DE102016125792A1

DE102016125792A1 - System und Verfahren für die Schallwandlerversorgung

Info

Publication number: DE102016125792A1
Application number: DE102016125792.3A
Authority: DE
Inventors: Elmar Bach; Susana Paton; Dietmar Straeussnigg; Juan Antonio Torreno Carrera; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2017-08-03
Also published as: KR101933780B1; KR20170092466A; US10008990B2; CN107040845A; CN107040845B; US20170223450A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren des Betreibens eines Schallbauelements Puffern, durch eine Pufferschaltung, eines ersten elektrischen Signals von einem Schallwandler, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, Empfangen eines Rückkopplungssignals an einer Versorgungsschaltung, und Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem ersten Schwellwert. Das Rückkopplungssignal basiert auf dem ersten elektrischen Signal. Das Verfahren beinhaltet weiterhin, auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem ersten Schwellwert, das Umschalten zwischen einem ersten Modus und einem zweiten Modus, Liefern einer ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus, und Liefern einer zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus. Die erste Versorgungsspannung ist von der zweiten Versorgungsspannung verschieden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wandlersysteme und in besonderen Ausführungsformen auf ein System und Verfahren für die Schallwandlerversorgung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Wandler konvertieren Signale von einem Bereich zu einem anderen und werden oftmals in Sensoren eingesetzt. Ein üblicher Sensor mit einem Wandler, der im alltäglichen Leben anzutreffen ist, ist ein Mikrofon, das Schallwellen in elektrische Signale konvertiert.
Zu Sensoren auf der Basis von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) zählt eine Familie von Wandlern, die unter Einsatz von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. MEMS, wie etwa ein MEMS-Mikrofon, sammeln Informationen aus der Umgebung durch Messen der Änderung eines physikalischen Zustands im Wandler und Transferieren eines gewandelten Signals zu einer Verarbeitungselektronik, die mit dem MEMS-Sensor verbunden ist. MEMS-Bauelemente können unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken ähnlich denen hergestellt werden, die für integrierte Schaltungen verwendet werden.
MEMS-Bauelemente können so ausgelegt werden, dass sie beispielsweise als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Kreisel, Drucksensoren, Mikrofone und Mikrospiegel funktionieren. Viele MEMS-Bauelemente verwenden kapazitive Erfassungstechniken zum Umwandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale. Bei derartigen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung im Sensor unter Verwendung von Schnittstellenschaltungen in ein Spannungssignal konvertiert.
Ein derartiges kapazitives Erfassungsbauelement ist das MEMS-Mikrofon. Ein MEMS-Mikrofon besitzt im Allgemeinen eine auslenkbare Membran, die durch eine kleine Distanz von einer starren Rückwand getrennt ist. Als Reaktion auf eine auf die Membran auftreffende Schalldruckwelle wird sie zu der Rückwand hin oder von der Rückwand weg ausgelenkt, wodurch der Trennabstand zwischen der Membran und der Rückwand geändert wird. Im Allgemeinen bestehen die Membran und die Rückwand aus leitfähigen Materialien und bilden „Platten” eines Kondensators. Wenn sich die die Membran und die Rückwand trennende Distanz als Reaktion auf die eintreffende Schallwelle ändert, ändert sich daher die Kapazität zwischen der „Platte” und ein elektrisches Signal wird generiert.
Im Allgemeinen sendet ein MEMS-Mikrofon die als Reaktion auf auftreffende Schallwellen generierten elektrischen Signale zu einer gewissen Art von Schnittstellen- und/oder Verarbeitungselektronik, die je nach der Anwendung unterschiedliche Funktionen ausführen können. Die Schnittstellenelektronik wird von einer Versorgungsspannungsquelle versorgt. Beispielsweise kann eine Ladepumpe eine niedrige Versorgungsspannung in eine an die Schnittstellenelektronik gekoppelte höhere Versorgungsspannung konvertieren. Die Leistung und der Stromverbrauch des resultierenden Mikrofonsystems können durch die Schnittstellenelektronik beeinflusst werden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren des Betreibens eines Schallbauelements Puffern, durch eine Pufferschaltung, eines ersten elektrischen Signals von einem Schallwandler, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, Empfangen eines Rückkopplungssignals an einer Versorgungsschaltung, und Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem ersten Schwellwert. Das Rückkopplungssignal basiert auf dem ersten elektrischen Signal. Das Verfahren beinhaltet weiterhin, auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem ersten Schwellwert, das Umschalten zwischen einem ersten Modus und einem zweiten Modus, Liefern einer ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus, und Liefern einer zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus. Die erste Versorgungsspannung ist von der zweiten Versorgungsspannung verschieden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
1 ein Systemblockdiagramm einer Ausführungsform eines Wandlerbauelements;
2 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines digitalen Wandlerbauelements;
3 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines digitalen Wandlerbauelements;
4 ein Wellenformdiagramm für Schallschwellwerte in einer Ausführungsform eines Wandlerbauelements;
5 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Versorgungsschaltung;
6 ein Wellenformdiagramm für Steuersignale in einer Ausführungsform eines Wandlerbauelements;
7 ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Wandlerbauelements;
8 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines analogen Wandlerbauelements; und
9 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben für eine Ausführungsform eines Wandlersystems.
Entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein auf entsprechende Teile, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Die Figuren wurden gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar zu veranschaulichen, und sie sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Herstellen und Verwenden verschiedener Ausführungsformen werden unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass sich die hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen in einer großen Vielzahl spezifischer Kontexte anwenden lassen. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich spezifische Wege zum Herstellen und Verwenden verschiedener Ausführungsformen und sollten nicht in einem beschränkten Umfang ausgelegt werden.
Die Beschreibung erfolgt bezüglich verschiedener Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, nämlich Schallwandlern und insbesondere MEMS-Mikrofonen. Einige der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen beinhalten MEMS-Wandlersysteme, MEMS-Mikrofonsysteme, Schnittstellenschaltungen für Wandler- und MEMS-Wandlersysteme und Stromversorgungsschaltungen für Wandler- und MEMS-Wandlersysteme. Bei anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, die einen beliebigen Typ von Sensor oder Wandler gemäß einer beliebigen Art involvieren, wie in der Technik bekannt.
Eine fundamentale Herausforderung bei der modernen Elektronik ist das Energiemanagement und die Stromeinsparung. Insbesondere erfüllen zahlreiche Systeme mit Wandlern, wie etwa MEMS-Mikrofone, bevorzugt strenge Stromverbrauchsanforderungen. Gleichzeitig bleibt die Leistung solcher Systeme kritisch. Somit existiert eine Gelegenheit für innovative Lösungen, die sich mit den Zielen der Systemleistung und des Stromverbrauchs beschäftigen.
