DE102017214765A1

DE102017214765A1 - Digitales Siliciummikrofon mit konfigurierbarer Empfindlichkeit, konfigurierbarem Frequenzgang und konfigurierbarer Rauschübertragungsfunktion

Info

Publication number: DE102017214765A1
Application number: DE102017214765.2A
Authority: DE
Inventors: Elmar Bach; Dietmar Straeussnigg; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2018-03-08
Also published as: CN107770708B; US20180063644A1; US9936304B2; CN107770708A

Abstract

Bei manchen Ausführungsformen beinhaltet ein Mikrofonsystem einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator, der dazu konfiguriert ist, mit einem Mikrofon gekoppelt zu werden, und der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des Mikrofons in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung an einem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators umzuwandeln. Das Mikrofonsystem kann auch einen digitalen Rauschformer beinhalten, der mit dem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, eine digitale Multi-Bit-Eingabe des digitalen Rauschformers in ein digitales Ein-Bit-Signal umzuwandeln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft allgemein elektrische Schaltkreise und insbesondere Systeme und Verfahren digitaler Siliciummikrofone.
HINTERGRUND
Der Ausdruck mikroelektromechanisches System (MEMS) wird oft verwendet, um auf kleine integrierte Vorrichtungen oder Systeme zu verweisen, die elektrische und mechanische Komponenten kombinieren. Mikrofone können als ein MEMS implementiert werden, z. B. als kleine Mikrofone, die mechanische Komponenten, wie etwa Membranen, und elektrische Komponenten zum Messen von Schalldruckpegeln umfassen.
Ein MEMS-Mikrofon beinhaltet eine druckempfindliche Membran oder ein Diaphragma, die/das in einem Siliciumchip angeordnet ist. Das MEMS-Mikrofon (auch als MEMS-Sensor bezeichnet) kann zusammen mit einem Verstärker gekapselt werden. Das MEMS-Mikrofon und der Verstärker können sich auf unterschiedlichen Chips oder auf demselben Chip befinden. Das MEMS-Mikrofon kann auch einen ADC-Schaltkreis (ADC: Analog-to-Digital Converter: Analog-Digital-Umsetzer) beinhalten, der es zu einem digitalen MEMS-Mikrofon macht, das auch als ein digitales Siliciummikrofon (SiMIC) bezeichnet wird. Digitale Siliciummikrofone werden weithin in verschiedenen Systemen und Anwendungen, wie etwa Mobiltelefonen, Laptops und anderen digitalen Mobilvorrichtungen, verwendet.
Empfindlichkeitsanforderungen für digitale SiMICs können in Abhängigkeit von den Anwendungen drastisch variieren. Von modernen digitalen SiMICs werden hohe Signal-Rausch-Verhältnisse erwartet. Zusätzlich zur Unterstützung einer Audiobandsignalübertragung können digitale SiMICs andere Betriebsfrequenzbänder, z. B. ein Ultraschallband, unterstützen. Es besteht Bedarf an digitalen SiMICs mit hoher Leistungsfähigkeit, die unterschiedliche Leistungsfähigkeitsanforderungen und/oder unterschiedliche Betriebsfrequenzbänder unterstützen können.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Mikrofonsystem einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator, der dazu konfiguriert ist, mit einem Mikrofon gekoppelt zu werden, und der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des Mikrofons in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung an einem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators umzuwandeln. Das Mikrofonsystem kann auch einen digitalen Rauschformer beinhalten, der mit dem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, eine digitale Multi-Bit-Eingabe des digitalen Rauschformers in ein digitales Ein-Bit-Signal umzuwandeln.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen ersichtlich. In den Figuren bezeichnen identische Bezugssymbole allgemein durch die unterschiedlichen Ansichten hindurch die gleichen Komponententeile, die im Interesse der Knappheit allgemein nicht nochmals beschrieben werden. Für ein vollständigeres Verständnis der Erfindung wird nun Bezug auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen, in denen gilt:
1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines digitalen Siliciummikrofons bei manchen Ausführungsformen;
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm für einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator bei manchen Ausführungsformen;
3A veranschaulicht ein Blockdiagramm einer in 1 gezeigten digitalen Logik 200 bei manchen Ausführungsformen;
3B veranschaulicht ein anderes Blockdiagramm der in 1 gezeigten digitalen Logik 200 bei manchen Ausführungsformen;
3C veranschaulicht ein Blockdiagramm für die funktionalen Signalverarbeitungsmodule von dem ADC bis zu dem digitalen Rauschformer bei manchen Ausführungsformen;
4A und 4B veranschaulichen zwei Blockdiagramme für ein digitales Filter 220 in 3B bei manchen Ausführungsformen;
5A und 5B veranschaulichen zwei Bode-Diagramme, die jeweils die Leistungsfähigkeit eines Audiobandsystems und eines Ultraschallbandsystems bei manchen Ausführungsformen repräsentieren;
6A und 6B veranschaulichen zwei Ausführungsformblockdiagramme eines digitalen Rauschformers 230 in 3B bei manchen Ausführungsformen;
7 veranschaulicht einen Ausführungsformfrequenzgang der Rauschübertragungsfunktion (NTF: Noise Transfer Function) des digitalen Rauschformers 230 in 3B bei manchen Ausführungsformen;
8 veranschaulicht den Frequenzgang der NTF in 7 mit unterschiedlichen Abtastfrequenzen bei manchen Ausführungsformen;
9 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Taktfrequenzdetektionseinheit bei manchen Ausführungsformen; und
10 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines rekonfigurierbaren Mikrofonsystems bei manchen Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Fertigen und Verwenden der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen werden im Folgenden ausführlich besprochen. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in einer weiten Bandbreite spezieller Zusammenhänge umgesetzt werden können. Die besprochenen speziellen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung spezieller Arten, die Erfindung zu fertigen und zu verwenden, und beschränken den Schutzumfang der Erfindung nicht.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen in einem speziellen Zusammenhang, nämlich dem Umwandeln von Schallsignalen mit einem großen Dynamikumfang in digitale Signale unter Verwendung eines rekonfigurierbaren digitalen Siliciummikrofons, beschrieben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet ein Mikrofonsystem einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator, der ein Schallsignal in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung umwandelt. Ein rekonfigurierbares digitales Filter entzerrt das erste digitale Signal und passt die Verstärkung des ersten digitalen Signals digital an. Ein rekonfigurierbarer digitaler Rauschformer wandelt eine Multi-Bit-Ausgabe des digitalen Filters in ein zweites digitales Signal mit einer Ein-Bit-Auflösung um und unterdrückt das bandinterne Quantisierungsrauschen durch Anwenden einer Rauschübertragungsfunktion (NTF) auf die Ausgabe des digitalen Signalformers. Unterschiedliche Konfigurationen (z. B. Koeffizienten, Ordnung des Filters) des digitalen Filters und des digitalen Rauschformers ermöglichen eine Modifizierung des Frequenzgangs des Mikrofonsystems für unterschiedliche Leistungsfähigkeitsanforderungen, wie etwa Mikrofonempfindlichkeit, Betriebsfrequenzband und Abtastfrequenz. Ein hoher Dynamikumfang (z. B. 112 dB) und ein gutes SNR (z. B. 66 dB) werden mit dem Ausführungsformmikrofonsystem erzielt.
Die Sensortechnologie hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert. Ein vollständig differentieller kapazitiver MEMS-Sensor mit doppelter Rückplatte ist dazu in der Lage, hohe akustische Übersteuerungspegel (AOL: Acoustic Overload Levels) von bis zu 140 dB Schalldruckpegel (dBSPL: dB Sound Pressure Level) und ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von bis zu 69 dB zu unterstützen. Der AOL ist als der Schalldruckpegel definiert, bei dem eine gesamte harmonische Verzerrung (THD: Total Harmonic Distortion) beginnt, 10% zu übersteigen. Ein übliches Leistungsfähigkeitskriterium eines digitalen SiMIC ist die Empfindlichkeit des Mikrofons, die bei einem Schalldruckpegel von 1 Pa oder 94 dBSPL gemessen wird. Empfindlichkeitsanforderungen ändern sich in Abhängigkeit von den Anwendungen des digitalen SiMIC drastisch. Standardmikrofone unterstützen einen Schalldruckpegel von bis zu 120 dBSPL, dementsprechend weisen sie eine Empfindlichkeit von –26 dBFS (dB Full Scale – dB Vollaussteuerung) auf. Moderne SiMICs können höhere Schalldruckpegel von bis zu 140 dBSPL bewältigen, dementsprechend kann ein Empfindlichkeitsbereich von –26 dBFS bis –46 dBFS unterstützt werden.
Mit der Zunahme der Vollaussteuerung (z. B. 140 dBSPL) des Eingangssignals sollte der Dynamikumfang des ADC entsprechend zunehmen. Zum Beispiel können digitale SiMICs unter der Annahme eines Rauschpegels, der bei oder unterhalb der typischen menschlichen Hörgrenze von 28 dBSPL liegt, einen Dynamikumfang von 92 dB für einen Vollaussteuerungspegel von 120 dBSPL oder einen Dynamikumfang von 112 dB für einen Vollaussteuerungspegel von 140 dBSPL unterstützen.
Innerhalb eines relativen kleinen Bereichs, z. B. +/–2 dB, kann die Empfindlichkeit eines MEMS-Sensors durch Anpassen der Sensorvorspannung verändert werden. Der kleine Anpassungsbereich (z. B. +/–2 dB) liegt in der Tatsache begründet, dass ein MEMS-Sensor, um ein gutes Gesamt-SNR zu erzielen (z. B. unter Berücksichtigung von ASIC-Rauschen), nahe seiner Bedingungen maximaler Vorspannung arbeiten sollte, um bei dem Bezugspegel von 94 dBSPL ein großes Signal an einen Ausleseschaltkreis zu liefern. Daher kann die MEMS-Vorspannung feinabgestimmt werden (z. B. nahe der maximalen Vorspannung), um die Empfindlichkeit innerhalb eines Bereichs von einigen dB anzupassen, ist aber nicht dazu geeignet, einen großen Empfindlichkeitsbereich, z. B. von –26 dBFS bis –46 dBFS, was einen Anpassungsbereich von 20 dB erfordert, zu bewältigen.
