DE60309092T2

DE60309092T2 - Mikrofonverstärker Vorspannungsschaltung

Info

Publication number: DE60309092T2
Application number: DE60309092T
Authority: DE
Inventors: Steven E. Plano Boor
Original assignee: Knowles Electronics LLC
Current assignee: Knowles Electronics LLC
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: US7221766B2; US20030194100A1; DE60309092D1; DK1355417T3; EP1355417A1; EP1355417B1

Description

Bezug auf entsprechende Anmeldungen
Diese Anmeldung bezieht sich auf die US Provisional Patentanmeldung Nr. 60/372 547 mit der Bezeichnung "Microphone Input Butter Biasing Circuit" vom 15. April 2002.
Forschung oder Entwicklung sind nicht vom Bund gefördert.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikrofone. Im einzelnen ist die Erfindung auf eine Vorspannungsschaltung gerichtet, die in einem Eingangspuffer für ein Mikrofon verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Die Hörhilfeleistung wird weiterhin durch technologische Fortschritte bei der Hörsignalverarbeitungsfähigkeit verstärkt, beispielsweise vor allem durch digitale Signalverarbeitung, Umfeldadaption, Programmierbarkeit und Geräuschausschaltungstechniken. Als Teil dieser weitergehenden Fortschrittsanstrengungen fordern die Hörhilfehersteller oftmals von den Zulieferern der Mikrofonwandler Leistungsverbesserungen.
Eine Leistungsbeschränkung von modernen gestützten Hörsystemen und/oder Einrichtungen, beispielsweise Hörhilfen, – oftmals verbunden mit Geräusche unterdrückenden, gerichteten Hörhilfen, die Hochleistungsminiaturmikrofone verwenden – ist durch die erhebliche Verringerung des Scheinwiderstandes der Antiparallel-Diodenvorspannungsschaltung gegeben, die gewöhnlich am Eingang des Mikrofonpuffers auftritt. Die Antiparallel-Diodenvorspannungsschaltung, die mit dem Signaleingang des Mikrofons gekoppelt ist, beschränkt wirksam den Wandlerausgang zur Einschaltspannung Von der Dioden, wahlweise +/– 0,3 V, bezogen auf das Nullspannungspotential.
Obgleich die Diodenspannung ein Hauptfaktor gewesen ist, der zu einer bedeutenden Verbesserung der Mikrofongeräuschleistung führt, wurde gefunden, daß die Diodenvorspannung ebenfalls unerwünschte hörbare Geräte liefert sowie Leistungsabbau in gerichteten Hörhilfen. Oftmals erfolgt ein derartiger Leistungsabbau unter lauten akustischen Übertragungsbedingungen, d. h. wenn die Signalpegelspannung vom Wandler normalerweise Von übersteigt.
Somit ist eine alternative Eingangsspannungskonfiguration erwünscht, um den Mikrofonpuffer an unterschiedliche Umgebungsbedingungen anzupassen und dadurch diese hörbaren Geräte zu beseitigen, ohne hinsichtlich der Gesamtgeräuschleistung im Wandler Kompromisse einzugehen.
Die US-A-5 097 224 beschreibt eine Vorverstärkerschaltung für ein Mikrofon, die eine Kombination von Scheinwiderstandnetzwerken und Feldeffekttransistoren ist, die dazu dient, den Scheinwiderstand einer Vorspannungsschaltung zu verringern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Eingangspufferschaltung für eine Mikrofonanordnung gerichtet, wie sie im Anspruch 1 gekennzeichnet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Eingangsspannungsschaltung für einen Mikrofonpuffer zu schaffen, ohne dafür hochwertige, beispielsweise Giga-Ohm aufweisende, äußere Widerstände zu benötigen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Fähigkeit zur vollständigen Integration des Strombegrenzungsschaltkreises eines Eingangspuffers in einer integrierten Schaltung zu schaffen.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellungskosten zu reduzieren, die Zuverlässigkeit zu verbessern und die Leistung der Hörhilfe durch Verringerung und/oder Beseitigung des Erfordernisses zu verbessern, große, externe, besondere Komponenten in einem Mikrofoneingangspuffer für die Hörhilfe zu benutzen.