Gemäß verschiedenen, hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen enthält ein Schallwandlersystem ein steuerbares Stromversorgungssystem. Bei solchen Ausführungsformen arbeitet das Schallwandlersystem mit einem ersten Schalldruckpegel(SPL)-Eingangsbereich in einem ersten Modus und einem zweiten SPL-Eingangsbereich in einem zweiten Modus. Während des ersten Modus versorgt das steuerbare Stromversorgungssystem das Schallwandlersystem, wie etwa die an den Ausgang des Schallwandlers gekoppelte Pufferschaltung, mit einer ersten Spannung, die den Stromverbrauch des Schallwandlersystems reduziert. Während des zweiten Modus versorgt das steuerbare Stromversorgungssystem das Schallwandlersystem, wie etwa die an den Ausgang des Schallwandlers gekoppelte Pufferschaltung, mit einer zweiten Spannung, die den Stromverbrauch des Schallwandlersystems erhöht, während der SPL-Eingangsbereich auf höhere SPLs erweitert wird. Bei weiteren Ausführungsformen kann das steuerbare Stromversorgungssystem mehrere Versorgungsspannungspegel entsprechend mehreren SPL-Eingangsbereichen liefern. Weitere spezifische Details werden unter Bezugnahme auf verschiedene spezifische Ausführungsformen unten beschrieben.
Verschiedene, hier beschriebene Ausführungsformen betreffen primär Schallwandlersysteme und -bauelemente. Bei alternativen Ausführungsformen können ähnliche Ausführungsformen von steuerbaren Stromversorgungssystemen mit Wandlern im Allgemeinen implementiert werden und können konfiguriert sein zum Arbeiten auf der Basis von verschiedenen Eingangssignalpegelbereichen. Ähnliche Verfahren und Schaltungen, wie hierin beschrieben, können in solchen alternativen Ausführungsformen mit minimaler Modifikation implementiert werden, wie der Fachmann ohne Weiteres versteht. Derartige Ausführungsformen von Implementierungen können Vorteile einiger der unten beschriebenen Ausführungsformen beinhalten. Zu Beispielen für alternative Wandler, wie etwa MEMS-Wandler, zählen unter anderem Beschleunigungsmesser, Drucksensoren, Kraftsensoren und Kreisel.
1 veranschaulicht ein Systemblockdiagramm einer Ausführungsform eines Wandlerbauelements 100 mit Mikrofon 102, Puffer 104, Schnittstelle 106 und Stromversorgungscontroller 108. Gemäß verschiedener Ausführungsformen empfängt das Mikrofon 102 ein Schallsignal wie etwa Töne aus der Umgebung und wandelt das Schallsignal in eine Mikrofonspannung VMIC um. Der Puffer 104 empfängt die Mikrofonspannung VMIC von dem Mikrofon 102 und generiert eine Pufferausgangsspannung VBUF. Bei derartigen Ausführungsformen empfängt der Puffer 104 eine Pufferversorgungsspannung VBSUP von dem Stromversorgungscontroller 108, bei der es sich um verschiedene Versorgungsspannungen für verschiedene Arbeitsmodi handeln kann.
Auf der Basis der Pufferversorgungsspannung VBSUP arbeitet der Puffer 104 für verschiedene SPL-Eingangsbereiche. Bei einigen Ausführungsformen versorgt während eines ersten Modus der Stromversorgungscontroller 108 den Puffer 104 mit einer ersten Spannung, die den Stromverbrauch des Wandlerbauelements 100 reduziert. Während eines zweiten Modus versorgt der Stromversorgungscontroller 108 den Puffer 104 mit einer zweiten Spannung, die den Stromverbrauch des Wandlerbauelements erhöht, während der SPL-Eingangsbereich auf höhere SPLs vergrößert wird. Bei spezifischen Ausführungsformen liegt die erste Spannung unter 1,5 V, und der erste entsprechende SPL-Eingangsarbeitsbereich beträgt 0 dB bis 130 dB. Bei solchen Ausführungsformen ist die zweite Spannung größer als 1,5 V, und der zweite entsprechende SPL-Eingangsarbeitsbereich beträgt 0 dB bis 140 dB. Bei weiteren Ausführungsformen liefert der Stromversorgungscontroller 108 mehr als zwei Versorgungsspannungen für die Pufferversorgungsspannung VBSUP, und der Puffer 104 arbeitet in mehr als zwei Modi.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen bestimmt der Stromversorgungscontroller 108 den eingegebenen SPL am Mikrofon 102 auf der Basis der Mikrofonspannung VMIC, der Pufferausgangsspannung VBUF oder einer elektrischen Schallabgabe ES_OUT von der Schnittstelle 106. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die elektrische Schallabgabe ES_OUT ein digitales Signal, das innerhalb der Schnittstelle 106 von einem analogen Signal in ein digitales Signal konvertiert worden ist. Bei solchen Ausführungsformen enthält der Stromversorgungscontroller 108 eine digitale Steuerlogik zum Selektieren von Versorgungsspannungspegeln auf der Basis der elektrischen Schallabgabe ES_OUT. Bei anderen Ausführungsformen wie etwa für analoge Wandlersysteme kann die Schnittstelle 106 entfallen oder kann Teil einer Audioverarbeitungsschaltung auf einem separaten Halbleiter-Die sein.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist das Mikrofon 102 ein MEMS-Mikrofon wie etwa ein kapazitives MEMS-Mikrofon mit einer einzelnen perforierten Rückwand und einer auslenkbaren Membran oder doppelt-perforierten Rückwänden und der auslenkbaren Membran. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Mikrofon 102 ein kapazitives MEMS-Kammfingermikrofon mit Interdigital-Erfassungselektroden. Bei noch weiteren Ausführungsformen ist das Mikrofon 102 ein optisches MEMS-Mikrofon oder ein piezoelektrisches MEMS-Mikrofon. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Mikrofon 102 ein Elektret-Kondensatormikrofon (ECM). Bei einigen Ausführungsformen kann es sich bei dem Mikrofon 102 um einen anderen Typ von Wandler handeln, wie etwa einen Ultraschallwandler, einen Druckwandler oder einen Kraftwandler, als Beispiel.
Bei verschiedenen Ausführungsformen sind der Puffer 104, die Schnittstelle 106 und der Stromversorgungscontroller 108 auf einem gleichen integrierten Schaltungs-Die angeordnet. Bei solchen Ausführungsformen kann das Mikrofon 102 ein separater Die sein, der an den gleichen integrierten Schaltungs-Die gebondet ist. Bei anderen Ausführungsformen ist auch das Mikrofon 102 auf dem gleichen integrierten Schaltungs-Die angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Schnittstelle 106 auf einem separaten integrierten Schaltungs-Die enthalten sein.