Empfindlichkeitsanpassungen mit großen Ausmaß können in dem Analog-Frontend des digitalen SiMIC durchgeführt werden, entweder indem die Vollaussteuerung des mit dem SiMIC gekoppelten Analog-Digital-Umsetzers (ADC) eingestellt wird oder indem die Verstärkung des Vorverstärkers angepasst wird, der den ADC ansteuert, jedoch liefert keiner der zwei Ansätze eine zufriedenstellende Lösung. Einfaches Anpassen der Verstärkung des Vorverstärkers verändert den relativen Eingangsrauschpegel des ADC. Falls zum Beispiel die Verstärkung reduziert wird, um einen größeren Eingangssignalbereich zuzulassen (z. B. ein Vollaussteuerungssignal bei 140 dBSPL), wird die Spannung an dem ADC-Eingang bei dem Bezugspegel von 94 dBSPL abgesenkt und nimmt der Beitrag des ADC zum Rauschen zu. Falls die Verstärkung erhöht wird, wird die dann verfügbare Vollaussteuerung begrenzt (z. B. kleiner als 140 dBSPL) und nimmt das Ausgangsrauschen des Vorverstärkers typischerweise proportional zu der angewandten Verstärkung zu. Andererseits verändert das Maximieren des Eingangssignalbereichs des ADC und das Zuordnen des Eingangssignals in diesen Bereich die Budgetierung des analogen Rauschens (z. B. die Gewichtung der Rauschbeitragenden), die eine Funktion der gewählten Vorverstärkerverstärkung wird und dementsprechend eine Funktion der gewählten Empfindlichkeit ist. Gegenwärtige digitale SiMICs werden oft mit Einzel-Bit-Delta-Sigma-Modulatoren (die z. B. eine Ein-Bit-Ausgabe produzieren) gestaltet und können die obigen Ansätze für Empfindlichkeitsanpassungen in großem Ausmaß verwenden.
Der Ausgabebitstrom des Einzel-Bit-Delta-Sigma-Modulators codiert das Eingangssignal direkt und die Empfindlichkeit ist fest in der Gestaltung codiert. Daher werden unterschiedliche Empfindlichkeiten manchmal unter Verwendung von Gestaltungen implementiert, die auf die Zielempfindlichkeit maßgeschneidert sind.
1 veranschaulicht ein Blockdiagramm für ein DiMIC(digitales Siliciummikrofon)-System 100 mit einem MEMS-Mikrofon 110 und einem Ausleseschaltkreis 120. Das MEMS-Mikrofon 110 (das auch als MEMS-Sensor 110 bezeichnet wird) beinhaltet bei manchen Ausführungsformen einen kapazitiven MEMS-Sensor. Bei dem Beispiel aus 1 beinhaltet das MEMS-Mikrofon 110 einen kapazitiven MEMS-Sensor mit doppelter Rückplatte, der eine differentielle Ausgabe unterstützt. Der Ausleseschaltkreis 120 ist in 1 zu Veranschaulichungszwecken als zwei Blöcke (z. B. Block 120 links mit einer Ladungspumpe 121 und Block 120 rechts mit einem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150) gezeigt, bei einer echten Implementierung wird der Ausleseschaltkreis 120 bei verschiedenen Ausführungsformen als ein Schaltkreis implementiert. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Ausleseschaltkreis 120 (z. B. der Block 120 links und der Block 120 rechts) auf einem Halbleitersubstrat als ein integrierter Schaltkreis (IC: Integrated Circuit), z. B. ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC: Application-Specific Integrated Circuit), implementiert. Daher kann der Ausleseschaltkreis 120 nachfolgend auch als ASIC 120 bezeichnet werden, mit dem Verständnis, dass der Ausleseschaltkreis 120 auch unter Verwendung von z. B. diskreten Komponenten implementiert werden kann, ohne von dem Wesen der Offenbarung abzuweichen.
Wie in 1 veranschaulicht, beinhaltet der Auslese-ASIC 120 eine Ladungspumpe 121, die eine Vorspannung an den Stift 111 des MEMS-Mikrofons 110 liefert. Die Vorspannung reicht bei manchen Ausführungsformen von 8 V bis etwa 10 V, obwohl Vorspannungen anderer Werte, wie etwa 15 V, möglich sein können. Bei manchen Ausführungsformen wird eine Abschlusseinheit 130 mit hoher Impedanz (z. B. 150 Gigaohm) verwendet, um die Ausgabe (z. B. eine Spannung) des MEMS-Mikrofons 110 an dem Ausgabestift 113 der MEMS-Kondensatoren 115 abzugreifen, während eine konstante Ladung auf den MEMS-Kondensatoren 115 beibehalten wird.
Bei manchen Ausführungsformen wird das differentielle Eingangssignal (z. B. die Spannung zwischen Stift Vin_p und Vin_n) durch einen Puffer 140 gepuffert, bevor es an einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150 gesendet wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen tastet der Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150 das analoge Signal (z. B. die Spannung) mit einer Abtastfrequenz F_s ab und produziert einen digitalen Multi-Bit-Strom 153 (z. B. eine Sequenz von digitalen Daten mit einer Multi-Bit-Auflösung), der in eine digitale Logik 200 zur weiteren Verarbeitung in dem digitalen Bereich eingespeist wird. Die Bit-Auflösung des digitalen Multi-Bit-Stroms 153 wird durch unterschiedliche Gestaltungs- und Leistungsfähigkeitsanforderungen bestimmt, z. B. durch eine zugelassene Menge des Quantisierungsrauschens und einen Dynamikumfang des SiMIC-Systems, und kann von 2 bis 6 Bit reichen, zum Beispiel 4 Bit betragen. Die digitale Logik beinhaltet mehrere Verarbeitungsmodule, die verschiedene digitale Signalverarbeitungsfunktionen, wie etwa Skalieren und/oder Entzerren des digitalen Multi-Bit-Stroms 153, Quantisierungsrauschformung und Umwandlung des digitalen Multi-Bit-Stroms in einen digitalen Ein-Bit-Strom, durchführen. Die Ausgabe der digitalen Logik 200 wird zur Schnittstellenkopplung mit dem (nicht gezeigten) nächsten Verarbeitungsmodul, z. B. einem Dezimationsfilter oder einem Sprach-Codec-Host, ausgesandt (z. B. an einem Stift DATEN). Einzelheiten des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators 150 und der digitalen Logik 200 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 2–9 besprochen.
1 zeigt ein kapazitives MEMS-Mikrofon 110 mit doppelter Rückplatte, das zwei Kondensatoren 115 aufweist, als ein Beispiel. Ein Fachmann versteht, dass das MEMS-Mikrofon 110 nur einen Kondensator 115 aufweisen kann, falls ein differentieller Eingang nicht verwendet wird, wobei in diesem Fall der Ausleseschaltkreis 120 entsprechend angepasst wird, um ein unsymmetrisches Eingangssignal zu berücksichtigen.
Wie in 1 veranschaulicht, verwendet das vorliegend offenbarte digitale SiMIC-System 100 einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150 (der auch als analoger Modulator 150 oder analoger Delta-Sigma-Modulator 150 bezeichnet wird). Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulatoren weisen im Vergleich zu Einzel-Bit-Delta-Sigma-Modulatoren einen niedrigeren Quantisierungsrauschpegel auf; dementsprechend kann ein Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator mit einer niedrigeren Ordnung, z. B. dritter Ordnung, für einen gleichen Quantisierungsrauschpegel für höhere Eingangssignalpegel (z. B. 140 dBSPL) verwendet werden. Im Gegensatz dazu kann ein Einzel-Bit-Delta-Sigma-Modulator einen Modulator fünfter Ordnung erfordern, um den gleichen Quantisierungsrauschpegel für einen ähnlichen hohen Eingangssignaldynamikumfang zu erzielen. Da die Stabilität von Delta-Sigma-Modulatoren für hohe Ordnungen schwierig aufrechtzuerhalten sein kann, hilft der Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150 dabei, die Stabilität bei hohen Eingangssignalpegeln sicherzustellen, was die Verwendung eines Modulators niedrigerer Ordnung (z. B. dritter Ordnung) ermöglicht. Durch Verwendung einer Multi-Bit-Architektur mit hoher Bitzahl (z. B. 4 Bit) kann der Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150 sowohl ein hohes SNR als auch einen hohen Dynamikumfang unterstützen. Zum Beispiel wurden für ein A-bewertetes Audioband, z. B. 20 Hz bis 20 kHz, ein SNR von 66 dB(A) und ein Dynamikumfang von 112 dB für ein digitales SiMIC-System, das die vorliegend offenbarte Architektur verwendet, erreicht.
2 veranschaulicht ein Blockdiagramm für einen Ausführungsform-Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150. Wie in 2 veranschaulicht, wird das analoge Eingangssignal nach dem Subtrahieren des Ausgangs des Multi-Bit-Rückkopplung-DAC 155 (DAC: Digital-to-Analog Converter – Digital-Analog-Umsetzer) durch ein analoges Schleifenfilter 151 gefiltert. Die Ausgabe des analogen Schleifenfilters 151 wird durch einen Quantisierer 157 in einen digitalen Multi-Bit-Strom (z. B. eine Sequenz digitaler Werte mit einer Multi-Bit-Auflösung) an dem Ausgang des analogen Modulators 150 umgewandelt. Der digitale M-Bit-Strom wird durch einen Multi-Bit-Rückkopplung-DAC 155 zum Subtrahieren mit dem analogen Eingangssignal auch zurück in ein analoges Signal umgewandelt, wie in 2 gezeigt ist.
3A veranschaulicht ein Ausführungsformblockdiagramm für eine digitale Logik 200. Die digitale Logik 200 beinhaltet ein optionales Codezuordnungsmodul 210, ein konfigurierbares digitales Filter-und-Verstärkungsanpassung-Modul 220 (das auch als digitales Filter 220 bezeichnet wird) und eine konfigurierbare digitale Schnittstelleneinheit 230 bei manchen Ausführungsformen. Die Architektur und/oder die Koeffizienten des digitalen Filters 220 und der digitalen Schnittstelleneinheit 230 können modifiziert oder rekonfiguriert werden. Daher kann der Ausdruck „konfigurierbar” in der nachfolgenden Erörterung austauschbar mit „rekonfigurierbar” verwendet werden.
