weiterhin mit dem zweiten Referenzknoten gekoppelt.
Optional umfasst der Stromreplikator Folgendes: einen ersten Transistor, der einen Steueranschluss, einen ersten, mit dem Leistungsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss und einen zweiten, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss aufweist; einen zweiten Transistor, der einen Steueranschluss, einen ersten, mit dem Leistungsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss und einen zweiten, mit dem Schnittstellenanschluss gekoppelten Leitungsanschluss aufweist, wobei der Steueranschluss des zweiten Transistors mit dem Steueranschluss des ersten Transistors gekoppelt ist; und einen Differenzverstärker, der einen mit den Steueranschlüssen des ersten und zweiten Transistors gekoppelten Ausgang, einen ersten, mit einer Referenzspannung gekoppelten Eingang und einen zweiten, mit dem zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors gekoppelten Eingang aufweist, wobei der erste Transistor, der zweite Transistor und der Verstärker zu Folgendem ausgelegt sind: zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen konstanten Spannung am zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors und zum Replizieren des Stroms, der aus dem ersten Leitungsanschluss zum zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors fließt, in den Strom, der aus dem ersten Leitungsanschluss zum zweiten Leitungsanschluss des ersten Transistors fließt.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Schnittstellenschaltung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen von Leistung für einen Wandler auf einer ersten Leitung; Aufnehmen eines umgeformten Signals aus einem Wandler auf der ersten Leitung, wobei das umgeformte Signal proportional zu einem physikalischen, vom Wandler aufgenommenen Signal ist; Bereitstellen eines Stromsignals für eine Stromwandlerschaltung, das proportional zum umgeformten Signal ist; Wandeln des Stromsignals in ein Spannungssignal in der Stromwandlerschaltung; Bereitstellen des Spannungssignals für einen Codierer/Decodierer; und Bereitstellen einer Referenzversorgung für den Codierer/Decodierer.
Optional umfasst das Verfahren weiterhin das Aufrechterhalten eines Spannungspegels auf der ersten Leitung bei einem konstanten Spannungspegel.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Mikrofonsystem, das Folgendes umfasst: ein Mikrofon, das einen Ausgangsanschluss und einen Referenzanschluss umfasst, wobei der Referenzanschluss mit einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, wobei das Mikrofon dazu ausgelegt ist, Leistung aus dem Ausgangsanschluss aufnehmen; einen Stromreplikator, der Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einem Leitungsweg, der zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist, wobei der Ausgangsanschluss mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Transistor mit einem Leitungsweg, der zwischen einem zweiten Anschluss und dem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist; eine Stromwandlerschaltung, die zwischen dem zweiten Anschluss und dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist; und einen Codierer/Decodierer, der mit der Stromwandlerschaltung gekoppelt ist.
Optional umfasst der Stromwandler eine Impedanz, die zwischen dem zweiten Anschluss und dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist und wobei der Codierer/Decodierer mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist.
Optional umfasst die Impedanz weiterhin ohmsche und kapazitive Elemente.
Optional umfasst der Stromwandler einen Transimpedanzverstärker, der einen mit dem zweiten Anschluss gekoppelten Eingang und einen mit dem Codierer/Decodierer gekoppelten Ausgang aufweist.
Optional umfasst das Mikrofon weiterhin ein Mikrosysteme-(MEMS)Mikrofon.
Optional sind das Mikrofon und der Codierer/Decodierer auf zwei unterschiedlichen integrierten Schaltungen angeordnet.
Optional ist der Stromreplikator weiterhin auf einer gleichen integrierten Schaltung wie der Codierer/Decodierer angeordnet.
Optional ist der Steueranschluss des ersten Transistors mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors gekoppelt.
Optional umfasst der Stromreplikator weiterhin einen Verstärker, der einen mit den Steueranschlüssen des ersten und zweiten Transistors gekoppelten Ausgang aufweist.
