DE112014006684T5

DE112014006684T5 - Mikrofon und Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons

Info

Publication number: DE112014006684T5
Application number: DE112014006684.2T
Authority: DE
Inventors: Jan Tue Ravnkilde; Christian Siegel; Matthias Jungkunz; Gino Rocca; Ivan Riis Nielsen; Anton Leidl; Pirmin Hermann Otto Rombach
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2017-02-02
Also published as: US10142729B2; JP2017520976A; JP6364653B2; WO2015176745A1; US20170150253A1

Abstract

Ein Mikrofon (1) umfasst einen Wandler (2) und einen Modusregler (11). Das Mikrofon weist einen normalen Betriebsmodus (M0) und einen Kollapsmodus (M1) auf. Der Modusregler (11) schaltet in den Kollapsmodus (M1), wenn ein Ausgangssignal des Wandlers (2) einen vordefinierten Schwellenwert (S0) erreicht oder überschreitet, und schaltet in den normalen Betriebsmodus (M0), wenn das Ausgangssignal einen vordefinierten weiteren Schwellenwert (S1) erreicht oder unterschreitet. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb des Mikrofons (1) bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Mikrofon, insbesondere ein Kondensator-MEMS-Mikrofon (mikro-elektrisch-mechanische Systeme) und ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons. Das Mikrofon kann einen einseitig terminierten oder einen Differenzwandler umfassen. Wenn das Mikrofon sehr hohen Schalldruckpegeln ausgesetzt wird, kann ein Kollaps des Wandlers auftreten.
Patentdokument US 5,870,482 offenbart ein Miniatur-Silizium-Kondensatormikrofon, wobei eine Bewegung einer Membran zum Verhindern eines Kollapses begrenzt wird. Patentanmeldung EP 1 599 067 A2 ist auf ein Verfahren zum Erkennen und Steuern eines Membrankollapses in Kondensatormikrofonen gerichtet.
Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Mikrofon mit verbesserten Eigenschaften und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons bereitzustellen.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Mikrofon. Das Mikrofon umfasst einen Wandler, insbesondere zum Konvertieren eines akustischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal. Der Wandler kann durch Anwendung von MEMS-Technologie hergestellt werden. Der Wandler kann einen Kondensator umfassen. Insbesondere kann ein akustisches Eingangssignal in einer Kapazitätsänderung des Wandlers resultieren. Dementsprechend kann das Mikrofon ein Kondensator- oder elektrostatisches Mikrofon sein. Der Wandler kann eine Membran und eine oder mehrere Rückplatten umfassen. Insbesondere kann der Wandler ein einseitig terminierter oder ein Differenzwandler sein.
Das Mikrofon kann eine Spannungsversorgung für den Wandler umfassen. Dadurch kann eine Vorspannung an den Wandler angelegt werden, insbesondere zwischen die Membran und eine oder mehrere Rückplatten des Wandlers. Durch Einstellen des Werts der Vorspannung kann die Empfindlichkeit des Wandlers eingestellt werden. Die Spannungsversorgung kann eine Spannungsquelle, insbesondere eine Ladungspumpe umfassen.
Durch eine akustische Eingabe, insbesondere eine Druckwelle, kann die Membran so abgelenkt werden, dass sich die Distanz zwischen der Membran und der Rückplatte ändert, was in einer Kapazitätsänderung des Wandlers resultiert. Wenn das Mikrofon sehr hohen Schalldruckpegeln (SPL) ausgesetzt wird, kann ein Kollaps der Membran auftreten. Insbesondere kann die Membran die Rückplatte berühren und aufgrund des elektrischen Felds zwischen der Membran und der Rückplatte an der Rückplatte anheften.
Das Mikrofon kann einen normalen Betriebsmodus und einen Kollapsmodus aufweisen. Das Mikrofon kann einen Modusregler umfassen. Der Modusregler kann das Ausgangssignal des Wandlers überwachen, insbesondere das Ausgangssignal fortlaufend überwachen. Der Modusregler kann in den Kollapsmodus schalten, wenn ein Ausgangssignal des Wandlers einen vordefinierten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Der Modusregler kann ferner in den normalen Betriebsmodus schalten, wenn das Ausgangssignal einen vordefinierten weiteren Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Das jeweilige Ausgangssignal kann ein vom Wandler generiertes unverarbeitetes Signal sein. Alternativ kann das jeweilige Ausgangssignal verarbeitet worden sein, bevor es mit den Schwellenwerten verglichen wird. Als ein Beispiel kann das Ausgangssignal verstärkt worden sein.
Der Modusregler kann ein Teil eines elektronischen Schaltkreises sein, insbesondere eines als ein ASIC (anwendungsspezifischer elektronischer Schaltkreis) gefertigten elektronischen Schaltkreises. Als ein Beispiel kann die Mikrofonbaugruppe einen MEMS-Chip, der den Wandler umfasst, und einen ASIC-Chip umfassen, der den elektronischen Schaltkreis umfasst und elektrisch mit dem MEMS-Chip verbunden ist.
Das Erreichen oder Überschreiten des vordefinierten Schwellenwerts durch das Ausgangssignal kann anzeigen, dass ein Kollaps der Membran aufgetreten ist oder dass ein Kollaps unmittelbar bevorsteht. Das Schalten in den Kollapsmodus kann ein Setzen eines internen Flags bedeuten. Der Modusregler kann eingestellt werden, ein Schalten weiterer Teile des elektronischen Schaltkreises in einen Kollapsmodus auszulösen. Als ein Beispiel kann das Verarbeiten des Ausgangssignals des Wandlers im Kollapsmodus geändert werden. Das Schalten in den Kollapsmodus kann die Einstellung von Parametern, zum Beispiel des Verstärkungsfaktors eines Verstärkers, bedeuten. Zusätzlich oder alternativ können Parameter des Wandlers eingestellt werden, zum Beispiel die an den Wandler angelegte Vorspannung.
