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Querverweis auf verwandte Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
Koreanischen Patentanmeldung mit der Nr. 10-2014-0142066 , eingereicht beim Korean Intellectual Property Office am 20. Oktober 20, 2014, wobei deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme einbezogen wird.
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Mikrophon. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Analogsignal-Verarbeitungsschaltung des Mikrophons.
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Hintergrund
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Ein Mikrophon wird extensiv in einer mobilen Vorrichtung, einer Audiovorrichtung, einem Fahrzeug oder dergleichen verwendet, um einen Ton, d.h. eine Tonwelle bzw. Schallwelle (engl. sound wave), zu detektieren und in einen physikalischen Wert oder einen elektrischen Wert zu wandeln. Das gewandelte Signal wird schließlich in ein Signal verarbeitet, das durch eine Person oder eine Maschine erkannt werden kann.
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Da das Mikrophon ein natürliches Signal empfängt, wie zum Beispiel die Tonwelle, ist eine Analoge-Signalverarbeitung essentiell, um das Signal zu wandeln. Eine Analogsignal-Verarbeitungsschaltung kann einen direkten Einfluss auf das gesamte Leistungsvermögen des Mikrophons aufweisen. Da das Mikrophon insbesondere einen breiten Frequenzbereich als Eingabe aufgrund einer diesbezüglichen Charakteristik empfängt, ist eine Rauschcharakteristik wichtig.
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Da ein Signal, das von dem Mikrophon ausgegeben wird, ein einzelnes Signal ist, muss ein Ausgangssignal in ein vollständig differentielles Signal gewandelt werden, das für die Rauschcharakteristik vorteilhaft ist. Eine Eingangsstufen-DC-Bias-Funktion und eine Verstärkerraten-Steuerfunktion zum Steuern einer Größe, d.h. einer Empfindlichkeit des Signals, können darüber hinaus in einer vollständig differentiellen Struktur essentiell sein. Die Analog-Signalverarbeitungsschaltung ist im Allgemeinen durch eine Kombination von Schaltungen konfiguriert, um die obigen Funktionen zu implementieren. Die Kombination der Schaltungen kann jedoch zu einem Anstieg des elektrischen Rauschens führen.
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Die obige Information, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart ist, dient nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Offenbarung, und diese kann daher keine Information enthalten, die einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Offenbarung erfolgte in einer Anstrengung zur Bereitstellung einer Analogsignal-Verarbeitungsschaltung für ein Mikrophon, das die Vorteile einer Aufnahme von Funktionen aufweist, die zum Verarbeiten eines analogen Signals des Mikrophons erforderlich sind, und die eine verbesserte Rauschcharakteristik aufweist.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts enthält eine Analogsignal-Verarbeitungsschaltung eines Mikrophons eine Bias-Schaltung mit einer ersten Teilschaltung, die ein Signal von dem Mikrophon empfängt, um ein erstes Signal auszugeben, und eine zweite Teilschaltung, die eine Referenzspannung empfängt, um ein zweites Signal auszugeben. Eine vollständige Differentialschaltung empfängt das erste Signal und das zweite Signal, um ein vollständiges Differentialsignal auszugeben. Die erste Teilschaltung enthält eine erste Bias-Teilschaltung, um eine Bias-Spannung anzulegen, und die zweite Teilschaltung enthält eine zweite Bias-Teilschaltung, um eine Bias-Spannung anzulegen.
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Die erste und zweite Bias-Teilschaltung kann zwei anti-parallele Dioden-Paare enthalten.
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Unterschiedliche Referenzspannungen können an den jeweiligen anti-parallelen Dioden-Paaren angelegt werden.
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Die erste Teilschaltung kann einen ersten Kondensator zwischen dem Mikrophon und der ersten Bias-Teilschaltung enthalten, und die zweite Teilschaltung kann einen zweiten Kondensator zwischen dem Mikrophon und der zweiten Bias-Teilschaltung enthalten.
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Eine Kapazität des ersten Kondensators kann gleich zu der des zweiten Kondensators sein.
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Die vollständige Differentialschaltungseinheit kann einen vollständigen Differentialverstärker und einen Widerstandsteiler enthalten.
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Der Widerstandsteiler kann einen variablen Widerstand enthalten.
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Die vollständige Differentialschaltung kann eine erste Differentialeingangsstufe und eine zweite Differentialeingangsstufe enthalten, die jeweils zwei Eingangsanschlüsse aufweisen, sowie eine Differentialausgangsstufe mit zwei Ausgangsanschlüssen. Das erste Signal kann in einen Eingangsanschluss der ersten Differentialeingangsstufe eingegeben werden, und das zweite Signal kann in einen Eingangsanschluss der zweiten Differentialeingangsstufe eingegeben werden.