Optional umfasst der Codierer/Decodierer einen mit der Stromwandlerschaltung gekoppelten Verstärker.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Schnittstellenschaltung einen Stromreplikator und einen Empfänger auf. Der Stromreplikator weist Folgendes auf: einen Leistungsanschluss, der mit einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, einen Ausgangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das zu einem aus einem Wandler aufgenommenen Signal proportional ist, und einen mit dem Wandler gekoppelten Schnittstellenanschluss. Unter Verwendung eines einzigen Schnittstellenanschlusses ist der Stromreplikator möglicherweise dazu ausgelegt, Leistung für den Wandler bereitzustellen und Ausgangssignale aus dem Wandler aufzunehmen. Der Empfänger weist möglicherweise Folgendes auf: einen ersten Eingangsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist, und eine Stromwandlerschaltung, die mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird jetzt Bezug auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen, dabei veranschaulichen:
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines ausführungsgemäßen Mikrofonsystems;
2 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines ausführungsgemäßen Wandlersystems;
3 veranschaulicht einen Schaltplan eines ausführungsgemäßen Stromreplikators;
4 veranschaulicht einen Schaltplan eines anderen ausführungsgemäßen Stromreplikators;
5 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines anderen ausführungsgemäßen Mikrofonsystems;
6 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines weiteren ausführungsgemäßen Mikrofonsystems; und
7 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines ausführungsgemäßen Betriebsverfahrens. Entsprechende Nummerierungen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, es sei denn, es ist anders angegeben. Die Figuren sind gezeichnet, um die maßgeblichen Aspekte der Ausführungsformen klar zu veranschaulichen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung von verschiedenen Ausführungsformen wird unten ausführlich erörtert. Es versteht sich allerdings, dass die verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen in einer großen Vielzahl spezieller Zusammenhänge anwendbar sind. Die erörterten, speziellen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung spezieller Wege zur Herstellung und Verwendung von verschiedenen Ausführungsformen und sollten nicht in einem einschränkenden Schutzbereich ausgelegt werden.
Die Beschreibung erfolgt in Hinsicht auf verschiedene Ausführungsformen in einem speziellen Zusammenhang, und zwar von Mikrofonwandlern und insbesondere von Mikrofonschnittstellenschaltungen. Einige der verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen weisen Wandlersysteme, Mikrofonsysteme, Schnittstellenschaltungen für Wandler- und MEMS-Wandlersysteme und zweiadrige und dreiadrige Wandlerschnittstellen auf. In anderen Ausführungsformen werden möglicherweise Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet, die irgendeine Art von Sensor oder Wandler (Signalumformer) einsetzen, die an andere Elektroniken gekoppelt sind, gemäß irgendeiner, nach dem Stand der Technik bekannten Art.
Gemäß verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen weist ein Wandlersystem einen mit einem Wandler und einem Codierer/Decodierer gekoppelten Stromreplikator auf. Der Stromreplikator versorgt mit Leistung und nimmt umgeformte Signale an einer einzigen Kopplung zwischen dem Stromreplikator und dem Wandler auf. Der Stromreplikator versorgt auch eine mit dem Codierer/Decodierer gekoppelte Stromwandlerschaltung mit einem replizierten Stromsignal, das proportional zum umgeformten Signal ist. In einigen Ausführungsformen wandelt die Stromwandlerschaltung das replizierte Stromsignal in ein Spannungssignal und versorgt den Codierer/Decodierer mit dem Spannungssignal.
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines ausführungsgemäßen Mikrofonsystems 100, das ein Mikrofon 120, einen Stromreplikator 110 und einen Codierer/Decodierer 130 aufweist. In verschiedenen Ausführungsformen nimmt das Mikrofon 120 Schallsignale auf und formt die Schallsignale in elektrische Signale zum Versorgen an den Stromreplikator 110 um. Der Stromreplikator 110 produziert einen Replikationsstrom, um ihn über die Impedanz 140 dem Codierer/Decodierer 130 bereitzustellen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind nur zwei Adern zwischen dem Mikrofon 120 und einem Rest des Systems gekoppelt (verschaltet).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist das Mikrofon 120 ein Schall umformendes Element 122 auf, das möglicherweise ein MEMS-Wandlerelement mit einer Rückplatte und einer Membrane aufweist. In verschiedenen Ausführungsformen weist das Schall umformende Element 122 möglicherweise zahlreiche Wandlerelemente, MEMS-Wandlerelemente und andere Wandler und MEMS-Wandler auf. Schall umformende Elemente 122 werde möglicherweise unter Verwendung von Mikroproduktions-Techniken gefertigt und werden möglicherweise auf einem einzigen Die oder auf mehreren Dies hergestellt.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Schall umformende Element 122 mit einem Eingang des Verstärkers 124 gekoppelt. Der Verstärker 124 ist mit einem Leistungsanschluss VDD, einem Ausgangsanschluss OUT und einem Referenzanschluss VSS gekoppelt. Der Ausgangsanschluss OUT ist möglicherweise über die Impedanz 126 mit dem Referenzanschluss VSS gekoppelt, wodurch das Mikrofon 120 als eine zweiadrige Vorrichtung funktioniert. In einer solchen Ausführungsform treibt der Verstärker 124 den Ausgangsanschluss OUT mit einem umgeformten Spannungssignal. Das Spannungssignal treibt möglicherweise einen Strom durch die Impedanz 126. Schwankungen im Stromverbrauch am Leistungsanschluss VDD werden aufgrund des durch die Impedanz 126 fließenden Stroms produziert. Solche Schwankungen können als ein Ausgangssignal am Leistungsanschluss VDD dienen, das proportional zu einem umgeformten Signal aus dem Schall umformenden Element 122 ist. In solchen Ausführungsformen verwendet das Mikrofon 120 lediglich den Referenzanschluss GND und den Leistungsanschluss VDD, der dazu ausgelegt ist, Schwankungen in der Stromaufnahme abzutasten.
