DE102018202347A1

DE102018202347A1 - Mikrofonsystem mit einem hohen akustischem überlastpunkt

Info

Publication number: DE102018202347A1
Application number: DE102018202347.6A
Authority: DE
Inventors: Saikrishna GANTA; Chinwuba Ezekwe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US10080082B2; CN110313184A; US20180234762A1; WO2018152193A1; CN110313184B

Abstract

Eine Mikrofon-Vorspannschaltung umfasst ein Mikrofon, welches zwischen einen ersten Knoten und eine erste DC Vorspannung geschaltet ist, wobei das Mikrofon konfiguriert ist, um eine erfasste Spannung an dem ersten Knoten im Ansprechen auf Schall bereitzustellen; eine erste Diode und eine zweite Diode, wobei die erste Diode und die zweite Diode zwischen dem ersten Knoten und einem zweiten Knoten zueinander antiparallel geschaltet sind, wobei der zweite Knoten eine zweite DC Vorspannung aufweist; einen Verstärker mit einem Eingang, der mit dem ersten Knoten verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem dritten Knoten verbunden ist, wobei der Verstärker konfiguriert ist, um eine Ausgangsspannung an dem dritten Knoten auf Grundlage der erfassten Spannung an dem ersten Knoten bereitzustellen; und einen Rückkopplungspfad, der von dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten verbunden ist. Der Rückkopplungspfad umfasst wenigstens ein Element, welches konfiguriert ist, um alternierende Komponenten der Ausgangsspannung an dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zu koppeln.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Application mit der Seriennummer 62/459,813 , die am 16. Februar 2017 eingereicht wurde und deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit Teil der vorliegenden Anmeldung ist.
GEBIET
Die Einrichtungen, die in diesem Dokument offenbart ist, betreffen Mikrofon-Vorspannschaltungen und insbesondere Mikrofon-Vorspannschaltungen mit einem hohen akustischen Überlastpunkt.
HINTERGRUND
Mikrofone sind Wandler, die Schall in ein elektrisches Signal umwandeln. Mikrofone werden in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen verwendet, wie beispielsweise bei der Schallaufzeichnung, Telefonen, Hörhilfen, und verschiedenen Sensorsystemen. Mikrofone arbeiten allgemein am genauesten innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von Schallpegeln in Abhängigkeit von einer Empfindlichkeit und Konfiguration des Mikrofons. In sehr lauten Fall Umgebungen wird das Ausgangssignal des Mikrofons oft verzerrt werden. Insbesondere wird im Wesentlichen jedes Mikrofon einen akustischen Überlastpunkt (AOP) aufweisen, der ein Pegel von Schall ist, bei dem das Mikrofon nicht mehr effektiv zwischen dem tatsächlichen Schallsignal und Rauschen/Verzerrungen unterscheiden kann. Zum Beispiel kann der AOP als der Schalldruckpegel definiert werden, bei dem eine Verzerrung in dem Ausgangssignal 10 % erreicht.
Einige Typen von Mikrofonen, wie beispielsweise Kondensatormikrofone und kapazitive MEMS (mikroelektromechanische Systeme) Mikrofone benötigen eine DC Vorspannung, um zu arbeiten. MEMS Mikrofone erfordern zusätzlich einen sehr hohen Widerstand, um eine geeignete DC Vorspannung einzurichten. Dieser Widerstand ist in der Größenordnung von wenigen 100 Giga Ohm.
1a zeigt eine Mikrofonschaltung 1 zum Vorspannen eines MEMS Mikrofons 10. Die Mikrofonschaltung 1 umfasst eine Ladungspumpe 5, die eine DC Vorspannung für das Mikrofon 10 bereitstellt. Die Schaltung 1 umfasst Dioden 25 und 35, die zueinander zwischen der Ladungspumpe 5 und einem Knoten 50 antiparallel geschaltet sind. Ein Kondensator 60 ist zwischen den Knoten 50 und Masse geschaltet. Das Mikrofon 10 ist zwischen den Knoten 50 und einen Knoten 40 geschaltet. Das Mikrofon 10 moduliert die Spannung an dem Knoten 40, um im Ansprechen auf Schall eine erfasste Spannung bereitzustellen. Die Schaltung 1 umfasst ferner Dioden 20 und 30, die zueinander zwischen dem Knoten 40 und Masse antiparallel geschaltet sind. Schließlich umfasst die Schaltung 1 einen Vorverstärker 70 mit einem Eingang, der mit dem Knoten 40 verbunden ist, der ein Ausgangssignal an einem Ausgangsknoten 80 aufgrund der erfassten Spannung bereitstellt.
Ein Nachteil der Schaltung 1 besteht darin, dass die erfasste Spannung an dem Knoten 40 oft einem unerwünschten DC Offset aufweist. Als Folge des parasitären Widerstands R_parasitic des Mikrofons 10 fließt insbesondere ein kleiner Leckstrom von dem Knoten 50 zu dem Knoten 40 über das Mikrofon 10. Der Leckstrom fließt dann von dem Knoten 40 nach Masse über die Dioden 20, 30. Als Folge des Leckstroms kann die erfasste Spannung einen verschobenen DC Offset aufweisen. Zum Beispiel kann sich der DC Offset für die erfasste Spannung geringfügig um ungefähr 300 mV verschieben.