Das Erreichen oder Unterschreiten des vordefinierten weiteren Schwellenwerts durch das Ausgangssignal kann anzeigen, dass ein Ereignis mit hohem SPL geendet hat. Der Modusregler kann eingestellt werden, ein Schalten weiterer Teile des elektronischen Schaltkreises in einen normalen Betriebsmodus auszulösen.
In einer Ausführungsform kann das Mikrofon so konfiguriert sein, dass die Vorspannung verringert wird, wenn das Mikrofon in den Kollapsmodus schaltet. Als ein Beispiel kann dem Wandler im normalen Betriebsmodus eine Betriebsspannung bereitgestellt werden. Im Kollapsmodus kann der Pegel der Vorspannung so gesenkt werden, dass der Membran ermöglicht wird, von der Rückplatte freigegeben zu werden. Wenn noch kein Kollaps aufgetreten ist, kann ein unmittelbar bevorstehender Kollaps der Membran durch Reduzieren der Vorspannung verhindert werden.
In einer Ausführungsform kann das Mikrofon so konfiguriert sein, dass der Vorspannungspegel beibehalten wird, wenn das Mikrofon in den Kollapsmodus schaltet. Der Pegel kann während des Fortdauerns des Kollapsmodus auf der normalen Betriebsspannung beibehalten werden. In dieser Ausführungsform kann ein Kollaps der Membran während des Kollapsmodus beibehalten werden.
Das Mikrofon kann so konfiguriert sein, dass der Vorspannungspegel zuerst verringert und dann wieder erhöht wird, wenn das Mikrofon vom Kollapsmodus in den normalen Betriebsmodus schaltet. Insbesondere kann der Vorspannungspegel zuerst unter die Betriebsspannung gesetzt werden, um eine Freigabe der Membran von der Rückplatte zu ermöglichen. Dann kann der Vorspannungspegel wieder auf die Betriebsspannung gesetzt werden. Dieser Betriebsmodus ermöglicht eine Freigabe des Kollapses auch, wenn die Betriebsspannung im Kollapsmodus beibehalten wird. Dieser Betriebsmodus kann jedoch auch nützlich sein, wenn die Spannung im Kollapsmodus reduziert wird. Insbesondere kann eine Freigabe der Membran sichergestellt werden.
Durch Überwachen des Ausgangssignals des Wandlers und das Zurückschalten in den normalen Betriebsmodus nur dann, wenn das Stromsignal unter dem weiteren Schwellenwert ist, kann sichergestellt werden, dass das Ereignis mit hohem SPL geendet hat, bevor das Mikrofon in den normalen Betriebsmodus zurückkehrt. Dadurch kann ein dauerhafter Kollaps verhindert werden.
Das Mikrofon kann konfiguriert sein, nur dann vom Kollapsmodus in den normalen Betriebsmodus zu schalten, wenn das Ausgangssignal zumindest während einer vordefinierten Zeitdauer gleich oder unter dem weiteren Schwellenwert geblieben ist. Als ein Beispiel kann die vordefinierte Zeitdauer mindestens 200 ms betragen. Insbesondere kann die vordefinierte Zeitdauer 400 ms oder länger sein.
Im Kollapsmodus kann die Empfindlichkeit des Mikrofons geringer als im normalen Betriebsmodus sein. Insbesondere kann die Empfindlichkeit des Wandlers geringer als im normalen Betriebsmodus sein. Ein Empfindlichkeitsverlust kann aus einer Reduktion der Vorspannung während des Kollapsmodus resultieren. Alternativ oder zusätzlich kann ein Empfindlichkeitsverlust aus einem Anheften der Membran an einer Rückplatte resultieren. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Vorspannung während des Kollapsmodus nicht reduziert wird. Als ein Beispiel kann die Empfindlichkeit um 5 dB bis 25 dB reduziert werden, insbesondere um 10 dB bis 20 dB. Eine reduzierte Empfindlichkeit kann eine Mikrofonausgabe mit einem niedrigen Signalpegel während eines Ereignisses mit hohem SPL ermöglichen. Das Ausgangssignal kann weiter in eine niedrige Schallausgabe verarbeitet werden, wenn ein Lautsprecher bereitgestellt wird. Dementsprechend kann einem Benutzer eine Ausgabe mit niedriger Lautstärke während eines oder mehrfacher Ereignisse mit hohem SPL bereitgestellt werden.
Der Schwellenwert kann höher als der weitere Schwellenwert sein. Die Differenz in den Schwellenwerten kann die Differenz in der Empfindlichkeit des Wandlers widerspiegeln. Als ein Beispiel kann der Schwellenwert um 5 dB bis 25 dB höher als der weitere Schwellenwert sein, insbesondere um 10 dB bis 20 dB höher. Der Schwellenwert kann einem Bereich von 120 bis 140 dB SPL entsprechen. Der weitere Schwellenwert kann einem Bereich von 100 bis 130 dB SPL entsprechen.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon einen Verstärker und einen Verstärkungsfaktorregler zum Einstellen des Verstärkungsfaktors des Verstärkers. Insbesondere kann das Mikrofon einen oder mehrere Verstärker umfassen. Dementsprechend kann die Empfindlichkeit des Mikrofons einstellbar sein. Insbesondere kann das Mikrofon konfiguriert sein, den Verstärkungsfaktor des Verstärkers im Kollapsmodus einzustellen.