Wie in 3A veranschaulicht, wandelt die Codierungszuordnungseinheit 210, die optional sein kann, ein Eingangsdatenformat in ein Datenformat um, das für eine Verarbeitung in der digitalen Logik 200 geeignet ist. Die Ausgabe der Codezuordnungseinheit 210 oder die Ausgabe des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators 150 (siehe 1), wenn die Codezuordnungseinheit 210 nicht vorhanden ist, wird an das digitale Filter 220 zur Verarbeitung gesendet. Das digitale Filter 220 führt verschiedene Signalverarbeitungsfunktionen an seinen Eingangsdaten durch, zum Beispiel Filtern (z. B. Tiefpassfiltern), Entzerren, Verstärkungsanpassung und Down-Sampling. Bei manchen Ausführungsformen wird die Ausgabe des digitalen Filters 220 an die rekonfigurierbare digitale Schnittstelleneinheit 230 gesendet, die eine rekonfigurierbare digitale Logik beinhaltet, die das Datenformat der Ausgabe des digitalen Filters 220 in ein vorbestimmtes Datenformat an dem Ausgangsanschluss DATEN zur Schnittstellenkopplung mit nachfolgenden Modulen oder Vorrichtungen beinhaltet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die rekonfigurierbare digitale Schnittstelleneinheit 230 eine digitale Logik, die das Datenformat der Ausgabe des digitalen Filters 220 in ein vorbestimmtes Multi-Bit-Datenformat, z. B. das SoundWire-Datenformat, zur Schnittstellenkopplung mit Vorrichtungen oder Modulen mit einer Multi-Bit-Datenschnittstelle umwandelt. Bei einer anderen Ausführungsform beinhaltet die rekonfigurierbare digitale Schnittstelleneinheit 230 einen digitalen Rauschformer (z. B. einen digitalen Einzel-Bit-Delta-Sigma-Modulator), der das Format der Ausgabe des digitalen Filters 220 in ein digitales Ein-Bit-Format zur Schnittstellenkopplung mit Vorrichtungen oder Modulen mit einer Ein-Bit-Datenschnittstelle, z. B. einem Dezimationsfilter oder einem Sprach-Codec-Host, umwandelt. Die Struktur des digitalen Filters 220 kann gemäß der digitalen Schnittstelleneinheit 230 angepasst werden. Wenn zum Beispiel die digitale Schnittstelleneinheit 230 ein digitaler Rauschformer ist, kann das digitale Filter 220 ein Tiefpassfilter und ein digitales Verstärkungsmodul beinhalten; wenn die Schnittstelleneinheit 230 eine digitale Logik ist, die eine Multi-Bit-Ausgangsschnittstelle unterstützt, kann das digitale Filter 220 ein Tiefpassfilter, ein digitales Verstärkungsmodul und einen Down-Sampler (z. B. zur Abtastratenreduzierung) beinhalten. Einzelheiten der digitalen Logik 200 werden nachfolgend besprochen. Die Erörterung unten unter Bezugnahme auf 3C und 4A–9 basiert auf der Ausführungsform in 3B, bei der ein digitaler Rauschformer 230 als die digitale Schnittstelleneinheit 230 verwendet wird. Ein Fachmann versteht, dass die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung einfach auf andere Ausführungsformen, die andere Typen einer digitalen Schnittstelleneinheit 230 verwenden, angewandt werden können.
3C veranschaulicht ein Blockdiagramm für die funktionalen Signalverarbeitungsmodule von dem ADC bis zu dem Rauschformer. Bei dem Beispiel aus 3C ist die Bit-Auflösung für den Ausgang jedes funktionalen Moduls bezeichnet. Zum Beispiel weist das Multi-Bit-Delta-Sigma-ADC-Modul 150 eine Bit-Auflösung von 4 Bit an seinem Ausgang auf, die ein Zweierkomplementdatenformat aufweisen kann. Das funktionale Modul 201 verarbeitet die Eingangsdaten durch Verschieben der Eingabe um 1 Bit nach links (z. B. Multiplizieren mit 2) und Addieren von 1 zu den verschobenen Werten. Bei manchen Ausführungsformen wird die Ausgabe des Moduls 201 dann durch ein Wortlängenadaptionsmodul 203 verarbeitet, das die 14 niedrigstwertigen Bits (LSBs: Least-Significant Bits) zu der Ausgabe des funktionalen Moduls 201 addiert (z. B. durch Verschieben der Ausgabe des Moduls 201 um 14 Bit nach links) und eine Vorzeichenerweiterung des verschobenen Wertes durchführt, um eine 22-Bit-Ausgabe zu bilden. Bei manchen Ausführungsformen sind zwei Tiefpassfiltermodule erster Ordnung, z. B. Module 205 und 207, verkettet und filtern die Ausgabe des Wortlängenadaptionsmoduls 203. Bei dem Beispiel aus 3C weisen die Tiefpassfiltermodule 205 und 207 jeweils 8-Bit-Koeffizienten auf, die programmierbar (z. B. durch Einstellen oder Laden eines benutzerspezifizierten Wertes anpassbar) sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Ausgabe des Tiefpassfiltermoduls 207 durch eine Verstärkung des digitalen Verstärkungsmoduls 209 skaliert, das eine programmierbare Verstärkung aufweist.
Bei manchen Ausführungsformen entsprechen die Module 205, 207 und 209 dem konfigurierbaren digitalen Filter und dem Verstärkungsanpassungsmodul 220 in 3B. Bei manchen Ausführungsformen wird die Ausgabe des digitalen Verstärkungsmoduls 209 dann an den digitalen Rauschformer 230 gesendet, der eine Ein-Bit-Ausgabe produziert.
Unter Bezugnahme auf 3B wandelt das optionale Codezuordnungsmodul 210 bei manchen Ausführungsformen das Eingangssignal (z. B. einen digitalen Multi-Bit-Strom von dem analogen Modulator 150) von einem ersten Datenformat (z. B. einem Einerkomplementformat oder einem Binärformat ohne Vorzeichen) in ein zweites Datenformat (z. B. ein Zweierkomplementformat) um. Das zweite Datenformat kann zum Beispiel ein Datenformat sein, das für eine Signalverarbeitung besser geeignet ist. Bei manchen Ausführungsformen isoliert das Codezuordnungsmodul 210 das Datenformat des analogen Modulators (z. B. des analogen Modulators 150) von dem Datenformat der verbleibenden Verarbeitungsmodule der digitalen Logik 200, wodurch die Flexibilität ermöglicht wird, einen analogen Modulator unabhängig von den digitalen Modulen (z. B. dem digitalen Filter 220 und dem digitalen Rauschformer 230) zu wählen. Ein Beispiel der durch das Codezuordnungsmodul 210 bereitgestellten Vorteile ist die Fähigkeit, die existierende digitale Logik 200 mit verschiedenen analogen Modulatoren, die kein passendes Ausgangsdatenformat aufweisen, mit dem Codezuordnungsmodul 210, das das Datenformat des analogen Modulators in das Datenformat der digitalen Logik 200 umwandelt, wiederzuverwenden, wodurch eine Gestaltungswiederverwendung erhöht wird und ein Entwicklungszyklus reduziert wird.
4A und 4B veranschaulichen zwei digitale Ausführungsformfilter 220. 4A zeigt ein digitales Filter 220 als ein Tiefpassfilter (LPF: Low-Pass Filter). Ein Fachmann versteht, dass ein LPF eine FIR-Struktur (FIR: Finite Impulse Response – endliche Impulsantwort) oder eine IIR-Struktur (IIR: Infinite Impulse Response – unendliche Impulsantwort) aufweisen kann. Die digitale M-Bit-Eingabe wird durch das LPF gefiltert und eine Ausgabe des LPF ist ein digitales Signal mit einer N-Bit-Auflösung. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann N gleich oder verschieden von M sein.
4B zeigt die Übertragungsfunktion des digitalen Filters 220 als ein allgemeines Polynom von Z^–1. Das digitale Filter 220 in 4B weist allgemein eine IIR-Struktur auf, jedoch weist das digitale Filter 220, wenn die Koeffizienten des Nenners den, mit l = 1, 2, ..., L null sind und den₀ ungleich null ist, eine FIR-Struktur auf. Unterschiedliche Filterarchitekturen können verwendet werden, um die in 4B gezeigte Übertragungsfunktion zu implementieren. Durch Gestalten der Koeffizienten num_k mit k = 1, 2, ..., K und den_l mit l = 1, 2, ..., L gemäß erwünschten Leistungsfähigkeitskriterien können unterschiedliche Filtercharakteristiken erhalten werden. Für ein rekonfigurierbares digitales Filter 220 können die Koeffizienten num_k und den_l auf unterschiedliche Werte eingestellt werden, um unterschiedliche Filtercharakteristiken zu erzielen. Außerdem kann die Ordnung des digitalen Filters 220, die durch K und L bestimmt wird, auch rekonfigurierbar sein (kann z. B. auf unterschiedliche Werte eingestellt werden). Ähnlich 4A filtert das digitale Filter 220 in 4B bei manchen Ausführungsformen die digitale Multi-Bit-Eingabe (z. B. M-Bit-Eingabe) und erzeugt eine Ausgabe mit einer N-Bit-Auflösung. M kann verschieden von oder gleich N sein. Es wird angemerkt, dass ein digitales Verstärkungsmodul (z. B. ein digitales Verstärkungsmodul 209 in 3C) in 4A und 4B nicht explizit veranschaulicht ist, aber in dem digitalen Filter 220 enthalten ist. Ein Fachmann versteht, dass die Funktion des digitalen Verstärkungsmoduls 209 durch z. B. Skalieren der Zählerkoeffizienten des digitalen Filters 220 mit einem Verstärkungsfaktor implementiert werden kann. Bei anderen Ausführungsformen wird die Funktion des digitalen Verstärkermoduls 209 als ein Verstärkermodul (z. B. ein Multiplizierer), der mit einem Filter gekoppelt ist, implementiert, wie in 3C gezeigt ist.
5A ist ein Bode-Diagramm, das die Entzerrung eines Audiofrequenzbandes unter Verwendung des digitalen Filters 220 veranschaulicht. Eine Kurve 501 veranschaulicht einen Ausführungsformfrequenzgang des analogen Kanals einschließlich des MEMS-Sensors 110 und des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators 150. Eine Kurve 502 veranschaulicht einen Ausführungsformfrequenzgang des digitalen Filters 220 und eine Kurve 503 veranschaulicht einen Gesamtfrequenzgang, nachdem der analoge Kanal durch das digitale Filter 220 entzerrt wurde (z. B. durch Kombinieren der Frequenzgänge der Kurven 501 und 502).