Ein anderer Nachteil der Schaltung 1 besteht darin, dass die Dioden 20, 30 bei hohen Signalpegeln die erfasste Spannung clippen werden, was den AOP der Schaltung stark reduziert. Insbesondere weist jede der Dioden 20, 30 eine Vorwärtsspannung V_F (zum Beispiel 700 mV) auf, bei der sie einschalten werden. Bei hohen Signalpegeln beginnen die Dioden 20, 30 einzuschalten, was die erfasste Spannung verzerrt. Wenn die erfasste Spannung unter -V_F fällt, wird die Diode 20 einschalten und die erfasste Spannung clippen bzw. begrenzen. In ähnlicher Weise, wenn die erfasste Spannung über +V_F ansteigt, dann wird die Diode 30 einschalten und die erfasste Spannung clippen.
1b zeigt eine beispielhafte Wellenform 90 für die erfasste Spannung an dem Knoten 40 der Schaltung 1 im Ansprechen darauf, dass ein Mikrofon 10 einem hohen SPL 20 Hz akustischem Signal ausgesetzt wird. Wie ersichtlich wird die Wellenform 90 verzerrt (geclippt), wenn der Signalpegel zu hoch ist, und zwar als Folge davon, dass die Dioden 20, 30 eingeschaltet werden. Wie ersichtlich begrenzt dieser Clippereffekt, der durch das Einschalten der Dioden 20, 30 hervorgerufen wird, stark den AOP der Mikrofonschaltung 1. 2 zeigt eine grafische Darstellung, die ein Frequenzspektrum 95 der Wellenform 90 darstellt. Wie ersichtlich ist umfasst das Frequenzspektrum 95 eine Spitze bei 20 Hz, die dem tatsächlichen Schall (d.h. dem 20 Hz akustischen Signal) entspricht. Jedoch umfasst das Frequenzspektrum 95, wie ebenfalls ersichtlich ist, ferner zusätzliche große Spitzen bei 40 Hz, 60 Hz, 80 Hz, 100 Hz, 120 Hz, 140 Hz und 180 Hz, die der Verzerrung entsprechen, die durch das Einschalten der Dioden 20, 30 eingeführt wird. Wie ersichtlich begrenzt dieser Clipeffekt, verursacht durch das Einschalten der Dioden 20, 30, stark den AOP der Mikrofonschaltung 1.
Eine Konfiguration, die den Verzerrungseffekt reduzieren kann, umfasst ein Anordnen von seriellen Stapeln der Dioden 20, 30, um mehr Raum für die erfasste Spannung bereitzustellen. Diese Modifikation erhöht den AOP der Mikrofonschaltung, weist aber Nachteile auf. Insbesondere stellt diese Konfiguration eine reduzierte Effektivität bei höheren Temperaturen (als Folge einer Verringerung der Vorwärtsspannung V_F bei hohen Temperaturen) bereit und kann Töne in dem Ausgangssignal bei einem normalen Betrieb verursachen. Eine andere Konfiguration, die den AOP der Mikrofonschaltung erhöhen kann, umfasst ein Mikrofon 10, welches mit einer reduzierten Empfindlichkeit konfiguriert ist. Die Schaltung verwendet eine elektronische Verstärkung, um die verringerte Empfindlichkeit des Mikrofons zu kompensieren. Jedoch weist diese Konfiguration den Nachteil auf, dass mehr Leistung verbraucht wird. Eine weitere Konfiguration, die den AOP der Mikrofonschaltung erhöhen kann, ist eine derartige, bei der die Verstärkung des Mikrofons verringert wird, wenn hohe Schallpegel erfasst werden. Jedoch weist diese Konfiguration den Nachteil der Erzeugung von akustischen Artefakten, wie beispielsweise Clicks und Pops, in dem Ausgangssignal auf. Noch eine andere Konfiguration, die den AOP der Mikrofonschaltung erhöhen kann, ist eine derartige, bei der das Mikrofon mehrere Membrane mit unterschiedlicher Empfindlichkeit aufweist. Die Schaltung schaltet zwischen mehreren Membranen in Abhängigkeit von Schallpegeln um. Jedoch weist auch diese Konfiguration den Nachteil einer Erzeugung von akustischen Artefakten in dem Ausgangssignal auf.
Was demzufolge benötigt wird ist eine Mikrofon-Vorspannschaltung, die einen hohen AOP mit einer hohen Energieeffizienz und ohne Einleitung von akustischen Artefakten in dem Ausgangssignal erreicht.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Mikrofon-Vorspannschaltung wird offenbart. Die Mikrofon-Vorspannschaltung umfasst ein Mikrofon mit einem ersten Anschluss, der mit einem ersten Knoten verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einer ersten DC Vorspannung (DC Bias-Spannung) verbunden ist, wobei das Mikrofon konfiguriert ist, um eine erfasste Spannung an dem ersten Knoten im Ansprechen auf Schall bereitzustellen; eine erste Diode und eine zweite Diode, die jeweils zwischen den ersten Knoten und einem zweiten Knoten geschaltet sind, wobei die erste Diode und die zweite Diode antiparallel zueinander geschaltet sind, wobei der zweite Knoten eine zweite DC Vorspannung aufweist, die zu dem ersten Knoten über die erste Diode und die zweite Diode gekoppelt ist; einen ersten Verstärker mit einem Eingang, der mit dem ersten Knoten verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem dritten Knoten verbunden ist, wobei der erste Verstärker konfiguriert ist, um eine Ausgangsspannung an dem dritten Knoten auf Grundlage der erfassten Spannung an dem ersten Knoten bereitzustellen; und einen ersten Rückkopplungspfad, der von dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten verbunden ist. Der erste Rückkopplungspfad umfasst wenigstens ein Element, das in dem ersten Rückkopplungspfad angeordnet ist und konfiguriert ist, um alternierende Komponenten der Ausgangsspannung an dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zu koppeln.