In einigen Ausführungsformen wird das Mikrofon 120 möglicherweise zum Beispiel unter Verwendung von Schaltkreisen umgesetzt, die in der US-Patentanmeldung 13941273, eingereicht am 12. Juli 2013, mit dem Titel „System and Method for a Microphone Amplifier“ (etwa: System und Verfahren für einen Mikrofonverstärker) beschrieben werden, die durch Bezugnahme hier in ihrer Gänze aufgenommen wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der Stromreplikator 110 dazu ausgelegt, Schwankungen in der Stromaufnahme durch den Leistungsanschluss VDD des Mikrofons 120 abzutasten. Wie gezeigt wird, ist der Leistungsanschluss VDD mit dem Anschluss 1 des Stromreplikators 110 gekoppelt. Der Anschluss 2 ist mit den Codierer/Decodierer-Eingängen INP und INN gekoppelt, und der Anschluss 3 ist mit der Versorgungsspannung VDD_EXT gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist der Stromreplikator 110 dazu ausgelegt, eine konstante oder im Wesentlichen konstante Spannung am Anschluss 1 aufrechtzuerhalten, während die Stromaufnahme schwankt. In einer Ausführungsform ist der Stromreplikator 110 dazu ausgelegt, einen Replikationsstrom am Anschluss 2 zu produzieren, der gleich oder proportional der Stromaufnahme aus dem Anschluss 1 ist. In einer besonderen Ausführungsform ist ein sehr kleiner Spannungsabfall zwischen dem Anschluss 3 und dem Anschluss 1 des Stromreplikators 110 vorhanden. Eine Spannung am Anschluss 2 schwingt möglicherweise zwischen Masse und einem sehr kleinen Spannungsabfall unterhalb der Versorgungsspannung VDD_EXT. In einigen Ausführungsformen ermöglicht der Stromreplikator 110 eine große Signalschwingung, während er eine Versorgungsspannung zum Leistungsanschluss VDD über den Anschluss 1 aufrechterhält.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird der replizierte Strom am Anschluss 2 vom Stromreplikator 110 produziert und fließt durch die Impedanz 140. Der Codierer/Decodierer 130 nimmt eine Spannungssignaleingabe aus den Eingängen INP und INN auf. Die Codierer/Decodierer-Eingänge INP und INN stellen den Spannungsabfall über der Impedanz 140 bereit. In einigen Ausführungsformen ist der Eingang INN möglicherweise wie gezeigt mit Masse GND gekoppelt. Der Codierer/Decodierer 130 codiert den Spannungssignaleingang, der proportional zu einem ursprünglichen, umgeformten Signal aus dem Schall umformenden Element 122 ist. Das Codieren weist möglicherweise das Verstärken und das Durchführen von Analog-Digital-Wandlung auf. Von daher weist der Codierer/Decodierer 130 möglicherweise einen Verstärker und einen Analog-Digital-Wandler (ADC, analog to digital converter) auf.
2 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines ausführungsgemäßen Wandlersystems 200, das einen Wandler 220, einen Stromreplikator 210 und eine Codierer/Decodierer-Schnittstelle aufweist. Der Wandler 220 wird als ein Schaltungsmodell für einen generischen Wandler gezeigt, der eine einstellbare Stromquelle 223 umfasst. Zur Stromquelle 223 sind der Wandlerwiderstand 225 und die Gleichstromquelle 227 parallel gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen weist der Wandler 220 möglicherweise irgendeine, in der Technik bekannte Art von Wandler auf. In einer speziellen Ausführungsform ist der Wandler 220 ein MEMS-Mikrofon.