Diese und andere Merkmale und Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die Zeichnungen und die zugehörige Beschreibung erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigen
1a eine bekannte Eingangspufferschaltung für ein Mikrofon, die eine übliche Eingangsvorspannungstechnik aufweist, welche antiparallele Eingangsvorspannungsdioden verwendet, um eine Schaltungsleistung mit extrem geringen Geräusch zu erhalten;
1b eine weitere bekannte Eingangspufferschaltung für ein Mikrofon, die einen extern angeschlossenen Giga-Ohm-Widerstand zur Einführung einer unteren Grenze für den Scheinwiderstand des Eingangsvorspannungsschaltkreises aufweist;
1c eine Eingangspufferschaltung für ein Mikrofon gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a eine Ausführungsform einer Vorspannungsschaltung der vorliegenden Erfindung;
2b eine weitere Ausführungsform einer Vorspannungsschaltung der vorliegenden Erfindung;
3a eine teilweise schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Eingangspuffervorspannungsschaltung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der in 2a gezeigten Vorspannungsschaltung;
3b eine teilweise schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Eingangspuffervorspannungsschaltung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der in 2b gezeigten Vorspannungsschaltung;
4 eine Grafik der quadratischen Kennlinie des Puffereingangstransistors 16 von 1c; und
5 ein grafischer Vergleich der elektrischen Eigenschaften verschiedener Eingangsvorspannungsschaltungen für ein Mikrofon.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Obgleich diese Erfindung in vielen unterschiedlichen Formen verwirklichbar ist, werden in der Zeichnung spezielle Ausführungsformen von ihr dargestellt und im Detail beschrieben, und zwar im Hinblick darauf, daß die gegebene Offenbarung nur als Beispiel für die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien anzusehen ist und nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die gezeigten speziellen Ausführungsformen zu beschränken.
Eine bekannte Ausführungsform ist eine Eingangspufferschaltung für ein Mikrofon, das gewöhnlich zum Erhalt einer Schaltungsleistung mit einem extrem geringen Geräusch Verwendung findet, wie sie in 1a zu sehen ist. Die Schaltung verwendet antiparallele Eingangsvorspannungsdioden für die Eingangsvorspannung des Eingangstransistors der Pufferschaltung. Eine weitere gewöhnlich benutzte Technik für die Eingangsvorspannung des Eingangstransistors weist extern angeschlossene Giga-Ohm-Widerstände bzw. einen derartigen Widerstand auf, um dem Scheinwiderstand der Eingangsvorspannungsschaltung eine niedrige Grenze zu setzen. Diese Ausführungsform ist in 1b dargestellt. In diesem Zusammenhang wird auch auf die US-Patente 5 097 224 und 5 589 799 verwiesen. Obgleich die Konstruktion dieser Eingangspuffer für die Vorspannung von Eingangspufferschaltungen geeignet ist, erfordert sie doch kostspielige Herstellungsverfahren, die die Leistung und Zuverlässigkeit der Eingangspufferschaltung negativ beeinflussen.
Eine Eingangspuffervorspannungsschaltung 10 der vorliegenden Erfindung ist in 1c gezeigt. Die Schaltung 10 weist eine Signaleingangsanschlußklemme 12 auf, die an eine Signalausgangsklemme 14 angeschlossen ist. Die Schaltung 10 ist des weiteren mit einem Eingangstransistor 16 versehen, der mit der Eingangsklemme 12 und der Ausgangsklemme 14 betrieblich verbunden ist. Eine Vorspannungsschaltung 18 ist an die Eingangsklemme 12 und den Eingangstransistor 16 angeschlossen. Ein Widerstand 20 verbindet die Ausgangsklemme 14 und den Eingangstransistor 16 mit der Erde.