Figurenliste
Die voranstehenden Aspekte und andere Merkmale einer Mikrofonschaltung werden in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1a eine Mikrofonschaltung gemäß dem Stand der Technik;
1b eine grafische Darstellung, die ein beispielhaftes Signal darstellt, welches von dem Mikrofon der 1a im Ansprechen auf ein hohes SGL akustisches Signal erfasst wird;
2 eine grafische Darstellung, die ein Frequenzspektrum der Wellenform der 1b darstellt;
3a eine Mikrofonschaltung, die eine energieeffiziente antiparallele Dioden-Vorspannung verwendet, aber auch einen hohen AOP aufweist;
3b eine grafische Darstellung, die eine beispielhafte Wellenform darstellt, die von dem Mikrofon der 3a im Ansprechen auf ein hohes SGL akustisches Signal erfasst wird;
4 den Widerstand einer Mikrofonschaltung der FIG. 3a, implementiert in unterschiedlichen Vorgehensweisen;
5 eine grafische Darstellung, die ein Frequenzspektrum der Wellenform der 3b darstellt;
6 eine grafische Darstellung, die die Schleifenstabilitätsantwort der Mikrofonschaltung der 3a darstellt;
7 eine Mikrofonschaltung, die eine analoge Offsetkorrektur-Rückkopplungsschleife zeigt;
8 eine Mikrofonschaltung, die eine digitale Offsetkorrektur-Rückkopplungsschleife zeigt; und
9 eine grafische Darstellung, die das transiente Verhalten der Mikrofonschaltung mit und ohne einer DC Offset-Korrekturschleife darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um ein Verständnis der Prinzipien der Offenbarung zu fördern wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellten und in der folgenden schriftlichen Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen Bezug genommen. Es sei darauf hingewiesen, dass keine Beschränkung für den Umfang der Offenbarung dadurch angedacht wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die vorliegende Offenbarung jegliche Abänderungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen umfasst und weitere Anwendungen der Prinzipien der Offenbarung, so wie sie für einen Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet, auf das sich die Offenbarung bezieht, einfallen würden, umfasst.
3a zeigt eine Mikrofonschaltung 100, die in vorteilhafter Weise eine energieeffiziente Diodenvorspannung verwendet, aber ebenfalls einen hohen AOP aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schaltung 100 in einigen Ausführungsformen, obwohl die Schaltung 100 in einer Single-Endet Form (Einzelenden-Form) gezeigt und beschrieben wird, in einer differenziellen Form ist. Die Mikrofonschaltung 100 umfasst ein Mikrofon 110, welches zwischen einen Knoten 150 und einen Knoten 140 geschaltet ist. Das Mikrofon 110 ist konfiguriert, um die Spannung an dem Knoten 140 zu modulieren, um eine erfasste Spannung V_sense im Ansprechen auf Schall bereitzustellen. In wenigstens einer Ausführungsform ist das Mikrofon 110 ein MEMS (mikroelektromechanische Systeme) Mikrofon. In einigen Ausführungsformen sind einige oder sämtliche Komponenten der Mikrofonschaltungen, die hier beschrieben werden, zusammen auf einem einzelnen Chip mit dem MEMS Mikrofon integriert. In zahlreichen Ausführungsformen besteht das Betriebsprinzip des Mikrofons 110 darin, dass ein kapazitiver Sensor mit wenigstens einer elektrisch leitenden Membran, Dichtung oder dergleichen auf Schallwellen mechanisch anspricht. In den hier angegebenen Darstellungen ist das Mikrofon 110 schematisch als ein variabler Kondensator dargestellt.
Die Mikrofonschaltung 100 umfasst eine Ladungspumpe 105, die konfiguriert ist, um eine vorgegebene DC Vorspannung V_DC bereitzustellen. Die Schaltung 100 umfasst Dioden 125 und 135, die zueinander zwischen der Ladungspumpe 105 und einem Knoten 150 antiparallel geschaltet sind. Die Dioden 125 und 135 arbeiten, um die vorgegebene DC Vorspannung V_DC von der Ladungspumpe 105 an den Knoten 150 zu koppeln. In einer Ausführungsform beträgt die vorgegebene DC Vorspannung V_DC 20 V. Ein Kondensator 160 ist zwischen den Knoten 150 und eine feste gemeinsame Spannung, die Masse sein kann, geschaltet.