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Der Widerstandsteiler kann einen ersten Widerstandsteiler enthalten, der verbunden ist zwischen einem anderen Eingangsanschluss einer ersten Differentialeingangsstufe und einem Ausgangsanschluss einer Differentialausgangsstufe, und einen zweiten Widerstandsteiler, der verbunden ist zwischen einem anderen Eingangsanschluss einer zweiten Differentialeingangsstufe und einem anderen Ausgangsanschluss der Differentialausgangsstufe.
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Die Signal-Verarbeitungsschaltung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält alle Funktionen, die für die Analogsignal-Verarbeitungsschaltung für das Mikrophon erforderlich sind. Da eine Vielzahl von Funktionen vollständig durch Einschaltung implementiert werden, kann ein elektrisches Rauschen, das von der Schaltung erzeugt wird, minimiert werden, und ein Stromverbrauch kann durch eine Vereinfachung einer Schaltungsanordnung reduziert werden. Eine Gesamtfläche der Schaltung wird darüber hinaus reduziert, so dass Herstellungskosten reduziert werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Analogsignal-Verarbeitungsschaltung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts.
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2 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung einer Analogsignal-Verarbeitungsschaltung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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In der folgenden detaillierten Beschreibung werden nur bestimmte beispielhafte Ausführungsformen des vorliegenden erfinderischen Konzepts zum Zweck der Darstellung gezeigt und erläutert. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass die beschriebenen Ausführungsformen in zahlreichen verschiedenen Arten und Weisen modifiziert werden können, jeweils ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Die Zeichnungen und die Beschreibung werden somit folglich als darstellend und nicht einschränkend angesehen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der Beschreibung die gleichen Elemente.
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In dieser Beschreibung und den folgenden Ansprüchen kann dann, wenn beschrieben wird, dass ein Element mit einem anderen Element „gekoppelt“ ist, das Element mit dem anderen Element „direkt gekoppelt“ oder mit dem anderen Element über ein drittes Element „elektrisch gekoppelt“ sein. Wenn nicht explizit anders beschrieben, wird darüber hinaus das Wort „umfassend“ und Variationen davon, wie zum Beispiel „umfasst“ oder „umfassend“ so verstanden, dass dies eine Einbeziehung der genannter Elemente bedeutet, jedoch nicht den Ausschluss eines beliebigen anderen Elements.
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Im Folgenden wird eine Analogsignal-Verarbeitungsschaltung eines Mikrophons gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts detailliert mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Die Analogsignal-Verarbeitungsschaltung des Mikrophons kann einfach auf eine Signalverarbeitungsschaltung verweisen.
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1 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Analogsignal-Verarbeitungsschaltung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts, und 2 ist ein Schaltungsdiagramm zur Darstellung einer Analogsignal-Verarbeitungsschaltung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts.
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Bezugnehmend auf 1 empfängt die Analogsignal-Verarbeitungsschaltung 20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts ein einzelnes Signal als eine Eingabe von einem Mikrophon 10, um vollständig differentielle Signale auszugeben. Eine Analogsignal-Verarbeitungsschaltung 20 kann eine geänderte Kapazität von dem Mikrophon 10 in ein Spannungssignal wandeln.
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Das Mikrophon 10 empfängt eine Tonwelle bzw. Schallwelle, um ein elektrisches Signal gemäß einer Vibration bzw. Schwingung der Tonwelle zu erzeugen. Das Mikrophon 10 kann zum Beispiel ein mikroelektromechanisches System-(MEMS)Mikrophon enthalten. Im Allgemeinen wird das MEMS-Mikrophon in ein MEMS-Mikrophon vom Kapazitätstyp und ein MEMS-Mikrophon vom piezoelektrischen Typ unterteilt. Das MEMS-Mikrophon des Kapazitätstyps enthält eine feste Elektrode und eine Schwingungsmembran. Wenn ein externer Ton- bzw. Schalldruck gemäß der Tonwelle auf die Schwingungsmembran angewendet wird, ändert sich ein Kapazitätswert, da sich ein Abstand zwischen der festen Elektrode und der Schwingungsmembran ändert. In diesem Fall erzeugt das Mikrophon ein elektrisches Signal. Im Gegensatz zu dem MEMS-Mikrophon des Kapazitätstyps enthält das MEMS-Mikrophon des piezoelektrischen Typs nur eine Schwingungsmembran. Wenn die Schwingungsmembran durch einen externen Tondruck deformiert wird, erzeugt das Mikrophon das elektrische Signal aufgrund eines piezoelektrischen Effekts.
