JP2020036119A - Digital microphone - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量型のマイクロホン素子から出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するΔΣ変調型A/D変換器として構成されるデジタルマイクロホンに関する。 The present invention relates to a digital microphone configured as a ΔΣ modulation A / D converter that converts an analog signal output from a capacitance type microphone element into a digital signal.
デジタルマイクロホンとして、図6に示すように、MEMS(Micro Electro Mechanical System)で形成した静電容量型のマイクロホン素子100と信号処理のための集積回路300を組み合わせて構成されたものがある(類似のものとして特許文献1参照)。
As shown in FIG. 6, there is a digital microphone configured by combining a capacitance
このデジタルマイクロホンは、集積回路300のバイアス回路310からマイクロホン素子100に所定のバイアス電圧を供給する。そして、マイクロホン素子100に入力する音圧の変動による容量変化を電気信号に変換することで電気的なアナログ信号とし、そのアナログ信号を集積回路300に取り込で低雑音増幅器320で増幅した後にΔΣ変調型A/D変換器330でデジタル信号に変換して出力するものである。
The digital microphone supplies a predetermined bias voltage to the
ΔΣ変調型A/D変換器330は高SNRを実現するために用いられる。このΔΣ変調型A/D変換器330は、マイクロホン素子100の出力信号が入力する加算器331、加算器331の出力信号を積分する積分器332、積分器332の出力信号が基準値より低ければ“L”の信号、高ければ“H”のデジタル信号を出力する例えば1ビットの量子化器333、量子化器333の出力するデジタル信号“L”、“H”をアナログ信号に変換して加算器331に帰還するD/A変換器334で構成されている。量子化器333は1ビットに限らずマルチビットの場合もある。このような構成により、近年のモバイル機器用のマイクロホンの高SNR化、小型化、低消費電力化の要請に対応することができる。
The ΔΣ modulation type A /
ここで、ΔΣ変調型A/D変換器330が高SNRを実現できる理由を説明する。図6のΔΣ変調型A/D変換器330は図7のようなブロック図で表すことができる。X(z)を入力信号、Y(z)を出力信号、E(z)の量子化ノイズとすると、
Y(z)=Z-1 X(z)+(1−Z-1)E(z) (1)
となる。Z-1 は1クロック遅延を示す。ここからノイズ成分のみの伝達関数NTF(Noise Transfer Function)を求めると、
NTF=Y(z)/X(z)=(1−Z-1) (2)
が得られる。
Here, the reason why the ΔΣ modulation type A /
Y (z) = Z -1 X (z) + (1-Z -1 ) E (z) (1)
Becomes Z -1 indicates one clock delay. When a transfer function NTF (Noise Transfer Function) of only the noise component is obtained from this,
NTF = Y (z) / X (z) = (1−Z −1 ) (2)
Is obtained.
一般的に量子化の際に発生する量子化ノイズE(z)は全周波数領域にわたって一様に分布するが、ΔΣ変調の効果によって、量子化ノイズE(z)に式(2)のNTFの係数がかかることで、ノイズの分布をより高範囲にシフトさせることが可能となる。これはノイズシェーピングと呼ばれ、低域側の量子化ノイズを抑制して信号帯域の高SNRを実現することが可能である。 Generally, the quantization noise E (z) generated at the time of quantization is uniformly distributed over the entire frequency range. However, due to the effect of ΔΣ modulation, the quantization noise E (z) is obtained by adding the NTF of the equation (2) to the quantization noise E (z). By applying the coefficient, it is possible to shift the noise distribution to a higher range. This is called noise shaping, and it is possible to realize a high SNR in a signal band by suppressing quantization noise on the low frequency side.
しかしながら、ΔΣ変調型D/A変換器を構成して式(2)の伝達関数を実現するためには、様々な回路ブロックが必要となり、近年求められる小型化、低消費電力化を実現することが難しい。 However, various circuit blocks are required to configure the ΔΣ modulation type D / A converter to realize the transfer function of Expression (2), and to achieve the miniaturization and low power consumption required in recent years. Is difficult.
本発明の目的は、高いSNRを実現しつつ、部品共通化及び削減によって小型化と低消費電力化を実現したデジタルマイクロホンを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a digital microphone that realizes a small size and low power consumption by realizing a high SNR and using common components and reducing the number of components.