Die Schaltung 100 umfasst Dioden 120 und 130, die zueinander zwischen einem Knoten 145 und dem Knoten 140 antiparallel geschaltet sind. Die Dioden 120 und 130 arbeiten, um eine DC Spannung an dem Knoten 145 mit dem Knoten 140 zu koppeln. Die Schaltung 100 umfasst ferner einen Vorverstärker 170 mit einem Eingang, der mit dem Knoten 140 verbunden ist und konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal V_out an dem Ausgangsknoten 180 basierend auf der erfassten Spannung V_sense an dem Knoten 140 bereitzustellen. In einer Ausführungsform arbeitet der Vorverstärker 170 als ein Spannungspuffer, der eine Einheitsverstärkung, eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist.
Die Schaltung 100 vermeidet das Problem einer Signal Clippung bei hohen Signalpegeln, indem sichergestellt wird, dass die Dioden 120, 130 irgendeine wesentliche Spannung über ihren Anschlüssen nicht erfahren. Um dies zu erreichen umfasst die Schaltung 100 einen Rückkopplungspfad 190, der von dem Ausgangknoten 180 zu dem Knoten 145 verbunden ist. In einer Ausführungsform umfasst der Rückkopplungspfad 190 einen Kondensator 195, der konfiguriert ist, um die alternierenden Komponenten der Ausgangsspannung V_out an dem Ausgangsknoten 180 zu dem Knoten 145 zu koppeln. In anderen Ausführungsformen kann der Rückkopplungspfad 190 irgendeine andere Art von Hochpass- oder Tiefpassfilter umfassen, welches konfiguriert ist, um die relevanten alternierenden Komponenten der Ausgangsspannung V_out zu dem Knoten 145 zu koppeln. In dieser Weise werden die alternierenden Spannungen an dem Knoten 145 die alternierenden Spannungen, die von dem Mikrofon 110 an dem Knoten 140 hervorgerufen werden, spiegeln. Demzufolge ist die AC Spannungsdifferenz über den Dioden 120, 130 im Wesentlichen Null. Infolgedessen schalten die Dioden 120, 130 nicht ein und deshalb verzerren sie die erfasste Spannung V_sense an dem Knoten 140 nicht.
In einer Ausführungsform umfasst der Rückkopplungspfad 190 ferner einen Kapazitäts-Multiplizierer (nicht gezeigt), der konfiguriert ist, um zu bewirken, dass der Kondensator 190 wie ein großer Kondensator wirkt. Der Kondensator 190 in Kombination mit dem Kapazitäts-Multiplizierer kann im Wesentlichen als eine Kapazität arbeiten und kann einfach als eine Kapazität modelliert werden. In einer Ausführungsform ist der Kapazitäts-Multiplizierer eine aktive Schaltung, die einen Transistor oder einen Operationsverstärker, eine Versorgungsspannung und Widerstände umfasst, die in einer bekannten Weise angeordnet sind.
Schließlich umfasst die Schaltung 100 einen Widerstand 155, der zwischen einen Knoten 185 und den Knoten 145 geschaltet ist. Der Knoten 185 ist mit einer korrigierenden DC Vorspannung V_bias verbunden. Der Wert der DC Vorspannung V_bias an dem Knoten 185 kann gewählt werden, um der unerwünschten DC Verschiebung von dem gewünschten DC Vorspannungspunkt an dem Knoten 140 als Folge von Leckströmen entgegenzuwirken (zum Beispiel kann V_bias zu -300 mV gewählt werden). In einigen Ausführungsformen hängt der gewünschte DC Vorspannpunkt an dem Knoten 140 von dem Typ des Vorverstärkers 170, der verwendet wird, ab. Zum Beispiel kann der gewünschte DC Vorspannpunkt an dem Knoten 140 0 V sein oder kann ein Versorgungsspannungspegel des Vorverstärkers 170 sein, beispielsweise 1,8 V.
In einigen Ausführungsformen wird der Widerstand 155 einfach durch einen linearen Widerstand implementiert. Jedoch muss der Widerstand 155 allgemein einen sehr hohen Widerstand aufweisen und ein ausreichend linearer Widerstand kann sehr groß sein. 4 zeigt einige mögliche Implementierungen des Widerstands 155, die Rauschen reduzieren, ein Betriebsverhalten verbessern und eine physikalische Größe reduzieren. In der Ausführungsform (i) ist der Widerstand 155 durch Dioden 220, 230 implementiert, die zueinander zwischen dem Knoten 185 und dem Knoten 145 antiparallel geschaltet sind. Die Dioden 220 und 220 arbeiten, um die DC Vorspannung V_bias von dem Knoten 185 zu dem Knoten 145 zu koppeln. In der Ausführungsform (ii) wird der Widerstand 155 durch gestapelte Dioden 220a-b, die zwischen dem Knoten 185 und dem Knoten 145 mit gestapelten Dioden 230a-b antiparallel geschaltet sind, implementiert. Die Dioden 220a-b, 230a-b arbeiten, um die DC Vorspannung V_bias von dem Knoten 185 zu dem Knoten 145 zu koppeln. In der Ausführungsform (iii) wird der Widerstand 155 als ein linearer Widerstand 205 implementiert, der zu einem Schalter 210 in Reihe geschaltet ist. Der Schalter 210 wird unter Verwendung eines Taktsignals geöffnet und geschlossen. Ein Arbeitszyklus des Taktsignals kann eingestellt werden, um den effektiven Widerstand des Widerstands 155 zu steuern. Schließlich wird in der Ausführungsform (iv) der Widerstand 155 als eine kaskadierte Reihenschaltung von Widerständen 205a-b und Schaltern 210a-b implementiert. Ein Kondensator 215 ist von einem Knoten 225, zwischen dem Schalter 210a und dem Widerstand 205b, und einer gemeinsamen festen Spannung, die Masse sein kann, verbunden. Die Widerstände 205a, der Schalter 210a und der Kondensator 215 bilden im Wesentlichen ein Tiefpassfilter, wie beispielsweise ein Anti-Aliasing Filter. Die Schalter 210a-b werden unter Verwendung von Taktsignalen geöffnet und geschlossen. Arbeitszyklen der Taktsignale können eingestellt werden, um die effektive Impedanz des Widerstands 155 zu steuern.