Der Frequenzgang des analogen Kanals wird durch den MEMS-Sensor 110 dominiert und wird typischerweise für eine Audioband(z. B. Frequenzen zwischen etwa 20 Hz und etwa 20 kHz)-Signalübertragung mit einer einigermaßen flachen Übertragungsfunktion angepasst. Mechanische Eigenschaften des Mikrofongehäuses können den Frequenzgang beeinflussen. Wie durch die Kurve 501 veranschaulicht, liegt bei manchen Ausführungsformen ein Hochpassverhalten bei unteren Eckfrequenzen (z. B. etwa 35 Hz bis etwa 100 Hz) des Audiobandes vor und liegt eine Resonatoranhebung (z. B. eine Zunahme der Verstärkung des Frequenzgangs) bei Frequenzen von etwa 25 kHz vor. Bei Eingangsfrequenzen, die etwa 50 kHz überschreiten, zeigt der analoge Kanal bei manchen Ausführungsformen ein Tiefpassverhalten auf.
Immer noch unter Bezugnahme auf 5A entzerrt das digitale Filter 220 den Frequenzgang des analogen Kanals durch Kompensieren oder Modifizieren des Frequenzgangs des analogen Kanals. Beispielsweise kann das digitale Filter 220 sein Eingangssignal durch Anwenden einer ersten Verstärkung bei einer ersten Frequenz und einer zweiten Verstärkung, die von der ersten Verstärkung verschieden ist, bei einer zweiten Frequenz filtern oder entzerren. Bei manchen Ausführungsformen ist der Frequenzgang des digitalen Filters 220 frequenzselektiv (weist z. B. nichtgleichmäßige Verstärkungen in dem Band von Interesse auf, siehe Kurve 502), wodurch es dementsprechend dazu in der Lage ist, Signalkomponenten bei gewissen Frequenzen anzuheben, während Signalkomponenten bei gewissen anderen Frequenzen abgeschwächt werden. Bei manchen Ausführungsformen ist der Frequenzgang des digitalen Filters 220 im Wesentlichen flach (z. B. im Wesentlichen konstant) über ein Band von Interesse, wobei das digitale Filter 220 in diesem Fall eine konstante Verstärkung für alle Signalkomponenten in dem Band von Interesse bereitstellt. Durch Skalieren der Zählerkoeffizienten des digitalen Filters 220 (z. B. durch Multiplizieren aller Koeffizienten des Zählers mit einem Skalierungsfaktor) kann die Kurve 502 entlang der y-Achse aufwärts und abwärts bewegt werden, dementsprechend werden sowohl eine Verstärkungsanpassung als auch eine Entzerrung des analogen Kanals bereitgestellt. Bei anderen Ausführungsformen kann die Verstärkungsanpassung erhalten werden, indem ein digitaler Verstärkungsanpassungsblock in Reihe mit dem Filter platziert wird, wie in 3C gezeigt ist.
Bei dem Beispiel aus 5A zeigt das digitale Filter 220 ein Tiefpassverhalten auf. Insbesondere stellt das digitale Filter 220 eine im Wesentlichen flache Verstärkung (z. B. 0 dB) von einer Frequenz von null bis zu einer Frequenz f_A (z. B. etwa 7 kHz) bereit und schwächt Frequenzkomponenten oberhalb von f_A ab. Der Frequenzgang des gesamten Kanals, der den Frequenzgang des analogen Kanals (z. B. die Kurve 501) und den Frequenzgang des digitalen Filters 220 (z. B. die Kurve 502) beinhaltet, ist durch die Kurve 503 veranschaulicht. Im Vergleich zu der ursprünglichen Analogkanalantwortkurve 501 stellt die Kurve 503 eine im Wesentlichen flache Antwort für einen breiteren Frequenzbereich innerhalb des Audiobandes bereit, zum Beispiel bis zu einer Frequenz f_B (z. B. etwa 20 kHz), dementsprechend wird eine Abschwächung des Signals in dem Band von Interesse (z. B. in dem Audioband) verhindert oder reduziert. Die Kurve 503 reduziert auch die Resonatoranhebung bei etwa 25 kHz und stellt eine stärkere Abschwächung für Frequenzkomponenten oberhalb des höheren Endes (z. B. 20 kHz) des Audiobandes bereit, wodurch bandexternes Rauschen und bandexterne Störungen reduziert werden, was zu einem klareren Audiosignal mit einem besseren SNR führt.
Aufgrund der Tiefpasscharakteristiken reduziert das digitale Filter 220 ein Quantisierungsrauschen des analogen Delta-Sigma-Modulators 150 erheblich. Ein Fachmann versteht, dass ein Quantisierungsrauschpegel (z. B. ein Spektrum des Quantisierungsrauschens) aufgrund des Rauschformungseffekts des Delta-Sigma-Modulators 150 bei niedrigeren Frequenzen (z. B. dem Audioband) niedrig ist und ein Quantisierungsrauschpegel mit der Frequenz zunimmt und bei höheren Frequenzen oberhalb des Audiobandes viel höher sein könnte. Durch Herausfiltern (z. B. Abschwächen) von Frequenzkomponenten oberhalb des Audiobandes entfernt das digitale Filter 220 das meiste des Modulatorquantisierungsrauschens von dem digitalen Ausgangsfilter 220, dementsprechend wird das SNR des Audiosignals erheblich verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden die Zählerkoeffizienten des digitalen Filters 220 skaliert (z. B. werden alle Koeffizienten mit einem Skalierungsfaktor skaliert), um eine Verstärkungsanpassung für unterschiedliche Empfindlichkeitsanforderungen von digitalen SiMICs bereitzustellen. Zum Beispiel können unterschiedliche Sätze von Koeffizienten für das digitale Filter 220 für eine unterschiedliche Empfindlichkeitsskalierung (die auch als Verstärkungsanpassung bezeichnet wird) vorberechnet werden und in einem Nurlesespeicher (ROM: Read-Only-Memory) (siehe ROM 270 in 3B) gespeichert werden und können Koeffizienten mit der gewünschten Verstärkungsanpassung in das digitale Filter 220 für eine entsprechende Empfindlichkeitsanforderung geladen werden. Bei manchen Ausführungsformen werden die gleichen Typen digitaler SiMICs in unterschiedlichen Systemen mit unterschiedlichen Empfindlichkeitsanforderungen verwendet, wobei Koeffizienten, die die gewünschte Menge einer Verstärkungsanpassung aufweisen, in das digitale Filter 220 geladen werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das gleiche digitale SiMIC in einem digitalen SiMIC-System durch Laden unterschiedlicher Sätze von Koeffizienten in das digitale Filter 220 unterschiedliche Empfindlichkeitsanforderungen zu unterschiedlichen Zeiten unterstützen. Die Rekonfigurierbarkeit des digitalen Filters 220 ermöglicht, dass das gleiche SiMIC unterschiedliche Empfindlichkeitsanforderungen ohne eine Neugestaltung der Hardware unterstützt.
Gemäß manchen Ausführungsformen wird eine Empfindlichkeitsskalierung vollständig in dem digitalen Bereich durchgeführt und verbleibt das Analog-Frontend (AFE) einschließlich des MEMS-Sensors (z. B. des MEMS-Sensors 110), des MEMS-Schnittstellenschaltkreises und des ADC-Modulators (z. B. des analogen Modulators 150) das gleiche für unterschiedliche Mikrofonempfindlichkeitsanforderungen. Da die Verstärkungsanpassung und das Filtern auf die Ausgabe des AFE angewandt werden, ist das SNR an dem Eingang des digitalen Filters 220 unabhängig von der gewählten Mikrofonempfindlichkeit. Bei manchen Ausführungsformen können eine angemessene Wahl für die Wortbreite des digitalen Filters 220 und eine aggressive Gestaltung des digitalen Rauschformers 230 sicherstellen, dass das hinzugefügte Quantisierungsrauschen dieser digitalen Module das SNR des Gesamtsystems bei einer höheren OSR-Rate (OSR: Over Sampling Rate – Überabtastungsrate) nicht beeinflusst und das Gesamt-SNR bei einer niedrigen OSR nur geringfügig verschlechtert.
Für Ultraschallanwendungen unterstützen digitale SiMICs Ultraschallsignale in einem Frequenzbereich zwischen etwa 20 kHz und etwa 100 kHz. Bei manchen Ausführungsformen schwächt die Frequenzdämpfungszunahme des MEMS-Sensors 110 oberhalb von 50 kHz (siehe Kurve 501) Ultraschallsignale ab. Bei manchen Ausführungsformen kompensieren fortschrittliche digitale SiMICs in der vorliegenden Offenbarung jene Abschwächung unter Verwendung des digitalen Filters 220.
5B veranschaulicht die Entzerrung eines Ultraschallfrequenzbandes unter Verwendung des digitalen Filters 220. Ähnlich der Kurve 501 in 5A veranschaulicht eine Kurve 501 einen Ausführungsformfrequenzgang des analogen Kanals einschließlich des MEMS-Sensors 110 und des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators 150. Eine Kurve 502 veranschaulicht einen Ausführungsformfrequenzgang des digitalen Filters 220 und eine Kurve 503 veranschaulicht einen Gesamtfrequenzgang, nachdem der Frequenzgang des analogen Kanals durch das digitale Filter 220 entzerrt wurde.
Wie durch die Kurve 502 in 5B veranschaulicht, ist die Konfiguration (z. B. eine Ordnung des Filters und Filterkoeffizienten) des digitalen Filters 220 so eingestellt, dass eine im Wesentliche konstante Verstärkung von 0 dB bis zu einer Frequenz f_A (f_A > 10 kHz) und eine Verstärkung größer als 0 dB zwischen Frequenzen f_A und f_B, wobei f_B nahe bei 100 kHz ist, bereitgestellt werden. Insbesondere wird eine Resonatoranhebung oberhalb des höheren Endes des Audiobandes (z. B. bei etwa 25 kHz) bereitgestellt. Für Frequenzen oberhalb von 100 kHz zeigt das digitale Filter 220 Tiefpasscharakteristiken auf. Die Gesamtfrequenzgangkurve 503 zeigt im Vergleich zu der ursprünglichen Frequenzganzkurve 501 des analogen Kanals eine geringere Abschwächung in dem Ultraschallband und ein breiteres Durchlassband auf. Da der Dämpfungszunahme des Frequenzgangs des analogen Kanals durch das analoge Filter 220 entgegengewirkt wird, werden Signalpegel über dem Ultraschallfrequenzband (z. B. etwa 20 kHz bis etwa 100 kHz) besser beibehalten, was ein hohes SNR an dem Ausgang des digitalen Filters 220 bei Ultraschallanwendungen ermöglicht. Ähnlich der Erörterung von 5A schwächt das in 5B verwendete digitale Filter 220 Frequenzkomponenten oberhalb des Bandes von Interesse (z. B. des Ultraschallbandes) ab, was zu einem kleineren Quantisierungsrauschen und einem verbesserten SNR führt.