2 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines digitalen Wandlerbauelements 110 mit Analog-Digital-Wandler (ADW) 112, Pufferschaltung 114, Ladepumpenschaltung 116 und Spannungsversorgungswahlschaltung 118. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeitet das digitale Wandlerbauelement 110 in einer ähnlichen Weise wie oben unter Bezugnahme auf das Wandlerbauelement 100 in 1 beschrieben und kann eine spezifische Implementierung des Wandlerbauelements 100 sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen empfängt die Pufferschaltung 114 die Mikrofonspannung VMIC, wie etwa von dem oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Mikrofon 102, und generiert die Pufferschaltung VBUF. Bei einigen Ausführungsformen ist die Pufferschaltung 114 ein Sourcefolger oder ein Eins-Verstärker. Weiterhin empfängt die Pufferschaltung 114 die Pufferversorgungsspannung VBSUP von der Spannungsversorgungswahlschaltung 118.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden die Spannungsversorgungswahlschaltung 118 und die Ladepumpenschaltung 116 durch ein SPL-Freigabe-Signal SPL_EN gesteuert. Bei solchen Ausführungsformen wird während eines ersten Modus die Spannungsversorgungswahlschaltung 118 durch das SPL-Freigabe-Signal SPL_EN gesteuert, um einen Leitungspfad von einer niedrigen Spannungsversorgung VLOW zur Pufferschaltung 114 bereitzustellen. Somit ist die Pufferversorgungsspannung VBSUP gleich der niedrigen Spannungsversorgung VLOW während des ersten Modus. Während eines zweiten Modus werden die Spannungsversorgungswahlschaltung 118 und die Ladepumpenschaltung 116 durch das SPL-Freigabesignal SPL_EN gesteuert, um die Ladepumpenschaltung 116 freizugeben, eine Ladepumpenschaltung VCP zu generieren und einen Leitungsweg von der Ladepumpenschaltung 116 zur Pufferschaltung 114 bereitzustellen. Somit ist die Pufferversorgungsspannung VBSUP gleich der Ladepumpenspannung VCP während des zweiten Modus.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die niedrige Spannungsversorgung VLOW kleiner als die Ladepumpenspannung VCP. Bei einigen Ausführungsformen ist die niedrige Spannungsversorgung VLOW kleiner als 1,5 V und die Ladepumpenspannung VCP ist größer als 1,5 Volt. Bei einer bestimmten Ausführungsform beträgt die niedrige Spannungsversorgung VLOW 1,2 V, und die Ladepumpenspannung VCP beträgt 3 V.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen basiert das SPL-Freigabesignal SPL_EN auf der Mikrofonspannung VMIC, der Pufferspannung VBUF oder dem digitalen Ausgangssignal DSIG von dem ADW 112. Bei einigen Ausführungsformen konvertiert der ADW 112 die Pufferspannung VBUF, ein analoges Signal, in ein digitales Ausgangssignal DSIG. Bei einigen derartigen Ausführungsformen kann das SPL-Freigabesignal SPL_EN auf der Basis des digitalen Ausgangssignals DSIG generiert werden, wie etwa unter Verwendung einer (nichtgezeigten) digitalen Logiksteuerschaltung. Falls beispielsweise das digitale Ausgangssignal DSIG einem SPL-Eingangspegel unter einem Schallschwellwert entspricht, kann sich das SPL-Freigabesignal SPL_EN in einem ungesetzten Zustand befinden, wodurch die Ladepumpenschaltung 116 deaktiviert und die Spannungsversorgungswahlschaltung 118 geschaltet wird, um die niedrige Spannungsversorgung VLOW zu wählen. Falls das digitale Ausgangssignal DSIG einem SPL-Eingangspegel über dem Schallschwellwert entspricht, kann sich das SPL-Freigabesignal SPL_EN in einem gesetzten Zustand befinden, wodurch die Ladepumpenschaltung 116 aktiviert und die Spannungsversorgungswahlschaltung 118 geschaltet wird, die Ladepumpenspannung VCP zu wählen. Bei derartigen Ausführungsformen kann der Schallschwellwert beispielsweise in einem Bereich von 100 dB bis 150 dB liegen. Bei bestimmten Ausführungsformen liegt der Schallschwellwert im Bereich von 125 dB bis 135 dB. Bei einer spezifischen Ausführungsform beträgt der Schallschwellwert 130 dB. Bei weiteren Ausführungsformen können mehrere Schallschwellwerte verwendet werden, um mehrere Versorgungsspannungen für die Pufferschaltung 114 zu wählen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der ADW 112 von einem Oszillatorkristall oder einer Oszillatorschaltung (nicht gezeigt) ein Taktsignal CLK empfangen. Bei anderen Ausführungsformen kann der ADW 112 als ein beliebiger Typ von ADW implementiert werden, wie der Fachmann ohne weiteres versteht. Bei alternativen Ausführungsformen wird das SPL-Freigabesignal SPL_EN von einem Prozessor wie etwa beispielsweise von einem Audioprozessor oder einem Mikrocontroller empfangen.
3 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines digitalen Wandlerbauelements 120 mit kapazitivem MEMS-Mikrofon 122, Sourcefolger 124, Sigma-Delta-ADW 126, digitaler Schnittstellenschaltung 128, Versorgungssteuerschaltung 130, Ladepumpenschaltung 132, Pufferversorgungsschaltung 134, ADW-Versorgungsschaltung 136 und Schnittstellenversorgungsschaltung 138. Gemäß verschiedener Ausführungsformen arbeitet das digitale Wandlerbauelement 120 auf ähnliche Weise wie oben unter Bezugnahme auf das Wandlerbauelement 100 und das digitale Wandlerbauelement 110 in 1 bzw. 2 beschrieben und kann eine spezifische Implementierung des Wandlerbauelements 100 oder des digitalen Wandlerbauelements 110 sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen wandelt das kapazitive MEMS-Mikrofon 122 ein akustisches Eingangssignal in die Mikrofonspannung VMIC um, die an den Sourcefolger 124 geliefert wird. Bei einigen Ausführungsformen besitzt der Sourcefolger 124 eine sehr hohe Eingangsimpedanz und eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz. Der Sourcefolger 124 empfängt die Pufferversorgungsspannung VBSUP von der Pufferversorgungsschaltung 134.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Sourcefolger 124 mit verschiedenen eingegebenen SPLs auf der Basis der von der Pufferversorgungsschaltung 134 empfangenen Pufferversorgungsspannung VBSUP arbeiten. Bei derartigen Ausführungsformen empfängt der Sigma-Delta-ADW 126 die Pufferspannung VBUF und generiert das digitale Ausgangssignal DSIG. Auf der Basis des digitalen Ausgangssignals DSIG bestimmt die Versorgungssteuerschaltung 130 den SPL von am kapazitiven MEMS-Mikrofon 122 eingegebenen Schallsignalen und generiert ein SPL-Steuersignal SPL_CTL. Auf der Basis des SPL-Steuersignals SPL_CTL wird die Pufferversorgungsschaltung 134 so gesteuert, dass sie andere Spannungswerte für die Pufferversorgungsspannung VBSUP an den Sourcefolger 124 liefert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann es sich bei der Pufferversorgungsspannung VBSUP um mehrere Spannungen entsprechend mehreren Arbeitsmodi handeln. Beispielsweise kann die Pufferversorgungsspannung VBSUP zwei verschiedene Spannungen aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen weist die Pufferversorgungsspannung VBSUP mehr als zwei verschiedene Spannungen auf. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist die Pufferversorgungsspannung VBSUP drei verschiedene Spannungen auf. Bei verschiedenen Ausführungsformen wählt die Versorgungssteuerschaltung 130 verschiedene Spannungen für die Pufferversorgungsschaltung 134 als Pufferversorgungsspannung VBSUP auf der Basis eines Vergleichs mit einem oder mehreren Schwellwerten.