Die Vorspannungsschaltung 18 DC spannt die Toreingangsklemme des Eingangstransistors 16 vor. Der Eingangstransistor 16 puffert den Scheinwiderstand zwischen dem hohen Scheinwiderstand des Wandlers eines dielektrischen Mikrofons (nicht gezeigt) und dem verhältnismäßig geringen Scheinwiderstand einer Hörhilfeschaltung (nicht gezeigt), beispielsweise Verstärkers, Signalprozessors. Der Widerstand 20 arbeitet mit dem Eingangstransistor 16 zusammen, vorzugsweise Depletion NMOS, um die gewünschte Höhe des Spannungssignals, beispielsweise empfangen von einem Wandler, für die Hörhilfeschaltung zu erzeugen.
2a zeigt eine Ausführungsform der Vorspannungsschaltung 18. Ein Strombegrenzer 22 ist an ein Diodenpaar 24, 26 angeschlossen. Jede Diode 24, 26 ist mit der Strombegrenzungsvorrichtung 22 in Reihe geschaltet. Die Strombegrenzungsvorrichtung 22 begrenzt die Größe des Stroms, der in die Vorspannungsschaltung 18 hinein und aus ihr herausfließt sowie durch die Dioden 24, 26. Ohne eine gewisse Einrichtung zur Begrenzung des Stroms durch die Eingangsvorspannungsschaltung würden die erhöhten Strompegel durch die Eingangsvorspannungsschaltung (als Ergebnis eines Anstiegs der Eingangssignalspannung) die Einschwingungserholungsmerkmale einer vollständigen Mikrofonanordnung nachteilig beeinflussen, die gewöhnlich zu unerwünschten künstlichen akustischen Geräuschen führen.
Eine Ausführungsform des Strombegrenzers 22, die für die Vorspannungsschaltung 18 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in 3a gezeigt. Da jede Diode 24, 26 den Strom nur in einer Richtung leitet, wird ein Transistorpaar 28, 30 zur Strombegrenzung in jeder Richtung verwendet, d. h. während der Vorwärtsvorspannung jeder entsprechenden Diode. Eine Pufferschaltung 32 ist mit der Eingangsklemme 12 sowie dem ersten und zweiten Transistor 28, 30 verbunden, um die parasitäre Verbindungskapazität, die bei der Isolierung der P-Schutzbereiche der Transistoren entsteht, zu puffern. Vorzugsweise entsprechen die ersten und zweiten Transistoren 28, 30 dem Natural NMOS-Typ und haben eine Schwellenspannung von nahezu 0 Volt. Die ersten und zweiten Transistoren 28, 30 üben die Strombegrenzungsfunktion der Vorspannungsbegrenzungsschaltung 18 aus. Die Pufferschaltung 32 weist einen Widerstand 34 und drei betrieblich verbundene Verstärkungs-PMOS-Transistoren 36, 38, 40 auf.
3a zeigt außerdem ein Diodenpaar 42, 44, das bei der physikalischen Umsetzung der Strombegrenzungsschaltung parasitäre Strukturen hat. Die zu diesen parasitären Dioden 42, 44 gehörende Kapazität wird durch den PMOS-Pufferteil der Schaltung geschützt.
Die quadratische Charakteristik des Eingangstransistors 16 für den Eingangspuffer 10 der vorliegenden Erfindung ist in 4 dargestellt. Der Strom I_DS fließt durch den Eingangstransistor 16 von dessen Ausgang zu seiner Quelle und ist auf der senkrechten Achse des Schaubilds dargestellt. Die Spannung der Ausgangsklemme 14 ist auf der waagerechten Achse des Schaubilds dargestellt. Die parabolischen Kurven im Mittelteil des Schaubilds stellen die Eingangstransistorcharakteristik (I_DS) für verschiedene Eingangsspannungen dar, beispielsweise –0,1; 0,0 und 0,1 V. Der Schnittpunkt der Belastungslinie des Widerstands 20 mit der parabolischen Kurve stellt den Ausgangs-Quellen-Strom durch den Eingangstransistor 16 und die Spannung an der Ausgangsquelle 14 dar.