5A und 5B sind lediglich Beispiele. Die Koeffizienten und Ordnung des digitalen Filters 220 können auf andere Arten modifiziert werden, um verschiedene Frequenzgänge zur Leistungsfähigkeitsverbesserung bereitzustellen, wie einem Fachmann sogleich klar ist. Bei manchen Ausführungsformen verbleiben, sobald Koeffizienten in das digitale Filter 220 geladen sind, die Koeffizienten während des Betriebs unverändert, bis neue Koeffizienten geladen werden. Bei anderen Ausführungsformen können Koeffizienten des digitalen Filters 220 aktualisiert werden, wenn neue digitale Abtastwerte von dem analogen Modulator 150 in das digitale Filter 220 eintreten. Daher kann das digitale Filter 220 als ein adaptives Filter oder ein adaptiver Entzerrer zum dynamischen Verfolgen und/oder Kompensieren von Änderungen in dem analogen Kanal arbeiten.
6A veranschaulicht ein Ausführungsformblockdiagramm für einen digitalen Rauschformer 230. Der digitale Rauschformer 230 beinhaltet bei manchen Ausführungsformen ein digitales Schleifenfilter 231, einen digitalen Einzel-Bit-Quantisierer 253 und einen Rückkopplungspfad von dem digitalen Einzel-Bit-Quantisierer 253 zu einem Subtrahiererpunkt bei dem Eingang des digitalen Rauschformers 230. Bei manchen Ausführungsformen wandelt der digitale Rauschformer 230 ein digitales Multi-Bit-Eingangssignal in eine digitale Einzel-Bit-Ausgabe um und wird dementsprechend als digitaler Modulator 230 bezeichnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der digitale Rauschformer 230 ein digitaler Ein-Bit-Delta-Sigma-Modulator, der ein Ein-Bit-Ausgangssignal verarbeitet. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Datenwortlänge der Ausgabe (z. B. einer Ein-Bit-Ausgabe) des digitalen Rauschformers 230 niedriger als die Datenwortlänge der Eingabe (z. B. von Multi-Bit-Daten von dem digitalen Filter 220) des digitalen Rauschformers 230.
6B veranschaulicht ein anderes Ausführungsformblockdiagramm für einen digitalen Rauschformer 230. Bei dem Beispiel aus 6B wird ein digitaler Rauschformer fünfter Ordnung verwendet, um einen hohen Dynamikumfang zu erreichen, welcher zwei Tiefpassstufen zweiter Ordnung (z. B. Resonator 1 und Resonator 2, siehe Beschriftungen in 6B) und eine Tiefpassstufe erster Ordnung (z. B. Integrator 241) beinhaltet. Bei manchen Ausführungsformen beinhaltet der Resonator 1 Integratoren 242 und 243 und beinhaltet der Resonator 2 Integratoren 244 und 245. Wie in 6B veranschaulicht, werden die Ausgaben der fünf Integratoren 241/242/243/244/245 mit unterschiedlichen Koeffizienten (z. B. K₁, K₂, ..., K₅) skaliert, bevor sie durch eine Summierungseinheit 243 addiert werden. Die Koeffizienten (z. B. K₁, K₂, ..., K₅) können durch Benutzereinstellungen programmierbar sein (könnten z. B. modifiziert werden). Die Ausgabe der Summierungseinheit 243 wird an einen Einzel-Bit-Quantisierer 253 gesendet, der die digitalen Ein-Bit-Ausgangsdaten produziert. Die Ordnung des digitalen Rauschformers 230 ist programmierbar, dementsprechend kann sie bei anderen Ausführungsformen höher oder niedriger als fünf sein. Die Ordnung des digitalen Rauschformers 230 kann programmierbar gemacht werden, indem z. B. eine (nicht gezeigte) digitale Logik, wie etwa Multiplexer (MUX), hinzugefügt wird, die mehrere Eingaben empfängt und eine Teilmenge (z. B. eine) der mehreren Eingaben als Ausgabe ausgibt. Ein Fachmann versteht sogleich, dass MUXs zu 6B zum Umgehen bestimmter Integratoren (z. B. der Integratoren 242 und 243 und/oder der Integratoren 244 und 245) hinzugefügt werden können, um die Ordnung des digitalen Rauschformers 230 zu modifizieren, was in Kombination mit den programmierbaren Koeffizienten (z. B. K₁, K₂, ..., K₅ und C₁ und C₂) eine Flexibilität bei einer Anpassung der Leistungsfähigkeit des digitalen Rauschformers 230 bietet. Bei manchen Ausführungsformen führen die komplexen Polstellen der Übertragungsfunktion der Resonatorstufen zu Einschnitten in der Rauschübertragungsfunktion und sind bandintern oder an dem oberen Ende des Signalbandes platziert, um eine Rauschunterdrückung zu optimieren. Zum Beispiel können die Rückkopplungskoeffizienten C₁ und C₂ der Resonatoren (z. B. des Resonators 1 und des Resonators 2) geändert werden, um die Position der komplexen Polstellen der Übertragungsfunktion zu modifizieren. Gemäß manchen Ausführungsformen wird das bandexterne Verhalten des Rauschformers 230 durch die Ordnung des digitalen Rauschformers bestimmt.
7 veranschaulicht eine Ausführungsformrauschübertragungsfunktion (NTF) des digitalen Rauschformers 230. Wie oben angemerkt, ist gemäß manchen Ausführungsformen der digitale Rauschformer 230 rekonfigurierbar, so dass die Ordnung und die Koeffizienten des digitalen Schleifenfilters 231 modifiziert werden können, um die Stabilität des digitalen Rauschformers 230 sicherzustellen, während ein gewünschter Pegel des SNR für die Ausgabe des digitalen Rauschformers 230 erreicht wird. Da das digitale Filter 220 das rauschgeformte Quantisierungsrauschen des analogen Modulators bei höheren Frequenzen (z. B. Frequenzen oberhalb des Bandes von Interesse) bereits moduliert, ist der digitale Rauschformer 230 weniger kritisch hinsichtlich eines Instabilwerdens, da die Signalleistung von Hochfrequenzeingangssignalkomponenten bereits ausreichend abgeschwächt ist, wodurch eine Überlastung des Rauschformers vermieden wird. Als ein anderer Vorteil des Vorhandenseins des digitalen Filters 220 kann der digitale Rauschformer 230 viel aggressiver gestaltet werden (da er ein digitales Filter mit stabilen Koeffizienten ist), um eine gute Quantisierungsrauschleistungsfähigkeit zu erzielen, während ein hoher Dynamikumfang unterstützt wird. Zum Beispiel kann bei höheren Filterordnungen, z. B. bei einem digitalen Rauschformer 230 fünfter Ordnung, ein Dynamikumfang von 112 dB erzielt werden.
Wie in 7 veranschaulicht, zeigt die NTF des digitalen Rauschformers 230 eine starke Abschwächung innerhalb eines Niederfrequenzbandes (z. B. einer Frequenz von null bis F_S/(2 × OSR)) und eine geringere Abschwächung außerhalb des Niederfrequenzbandes. Bei manchen Ausführungsformen sind die Resonatorpolstellen in dem Niederfrequenzband positioniert, um die Leistungsfähigkeit des digitalen Rauschformers 230 zu optimieren oder zu verbessern. Der digitale Rauschformer 230 führt eine Rauschformung für das Quantisierungsrauschen durch, so dass der Quantisierungsrauschpegel in dem Niederfrequenzband (z. B. einem Band von Interesse) niedrig ist und der Quantisierungsrauschpegel bei höheren Frequenzen jenseits des Niederfrequenzbandes hoch ist.
Unter Bezugnahme auf 3B werden bei manchen Ausführungsformen die Rekonfiguration des digitalen Filters 220 und des digitalen Rauschformers 230 durch eine Koeffizienten-und-Struktur-Auswahleinheit 240 durchgeführt. Bei verschiedenen Ausführungsformen stellt die Koeffizienten-und-Struktur-Auswahleinheit 240 die Struktur des digitalen Filters 220 und des digitalen Rauschformers 230 gemäß Einstellungen eines oder mehrerer Steuerbits in einem programmierbaren Struktursteuerspeicher 250 ein. Systemanforderungen, wie etwa der Dynamikumfang und das SNR, können strukturelle Anpassungen der digitalen Logik 200 erfordern. Zum Beispiel kann die Ordnung des digitalen Filters 220 und/oder die Ordnung des digitalen Rauschformers 230 als Reaktion auf eine unterschiedliche Systemleistungsfähigkeitsanforderung modifiziert (z. B. erhöht oder reduziert) werden. Des Weiteren weichen Leistungsanforderungen in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus, z. B. einem Modus hoher Leistungsfähigkeit oder einem Modus mit niedriger Leistung, ab. Es ist daher vorteilhaft, ein programmierbares (z. B. rekonfigurierbares) digitales Filter 220 und einen digitalen Rauschformer 230 aufzuweisen, die über Einstellungen in dem programmierbaren Struktursteuerspeicher 250 gesteuert werden können. Außer der Ordnung der Filter kann die Struktur des digitalen Filters 220 und des digitalen Rauschformers 230 beispielsweise verschiedene andere Einstellungen, wie etwa eine Wahl einer FIR- oder IIR-Struktur, und bestimmte Arten zur Implementierung eines Filters aufweisen. Eine Wahl der Strukturen für das digitale Filter und den digitalen Rauschformer kann durchgeführt werden, indem ein oder mehrere Steuerbits in dem programmierbaren Struktursteuerspeicher 250 eingestellt werden. Da die Steuerspeicher (z. B. der programmierbare Struktursteuerspeicher 250 und ein programmierbarer Koeffizientenauswahlsteuerspeicher 260) relativ kleine Speichermengen erfordern können, kann eFuse-Speicher verwendet werden, der mit standardmäßigen kostengünstigen Logikprozessen kompatibel ist, obwohl auch irgendein anderer geeigneter Speicher (z. B. nichtflüchtiger Speicher) verwendet werden kann.