Wenn bei bestimmten Ausführungsformen das digitale Ausgangssignal DSIG SPLs von bei dem kapazitiven MEMS-Mikrofon 122 eingegebenen Schallsignalen entspricht, die unter einem ersten Schallschwellwert liegen, generiert und liefert die Pufferversorgungsschaltung 134 die Pufferversorgungsspannung VBSUP bei einem ersten Spannungspegel. Wenn das digitale Ausgangssignal DSIG SPLs von an dem kapazitiven MEMS-Mikrofon 122 eingegebenen Schallsignalen entspricht, die über dem ersten Schallschwellwert liegen, generiert und liefert die Pufferversorgungsschaltung 134 die Pufferversorgungsspannung VBSUP bei einem zweiten Spannungspegel. Wenn analog bei einigen Ausführungsformen das digitale Ausgangssignal DSIG SPLs vom bei dem kapazitiven MEMS-Mikrofon 122 eingegebenen Schallsignalen entspricht, die über einem zweiten Schallschwellwert liegen, generiert und liefert die Pufferversorgungsschaltung 134 die Pufferversorgungsspannung VBSUP bei einem dritten Spannungspegel. Bei verschiedenen Ausführungsformen können mehrere Schallschwellwerte zum Anlegen mehrerer Spannungen als Pufferversorgungsspannung VBSUP verwendet werden. Eine weitere Beschreibung der an den Sourcefolger 124 gelieferten Spannungen erfolgt im Folgenden unter Bezugnahme auf das Wellenformdiagramm 140 in 4.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen liefert die Ladepumpenschaltung 132 eine Vorspannung VBIAS an das kapazitive MEMS-Mikrofon 122. Bei solchen Ausführungsformen kann die Vorspannung VBIAS im Bereich von 5 V bis 50 V liegen. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Vorspannung VBIAS im Bereich von 15 V bis 25 V. Bei besonderen Ausführungsformen liegt die Vorspannung VBIAS im Bereich von 18 V bis 22 V. Bei alternativen Ausführungsformen kann es sich bei der Vorspannung VBIAS um andere Spannungen handeln. Die Ladepumpenschaltung 132 generiert die Vorspannung VBIAS aus einer niedrigeren Referenzversorgungsspannung wie etwa der niedrigen Spannungsversorgung VLOW, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Bei einigen Ausführungsformen kann die Ladepumpe 132 ganz oder teilweise mit einer in der Pufferversorgungsschaltung 134 enthaltenen Ladepumpe kombiniert werden. Die Ladepumpenschaltung 132 kann verschiedene Ladepumpenstrukturen enthalten, die dem Fachmann bekannt sind und der Kürze halber hier nicht beschrieben werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen generiert und liefert die ADW-Versorgungsschaltung 136 eine Wandlerversorgungsspannung VCSUP an den Sigma-Delta-ADW 126. Bei solchen Ausführungsformen kann die Wandlerversorgungsspannung VCSUP aus einer niedrigen Spannungsversorgung wie etwa der niedrigen Spannungsversorgung VLOW generiert oder kann von einer zusätzlichen Referenzversorgung geliefert werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt die Wandlerversorgungsspannung VCSUP im Bereich von 0,5 V bis 3,0 V. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Wandlerversorgungsspannung VCSUP im Bereich von 1,0 V bis 2,0 V. Bei einer besonderen Ausführungsform beträgt die Wandlerversorgungsspannung VCSUP 1,2 V. Bei anderen Ausführungsformen kann es sich bei der Wandlerversorgungsspannung VCSUP um andere Spannungen handeln.
Bei verschiedenen Ausführungsformen generiert und liefert die Schnittstellenversorgungsschaltung 138 eine digitale Versorgungsspannung VDSUP an die digitale Schnittstellenschaltung 128. Bei solchen Ausführungsformen kann die digitale Versorgungsspannung VDSUP aus einer niedrigen Spannungsversorgung wie etwa einer niedrigen Spannungsversorgung VLOW generiert oder von einer zusätzlichen Referenzversorgung geliefert werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt die digitale Versorgungsspannung VDSUP im Bereich von 0,5 V bis 3,0 V. Bei einigen Ausführungsformen liegt die digitale Versorgungsspannung VDSUP im Bereich von 0,7 V bis 1,5 V. Bei einer besonderen Ausführungsform beträgt die digitale Versorgungsspannung VDSUP 1,0 V. Bei anderen Ausführungsformen kann es sich bei der digitalen Versorgungsspannung VDSUP um andere Spannungen handeln.
Bei verschiedenen Ausführungsformen arbeitet der Sigma-Delta-ADW 126 mit dem Taktsignal CLK. Der Sigma-Delta-ADW 126 kann verschiedene Sigma-Delta-ADWs enthalten, wie dem Fachmann bekannt ist und der Kürze halber hier nicht weiter beschrieben wird.
4 veranschaulicht das Wellenformdiagramm 140 für Schallschwellwerte in einer Ausführungsform eines Wandlerbauelements. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen veranschaulicht das Wellenformdiagramm 140 die an einen Puffer oder einen Sourcefolger gelieferte Spannung (VBSUP), wie hier unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben. Beispielsweise kann das Wellenformdiagramm 140 der Pufferversorgungsspannung VBSUP entsprechen, wie hier unter Bezugnahme auf die 1, 2, 3, 5, 7 und 8 beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Mikrofonspannung VMIC durch einen Schallwandler oder ein Mikrofon wie etwa das kapazitive MEMS-Mikrofon 122 generiert, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, auf der Basis eines eingegebenen Schallsignals. Beispielsweise kann es sich bei dem Schallsignal um Ton handeln, zum Beispiel Druckwellen, die sich in der Umgebung ausbreiten. Bei derartigen Ausführungsformen besitzt das Schallsignal einen gegebenen SPL zu einer Zeit und die Größe der Mikrofonspannung VMIC entspricht dem SPL des Schallsignals. Wenn die Mikrofonspannung VMIC an dem ersten Schwellwert VTH1 vorbei zunimmt, nimmt die Pufferversorgungsspannung VBSUP von dem Spannungspegel VDD1 zum Spannungspegel VDD2 zu, wie gezeigt. Wenn analog die Mikrofonspannung VMIC am zweiten Schwellwert VTH2 vorbei zunimmt, nimmt die Pufferversorgungsspannung VBSUP vom Spannungspegel VDD2 auf den Spannungspegel VDD3 zu.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine beliebige Anzahl an Schwellwertspannungen mit einer entsprechenden Anzahl an Spannungspegeln verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen wird nur der erste Schwellwert VTH1 implementiert. Bei anderen Ausführungsformen werden der erste Schwellwert VTH1 und der zweite Schwellwert VTH2 implementiert. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Schwellwert VTH1 so eingestellt werden, dass er einem SPL des akustischen Eingangspegels im Bereich von 100 dB bis 150 dB entspricht. Bei besonderen Ausführungsformen kann der erste Schwellwert VTH1 so eingestellt sein, dass er einem SPL des akustischen Eingangspegels im Bereich von 125 dB bis 135 dB entspricht. Bei einer spezifischen Ausführungsform kann der erste Schwellwert VTH1 so eingestellt sein, dass er einem SPL des akustischen Eingangspegels von 130 dB entspricht. Analog wird der zweite Schwellwert VTH2 implementiert, wobei der zweite Schwellwert VTH2 so eingestellt sein kann, dass er einem SPL des akustischen Eingangspegels im Bereich von 110 dB bis 160 dB entspricht. Bei besonderen Ausführungsformen kann der zweite Schwellwert VTH2 so eingestellt sein, dass er einem SPL des akustischen Eingangspegels im Bereich von 130 dB bis 145 dB entspricht. Bei verschiedenen Ausführungsformen liegt der erste Schwellwert VTH1 unter dem zweiten Schwellwert VTH2. Bei einigen Ausführungsformen können der erste Schwellwert VTH1 und der zweite Schwellwert VTH2 digitale Werte sein, die den oben beschriebenen SPLs entsprechen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Spannungspegel VDD1 unter 1,5 V liegen, und der Spannungspegel VDD2 kann über 1,5 V liegen. Bei anderen Ausführungsformen liegt der Spannungspegel VDD1 im Bereich von 0,5 bis 1,5 V, der Spannungspegel VDD2 liegt im Bereich von 1,5 bis 2,5 V, und der Spannungspegel VDD3 liegt im Bereich von 2,5 bis 3,5 V. Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform beträgt der Spannungspegel VDD1 1,2 V und der Spannungspegel VDD2 beträgt 3,0 V, während die dritte Spannung entfällt. Bei alternativen Ausführungsformen kann VBSUP mit beliebigen Spannungen auf der Basis einer beliebigen Anzahl von Schallschwellwerten generiert und geliefert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind der erste Schwellwert VTH1 und der zweite Schwellwert VTH2 unter Bezugnahme auf die Mikrofonspannung VMIC gezeigt. Bei solchen Ausführungsformen kann ein Vergleich mit einer gegebenen Schwellwertspannung, die einem gegebenen SPL der akustischen Eingabe am Schallwandler entspricht, in verschiedenen Stadien der Verarbeitung durchgeführt werden. Wie hierin unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, wird die Mikrofonspannung VMIC mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen. Bei anderen Ausführungsformen können ein Puffer-, Verstärker- oder Sourcefolgerausgang wie etwa eine Pufferausgangsspannung VBUF mit einem oder mehreren Schwellwerten (VTH1 und VTH2) verglichen werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein digitaler Ausgang eines ADW, wie etwa ein digitales Ausgangssignal DSIG, mit einem oder mehreren Schwellwerten (VTH1 und VTH2) verglichen werden.