3b zeigt eine beispielhafte Wellenform 102 für die erfasste Spannung V_sense an dem Knoten 140 der Schaltung 100 im Ansprechen darauf, dass das Mikrofon 110 einem hohen SPL 20 Hz akustischen Signal ausgesetzt wird. Wie ersichtlich ist im Gegensatz zu der Wellenform 90 der 1b die Wellenform 102 bei hohen Signalpegeln nicht verzerrt. Diese Wellenform 102 wird durch den Vorverstärker 170 geführt und an den Knoten 145 über den Kondensator 195 zurückgekoppelt. Infolgedessen erfahren beide Knoten 140 und 145 ähnliche alternative Spannungen und die Dioden 120, 130 werden nicht eingeschaltet. 5 zeigt eine grafische Darstellung, die ein Frequenzspektrum 104 der Wellenform 102 darstellt. Wie ersichtlich umfasst das Frequenzspektrum 104 eine Spitze bei 20 Hz, die dem tatsächlichen Schall entspricht (d. h. dem 20 Hz akustischen Signal). Im Gegensatz zu dem Frequenzspektrum 95 der 2 umfasst das Frequenzspektrum 102 jedoch nicht irgendwelche zusätzlichen großen Spitzen entsprechend zu der Verzerrung. Anstelle davon ist das Signalrauschen/die Verzerrung unter -90 dB für sämtliche unerwünschten Frequenzen. Wie ersichtlich weist die Mikrofonschaltung 100 einen stark verbesserten AOP im Vergleich mit der Mikrofonschaltung 1 auf.
6 zeigt eine grafische Darstellung, die die Schleifenstabilitätsantwort der Mikrofonschaltung 100 darstellt. Wie ersichtlich erzeugt die Schaltung 100 bei Frequenzen von Interesse (d. h. hörbaren Frequenzen in einem Bereich zwischen ungefähr 20 Hz bis 20 kHz) eine hohe Dämpfung. Demzufolge ist das Schleifenrauschen vernachlässigbar.
In praktischen Implementierungen der Mikrofonschaltungen, die hier beschrieben werden, kann die erfasste Spannung V_sense an dem Knoten 140, die dem Vorverstärker 170 eingegeben wird, geringfügig von einem gewünschten DC Vorspannungspunkt als Folge von Leckströmen, die durch den Kondensator 160 und/oder die Dioden 120, 130 fließen, verschoben sein. Die DC Vorspannung V_bias kann gewählt werden, um der unerwünschten DC Verschiebung an dem Knoten 140 entgegenzuwirken. In einigen Ausführungsformen wird die DC Vorspannung V_bias mithilfe einer Offsetkorrektur-Rückkopplungsschleife bereitgestellt.
7 zeigt eine Mikrofonschaltung, die eine analoge Offsetkorrektur-Rückkopplungsschleife umfasst. Obwohl die Schaltung 300 in einer Single-Ended Form gezeigt und beschrieben wird, ist die Schaltung 300 in einigen Ausführungsformen eine differentielle Form. Die Schaltung 300 ist ähnlich zu der in 3a gezeigten Schaltung 100 und gleiche Elemente werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnen und nicht erneut im Detail beschrieben. Zusätzlich zu den Komponenten der Schaltung 100 umfasst die Schaltung 300 weiter einem Rückkopplungspfad 310, der zwischen den Ausgangsknoten 180 und einen Eingangsknoten 185 geschaltet ist. Der Rückkopplungspfad 310 umfasst eine analoge Offset-Korrekturschaltung 320, die konfiguriert ist, um den DC Offset, der in der erfassten Spannung V_sense an dem Knoten 140 vorhanden ist, einzustellen oder zu korrigieren, so dass er gleich zu einem gewünschten DC Vorspannungspunkt ist. In einigen Ausführungsformen hängt der gewünschte DC Vorspannungspunkt für die erfasste Spannung V_sense von dem Typ des Vorverstärkers 170 ab, der verwendet wird. In wenigstens einer Ausführungsform ist der gewünschte DC Vorspannungspunkt gleich zu Null. In einer anderen Ausführungsform ist der gewünschte DC Vorspannungspunkt gleich zu einer Versorgungsspannung für den Vorverstärker 170, beispielsweise 1,8 V.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Offset-Korrekturschaltung 320 eine Integratorschaltung und/oder eine Tiefpassfilterschaltung. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Offset-Korrekturschaltung 320 einen Widerstand 322 und einen Kondensator 324, die zwischen dem Ausgangsknoten 180 und einem Knoten 326 zueinander parallel geschaltet sind. Der Knoten 326 ist mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärker 328 der Offset-Korrekturschaltung 320 verbunden. Ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers 328 ist mit einer Sollspannung (Zielspannung) verbunden, die den gewünschten DC Vorspannungspunkt darstellt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 328 ist mit dem Eingangsknoten 185 verbunden. Die Offset-Korrekturschaltung 320 umfasst einen Kondensator 330, der zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 228 und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 328 geschaltet ist. Schließlich ist ein Kondensator 332 zwischen den Eingangsknoten 185 und den Knoten 145, parallel zu dem Widerstand 155, geschaltet.