Dies kann in Anwendungen nützlich sein, in denen ein Empfindlichkeitsverlust des Wandlers im Kollapsmodus unerwünscht ist. Insbesondere kann ein Empfindlichkeitsverlust des Wandlers im Kollapsmodus vollständig oder teilweise vom Verstärker kompensiert werden, wobei die Kompensierung durch den Verstärkungsfaktorregler ausgelöst werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon einen Analog-digital(A/D)-Umrichter zum Bereitstellen einer digitalen Ausgabe des Mikrofons. Ein vom Wandler generiertes Signal kann zuerst von einem Verstärker verarbeitet werden und dann in den A/D-Umrichter gespeist werden. Der Verstärker kann einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweisen, wobei die Verstärkungsfaktoreinstellung vom Verstärkungsfaktorregler geregelt wird. Ferner kann das Mikrofon einen Digitalumrichter umfassen. Der Digitalumrichter kann einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweisen, wobei die Verstärkungsfaktoreinstellung auch vom Verstärkungsfaktorregler geregelt wird. Der Verstärkungsfaktorregler kann konfiguriert sein, den Verstärkungsfaktor des Digitalumrichters und des Verstärkers einzustellen. Dadurch kann ein Empfindlichkeitsverlust des Wandlers im Kollapsmodus kompensiert werden.
In einer Ausführungsform kann das Mikrofon einen Vorverstärker und einen Verstärker zum Verarbeiten des vom Wandler generierten Signals umfassen. Der Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers und/oder des Verstärkers kann vom Verstärkungsfaktorregler einstellbar sein, um einen Empfindlichkeitsverlust im Kollapsmodus zu kompensieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrofons, insbesondere des Mikrofons wie oben beschrieben. In Bezug auf das Mikrofon beschriebene Merkmale werden hierin auch in Bezug auf das Verfahren offenbart und umgekehrt, auch wenn das jeweilige Merkmal nicht ausdrücklich im Kontext des spezifischen Aspekts erwähnt wird.
Das Verfahren umfasst den Schritt des Betriebs des Mikrofons im normalen Betriebsmodus. Als ein Beispiel wird der Wandler mit einer Vorspannung auf einem Betriebspegel versorgt. In einem weiteren Schritt wird das Mikrofon in den Kollapsmodus geschaltet, wenn ein Ausgangssignal des Wandlers einen vordefinierten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Im Kollapsmodus kann die Vorspannung reduziert werden. Alternativ kann die Vorspannung beibehalten werden. In einem weiteren Schritt wird das Mikrofon in den normalen Betriebsmodus geschaltet, wenn das Ausgangssignal einen vordefinierten weiteren Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das eine Ausführungsform einer Mikrofonbaugruppe darstellt,
2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform zum Betrieb eines Mikrofons,
3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorspannung als Funktion der Zeit nach einer ersten Ausführungsform,
4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorspannung als Funktion der Zeit nach einer zweiten Ausführungsform,
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit einem einseitig terminierten Wandler und Empfindlichkeitskompensierung nach einer Ausführungsform,
6 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit einem Differenzwandler und Empfindlichkeitskompensierung nach einer Ausführungsform,
7 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit einem einseitig terminierten Wandler und Empfindlichkeitskompensierung nach einer Ausführungsform,
8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit einem Differenzwandler und Empfindlichkeitskompensierung nach einer Ausführungsform,
9 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit einem einseitig terminierten Wandler und Empfindlichkeitskompensierung nach einer Ausführungsform,
10 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit einem einseitig terminierten Wandler und Empfindlichkeitskompensierung nach einer Ausführungsform.
Gleiche Elemente, Elemente der gleichen Art und identisch wirkende Elemente können in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Mikrofons 1. Das Mikrofon 1 ist ein Kondensatormikrofon. Das Mikrofon 1 umfasst einen Wandler 2 zum Konvertieren eines akustischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal. Der Wandler 2 ist ein MEMS-Wandler. Als ein Beispiel kann der Wandler 2 ein Halbleitermaterial wie Silizium oder Galliumarsenid umfassen. Der Wandler 2 umfasst eine Membran und eine oder mehrere Rückplatten. Als ein Beispiel kann die Distanz zwischen der Membran und der Rückplatte in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm liegen. Insbesondere kann der Wandler 2 als ein Differenzwandler oder als ein einseitig terminierter Wandler konfiguriert sein. Bei einem akustischen Eingangssignal wird die Membran zu einer Rückplatte hin abgelenkt, wobei sich die Kapazität des Wandlers 2 ändert, was in einem elektrischen Signal an einem Eingang 3 eines elektronischen Schaltkreises 4 des Mikrofons resultiert.
Der elektronische Schaltkreis 4 umfasst eine Spannungsversorgung 6 zum Bereitstellen einer Vorspannung an den Wandler 2 über eine Vorspannungsleitung 7, insbesondere mit einer Gleichspannungsvorspannung. Die Spannungsversorgung 6 kann eine Ladungspumpe, insbesondere eine Dickson-Ladungspumpe umfassen. Als ein Beispiel kann die Vorspannung im Bereich von 8 V bis 15 V liegen.
Der elektronische Schaltkreis 4 kann Elemente umfassen, die das vom Wandler generierte elektrische Signal weiter verarbeiten. Insbesondere kann der elektronische Schaltkreis 4 einen Verstärker 9 umfassen. Der Verstärker 9 kann den Signalpegel einstellen und/oder ein hochohmiges elektrisches Signal des Wandlers 2 in ein niederohmiges Signal transformieren. Das Mikrofon 1 umfasst einen Ausgang 5, der ein Analog- oder Digitalausgang sein kann.