Wie gezeigt wird, ist der Stromreplikator 210 mit dem Leistungsanschluss VDD des Wandlers gekoppelt und dazu ausgelegt, einen Strom I_MIC am Leistungsanschluss VDD zu messen. In verschiedenen Ausführungsformen produziert der Stromreplikator 210 möglicherweise einen Replikationsstrom I_{MIC_C}, der proportional zum Strom I_MIC und ihm in einigen Fällen gleich ist. Der Replikationsstrom I_{MIC_C} fließt möglicherweise durch den Widerstand 240, um eine Spannungssignaleingabe am Eingang des Codierer/Decodierer zu produzieren. In der gezeigten Ausführungsform wird die Codierer/Decodierer-Schnittstelle als eine ohmsche und kapazitive Schnittstelle aus dem Widerstand 232 und den Kondensatoren 234 und 235 modelliert.
3 veranschaulicht einen Schaltplan eines ausführungsgemäßen Stromreplikators 300, der einen ersten Transistor 302 und einen zweiten Transistor 304 aufweist, die als ein Stromspiegel ausgelegt sind. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Transistoren 302 und 304 mit der Versorgungsspannung VDD_EXT durch den Anschluss 3 gekoppelt, und Steueranschlüsse der Transistoren 302 und 304 sind möglicherweise zusammen gekoppelt. Der Transistor 302 ist möglicherweise dazu ausgelegt, den Anschluss 1 mit dem Strom I_MIC zu versorgen, um eine im Wesentlichen konstante Spannung am Anschluss 1 aufrechtzuerhalten. Wie gezeigt wird, ist der Steueranschluss des Transistors 302 möglicherweise mit einem Ausgang des Transistors 302 am Anschluss 1 gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen produziert der Transistor 304 möglicherweise einen Replikationsstrom I_{MIC_C}, der proportional zum Strom I_MIC ist. In einigen Ausführungsformen wird die Proportionalität durch das Verhältnis zwischen den Größen der Transistoren 302 und 304 gegeben.
4 veranschaulicht einen Schaltplan eines anderen ausführungsgemäßen Stromreplikators 400, der die Transistoren 402 und 404, den Verstärker 406 und die Referenzspannungsquelle 408 aufweist. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Stromreplikator 400 dazu ausgelegt, eine im Wesentlichen konstante Spannung am Anschluss 2 durch Variieren des durch den Transistor 404 fließenden Stroms I_MIC aufrechtzuerhalten, während er einen proportionalen Replikationsstrom I_{MIC_C} durch den Transistor 402 produziert.
In der gezeigten Ausführungsform weisen der Transistor 402, der Transistor 404 und der Verstärker 406 Versorgungsanschlüsse auf, die mit der Versorgungsspannung VDD_EXT über den Anschluss 3 gekoppelt sind. Ein Ausgang des Verstärkers 406 versorgt die Steueranschlüsse der beiden Transistoren 402 und 404, deren Steueranschlüsse zusammen gekoppelt sind. In solchen Ausführungsformen ist der Replikationsstrom I_{MIC_C} proportional zu I_MIC, weil beide Transistoren 402 und 404 die gleiche Versorgungsspannung VDD_EXT aufweisen und ein gleiches Steuersignal aus dem Verstärker 406 aufnehmen. Wie gezeigt wird, bilden der Transistor 404, der Verstärker 406 und die Referenzspannungsquelle 408 möglicherweise zusammen einen Low-Dropout-Regler LDO (low-dropout operation).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist der Verstärker 406 einen Referenzanschluss auf, der mit einer Referenzspannung gekoppelt ist, die als eine Masseverbindung gezeigt wird. Der Verstärker 406 weist möglicherweise auch einen ersten Eingang, der mit der Referenzspannungsquelle 408 gekoppelt ist, die eine Spannung Vref aufweist, und einen zweiten Eingang, der mit einem Ausgang des Transistors 404 am Anschluss 2 gekoppelt ist, auf. In verschiedenen Ausführungsformen nimmt die Spannung Vref möglicherweise irgendeinen Wert zum Vorspannen des Verstärkers 406 an. In einer besonderen Ausführungsform funktioniert der Verstärker 406, um den Transistor 404 zu steuern, um eine konstante Spannung am Anschluss 2 aufrechtzuerhalten. Insbesondere funktioniert der Verstärker 406 möglicherweise als ein Rückkopplungsverstärker für den Transistor 404, während er zeitgleich im Transistor 402 einen proportionalen Strom produziert.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform wird der Verstärker 406 als ein Operationsverstärker aufgezeigt, und die Transistoren 402 und 404 werden als MOSFETs aufgezeigt. In anderen Ausführungsformen wird der Verstärker 406 möglicherweise als irgendeine Art von Verstärker umgesetzt und weist möglicherweise mehrere Stufen auf. Weiterhin sind in alternativen Ausführungsformen die Transistoren 402 und 404 möglicherweise als irgendeine Art von Transistor umgesetzt und weisen möglicherweise mehrere Transistoren von gleicher Größe oder mehrere Transistoren mit verschiedenen, unterschiedlichen Größen auf. In diesem Zusammenhang bezieht sich Transistorgröße hauptsächlich auf die Gate-Länge und -Breite eines Transistors, weist möglicherweise aber auch andere Abmaße innerhalb eines Transistors auf. Mit Bezug auf 3 sind auch zahlreiche Modifikationen der Schaltungsanordnung und der Transistorarten oder -größen möglich, wie in der Technik bekannt ist.