8 zeigt eine Mikrofonschaltung 400, die eine digitale Offsetkorrektur-Rückkopplungsschleife umfasst, die analog zu der analogen Offsetkorrektur-Rückkopplungsschleife der Schaltung 300 ist. Obwohl die Schaltung 400 in einer Single-Ended Form gezeigt und beschrieben ist, sei darauf hingewiesen, dass die Schaltung 400 in einigen Ausführungsformen in einer differenziellen Form ist. Die Schaltung 400 ist ähnlich wie die in 3a gezeigte Schaltung 100 und gleiche Elemente werden mit gemeinsamen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut im Detail beschrieben. Zusätzlich zu den Komponenten der Schaltung 100 umfasst die Schaltung 400 ferner einen digitalen Rückkopplungspfad 410, der zwischen den Ausgangsknoten 180 und dem Knoten 145 geschaltet ist. Zusätzlich ist der Kondensator 332 zwischen den Eingangsknoten 185 und den Knoten 145 geschaltet, parallel zu dem Widerstand 155, und ein Kondensator 415 ist zwischen den Knoten 145 und den Knoten 140 geschaltet, parallel zu den Dioden 120, 130. Der digitale Rückkopplungspfad 410 umfasst eine digitale Offset-Korrekturschaltung 420, die konfiguriert ist, um den DC Offset, der in der erfassten Spannung V_sense an dem Knoten 140 vorhanden ist, einzustellen oder zu korrigieren, so dass er gleich zu einem gewünschten DC Vorspannungspunkt ist. In einigen Ausführungsformen hängt der gewünschte DC Vorspannungspunkt für die erfasste Spannung V_sense von dem Typ des Vorverstärkers 170, der verwendet wird, ab. In wenigstens einer Ausführungsform ist der gewünschte DC Vorspannungspunkt gleich zu Null. In einer anderen Ausführungsform ist der gewünschte DC Vorspannungspunkt gleich zu einer Versorgungsspannung für den Vorverstärker 170, beispielsweise 1,8 V.
Die Offset-Korrekturschaltung 420 umfasst einen Analog-zu-Digital Wandler (ADC) 422, der mit dem Ausgangsknoten 180 verbunden ist und konfiguriert ist, um das Ausgangssignal an dem Knoten 180 zu digitalisieren, um ein digitales Rückkopplungssignal bereitzustellen. Die Offset-Korrekturschaltung 420 umfasst ferner einen Digital-zu-Analog Wandler (DAC) 426, der mit dem Knoten 185 verbunden ist und konfiguriert ist, um das digitale Rückkopplungssignal zurück in eine analoge Spannung zur Vorspannung des Mikrofons 110 umzuwandeln. In einer Ausführungsform stellt der ADC 422 einen digitalen Ausgang V_out-d bereit. In einer Ausführungsform ist der ADC 422 ein Delta-Sigma gestützter Wandler, der einen Delta-Sigma Modulator und ein digitales Filter umfassen kann. In einer Ausführungsform ist der DAC 426 ein Delta-Sigma gestützter Wandler, der einen Delta-Sigma Modulator und ein analoges Filter umfassen kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Offset-Korrekturschaltung 420 ein Anti-Aliasing Filter 424, das zwischen den Knoten 180 und den ADC 422 geschaltet ist. Das Anti-Aliasingfilter 424 ist konfiguriert, um die Bandbreite des Ausgangssignals zu beschränken, um ein Aliasing zu verhindern, wenn durch den ADC 715 digitalisiert. Insbesondere ist das Anti-Aliasing Filter 725 wenigstens konfiguriert, um alternierende Komponenten von dem Ausgangssignal, die Frequenzen größer als die Hälfte der Abtastrate des ADC 715 aufweisen, zu entfernen oder zu dämpfen.