5 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Versorgungsschaltung 150 einschließlich einer Spannungsversorgungswahlschaltung 152 und Ladepumpenschaltungen 154_1 ..., 154_n. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Versorgungsschaltung 150 eine Ausführungsform einer Implementierung der Pufferversorgungsschaltung 134, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen enthalten die Ladepumpenschaltungen 154_1 ..., 154_n 1 bis n Ladepumpenschaltungen. Bei einigen Ausführungsformen ist n gleich 0, ähnlich dem digitalen Wandlerbauelement, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Bei anderen Ausführungsformen ist n gleich 2. Bei noch weiteren Ausführungsformen ist n gleich 3 oder mehr. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Ladepumpenschaltungen 154_1 ..., 154_n separate Ladepumpenschaltungen sein, die jeweils konfiguriert sind zum Generieren eines von n verschiedenen Spannungspegeln VCP1–VCPn, oder eine einzelne Ladepumpenschaltung, die konfiguriert ist zum Generieren n verschiedener Spannungspegel VCP1–VCPn.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen aktiviert oder deaktiviert das SPL-Steuersignal SPL_CTL die Ladepumpenschaltungen 154_1 ..., 154_n zum Liefern von Spannungspegeln VCP1–VCPn oder einer niedrigen Spannungsversorgung VLOW, wenn die Ladepumpenschaltungen 154_1 ..., 154_n alle deaktiviert in verschiedenen Arbeitsmodi sind. Beispielsweise wird das SPL-Steuersignal SPL_CTL durch die Versorgungssteuerschaltung 130 generiert, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, auf der Basis von Schallschwellwerten für den am kapazitiven MEMS-Mikrofon 122 eingegebenen SPL. Bei verschiedenen solcher Ausführungsformen steuert das SPL-Steuersignal SPL_CTL auch die Spannungsversorgungswahlschaltung 152 zum Wählen einer der niedrigen Spannungsversorgung VLOW oder von Spannungspegeln VCP1–VCPn zum Liefern als Pufferversorgungsspannung VBSUP an einen Puffer, einen Sourcefolger oder Verstärker, wie hierin unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben.
6 veranschaulicht ein Wellenformdiagramm für Steuersignale in einer Ausführungsform eines Wandlerbauelements mit Spannungswellenform 160 und Steuerwellenformen 162, 164, 166 und 168. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird die Mikrofonspannung VMIC durch eine Spannungswellenform 160 dargestellt. Da der Wert der Mikrofonspannung VMIC variiert, können verschiedene Steuersignale generiert werden. Beispielsweise werden die durch die Steuerwellenformen 162, 164, 166 und 168 dargestellten Steuersignale CS1, CS2, CS3 bzw. CS4 aktiviert und deaktiviert, um verschiedene Spannungsversorgungspegel für einen Puffer, einen Sourcefolger oder einen Verstärker zu wählen oder zu aktivieren, wie hier unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben. Beispielsweise können bei einigen Ausführungsformen die Steuersignale CS1, CS2, CS3 und CS4 eine Implementierung des SPL-Steuersignals SPL_CTL zum Steuern der Spannungsversorgungswahlschaltung 152 und der Ladepumpenschaltungen 154_1, ..., 154_n sein, wie oben unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Bei verschiedenen Ausführungsformen können jeweilige Steuersignale CS1, CS2, CS3 und CS4 durch eine Steuerschaltung wie etwa die Versorgungssteuerschaltung 130 aktiviert oder deaktiviert werden, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, beispielsweise auf der Basis des Vergleichens der Mikrofonspannung VMIC mit drei Spannungsschwellwerten, die drei eingegebenen SPLs des Schallwandlers entsprechen. Bei anderen Ausführungsformen kann eine beliebige Anzahl an Steuersignalen und Schwellwerten verwendet werden.
7 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Wandlerbauelements 170 mit Sourcefolger 172, Operationsverstärker 174, Operationsverstärker 176, Quantisiererschaltung 178, Digital-Analog-Wandler (DAW) 180, Filter 182, kombinatorische Logikschaltung 184 und Pufferversorgungsschaltung 186. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist das Wandlerbauelement 170 eine Ausführungsform einer Implementierung des Wandlerbauelements 120, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen empfängt der Sourcefolger 172 die Mikrofonspannung VMIC von einem (nichtgezeigten) Schallwandler, wie oben unter Bezugnahme auf das kapazitive MEMS-Mikrofon 122 in 3 beschrieben, als Beispiel. Auf der Basis der Mikrofonspannung VMIC steuert der Sourcefolger 172 durch einen Widerstand R1 einen Eingang des Operationsverstärkers 174 an, der wiederum einen Eingang des Operationsverstärkers 176 ansteuert. Bei solchen Ausführungsformen arbeiten der Operationsverstärker 174 und der Operationsvertärker 176 zusammen mit den Widerständen R1 und R2 und den Kondensatoren C1, C2, C3 als ein Schleifenfilter. Die Quantisiererschaltung 178 empfängt die gefilterten analogen Signale vom Operationsverstärker 176 und steuert diskrete Ausgangssignale als ein digitales Ausgangssignal DSIG an, das ein digitales N-Bit-Signal ist.