Eine alternative Ausführungsform des Strombegrenzers 22, die bei der Vorspannungsschaltung 18 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in den 2b und 3b dargestellt. Der in 2b gezeigte Strombegrenzer 22 ist an ein antiparalleles Diodenpaar 24, 26 angeschlossen. Der Strombegrenzer 22 ist vorzugsweise eine bi-direktionale Strombegrenzungsschaltung, die die Größe des Stroms, der in die Vorspannungsschaltung 18 einströmt und aus ihr ausströmt und durch die antiparallelen Dioden 24, 26 hindurchströmt, begrenzt. Wie aus 3b ersichtlich, sind der erste Transistor 28 und der zweite Transistor 30 zwischen die Eingangsklemme 12 und die beiden antiparallelen Dioden 24, 26 der Vorspannungsschaltung 18 von 2b geschaltet. Da jede Diode 24, 26 den Strom nur in einer Richtung leitet, sind die beiden Transistoren 28, 30 an die antiparallelen Dioden zur Strombegrenzung in jeder Richtung angeschlossen, d. h. während der Vorwärtsvorspannung jeder entsprechenden Diode. Um wieder auf 3b zurückzukommen, ist festzustellen, daß die Pufferschaltung 32 einen Widerstand 34 und drei betrieblich angeschlossene Verstärkungs-PMOS-Transistoren 36, 38, 40 aufweist und mit der Eingangsklemme 12 sowie den ersten und zweiten Transistoren 28, 30 verbunden ist, um die parasitäre Verbindungskapazität, die bei der Isolierung der P-Rohrbereiche der Transistoren entsteht, abzupuffern.
Obgleich die Benutzung eines Scheinwiderstandes in einer Vorspannungsschaltung für einen Eingangspuffer bereits vorher bekannt gewesen ist (siehe 1b), unterscheidet sich die vorliegende Erfindung strukturmäßig und bietet gegenüber den Vorspannungsschaltungen bekannter Eingangspuffer wesentliche Vorteile. Die Verwendung des Eingangstransistors 16 in Verbindung mit den Natural MOS-Transistoren 28, 30 ermöglicht den Einbau aller Eingangspufferschaltkomponenten in dieselbe integrierte Schaltung, wodurch die Herstellungskosten gesenkt, die Zuverlässigkeit erhöht und die parasitären Kapazitäten, die der Gesamtempfindlichkeit des Mikrofons abträglich sind, verringert werden.
Die Abhängigkeit zwischen dem Ausgangsstrom I_aus und der Eingangsspannung V_ein für die Vorspannungsschaltung 18 der vorliegenden Erfindung und andere bekannte Vorspannungsschaltungen, die antiparallele Dioden enthalten, ist in 5 dargestellt. Die durchgehende Linie stellt bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die übrigen Linien stellen zwei gemeinhin bekannte Eingangsvorspannungsschaltungen dar – die gestrichelte Linie eine Ausgangsvorspannungsschaltung, allein unter Verwendung der antiparallelen Dioden, also 1a, und die zweite gestrichelte Linie stellt eine Eingangspufferschaltung dar, die die antiparallelen Dioden in Reihe mit einem bestimmten Niederschlag (Widerständen) im Giga-Ohm-Bereich benutzt, also 1b. In 5 ist dargestellt, daß der Eingangspuffer 10 der vorliegenden Erfindung funktionell mit den Eingangsvorspannungsschaltungen vergleichbar ist, die in 1b benutzt werden, und zwar deshalb, weil er wirksam den Strom durch die Eingangsvorspannungsschaltung auf im wesentlichen dieselbe Höhe begrenzt. Es wurde festgestellt, daß der besonders kritische Faktor bei der Beseitigung des akustischen Geräteproblems für große flüchtige Toneingänge die Begrenzung des Stromflusses durch die Eingangsvorspannungsschaltung auf Pico-Ampereniveau ist und nicht die Begrenzung der Scheinwiderstandverringerung der Eingangsvorspannungsschaltung an sich. Darüber hinaus weist die Pufferschaltung 10 der vorliegenden Erfindung zusätzliche Vorteile bezüglich der Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit auf, die sich aus der Fähigkeit zur vollständigen Integration der gesamten Schaltung auf demselben IC ergeben.