5 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines anderen ausführungsgemäßen Mikrofonsystems 500, das ein Mikrofon 520, einen Stromreplikator 510 und einen Codierer/Decodierer 530 aufweist, wie vorher beschrieben worden ist. Wie gezeigt wird, weist der Codierer/Decodierer 530 im Mikrofonsystem 500 den Stromreplikator 510, die Impedanz 540 und einen Verstärker 532 auf. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden der Codierer/Decodierer 530, der Stromreplikator 510, die Impedanz 540 und der Verstärker 532 auf einer gleichen integrierten Schaltung (IC) angefertigt. In anderen Ausführungsformen weisen der Codierer/Decodierer 530, der Stromreplikator 510, der Widerstand 540 und der Verstärker 532 ein integriertes System auf und werden möglicherweise nicht auf einem gleichen IC angefertigt, sondern stellen möglicherweise eine Reihe von separaten Dies dar, die als ein System auf einem Chip (SoC, System on Chip) zusammen gebondet oder gehäust oder mit einer gemeinsamen Platine (PCB, printed circuit board) gekoppelt sind.
6 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines weiteren ausführungsgemäßen Mikrofonsystems 600, das ein Mikrofon 620, einen Stromreplikator 610, einen Codierer/Decodierer 630 und eine Stromwandlerschaltung 640 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen funktionieren das Mikrofon 620, der Stromreplikator 610 und der Codierer/Decodierer 630, wie es vorher in Bezug auf die anderen Figuren beschrieben wurde. Die Stromwandlerschaltung 640 ist zwischen dem Anschluss 2 des Stromreplikators 610 und dem Eingangsanschluss INP des Codierer/Decodierer 630 gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Stromwandlerschaltung möglicherweise auch wie gezeigt mit einem Referenzanschluss GND gekoppelt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wandelt die Stromwandlerschaltung 640 möglicherweise einen Replikationsstrom aus dem Stromreplikator 610, der proportional zu einem vom Mikrofon 620 produzierten Strom ist, in ein Spannungssignal. Der Eingang INP des Codierer/Decodierer 630 wird möglicherweise mit dem gewandelten Spannungssignal aus der Stromwandlerschaltung 640 versorgt. Die Stromwandlerschaltung 640 weist möglicherweise eine Impedanz auf. In einigen speziellen Ausführungsformen weist die Stromwandlerschaltung 640 möglicherweise Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten oder irgendeine Kombination daraus auf. Der Stromwandler 640 weist möglicherweise auch verschiedene aktive Komponenten auf, wie zum Beispiel Dioden, Verstärker und/oder Transistoren. In einer weiteren speziellen Ausführungsform weist die Stromwandlerschaltung 640 einen Transimpedanzverstärker (TIA, transimpedance amplifier) auf, der einen mit dem Anschluss 2 des Stromreplikators 610 gekoppelten Eingang und einen mit dem Eingang INP des Codierers/Decodierers 630 gekoppelten Ausgang aufweist. In einer solchen Ausführungsform weit der TIA möglicherweise einen Referenzknoten auf, der mit dem Masseanschluss GND gekoppelt ist. Weiterhin weist die Stromwandlerschaltung 640 möglicherweise irgendeine Kombination von aktiven und passiven Komponenten auf. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Stromwandlerschaltung 640 möglicherweise in irgendeiner der hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet. Weiterhin werden alle ausführungsgemäßen Komponenten, zu denen Signalumformer (Wandler), Mikrofone, Stromreplikatoren, Stromwandlerschaltungen und Codierer/Decodierer gehören, möglicherweise frei zwischen den in den Figuren beschriebenen Ausführungsformen ausgetauscht.