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Die Signalverarbeitungsschaltung 20 enthält eine Bias-Schaltungs-Einheit 210 und eine vollständige Differentialschaltungseinheit 220. Die Bias-Schaltungseinheit 210 und die vollständige Differentialschaltungseinheit 220 können durch eine Schaltung konfiguriert sein.
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Die vollständige Differentialschaltungseinheit 220 wandelt ein einzelnes Signal, das von dem Mikrophon ausgegeben wird, in ein vollständig differentielles Signal, das für eine gemeinsame Rauschcharakteristik vorteilhaft ist. Die Bias-Schaltungs-Einheit 210 ist im Wesentlichen mit einer Eingangsstufe der vollständigen Differentialschaltungseinheit 220 verbunden, und kann eine gewünschte Spannung anlegen und einen Gleichstrom- bzw. DC-Offset zwischen Differentialsignalen eines vollständig differentiellen Signals minimieren, während das einzelne Signal in das vollständig differentielle Signal gewandelt wird.
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Bezugnehmend auf 2 enthält die Bias-Schaltungs-Einheit 210 zwei Teilschaltungen, d.h., erste und zweite Teilschaltungen, die voneinander separiert sind. Die erste Teilschaltung empfängt ein AC-Signal von dem Mikrophon 10 an einer Eingangsstufe, um ein erstes Signal Vx auszugeben, wobei es sich um das Wechselstrom- bzw. AC-Signal mit einer gewünschten DC-Bias-Spannung handelt. Die zweite Teilschaltung empfängt eine Referenzspannung Vb als einen Eingang, um ein zweites Signal Vy mit der gleichen Bias-Spannung wie die des ersten Signals Vx auszugeben.
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Jede Teilschaltung enthält Kondensatoren Ca und Cb und Bias-Schaltungen Ba und Bb. Der Kondensator Ca der ersten Teilschaltung ist mit einem Knoten x verbunden, und der Kondensator Cb der zweiten Teilschaltung ist mit einem Knoten y verbunden. Die Kondensatoren Ca und Cb blockieren einen DC-Strom von einem Signal, das für die Eingangsstufe bereitgestellt wird, um den zwei Knoten x und y zu ermöglichen, die gleiche Umgebung aufzuweisen, wenn dies möglich ist. D.h., dass die Kondensatoren Ca und Cb verwendet werden, um einen Gleichstrom bzw. DC zu blockieren, und eine vergleichbare Impedanzumgebung kann durch die Kondensatoren Ca und Cb konfiguriert werden. Um die vergleichbare Impedanzumgebung zu konfigurieren, kann die Kapazität des Kondensators Ca der ersten Teilschaltung gleich zu der Kapazität des Kondensators Cb der zweiten Teilschaltung sein.
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Die Bias-Schaltung Ba der ersten Teilschaltung ist mit dem Knoten x verbunden, und die Bias-Schaltung Bb der zweiten Teilschaltung ist mit dem Knoten x verbunden. Die Bias-Schaltungen Ba und Bb legen eine Bias-Spannung an einen Pfad an, durch den ein Eingangssignal fließt.
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Die Bias-Schaltung Ba enthält eine Konfiguration, bei der zwei anti-parallele Dioden-Paare mit dem Knoten x verbunden sind. Das anti-parallele Dioden-Paar enthält zwei Dioden, die in einem anti-parallelen Schema verbunden sind, und die zwei Dioden sind miteinander verbunden, um eine gegenübergestellte Polarisation (engl. facing polarisation) aufzuweisen. Das anti-parallele Dioden-Paar erzeugt einen großen Widerstand, während eine geringe Fläche belegt wird. Eine Referenzspannung Va1 wird an einem anti-parallelen Dioden-Paar angelegt, und eine Referenzspannung Va2 wird an dem anderen anti-parallelen Dioden-Paar angelegt. Eine Bias-Spannung von (Va1 + Va2)/2, wobei es sich um einen Mittelwert der Referenzspannungen Va1 und Va2 handelt, kann folglich an dem Knoten x angelegt werden.