Der elektronische Schaltkreis 4 umfasst einen Modusregler 8 zum Setzen eines Modus des Mikrofons 1. Der Modusregler 8 überwacht das vom Wandler 2 generierte elektrische Signal. Abhängig vom Signalpegel schaltet der Modusregler 8 das Mikrofon 1 und insbesondere die Spannungsversorgung 6 von einem normalen Betriebsmodus in einen Kollapsmodus und umgekehrt. Das Schalten des Modus kann ein Setzen eines internen Flags des Modusreglers 8 bedeuten. Dementsprechend schaltet auch der Modus des Modusreglers 8 um. Im normalen Betriebsmodus beliefert die Spannungsversorgung 6 den Wandler 2 mit der Betriebsvorspannung V0. Wenn der vom Modusregler 8 überwachte elektrische Modus einen vordefinierten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, schaltet die Spannungsversorgung 6 in den Kollapsmodus. Der elektronische Schaltkreis 4 kann weitere Teile umfassen, die nicht in 1 gezeigt sind. Als ein Beispiel kann das vom Modusregler 8 generierte Signal weiter verarbeitet werden, bevor es in die Spannungsversorgung 6 gespeist wird.
Das Überschreiten des Schwellenwerts durch das elektrische Signal kann anzeigen, dass ein Kollaps des Wandlers 2 aufgetreten ist oder unmittelbar bevorsteht. In einem Kollaps berührt die Membran des Wandlers 2 die Rückplatte. Als ein Beispiel kann das Mikrofon 1 einen Kollaps für einen kurzen SPL von 145 dB zeigen. Dies kann in einer großen Kapazitätsänderung resultieren. Aufgrund des zwischen der Membran und der Rückplatte vorhandenen elektrischen Felds kann die Membran an der Rückplatte anheften und der Wandler 2 kann im kollabierten Zustand bleiben, bis die Vorspannung ausreichend reduziert wird.
Details des Betriebs des Mikrofons 1 sind in 2 dargestellt.
2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Betriebs eines Mikrofons, insbesondere des Setzens eines Modus des Mikrofons.
Anfänglich befindet sich das Mikrofon 1 im normalen Betriebsmodus M0, in dem die Spannungsversorgung eine Betriebsspannung V0 liefert. Bei einer akustischen Eingabe 10 generiert der Wandler 2 ein elektrisches Signal, das in den Modusregler 8 gespeist wird. Das elektrische Signal kann weiter verarbeitet werden, bevor es in den Modusregler 8 gespeist wird, zum Beispiel von einem Verstärker 9 verstärkt, wie in 1 gezeigt. Abhängig vom Wert des aktuellen Modus M, wie von der Abfrage „M = M0“ angezeigt, wird das elektrische Eingangssignal weiter vom Modusregler 8 verarbeitet. Wenn sich das Mikrofon im normalen Betriebsmodus M0 befindet, wie durch „✓“ angezeigt, vergleicht der Modusregler 8 den Wert des Eingangssignals S mit einem vordefinierten Schwellenwert S0, wie von der Abfrage „S >= S0?“ angezeigt. Als ein Beispiel kann der Schwellenwert einem Schalldruckpegel von 130 dB SPL entsprechen. Falls der Signalpegel S unter dem Schwellenwert S0 liegt, d. h., S < S0, wie durch „x“ angezeigt, wird der normale Betriebsmodus M0 beibehalten, wie durch „M = M0“ angezeigt.
Wenn der Signalpegel S den Schwellenwert S0 erreicht oder überschreitet, d. h., S >= S0, wie durch „✓“ angezeigt, schaltet das Mikrofon in den Kollapsmodus M1, wie durch „M = M1“ angezeigt. Insbesondere generiert der Modusregler 8 ein Signal, das auf den Kollapsmodus M1 hinweist, wodurch der Betriebsmodus weiterer Teile des elektronischen Schaltkreises, zum Beispiel der Spannungsversorgung 6, geändert wird.
Danach beginnt die modusregelnde Routine wieder. Das vom Wandler 2 generierte elektrische Signal wird vom Modusregler 8 analysiert. Wenn sich das Mikrofon im Kollapsmodus befindet, d. h., M ≠ M0, wie durch „x“ angezeigt, entscheidet der Modusregler 8, ob der Kollapsmodus M1 beibehalten wird, oder ob das Mikrofon wieder in den normalen Modus M0 zurückschaltet. Zu diesem Zweck wird der aktuelle Signalpegel mit einem weiteren Schwellenwert S1 verglichen.
Der weitere Schwellenpegel S1 kann niedriger als der Schwellenpegel S0 sein. Im kollabierten Zustand kann die Empfindlichkeit des Wandlers reduziert sein, zum Beispiel um ungefähr 15 dB bis 20 dB. Deshalb kann das vom Wandler generierte elektrische Signal bei einem bestimmten Schalldruckpegel einen niedrigeren Pegel aufweisen als im nicht kollabierten Zustand. Als ein Beispiel kann der Schwellenpegel S1 um 10 dB bis 20 dB niedriger sein als der Schwellenpegel S0. Als ein Beispiel kann der weitere Schwellenwert einer Schalleingabe von 110 dB SPL entsprechen.
Wenn der Signalpegel den weiteren Schwellenwert S1 erreicht oder überschreitet, d. h., S >= S1, wie durch „✓“ angezeigt, wird der Kollapsmodus M1 beibehalten, wie durch „M = M1“ angezeigt. Wenn der Signalpegel unter dem weiteren Schwellenwert S1 ist, d. h., S < S1, wie durch „x“ angezeigt, schaltet das Mikrofon in den normalen Modus M0 zurück, wie durch „M = M0“ angezeigt.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Bedingung zum Umschalten des Modus ein Erreichen oder Überschreiten des Schwellenpegels durch einen Signalpegel oder ist ein Erreichen oder Unterschreiten des weiteren Schwellenpegels durch einen Signalpegel. Dies kann bedeuten, dass das Erreichen eines der Schwellenpegel durch das Signal zum Umschalten des Modus ausreichend ist. Alternativ muss das Signal zum Umschalten des Modus den Schwellenpegel überschreiten oder den weiteren Schwellenpegel unterschreiten.