7 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines ausführungsgemäßen Betriebsverfahrens 700, das die Schritte 702 bis 714 aufweist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist der Schritt 702 das Aufnehmen von Leistung an einer Schnittstellenschaltung an einem Leistungsversorgungsanschluss auf. Der Schritt 704 weist das Bereitstellen der aufgenommenen Leistung für einen Wandler durch einen Wandleranschluss über die Schnittstellenschaltung auf. Der Schritt 706 weist das Aufnehmen eines umgeformten Signals aus dem Wandleranschluss auf. In verschiedenen Ausführungsformen ist das umgeformte Signal proportional zu einem physikalischen Signal, das vom Wandler aufgenommen wird. In einer speziellen Ausführungsform ist das umgeformte Signal proportional zu einem Schallsignal, das von einem Mikrofon aufgenommen wird, das das umgeformte Signal produziert. Der Wandler wird möglicherweise durch einen Wandleranschluss mit Leistung versorgt, und ein umgeformtes Signal wird möglicherweise aus dem Wandler durch den gleichen Wandleranschluss aufgenommen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen weist der Schritt 708 das Bereitstellen eines Stromsignals, das proportional zum umgeformten Signal ist, für eine Stromwandlerschaltung auf. Der Schritt 710 weist das Wandeln des Stromsignals in ein Spannungssignal über die Stromwandlerschaltung auf, und Schritt 712 weist das Bereitstellen des Spannungssignals für einen Codierer/Decodierer auf. Schließlich weist der Schritt 714 möglicherweise das Bereitstellen einer Referenzversorgung für den Codierer/Decodierer auf. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Referenzversorgung möglicherweise eine Masseverbindung.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Schnittstellenschaltung einen Stromreplikator und einen Empfänger auf. Der Stromreplikator weist Folgendes auf: einen Leistungsanschluss, der mit einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, einen Ausgangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das zu einem aus einem Wandler aufgenommenen Signal proportional ist, und einen mit dem Wandler gekoppelten Schnittstellenanschluss. Unter Verwendung eines einzigen Schnittstellenanschlusses ist der Stromreplikator möglicherweise dazu ausgelegt, Leistung für den Wandler bereitzustellen und Ausgangssignale aus dem Wandler aufzunehmen. Der Empfänger weist möglicherweise Folgendes auf: einen ersten Eingangsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist, und eine Stromwandlerschaltung, die mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist der Empfänger weiterhin einen Codierer/Decodierer auf, der dazu ausgelegt ist, Analogsignale zu codieren, und der mit der Stromwandlerschaltung gekoppelt ist. Der Stromreplikator und der Empfänger sind möglicherweise auf einer gleichen integrierten Schaltung angeordnet. Der Stromreplikator und der Empfänger sind möglicherweise auch auf zwei unterschiedlichen integrierten Schaltungen angeordnet. In einigen Ausführungsformen weisen der Stromreplikator und der Empfänger möglicherweise diskrete Komponenten auf. Die Schnittstellenschaltung weist möglicherweise auch den Wandler auf, und der Wandler ist möglicherweise mit dem Schnittstellenanschluss und dem zweiten Referenzknoten gekoppelt. Der Wandler ist möglicherweise als ein Mikrofon umgesetzt. In einer solchen Ausführungsform ist das Mikrofon möglicherweise ein Mikrosysteme-(MEMS)Mikrofon. In einigen Ausführungsformen ist die Stromwandlerschaltung weiterhin mit dem zweiten Referenzknoten gekoppelt.
In verschiedenen Ausführungsformen weist der Stromreplikator einen ersten Transistor, einen zweiten Transistor und einen Differenzverstärker auf. Der erste Transistor weist möglicherweise einen Steueranschluss, einen ersten, mit dem Leistungsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss und einen zweiten, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss auf. Der zweite Transistor weist möglicherweise einen Steueranschluss, einen ersten, mit dem Leistungsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss und einen zweiten, mit dem Schnittstellenanschluss gekoppelten Leitungsanschluss auf. In einigen Ausführungsformen ist der Steueranschluss des zweiten Transistors mit dem Steueranschluss des ersten Transistors gekoppelt. Der Differenzverstärker weist möglicherweise einen mit den Steueranschlüssen des ersten und zweiten Transistors gekoppelten Ausgang, einen ersten, mit einer Referenzspannung gekoppelten Eingang und einen zweiten, mit dem zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors gekoppelten Eingang auf. In einigen Ausführungsformen sind der erste Transistor, der zweite Transistor und der Verstärker zu Folgendem ausgelegt: zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen konstanten Spannung am zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors und zum Replizieren des Stroms, der aus dem ersten Leitungsanschluss zum zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors fließt, in den Strom, der aus dem ersten Leitungsanschluss zum zweiten Leitungsanschluss des ersten Transistors fließt.