Bei verschiedenen Ausführungsformen empfängt der DAW 180 das digitale Ausgangssignal DSIG und generiert ein analoges Rückkopplungssignal am Eingang des Operationsverstärkers 174. Bei solchen Ausführungsformen kann der DAW 180 als ein Strom-DAW oder als ein Spannungs-DAW implementiert werden. In der gezeigten Ausführungsform ist der DAW 180 als ein Strom-DAW implementiert zum Anlegen einer diskreten Anzahl von Stromansteuersignalen von einer steuerbaren Stromquelle oder mehreren wählbaren Stromquellen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der Sourcefolger 172 durch die Pufferversorgungsspannung VBSUP versorgt. Auf der Basis des Spannungspegels der Pufferversorgungsspannung VBSUP arbeitet der Sourcefolger 172 für Pegel der Mikrofonspannung VMIC, die anderen, in das (nichtgezeigte) Mikrofon eingegebenen SPLs entsprechen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der in das (nichtgezeigte) Mikrofon eingegebene SPL auf der Basis des digitalen Ausgangssignals DSIG bestimmt werden. Bei solchen Ausführungsformen wird das digitale Ausgangssignal DSIG durch das Filter 182 an die kombinatorische Logikschaltung 184 geliefert, die eine Ausführungsform einer Implementierung der Versorgungssteuerschaltung 130 sein kann, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Auf der Basis des digitalen Ausgangssignals DSIG generiert die kombinatorische Logikschaltung 184 ein n-Bit-Steuersignal für die Pufferversorgungsschaltung 186, die eine Ausführungsform einer Implementierung der Pufferversorgungsschaltung 134 sein kann, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Wert von n im Bereich von 1 bis mehreren Bits liegen. Beispielsweise ist n gleich 1 für ein einzelnes Bit, wie ähnlich oben unter Bezugnahme auf SPL_EN in 2 beschrieben. Als ein weiteres Beispiel beinhaltet n 1 oder mehr Bit, wie oben unter Bezugnahme auf die Versorgungsschaltung 150 und die Steuersignale CS1, CS2, CS3 und CS4 in 5 bzw. 6 beschrieben. Auf der Basis des n-Bit-Steuersignals von der kombinatorischen Logikschaltung 184 generiert die Pufferversorgungsschaltung 186 verschiedene unterschiedliche Spannungspegel der Pufferversorgungsspannung VBSUP während unterschiedlicher Arbeitsmodi für verschiedene, in das Mikrofon eingegebene SPLs, wie oben unter Bezugnahme auf die anderen Figuren ähnlich beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält die kombinatorische Logikschaltung 184 eine digitale kombinatorische Logik. Bei einigen Ausführungsformen ist die kombinatorische Logikschaltung eine asynchrone digitale Logikschaltung. Bei einigen besonderen Ausführungsformen enthält die kombinatorische Logikschaltung 184 eine oder mehrere digitale Vergleicherschaltungen.
8 veranschaulicht ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines analogen Wandlerbauelements 190 mit kapazitivem MEMS-Mikrofon 122, Sourcefolger 124, analoger Steuerschaltung 192, Ladepumpenschaltung 132 und Pufferversorgungsschaltung 134. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen arbeitet das analoge Wandlerbauelement 190 wie oben unter Bezugnahme auf das digitale Wandlerbauelement 120 in 3 ähnlich beschrieben, aber ohne die digitalen Komponenten. Somit gilt die oben unter Bezugnahme auf Elemente mit den gleichen Bezugszahlen gelieferte Beschreibung auch auf 8 und wird der Kürze halber nicht wieder beschrieben. Bei solchen Ausführungsformen bestimmt die analoge Steuerschaltung 192 die in das kapazitive MEMS-Mikrofon 122 eingegebenen SPLs auf der Basis des Vergleichens der Pufferausgangsspannung VBUF mit einem oder mehreren Schwellwerten und generiert das SPL-Steuersignal SPL_CTL auf der Basis des Vergleichs. Somit arbeitet die analoge Steuerschaltung 192 auf ähnliche Weise wie oben unter Bezugnahme auf die Versorgungssteuerschaltung 130 oder die kombinatorische Logikschaltung 184 in 3 bzw. 7 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die analoge Steuerschaltung 192 die Pufferausgangsspannung, ein analoges Signal, als den Eingang empfängt. In solchen Ausführungsformen kann die analoge Steuerschaltung 192 einen oder mehrere analoge Vergleicher zur Verwendung zum Generieren des SPL-Steuersignals SPL_CTL auf der Basis des Vergleichs mit einem oder mehreren Spannungsschwellwerten enthalten, die verschiedenen, in das kapazitive MEMS-Mikrofon 122 eingegebenen SPLs entsprechen. Verschiedene Ausführungsformen von Schallschwellwerten für unterschiedliche SPLs wurden oben unter Bezugnahme auf die anderen Figuren beschrieben und werden der Kürze halber nicht wieder beschrieben.
9 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Arbeitsverfahrens 200 für eine Ausführungsform eines Wandlersystems. Das Arbeitsverfahren 200 beinhaltet die Schritte 205, 210, 215, 220, 225 und 230. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist ein Arbeitsverfahren 200 ein Verfahren zum Betreiben eines Schallbauelements. Der Schritt 205 beinhaltet das Puffern, durch eine Pufferschaltung, eines ersten elektrischen Signals von einem Schallwandler, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen. Beispielsweise kann der Schallwandler ein Mikrofon wie etwa ein MEMS-Mikrofon sein, und das erste elektrische Signal kann ein gewandeltes elektrisches Signal auf der Basis einer eingegebenen Schalldruckwelle von der Umgebung sein. Bei solchen Ausführungsformen kann die Pufferschaltung ein Eins-Verstärker, ein Sourcefolger oder ein Vorverstärker sein. Das zweite elektrische Signal wird an der Pufferschaltung erzeugt. Das zweite elektrische Signal wird auf der Basis des ersten elektrischen Signals generiert und kann proportional oder gleich dem ersten elektrischen Signal sein.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Schritt 210 das Empfangen eines Rückkopplungssignals an einer Versorgungschaltung, wobei das Rückkopplungssignal proportional zum ersten elektrischen Signal ist. Bei solchen Ausführungsformen ist das Rückkopplungssignal auch proportional zu dem SPL des Eingangssignals für den Schallwandler. Der Schritt 215 beinhaltet das Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem ersten Schwellwert. Beispielsweise kann der erste Schwellwert einem spezifischen SPL-Schwellwert entsprechen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Schritt 220 das Umschalten zwischen einem ersten Modus und einem zweiten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem ersten Schwellwert. Bei solchen Ausführungsformen kann der erste Modus ein leistungsarmer Arbeitsmodus sein, und der zweite Modus kann ein normaler Arbeitsmodus sein. Der Schritt 225 beinhaltet das Liefern einer ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus. Die erste Versorgungsspannung kann ermöglichen, dass der Puffer für einen ersten eingegebenen SPL-Bereich arbeitet. Der Schritt 230 beinhaltet das Liefern einer zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus. Die erste Versorgungsspannung ist von der zweiten Versorgungsspannung verschieden. Weiterhin kann die zweite Versorgungsspannung ermöglichen, dass der Puffer für einen zweiten eingegebenen SPL-Bereich arbeitet. Bei solchen Ausführungsformen kann der erste eingegebene SPL-Bereich enger sein als der zweite eingegebene SPL-Bereich. Bei spezifischen Ausführungsformen beinhaltet der erste eingegebene SPL-Bereich niedrigere SPLs als der zweite eingegebene SPL-Bereich. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Schritte 205, 210, 215, 220, 225 und 230 so modifiziert werden, dass sie zusätzliche Schritte oder weniger Schritte enthalten, oder können in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren des Betreibens eines Schallbauelements Puffern, durch eine Pufferschaltung, eines ersten elektrischen Signals von einem Schallwandler, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, Empfangen eines Rückkopplungssignals an einer Versorgungsschaltung, und Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem ersten Schwellwert. Das Rückkopplungssignal basiert auf dem ersten elektrischen Signal. Das Verfahren beinhaltet weiterhin, auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem ersten Schwellwert, das Umschalten zwischen einem ersten Modus und einem zweiten Modus, Liefern einer ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus, und Liefern einer zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus. Die erste Versorgungsspannung ist von der zweiten Versorgungsspannung verschieden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin das Generieren des ersten elektrischen Signals an dem Schallwandler. Das Generieren des ersten elektrischen Signals kann das Generieren des ersten elektrischen Signals an einem MEMS-Mikrofon beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Puffern, durch die Pufferschaltung, des ersten elektrischen Signals von dem Schallwandler, um das zweite elektrische Signal zu erzeugen, das Empfangen des ersten elektrischen Signals an einem Sourcefolger und das Generieren des zweiten elektrischen Signals an dem Sourcefolger.
Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Liefern der ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus und das Liefern der zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus das Liefern der ersten Versorgungsspannung von einer steuerbaren Ladepumpenschaltung während des ersten Modus, und Liefern der zweiten Versorgungsspannung von der steuerbaren Ladepumpenschaltung während des zweiten Modus. Bei einigen Ausführungsformen enthält das Rückkopplungssignal an der Versorgungsschaltung ein Ausgangssignal von der Pufferschaltung. Bei weiteren Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin, nach dem Erzeugen des zweiten elektrischen Signals an der Pufferschaltung, das Konvertieren des zweiten elektrischen Signals von einem analogen Signal in ein digitales Signal an einem Analog-Digital-Wandler (ADW), wobei das Rückkopplungssignal an der Versorgungsschaltung ein Ausgangssignal von dem ADW umfasst.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren weiterhin das Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem zweiten Schwellwert, Umschalten in einen dritten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem zweiten Schwellwert, und Liefern einer dritten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des dritten Modus, wobei die dritte Versorgungsspannung von der ersten Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung verschieden ist. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der erste Schwellwert einem eingegebenen Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level) im Bereich von 130 dB bis 135 dB an dem Schallwandler, wobei die erste Versorgungsspannung im Bereich von 1,0 V bis 1,5 V liegt, und die zweite Versorgungsspannung im Bereich von 2,8 V bis 3,2 V liegt.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Schallbauelement eine Pufferschaltung, die konfiguriert ist zum Koppeln an einen Schallwandler und konfiguriert ist zum Empfangen eines ersten elektrischen Signals von dem Schallwandler und Generieren eines zweiten elektrischen Signals, und eine Versorgungsschaltung, die an die Pufferschaltung gekoppelt ist. Die Versorgungsschaltung ist konfiguriert zum Empfangen eines Rückkopplungssignals, Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem ersten Schwellwert, Umschalten zwischen einem ersten Modus und einem zweiten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem ersten Schwellwert, Liefern einer ersten Spannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus, und Liefern einer zweiten Spannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus. Das Rückkopplungssignal basiert auf dem ersten elektrischen Signal, und die erste Spannung ist von der zweiten Spannung verschieden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält das Schallbauelement weiterhin den Schallwandler, der konfiguriert ist zum Generieren des ersten elektrischen Signals. Der Schallwandler kann ein MEMS-Mikrofon enthalten. Bei einigen Ausführungsformen enthält die Pufferschaltung einen Sourcefolger.
Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält die Versorgungsschaltung eine steuerbare Ladepumpe, die konfiguriert ist zum Liefern der ersten Spannung und der zweiten Spannung. Die Versorgungsschaltung kann weiterhin eine Steuerschaltung enthalten, die konfiguriert ist zum Empfangen des Rückkopplungssignals, Generieren eines Steuersignals auf der Basis des Rückkopplungssignals, und Liefern des Steuersignals an die steuerbare Ladepumpenschaltung, wobei das Steuersignal betätigbar ist zum Schalten der steuerbaren Ladepumpenschaltung zum Liefern der ersten Spannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus und Liefern der zweiten Spannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Rückkopplungssignal ein Ausgangssignal der Pufferschaltung. Bei weiteren Ausführungsformen enthält das Schallbauelement einen Analog-Digital-Wandler (ADW), der an die Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei das Rückkopplungssignal ein Ausgangssignal des ADW umfasst.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Versorgungsschaltung weiterhin konfiguriert zum Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem zweiten Schwellwert, Umschalten in einen dritten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem zweiten Schwellwert, und Liefern einer dritten Spannung an die Pufferschaltung während des dritten Modus, wobei die dritte Spannung von der ersten Spannung und der zweiten Spannung verschieden ist. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der erste Schwellwert einem eingegebenen Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level) im Bereich von 130 dB bis 135 dB an dem Schallwandler, wobei die erste Versorgungsspannung im Bereich von 1,0 V bis 1,5 V liegt, und die zweite Versorgungsspannung im Bereich von 2,8 V bis 3,2 V liegt.
Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Schallbauelement einen Schallwandler, der konfiguriert ist zum Empfangen eines Schallsignals, eine Pufferschaltung, die an den Schallwandler gekoppelt ist, einen Analog-Digital-Wandler (ADW), der an die Pufferschaltung gekoppelt ist, und eine steuerbare Ladepumpenschaltung, die an eine Referenzversorgung und die Pufferschaltung gekoppelt ist. Bei solchen Ausführungsformen ist die steuerbare Ladepumpenschaltung konfiguriert zum Liefern einer ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung, wenn das Schallsignal unter einem Schallschwellwert liegt, und zum Liefern einer zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung, wenn das Schallsignal über dem Schallschwellwert liegt, wobei die erste Versorgungsspannung kleiner ist als die zweite Versorgungsspannung.
Bei verschiedenen Ausführungsformen enthält der Schallwandler ein MEMS-Mikrofon. Die Pufferschaltung kann einen Sourcefolger enthalten. Bei einigen Ausführungsformen wird das Schallsignal auf der Basis eines Ausgangssignals des ADW bestimmt. Bei weiteren Ausführungsformen ist die steuerbare Ladepumpenschaltung weiterhin konfiguriert zum Liefern einer dritten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung, wenn das Schallsignal über einem weiteren Schallschwellwert liegt, wobei die zweite Versorgungsspannung kleiner ist als die dritte Versorgungsspannung. Bei einigen Ausführungsformen entspricht der erste Schwellwert einem eingegebenen Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level) im Bereich von 130 dB bis 135 dB an dem Schallwandler, wobei die erste Versorgungsspannung im Bereich von 1,0 V bis 1,5 V liegt, und die zweite Versorgungsspannung im Bereich von 2,8 V bis 3,2 V liegt.
Zu Vorteilen von hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen kann ein reduzierter Stromverbrauch mit einem großen dynamischen Arbeitsbereich für Wandlerbauelemente zählen. Insbesondere können einige Ausführungsformen einen Vorteil des Arbeitens in einem leistungsarmen Modus und einem normalen Leistungsmodus beinhalten, wobei der niedrige Leistungsmodus weniger Strom verbraucht und für in den Schallwandler eingegebene niedrigere SPLs arbeitet und der normale Leistungsmodus mehr Strom verbraucht und für in den Schallwandler eingegebene höhere SPLs arbeitet.