In einer Ausführungsform kann das Mikrofon nur dann in den normalen Modus M0 zurückschalten, wenn der Signalpegel für eine vordefinierte Zeitdauer unter dem weiteren Schwellenwert S1 liegt. Als ein Beispiel kann eine Bedingung zum Zurückkehren in den normalen Modus sein, dass der Signalpegel mehr als 500 ms unter dem weiteren Schwellenwert liegt. Durch diese Bedingung kann das Mikrofon während sich wiederholenden Ereignissen mit hohem SPL oder während eines Ereignisses mit hohem SPL mit niedriger Frequenz im Kollapsmodus bleiben. Dies kann dabei helfen, eine unangenehme hohe Ausgabe des Mikrofons und insbesondere einen unangenehmen Ton in einem zusätzlichen Lautsprecher in einem anhaltenden Ereignis mit hohem SPL zu vermeiden.
3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorspannung V als Funktion einer Zeit T während eines Kollapsereignisses nach einer ersten Ausführungsform.
Anfänglich befindet sich das Mikrofon im normalen Betriebsmodus M0, in dem die Spannungsversorgung eine Betriebsspannung V0 liefert. Der Signalpegel S liegt unter dem Schwellenwert S0. Zu einer Zeit T0 erkennt der Modusregler, dass der Signalpegel S den Schwellenwert S0 erreicht oder überschritten hat, und schaltet dementsprechend in den Kollapsmodus M1.
In dieser Ausführungsform wird die Vorspannung im Kollapsmodus am Wert V0 gehalten. Aufgrund der hohen Vorspannung kann die Membran im kollabierten Zustand bleiben. In diesem Zustand ist die Ablenkung der Membran auf die nicht kollabierten Teile der Membran begrenzt. Dies senkt das elektrische Signal des Wandlers verglichen mit einem nicht kollabierten Zustand, zum Beispiel um 10 dB bis 20 dB, abhängig von der Membrankonstruktion.
Der Modusregler prüft den Signalpegel fortlaufend. Solange das Signal einen weiteren Schwellenpegel S1 erreicht oder überschreitet, wird der Kollapsmodus M1 beibehalten.
Zur Zeit T1 ist der Signalpegel unter den weiteren Schwellenpegel S1 gefallen und das Mikrofon schaltet zurück in den normalen Modus M0. Zu dieser Zeit wird die Vorspannung auf einen Wert V1 gesenkt, der unter einer Membranfreigabespannung liegt, sodass die Membran von der Rückplatte freigegeben wird. Der Wert V1 kann zum Beispiel 100 ms lang beibehalten werden. Zur Zeit T2 wird die Vorspannung zurück auf die normale Betriebsspannung V0 gesetzt.
Wie bereits in Verbindung mit 2 diskutiert wurde, kann das Mikrofon so konfiguriert sein, dass der Modus nur dann in den normalen Modus zurückgeschaltet wird, wenn der Signalpegel für zumindest eine vordefinierte Zeitdauer unter dem weiteren Schwellenpegel S1 liegt. Als ein Beispiel, wenn der Signalpegel zu einer bestimmten Zeit unter dem weiteren Schwellenpegel S1 ist und am nächsten Messpunkt über dem Schwellenpegel ist, können der Kollapsmodus und damit die Betriebsspannung beibehalten werden.
Aufgrund der fortlaufenden Überwachung des elektrischen Signals kann der Betriebsmodus des Mikrofons als eine Funktion des aktuellen Schalldruckpegels gesetzt werden. Wenn sich das Mikrofon im Kollapsmodus befindet, ist ein Signalpegel gleich oder über dem weiteren Schwellenpegel S1 ein Hinweis auf ein anhaltendes Ereignis mit hohem SPL. Insbesondere können sich wiederholende Ereignisse mit hohem SPL oder ein Ereignis mit hohem SPL mit niedriger Frequenz auftreten. Das Mikrofon kann nur dann in den normalen Modus zurückgeschaltet werden, wenn das Ereignis mit hohem SPL geendet hat. Dies kann sicherstellen, dass die Membran tatsächlich von der Rückplatte freigegeben wird, wenn die Spannung unter die Freigabespannung gesetzt wird, und dass die Membran nicht aufgrund eines anhaltenden Ereignisses mit hohem SPL immer noch an die Rückplatte gedrückt wird. Deshalb kann ein dauerhafter Kollaps im Fall eines langen oder sich wiederholenden SPL-Ereignisses vermieden werden.
Ferner wird auch während eines oder mehrfachen Ereignissen mit hohem SPL aufgrund der reduzierten Empfindlichkeit des Mikrofons im Kollapsmodus eine Ausgabe des Mikrofons auf einem niedrigen Signalpegel gehalten. Da die Spannung auf dem Pegel der Betriebsspannung V0 gehalten wird, kann die Membran während des Kollapsmodus im kollabierten Zustand bleiben. Das niedrige elektrische Signal kann weiter in eine niedrige Schallausgabe verarbeitet werden, wenn ein Lautsprecher bereitgestellt wird. Dementsprechend kann einem Benutzer eine Ausgabe mit niedriger Lautstärke während eines oder mehrfacher Ereignisse mit hohem SPL bereitgestellt werden.