Immer noch unter Bezugnahme auf 3B lädt die Koeffizienten-und-Struktur-Auswahleinheit 240 bei verschiedenen Ausführungsformen ausgewählte Koeffizienten in das digitale Filter 220 und den digitalen Rauschformer 230 gemäß Einstellungen eines oder mehrerer Steuerbits in einem programmierbaren Koeffizientenauswahlsteuerspeicher 260. Unterschiedliche Sätze von Koeffizienten können vorberechnet und in einem Speicherungsmodul, wie etwa einem Digitales-Filter-und-Rauschformer-Koeffizienten-Nurlesespeicher (ROM) 270, wie in 3B veranschaulicht, gespeichert werden. Wie zuvor besprochen, können die unterschiedlichen Sätze von Koeffizienten eine unterschiedliche Empfindlichkeitsskalierung (z. B. Verstärkungsanpassung), unterschiedliche Frequenzgänge zum Entzerren des analogen Kanals und unterschiedliche Betriebsfrequenzbänder (z. B. Audioband und Ultraschallband) bereitstellen. Die unterschiedlichen Sätze von Koeffizienten können ausgewählt werden, indem ein oder mehrere Steuerbits in dem programmierbaren Koeffizientenauswahlsteuerspeicher 260 eingestellt werden. Der Digitales-Filter-und-Rauschformer-Koeffizienten-ROM 270 kann bei manchen Ausführungsformen ein fest codierter ROM sein, obwohl andere Speicherungs-/Speichermodule (z. B. nichtflüchtiger Speicher) ebenfalls zum Speichern der Koeffizienten verwendet werden können. Basierend auf den Einstellungen des programmierbaren Koeffizientenauswahlsteuerspeichers 260 holt die Koeffizienten-und-Struktur-Auswahleinheit 240 bei manchen Ausführungsformen die ausgewählten Koeffizienten aus dem Digitales-Filter-und-Rauschformer-Koeffizienten-ROM 270 und lädt die ausgewählten Koeffizienten in digitale Speicher 220 und/oder den digitalen Rauschformer 230.
8 veranschaulicht die NTF des digitalen Rauschformers 230 mit zwei unterschiedlichen Abtasttaktfrequenzen von 3,072 MHz und 1,536 MHz. Der Frequenzgang (in Bezug auf einen absoluten Frequenzwert in Hz anstelle einer normalisierten digitalen Frequenz) eines digitalen Filters ist taktfrequenzabhängig. Wie in dem Beispiel aus 8 gezeigt, skaliert (z. B. schrumpft) der Frequenzgang, wenn die Abtastfrequenz um die Hälfte reduziert wird, entsprechend (z. B. um die Hälfte) entlang der Frequenzachse. Die Taktfrequenz (z. B. die Abtasttaktfrequenz) in digitalen System kann aufgrund von z. B. einer Temperaturänderung des Kristalls, der in dem Takterzeugungsschaltkreis verwendet wird, und/oder Altern elektrischer Komponenten von dem Nennwert abdriften. Außerdem kann das digitale System (z. B. das digitale SiMIC-System) absichtlich unter unterschiedlichen Taktfrequenzen arbeiten, um unterschiedliche Leistungsfähigkeitsziele, z. B. einen Modus mit hoher Leistungsfähigkeit (mit hoher Taktfrequenz) oder einen Modus niedriger Leistung (mit niedriger Taktfrequenz), zu erzielen.
Unter Bezugnahme auf 3B beinhaltet die digitale Logik 200 bei manchen Ausführungsformen eine Taktfrequenzüberwachungsanordnung 280 (die auch als Taktfrequenzdetektionseinheit 280 bezeichnet wird), um die unterschiedlichen Betriebsmodi zu unterstützen und/oder um das Taktfrequenzdriftproblem zu behandeln. Die Taktfrequenzüberwachungsanordnung 280 detektiert und/oder überwacht die Systemtaktfrequenz CLK, z. B. durch Vergleichen von CLK mit einem Referenztaktsignal, das ein On-Chip-Referenztakt sein kann, der allgemein erhältlich ist.
9 veranschaulicht eine Ausführungsformtaktfrequenzdetektionseinheit 280. Wie in 9 veranschaulicht, stellt ein Rahmengenerator 281 einen Zeitrahmen zum Durchführen der Taktfrequenzdetektion, z. B. durch Zählen einer vorbestimmten Anzahl an Taktzyklen des Referenztakts RefCLK ein. Ein Zähler 283 zählt die Anzahl an Taktzyklen der Taktfrequenz CLK innerhalb des Zeitrahmens. Die Ausgabe des Zählers 283 wird mit N Schwellenwerten unter Verwendung von N digitalen Komparatoren 285 verglichen und die Komparatorausgaben, von denen jede ein Ein-Bit-Wert sein kann, werden durch Latches 287 zwischengespeichert und werden kombiniert, um ein N-Bit-Wort zum Repräsentieren des detektierten Taktbereichs zu bilden.
Basierend auf der Ausgabe der Taktfrequenzdetektionseinheit 280 werden bei manchen Ausführungsformen Koeffizienten, die der detektierten Taktfrequenz entsprechen, in das digitale Filter 220 und den digitalen Rauschformer 230 geladen, wodurch sichergestellt wird, dass das digitale Filter 220 und der digitale Rauschformer 230 den gewünschten Frequenzgang für eine verbesserte Systemleistungsfähigkeit bereitstellen, und sichergestellt wird, dass die Stabilität des digitalen Filters 220 und des digitalen Rauschformers 230 beibehalten werden. Bei anderen Ausführungsformen ist das SiMIC-System dazu konfiguriert, automatisch zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi, z. B. einem Modus mit hoher Leistungsfähigkeit und einem Modus mit niedriger Leistung, durch Verwenden der detektierten Taktfrequenz als Angabe, welcher Betriebsmodus ausgewählt ist, umzuschalten. Die Konfigurationen des digitalen Filters 220 und des digitalen Rauschfilters 230 können als Reaktion auf die detektierte Taktfrequenz automatisch eingestellt werden.
Die digitale Logik 200 in 3B produziert einen digitalen Ein-Bit-Strom an dem Ausgang des digitalen Rauschformers 230 zur Schnittstellenkopplung mit Vorrichtungen oder Modulen, die eine Ein-Bit-Schnittstelle unterstützen. Die digitale Logik 200 in 3A kann eine Multi-Bit-Ausgabe an dem Ausgang der digitalen Schnittstelleneinheit 230 zur Schnittstellenkopplung mit Vorrichtungen oder Modulen produzieren, die eine Mehr-Bit-Schnittstelle (z. B. die SoundWire-Schnittstelle) unterstützen, wobei in diesem Fall das digitale Filter 220 ein mit einem Dezimatorfilter gekoppeltes erstes digitales Filter beinhalten kann. Das erste digitale Filter kann ein dem digitalen Filter 220 in 3B ähnliches Filter sein oder beinhalten, welches Filtern und Entzerren der Eingangsdaten (z. B. Daten von dem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator 150 oder an dem Ausgang der Codezuordnungseinheit 210) durchführt. Bei manchen Ausführungsformen wird die Ausgabe des ersten digitalen Filters an das Dezimationsfilter gesendet, das die Datenrate um einen Dezimationsfaktor (z. B. einen konfigurierbaren Dezimationsfaktor) reduziert. Bei manchen Ausführungsformen wird die Ausgabe des Dezimationsfilters durch eine Verstärkungsanpassungseinheit (z. B. einen Multiplizierer) skaliert. Ein Dezimationsfilter ist in der Technik wohl bekannt und Einzelheiten werden nicht wiederholt. Die Ausgabe des digitalen Filters 220 wird an die digitale Schnittstelleneinheit 230 gesendet, die eine konfigurierbare digitale Logik zum Umwandeln des Datenformats der Ausgabe des digitalen Filters 220 in ein vorbestimmtes Mehr-Bit-Datenformat (z. B. ein SoundWire-Datenformat) beinhalten kann. Die konfigurierbare digitale Schnittstelleneinheit 230 kann ein digitales Filter sein oder beinhalten und die Struktur (z. B. eine Ordnung des Filters) und/oder Koeffizienten des digitalen Filters kann rekonfigurierbar sein. Ausführungsformen der digitalen Logiken 200 in 3A und 3B stellen vorteilhafterweise eine Flexibilität für das DiMIC-System 100 zur Schnittstellenkopplung mit Einzel-Bit- oder Multi-Bit-Vorrichtungen oder Modulen bereit.
10 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines rekonfigurierbaren Mikrofonsystems gemäß manchen Ausführungsformen. Es versteht sich, dass die in 10 gezeigten Ausführungsformverfahren ein Beispiel vieler möglicher Ausführungsformverfahren sind. Ein Durchschnittsfachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Zum Beispiel können verschiedene, wie in 10 veranschaulichte Schritte hinzugefügt, entfernt, ersetzt, umgestellt und wiederholt werden.
Unter Bezugnahme auf 10 wird bei Schritt 1010 eine erste Ausgabe eines Mikrofons unter Verwendung eines Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung umgewandelt. Bei Schritt 1020 wird eine erste Konfiguration eines digitalen Filters eingestellt und wird eine zweite Konfiguration einer digitalen Schnittstelleneinheit eingestellt, wobei das digitale Filter und die digitale Schnittstelleneinheit rekonfigurierbar sind. Bei Schritt 1030 wird eine zweite Ausgabe des digitalen Filters unter Verwendung der digitalen Schnittstelleneinheit in ein zweites digitales Signal mit einer vorbestimmten Bitauflösung umgewandelt.
Ein allgemeiner Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Mikrofonsystem einschließlich eines Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators, der dazu konfiguriert ist, mit einem Mikrofon gekoppelt zu werden, und der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des Mikrofons in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung an einem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators umzuwandeln. Das Mikrofonsystem beinhaltet auch einen digitalen Rauschformer, der mit dem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, eine digitale Multi-Bit-Eingabe des digitalen Rauschformers in ein digitales Ein-Bit-Signal umzuwandeln.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Das Mikrofonsystem beinhaltet ferner ein Mikrofon. Das Mikrofonsystem beinhaltet ferner ein digitales Filter, das zwischen dem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator und dem digitalen Rauschformer gekoppelt ist, wobei ein Eingang des digitalen Filters mit dem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators gekoppelt ist und ein Ausgang des digitalen Filters mit einem Eingang des digitalen Rauschformers gekoppelt ist. Das digitale Filter des Mikrofonsystems ist dazu konfiguriert, das erste digitale Signal zu entzerren. Das Mikrofonsystem beinhaltet ferner ein Codezuordnungsmodul, das zwischen dem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator und dem digitalen Filter gekoppelt ist.
Bei manchen Ausführungsformen ist der digitale Rauschformer des Mikrofonsystems ein Ein-Bit-Delta-Sigma-Modulator, der dazu konfiguriert ist, eine Ein-Bit-Ausgabe zu produzieren. Bei verschiedenen Ausführungsformen sind eine erste Konfiguration des digitalen Filters und eine zweite Konfiguration des digitalen Rauschformers rekonfigurierbar. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die erste Konfiguration und/oder die zweite Konfiguration eine Verstärkung, eine Ordnung eines Filters und einen Satz von Koeffizienten.