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Betreiben einer Schnittstellenschaltung Folgendes auf: das Bereitstellen von Leistung für einen Wandler auf einer ersten Leitung, das Aufnehmen eines umgeformten Signals aus einem Wandler auf der ersten Leitung und das Bereitstellen eines Stromsignals für eine Stromwandlerschaltung, das proportional zum umgeformten Signal ist. In einer solchen Ausführungsform ist das umgeformte Signal proportional zu einem physikalischen Signal, das vom Wandler aufgenommen wird. Das Verfahren zum Betreiben einer Schnittstellenschaltung weist möglicherweise weiterhin das Wandeln des Stromsignals in ein Spannungssignal in der Stromwandlerschaltung, das Bereitstellen des Spannungssignals für einen Codierer/Decodierer und das Bereitstellen einer Referenzversorgung für den Codierer/Decodierer auf. In einer Ausführungsform weist das Verfahren auch das Aufrechterhalten eines Spannungspegels auf der ersten Leitung auf einem konstanten Spannungspegel auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist ein Mikrofonsystem ein Mikrofon, einen Stromreplikator, eine zwischen einem zweiten Anschluss und einem ersten Referenzknoten gekoppelte Stromwandlerschaltung und einen mit der Stromwandlerschaltung gekoppelten Codierer/Decodierer auf. In verschiedenen Ausführungsformen weist das Mikrofon einen Ausgangsanschluss und einen Referenzanschluss auf, wobei der Referenzanschluss möglicherweise mit dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist und das Mikrofon dazu ausgelegt ist, Leistung aus dem Ausgangsanschluss aufnehmen. Weiterhin weist der Stromreplikator möglicherweise einen ersten Transistor mit einem Leitungsweg, der zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist, und einen zweiten Transistor mit einem Leitungsweg, der zwischen einem zweiten Anschluss und dem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist, auf. Der einzige Ausgangsanschluss ist möglicherweise mit dem ersten Anschluss gekoppelt.
In verschiedenen Ausführungsformen weist der Stromwandler möglicherweise eine Impedanz auf, die zwischen dem zweiten Anschluss und dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, und der Codierer/Decodierer ist möglicherweise mit dem zweiten Anschluss gekoppelt. Die Impedanz weist möglicherweise ohmsche und/oder kapazitive Elemente auf. In anderen Ausführungsformen weist der Stromwandler möglicherweise einen Transimpedanzverstärker auf, der einen mit dem zweiten Anschluss gekoppelten Eingang und einen mit dem Codierer/Decodierer gekoppelten Ausgang aufweist. Das Mikrofon ist möglicherweise als ein Mikrosysteme-(MEMS-)Mikrofon umgesetzt.
In verschiedenen Ausführungsformen sind das Mikrofon und der Codierer/Decodierer möglicherweise auf zwei unterschiedlichen integrierten Schaltungen angeordnet. Der Stromreplikator ist möglicherweise auf einer gleichen integrierten Schaltung wie der Codierer/Decodierer angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist ein Steueranschluss des ersten Transistors möglicherweise mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors gekoppelt. Der Stromreplikator weist möglicherweise auch einen Verstärker auf, der einen mit den Steueranschlüssen des ersten und zweiten Transistors gekoppelten Ausgang aufweist. Der Codierer/Decodierer weist möglicherweise auch einen mit der Stromwandlerschaltung gekoppelten Verstärker auf.
Zu den Vorteilen der verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen zählen möglicherweise eine erhöhte Wandler-Spannungsschwankung bei einer Versorgungs- und Abtast-Schnittstellenschaltung, der von einer Schnittstellenschaltung mit kleinem Spannungsabfall bewirkt wird.
Während diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen, wie auch anderer Ausführungsformen der Erfindung, werden sich für Fachleute unter Bezugnahme auf die Beschreibung ergeben. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen umfassen.