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In der Bias-Schaltung Bb sind darüber hinaus zwei anti-parallele Dioden-Paare mit dem Knoten y verbunden. Eine Referenzspannung Vb1 wird mit einem der anti-parallelen Dioden-Paare angelegt, und eine Referenzspannung Vb2 wird an einem anderen anti-parallelen Dioden-Paar angelegt. Eine Bias-Spannung von (Vb1 + Vb2)/2, wobei es sich um einen Mittelwert der Referenzspannungen Vb1 und Vb2 handelt, kann folglich an dem Knoten y angelegt werden.
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Die Bias-Schaltung Ba der ersten Teilschaltung und die zweite Bias-Schaltung Bb der zweiten Teilschaltung können die gleiche Konfiguration aufweisen. Eine Referenzspannung, die an der Bias-Schaltung Ba angelegt wird, kann darüber hinaus gleich wie eine Referenzspannung sein, die an der Bias-Spannung Bb angelegt wird. D.h., dass Va1 gleich zu Vb1 sein kann, und Va2 gleich zu Vb2 sein kann.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform können die Bias-Schaltungen Ba und Bb ein anti-paralleles Dioden-Paar enthalten, und können eine Vielzahl von Dioden enthalten, die in Reihe, parallel und/oder durch eine andere Array-Anordnung verbunden sind. Auf diese Art und Weise konfiguriert die Bias-Schaltungseinheit 210 eine vergleichbare Impedanzumgebung in zwei Knoten x und y unter Verwendung der Kondensatoren Ca und Cb, und führt dann ein Bias bzw. eine Vorspannung der gleichen DC-Spannung mit einem Mittelwert der zwei Bias-Spannungen unter Verwendung der Bias-Schaltungen Ba und Bb durch. In der vollständig differentiellen Struktur zum Empfangen eines Signals an einer von zwei Eingangsstufen kann die Bias-Schaltungseinheit 210 folglich eine Verzerrung eines Ausgangssignals minimieren, indem der DC-Offset des differentiellen AC-Signals minimiert wird.
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Die vollständige Differentialschaltungseinheit 220 enthält einen vollständigen Differential-Differenzverstärker (FDDA) und einen Widerstandsteiler.
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Der FDDA kann auf eine doppelte Differentialstruktur verweisen, die eine Differentialeingabe eines allgemeinen Operationsverstärkers erneut unterteilt. Der FDDA enthält eine erste Differentialeingangsstufe und eine zweite Differentialeingangsstufe als Eingangsstufen. Die erste Differentialeingangsstufe enthält zwei Eingangsanschlüsse In1+ und In2–, und die zweite Differentialeingangsstufe enthält zwei Eingangsanschlüsse In2+ und In2–. Der FDDA enthält folglich vier Eingangsanschlüsse. Der FDDA enthält eine Differentialausgangsstufe mit zwei Ausgangsanschlüssen Out+ und Out–. Zwei Differentialeingangsspannungen können in einen Strom gewandelt werden, über erste und zweite Eingangsstufen, und können durch eine Ausgangsstufe verstärkt werden. Ein idealer FDDA kann die Differentialspannung verstärken, während eine Common-Mode-Spannung unterdrückt wird. Das Verhalten des FDDA ist wie folgt definiert: VOut+ – VOut– = A[(VIn1+ – VIn1–) – (VIn2+ – VIn2–)], wobei A eine Spannungsverstärkung von einer bestimmten Differentialeingangsstufe zu einer Ausgabe darstellt.
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Der FDDA empfängt ein erstes Signal Vx, ausgegeben von der ersten Teilschaltung der Bias-Schaltungseinheit 210, über den Eingangsanschluss (In1+) der ersten Differentialeingangsstufe. Ein zweites Signal Vy, ausgegeben von der zweiten Teilschaltung der Bias-Schaltungseinheit 210, wird in den Eingangsanschluss In2+ der zweiten Differentialeingangsstufe eingegeben. Gemäß der beispielhaften Ausführungsform kann das erste Signal Vx in den Eingangsanschluss In2+ der zweiten Differentialeingangsstufe eingegeben werden, und das zweite Signal kann in den Eingangsanschluss In1+ der ersten Differentialeingangsstufe eingegeben werden. Das erste Signal Vx kann darüber hinaus in einen Eingangsanschluss In1– der ersten Differentialeingangsstufe eingegeben werden und das zweite Signal kann in einen Eingangsanschluss In2– der zweiten Differentialeingangsstufe eingegeben werden. Im Gegensatz dazu kann das Signal Vx in den Eingangsanschluss In2– der zweiten Differentialeingangsstufe eingegeben werden, und das zweite Signal kann in den Eingangsanschluss In1– der ersten Differentialeingangsstufe eingegeben werden. Das erste Signal Vx und das zweite Signal Vy, die in Eingangsanschlüssen eingegeben werden können, weisen mit anderen Worten die gleiche Polarität in der ersten bzw. zweiten Differentialeingangsstufe auf. Der FDDA gibt das vollständig differentielle Signal über Ausgangsanschlüsse Out+ und Out– aus.