Aus dem obigen ist zu erkennen, daß zahlreiche Abänderungen und Wandlungen bewirkt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, daß keine Beschränkung hinsichtlich der speziellen, hier dargestellten Geräte beabsichtigt ist oder erfolgen soll. Es ist natürlich beabsichtigt, durch die beigefügten Ansprüche alle Abwandlungen als unter den Schutzumfang der Ansprüche fallend abzudecken.

Claims

Eingangspufferschaltung (10) für ein Mikrofon, wobei die Eingangspufferschaltung (10) folgende Elemente aufweist: einen Eingang (12) zum Empfang eines Spannungssignals; einen Eingangstransistor (16), der zwischen dem Eingang (12) und einem Ausgang (14) geschaltet ist; eine Vorspannungsschaltung (18) mit einem Strombegrenzer (22), der mit dem Eingang (12) und dem Eingangstransistor (16) betrieblich verbunden ist, wobei die Vorspannungsschaltung (18) den Gate-Anschluss des Eingangstransistors (16) mit einer Gleichstromvorspannung beaufschlagt; und einen Widerstand (20), der mit dem Eingangstransistor (16) und dem Ausgang betrieblich verbunden ist, wobei der Widerstand (20) und der Eingangstransistor (16) zusammenwirken, um an den Ausgang (14) ein gepuffertes Spannungssignal zu liefern; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsschaltung (18) ein Paar antiparallele Dioden (24, 26) aufweist, die betrieblich mit dem Eingang verbunden sind, und dass der Strombegrenzer (22) einen ersten Transistor (28) und einen zweiten Transistor (30) unfasst, wobei der erste und der zweite Transistor (28, 30) zusammenarbeiten, um den Stromfluss durch das Paar antiparalleler Dioden (24, 26) in zwei Richtungen zu begrenzen.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine parasitäre kapazitive Pufferschaltung (32), die mit parasitären Dioden (42, 44) betrieblich verbunden ist, welche der Isolierung der P-Senke eines oder mehrerer Transistoren (28, 32) in dem Strombegrenzer (22) zugeordnet sind.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen dritten Transistor (36), der betrieblich mit dem Eingang (12) verbunden ist, einen vierten Transistor (38), der betrieblich mit dem dritten Transistor (36) verbunden ist, einen fünften Transistor (40), der betrieblich mit dem vierten verbunden ist, und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Vorspannungsstroms für den dritten Transistor (36) der parasitären, kapazitiven Pufferschaltung (32), wobei die parasitäre Kapazität, die zu der Isolierung der P-Senke des ersten und zweiten Transistors (28, 30) gehört, von dem Eingang (12) gepuffert ist.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten, vierten und fünften Transistoren (36, 38, 40) einem Verstärkungstransistor des PMOS-Typs entsprechen.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangstransistor (16) einem Sperrschichttransistor des NMOS-Typs entspricht.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (28) einem natürlichen NMOS-Typ entspricht.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (30) einem natürlichen NMOS-Typ entspricht.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor (30) einem natürlichen NMOS-Typ entspricht.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom, der Eingangssignalen zugeordnet ist und durch die antiparallelen Dioden fließt, begrenzt wird.
Eingangspufferschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen parasitären, kapazitiven Puffer (32), der zwischen dem Strombegrenzer und dem Eingang betrieblich gekoppelt ist.