上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明のデジタルマイクロホンは、バイアス電圧が印加され音圧変動を電気的なアナログ信号に変換する静電容量型のマイクロホン素子と、該マイクロホン素子から出力する前記アナログ信号を積分する積分器と、該積分器の出力信号を所定ビット数のデジタル信号に量子化し出力信号として出力する量子化器と、該量子化器から出力する前記デジタル信号に対応したバイアス電圧を発生して前記マイクロホン素子に印加する可変バイアス回路とを備え、前記マイクロホン素子から出力する前記アナログ信号は、前記音圧変動と前記可変バイアス回路から入力する前記バイアス電圧とから決まる信号であり、全体でΔΣ変調型A/D変換器が構成されることを特徴とする。
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載のデジタルマイクロホンにおいて、前記可変バイアス回路は、前記量子化器から出力するnビットのデジタル信号の値に応じて2n個(nは1以上の正の整数)の互いに異なる電圧の内から1つの電圧を選択して前記バイアス電圧として出力することを特徴とする。
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載のデジタルマイクロホンにおいて、前記積分器が複数縦続接続されることにより高次のΔΣ変調型A/D変換器として構成され、前記複数縦続接続された積分器のうちの特定の積分器の出力信号を該特定の積分器の1段又は複数段前の積分器の入力側に帰還するフィードバック経路が設けれれていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a digital microphone according to the first aspect of the present invention includes a capacitance-type microphone element to which a bias voltage is applied to convert a sound pressure fluctuation into an electric analog signal, and an output from the microphone element. An integrator that integrates the analog signal, a quantizer that quantizes an output signal of the integrator into a digital signal having a predetermined number of bits and outputs the digital signal as an output signal, and a digital signal that is output from the quantizer. A variable bias circuit that generates a bias voltage and applies the bias voltage to the microphone element, wherein the analog signal output from the microphone element is a signal determined from the sound pressure fluctuation and the bias voltage input from the variable bias circuit. In this case, a ΔΣ modulation A / D converter is constituted as a whole.
According to a second aspect of the present invention, in the digital microphone according to the first aspect, the variable bias circuit includes 2 n (n is 1 or more) in accordance with a value of an n-bit digital signal output from the quantizer. One voltage is selected from mutually different voltages (positive integer) and output as the bias voltage.
According to a third aspect of the present invention, in the digital microphone according to the first or second aspect, the integrator is configured as a high-order ΔΣ modulation type A / D converter by connecting a plurality of integrators, and the plurality of integrators are connected in series. A feedback path is provided that feeds back an output signal of a specific integrator among the integrators performed to the input side of the integrator one or more stages before the specific integrator.
本発明のデジタルマイクロホンによれば、全体がΔΣ変調型A/D変換器として構成されるので高いSNRを実現できる。また、マイクロホン素子がΔΣ変調型A/D変換器の加算器として働くので、加算器が不要となり、さらにD/A変換器の役割を可変バイアス回路に統合できる。これによって部品共通化及び削減が可能となってΔΣ変調の特徴である高NSRを保ったまま小型化と低消費電力化を実現できる。 According to the digital microphone of the present invention, a high SNR can be realized because the whole is configured as a ΔΣ modulation type A / D converter. Further, since the microphone element functions as an adder of the ΔΣ modulation type A / D converter, an adder becomes unnecessary, and the role of the D / A converter can be integrated with the variable bias circuit. As a result, components can be shared and reduced, and downsizing and low power consumption can be realized while maintaining high NSR, which is a feature of ΔΣ modulation.
<第1実施例>
図1に本発明の第1実施例のデジタルマイクロホンの構成を示す。100は前記したようにMEMSで形成した静電容量型のマイクロホン素子である。200は信号処理のための集積回路であり、マイクロホン素子100とともに共通のパッケージ(図示せず)に収められる。この集積回路200は、マイクロホン素子100の出力信号が入力するバッファ回路210、バッファ回路210の出力信号を積分する積分器220、積分器220の出力信号を1ビットのデジタル信号に量子化して出力する量子化器230、量子化器230で量子化された1ビットのデジタル信号に応じてバイアス電圧を生成してマイクロホン素子100に印加する可変バイアス回路240を備える。
<First embodiment>
FIG. 1 shows a configuration of a digital microphone according to a first embodiment of the present invention.