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Der Widerstandsteiler enthält einen ersten Widerstandsteiler, der verbunden ist zwischen einem Eingangsanschluss In1– der ersten Differentialeingangsstufe und einem Ausgangsanschluss Out+ der Differentialausgangsstufe, und einen zweiten Widerstandsteiler, der verbunden ist zwischen einem Eingangsanschluss In2– der zweiten Differentialeingangsstufe und einem Ausgangsanschluss Out– der Differentialausgangsstufe. Feedback-Loops von Ausgangsspannungen Vout+ und Vout– sind folglich symmetrisch zueinander. Der erste und zweite Widerstandsteiler kann mit Eingangsanschlüssen In1– und In2– oder In1+ oder In2+ verbunden werden, die die gleiche Polarität in der ersten und zweiten Differentialeingangsstufe aufweisen, werden jedoch nicht mit einem Eingangsanschluss verbunden, in das das erste und zweite Signal Vx und Vy eingegeben werden.
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Der erste und zweite Widerstandsteiler enthalten zum Beispiel zwei Widerstände R1 und R2. Der zweite Widerstandsteiler R2 kann zwischen dem Ausgangsanschluss Out+ der Differentialausgangsstufe und einem Eingangsanschluss In1– der ersten Differentialeingangsstufe verbunden werden. Der erste Widerstandsteiler R2 kann zwischen dem einen Eingangsanschluss In1– der ersten Differentialeingangsstufe und einer Referenzspannung oder einer Massespannung verbunden werden. In dem zweiten Widerstandsteiler kann der zweite Widerstand R2 mit dem Ausgangsanschluss Out– der Differentialausgangsstufe und einem Eingangsanschluss In2– der zweiten Differentialeingangsstufe verbunden werden. Der erste Widerstand R1 kann zwischen dem einen Eingangsanschluss In2– der zweiten Differentialeingangsstufe und der Referenzspannung oder der Massespannung verbunden werden. Der erste Widerstand R1 des ersten und zweiten Widerstands R1 und R2 kann ein variabler Widerstand sein. gemäß der beispielhaften Ausführungsform kann der zweite Widerstand R2 ein variabler Widerstand sein, und der Widerstandsteiler kann einen Kondensator enthalten.
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Der Widerstandsteiler kann die Spannungsverstärkung A des FDDA einstellen. Wenn Ausgangsspannungen Vout+ und Vout– verbunden werden, so dass die Ausgangsspannungen Vout+ und Vout– erneut zu invertierenden Eingangsanschlüssen In1– und In2– transferiert werden, über den zweiten Widerstand R2, wie in 2 gezeigt, bildet der FDDA einen nicht invertierenden Verstärker aus, und eine Spannungsverstärkung A ist wie folgt definiert. A = (1 + R2/R1)
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Da die Spannungsverstärkung A des FDDA durch ein Verhältnis von Widerständen in den zwei Widerständen R1 und R2 bestimmt wird, kann eine Verstärkungsrate des Signals folglich durch Ändern von einem der Widerstände der zwei Widerstände R1 und R2 gesteuert werden. Wenn, wie von dem Durchschnittsfachmann erkannt, der FDDA die invertierende Verstärkerschaltung ausbildet, kann die Verstärkungsrate des Signals durch Ändern von einem der Widerstände in den zwei Widerständen R1 und R2 gesteuert werden.
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Die Signalverarbeitungsschaltung 20 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts enthält, wie oben erläutert, alle drei Funktionen, die zum Verarbeiten eines analogen Signals notwendig sind. Ein elektrisches Rauschen kann minimiert werden, ein Stromverbrauch kann reduziert werden, und es wird eine Fläche reduziert, so dass die Herstellungskosten durch Integration der Schaltung reduziert werden können.
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Während diese Offenbarung in Verbindung damit erläutert wurde, was vorliegend als praktische beispielhafte Ausführungsformen betrachtet wird, wird verstanden, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern es im Gegensatz beabsichtigt ist, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen zu enthalten, die im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-2014-0142066 [0001]