4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Vorspannung als Funktion der Zeit während eines Kollapsereignisses nach einer zweiten Ausführungsform.
Anfänglich befindet sich das Mikrofon im normalen Betriebsmodus M0, in dem die Spannungsversorgung eine Betriebsspannung V0 liefert. Zu einer Zeit T0 erkennt der Modusregler, dass der Signalpegel S den Schwellenwert S0 erreicht oder überschritten hat und der Modus wird in den Kollapsmodus M1 geschaltet.
In dieser Ausführungsform wird die Vorspannung auf einen Pegel V2 gesenkt, wenn der Modus in den Kollapsmodus geschaltet wird. Der Wert V2 liegt so unter einer Membranfreigabespannung, dass die Membran von der Rückplatte freigegeben werden kann. Der Wert V2 kann höher als der Wert V1 von 3 sein. Der Wert V2 ist vorzugsweise wesentlich kleiner als der Wert der Betriebsspannung V0. Als ein Beispiel kann der Wert V2 in einem Bereich von 1 V bis 4 V liegen. Der Wert V0 kann in einem Bereich von 8 V bis 15 V liegen. Als ein Beispiel kann das Ausgangssignal aufgrund der niedrigeren Vorspannung verglichen mit dem Ausgangssignal bei normaler Vorspannung um 10 dB bis 20 dB reduziert sein.
Anhaltende Ereignisse mit hohem SPL oder ein Ereignis mit hohem SPL mit niedriger Frequenz können die Membran im Kollapsmodus wieder an die Rückplatte drücken. Da die Vorspannung jedoch unter der Membranfreigabespannung liegt, wird die Membran wieder von der Rückplatte freigegeben, sobald das Ereignis mit hohem SPL geendet hat. Aufgrund der niedrigeren Vorspannung wird das Ausgangssignal auch bei weiteren Ereignissen mit hohem SPL auf einem tolerierbaren Pegel gehalten.
Der Modusregler überwacht den Signalpegel fortlaufend. Solange der Signalpegel den weiteren Schwellenpegel S1 erreicht oder überschreitet, wird der Kollapsmodus M1 beibehalten.
Zur Zeit T1 fällt der Signalpegel unter den weiteren Schwellenpegel S1 und das Mikrofon schaltet zurück in den normalen Modus M0. Zu dieser Zeit wird die Vorspannung auf die normale Betriebsspannung V0 erhöht.
Wie in Bezug auf 3 erläutert, bleibt auch in der zweiten, in 4 gezeigten Ausführungsform das Mikrofonsignal während eines gesamten Ereignisses mit hohem SPL in einem linearen Bereich. Dies ermöglicht, dass einem Benutzer eine Ausgabe mit niedriger Lautstärke während eines Ereignisses mit hohem SPL und insbesondere während einer Reihe von kurz aufeinanderfolgenden Ereignissen mit hohem SPL bereitgestellt wird. Insbesondere kann auch unter Bedingungen mit extrem hohem Schalldruckpegel eine schöne Schallausgabe gegeben werden.
Ferner kann das Mikrofon aufgrund der Überwachung des Signals nur dann in den normalen Modus zurückgesetzt werden, wenn das Ereignis mit hohem SPL geendet hat, das den Kollaps verursacht hat. Insbesondere, wie in Verbindung mit 3 beschrieben, kann auch in der Ausführungsform von 4 angefordert werden, dass der Signalpegel für eine vordefinierte Zeitdauer unter dem weiteren Schwellenwert ist, bevor der Modus vom Kollapsmodus zurück in den normalen Modus geschaltet wird. Dadurch kann ein dauerhafter Kollaps, insbesondere aufgrund eines anhaltenden Kollapsereignisses während des Zurückschaltens in den normalen Modus, vermieden werden.
In manchen Anwendungen kann eine Empfindlichkeitsreduktion während eines Ereignisses mit hohem SPL nicht erwünscht sein. In diesem Fall kann eine Empfindlichkeitskompensierung angewandt werden.
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit Empfindlichkeitskompensierung nach einer ersten Ausführungsform.
Der elektronische Schaltkreis 4 umfasst einen Verstärkungsfaktorregler 11 zum Kompensieren eines Empfindlichkeitsverlusts, wenn das Mikrofon 1 im Kollapsmodus ist. Ein Empfindlichkeitsverlust kann aus einer Reduktion der Vorspannung während des Kollapsmodus resultieren, wie in Bezug auf 4 erläutert. Alternativ oder zusätzlich kann ein Empfindlichkeitsverlust aus einem Anheften der Membran an einer Rückplatte resultieren. Dies kann während des Kollapsmodus der Fall sein, wenn die Vorspannung nicht reduziert wird, wie in Bezug auf 3 erläutert.
Das Mikrofon 1 umfasst einen einseitig terminierten Wandler 12. Insbesondere umfasst der einseitig terminierte Wandler 12 einen Kondensator mit einer einzigen Rückplatte. Das Ausgangssignal des einseitig terminierten Wandlers 12 resultiert aus der Änderung der Kapazität des Kondensators. Das vom einseitig terminierten Wandler 12 generierte Signal wird von einem Verstärker 9 verarbeitet und in einen Modusregler 8 eingespeist, wie bereits in Bezug auf 1 und 2 beschrieben. Der Modusregler 8 stellt dem Verstärkungsfaktorregler 11 ein Signal bereit. Das Signal zeigt den aktuellen Modus des Mikrofons 1 an.
Abhängig vom aktuellen Modus stellt der Verstärkungsfaktorregler 11 den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 ein. Insbesondere kann der Verstärkungsfaktorregler 11 den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 und dadurch die Empfindlichkeit des Mikrofons so einstellen, dass der aus der reduzierten Spannung resultierende Empfindlichkeitsverlust kompensiert wird.