Die Offset-Korrekturschaltung 420 umfasst wenigstens ein digitales Filter 428, welches zwischen den Ausgang des ADC 422 und den Eingang des DAC 426 geschaltet ist. Das digitale Filter 428 ist konfiguriert, um den DC Offset, der in der erfassten Spannung V_sense an dem Knoten 140 vorhanden ist, einzustellen oder zu korrigieren, so das er gleich zu einem gewünschten DC Vorspannungspunkt ist. In einer Ausführungsform umfasst das digitale Filter 428 einen Integrationspfad und einen proportionalen Pfad. In einigen Ausführungsformen hängt der gewünschte DC Vorspannungspunkt für die erfasste Spannung V_sense von dem Typ des Vorverstärkers 170, der verwendet wird, ab. In wenigstens einer Ausführungsform ist der gewünschte DC Vorspannungspunkt gleich zu Null. In einer anderen Ausführungsform ist der gewünschte DC Vorspannungspunkt gleich zu einer Versorgungsspannung für den Vorverstärker 170, beispielsweise 1,8 V.
In einer Ausführungsform umfasst die Offset-Korrekturschaltung 420 einen digitalen Controller 430, der zwischen den Ausgang des digitalen Filters 428 und den Eingang des DAC 426 geschaltet ist. In einer Ausführungsform ist der Controller 430 konfiguriert, um Arbeitspunkte und andere Metriken des Betriebsverhaltens für die digitale Rückkopplungsschleife zu messen. In einer Ausführungsform dient der Controller 430 dazu, die Rückkopplungsschleife zu stabilisieren, und ist konfiguriert, um den DC Offset, der in der erfassten Spannung V_sense an dem Knoten 140 vorhanden ist, einzustellen oder zu korrigieren, so dass er gleich zu dem gewünschten DC Vorspannungspunkt ist. In einer Ausführungsform ist der Controller 430 konfiguriert, um in Verbindung mit dem digitalen Filter 428 zu arbeiten, um den DC Offset zu korrigieren.
In einigen Ausführungsformen, die einen Delta-Sigma basierten ADC 422 und/oder DAC 426 aufweisen, kann das Verzerrungsverhalten des ADC 422 und/oder des DAC 426 durch den DC Offset in dem Signal an dem Ausgangsknoten 180 beeinträchtigt werden. In einer Ausführungsform umfasst die Offset-Korrekturschaltung 420 ferner ein Addiererelement 432, welches zwischen den Ausgang des ADC 422 und den Eingang des DAC 426 geschaltet ist. In einer Ausführungsform ist das Addiererelement 432 zwischen den Ausgang des ADC 422 und den Eingang des digitalen Filters 428 geschaltet. In einer anderen Ausführungsform ist das Addiererelement 432 zwischen einen Ausgang des digitalen Filters 428 und den Eingang des DAC 426 geschaltet. Das Addiererelement 432 ist mit einem ADC Ton-Controller 434 verbunden und konfiguriert, um ein Ausgangssignal von dem ADC Ton-Controller 434 in das digitale Rückkopplungssignal vor einer Verarbeitung durch das digitale Filter 428 zu injizieren. Der ADC Ton-Controller 434 ist konfiguriert, um ein Offset-Signal bereitzustellen, welches eine Verzerrung in dem ADC 422 und/oder dem DAC 426 reduziert.
In einer Ausführungsform umfasst die digitale Offset-Korrekturschaltung 420 einen Startup-Beschleuniger 436, der zwischen den DAC 426 und den Controller 430 und/oder dem digitalen Filter 428 verbunden ist. Der Startup-Beschleuniger 436 ist konfiguriert, um vordefinierte oder gemessene Startup-Werte für das digitale Rückkopplungssignal in einem Speicher zu speichern, die als Anfangsbedingungen während eines Startups der digitalen Rückkopplungsschleife dienen. In dieser Weise kann die digitale Rückkopplungsschleife schneller starten.
9 zeigt eine grafische Darstellung, die das transiente Verhalten der Mikrofonschaltung mit und ohne einer DC Offset-Korrekturschleife darstellt. Insbesondere zeigt die grafische Darstellung die transiente Antwort der DC Offset-Korrekturschleife bei einer Störung bei t = 500 ms. Die grafische Darstellung zeigt eine Wellenform 902 der Mikrofonschaltung ohne die DC Offset-Korrekturschleife. Die grafische Darstellung zeigt ferner eine Wellenform 904 der Mikrofonschaltung ohne die DC Offset-Korrekturschleife. Wie in der Wellenform 902 ersichtlich verursacht die Störung eine DC-Verschiebung von ungefähr 0,2 V, die sehr langsamen abklingt. Wie jedoch in der Wellenform 904 ersichtlich stabilisiert und korrigiert die DC Offset-Korrekturschleife, im Ansprechen auf die Störung, den DC Offset, zurückkehrend auf den gewünschten DC Vorspannungspunkt von ungefähr 1 V innerhalb von ungefähr 70 ms.