Bei manchen Ausführungsformen ist das digitale Filter des Mikrofonsystems dazu konfiguriert, mit einer ersten Einstellung für die erste Konfiguration einen Tiefpassfrequenzgang um ein höheres Ende eines Audiofrequenzbandes herum bereitzustellen, und ist das digitale Filter dazu konfiguriert, mit einer zweiten Einstellung für die erste Konfiguration eine Frequenzanhebung oberhalb eines höheren Endes des Audiofrequenzbandes bereitzustellen. Das Mikrofonsystem kann ferner eine Konfigurationsauswahleinheit beinhalten, die dazu konfiguriert ist, die erste Konfiguration des digitalen Filters und die zweite Konfiguration des digitalen Rauschformers gemäß einer Leistungsfähigkeitsanforderung des Mikrofonsystems einzustellen. Das Mikrofonsystem kann ferner eine Speicherungseinheit, die dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Sätze von Koeffizienten des digitalen Filters und des digitalen Rauschformers zu speichern, und eine Steuerschnittstelle, die dazu konfiguriert ist, die Konfigurationsauswahleinheit zu steuern, beinhalten. Das Mikrofonsystem kann ferner eine Taktfrequenzdetektionseinheit beinhalten, die dazu konfiguriert ist, eine Frequenz eines Taktsignals des Mikrofonsystems zu detektieren, wobei ein Detektionsergebnis der Taktfrequenzdetektionseinheit verwendet wird, um die erste Konfiguration des digitalen Filters und die zweite Konfiguration des digitalen Rauschformers einzustellen. Bei einer Ausführungsform sind der Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator, das digitale Filter, der digitale Rauschformer, die Konfigurationsauswahleinheit, die Speicherungseinheit und die Steuerschnittstelle auf einem selben Halbleitersubstrat integriert.
Ein anderer allgemeiner Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Halbleitervorrichtung einschließlich eines Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgangsspannung eines MEMS-Mikrofons (MEMS: mikroelektromechanisches System) in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung umzuwandeln, und eine digitale Logik, die mit dem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator gekoppelt ist. Die digitale Logik beinhaltet ein digitales Filter, das dazu konfiguriert ist, das erste digitale Signal zu entzerren, und das eine rekonfigurierbare Konfiguration aufweist, und eine digitale Schnittstelleneinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des digitalen Filters in ein zweites digitales Signal mit einem vorbestimmten Datenformat umzuwandeln.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Das vorbestimmte Datenformat beinhaltet ein Multi-Bit-Datenformat. Eine Konfiguration der digitalen Schnittstelleneinheit ist rekonfigurierbar. Die digitale Schnittstelleneinheit ist ein digitaler Rauschformer, der dazu konfiguriert ist, die Ausgabe des digitalen Filters in einen Ein-Bit-Datenstrom umzuwandeln. Das digitale Filter unterdrückt Frequenzkomponenten des ersten digitalen Signals, die oberhalb eines Audiofrequenzbandes liegen, mit einer ersten Einstellung der Konfiguration der digitalen Logik und das digitale Filter hebt Frequenzkomponenten des ersten digitalen Signals, die innerhalb eines Ultraschallfrequenzbandes liegen, mit einer zweiten Einstellung der Konfiguration der digitalen Logik an. Die digitale Logik beinhaltet ferner ein Codezuordnungsmodul zwischen dem Multi-Bit-Sigma-Modulator und dem digitalen Filter, wobei das Codezuordnungsmodul dazu konfiguriert ist, das erste digitale Signal von einem ersten Format in ein zweites Format umzuwandeln, bevor es durch das digitale Filter verarbeitet wird.
Bei manchen Ausführungsformen beinhaltet das digitale Filter ferner eine Speicherungseinheit, die dazu konfiguriert ist, erste Sätze von Koeffizienten für das digitale Filter und zweite Sätze von Koeffizienten für die digitale Schnittstelleneinheit zu speichern, wobei die ersten Sätze von Koeffizienten und/oder die zweiten Sätze von Koeffizienten dazu konfiguriert sind, unterschiedliche Empfindlichkeitsanforderungen des Mikrofons zu unterstützen. Die digitale Logik beinhaltet auch ein Konfigurationsmodul, das dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Sätze von Koeffizienten in das digitale Filter und/oder die digitale Schnittstelleneinheit gemäß den unterschiedlichen Empfindlichkeitsanforderungen zu laden, und eine Steuerschnittstelle zum Einstellen der Empfindlichkeitsanforderung des Mikrofons. Bei einer Ausführungsform sind die ersten Sätze von Koeffizienten und/oder die zweiten Sätze von Koeffizienten dazu konfiguriert, unterschiedliche Frequenzgänge gemäß Betriebsfrequenzbändern des Mikrofons bereitzustellen. Die digitale Logik kann ferner eine Taktfrequenzüberwachungseinheit beinhalten, die dazu konfiguriert ist, eine Frequenz eines Taktsignals der Halbleitervorrichtung zu detektieren. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das Konfigurationsmodul dazu konfiguriert, Koeffizienten des digitalen Filters und Koeffizienten der digitalen Schnittstelleneinheit gemäß einer detektierten Frequenz von der Taktfrequenzüberwachungseinheit zu ändern.
Gemäß einem anderen allgemeinen Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines rekonfigurierbaren Mikrofonsystems Umwandeln einer ersten Ausgabe eines Mikrofons unter Verwendung eines Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung, Einstellen einer ersten Konfiguration eines digitalen Filters und Einstellen einer zweiten Konfiguration einer digitalen Schnittstelleneinheit, wobei das digitale Filter und die digitale Schnittstelleneinheit rekonfigurierbar sind, und Umwandeln einer zweiten Ausgabe des digitalen Filters unter Verwendung der digitalen Schnittstelleneinheit in ein zweites digitales Signal mit einer vorbestimmten Bitauflösung.
Implementierungen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Das Verfahren beinhaltet ferner Einstellen einer dritten Konfiguration für das digitale Filter und einer vierten Konfiguration für die digitale Schnittstelleneinheit als Reaktion auf eine Änderung einer Leistungsfähigkeitsanforderung des Mikrofons. Die Leistungsfähigkeitsanforderung beinhaltet eine Mikrofonempfindlichkeit, ein Betriebsfrequenzband für das Mikrofon und eine Frequenz eines Taktsignals des rekonfigurierbaren Mikrofonsystems. Das Einstellen der ersten Konfiguration des digitalen Filters beinhaltet Einstellen der Ordnung des digitalen Filters und/oder der Koeffizienten des digitalen Filters. Das Einstellen der zweiten Konfiguration der digitalen Schnittstelleneinheit beinhaltet Einstellen der Ordnung der digitalen Schnittstelleneinheit und/oder der Koeffizienten der digitalen Schnittstelleneinheit. Das Verfahren beinhaltet ferner Entzerren des ersten digitalen Signals unter Verwendung des digitalen Filters.
Bei manchen Ausführungsformen beinhaltet das Entzerren Anwenden einer ersten Verstärkung für Komponenten des ersten digitalen Signals bei einer ersten Frequenz, und Anwenden einer von der ersten Verstärkung verschiedenen zweiten Verstärkung für Komponenten des ersten digitalen Signals bei einer zweiten Frequenz. Die digitale Schnittstelleneinheit ist ein digitaler Rauschformer, wobei der digitale Rauschformer bei manchen Ausführungsformen ein Quantisierungsrauschen des digitalen Rauschformers so umformt, dass die Energie des Quantisierungsrauschens außerhalb eines Bandes von Interesse höher als die Energie des Quantisierungsrauschens innerhalb des Bandes von Interesse ist. Das Verfahren beinhaltet ferner Überwachen einer Frequenz eines Taktsignals des rekonfigurierbaren Mikrofonsystems, und Einstellen einer dritten Konfiguration für das digitale Filter und einer vierten Konfiguration für die digitale Schnittstelleneinheit als Reaktion auf eine Änderung der Frequenz des Taktsignals bei verschiedenen Ausführungsformen.
Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten eine verbesserte Leistungsfähigkeit eines digitalen SiMIC-Systems und die Fähigkeit, das gleiche digitale Siliciummikrofon in unterschiedlichen Systemen mit unterschiedlichen Leistungsfähigkeitsanforderungen zu verwenden. Der Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator verringert das Quantisierungsrauschen erheblich und ermöglicht, dass ein Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator niedrigerer Ordnung (z. B. dritter Ordnung) verwendet wird; dementsprechend wird die Stabilität der SiMIC-Systeme verbessert und werden ein hohes SNR und ein hoher Dynamikumfang erzielt. Durch Modifizieren der Ordnung und der Koeffizienten der rekonfigurierbaren digitalen Filter kann eine unterschiedliche Empfindlichkeitsskalierung in dem digitalen Bereich bereitgestellt werden, um unterschiedliche Empfindlichkeitsanforderungen zu berücksichtigen, und ist das System-SNR unabhängig von der Empfindlichkeit bei hoher OSR und verschlechtert sich nur geringfügig bei niedriger OSR. Außerdem kann der Frequenzgang des digitalen Filters so angepasst werden, dass der analoge Kanal entzerrt wird, um das bandinterne Signal (z. B. ein Audiosignal oder ein Ultraschallsignal) zu bewahren oder anzuheben, während bandexternes Rauschen und bandexterne Störungen gefiltert oder abgeschwächt werden. Unterschiedliche Betriebsfrequenzbänder (z. B. ein Audioband oder ein Ultraschallband) können durch Verwenden unterschiedlicher Strukturen und Koeffizienten für das digitale Filter unterstützt werden. Die Ein-Bit-Ausgabe des digitalen Rauschformers ermöglicht eine Schnittstellenkopplung mit einem einfachen Decodierungsschaltkreis, wie etwa einem Dezimationsfilter oder einem Audio-Codec-Host. In dem Fall einer Multi-Bit-Schnittstelle bei dem Ausgang der digitalen Logik 200 kann der Ausgang der Multi-Bit-Schnittstelle mit anderen Vorrichtungen verbunden werden, die ein Multi-Bit-Protokoll, wie etwa den SoundWire-Standard, unterstützen. Die Taktfrequenzdetektionseinheit überwacht die Systemtaktfrequenz und wählt die Struktur und die Koeffizienten der digitalen Logik (z. B. des digitalen Filters und des digitalen Rauschformers) basierend auf der detektierten Taktfrequenz aus, wodurch eine Systemstabilität und angemessene Frequenzgänge der digitalen Logik sichergestellt werden. Ein hohes SNR (z. B. 66 dB) und ein weiter Dynamikumfang (z. B. 112 dB) werden mit der offenbarten Architektur erzielt.