Der Verstärkungsfaktorregler 11 stellt auch den Pegel der von der Spannungsversorgung 6 generierten Vorspannung ein. Insbesondere, wenn der Modusregler 8 ein Signal generiert, das ein Schalten zum Kollapsmodus anzeigt, löst der Verstärkungsfaktorregler 11 eine Reduktion der Vorspannung um einen Betrag von Δ V aus.
Wenn der Modusregler 8 ein Signal generiert, das ein Zurückschalten zum normalen Modus auslöst, löst der Verstärkungsfaktorregler 11 eine Erhöhung der Vorspannung um einen Betrag von Δ V aus, d. h., zurück zur Betriebsspannung V0 hin, und stellt gleichzeitig den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 und dadurch die Empfindlichkeit des Mikrofons 1 zurück auf den Anfangswert im normalen Modus ein.
Das in 5 gezeigte Mikrofon kann ein Analogausgabemikrofon sein. Für ein Analogausgabemikrofon kann eine vollständige Kompensierung nicht möglich sein, da der Spannungsbereich der Analogausgabe begrenzt sein kann. In einer weiteren Ausführungsform kann das Mikrofon ein Digitalausgabemikrofon sein, das zum Beispiel Umrichterelemente wie in Verbindung mit 7 beschrieben umfasst.
6 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons mit Empfindlichkeitskompensierung nach einer zweiten Ausführungsform.
Das Mikrofon 1 umfasst einen Differenzwandler 13 mit einer zwischen zwei Rückplatten angeordneten Membran. Dementsprechend umfasst der Wandler 13 einen ersten Kondensator, der von der Membran und einer ersten Rückplatte bereitgestellt wird, und umfasst einen zweiten Kondensator, der von der Membran und einer zweiten Rückplatte bereitgestellt wird. Ein erstes Signal des Wandlers 13 spiegelt die Kapazitätsänderung des ersten Kondensators wider, und ein zweites Signal spiegelt die Kapazitätsänderung des zweiten Kondensators wider. Das erste Signal wird von einem ersten Verstärker 14 verarbeitet und das zweite Signal wird von einem zweiten Verstärker 15 verarbeitet. Beide Verstärker sind variabel.
Ein Modusregler 8 empfängt die vom ersten und vom zweiten Verstärker 14, 15 bereitgestellten Signale und generiert ein Signal, das den aktuellen Modus anzeigt und in einen Verstärkungsfaktorregler 11 eingespeist wird. Der Verstärkungsfaktorregler 11 stellt den Verstärkungsfaktor des ersten und des zweiten Verstärkers 14, 15 und den von der Spannungsversorgung 6 generierten Vorspannungspegel ein, wie in Bezug auf 5 beschrieben.
Das in 6 gezeigte Mikrofon kann ein Analogausgabemikrofon sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Mikrofon ein Digitalausgabemikrofon sein, das zum Beispiel Umrichterelemente wie in Verbindung mit 8 beschrieben umfasst.
7 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons 1 mit Empfindlichkeitskompensierung nach der in 5 gezeigten ersten Ausführungsform, das ferner einen Digitalausgang 5 bereitstellt.
Das vom Verstärker 9 bereitgestellte analoge Ausgangssignal wird in einen Analog-digital(A/D)-Umrichter 16 eingespeist, der das analoge Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal konvertiert. Der A/D-Umrichter 16 kann als ein Analog-zu-digital-Sigma-Delta-Modulator konfiguriert sein.
Das digitale Signal wird in einen Digitalumrichter 17 einspeist, der eine einstellbare Verstärkungsfaktoreinstellung aufweist. Der Digitalumrichter 17 kann angepasst werden, ein Mehrbit-Digitalsignal in ein Einzelbit-Digitalsignal zu konvertieren.
Im normalen Modus kann der Verstärkungsfaktorregler 11 den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 und des Digitalumrichters 17 so setzen, dass das Produkt der Verstärkungsfaktoreinstellungen konstant bleibt. Als ein Beispiel kann der Verstärkungsfaktorregler 11 ein Ausgangssignal des Analogumrichters 16 überwachen. Wenn der Signalpegel einen bestimmten Wert überschreitet, kann der Verstärkungsfaktorregler 11 die Verstärkungsfaktoreinstellung des Verstärkers 9 so verringern, dass ein Überlauf des A/D-Umrichters 16 vermieden werden kann. Gleichzeitig kann der Verstärkungsfaktorregler 11 die Verstärkungsfaktoreinstellung des Digitalumrichters 17 so erhöhen, dass der Gesamtverstärkungsfaktor konstant bleibt. Dementsprechend wird eine Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers in der analogen Domäne durch eine Änderung des Verstärkungsfaktors in der digitalen Domäne kompensiert.
Im Kollapsmodus stellt der Verstärkungsfaktorregler 11 den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 und des Digitalumrichters 17 so ein, dass der aus der reduzierten Spannung resultierende Empfindlichkeitsverlust kompensiert wird. Hier kann das Produkt der Verstärkungsfaktoreinstellungen während des Kollapsmodus auch konstant bleiben.
8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons 1 mit Empfindlichkeitskompensierung nach der zweiten Ausführungsform wie in 6 gezeigt, das ferner einen Digitalausgang 5 bereitstellt.
Das Mikrofon 1 umfasst einen A/D-Umrichter 16 und einen Digitalumrichter 17 mit strukturellen und funktionalen Merkmalen wie in Bezug auf 7 diskutiert.
9 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons 1 mit Empfindlichkeitskompensierung ähnlich der Ausführungsform wie in 5 gezeigt.