本発明のデジタルマイクロホンの動作は次の通りである。音圧信号はマイクロホン素子100によって電気的な信号に変換され、集積回路200に入力される。ここで、静電容量型のマイクロホン素子100はその出力インピーダンスが高いことから、このままでは積分器220に接続することはできないので、インピーダンス変換を行うためにバッファ回路210を用いている。このバッファ回路210は、ゲイン調整を行うことも可能である。バッファ回路210から出力される信号を積分器220で積分し、積分器220の出力が量子化器230によって量子化される。1ビット量子化器を用いれば、積分器220の出力が基準値より低ければ“L”のデジタル信号が、基準値より高ければ“H”のデジタル信号がDOUTとして出力されることになる。
The operation of the digital microphone of the present invention is as follows. The sound pressure signal is converted into an electric signal by the
従来のΔΣ変調型A/D変換器では、図6で説明したように量子化器333で量子化されたデジタル信号をD/A変換器334でアナログ信号に変換したものを帰還し、加算器331を用いて入力信号(アナログ信号)と帰還信号(アナログ信号)を加算していた。これに対して本発明のΔΣ変調型A/D変換器では、量子化されたデジタル信号値に応じてバイアス信号を切り換える可変バイアス回路240によって擬似的に音圧変動に変換したものをマイクロホン素子100に帰還し、マイクロホン素子100を用いて入力信号(音圧変動)と帰還信号(擬似音圧変動)を加算している。つまり、マイクロホン素子100は、音圧変動を電気的なアナログ信号に変換する他、量子化値に応じた値を入力信号と加算する加算器としても動作している。
In the conventional ΔΣ modulation type A / D converter, as described with reference to FIG. 6, a digital signal quantized by the
本実施例のデジタルマイクロホンによれば、上記したような可変バイアス回路240とマイクロホン素子100によってフィードバックループが構成されるので、前記した式(2)の伝達特性を実現することが可能となる。そして、ΔΣ変調型A/D変換器が構成されることから高いSNRを実現できる。また、ΔΣ変調型A/D変換器の加算器としてマイクロホン素子100を共用するので、差分信号生成用の加算器が不要となり、さらにD/A変換器の役割を可変バイアス回路に統合できる。これにより部品共通化及び削減が可能となって小型化と低消費電力化を実現できる。
According to the digital microphone of the present embodiment, since the feedback loop is configured by the
なお、量子化器230は1ビットに限らず2ビット以上のマルチビットの信号を出力するようにすることもできる。また、積分器220として、スイッチドキャパシタを用いた離散系と抵抗と容量を用いた連続系が知られているが、どちらを使用してもよい。
Note that the
<第2実施例>
図2に第2実施例のデジタルマイクロホンの構成を示す。本実施例は、図1の可変バイアス回路の具体例の一例を示している。可変バイアス回路240は、縦続接続したN個のチャージポンプからなる昇圧器241_1、241_2、・・・・・241_Nと、セレクタ242で構成している。セレクタ242は、最終段の昇圧器241_Nと最終段から2段前の昇圧器241_N−2の出力電圧を、量子化器230の出力データに応じて切り替えてバイアス電圧として出力する。昇圧器の数Nは任意である。
<Second embodiment>
FIG. 2 shows the configuration of a digital microphone according to the second embodiment. This embodiment shows an example of a specific example of the variable bias circuit of FIG. The
なお、量子化器230が2ビット以上のマルチビット信号を出力する場合は、2n個(nは2以上の整数)のバイアス電圧を用意しておき、セレクタ242によって2n個のバイアス電圧のうちから1つのバイアス電圧が選択されるようにすればよい。
When the
<第3実施例>
図3に第3実施例のデジタルマイクロホンの構成を示す。一般的にMEMSで構成されるマイクロホン素子には、4次のΔΣ型変調器が用いられるので、図3では縦続接続された4つの積分器220_1、220_2、220_3、220_4を使用している。250_1、250_2、250_3、250_4は加算器である。ΔΣ変調型A/D変換器は積分の回数を増やすほど、つまり次数を高くするほど量子化雑音の抑制効果が大きくなり、低い周波数でのノイズがより抑圧される。
<Third embodiment>
FIG. 3 shows the configuration of a digital microphone according to the third embodiment. In general, a fourth-order ΔΣ modulator is used for a microphone element composed of MEMS. Therefore, FIG. 3 uses four cascade-connected integrators 220_1, 220_2, 220_3, and 220_4. 250_1, 250_2, 250_3, 250_4 are adders. In the ΔΣ modulation type A / D converter, as the number of integrations is increased, that is, as the order is increased, the effect of suppressing the quantization noise is increased, and the noise at a low frequency is further suppressed.