Obwohl die Erfindung primär in Verbindung mit speziellen Ausführungsbeispielen gezeigt und beschrieben worden ist, sollte ein Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen an der Konfiguration und den Einzelheiten von diesen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung wird daher durch die beigefügten Ansprüche definiert und alle Abwandlungen, die innerhalb des Bedeutungsbereichs und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, sollen durch die Ansprüche eingeschlossen werden.

Claims

Mikrofonsystem, das Folgendes umfasst: einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator, der dazu konfiguriert ist, mit einem Mikrofon gekoppelt zu werden, und der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des Mikrofons in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung an einem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators umzuwandeln; und einen digitalen Rauschformer, der mit dem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, eine digitale Multi-Bit-Eingabe des digitalen Rauschformers in ein digitales Ein-Bit-Signal umzuwandeln.
Mikrofonsystem nach Anspruch 1, das ferner ein Mikrofon umfasst.
Mikrofonsystem nach einem von Anspruch 1 oder 2, das ferner ein digitales Filter umfasst, das zwischen dem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator und dem digitalen Rauschformer gekoppelt ist, wobei ein Eingang des digitalen Filters mit dem ersten Ausgang des Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators gekoppelt ist und ein Ausgang des digitalen Filters mit einem Eingang des digitalen Rauschformers gekoppelt ist.
Mikrofonsystem nach Anspruch 3, wobei das digitale Filter dazu konfiguriert ist, das erste digitale Signal zu entzerren.
Mikrofonsystem nach einem von Anspruch 3 oder 4, das ferner ein Codezuordnungsmodul umfasst, das zwischen dem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator und dem digitalen Filter gekoppelt ist.
Mikrofonsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der digitale Rauschformer ein Ein-Bit-Delta-Sigma-Modulator ist, der dazu konfiguriert ist, eine Ein-Bit-Ausgabe zu produzieren
Mikrofonsystem nach Anspruch 6, wobei eine erste Konfiguration des digitalen Filters und eine zweite Konfiguration des digitalen Rauschformers rekonfigurierbar sind.
Mikrofonsystem nach Anspruch 7, wobei die erste Konfiguration und/oder die zweite Konfiguration eine Verstärkung, eine Ordnung eines Filters und einen Satz von Koeffizienten umfasst.
Mikrofonsystem nach Anspruch 8, wobei das digitale Filter dazu konfiguriert ist, mit einer ersten Einstellung für die erste Konfiguration einen Tiefpassfrequenzgang um ein höheres Ende eines Audiofrequenzbandes herum bereitzustellen, und wobei das digitale Filter dazu konfiguriert ist, mit einer zweiten Einstellung für die erste Konfiguration eine Frequenzanhebung oberhalb eines höheren Endes des Audiofrequenzbandes bereitzustellen.
Mikrofonsystem nach Anspruch 9, das ferner eine Konfigurationsauswahleinheit umfasst, die dazu konfiguriert ist, die erste Konfiguration des digitalen Filters und die zweite Konfiguration des digitalen Rauschformers gemäß einer Leistungsfähigkeitsanforderung des Mikrofonsystems einzustellen.
Mikrofonsystem nach Anspruch 10, das ferner Folgendes umfasst: eine Speicherungseinheit, die dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Sätze von Koeffizienten des digitalen Filters und des digitalen Rauschformers zu speichern, und eine Steuerschnittstelle, die dazu konfiguriert ist, die Konfigurationsauswahleinheit zu steuern.
Mikrofonsystem nach Anspruch 11, das ferner eine Taktfrequenzdetektionseinheit umfasst, die dazu konfiguriert ist, eine Frequenz eines Taktsignals des Mikrofonsystems zu detektieren, wobei ein Detektionsergebnis der Taktfrequenzdetektionseinheit verwendet wird, um die erste Konfiguration des digitalen Filters und die zweite Konfiguration des digitalen Rauschformers einzustellen.
Mikrofonsystem nach Anspruch 12, wobei der Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator, das digitale Filter, der digitale Rauschformer, die Konfigurationsauswahleinheit, die Speicherungseinheit und die Steuerschnittstelle auf einem selben Halbleitersubstrat integriert sind.
Halbleitervorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgangsspannung eines MEMS-Mikrofons (MEMS: mikroelektromechanisches System) in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung umzuwandeln; und eine digitale Logik, die mit dem Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulator gekoppelt ist und die Folgendes umfasst: ein digitales Filter, das dazu konfiguriert ist, das erste digitale Signal zu entzerren, und das eine rekonfigurierbare Konfiguration aufweist; und eine digitale Schnittstelleneinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe des digitalen Filters in ein zweites digitales Signal mit einem vorbestimmten Datenformat umzuwandeln.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, wobei das vorbestimmte Datenformat ein Multi-Bit-Datenformat umfasst.
Halbleitervorrichtung nach einem von Anspruch 14 oder 15, wobei eine Konfiguration der digitalen Schnittstelleneinheit rekonfigurierbar ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, wobei die digitale Schnittstelleneinheit ein digitaler Rauschformer ist, der dazu konfiguriert ist, die Ausgabe des digitalen Filters in einen Ein-Bit-Datenstrom umzuwandeln.
Halbleitervorrichtung nach einem von Anspruch 16 oder 17, wobei: das digitale Filter Frequenzkomponenten des ersten digitalen Signals, die oberhalb eines Audiobandes liegen, mit einer ersten Einstellung der Konfiguration der digitalen Logik unterdrückt; und das digitale Filter Frequenzkomponenten des ersten digitalen Signals, die innerhalb eines Ultraschallfrequenzbandes liegen, mit einer zweiten Einstellung der Konfiguration der digitalen Logik anhebt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die digitale Logik ferner ein Codezuordnungsmodul zwischen dem Multi-Bit-Sigma-Modulator und dem digitalen Filter umfasst, wobei das Codezuordnungsmodul dazu konfiguriert ist, das erste digitale Signal von einem ersten Format in ein zweites Format umzuwandeln, bevor es durch das digitale Filter verarbeitet wird.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die digitale Logik ferner Folgendes umfasst: eine Speicherungseinheit, die dazu konfiguriert ist, erste Sätze von Koeffizienten für das digitale Filter und zweite Sätze von Koeffizienten für die digitale Schnittstelleneinheit zu speichern, wobei die ersten Sätze von Koeffizienten und/oder die zweiten Sätze von Koeffizienten dazu konfiguriert sind, unterschiedliche Empfindlichkeitsanforderungen des Mikrofons zu unterstützen; ein Konfigurationsmodul, das dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Sätze von Koeffizienten in das digitale Filter und/oder die digitale Schnittstelleneinheit gemäß den unterschiedlichen Empfindlichkeitsanforderungen zu laden; und eine Steuerschnittstelle zum Einstellen der Empfindlichkeitsanforderung des Mikrofons.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20, wobei die ersten Sätze von Koeffizienten und/oder die zweiten Sätze von Koeffizienten dazu konfiguriert sind, unterschiedliche Frequenzgänge gemäß Betriebsfrequenzbändern des Mikrofons bereitzustellen.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die digitale Logik ferner eine Taktfrequenzüberwachungseinheit umfasst, die dazu konfiguriert ist, eine Frequenz eines Taktsignals der Halbleitervorrichtung zu detektieren.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Konfigurationsmodul dazu konfiguriert ist, Koeffizienten des digitalen Filters und Koeffizienten der digitalen Schnittstelleneinheit gemäß einer detektierten Frequenz von der Taktfrequenzüberwachungseinheit zu ändern.
Verfahren zum Betreiben eines rekonfigurierbaren Mikrofonsystems, das Folgendes umfasst: Umwandeln einer ersten Ausgabe eines Mikrofons unter Verwendung eines Multi-Bit-Delta-Sigma-Modulators in ein erstes digitales Signal mit einer Multi-Bit-Auflösung; Einstellen einer ersten Konfiguration eines digitalen Filters und Einstellen einer zweiten Konfiguration einer digitalen Schnittstelleneinheit, wobei das digitale Filter und die digitale Schnittstelleneinheit rekonfigurierbar sind; und Umwandeln einer zweiten Ausgabe des digitalen Filters unter Verwendung der digitalen Schnittstelleneinheit in ein zweites digitales Signal mit einer vorbestimmten Bitauflösung.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner Folgendes umfasst: Einstellen einer dritten Konfiguration für das digitale Filter und einer vierten Konfiguration für die digitale Schnittstelleneinheit als Reaktion auf eine Änderung einer Leistungsfähigkeitsanforderung des Mikrofons.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Leistungsfähigkeitsanforderung eine Mikrofonempfindlichkeit, ein Betriebsfrequenzband für das Mikrofon und eine Frequenz eines Taktsignals des rekonfigurierbaren Mikrofonsystems umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei das Einstellen der ersten Konfiguration des digitalen Filters Einstellen der Ordnung des digitalen Filters und/oder der Koeffizienten des digitalen Filters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Einstellen der zweiten Konfiguration der digitalen Schnittstelleneinheit Einstellen der Ordnung der digitalen Schnittstelleneinheit und/oder der Koeffizienten der digitalen Schnittstelleneinheit umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, das ferner Entzerren des ersten digitalen Signals unter Verwendung des digitalen Filters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Entzerren Folgendes umfasst: Anwenden einer ersten Verstärkung für Komponenten des ersten digitalen Signals bei einer ersten Frequenz; und Anwenden einer von der ersten Verstärkung verschiedenen zweiten Verstärkung für Komponenten des ersten digitalen Signals bei einer zweiten Frequenz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei die digitale Schnittstelleneinheit ein digitaler Rauschformer ist, wobei der digitale Rauschformer ein Quantisierungsrauschen des digitalen Rauschformers so umformt, dass die Energie des Quantisierungsrauschens außerhalb eines Bandes von Interesse höher als die Energie des Quantisierungsrauschens innerhalb des Bandes von Interesse ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Überwachen einer Frequenz eines Taktsignals des rekonfigurierbaren Mikrofonsystems; und Einstellen einer dritten Konfiguration für das digitale Filter und einer vierten Konfiguration für die digitale Schnittstelleneinheit als Reaktion auf eine Änderung der Frequenz des Taktsignals.