In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Mikrofon 1 jedoch einen Vorverstärker 18 mit einstellbarem Verstärkungsfaktor und einen Verstärker 19. Das vom einseitig terminierten Wandler 12 generierte Signal wird in den variablen Vorverstärker 18 gespeist. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors entspricht der Einstellung wie in Verbindung mit 5 beschrieben. Das vom Vorverstärker 18 verarbeitete Signal wird ferner von einem Verstärker 19 verarbeitet und an einem Ausgang 5 des Mikrofons 1 bereitgestellt.
10 zeigt ein schematisches Diagramm eines Mikrofons 1 mit Empfindlichkeitskompensierung ähnlich der Ausführungsform wie in 9 gezeigt.
In dieser Ausführungsform wird das Signal jedoch in einen nicht variablen Vorverstärker 20 eingespeist und ferner von einem Verstärker 21 mit einstellbarem Verstärkungsfaktor verarbeitet. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors entspricht der Einstellung wie in Verbindung mit 5 beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofon
2: Wandler
3: Eingang
4: Elektronischer Schaltkreis
5: Ausgang
6: Spannungsversorgung
7: Vorspannungsleitung
8: Modusregler
9: Verstärker
10: Akustische Eingabe
11: Verstärkungsfaktorregler
12: Einseitig terminierter Wandler
13: Differenzwandler
14: Erster Verstärker
15: Zweiter Verstärker
16: Analog-digital-Umrichter
17: Digitalumrichter
18: Variabler Vorverstärker
19: Verstärker
20: Vorverstärker
21: Variabler Verstärker
M: Modus des Mikrofons
M0: Normaler Modus
M1: Kollapsmodus
S: Ausgangssignal des Wandlers
S0: Schwellenwert zum Schalten in den Kollapsmodus
S1: Weiterer Schwellenwert zum Schalten in den normalen Modus
T: Zeit
T0, T1, T2: Zeitpunkt
V0: Betriebsspannung
V1, V2: Spannungspegel

Claims

Mikrofon, das Folgendes umfasst: einen Wandler (2) und einen Modusregler (11) zum Umschalten zwischen einem normalen Betriebsmodus (M0) und einem Kollapsmodus (Ml), wobei der Modusregler (11) in den Kollapsmodus (M1) schaltet, wenn ein Ausgangssignal (S) des Wandlers (2) einen vordefinierten Schwellenwert (S0) erreicht oder überschreitet, und in den normalen Betriebsmodus (M0) schaltet, wenn das Ausgangssignal (S) einen vordefinierten weiteren Schwellenwert (S1) erreicht oder unterschreitet.
Mikrofon nach Anspruch 1, das ferner eine Spannungsversorgung (6) zum Versorgen des Wandlers (2) mit einer Vorspannung umfasst, wobei der Vorspannungspegel verringert wird, wenn das Mikrofon (1) in den Kollapsmodus (M1) schaltet.
Mikrofon nach Anspruch 1, das ferner eine Spannungsversorgung (6) zum Versorgen des Wandlers (2) mit einer Vorspannung umfasst, wobei der Vorspannungspegel beibehalten wird, wenn das Mikrofon (1) in den Kollapsmodus (M1) schaltet.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Vorspannungspegel zuerst verringert und danach wieder erhöht wird, wenn das Mikrofon (1) vom Kollapsmodus (M1) in den normalen Betriebsmodus (M0) schaltet.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Mikrofon (1) angepasst ist, nur dann vom Kollapsmodus (M1) in den normalen Betriebsmodus (M0) zu schalten, wenn das Ausgangssignal (S) zumindest während einer vordefinierten Zeitdauer gleich oder unter dem weiteren Schwellenwert (S1) geblieben ist. Mikrofon nach Anspruch 5, wobei die vordefinierte Zeitdauer länger als 400 ms ist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schwellenwert (S0) höher als der weitere Schwellenwert (S1) ist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schwellenwert (S0) im Bereich von 120 bis 140 dB SPL liegt.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der weitere Schwellenwert (S1) im Bereich von 100 bis 130 dB SPL liegt.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Empfindlichkeit des Mikrofons (1) im Kollapsmodus (M1) geringer als im normalen Betriebsmodus (M0) ist.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das einen Verstärker (9, 14, 15, 18, 19) und einen Verstärkungsfaktorregler (11) zum Einstellen des Verstärkungsfaktors des Verstärkers (9, 14, 15, 18, 19) umfasst.
Mikrofon nach Anspruch 11, wobei ein Empfindlichkeitsverlust des Wandlers (2) im Kollapsmodus (M1) vom Verstärker (9, 14, 15, 18, 19) kompensiert wird.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 11 oder 12, das ferner einen Digitalumrichter (17) umfasst, wobei der Verstärkungsfaktorregler (11) angepasst ist, den Verstärkungsfaktor des Digitalumrichters (17) einzustellen.
Mikrofon nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das einen Vorverstärker (18, 20) und einen Verstärker (19, 21) umfasst, wobei der Verstärkungsfaktorregler angepasst ist, den Verstärkungsfaktor vom Vorverstärker (18, 20) und/oder vom Verstärker (19, 21) einzustellen.
Verfahren zum Betrieb des Mikrofons nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: A) Betrieb des Mikrofons (1) im normalen Betriebsmodus (M0), B) Schalten in den Kollapsmodus (M1), wenn ein Ausgangssignal des Wandlers (2) einen vordefinierten Schwellenwert (S0) erreicht oder überschreitet, C) Schalten in den normalen Betriebsmodus (M0), wenn das Ausgangssignal einen vordefinierten weiteren Schwellenwert (S1) erreicht oder unterschreitet.