Während die Offenbarung ausführlich in den Zeichnungen und der voranstehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben worden ist, sollte diese als illustrativ und der Art nach nicht beschränkend betrachtet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführungsformen dargeboten worden sind und dass sämtliche Änderungen, Modifikationen und weitere Anwendungen, die in den Grundgedanken der Offenbarung fallen, geschützt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/459813 [0001]

Claims

Mikrofon-Vorspannschaltung, umfassend: ein Mikrofon mit einem ersten Anschluss, der mit einem ersten Knoten verbunden ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einer ersten DC Vorspannung verbunden ist, wobei das Mikrofon konfiguriert ist, um eine erfasste Spannung an dem ersten Knoten im Ansprechen auf Schall bereitzustellen; eine erste Diode und eine zweite Diode, die jeweils zwischen den ersten Knoten und einem zweiten Knoten geschaltet sind, wobei die erste Diode und die zweite Diode zueinander antiparallel geschaltet sind, wobei der zweite Knoten eine zweite DC Vorspannung aufweist, die zu ersten Knoten über die erste Diode und die zweite Diode gekoppelt ist; einen ersten Verstärker mit einem Eingang, der mit dem ersten Knoten verbunden ist, und einem Ausgang, der mit einem dritten Knoten verbunden ist, wobei der erste Verstärker konfiguriert ist, um eine Ausgangsspannung zu dem dritten Knoten auf Grundlage der erfassten Spannung an dem ersten Knoten bereitzustellen; und einen ersten Rückkopplungspfad, der von dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten verbunden ist, wobei der erste Rückkopplungspfad umfasst: wenigstens ein Element, welches in dem ersten Rückkopplungspfad angeordnet ist und konfiguriert ist, um alternierende Komponenten der Ausgangsspannung an dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zu koppeln.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Widerstand, der zwischen den zweiten Knoten und einen vierten Knoten geschaltet ist.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 2, wobei der Widerstand umfasst: einen Schalter, der zu einem Widerstand zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten in Reihe geschaltet ist, wobei der Schalter durch ein Taktsignal mit einem einstellbaren Arbeitszyklus betätigt wird.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 2, wobei der Widerstand umfasst: eine dritte Diode und eine vierte Diode, die jeweils zwischen den zweiten Knoten und den vierten Knoten geschaltet sind, wobei die dritte Diode und die vierte Diode zueinander antiparallel geschaltet sind, wobei der vierte Knoten die zweite DC Vorspannung aufweist, die zu dem zweiten Knoten über die dritte Diode und die vierte Diode gekoppelt ist.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 4, wobei: die dritte Diode eine Reihenschaltung von wenigstens zwei dritten Dioden umfasst; und die vierte Diode eine Reihenschaltung von wenigstens zwei vierten Dioden umfasst.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Element in dem ersten Rückkopplungspfad ein Kondensator ist, der konfiguriert ist, um die alternierenden Komponenten der Ausgangsspannung an dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zu koppeln.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Element in dem ersten Rückkopplungspfad ein Kondensator und ein Kapazitäts-Multiplizierer ist, wobei der Kondensator und der Kapazitäts-Multiplizierer in Kombination konfiguriert sind, um die alternierenden Komponenten der Ausgangsspannung an dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zu koppeln.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Kondensator, der zwischen den zweiten Anschluss des Mikrofons und eine Massespannung geschaltet ist.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Ladungspumpenschaltung, die konfiguriert ist, um die erste DC Vorspannung bereitzustellen; und eine fünfte Diode und eine sechste Diode, die jeweils zwischen die Ladungspumpenschaltung und den zweiten Anschluss des Mikrofons geschaltet sind, wobei die fünfte Diode und die sechste Diode zueinander antiparallel geschaltet sind.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Verstärker konfiguriert ist, um als ein Spannungspuffer mit einer Einheitsverstärkung zu arbeiten.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen Kondensator, der zu dem Widerstand zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten parallel geschaltet ist.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen zweiten Rückkopplungspfad, der von dem dritten Knoten zu dem vierten Knoten verbunden ist, wobei der zweite Rückkopplungspfad umfasst: eine Offset-Korrekturschaltung, die darin angeordnet ist und konfiguriert ist, um einen DC Offset der erfassten Spannung an dem ersten Knoten einzustellen, um eine vorgegebene Größe aufzuweisen.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 12, wobei die Offset-Korrekturschaltung umfasst: eine Integratorschaltung oder eine Proportional-Integrator-Schaltung.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 12, wobei die Offset-Korrekturschaltung umfasst: eine Tiefpassfilterschaltung.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 12, wobei die Offset-Korrekturschaltung umfasst: ein digitales Filter, welches in dem zweiten Rückkopplungspfad angeordnet und konfiguriert ist, um den DC Offset der erfassten Spannung an dem ersten Knoten einzustellen, um die vorgegebene Größe aufzuweisen; einen Analog-zu-Digital Wandler, der in dem zweiten Rückkopplungspfad zwischen dem dritten Knoten und einem Eingang des digitalen Filters angeordnet ist; und einen Digital-zu-Analog Wandler, der in dem zweiten Rückkopplungspfad zwischen einem Ausgang des digitalen Filters und dem vierten Knoten angeordnet ist.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 15, wobei die Offset-Korrekturschaltung umfasst: ein Anti-Aliasingfilter, das in dem zweiten Rückkopplungspfad zwischen dem dritten Knoten und dem Analog-zu-Digital Wandler angeordnet ist.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 15, wobei das digitale Filter einen Integrationspfad und einen proportionalen Pfad umfasst.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 12, ferner umfassend: einen Kondensator, der parallel zu der ersten Diode und der zweiten Diode zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten geschaltet ist.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, wobei das Mikrofon einen kapazitiven Wandler umfasst.
Mikrofon-Vorspannschaltung nach Anspruch 1, wobei das Mikrofon einen Wandler mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) umfasst.