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht in einem beschränkenden Sinne ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich dem Fachmann bei Bezugnahme auf die Beschreibung. Deshalb sollen die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Schallbauelements, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Puffern, durch eine Pufferschaltung, eines ersten elektrischen Signals von einem Schallwandler, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen; Empfangen eines Rückkopplungssignals an einer Versorgungsschaltung, wobei das Rückkopplungssignal auf dem ersten elektrischen Signal basiert; Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem ersten Schwellwert; Umschalten zwischen einem ersten Modus und einem zweiten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem ersten Schwellwert; Liefern einer ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus; und Liefern einer zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus, wobei die erste Versorgungsspannung von der zweiten Versorgungsspannung verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Generieren des ersten elektrischen Signals beim Schallwandler.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Generieren des ersten elektrischen Signals das Generieren des ersten elektrischen Signals an einem MEMS(Microelectromechanical System)-Mikrofon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Puffern, durch die Pufferschaltung, des ersten elektrischen Signals von dem Schallwandler, um das zweite elektrische Signal zu erzeugen, Folgendes umfasst: Empfangen des ersten elektrischen Signals bei einem Sourcefolger; und Generieren des zweiten elektrischen Signals beim Sourcefolger.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Liefern der ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus und das Liefern der zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus Folgendes umfassen: Liefern der ersten Versorgungsspannung von einer steuerbaren Ladepumpenschaltung während des ersten Modus; und Liefern der zweiten Versorgungsspannung von der steuerbaren Ladepumpenschaltung während des zweiten Modus.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Rückkopplungssignal an der Versorgungsschaltung ein Ausgangssignal von der Pufferschaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, weiterhin umfassend, nach dem Erzeugen des zweiten elektrischen Signals an der Pufferschaltung, das Konvertieren des zweiten elektrischen Signals von einem analogen Signal in ein digitales Signal an einem Analog-Digital-Wandler (ADW), und wobei das Rückkopplungssignal an der Versorgungsschaltung ein Ausgangssignal von dem ADW umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend: Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem zweiten Schwellwert; Umschalten in einen dritten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem zweiten Schwellwert; und Liefern einer dritten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung während des dritten Modus, wobei die dritte Versorgungsspannung von der ersten Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung verschieden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Schwellwert einem eingegebenen Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level) im Bereich von 130 dB bis 135 dB an dem Schallwandler entspricht, wobei die erste Versorgungsspannung im Bereich von 1,0 V bis 1,5 V liegt, und die zweite Versorgungsspannung im Bereich von 2,8 V bis 3,2 V liegt.
Schallbauelement, umfassend: eine Pufferschaltung, die konfiguriert ist zum Koppeln an einen Schallwandler und konfiguriert ist zum Empfangen eines ersten elektrischen Signals von dem Schallwandler und Generieren eines zweiten elektrischen Signals; und eine Versorgungsschaltung, die an die Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei die Versorgungsschaltung konfiguriert ist zum Empfangen eines Rückkopplungssignals, wobei das Rückkopplungssignal auf dem ersten elektrischen Signal basiert, Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem ersten Schwellwert, Umschalten zwischen einem ersten Modus und einem zweiten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem ersten Schwellwert, Liefern einer ersten Spannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus, und Liefern einer zweiten Spannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus, wobei die erste Spannung von der zweiten Spannung verschieden ist.
Schallbauelement nach Anspruch 10, weiterhin umfassend den Schallwandler, der konfiguriert ist zum Generieren des ersten elektrischen Signals.
Schallbauelement nach Anspruch 11, wobei der Schallwandler ein MEMS-Mikrofon umfasst.
Schallbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Pufferschaltung einen Sourcefolger umfasst.
Schallbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Versorgungsschaltung eine steuerbare Ladepumpenschaltung umfasst, die konfiguriert ist zum Liefern der ersten Spannung und der zweiten Spannung.
Schallbauelement nach Anspruch 14, wobei die Versorgungsschaltung weiterhin eine Steuerschaltung umfasst, die konfiguriert ist zum Empfangen des Rückkopplungssignals; Generieren eines Steuersignals auf der Basis des Rückkopplungssignals; und Liefern des Steuersignals an die steuerbare Ladepumpenschaltung, wobei das Steuersignal betätigbar ist zum Schalten der steuerbaren Ladepumpenschaltung zum Liefern der ersten Spannung an die Pufferschaltung während des ersten Modus und Liefern der zweiten Spannung an die Pufferschaltung während des zweiten Modus.
Schallbauelement nach Anspruch 15, wobei das Rückkopplungssignal ein Ausgangssignal der Pufferschaltung umfasst.
Schallbauelement nach Anspruch 15 oder 16, weiterhin umfassend einen Analog-Digital-Wandler (ADW), der an die Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei das Rückkopplungssignal ein Ausgangssignal des ADW umfasst.
Schallbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei die Versorgungsschaltung weiterhin konfiguriert ist zum: Vergleichen des Rückkopplungssignals mit einem zweiten Schwellwert; Umschalten in einen dritten Modus auf der Basis des Vergleichens des Rückkopplungssignals mit dem zweiten Schwellwert; und Liefern einer dritten Spannung an die Pufferschaltung während des dritten Modus, wobei die dritte Spannung von der ersten Spannung und der zweiten Spannung verschieden ist.
Schallbauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei der erste Schwellwert einem eingegebenen Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level) im Bereich von 130 dB bis 135 dB an dem Schallwandler entspricht, die erste Versorgungsspannung im Bereich von 1,0 V bis 1,5 V liegt, und die zweite Versorgungsspannung im Bereich von 2,8 V bis 3,2 V liegt.
Schallbauelement, umfassend: einen Schallwandler, der konfiguriert ist zum Empfangen eines Schallsignals; eine Pufferschaltung, die an den Schallwandler gekoppelt ist; einen Analog-Digital-Wandler (ADW), der an die Pufferschaltung gekoppelt ist; und eine steuerbare Ladepumpenschaltung, die an eine Referenzversorgung und die Pufferschaltung gekoppelt ist, wobei die steuerbare Ladepumpenschaltung konfiguriert ist zum Liefern einer ersten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung, wenn das Schallsignal unter einem Schallschwellwert liegt, und zum Liefern einer zweiten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung, wenn das Schallsignal über dem Schallschwellwert liegt, wobei die erste Versorgungsspannung kleiner ist als die zweite Versorgungsspannung.
Schallbauelement nach Anspruch 20, wobei der Schallwandler ein MEMS-Mikrofon umfasst.
Schallbauelement nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Pufferschaltung einen Sourcefolger umfasst.
Schallbauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Schallsignal auf der Basis eines Ausgangssignals des ADW bestimmt wird.
Schallbauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die steuerbare Ladepumpenschaltung weiterhin konfiguriert ist zum Liefern einer dritten Versorgungsspannung an die Pufferschaltung, wenn das Schallsignal über einem weiteren Schallschwellwert liegt, wobei die zweite Versorgungsspannung kleiner ist als die dritte Versorgungsspannung.
Schallbauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei der erste Schwellwert einem eingegebenen Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level) im Bereich von 130 dB bis 135 dB an dem Schallwandler entspricht, wobei die erste Versorgungsspannung im Bereich von 1,0 V bis 1,5 V liegt, und die zweite Versorgungsspannung im Bereich von 2,8 V bis 3,2 V liegt.