Claims

Schnittstellenschaltung, die Folgendes umfasst: einen Stromreplikator, der Folgendes umfasst: einen Leistungsanschluss, der dazu ausgelegt ist, mit einem ersten Referenzknoten gekoppelt zu sein, einen Ausgangsanschluss, der dazu ausgelegt ist, ein Signal auszugeben, das proportional zu einem vom einem Wandler empfangenes Signal ist, und einen Schnittstellenanschluss, der zum Koppeln mit dem Wandler ausgelegt ist, wobei der Stromreplikator dazu ausgelegt ist, Leistung für den Wandler bereitzustellen und an einem einzigen Schnittstellenanschluss Ausgangssignale vom Wandler aufzunehmen; und einen Empfänger, der Folgendes umfasst: einen ersten Eingangsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der mit einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist und eine Stromwandlerschaltung, die mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, wobei der Empfänger weiterhin einen Codierer/Decodierer umfasst, der dazu ausgelegt ist, Analogsignale zu codieren und der mit der Stromwandlerschaltung gekoppelt ist.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromreplikator und der Empfänger auf einer gleichen integrierten Schaltung angeordnet sind.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromreplikator und der Empfänger auf zwei unterschiedlichen integrierten Schaltungen angeordnet sind.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromreplikator und der Empfänger diskrete Komponenten umfassen.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin den Wandler umfasst, wobei der Wandler mit dem Schnittstellenanschluss und dem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 6, wobei der Wandler ein Mikrofon umfasst.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 7, wobei das Mikrofon ein Mikrosysteme(MEMS)-Mikrofon umfasst.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromwandlerschaltung weiterhin mit einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromreplikator Folgendes umfasst: einen ersten Transistor, der einen Steueranschluss, einen ersten, mit dem Leistungsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss und einen zweiten, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss aufweist; einen zweiten Transistor, der einen Steueranschluss, einen ersten, mit dem Leistungsanschluss gekoppelten Leitungsanschluss und einen zweiten, mit dem Schnittstellenanschluss gekoppelten Leitungsanschluss aufweist, wobei der Steueranschluss des zweiten Transistors mit dem Steueranschluss des ersten Transistors gekoppelt ist; und einen Differenzverstärker, der einen mit den Steueranschlüssen des ersten und zweiten Transistors gekoppelten Ausgang, einen ersten, mit einer Referenzspannung gekoppelten Eingang und einen zweiten, mit dem zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors gekoppelten Eingang aufweist, wobei der erste Transistor, der zweite Transistor und der Verstärker zu Folgendem ausgelegt sind: zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen konstanten Spannung am zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors und zum Replizieren des Stroms, der aus dem ersten Leitungsanschluss zum zweiten Leitungsanschluss des zweiten Transistors fließt, in den Strom, der aus dem ersten Leitungsanschluss zum zweiten Leitungsanschluss des ersten Transistors fließt.
Verfahren zum Betreiben einer Schnittstellenschaltung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen von Leistung für einen Wandler auf einer ersten Leitung; Aufnehmen eines umgeformten Signals aus einem Wandler auf der ersten Leitung, wobei das umgeformte Signal proportional zu einem physikalischen, vom Wandler aufgenommenen Signal ist; Bereitstellen eines Stromsignals für eine Stromwandlerschaltung, das proportional zum umgeformten Signal ist; Wandeln des Stromsignals in ein Spannungssignal in der Stromwandlerschaltung; Bereitstellen des Spannungssignals für einen Codierer/Decodierer; und Bereitstellen einer Referenzversorgung für den Codierer/Decodierer.
Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin das Aufrechterhalten eines Spannungspegels auf der ersten Leitung auf einem konstanten Spannungspegel umfasst.
Mikrofonsystem, das Folgendes umfasst: ein Mikrofon, das einen Ausgangsanschluss und einen Referenzanschluss umfasst, wobei der Referenzanschluss mit einem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, wobei das Mikrofon dazu ausgelegt ist, Leistung aus dem Ausgangsanschluss aufzunehmen; einen Stromreplikator, der Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einem Leitungsweg, der zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist, wobei der Ausgangsanschluss mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Transistor mit einem Leitungsweg, der zwischen einem zweiten Anschluss und dem zweiten Referenzknoten gekoppelt ist; eine Stromwandlerschaltung, die zwischen dem zweiten Anschluss und dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist; und einen Codierer/Decodierer, der mit der Stromwandlerschaltung gekoppelt ist.
Mikrofonsystem nach Anspruch 13, wobei der Stromwandler eine Impedanz umfasst, die zwischen dem zweiten Anschluss und dem ersten Referenzknoten gekoppelt ist, und wobei der Codierer/Decodierer mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist.
Mikrofonsystem nach Anspruch 14, wobei die Impedanz ohmsche und kapazitive Elemente umfasst.
Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Stromwandler einen Transimpedanzverstärker umfasst, der einen mit dem zweiten Anschluss gekoppelten Eingang und einen mit dem Codierer/Decodierer gekoppelten Ausgang aufweist.
Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Mikrofon ein Mikrosysteme(MEMS)-Mikrofon umfasst.
Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei das Mikrofon und der Codierer/Decodierer auf zwei unterschiedlichen integrierten Schaltungen angeordnet sind.
Mikrofonsystem nach Anspruch 18, wobei der Stromreplikator auf einer gleichen integrierten Schaltung wie der Codierer/Decodierer angeordnet ist.
Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei ein Steueranschluss des ersten Transistors mit einem Steueranschluss des zweiten Transistors gekoppelt ist.