ただし、本発明のデジタルマイクロホンはΔΣ変調型A/D変換器の次数に依存しないため、次数は要求される仕様によって任意に設定可能である。 However, since the digital microphone of the present invention does not depend on the order of the ΔΣ modulation type A / D converter, the order can be arbitrarily set according to required specifications.
<第4実施例>
図4に第4実施例のデジタルマイクロホンの構成を示す。ΔΣ変調型A/D変換器は、ノイズ改善のために、積分器220_2と積分器220_3の間に加算器250_5を挿入して、積分器220_4の積分出力を加算器250_5に帰還させることで、ローカルフィードバックを設けることも可能である。このローカルフィードバックによりNTFに任意のゼロ点を設定することができるため、帯域内のノイズをより高い周波数域に押し出すことが可能となる。ただ、これは素子追加が必要であるため、特性と面積のトレードオフを考慮する必要がある。
<Fourth embodiment>
FIG. 4 shows the configuration of a digital microphone according to the fourth embodiment. The ΔΣ modulation type A / D converter inserts an adder 250_5 between the integrator 220_2 and the integrator 220_3 to improve noise, and feeds back the integrated output of the integrator 220_4 to the adder 250_5. It is also possible to provide local feedback. Since an arbitrary zero point can be set in the NTF by the local feedback, it is possible to push out noise in the band to a higher frequency range. However, since this requires an additional element, it is necessary to consider a trade-off between characteristics and area.
<第5実施例>
図5に第5実施例のデジタルマイクロホンの構成を示す。本実施例では、ΔΣ変調型A/D変換器の量子化器230で量子化されたデジタル信号を、DSP(Digital Signal Processing)260に取り込んで、特性補正のための信号処理もしくはフォーマット変換してから出力デジタル信号DOUTとして取り出すようにした。フォーマットとしては、例えば、PDM(Pulse Density Modulation)フォーマット、I2S(Inter-IC Sound)フォーマット、その他のがある。
<Fifth embodiment>
FIG. 5 shows the configuration of the digital microphone of the fifth embodiment. In the present embodiment, the digital signal quantized by the
100:マイクロホン素子
200:集積回路、210:バッファ回路、220:積分器、230:量子化器、240:可変バイアス回路、250:加算器、260:DSP
100: microphone element 200: integrated circuit, 210: buffer circuit, 220: integrator, 230: quantizer, 240: variable bias circuit, 250: adder, 260: DSP
Claims (3)
前記可変バイアス回路は、前記量子化器から出力するnビットのデジタル信号の値に応じて2n個(nは1以上の正の整数)の互いに異なる電圧の内から1つの電圧を選択して前記バイアス電圧として出力することを特徴とするデジタルマイクロホン。 The digital microphone according to claim 1,
The variable bias circuit selects one voltage from 2 n (n is a positive integer of 1 or more) different voltages in accordance with the value of an n-bit digital signal output from the quantizer. A digital microphone that outputs the bias voltage.
前記積分器が複数縦続接続されることにより高次のΔΣ変調型A/D変換器として構成され、前記複数縦続接続された積分器のうちの特定の積分器の出力信号を該特定の積分器の1段又は複数段前の積分器の入力側に帰還するフィードバック経路が設けれれていることを特徴とするデジタルマイクロホン。
The digital microphone according to claim 1, wherein
A plurality of the integrators are connected in cascade to constitute a higher-order ΔΣ modulation type A / D converter, and an output signal of a specific one of the plurality of integrators is connected to the specific integrator. A digital microphone provided with a feedback path that feeds back to the input side of the integrator one or more stages before.
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